ЛЕКЦИЯ 17
МОЛЕКУЛЫ: ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ, ПОНЯТИЕ ОБ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УРОВНЯХ
МОЛЕКУЛА – наименьшая частица вещества, состоящая из одинаковых или различных атомов, соединенных между собой химическими связями, и являющаяся носителем их основных химических и физических свойств. Химические связи обусловлены взаимодействием внешних, валентных электронов атомов. Наиболее часто встречаются два типа связи: ионная и ковалентная.
ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ В МОЛЕКУЛАХ ИОННАЯ СВЯЗЬ (в молекулах Na. Cl) осуществляется электростатическим взаимодействием атомов при переходе электрона одного атома к другому, то есть при образовании положительного и отрицательного ионов. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ (H₂ , C₂ ) – осуществляется при обобществлении валентных электронов двумя соседними атомами (спины валентных электронов должны быть антипараллельны). Ковалентная связь объясняется на основе принципа неразличимости тождественных частиц, например электронов в атоме водорода. Неразличимость частиц приводит к обменному взаимодействию. Это чисто квантовый эффект, не имеющий классического объяснения, но его можно представить так, что электрон каждого из атомов молекулы
водорода проводит время у ядра другого атома, а значит осуществляется связь обоих атомов образующих молекулу. При сближении двух водородных атомов до расстояния порядка боровского радиуса возникает их взаимное притяжение и образуется устойчивая молекула водорода.
ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛЫ Молекула – квантовая система, описывается уравнением Шредингера, учитывающим движение электронов в молекуле , колебания атомов молекулы и вращение молекулы. Энергия изолированной молекулы: где: – энергия движения электронов относительно ядер – энергия колебаний ядер (в результате которого из -меняется относительное положение ядер) – энергия вращения ядер (в результате которых периодически изменяется ориентация молекулы в пространстве)
Отношение: Где: – масса электрона – величина имеющая порядок массы ядер атомов в молекуле, . Поэтому : Доказано что: Каждая из данных энергий квантуется (им соответствует набор дискретных значений уровней энергии) и определяется квантовыми числами. При переходе из одного энергетического состояния в другое поглощается, или испускается энергия. При таких переходах одновременно изменяются энергии.
ПОГЛОЩЕНИЕ. СПОНТАННОЕ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
ПОГЛОЩЕНИЕ Атомы могут располагаться только в квантовых состояниях с дискретными значениями энергии Для простоты рассмотрим только два из этих состояний (состояния 1 и 2 с энергиями ). Поглощение Если атом находится в основном состоя. Е₂ нии 1, то под воздействием внешнего 2 излучения может осуществляться вы1 Е₁ нужденный переход в возбужденное состояние 2, приводящий к поглощению излучения. Вероятность подобных переходов пропорциональна плотности излучения вызывающего эти переходы.
СПОНТАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Атом, находясь в возбужденном состо- Спонтанное излучение янии, может через некоторый проме- 2 Е₂ жуток времени спонтанно, без каких Е₁ либо внешних воздействий перейти в 1 состояние с низшей энергией (в нашем случае основное), отдавая избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, (посредством испускания фотона с энергией ). Процесс испускания фотона возбужденным атомом (возбужденной микросистемой) без каких либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероятность спонтанных переходов, тем меньше время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излучение некогеррентно.
ВЫНУЖДЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Для объяснения наблюдаемого на опыте термодинамического равновесия между веществом и испускаемым и поглощаемым им излучением Эйнштейн (в 1916 г. ) постулировал, что помимо поглощения и спонтанного излучения должен быть иной, качественно новый тип Вынужденное излучение взаимодействия. Если на атом, находящийся в состо- 2 Е₂ янии 2 действует внешнее излу1 Е₁ чение с частотой удовлетворяющей условию , то возникнет вынужденный (индуцированный) переход в основное состояние 1 с излучением фотона той же энергии. При подобном переходе происходит излучение атомом фотона, дополнительно к тому фотону, под действием которого и
произошел переход. Возникающее в результате данных переходов излучение называется вынужденным (индуцированным) излучением. В процесс вынужденного излучения вовлечены два фотона: первичный фотон, вызывающий испускание излучения возбужденным атомом , и вторичный фотон, испущенный атомом. Вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь их полной копией. В статистической физике известен принцип детального равновесия, согласно которому, при термодинамическом равновесии, каждому процессу можно сопоставить обратный процесс, причем скорости их протекания одинаковы.
