Атомная физика возникла на рубеже XIX и XX столетий на основе исследований оптических спектров газов, открытия электрона и радиоактивности. На первом этапе своего развития (первая четверть XX в.) атомная физика занималась главным образом выявлением строения атома и изучением его свойств. Опыты Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц тонкой металлической фольгой (1908-1911) привели к созданию планетарной модели атома; используя эту модель, Н. Бор (1913) и А. Зоммерфельд (1915) разработали первую количественную теорию атома (см. Атом). Последующие исследования свойств электрона и атомов завершились созданием в середине 20-х гг. квантовой механики - физической теории, описывающей законы микромира и позволяющей количественно рассматривать явления, в которых участвуют микрочастицы (см. Квантовая механика).
Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики. В то же время атомная физика играет роль своеобразного «испытательного полигона» для квантовой механики. Представления и выводы квантовой механики, часто не согласующиеся с нашим повседневным опытом, проходят экспериментальную проверку в атомной физике. Ярким примером могут служить знаменитые опыты Франка - Герца (1913) и Штерна - Герлаха (1922); ниже остановимся на них подробнее.
К началу XX в. был накоплен богатый материал по оптическим спектрам атомов. Было установлено, что каждому химическому элементу соответствует свой линейчатый спектр, характеризующийся закономерным, упорядоченным расположением спектральных линий. Квантовая механика связывает наблюдаемые закономерности в спектре с системой энергетических уровней данного атома. В 1913 г. немецкие физики Дж. Франк и Г. Герц выполнили опыт, давший прямое экспериментальное подтверждение тому, что внутренняя энергия атома квантуется и поэтому может изменяться лишь дискретно, т. е. определенными порциями. Они измерили энергию свободных электронов, затрачиваемую на возбуждение атомов ртути. Основной элемент установки - стеклянный откачанный баллон с тремя впаянными электродами: катодом, анодом, сеткой (прообраз современного вакуумного триода). В баллоне находились пары ртути под давлением 1 мм рт. ст. Электроны, покинувшие катод, ускорялись в поле между катодом и сеткой (ускоряющее напряжение U) и затем тормозились в поле между сеткой и анодом (тормозящее напряжение U 1). На пути от катода к аноду электроны сталкивались с атомами ртути. Напряжение U 1 выбиралось значительно меньше, чем U\ поэтому от анода отталкивались только достаточно медленные электроны - те, которые потеряли энергий) в результате неупругих столкновений с атомами ртути. В опыте измерялась сила анодного тока в зависимости от ускоряющего напряжения U. Экспериментальная кривая имеет ряд четких максимумов, отстоящих друг от друга на 4,9 В. Вид этой кривой объясняется так. При U< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.
При более тщательной постановке опытов этого типа удалось обнаружить возбуждение следующих энергетических уровней атомов: для ртути это 6,7; 8,3 эВ и т. д. (10,4 эВ - потенциал ионизации). Наблюдение свечения газа показывает при этом появление полного спектра для атомов ртути.
Движущийся вокруг атомного ядра электрон можно уподобить элементарному электрическому току; он порождает магнитное поле. Магнитные поля различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома. Для его характеристики вводится векторная величина, называемая магнитным моментом. Если электроны полностью заполняют ту или иную оболочку (1s, 2s, 2р и т. д.), то их магнитные поля взаимно компенсируются; магнитные моменты соответствующих атомов равны нулю.
В 1922 г. в Германии О. Штерн и В. Герлах выполнили опыт, показавший, что магнитный момент атома пространственно квантуется. Они посылали пучок атомов, имеющих магнитный момент, сквозь неоднородное магнитное поле и исследовали отклонения атомов под действием этого поля. Степень и характер отклонения зависят от ориентации магнитного момента атома по отношению к направлению поля. Если бы в пучке находились атомы со всевозможными ориентациями магнитных моментов, то наблюдалось бы непрерывное угловое «размытие» первоначального пучка. На опыте же наблюдалось четкое расщепление пучка атомов на несколько пучков; это и означало, что магнитный момент атома пространственно квантуется - его проекция на направление магнитного поля может иметь лишь некоторые определенные (дискретные) значения.
