Лекция 20 Физика атома и атомного ядра 1

Лекция 20. Физика атома и атомного ядра 1. 2. 3. 4. 5. 6. Квантовые постулаты Бора Атом водорода. Линейчатые спектры Лазеры Состав атомных ядер Радиоактивность Ядерные реакции

1. Квантовые постулаты Бора § Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Первый постулат Бора § (постулат стационарных состояний): атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

Энергетические уровни атома и условное изображение процессов поглощения и испускания фотонов

Второй постулат Бора § (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний § hνnm = En – Em,

2. Атом водорода. Линейчатые спектры § Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона. § Еще в начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в видимой области излучения атома водорода (так называемый линейчатый спектр).

Серии § Совокупность спектральных линий атома водорода в видимой части спектра была названа серией Бальмера. Позже аналогичные серии спектральных линий были обнаружены в ультрафиолетовой и инфракрасной частях спектра. § Для серии Бальмера m = 2, n = 3, 4, 5, . . Для ультрафиолетовой серии (серия Лаймана) m = 1, n = 2, 3, 4, . . Постоянная R в этой формуле называется постоянной Ридберга.

Стационарные орбиты атома водорода и образование спектральных серий

Диаграмма энергетических уровней атома водорода. Показаны переходы, соответствующие различным спектральным сериям. Для первых пяти линий серии Бальмера в видимой части спектра указаны длины волн

3. Лазеры § Ла зер (англ. laser, сокр. от Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation — «усиление света посредством вынужденного излучения» ) § опти ческий ква нтовый генера тор — устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др. ) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения.

Лазер (лаборатория NASA).

Физические основы работы лазера § Атом может находиться в различных энергетических состояниях с энергиями E 1, E 2 и т. д. (стабильные). § стабильным состоянием, в котором атом в отсутствие внешних возмущений может находиться бесконечно долго, является только состояние с наименьшей энергией. Это состояние называют основным. § Все другие состояния нестабильны.

Физические основы работы лазера § Возбужденный атом может пребывать в этих состояниях лишь очень короткое время, порядка 10– 8 с, после этого он самопроизвольно переходит в одно из низших состояний, испуская квант света, частоту которого можно определить из второго постулата Бора. § Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое, называют спонтанным. .

Физические основы работы лазера § На некоторых энергетических уровнях атом может пребывать значительно большее время, порядка 10– 3 с. Такие уровни называются метастабильными. § Переход атома в более высокое энергетическое состояние может происходить при резонансном поглощении фотона, энергия которого равна разности энергий атома в конечном и начальном состояниях.

Физические основы работы лазера § Переходы между энергетическими уровнями атома не обязательно связаны с поглощением или испусканием фотонов. § Атом может приобрести или отдать часть своей энергии и перейти в другое квантовое состояние в результате взаимодействия с другими атомами или столкновений с электронами. Такие переходы называются безизлучательными.

Индцированное излучение § В 1916 году А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона в атоме с верхнего энергетического уровня на нижний может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля, частота которого равна собственной частоте перехода. § Возникающее при этом излучение называют вынужденным или индуцированным. § В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном атом испускает еще один фотон той же самой частоты, распространяющийся в том же направлении.

Индцированное излучение § Атом излучает электромагнитную волну, у которой частота, фаза, поляризация и направление распространения точно такие же, как и у первоначальной волны. § В результате вынужденного испускания фотонов амплитуда волны, распространяющейся в среде, возрастает § В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, появляются два совершенно одинаковых фотона-близнеца.

Условное изображение процессов (a) поглощения, (b) спонтанного испускания и (c) индуцированного испускания кванта

Устройство лазера § Среда, в которой создана инверсная населенность уровней, называется активной. § Она может служить резонансным усилителем светового сигнала. § Для того, чтобы возникала генерация света, необходимо использовать обратную связь. Для этого активную среду нужно расположить между двумя высококачественными зеркалами, отражающими свет строго назад так, чтобы он многократно прошел через активную среду, вызывая лавинообразный процесс индуцированной эмиссии когерентных фотонов. § При этом в среде должна поддерживаться инверсная населенность уровней. Этот процесс в лазерной физике принято называть накачкой.

Развитие лавинообразного процесса генерации в лазере

Трехуровневая схема оптической накачки. Указаны «времена жизни» уровней E 2 и E 3. Уровень E 2 – метастабильный. Переход между уровнями E 3 и E 2 безызлучательный. Лазерный переход осуществляется между уровнями E 2 и E 1. В кристалле рубина уровни E 1, E 2 и E 3 принадлежат примесным атомам хрома

Механизм накачки He–Ne лазера. Прямыми стрелками изображены спонтанные переходы в атомах неона

Схема гелий-неонового лазера: 1 – стеклянная кювета со смесью гелия и неона, в которой создается высоковольтный разряд; 2 – катод; 3 – анод; 4 – глухое сферическое зеркало с пропусканием менее 0, 1 %; 5 – сферическое зеркало с пропусканием 1– 2 %

Виды лазеров § Твердотельные лазеры на люминесцирующих твёрдых средах (диэлектрические кристаллы и стёкла). В качестве активаторов обычно используются ионы редкоземельных элементов или ионы группы железа Fe. § Накачка оптическая и от полупроводниковых лазеров, осуществляется по трёх- или четырёхуровневой схеме. § Современные твердотельные лазеры способны работать в импульсном, непрерывным и квазинепрерывном режимах.

