АТОМ И АТОМНОЕ ЯДРО ОПОРНЫЕ КОНСПЕКТЫ 11 КЛАСС

АТОМ И АТОМНОЕ ЯДРО ОПОРНЫЕ КОНСПЕКТЫ 11 КЛАСС

АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА – раздел физики, изучающий строение атома и атомного ядра и процессы, связанные с ними I. СТРОЕНИЕ АТОМА 1. Открытия конца XIX столетия, указывающие на сложное строение атома: открытие катодных лучей, термоэлектронной эмиссии, фотоэффекта, явления естественной радиоактивности, линейчатых спектров, периодических свойств химических элементов и создание периодической системы элементов. 2. Модель атома Томсона (1903 г. ) [модель- «кекс» ] Положительный заряд занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью; внутри положительно заряженной сферы находятся электроны

3. Опыт Резерфорда (1906 г. ) 1 – радиоактивное вещество ( источник -частиц ) α 2 – золотая фольга 1 2 3 3 – экран, покрытый люминесцентным слоем (светится при ударах α-частиц) Резерфорд «бомбардировал» α-частицами золотую фольгу и наблюдал за свечением экрана (при попадании α-частицы на экран возникает свечение люминесцентного слоя) α-частица → ядра Не mα = 8000 me q⍺ = 2|qe| ϑα = 1/15 с

Наблюдения из опыта - большинство α-частиц пролетает сквозь фольгу не отклоняясь - небольшое количество α-частиц отклоняется на небольшие углы - есть α-частицы, отклоняющиеся от фольги на углы более 90° 4. Ядерная модель атома (1911 г. ) [планетарная модель] r dа = 10⁻¹ºм dя = 10⁻¹⁴ - 10⁻¹⁵м

В центре атома находится положительное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам электроны. Атом электрически нейтрален: абсолютное значение суммарного отрицательного заряда электронов равно положительному заряду ядра. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома. Размеры ядра малы по сравнению с размерами самого атома (размер атома – это радиус орбиты его электрона).

II. ПОСТУЛАТЫ БОРА (1913 г. ) Ядерная модель атома позволила объяснить результаты опытов по рассеянию α-частиц в веществе, но встретилась с другой принципиальной трудностью: законы движения электронов в атоме Резерфорда противоречили 1. законам механики и электродинамики. Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атомная система может находиться только в некоторых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn; в стационарном состоянии атом не излучает (и не поглощает) [хотя при этом заряженные частицы в атоме движутся с ускорением]

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант энергии ℎv = Еn – Еm, где Еn, Em – энергии стационарных состояний поглощение E En Em излучение E En Em Квантовая теория объясняет линейчатость спектров

2. МОДЕЛЬ АТОМА ВОДОРОДА ПО БОРУ Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной системы – атома водорода Правило квантования орбит: возможен лишь дискретный ряд орбит, по которым электрон может двигаться в стационарных состояниях m e ϑe r n = n ℏ 3 2 1 r₁ r₂ r₃

Энергия стационарных состояний 0 Е Еm Еn Е₁ Еn > Em - излучение Еn < Em - поглощение В этом состоянии атом может находиться сколь угодно долго. Для того чтобы ионизировать атом водорода, ему нужно сообщить энергию 13, 53 э. В. Эта энергия называется энергией ионизации.

Все состояния с n = 2, 3, 4, … соответствуют возбужденному атому. Время жизни в этих состояниях 10⁻⁸с. За это время электрон успевает совершить около ста миллионов оборотов вокруг ядра. Основные выводы: а) чем больше n, тем меньше отличаются друг от друга энергетические состояния; б) первое состояние имеет самое наименьшее значение Е, при n = 1 – основное состояние атома. А) ИЗЛУЧЕНИЕ СВЕТА происходит при переходе атома с высших энергетических уровней Еn на один из низших энергетических уровней Еm (т. е. при переходе е с внешней орбиты n на внутреннюю орбиту m ). Атом в этом случае излучает квант энергии

Частота излучения света v = R (1/m² - 1/n²) R = 3, 29 · 10¹⁵c⁻¹ постоянная Ридберга Если m = 1, n = 2, 3, 4, … серия Лаймана; если m = 2, n = 3, 4, 5, … серия Бальмера; если m = 3, n = 4, 5, 6, … серия Пашена; если m = 4, n = 5, 6, 7, … серия Брэкета; если m = 5, n = 6, 7, 8, … серия Пфунда.