Обратимся к распределению отклонений атомов натрия в неоднородном магнитном поле (оно получено в 1930 г.). Это распределение имеет два четких максимума. У атома натрия три заполненные оболочки (1s, 2s, 2р) и один 3s-электрон. Электронное облако s-электронов сферически симметрично (см. Атом), поэтому их движение в поле ядра не приводит к появлению магнитного момента. Чтобы объяснить наблюдаемое расщепление пучка атомов натрия на две составляющие, необходимо принять, что у электрона есть собственный магнитный момент, не связанный с движением электрона вокруг ядра. Этот магнитный момент условно связывают с вращением электрона вокруг собственной оси и называют спиновым моментом (см. Спин). Магнитный же момент электрона, связанный с его движением вокруг ядра, называют орбитальным моментом. Итак, в случае атома натрия взаимно скомпенсированы как орбитальные, так и спиновые моменты электронов заполненных оболочек; орбитальный момент 3s-электрона равен нулю, а спиновый момент этого электрона обусловливает расщепление пучка атомов натрия в неоднородном магнитном поле. Тот факт, что наблюдается расщепление на два пучка, означает, что спиновый момент электрона имеет две проекции на направление магнитного поля.
В 30-х гг. нашего столетия начался новый этап в развитии атомной физики. В эти годы выяснилось, что природа взаимодействий, ответственных за процессы внутри атомного ядра и объясняющих стабильность либо радиоактивность ядер, является совершенно иной по сравнению с взаимодействиями, обусловливающими процессы, происходящие в электронных оболочках атома (см. Единство сил природы). В связи с этим из атомной физики выделилось отдельное научное направление, связанное с исследованиями физики атомных ядер; в 40-х гг. это направление оформилось в самостоятельную физическую науку - ядерную физику. Наконец, в 50-х гг. от ядерной физики отпочковалось направление, связанное с изучением систематики и взаимопревращений элементарных частиЦ, - физика элементарных частиц.
В итоге выявился вполне определенный круг вопросов, составляющих содержание современной атомной физики. Ее не интересуют процессы, происходящие в атомном ядре, равно как и взаимопревращения элементарных частиц. Атомная физика изучает процессы с участием атомов или ионов, притом только такие процессы, которые не приводят к каким-либо изменениям в атомных ядрах. Следовательно, речь идет о процессах, затрагивающих лишь электронные оболочки атомов. К подобным
процессам относятся: изменения состояний электронов в атоме под действием внешних электрических или магнитных полей (так, под действием внешних полей происходит расщепление энергетических уровней атомов); поглощение и испускание атомами электромагнитного излучения (см. Спектроскопия, Рентгеновские лучи, Фотоэффект, Лазеры); столкновения атомов со свободными электронами, а также с другими атомами, ионами, молекулами (в результате столкновений с электронами или другими микрообъектами атомы могут возбуждаться, переходить из возбужденного состояния в менее возбужденное, превращаться в ионы, см. Электрический разряд в газах); взаимодействия электронных оболочек различных атомов, приводящие к образованию молекул и кристаллов. Все эти процессы обусловлены электромагнитным взаимодействием. Вероятности указанных процессов вычисляют, используя аппарат квантовой механики.
Современная атомная физика исследует также специальный тип атомов, называемых мезоатомами. Мезоатом возникает из обычного атома в результате замены одного из электронов мюоном (μ-), антимезоном (π-, К-), антипротоном либо отрицательно заряженным гипероном (см. Адроны, Лептоны). Существуют и аномальные «водородные» атомы - позитроний, мюоний, у которых роль протона играют позитроны или положительно заряженные антимюоны (μ+). Все эти атомы нестабильны; их время жизни ограничено временем жизни указанных выше частиц или процессами е+ е- и рр-аннигиляции. Мезоатомы образуются в процессе торможения частиц - в результате захвата отрицательно заряженных частиц кулоновским полем атомных ядер или при захвате позитронами и антимюонами атомных электронов. Опыты с различными аномальными атомами представляют большой интерес как для исследования свойств вещества, так и для изучения ядер и элементарных частиц.