Эйнштейн и Дирак показали, что вынужденное излучение (вторичные фотоны) тождественно вынуждающему излучению (первичным фотонам), оно имеет такую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения как вынуждающее излучение. Значит, вынужденное излучение строго когеррентно с вынуждающим, то есть испускаемый фотон неотличим от фотона падающего на атом. Испускаемые фотоны двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы и число фотонов растет лавинообразно, однако, наряду с этим процессом возможно и поглощение, и для усиления падающего излучения необходимо что бы число актов вынужденного излучения фотонов (оно пропорциональ-
но заселенности возбужденных состояний) превышало число актов поглощения фотонов (пропорционально заселенности основных состояний). В системе атомов находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения будет преобладать над вынужденным, то есть падающее излучение при прохождении через вещество будет ослабляться. Что бы среда усиливала падающее на него излучение, необходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии было бы больше чем их число в основном состоянии. Это состояние с инверсией населенностей. Процесс создания неравновесного состояния вещества называется накачкой.
В средах в инверсном состоянии вынужденное излучение может превысить поглощение, вследствие чего падающий пучок света при прохождении через эти среды будет усиливаться. Эти среды называются активными.
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
ЯДРА АТОМОВ
1 мкм Резерфорд, исследуя прохождение αчастиц, с энергией в несколько Мэ. В, через тонкие пластины золота, пришел к выводу, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Размеры атома примерно м, размеры ядра м. Атомное ядро состоит из НУКЛОНОВ включающих в себя: протоны и нейтроны. ПРОТОН (р)– имеет массу и положительный заряд, равный заряду электрона кл. НЕЙТРОН (n) – нейтральная частица с массой покоя.
Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом. Атомное ядро характеризуется зарядом , где заряд электрона. – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева ( ). Ядро обозначается тем же символом что и нейтральный атом , где – символ химического элемента, – атомный номер (число протонов в ядре), – массовое число (число нуклонов в ядре).
Атом нейтрален, то есть число протонов определяет и число электронов в атоме. От числа электронов завиит их распределение по состояниям в атоме, от которого в свою очередь, зависят химические свойства атома (заряд определяет специфику данного химического элемента), то есть определяет число элементов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля. Ядра с различными , но одинаковыми (то есть с разными числами нейтронов называются ИЗОТОПАМИ, а ядра с одинаковыми но разными – ИЗОБАРАМИ. Ядра атомов – устойчивые образования. Это значит, что в ядре между нуклонами существует определённая связь.
ДЕФЕКТ МАСС. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ ЯДРА Массу ядер определили с помощь масс-спектрометров (приборов , разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки заряженных частиц (ионов) с разными удельными зарядами ). Масс-спектрометрические исследования показали, что масса ядра меньше чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но, так как всякому изменению массы должно соответствовать изменение энергии, то и при образовании ядра должна выделиться определённая энергия. Справедливо и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделялось на его образование.
Энергия которую нужно затратить, что бы рассеять ядро на отдельные нуклоны – ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ: Где: – массы протонов, нейтронов и ядра соответ- ственно. В таблицах обычно приводится масса не ядер, а атомов, поэтому энергия связи представляется в виде: Где: – массы атома водорода и исследуемого атома. Разница в массах ядра и составляющих его нуклонов – ДЕФЕКТ МАССЫ
ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ. Между составляющими ядро нуклонами действуют специфические для ядра силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются – ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ. С помощью экспериментальных данных по рассеянию нуклонов на ядрах, ядерным превращениям и т. д. доказано, что ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические, магнитные взаимодействия и не относятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.
СВОЙСТВА ЯДЕРНЫХ СИЛ • Ядерные силы являются силами притяжения. • Ядерные силы – короткодействующие (действуют на расстоянии до 10ˉ¹⁵м, далее быстро убывают до нуля. На коротких расстояниях примерно в 100 раз сильнее кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии). • Ядерным силам свойственна зарядовая независимость (ядерные силы между двумя протонами, двумя нейтронами, и между протоном и нейтроном одинаковы по величине, а значит имеют не электрическую природу). • Ядерным силам свойственно насыщение (каждый нуклон в ядре, взаимодействует с ограниченным количеством ближайших к нему нуклонов).
• Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. • Ядерные силы не являются центральными, то есть действующими по линии соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.