Активная среда твердотельного лазера § рубин - это красная разновидность минерала корунда, распространенного природного соединения окиси алюминия (Аl 2 O 3)

§ Сапфир - одна из разновидностей минерала корунда, драгоценный камень разных оттенков, преимущественно синего цвета. Химическая формула Al 2 O 3 (оксид алюминия). Примесь Fe 2+, Fe 3+, Ti

§ Изумруд является прозрачной разновидностью берилла, окрашенной в травянистозелёный цвет оксидом хрома или оксидом ванадия, иногда с примесью оксида железа (южноафриканские изумруды). Be 3 Al 2(Si. O 3)6

Виды лазеров § Полупроводниковые лазеры. Формально также являются твердотельными, но традиционно выделяются в отдельную группу, поскольку имеют иной механизм накачки (инжекция избыточных носителей заряда через p-n переход или гетеропереход, электрический пробой в сильном поле, бомбардировка быстрыми электронами), а квантовые переходы происходят между разрешёнными энергетическими зонами, а не между дискретными уровнями энергии. § Полупроводниковые лазеры — наиболее употребительный в быту вид лазеров. Кроме этого применяются в спектроскопии, в системах накачки других лазеров, а также в медицине.

Виды лазеров § Лазеры на красителях. Тип лазеров, использующий в качестве активной среды раствор флюоресцирующих с образованием широких спектров органических красителей. § Лазерные переходы осуществляются между различными колебательными подуровнями первого возбуждённого и основного синглетных электронных состояний. § Накачка оптическая, могут работать в непрерывном и импульсном режимах. § Основной особенностью является возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне. Применяются в спектроскопических исследованиях

Виды лазеров § Газовые лазеры — лазеры, активной средой которых является смесь газов и паров. § Отличаются высокой мощностью, монохроматичностью, а также узкой направленностью излучения. § Работают в непрерывном и импульсном режимах. § В зависимости от системы накачки газовые лазеры разделяют на газоразрядные лазеры, газовые лазеры с оптическим возбуждением и возбуждением заряженными частицами, газодинамические и химические лазеры. § По типу лазерных переходов различают газовые лазеры на атомных переходах, ионные лазеры, молекулярные лазеры на электронных, колебательных и вращательных переходах молекул и эксимерные лазеры

Виды лазеров § Эксимерные лазеры — разновидность газовых лазеров, работающих на энергетических переходах эксимерных молекул (димерах благородных газов, а также их моногалогенидов), способных существовать лишь некоторое время в возбуждённом состоянии. § Накачка осуществляется пропусканием через газовую смесь пучка электронов, под действием которых атомы переходят в возбуждённое состояние с образованием эксимеров, фактически представляющих собой среду с инверсией населённостей. § Эксимерные лазеры отличаются высокими энергетическими характеристикам, малым разбросом длины волны генерации и возможности её плавной перестройки в широком диапазоне

Лазерное шоу

4. Состав атомных ядер § Атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов. § Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, которому удалось измерить у нее отношение e / m. § В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.

Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп

Заряд протона § заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1, 60217733· 10– 19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10– 22.

Масса протона § Масса протона, по современным измерениям, равна mp = 1, 67262∙ 10– 27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м. ), равной массы атома углерода с массовым числом 12: 1 а. е. м. = 1, 66057· 10– 27 кг. § Следовательно, mp = 1, 007276 а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc 2. Так как 1 э. В = 1, 60218· 10– 19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938, 272331 Мэ. В.

Схема установки для обнаружения нейтронов

Масса нейтрона § масса нейтрона mn = 1, 67493∙ 10– 27 кг = 1, 008665 а. е. м. § В энергетических единицах масса нейтрона равна 939, 56563 Мэ. В. § Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона

Ядра химических элементов § Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A: A = Z + N. § Ядра химических элементов обозначают символом § где X – химический символ элемента § Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами.

5. Радиоактивность § Почти 90 % из 2500 известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. § Это свойство ядер называется радиоактивностью. § У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. § Стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209 не существует.

§ Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. § Ядра, которые содержат избыток нейтронов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. § Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Схема опыта по обнаружению α-, β- и γ-излучений. К – свинцовый контейнер, П – радиоактивный препарат, Ф – фотопластинка, В – магнитное поле

Альфа-распад § Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия

Энергетическая диаграмма α-распада ядер радия. Указано возбужденное состояние ядра радона. Переход из возбужденного состояния ядра радона в основное сопровождается излучением γ-кванта с энергией 0, 186 Мэ. В

Бета-распад. § При бета-распаде из ядра вылетает электрон. § Внутри ядер электроны существовать не могут, они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. § Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. § Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. § При распаде нейтрон превращается в протон и электрон.

§ При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. § Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. § Типичным примером β-распада может служить превращение изотона тория, возникающего при α-распаде урана, в палладий

Гамма-распад. § В отличие от α- и β-радиоактивности, γрадиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. § Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. § Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких Мэ. В.

Закон радиоактивного распада § В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. § Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

N (t) = N 0 e–λt, § N 0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2, 7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра. § Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e § N (t) = N 0 · 2–t/T. § Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер

Закон радиоактивного распада

Схема распада радиоактивн ой серии U 238. Указаны периоды полураспада

6. Ядерные реакции § Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

§ Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами

§ При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов).

§ Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

Освобождения ядерной энергии 1. Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или βчастиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс

Схема развития цепной реакции

Освобождения ядерной энергии § 2. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии.

Удельная энергия связи ядер