Слайд 2
Слайд 3
Слайд 4
А -18. 1.На рисунке представлен фрагмент Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Под названием элемента приведены массовые числа его основных стабильных изотопов, нижний индекс около массового числа указывает (в процентах) распростра- ненностьизотопа в природе. Число протонов и число нейтронов в ядре самого распространенного изотопа бора соответственно равно 1) 6 протонов, 5 нейтронов 2) 10 протонов, 5 нейтронов 3) 6 протонов, 11 нейтронов 4) 5 протонов, 6 нейтронов
Слайд 5
2. На рисунке приведены спектр поглощения разреженных атомарных паров неизвестного вещества (в середине) и спектры поглощения паров известных элементов (вверху и внизу). По анализу спектров можно утверждать, что неизвестное вещество содержит 1) только кальций (Са) 2) только стронций (Sr) 3) кальций и еще какое-то неизвестное вещество 4) стронций и еще какое-то неизвестное вещество
Слайд 6
3. Гамма-излучение - это 1) поток ядер гелия 2) поток протонов 3) поток электронов 4) электромагнитные волны
Слайд 7
4. Атом натрия 2311Na содержит 11 протонов, 23 нейтрона и 34 электрона 2) 23 протона, 11 нейтронов и 11 электронов 3) 12 протонов, 11 нейтронов и 12 электронов 4) 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов
Слайд 8
5. Какие заряд Z и массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа после одного α-распада и одного электронного β-распада? 1) A=213, Z=82 2) A=211, Z=83 3) A=219, Z=86 4) A=212, Z=83
Слайд 9
6. Ядро атома содержит 10 нейтронов и 9 протонов, вокруг него обращаются 8 электронов. Эта система частиц ион фтора 2) ион неона 3) атом фтора 4) атом неона
Слайд 10
7. В камере Вильсона, помещенной во внешнее магнитное поле таким образом, что вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас, были сфотографированы треки 2-х частиц.Какой из треков может принадлежать α-частице 1) только 1-й 2) только 2-й 3) 1-й и 2-й 4) ни один из приведенных
Слайд 11
8. В камере Вильсона, помещенной во внешнее магнитное поле таким образом, что вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас, были сфотографированы треки 2-х частиц. Какой из треков может принадлежать электрону? 1) только 1-й 2) только 2-й 3) 1-й и 2-й 4) ни один из приведенных
Слайд 12
9. α-излучение - это 1) поток ядер гелия 2) поток протонов 3) поток электронов 4) электромагнитные волны
Слайд 13
10. Детектор радиоактивных излучений помещен в закрытую картонную коробку с толщиной стенок ≈ 1 мм. Какие излучения он может зарегистрировать? 1) α и β 2) α и Ƴ 3) β и Ƴ 4) α, β,Ƴ
Слайд 14
11. Какой вид ионизирующих излучений из перечисленных ниже наиболее опасен при внешнем облучении человека? 1) альфа-излучение 2) бета-излучение 3) гамма-излучение 4) все одинаково опасны
Слайд 15
12. В результате электронного β-распада ядра атома элемента с зарядовым числом Z получается ядро атома элемента с зарядовым числом 1) Z – 2 2) Z + 1 3) Z – 1 4) Z + 2
Слайд 16
13. В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление импульса электрического тока в газе? 1) в счетчике Гейгера 2) в камере Вильсона 3) в фотоэмульсии 4) в сцинтилляционном счетчике
Слайд 17
14. Как изменится число нуклонов в ядре атома радиоактивного элемента, если ядро испустит -квант? 1) увеличится на 2 2) не изменится 3) уменьшится на 2 4) уменьшится на 4
Слайд 18
15. На основании исследования явления рассеяния альфа-частиц при прохождении через тонкие слои вещества Резерфорд сделал вывод, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия 2) альфа-распад является процессом самопроизвольного превращения ядра одного химического элемента в ядро другого элемента 3) внутри атомов имеются положительно заряженные ядра очень малых размеров, вокруг ядер обращаются электроны 4) при альфа-распаде атомных ядер выделяется ядерная энергия, значительно большая, чем в любых химических реакциях
Исследования в ядерной физике после ВОВ.
После окончания войны с фашистской Германией и Японией, исследования в области ядерной физики в СССР получили дальнейшее развитие. Они позволили Советскому Союзу в короткий срок ликвидировать монополию США на ядерное оружие и приступить к использованию атомной энергии в промышленности и сельском хозяйстве, в медицине, науке и технике.
В СССР широким фронтом проводятся исследования по изучению атомного ядра, взаимодействий ядерных частиц, ядерных реакций, по синтезу новых элементов и т. д. В самостоятельные области выделились нейтронная физика, физика ядерных реакторов и изотопная технология. Исследования в области физики реакторов, начатые на первых реакторах на медленных (тепловых) нейтронах, стали развиваться применительно к реакторам на промежуточных и быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного горючего. Для проведения этих исследований и решения прикладных задач, необходимых для освоения физики атомных реакторов, используется большое число так называемых физических сборок - моделей реакторов, многочисленные экспериментальные реакторы, на которых определяют критические массы ядерного горючего, распределение нейтронных потоков и пр.