Б) ПОГЛОЩЕНИЕ СВЕТА – процесс, обратный излучению. Атом, поглощая квант электромагнитной энергии, переходит из низших энергетических состояний в высшие. Частота поглощения света v = R (1/n² - 1/m ²) 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ПОСТУЛАТОВ БОРА Опыты Франка и Герца позволили наблюдать неупругие столкновения электронов с атомами ртути (1913 г. )

При столкновении электроны передают атомам ртути только определенные порции энергии (4, 9 э. В) – наименьшая порция энергии, которая может быть поглощена атомом ртути в основном энергетическом состоянии. Пока напряжение между катодом и сеткой меньше 4, 9 э. В, пары ртути не излучают. При достижении этого напряжения пары ртути испускают ультрафиолетовое излучение. 4. ТРУДНОСТИ ТЕОРИИ БОРА Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной стороны, при построении теории атома водорода использовались обычные законы механики Ньютона, закон Кулона; а с другой – вводились квантовые постулаты. Были созданы новые физические теории: квантовые механика и электродинамика.

Квантовая механика – это теория движения микрочастиц с течением времени (описывает процессы микромира, которые недоступны не только восприятию нашими органами чувств, но и воображению) 5. ГИПОТЕЗА ДЕ БРОЙЛЯ (1924 г. ) Электрон и любые другие частицы должны иметь волновые свойства наряду с корпускулярными Длина волны де Бройля λ = (2∏ℏ)/р = ℎ / (m V) Для тел значительной массы длина волны получается очень малой, и обнаружить волновые свойства невозможно. Элементарные частицы и даже атомы при небольших скоростях движения могут проявлять волновые свойства.

Например, при пропускании пучка электронов через щель можно наблюдать дифракцию электронов. Впервые дифракция электронов при отражении от монокристаллов наблюдалась в 1927 г. амер. учеными Девиссоном и Джермером. Позже англ. ученый Томсон проводил опыты по дифракции электронов при прохождении через тонкую металлическую фольгу поликристаллической структуры. 6. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ ГЕЙЗЕНБЕРГА (1927 г. ) Соотношение неопределенностей показывает, что частица в квантовой механике – это совсем не обычный шарик, пусть даже сверхмалых размеров. Частица не имеет одновременно определенных значений координат и импульсов; она обладает волновыми свойствами.

ΔPx ΔX ≳ ℏ соотношение неопределенностей для проекции импульса на ось Х и координаты: чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты ΔЕ Δt ≳ ℏ соотношение неопределенностей для энергии и времени: чем меньше промежуток времени, в течение которого протекает какой-то процесс, тем больше неопределенность в значении энергии частицы

III. ЛАЗЕРЫ 1. ИНДУЦИРОВАННОЕ (ВЫНУЖДЕННОЕ) ИЗЛУЧЕНИЕ (А. Эйнштейн – предсказал, 1917 г. ) Спонтанное (самопроизвольное) излучение – это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое (происходит некогерентно, т. к. каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других) Индуцированное (вынужденное) излучение – это излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света (переход атома из высшего энергетического состояния в низшее с излучением фотона, но не самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего воздействия)

2. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА 1940 г. – В. А. Фабрикант – предложил. 1954 г. – Н. Г. Басов и А. М. Прохоров, независимо Ч. Таунс – использовали. (1964 г. – Нобелевская премия) 1960 г. – Т. Г. Мейман – создал первый лазер (США) 3. СВОЙСТВА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАЗЕР – это оптический квантовый генератор, создающий мощные, узконаправленные, когерентные пучки монохроматического излучения

1. Лазеры создают пучки света с очень малым углом расхождения (≈ 10⁻⁵ рад). 2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью (атомы излучают свет согласовано). 3. Лазеры являются самыми мощными источниками света 4. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРА В обычных условиях атомы в веществе находятся в основных стационарных состояниях и обладают минимальной энергией. Чтобы атомы перешли из основного стационарного состояния в возбужденное, необходимо вещество облучать электромагнитными волнами.

