Скачать презентацию Курс лекций Физика для студентов ФИТ 9 Атомная Скачать презентацию Курс лекций Физика для студентов ФИТ 9 Атомная

8 Атомная и ядерная физика.ppt

  • Количество слайдов: 19

Курс лекций «Физика для студентов ФИТ» 9. Атомная и ядерная физика Понимание явлений физики Курс лекций «Физика для студентов ФИТ» 9. Атомная и ядерная физика Понимание явлений физики излучения, атомной и ядерной физики, невозможно без квантовых представлений. Классическая физика оказалась недостаточной для истолкования явлений атомного масштаба. Квантовая гипотеза, представление о фотонах и процессе излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, эффекта Комптона и ряд других эффектов, непонятных с точки зрения классической волновой теории света. Квантовый характер излучения и поглощения был использован Н. Бором для объяснения закономерностей, наблюдаемых в спектрах разреженных газов. Наличие у частиц волновых свойств привело к необходимости создания волновой или квантовой механики. Используя аппарат квантовой механики, удалось достоверно описать строение атома и атомных ядер, процессы,

9. 1. Тепловое излучение Под тепловым излучением понимают свечение нагретых тел, при котором электромагнитное 9. 1. Тепловое излучение Под тепловым излучением понимают свечение нагретых тел, при котором электромагнитное излучение, испускаемое веществом, возникает за счет внутренней энергии тела (излучающие атомы оказываются в возбужденном состоянии за счет энер-гии теплового движения). Объяснение особенностей теплового излучения сыграло громадную роль в истории физики. Действительно, законы классической физики объясняли почти все наблюдаемые на опыте явления. Существовало только несколько опытных фактов, теоретического обоснования которых не было найдено. Тепловое излучение являлось одним из таких, не нашедших своего объяснения, явлений.

рис. 1 Опыты показывали, что тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит рис. 1 Опыты показывали, что тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры вещества. Примерный график зависимости интенсивности излучения r от длины волны λ для нескольких температур излучающего тела T представлен на рис. 1. На протяжении многих лет ученые пытались теоретически обосновать особенности спектра теплового излучения, но их выкладки, приводили к абсурдным результатам.

9. 2. Законы теплового излучения Тело, которое при любой неразрушающей его температуре полностью поглощает 9. 2. Законы теплового излучения Тело, которое при любой неразрушающей его температуре полностью поглощает всю энергию падающего на него света любой частоты, называют абсолютно черным телом (АЧТ). Модель абсолютно черного тела - небольшое отверстие в ящике сферической формы. АЧТ – идеализация. рис. 2 СВОЙСТВА АЧТ: • АЧТ – наиболее интенсивный источник теплового излучения. • Излучение АЧТ определяется только его температурой.

Светимости тела Интегральной светимостью называется отношение мощности излучения к площади поверхности излучателя Спектральной светимостью Светимости тела Интегральной светимостью называется отношение мощности излучения к площади поверхности излучателя Спектральной светимостью тела r в интервале длин волн от λ до λ+Δλ называется отношение светимости в данном диапазоне длин волн к ширине диапазона

9. 2. 1. Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость энергетической светимости от температуры. В 1879 г. 9. 2. 1. Закон Стефана-Больцмана устанавливает зависимость энергетической светимости от температуры. В 1879 г. на основании собственных измерений, Стефан пришел к заключению, что суммарная энергия, испускаемая в единицу времени с единицы площади поверхности тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры излучателя. В 1884 г. Больцман теоретически на основе термодинамических рассуждений показал, что энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна Т 4, т. е. где σ = 5. 67. 10 -8 Вт/(м 2. К 4) − постоянная Стефана. Больцмана.

9. 2. 2. Закон смещения Вина Закон Стефана-Больцмана определяет вид зависимости энергетической светимости от 9. 2. 2. Закон смещения Вина Закон Стефана-Больцмана определяет вид зависимости энергетической светимости от температуры, но не дает сведений о частотной зависимости энергии излучения. В 1893 г. Вин определил характер зависимости испускательной способности АЧТ от частоты и температуры здесь F − некоторая функция одного аргумента ω/T, вид которой Вину определить не удалось. Закон смещения Вина: Длина волны λm, на которую приходится максимум энергии излучения АЧТ, обратно пропорциональна абсолютной температуре T: λm. T = b или λm = b / T. b = 2, 898· 10– 3 м·К - постоянная Вина

9. 2. 3. Формула Планка для теплового излучения Многочисленные попытки установить единый закон теплового 9. 2. 3. Формула Планка для теплового излучения Многочисленные попытки установить единый закон теплового излучения не дали общего решения задачи и приводили к заключениям, согласующимися с опытом только в ограниченном интервале частот. Дело в том, что законы классической физики имеют ограниченную область применения. Окончательное решение задачи теплового излучения было найдено Максом Планком в 1900 г. Изучая опытные данные о зависимости испускательной способности абсолютно черного тела от частоты (рис. 1), Планк пришел к выводу, что функция ro(ω, T) должна иметь вид где a, b и с − некоторые постоянные при данной температуре ве-личины.