В результате исследований по ядерной физике открыты новые элементарные частицы, изменившие ранее существовавшее представление о структуре атомного ядра; разработаны теории, позволяющие предсказывать некоторые свойства ядерных частиц при их взаимодействии; синтезированы новые химические элементы, открыт новый вид радиоактивности, развиты и приобрели самостоятельное значение исследования по регулируемому термоядерному синтезу. Созданы и успешно применяются уникальные экспериментальные установки для обработки опытных данных, специальные автоматические или полуавтоматические просмотровые устройства, а также быстродействующие электронно-вычислительные машины.
Закончим этот раздел словами Игоря Васильевича Курчатова: «Необходимо и дальше развивать атомную теоретическую науку с тем, чтобы были надежно освещены пути будущей атомной техники. Перед нами пример работы по решению советскими учеными и инженерами задачи использования атомной энергии урана и других тяжелых элементов. Наши успехи в этом деле были в значительной мере обусловлены тем, что в институтах все время шла упорная теоретическая работа по изучению законов строения атома, законов цепной реакции, законов строения атомного ядра, теоретическая работа, которая определила развивающиеся у нас сейчас пути атомной техники...».
Это выступление И. В. Курчатова как бы подводило итог поистине огромной творческой работы, проделанной советскими учеными и инженерами. Эту работу продолжают и сейчас многочисленные коллективы ученых в научно-исследовательских институтах.
Вклад ученых в развитие ядерной физики и освоение атомной энергии.
В 1896 г. Антуан Анри Беккерель открыл, что урановая руда испускает какие-то невидимые с большой проникающей способностью (позднее это явление было названо радиоактивностью).
В 1898 г. Мария Склодовская и Пьер Кюри выделили несколько сотых грамма нового вещества - элемента, который излучал -частицы. Они назвали его полонием. В декабре того же года они открыли новый элемент - радий.
В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. Он же доказал, что почти вся атома сосредоточена в его ядре.
В 1913 г. Нильс Бор создал модель атома водорода и теорию строения атома. С этого времени и началось быстрое развитие квантовой механики, фактическое рождение ядерной физики.
В 1932 г. Джеймс Чедвик обнаружил не имеющую электрического заряда нейтральную ядерную частицу - нейтрон, будущий микроключ к большой атомной энергетике.
В 1932 г. Дмитрий Дмитриевич Иваненко предложил гипотезу строения атомного ядра из протонов и нейтронов.
В 1933 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио открыли искусственную бэтта-радиоактивность, т.е, новый вид радиоактивности. Это сыграло исключительную роль в создании новых радиоактивных элементов.
В 1934 г. Энрико Ферми обнаружил, что при бомбардировке урана нейтронами образуются радиоактивные элементы. Итальянские исследователи приняли их за элементы более тяжелые, чем уран, и назвали трансурановыми.
В 1934 г. Павел Алексеевич Черенков и Сергей Иванович Вавилов открыли одно из фундаментальных физических явлений - свечение жидкости при движении в ней электронов со скоростью, превышающей фазовую скорость в ней.
В 1935 г. Игорь Васильевич Курчатов с группой сотрудников открыли явление ядерной изомерии искусственных радиоактивных атомных ядер и разработали теорию этого явления.
В 1936 г. Яков Ильич Френкель предложил капельную модель ядра и ввел термодинамические понятия в ядерную физику, выдвинул первую теорию ядерного деления.
В 1938 г. Отто Ган и Ф. Штрассман, повторяя опыты Ферми, обнаружили, что в облученном нейтронами уране появляются элементы, стоящие в середине периодической системы элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.
В 1938 г. Фредерик Жолио-Кюри также установил, что при попадании нейтрона в ядро урана ядро разваливается - делится на два меньших ядра.
В 1939 г. Юлий Борисович Харитон и Яков Борисович Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235.
В 1940 году Георгий Николаев Флёров и К. А. Петржак открыли спонтанное ядер урана, т.е, доказали, что ядра урана могут самопроизвольно распадаться. Когда подсчитали энергию, которую можно получить при расщеплении 1 кг урана, то оказалось, что она равна количеству энергии, которое выделяется при сжигании 2 300 000 кг самого лучшего каменного угля.