Одновременно с переходами атомов из основного состояния в возбужденное (с поглощением фотонов) происходят переходы из возбужденного состояния в основное (с излучением фотонов) 5. ТРЕХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА 3 2 1 Рубин – ярко-красный кристалл оксида алюминия (Al₂O₃), в котором 0, 05% атомов алюминия замещены ионами хрома (Cr)

При облучении рубина сине-зеленым светом ионы хрома возбуждаются и переходят из стационарного состояния 1 в возбужденное состояние 3. Через очень малое время (10⁻⁸с) большинство ионов хрома без излучения света переходят на уровень 2. Время пребывания в состоянии 2 в 100 000 раз больше, тем самым создается его «перенасыщенность» и число возбужденных атомов вещества становится больше числа невозбужденных. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием внешней электромагнитной волны сопровождается излучением. 6. УСТРОЙСТВО РУБИНОВОГО ЛАЗЕРА

7. ТИПЫ ЛАЗЕРОВ: твердотельные, газовые, полупроводниковые, химические, газодинамические и др. 8. ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРОВ: - для связи (в космическом пространстве); - для испарения материалов в вакууме; - для сварки; - в медицине; - для получения объемных изображений предметов; - для измерения расстояний до предметов (светолокатор); - для осуществления термоядерной управляемой реакции; - для осуществления химических реакций, которые в обычных условиях не идут.

IV. МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХЧАСТИЦ Устройства для регистрации и изучения столкновений и взаимных превращений ядер и элементарных частиц дают необходимую информацию о реальных событиях, которые происходят в микромире. Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц Регистрирующий – это более или менее сложная прибор макроскопическая система, которая может находится в неустойчивом состоянии

При небольшом возмущении, вызванном пролетевшей частицей, немедленно начинается процесс перехода системы в новое, более устойчивое состояние. Этот процесс и позволяет регистрировать частицу. Основные характеристики регистрирующего устройства: - эффективность (отношение количества зарегистрированных частиц к числу частиц, попавших в прибор); - минимальное время регистрации (время, за которое прибор после регистрации очередной частицы возвращается в исходное, рабочее состояние); - точность измерений энергий, масс, зарядов частиц и т. д.

1. СЧЕТЧИК ГЕЙГЕРА (1908 г. ) один из важнейших приборов для автоматического счета частиц (фиксирует только факт пролета частиц) 2 1 – стеклянная 3 трубка, заполненная газом (аргоном) R 2 – катод (К) – 1 металлический слой, которым к регистрирующему покрыта трубка изнутри устройству 3 – анод (А) – Действие основано на ударной тонкая ионизации. металлическая нить, идущая Применяется для регистрации вдоль оси трубки е и ү-квантов

2. МЕТОД СЦИНТИЛЛЯЦИЙ (СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ СЧЕТЧИК) - первый метод, позволивший визуально регистрировать α-частицы; состоит в подсчете крохотных вспышек света при попадании α-частиц на экран 1 – экран, покрытый 3 сульфидом цинка 2 2 – игла с веществом, излучающим α-частицы 1 3 – лупа СПИНТАРИСКОП Применяется для регистрации практически всех частиц

3. КАМЕРА ВИЛЬСОНА (1912 г. ) - герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению стекло лампа для бокового освещения поршень источник заряженных частиц пары воды или спирта При резком опускании поршня, вызванном ↓р под поршнем, пар в камере адиабатически расширяется => происходит охлаждение => пар перенасыщенный. Частицы, пролетая через камеру, ионизируют воздух. На образовавшихся ионах конденсируется перенасыщенный пар. Капельки образуют видимый след пролетевшей частицы – трек. Ионы – центры конденсации.

4. ПУЗЫРЬКОВАЯ КАМЕРА (1952 г. ) - герметически закрытый сосуд, заполненный перегретой жидкостью (жидким водородом или гелием) жидкость В камере жидкость находится при t° > t°кип. , но кипения нет, т. к. р↑ При резком понижении р жидкость оказывается перегретой. Для того чтобы жидкость закипела, нужны какиелибо центры парообразования. Пролетающая заряженная частица и создает такие центры в виде цепочки ионов. На этих ионах образуются пузырьки пара, составляющие трек частицы.

5. МЕТОД ТОЛСТОСЛОЙНЫХ ФОТОЭМУЛЬСИЙ (1928 г. , Л. В. Мысовский, А. П. Жданов) Фотоэмульсия содержит большое количество микроскопических кристаллов бромида серебра (Ag. Br). Быстрая заряженная частица, пронизывая кристаллик, отрывает е от отдельных атомов брома. Цепочка таких кристалликов образует скрытое изображение. При проявлении в этих кристалликах восстанавливается металлическое серебро и цепочка зерен серебра образует трек частицы. По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы. Из-за большой плотности фотоэмульсии треки получаются очень короткими (10⁻³см), но при фотографировании их можно увеличить.

