КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ь Физика атома ь Физика атомного

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ь Физика атома ь Физика атомного ядра ь Корпускулярно-волновой дуализм

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ 1. Гипотеза Планка о квантах. 2. Фотоэффект. 3. Опыты А. Г. Столетова. 4. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. 5. Фотоны. 6. Энергия фотона. 7. Импульс фотона. 8. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Корпускулярно-волновой дуализм.

БОРОВСКАЯ МОДЕЛЬ АТОМА 1. Опыты по рассеянию α-частиц. Планетарная модель атома. 2. Постулаты Бора. 3. Линейчатые спектры. 4. Лазер.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА 1. Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике. 2. Радиоактивность. Дозиметрия. 3. Закон радиоактивного распада. 4. Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Ядерные силы. 5. Энергия связи частиц в ядре. 6. Ядерные реакции. Сохранение заряда и массового числа в ядерный реакциях. 7. Деление ядер. Цепная реакция деления ядер. Ядерная энергетика 8. Термоядерный синтез. Альфа-, бета-, гамма-излучения.

Гипотеза М. Планка Любое нагретое тело излучает электромагнитные волны. При низких температурах, не превышающих 1000 К, существует главным образом инфракрасное излучение и радиоволны. По мере дальнейшего нагревания спектр теплового излучения меняется: 1. увеличивается общее количество излучаемой энергии, появляется излучение все более коротких длин волн – видимое (от красного до фиолетового), ультрафиолетовое, рентгеновское и т. д. ). При каждом данном значении температуры нагретое тело излучает сильнее всего в некоторой области спектра, определяющей видимый цвет объекта, если эта область попадает на оптический диапазон. Так, например, при температуре 3000 К, как правило, наиболее интенсивно красное излучение, при 6000 К – желтозеленое. Законы теплового излучения имеют наиболее простой вид в случае теплового равновесия для абсолютно черного тела. 2.

Гипотеза М. Планка Мощность излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени температуры (закон Стефана. Больцмана): Е = Т 4, = 5, 67. 10 -8 Дж /(м 2. К 4. с) постоянная Больцмана. С увеличением температуры максимум излучения абсолютно черного тела смещается в коротковолновую область спектра max Т =const.

Гипотеза М. Планка Как "рождается" свет? Ответ на это вопрос казался физиками 19 -го века достаточно простым: Свет - электромагнитная волна, которая излучается колеблющимся в атоме электроном. По теории получалось, что излучать атом должен на всех частотах, но больше всего энергии излучается на высоких частотах (в "ультрафиолетовом диапазоне"). Расчеты показывали, что из-за этого свойства атом должен был излучать ультрафиолет и за очень короткое время излучить всю свою энергию, а излучающее тело при этом должно было резко остыть. Конечно, ничего подобного на опыте не наблюдалось: тела хорошо излучают на определенной частоте и плохо излучают на низких и высоких частотах, никакого остывания тел не наблюдается. Это расхождение теории и практики было красиво названо "ультрафиолетовая катастрофа".

Гипотеза М. Планка Для решения проблемы немецкий физик Макс Планк в 1900 г. высказал предположение (гипотезу) о том, что атомы испускают и поглощают электромагнитную энергию отдельными порциями - квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения: Е = h , где h = 6, 63 · 10 -34 Дж · с - постоянная Планка, фундаментальная константа, которая характеризует микромир. При этом Планк считал, что свет только рождается неделимыми порциями, а "живет" (распространяется), как обычная электромагнитная волна. Энергия порции (кванта) очень мала, например для видимого излучения она примерно равна 10 -19 Дж. Поэтому для измерения таких энергий удобно использовать другую единицу энергии, которая называется электронвольт (1 э. В). 1 э. В - энергия, которую приобретает электрон прошедший ускоряющую разность потенциалов в 1 В. 1 э. В=1, 6· 10 -19 Дж.

Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова Фотоэффектом называется испускание электронов с поверхности металла под действием света. Фотоэффект наблюдали Г. Герц, Вильгельм Гальвакс, Аугусто Риги, А. Г. Столетов. Законы установил А. Г. Столетов: 1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. 2. Кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты. 3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. наименьшая частота min, при которой еще возможен фотоэффект. 4. Фотоэффект практически безынерционен (t = 10 -9 с).