В 1940 году Юлий Борисович Харитон и Яков Борисович Зельдович предложили расчет цепной реакции деления ядер урана, установив, таким образом, принципиальную возможность ее осуществления.
Перечень научных открытий в области ядерной физики можно было бы и продолжить. Все это можно найти в различных научных и научно-популярных книгах.
Практическое задание.
Внимательно изучите презентацию. Ваша задача заключается в следующем определиться с темой своей презентации, возможно аналогичной, а может быть и чем-то уникальной в своём роде. Сегодня в течение данного урока вам предстоит создать или начать создавать презентацию по физике, а если быть точным вы должны посвятить её одному из важнейших и фундаментальных разделов этой прекрасной науки «Физика атома и атомного ядра».
Ваша работа будет поделена на несколько этапов:
Вы должны выбрать тему, которую будете разрабатывать – либо это будет презентация, посвящённая какому-либо из учёных, внёсших колоссальный вклад в эту науку; а может вы выберете - теоретической аспект этой науки или практический и освятите один из них. Презентация «Физика атома и атомного ядра» несомненно, должна помочь вам в этом.
Затем вам (речь идёт конечно же о тех, кто забыл как работать в программе Microsoft PowerPoint2007 ) стоит ознакомиться с презентацией PowerPoint2007, которая очень подробно расскажет о том, как с ним работать.
2 1. Введение 1.1. Предмет атомной физики, её краткая история развития, цели и задачи 1.2. Основные определения. Электрон, протон, нейтрон, атом, ион, молекула, нуклид, атомное ядро, химический элемент, изотопы 1.3. Ядерные и оболочечные свойства атома 1.4. Единицы измерения физических величин в атомной физике. Электрон-вольт. Моль, постоянная Авогадро, атомная единица массы, относительная атомная масса. Масштабы энергий, длин, частот, масс в атомной и ядерной физике 1.5. Классическая, релятивистская и квантовая физика. Импульс и энергия 1.6. Фотон. Шкала энергий фотонов (шкала электромагнитного излучения)
3 Физика атома Атомная физика (физика атома и атомных явлений) это раздел физики, изучающий строение и свойства атомов, а также элементарные процессы, в которых атомы принимают участие Объектами исследования атомной физики являются как атомы, так и молекулы, атомные и молекулярные ионы, экзотические атомы и другие микрочастицы В явлениях, изучаемых в рамках атомной физики, основную роль играют электромагнитные взаимодействия Результаты исследований в области атомной физики служат основой понимания химической связи, оптических и туннельных явлений, процессов в плазме, нейтральных жидкостях, твёрдых телах (в т. ч. полупроводниках и наноматериалах) Теоретической основой самой атомной физики являются квантовая теория и квантовая электродинамика Чёткой границы между атомной физикой и другими разделами физики не существует, и в соответствии с международной классификацией, атомная физика включена в область атомной, молекулярной физики и оптики
4 Краткая история развития атомной физики Понятие «атом» употреблялось древнегреческими учеными (V – II веках до н. э.) для обозначения наименьших, неделимых частиц, из которых состоит всё существующее в мире Экспериментальные подтверждения атомистических представлений были получены в XIX века в химических и физических исследованиях Представление о том, что атом состоит из положительно и отрицательно заряженных частей, было обосновано во второй половине XIX-го века В 1897 г. Дж.Дж. Томсоном был открыт электрон, и вскоре доказано, что он является составной частью всех атомов Представление об атоме как о системе, состоящей из ядра атомного и электронной оболочки, было обосновано Э. Резерфордом в 1911 году После того, как это представление стало общепринятым, из атомной физики выделилась ядерная физика и, несколько позже, физика элементарных частиц
5 Краткая история развития атомной физики Основы современной атомной физики были заложены в начале XX-го века, когда на основе модели атома Э. Резерфорда и развития квантовых представлений М. Планка (1900) и А. Эйнштейна (1905) Н. Бором были даны объяснения ряда важнейших свойств атома (1913) и выдвинуты два «квантовых» постулата Согласно первому из них, существуют особые (стационарные) состояния атома, в которых последний не излучает энергии, хотя входящие в его состав заряженные частицы (электроны) совершают ускоренное движение Согласно второму постулату, излучение атома происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое, а частота ν этого излучения определяется из условия h = E – E (правила частот Бора), где h постоянная Планка, E и E значения энергии атома в начальном и конечном состояниях Первый постулат отражает факт устойчивости атома, второй дискретность частот в атомных спектрах
6 Краткая история развития атомной физики На смену теории Бора, которая оказалась не в состоянии исчерпывающим образом объяснить свойства атомов и молекул, пришла последовательная квантовая теория, созданная в 20-х – 30-х годах XX-го века (В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак) Тем не менее, постулаты Бора по-прежнему сохраняют свою значимость и неотъемлемым образом входят в основы физики микроскопических явлений В рамках современной квантовой теории дано максимально полное объяснение свойств атома: принципы формирования оптических и рентгеновских спектров, поведение атомов в магнитных (эффект Зеемана) и электрических (эффект Штарка) полях, получили теоретическое обоснование периодическая система элементов и природа химической связи, были разработаны методы расчёта электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел (метод самосогласованного поля Хартри – Фока), созданы новые устройства для изучения структуры и свойств вещества (электронный микроскоп) Развитие идей квантовой теории (гипотеза спина, принцип Паули и др.), в свою очередь, опиралось на экспериментальные исследования в области атомной физики (линейчатые спектры атомов, фотоэффект, тонкая и сверхтонкая структура спектральных линий, опыты Франка и Герца, Дэвиссона и Джермера, Штерна и Герлаха, эффект Комптона, открытие дейтерия и других изотопов, эффект Оже и др.)