V. РАДИОАКТИВНОСТЬ 1. А. Беккерель (фр. ), 1896 г. М. Склодовская-Кюри и П. Кюри (фр. ) Э. Резерфорд (англ. ) радиоактивное вещество (в м. п. ) РАДИОАКТИВНОСТЬ – способность атомов некоторых естественных и искусственных химических элементов самопроизвольно (спонтанно) излучать α-, β-частицы (Резерфорд, 1899 г. ) и ү-кванты (Вилард, 1900 г. ), превращаясь в атомы другого химического элемента

РАДИОАКТИВНОСТЬ ЕСТЕСТВЕННАЯ ИСКУССТВЕННАЯ (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций Все химические элементы, начиная с порядкового номера 83, (А = 208 а. е. м. ) обладают естественной радиоактивностью. Устойчивы легкие ядра, у которых число протонов и нейтронов в ядре примерно одинаково. Естественная радиоактивность сопровождается испусканием излучений в основном трех видов.

α-лучи – поток ядер атомов гелия ( )– тяжелые положительно заряженные частицы m = 4 а. е. м. , q = +2 e; обладают наименьшей проникающей способностью (слой бумаги толщиной около 0, 1 мм для них уже непрозрачен); слабо отклоняются магнитным и электрическим полями β-лучи – поток быстрых электронов, обладающих скоростью 10⁸ м/с; сильно отклоняются как в магнитном, так и в электрическом поле; меньше поглощаются веществом (алюминиевая пластина полностью их задерживает только при толщине в несколько миллиметров)

ү-лучи – электромагнитные волны с длиной волны от 10⁻⁸ до 10⁻¹¹см; скорость распространения 300000 км/с; не отклоняются электрическими и магнитными полями; обладают наибольшей проникающей способностью (слой свинца толщиной в 1 см не является преградой для них) 2. РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди доказали, что в результате радиоактивного распада происходит превращение атомов одного химического элемента в атомы другого химического элемента, сопровождаемое испусканием различных частиц.

Радиоактивный распад – радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно ТИПЫ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА (ПРАВИЛА СМЕЩЕНИЯ) Превращения атомных ядер, которые сопровождаются испусканием α- и β-лучей, называются соответственно α- и β-распадом Распадающееся ядро называется материнским, ядро продукта распада – дочерним

1. α-распад Правило смещения следует из закона сохранения заряда и массового числа. Ядро теряет положительный заряд 2 е, масса убывает на 4 а. е. м. Элемент смещается на две клетки к началу периодической системы 2. β-распад В основе лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям (гипотеза Ферми)

Заряд ядра увеличивается на 1 е, масса остается неизменной, т. к. масса электрона намного меньше массы ядра. Элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы 3. ү-излучение Параметры ядра не изменяются. ү-Излучение испускается дочерним ядром, которое в момент своего образования оказывается возбужденным, а затем переходит в основное состояние. ү-Излучение сопровождает α-, β-распады, а также возникает при ядерных реакциях, торможении частиц, их распаде и т. д.

VI. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА 1. Закон установлен Ф. Содди. Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует определенный интервал времени, на протяжении которого активность убывает в два раза Период полураспада (Т) – это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА ЗАКОНА N N ₀ 0 T 2 T 3 T t

Период полураспада – постоянная величина, которая не может быть изменена такими доступными воздействиями, как охлаждение, нагрев, давление и т. д. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад 3. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР ЗАКОНА Для радиоактивных атомов не существует понятия возраста. Можно определить лишь среднее время жизни (среднее арифметическое времен жизни достаточно большого количества атомов данного сорта), которое прямо пропорционально периоду полураспада

Предсказать, когда произойдет распад данного атома, невозможно. Определенный смысл имеют только утверждения о поведении в среднем большой совокупности атомов. Именно в среднем число атомов, распадающихся за данный интервал времени, определяется законом радиоактивного распада. Но всегда имеются неизбежные отклонения от среднего значения, и чем меньше количество атомов в препарате, тем больше эти отклонения. Закон радиоактивного распада является статистическим законом. Он справедлив в среднем для большого количества частиц. Для малого числа атомов говорить об определенном законе радиоактивного распада не имеет смысла.