Фотоэффект. Опыты А. Г. Столетова Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн 1 и Iн 2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта Зависимость запирающего потенциала от частоты падающего света.

Фотоны. Энергия и импульс фотона Фотон - материальная, электрически световая частица с энергией: Импульс равен: фотона направлен по нейтральная световому пучку и Основные свойства фотона: 1. Является частицей электромагнитного поля; 2. Движется со скоростью света; 3. Существует только в движении; 4. Масса покоя равна нулю. Наличие импульса подтверждается экспериментально измерением давление света.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта Энергия порции света идет на совершение работы выхода и на сообщение электрону кинетической энергии. Следовательно, Это же соотношение можно записать по-другому: А. Эйнштейн за работу по теории фотоэффекта был удостоен Нобелевской премии.

Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов Корпускулярно-волновой дуализм свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц. Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции. Так электромагнитная волна, рассеиваясь на свободных электронах, ведёт себя как поток отдельных частиц – фотонов, являющихся квантами электромагнитного поля (Комптона эффект), причём импульс фотона даётся формулой р = h/λ, где λ – длина электромагнитной волны, а h – постоянная Планка. Эта формула сама по себе – свидетельство дуализма. В ней слева – импульс отдельной частицы (фотона), а справа – длина волны фотона.

Корпускулярно-волновой дуализм. Дифракция электронов Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона: р = h/λ (р – импульс электрона, а – его длина волны де Бройля). Впервые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для света. Выполненные к конце 19 в. опыты по интерференции, дифракции и поляризации света, казалось, однозначно свидетельствовали о его волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой электромагнитные волны. Вместе с тем М. Планк в 1900 показал, что для объяснения закона равновесного теплового излучения необходимо принять гипотезу о дискретном характере излучения. Корпускулярно-волновой дуализм лежит в основе квантовой физики.

Опыты по рассеиванию α-частиц. Планетарная модель атома Пропуская пучок -частиц (заряд +2 е, масса 6, 64 · 10 -27 кг) через тонкую золотую фольгу, Резерфорд обнаружил, что какая-то часть частиц отклоняется на довольно значительный угол от своего первоначального направления, а небольшая часть -частиц отражается от фольги

Опыты по рассеиванию α-частиц. Планетарная модель атома Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома. В ядре сконцентрирована почти вся масса атома. Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему атома. Однако предложенная модель строения атома не позволила объяснить устойчивость атома.

Постулаты Бора 1. 2. Атомная система может находиться только в особых стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn. В стационарном состоянии атом не излучает. При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ек в стационарное состояние с меньшей энергией Еn излучается квант энергии:

Постулаты Бора В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные, квантовые значения момента импульса - радиус орбиты - номер орбиты r 1 : r 2: r 3 , . . . , rn = n 12 : n 22 : n 32 , . . . , nn 2 Выражение для радиусов разрешенных орбит: - масса электрона - заряд электрона

Линейчатые спектры Свет генерируется при переходе атомов (молекул) из одного возбужденного состояния в другое, частота света пропорциональна изменению энергии атома при данном переходе; свет излучается и поглощается в виде квантов

Лазер Физической основой работы лазера служит явление вынужденного излучения: возбуждённый атом способен излучить фотон под действием другого фотона без его поглощения, если энергия последнего равняется разности энергий уровней атома до и после излучения. Излучённый фотон когерентен фотону, вызвавшему излучение. Таким образом происходит усиление света. а — трёхуровневая, б — четырехуровневая схемы накачки активной среды лазера.

Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике 1. Метод толстослойных фотоэмульсий 2. Метод сцинтилляций 3. Камера Вильсона 4. Пузырьковая камера 5. Газоразрядный счетчик Гейгера–Мюллера (5) (1) (3)

Радиоактивность. α-, β-, γизлучения. Дозиметрия Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гаммаизлучения - жесткого, коротковолнового электромагнитного излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием γфотона.

Радиоактивность. α-, β-, γизлучения. Дозиметрия Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов a-частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват. Первые два типа превращения состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (электронное нейтрино). Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b± захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. b-распад происходит у радиоактивных ядер. естественно-радиоактивных, а также искусственно-

Радиоактивность. α-, β-, γизлучения. Дозиметрия Все частицы, испускаемые при радиоактивных превращениях атомных ядер и в процессе осуществления ядерных реакций, обладают большими значениями энергии (~106 э. В, 1 э. В = 1, 6· 10– 19 Дж). При таких энергиях заряженные частицы и кванты электромагнитного излучения обладают способностью ионизовать и возбуждать атомы вещества, встречающиеся на их пути. Поэтому все виды радиоактивных излучений и излучений, сопровождающих ядерные реакции, называют ионизирующими излучениями.