7 Краткая история развития атомной физики Во второй трети XX-го века в рамках атомной физики и на основе идей квантовой теории были разработаны новые экспериментальные методы физических исследований: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС), спектроскопия электронного удара (СЭУ), созданы устройства для их осуществления (мазер, лазер и др.) Непосредственное экспериментальное подтверждение получили фундаментальные принципы квантовой теории (интерференция квантовых состояний, лэмбовский сдвиг уровней и др.), предложены новые методы расчёта электронной структуры вещества (теория функционала плотности), предсказаны новые физические явления (сверхизлучение) Разработаны методы экспериментальных исследований процессов, происходящих с одиночными атомами, ионами и электронами, удерживаемыми электрическим и магнитным полями специальной конфигурации (атомными и ионными «ловушками»)
8 Краткая история развития атомной физики Новые результаты в области атомной физики последней трети XX-го – начала XXI века в основном связаны с использованием лазеров В научной практике широко применяются методы лазерной спектроскопии, в т. ч. нелинейной, на основе которых появилась возможность осуществлять спектроскопические измерения с одиночными атомами и молекулами, определять характеристики высоковозбуждённых состояний атомов, исследовать динамику внутриатомных и внутримолекулярных процессов длительностью до нескольких фемтосекунд (10 –15 с) С помощью лазеров удалось осуществить и детально исследовать многофотонные процессы взаимодействия излучения с атомными системами (многофотонный фотоэффект, умножение частоты), а также охлаждение отдельных атомов до сверхнизких температур Теоретические исследования последних десятилетий в области атомной физики связаны со стремительным прогрессом вычислительной техники и направлены на разработку эффективных методов и средств расчёта электронной структуры и свойств многоэлектронных атомных систем с учётом энергии электронной корреляции, релятивистских квантово-механических и квантово- электродинамических поправок
9 Атомная физика Исследования в области атомной физики нашли множество научных и практических применений В промышленных целях для определения элементного состава вещества используются методы атомного спектрального анализа, включая ЭПР, ФЭС и СЭУ Для решения геологических, биологических и медицинских задач используются методы дистанционного и локального лазерного спектрального атомного анализа, в промышленных и технических целях осуществляется лазерное разделение изотопов Экспериментальные и теоретические методы атомной физики находят применение в астрофизике (определение состава и физических характеристик вещества звёзд и межзвёздной среды, исследование ридберговских атомов), метрологии (атомные часы) и других областях науки и техники
10 Цели и задачи курса атомной физики Основная цель дисциплины «Физика атома и атомных явлений», как части курса общей физики, заключается в формировании базовых знаний по физике микроскопических явлений на атомно-молекулярном уровне и умения применять их для решения прикладных проблем Для достижения этой цели решаются следующие задачи: – анализ развития атомистических и становления квантовых представлений; – изучение важнейших экспериментальных фактов атомной физики и их взаимосвязи; – выявление специфики микроявлений и несостоятельности классической теории для их объяснения; – изучение основ квантовой механики и методов решения квантово- механических задач; – систематическое изучение и объяснение на основе квантовой теории строения и свойств атомов и молекул, их поведения во внешних полях и во взаимодействии друг с другом
12 Электрон Электрон стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом Абсолютная величина заряда электрона равна элементарному заряду q e = –e –1.610 –19 Кл Масса электрона m e = m –31 кг Спин электрона равен ½ Магнитный момент электрона по модулю примерно равен магнетону Бора μ e –μ Б – –4 эВ/Тл Для обозначения электрона используются символ e или e – Электроны образуют электронные оболочки всех атомов и ионов Электрон имеет античастицу позитрон (e +)