МОДЕЛИ АТОМНОГО ЯДРА Сложный характер ядерных сил и трудность решения уравнения движения всех нуклонов относительно друга (ядро с массовым числом А представляет собой систему из А тел) не позволили до сего дня выработать единую теорию атомного ядра. Поэтому прибегают к рассмотрению приближенных ядерных моделей, в которой ядро заменяется некоторой модельной системой, хорошо описывающей только некоторые свойства, и допускающей более-менее простую математическую трактовку. Из большого числа моделей рассмотрим:
КАПЕЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА Капельная модель ядра (1936 г. Н Бор и Я. И. Френкель) основана на аналогии поведения нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. В обоих случаях силы действующие между составными частицами – короткодействуюшие и им свойственно насыщение. Для капли жидкости, при данных внешних условиях характерна постоянная плотность вещества. Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией связи (энергия связи отнесенная к одному нуклону , характеризует устойчивость ядер, чем больше тем устойчивее ядро. Значение определяется по справочнику), и постоянной плотностью , не зависящей от числа нуклонов в ядре. Объём капли как и объём ядра пропорционален количеству
частиц. Капельная модель позволила получить формулу для энергии связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций ( особенно реакции деления ядер), но эта модель не могла объяснить повышенную устойчивость ядер содержащих магические числа протонов и нейтронов). (наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра у которых число протонов или нейтронов равно одному из «магических чисел» ) 2, 8, 20, 28. 50, 82, 126 Особенно стабильны дважды магические ядра у которых магическое и число протонов и число нейтронов:
ОБОЛОЧЕЧНАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА Оболочечная модель ядра предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам) и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Оболочечная модель ядра позволила объяснить различную устойчивость атомных ядер, а так же периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания лёгких и средних ядер. Впоследствии возникли некоторые другие модели: • Обобщенная модель (синтез капельной и оболочечной) • Оптическая модель (объясняет взаимодействие ядра с налетающими частицами).
РАДИОАКТИВНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ЕГО ВИДЫ
РАДИОАКТИВНОСТЬ Беккерель (1896) обнаружил самопроизвольное испускание солями урана излучения неизвестной природы, которое ионизировало воздух, воздействовало на фотопластинку, проникало через тонкие слои металла. Исследования Беккереля продолжили Пьер и Мария Кюри. Обнаруженное излучение назвали РАДИОАКТИВНЫМ а само явление РАДИОАКТИВНОСТЬЮ. РАДИОАКТИВНОСТЬ – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдающуюся у неустойчивых изотопов, существующих
в природе) и искусственную (наблюдающуюся у изотопов полученных путем атомных реакций). Принципиального различия между этими видами радиоактивности нет. Радиоактивное излучение бывает трёх видов: • α-излучение • β-излучение • γ-излучение
α-ИЗЛУЧЕНИЕ α-излучение – представляет собой поток ядер гелия , откланяется электрическими и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью, малой проникающей способностью (поглощается алюминием толщиной 0, 05 мм). Формула α-распада:
β-ИЗЛУЧЕНИЕ β-излучение – представляет собой поток быстрых электронов (позитронов), отклоняется электрическими и магнитными полями, его ионизирующая способность на два порядка ниже, а проникающая способность гораздо выше (поглощается 2 -мм слоем алюминия). β-излучение быстро рассеивается в веществе. Образование β-электрона происходит путем преобразования одного из нейтронов в протон, и выделении частицы βэлектрона и антинейтрино. Нейтрино – имеет нулевой заряд, неразличимо малую ( ) массу покоя. Антинейтрино – античастица к нейтрино
Возможно получение ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ элементарной частицы – позитрона. Масса покоя позитрона равна массе электрона, заряды электрона и позитрона равны по модулю. Заряд у позитрона положительный: Образуется путем преобразования одного из протонов в нейтрон. Если встречаются позитрон и электрон они аннигилируются, то есть превращаются в два γ-кванта. Причем их энергия переходит в энергию фотонов: Формула β- распада: Формула β+ распада:
γ-ИЗЛУЧЕНИЕ γ-излучение – не отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает слабой ионизирующей способностью и очень большой проникающей способностью (проходит сквозь слой свинца толщиной 5 см). При прохождении через кристаллы обнаруживает дифракцию. Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, с чрезвычайно короткой длиной волны, и, вследствие этого, обладает ярко выраженными корпускулярными свойствами ( м), и является потоком частиц γ-квантов (фотонов). γ-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает α и β излучения, а так же возникает при ядерных реакциях. При γ-излучении A и Z ядра не изменяются, поэтому оно не описывается правилами смещения
РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД Под РАДИОАКТИВНЫМ РАСПАДОМ или просто РАСПАДОМ понимается естественное радиоактивное превращение ядер проходящее самопроизвольно. Ядро проходящее распад – материнское, возникающее ядро – дочернее. Закон радиоактивного распада: Где: – начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени. – число нераспавшихся ядер в момент времени. – постоянная радиоактивного распада
Интенсивность процесса распада характеризует период полураспада – время за которое распадается половина радиоактивных ядер. Среднее время жизни радиоактивного ядра: Активностью А нуклида (общее название атомных ядер отличающихся числом протонов и нейтронов) в радиоактивном источнике, называется число распадов, происходящее в ядрах за 1 с. Активность измеряется в беккерелях (Бк) или Кюри (Ки).
ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ
ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ – превращение атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами), или друг с другом. Наиболее распространена ядерная реакция: Где: – исходное и конечное ядра – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ Ядерные реакции классифицируются по признакам: 1. По роду участвующих в них частиц 1. 1. реакция под действием нейтронов. 1. 2. реакция под действием заряженных частиц (αчастиц, протонов). 1. 3. реакция под действием γ-квантов. 2. По энергии вызывающих их частиц 2. 1. реакции при малых энергиях (около 1 э. В) происходят в основном под воздействием нейтронов. 2. 2. реакции при средних энергиях (Мэ. Вы) с участием γ-квантов и заряженных частиц (α-частиц, протонов).
2. 3. реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи Мэ. В), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц. 3. По роду участвующих в них ядер 3. 1. реакции на легких ядрах (А<50) 3. 2. реакции на средних ядрах (50<А<100) 3. 3. реакции на тяжелых ядрах (А>100) 4. По характеру происходящих ядерных превращений 4. 1. реакции с испусканием нейтронов 4. 2. реакции с испусканием заряженных частиц 4. 3. реакции захвата (составное ядро не испускает никаких частиц, а излучает один или несколько γквантов.
ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА Первая в истории ядерная реакция была осуществлена Резерфордом (1919), при бомбардировке ядра азота α -частицами испускаемыми радиоактивным источником. Нейтроны, являясь электрически нейтральными, легко проникают в ядра, не испытывают кулоновского отклонения и вызывают разнообразные ядерные превращения. Ядерные реакции под действием нейтронов сыграли большую роль в развитии ядерной физики, и привели к созданию ядерных реакторов. Было доказано, что при облучении урана нейтронами, образуются элементы из середины периодической системы (лантан и барий):
Этот результат положил начало ядерным реакциям нового типа – реакциям деления ядра, заключавшихся в том что тяжелые ядра под действием нейтронов делятся на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра близких по массе. Особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трёх вторичных нейтронов называемых нейтронами деления. Испускаемые при делении ядер нейтроны могут вызвать новые акты деления ядер. Ядерная реакция, в которой частицы вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции – ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ.
Не все вторичные нейтроны образуют последующее деление ядер. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения нейтронов. Если выполняется необходимое условие для поддержания цепной реакции. Коэффициент размножения зави-сит от природы делящегося вещества, от количества изотопа, от размеров и природы активной зоны (конечного пространства где происходит цепная реакция). Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции называется – критической массой.
Скорость развития цепных реакций различна. Пусть среднее время жизни одного поколения нейтронов, а число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их будет , то есть прирост числа нейтронов за поколение. Прирост же числа нейтронов за единицу времени, то есть скорость нарастания цепной реакции: Проинтегрировав это значение получим: Где: – число нейтронов в начальный момент времени – число нейтронов в момент времени
определяется знаком ( ). При идёт развивающаяся реакция , число делений непрерывно возрастает, и реакция может стать взрывной. При идёт самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При идёт затухающая реакция. Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Классический пример неуправляемой реакции – атомный взрыв, а управляемой – работа термоядерного реактора.
РАБОТА ЗАВЕРШЕНА! СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! УДАЧНОЙ СДАЧИ ЭКЗАМЕНА!
Скачать презентацию ЛЕКЦИЯ 17 МОЛЕКУЛЫ ХИМИЧЕСКИЕ СВЯЗИ ПОНЯТИЕ ОБ
Лекция биологов по 17 физике16.ppt