Гипотеза Планка: Процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, а Гипотеза Планка: Процессы излучения и поглощения электромагнитной энергии нагретым телом происходят не непрерывно, а конечными порциями – квантами. Квант – это минимальная порция энергии, излучаемой или поглощаемой телом. E = hν, h = 6, 626· 10– 34 Дж·с- постоянная Планка

9. 3. СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ. ТЕОРИЯ АТОМА ВОДОРОДА 9. 3. 1. Модели строения атома 9. 3. СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ АТОМОВ. ТЕОРИЯ АТОМА ВОДОРОДА 9. 3. 1. Модели строения атома До конца XIX века атомы считали пределом делимости вещества. Возникновение современной атомной физики связано с открытием электрона (1897 г. ) и явления радиоактивности (1896 г. ). Эти открытия создали основу для построения моделей атома как системы взаимодействующих электрически заряженных частиц. На основе этих данных к началу ХХ века считалось доказанным: - внутри атома заключены электроны; -силы взаимодействия атомов и молекул имеют электриче-ское происхождение; - существует сходство в строении атомов, т. к. можно атом одного элемента превращать в атом другого элемента. Но неразрешимые трудности возникли при попытке объяснить с позиций классической физики линейчатые спектры излучения разреженных газов.

Еще в начале XIX века было замечено, что спектры излучения разреженных газов имеют линейчатый Еще в начале XIX века было замечено, что спектры излучения разреженных газов имеют линейчатый характер, причем для каждого газа эти линии строго индивидуальны. Это открытие, даже без понимания физической сути наблюдаемого явления, привело к созданию спектрального анализа. Изучая линейчатый спектр излучения атомарного водорода, швейцарский физик Бальмер в 1885 г. установил, что длины волн известных в то время девяти линий спектра удовлетворяют формуле или для частот Константа R=3, 29. 10 15 c-1 была определена Ридбергом и называется постоянной Ридберга.

9. 3. 2. Модель атома Томсона Вообще говоря, наличие у атомов линейчатых спектров можно 9. 3. 2. Модель атома Томсона Вообще говоря, наличие у атомов линейчатых спектров можно объяснить в рамках классической теории. В 1903 г. Дж. Томсоном была предложена одна из первых моделей атома. Атом представляет собой непрерывно заряженн положительным зарядом шар радиуса порядка 10 -10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны. Недостатки модели: 1. не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость; 2. не дает возможности понять, что определяет размеры атомов; 3. оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме (опыты, проводимые Эрнестом Резерфордом).

9. 3. 3. Модель атома Резерфорда В 1911 г. Резерфорд исследовал рассеяние α-частиц веществом. 9. 3. 3. Модель атома Резерфорда В 1911 г. Резерфорд исследовал рассеяние α-частиц веществом. Цель опытов – выяснение строения атомов. В этом опыте тонкая золотая фольга облучалась пучком αчастиц, испускаемых радиоактивным препаратом. В ходе опыта регистрировались α-частицы, рассеиваемые атомами золота под различными углами. Регистрация α-частиц осуществлялась по вспышкам света, возникающим при ударе α-частиц об экран. Эти вспышки наблюдались в микроскоп. Оказалось, что почти все α-частицы проходили через фольгу свободно, но небольшая часть (0, 1%) рассеивалась на углы, большие 90 О, т. е. отскакивали от фольги назад. рис. 3

На основании полученных результатов Резерфорд сделал вывод о том, что атом практически “пустой”, т. На основании полученных результатов Резерфорд сделал вывод о том, что атом практически “пустой”, т. е. почти вся его масса и весь положительный заряд сосредоточены в ядре, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с размерами всего атома. Диаметр ядра порядка 10 -12 – 10 -13 см. Положительный заряд экранируется отрицательно заряженными электронами, расположенными вокруг него. Резерфорд предположил, что электроны движутся вокруг ядра, наподобие планет солнечной системы (ядерная или планетарная модель атома). Атом водорода В атоме водорода вокруг ядра обращается всего один электрон. Ядро было названо протоном. mp = 1836, 1·me рис. 4 Размер атома – это радиус орбиты его электрона.

Недостатки атома Резерфорда 1. Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам Недостатки атома Резерфорда 1. Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. 2. Эта модель не объясняет наблюдаемые на опыте оптические спектры атомов. Оптические спектры атомов не непрерывны, как это следует из теории Резерфорда, а состоят из узких спектральных линий, т. е. атомы излучают и поглощают электромагнитные волны лишь определенных частот, характерных для данного химического элемента. К явлениям атомных масштабов законы классической физики неприемлемы.

9. 3. 4. Постулаты Бора В 1913 г. Нильс Бор создал первую неклассическую теорию 9. 3. 4. Постулаты Бора В 1913 г. Нильс Бор создал первую неклассическую теорию атома. В её основе лежит идея связать в единое целое три известных тогда результата: • эмпирические закономерности линейчатого спектра атома водорода, выраженные в формуле Бальмера; • ядерная модель атома Резерфорда; • квантовый характер испускания и поглощения света. В своей теории Бор использовал законы классической физики для описания поведения электронов, однако, для достижения поставленной цели ему пришлось классическое описание дополнить некоторыми ограничениями, накладываемыми на возможные состояния электрона в атоме.

Первый постулат Бора: Атомная система может находится только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, Первый постулат Бора: Атомная система может находится только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарном состоянии атом не излучает. Второй постулат Бора: Излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний. При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией, при излучении – из стационарного с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

Поглощение света – процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетический состояний Поглощение света – процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетический состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает , переходя из высших энергетических состояний в низшие.

Теория Бора построила количественную теорию спектра атома водорода. Относительно атомов гелия и более сложных Теория Бора построила количественную теорию спектра атома водорода. Относительно атомов гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения, но не удалось построить количественную теорию. Квантовая механика и квантовая электродинамика