15 Протон Протон стабильная элементарная частица с положительным электрическим зарядом Заряд протона равен элементарному заряду q p = e –19 Кл Масса протона m p 1836m e –27 кг Спин протона равен ½ Магнитный момент протона μ p –8 эВ/Тл Протон обозначается символом p или p + Протон имеет античастицу антипротон (p –)
16 Аннигиляция антипротона Антипротон (голубой трек) сталкивается с протоном в пузырьковой камере В результате возникают четыре положительных пиона (красные треки) и четыре отрицательных (зелёные треки) Жёлтый трек принадлежит мюону, который рождается в результате распада пиона
17 Нейтрон Нейтрон элементарная частица с нулевым электрическим зарядом Время жизни нейтрона в свободном состоянии составляет примерно 886 с Масса нейтрона m n 1839m e –27 кг Спин нейтрона равен ½ Несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон обладает магнитным моментом μ n – –8 эВ/Тл Нейтрон обозначается символом n или n 0 Нейтрон имеет античастицу антинейтрон Протоны и нейтроны объединяют общим названием нуклоны Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов
18 Нейтрон Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они не оставляют треков в камерах-детекторах частиц Тем не менее нейтроны можно обнаружить по результатам их взаимодействия с другими, заряженными, частицами Расцвеченное изображение показывает треки частиц в камере Вильсона, наполненной смесью газообразного водорода, этилового спирта и воды Пучок нейтронов проникает в камеру снизу и вызывает трансмутации атомов кислорода и углерода, входящих в состав молекул этилового спирта
19 Атом Атом микрочастица, состоящая из атомного ядра и окружающих его электронов (электронной оболочки) Положительно заряженное ядро удерживает отрицательно заряженные электроны силами электрического притяжения Поскольку ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и при этом электрический заряд нейтрона равен нулю, протона элементарному заряду e, заряд электрона равен e, то при числе электронов в оболочке, равном числу протонов в ядре, суммарный электрический заряд атома равен нулю Размеры ядра (~ 10 –15 – 10 –14 м) крайне малы по сравнению с размерами атома (~10 –10 м), однако из-за того, что масса протона (как и нейтрона) почти в 2 тысячи раз больше массы электрона, практически вся масса атома () сосредоточена в ядре
20 Атом золота Au Изображение отдельного атома золота получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Увеличение в раз до размера в 35 мм
22 Атомы кремния Si Расцвеченное изображение атомов кремния получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Показана элементарная ячейка кристалла. Также видны связи между атомами Увеличение в раз до размера в 35 мм
24 Атомы урана U Расцвеченное изображение атомов урана получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Маленькие точки правильной формы – отдельные атомы, более крупные образования – кластеры, состоящие из 2–20 атомов Размер поля зрения – примерно 100 Å. Увеличение в раз до размера в 35 мм
25 Микрокристаллы уранила UO 2 2+ Расцвеченное изображение микрокристаллов уранила получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Каждое пятнышко представляет собой отдельный атом урана Увеличение в раз до размера в 35 мм
27 Химический элемент, нуклид, изотопы Атомы с определенным числом протонов Z в ядре принадлежат одному и тому же химическому элементу. Число Z называется атомным номером химического элемента. Совокупность атомов с определенным числом протонов Z и нейтронов N в ядре называется нуклидом. Нуклиды обозначают, добавляя к названию элемента значение массового числа А, равного сумме Z + N (например, кислород-16, уран-235), или помещая число А возле символа элемента (16 О, 235 U). Нуклиды одного и того же элемента называются изотопами. Масса самого легкого атома атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, равна m H 1.67·10 –27 кг. Массы остальных атомов приближенно в А раз больше, чем m H. В природе встречается 90 химических элементов и более 300 различных нуклидов; 270 из них стабильны, остальные радиоактивны. Около радиоактивных нуклидов получено искусственным путем.