Радиоактивность. α-, β-, γизлучения. Дозиметрия Альфа-частицы и другие атомные ядра при движении в веществе ионизуют или возбуждают почти каждый атом на своем пути. Поэтому они растрачивают всю энергию на коротком пути. Длина пробега альфа-частиц в воздухе при нормальном атмосферном давлении составляет несколько сантиметров, в жидкостях или твердых телах – сотые доли миллиметра. Бета-частицы менее эффективно взаимодействуют с атомами вещества. Поэтому их пробег в воздухе может достигать нескольких метров, а в жидкостях и твердых телах – нескольких миллиметров. Для защиты от гамма-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже несколько метров.

Закон радиоактивного распада Радиоактивный распад любого атомного ядра является случайным процессом и происходит по закону радиоактивного распада: N 0 – число радиоактивных ядер в начальный момент времени, N – число ядер в момент времени t, T – постоянная для данного изотопа величина, называемая периодом полураспада. За время, равное периоду полураспада, количество радиоактивных ядер в результате распада убывает в 2 раза.

Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Ядерные силы Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда. Зарядом ядра называется величина Ze, где е - величина заряда протона, Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z=1 до Z=107. Для легких ядер N/Z» 1; для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, N/Z» 1, 6.

Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Ядерные силы Число нуклонов в ядре A=N+Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А. Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро химического элемента X обозначается , где Х - символ химического элемента. Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем. Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 1017 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Атомное ядро. Протонно-нейтронная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра. Ядерные силы Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных). Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10 -15 м. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Энергия связи частиц в ядре Энергия, необходимая для разделения атомного ядра протоны и нейтроны, называется энергией связи ядра (Eсв). на Частное от деления энергии связи ядра на число нуклонов в ядре называется удельной энергией связи ядра:

Энергетика ядерных реакций Если сумма масс покоя частиц, вступающих в ядерную реакцию, больше суммы масс покоя частиц – продуктов реакции, то такая ядерная реакция происходит с выделением энергии. Энергия, освобождающаяся при осуществлении ядерной реакции, называется выходом ядерной реакции. Выход ядерной реакции ΔE вычисляется по разности Δm масс частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции: Увеличение удельной энергии связи возможно при соединении легких ядер в более тяжелые – ядерные реакции синтеза – или при делении самых тяжелых ядер на два или три более легких – реакции деления атомных ядер. При увеличении удельной энергии связи ядер-продуктов их масса уменьшается, следовательно, такие ядерные реакции будут идти с выделением энергии.

Ядерные реакции. Сохранение заряда и массового числа в ядерных реакциях Взаимодействие частицы или атомного ядра с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро, называется ядерной реакцией. Ядерные реакции подразделяют на реакции синтеза, приводящие к образованию более тяжелых частиц, чем исходные, и реакции деления, приводящие к образованию более легких частиц. При протекании ядерных реакций сохраняется суммарный заряд частиц, вступающих в реакцию, и их массовое число. Первая искусственная ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г.

Деление ядер. Цепная реакция. Ядерная энергетика При попадании нейтрона в ядро атома изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием двух-трех нейтронов, которые способны вызвать деление 2– 3 новых ядер урана с испусканием 6– 9 новых нейтронов и т. д. Процесс может продолжаться сам собою, вовлекая все большее число новых ядер. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией. Первое необходимое условие для осуществления цепной реакции деления – разделение изотопов урана. Цепная реакция может развиваться в том случае, если количество урана больше критической массы. Для шара из урана-235 критическая масса имеет значение около 0, 8 кг.

Деление ядер. Цепная реакция. Ядерная энергетика Ядерные реакторы – устройство для осуществления управляемых цепных ядерных реакций.

Термоядерный синтез Реакции синтеза легких ядер, в которых высокие значения энергии частиц необходимые для осуществления реакции, достигаются за счет высокой температуры вещества, называются термоядерными реакциями. При синтезе одного килограмма гелия из водорода выделяется энергия ~6, 3· 1014 Дж. Солнце выделяет в одну секунду энергию, которая приблизительно равна 4· 1026 Дж, следовательно, в нем за одну секунду осуществляется синтез примерно 6· 1011 кг гелия из водорода.

Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике (метод толстослойный фотоэмульсий) При движении в фотоэмульсии быстрые заряженные частицы, ионизируя атомы создают скрытые изображения следа движения. При проявлении фотоэмульсии след частицы становится видимым. На рисунке 1 представлена фотография куска урановой руды и негатив фотопленки, на которую был положен этот кусок руды. Фотопленка находилась в непрозрачном для света конверте, но после проявления на ней было обнаружено потемнение в местах воздействия проникающего радиоактивного излучения. А. Беккерель обнаружил явление радиоактивности по воздействию ионизующей радиации на фотографические эмульсии.

Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике (метод сцинтилляций) В сцинтилляционном методе для регистрации используются кристаллы, испускающие свет под воздействием ионизующих частиц. В современных сцинтилляционных счетчиках вспышки света в кристаллах регистрируются фотоэлектронными приборами, использующими явление фотоэффекта. Данный метод использовался Резерфордом

Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике (камера Вильсона) Следы движения заряженных частиц в воздухе наблюдают с помощью камеры Вильсона, которая представляет собой ящик со стеклянной крышкой, соединенный с устройством, способным за счет увеличения внутреннего объема быстро понижать давление воздуха внутри, где находится воздух с насыщенными парами воды и спирта. При быстром движении поршня вниз в камере за счет увеличения внутреннего объема, происходит адиабатное расширение воздуха, которое сопровождается понижением его температуры. При этом пары воды и спирта в камере становятся пересыщенными, и начинается их конденсация. Образование капелек жидкости из пересыщенного пара легче происходит вокруг какого-либо центра конденсации. Центрами конденсации могут служить ионы. При помещении в камеру Вильсона радиоактивного источника в результате ионизации молекул в воздухе вдоль пути движения заряженной частицы образуется след из положительных и отрицательных ионов. При быстром увеличении объема камеры пересыщенный пар конденсируется на ионах вдоль траектории движения частицы, и ее след, состоящий из капелек тумана, становится видимым невооруженным глазом.

Методы наблюдения и регистрации частиц в ядерной физике (газоразрядный счетчик Гейгера–Мюллера) В газоразрядном счетчике имеются катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой проволоки по оси цилиндра. Пространство между анодом и катодом заполняется специальной смесью газов при давлении, близком к атмосферному. Между катодом и анодом прикладывается напряжение немного меньшее, чем необходимо для начала самостоятельного разряда в газе. Если в счетчик проникает частица и ионизует газ в пространстве между катодом и анодом, то под действием электрического поля свободные электроны движутся к аноду, а положительные ионы – к катоду. При приближении к аноду электроны попадают в область электрического поля с высокой напряженностью, и начинается процесс возбуждения и ионизации атомов электронным ударом. Этот процесс завершается за миллионные доли секунды. В результате на прохождение через рабочую часть одной ионизующей частицы газоразрядный счетчик отвечает кратковременным импульсом электрического тока, который можно легко регистрировать.

α-распад При α-распаде из радиоактивного ядра выбрасывается альфа -частица – ядро атома изотопа гелия. α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, ее заряд равен двум элементарным зарядам. При вылете из ядра альфа-частицы порядковый номер ядра-продукта Z меньше исходного на две единицы, массовое число A меньше исходного на четыре единицы. Например, при α-распаде ядра изотопа урана получается ядро изотопа тория

β-распад При β-распаде из атомного ядра вылетают электрон (или его античастица позитрон – элементарная частица с массой, равной массе электрона, и положительным элементарным зарядом) и электронное антинейтрино (или нейтрино). β-распад с испусканием электрона называется электронным бета-распадом:

γ-кванты взаимодействуют с электронными оболочками атомов тремя различными способами. Эти способы – фотоэлектрический эффект (выбивание электрона), рассеяние при взаимодействии с электроном и рождение пар электрон–позитрон. Последний способ возможен только в том случае, если энергия γ-кванта больше удвоенной энергии покоя электрона. γ-кванты имеют самую большую проникающую способность. Для защиты от гамма-излучения необходимы защитные стены или оболочки толщиной несколько десятков сантиметров или даже несколько метров.