31 Ионы Процесс удаления или присоединения электронов к атому называют ионизацией При числе электронов в оболочке, меньшем Z, получается положительный атомный ион, при большем, чем Z отрицательный Таким образом, ион это электрически заряженный атом (или молекула), который образуется при отрыве или присоединении одного или нескольких электронов к нейтральному атому (или молекуле)
32 Ионы Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные анионами. Ионы обозначаются химическим символом с индексом, который указывает кратность (величину заряда в единицах элементарного заряда) и знак иона: H –, Na +, UO 2 2+ Ионы могут представлять собой как устойчивые образования (как правило, в растворах или кристаллах), так и неустойчивые (в газах при обычных условиях) Атомные катионы могут быть получены вплоть до заряда +(Z – 1). Так, на ускорителях ионов получены, например, U 90+ и U 91+ Атомные анионы с зарядом 2 и более в свободном состоянии не существуют
34 Молекула Молекула это наименьшая устойчивая частица вещества, состоящая более чем из одного атома Молекула характеризуется определённым составом атомных ядер, числом электронов и пространственной структурой Для обозначения количественного и качественного состава молекул используются химические формулы: O 2 (молекула кислорода), H 2 O (молекула воды), CH 4 (молекула метана), C 6 H 6 (молекула бензола), C 60 (молекула фуллерена)
39 Молекула ДНК Расцвеченное изображение молекулы ДНК получено при помощи просвечивающего электронного микроскопа В камере с высоким вакуумом образец ДНК покрывают тонким слоем платины Металлическое покрытие даёт контрастное изображение в электронном микроскопе
40 Ядерные и оболочечные свойства атома Ядерные свойстваОболочечные свойства Определяются составом ядра: радиоактивность, способность участвовать в ядерных реакциях и т. п. Определяются строением электронной оболочки: химические, физические (электрические, магнитные, оптические и т. д.) 42 Энергия Единицей энергии в СИ является джоуль (Дж), однако для величин энергии объектов и явлений атомной физики такая единица используется редко Более употребительной является внесистемная единица энергии, называемая электрон-вольтом (эВ, eV) Электрон-вольт это энергия, которую приобретает заряженная частица с элементарным зарядом, проходя ускоряющую разность потенциалов в 1 вольт: 1 эВ = Дж Для измерения энергий в атомной и ядерной физике используются кратные (кэВ, 1 кэВ = 10 3 эВ, МэВ, 1 МэВ = 10 6 эВ) и дольные (мкэВ, 1 мкэВ = 10 –6 эВ) единицы электрон-вольта, а также некоторые другие: ридберг (Rydberg, Ry), хартри (hartree, Ha, или атомная единица, а. е.) Ридберг численно равен энергии ионизации атома водорода из основного состояния в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ry эВ Хартри равен абсолютной величине потенциальной энергии электрона в основном состоянии атома водорода в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ha = 2 Ry эВ Энергии состояний атомных систем, а также переходов между состояниями могут измеряться и в других единицах
43 Масса Единицей массы в СИ является килограмм (кг), однако для измерения масс объектов атомной физики используется внесистемная единица измерения, называемая атомной единицей массы (а. е. м.) Атомная единица массы равна 1/12 массы несвязанного невозбуждённого атома углерода-12 (12 С): 1 а. е. м кг 1 а. е. м. приблизительно равна массе одного протона или нейтрона Относительная атомная масса масса атома, выраженная в а. е. м. Постоянная Авогадро N A физическая константа, численно равная количеству атомов в 12 г чистого изотопа углерода-12: N A моль –1 Моль (единица количества вещества в СИ) по определению содержит N A структурных элементов (атомов, молекул, ионов).
44 Длина Единицей длины в СИ является метр (м). 1 метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/ секунды. За исключением измерений длин волн электромагнитного излучения радиодиапазона, такая единица длины редко применяется в атомной физике, а вместо неё для измерения линейных размеров, а также длин волн используются дольные единицы метра: сантиметр (см, 1 см = 10 –2 м), миллиметр (мм, 1 мм = 10 –3 м), микрометр (мкм, μм, 1 мкм = 10 –6 м), нанометр (нм, 1 нм = 10 –9 м), пикометр (пм, 1 пм = 10 –12 м) и другие, а также внесистемные единицы: ангстрем (Å, 1 Å = 0.1 нм = 10 –10 м), бор (или боровский радиус) (1 бор Å)
45 Время Единицей длительности промежутков времени в СИ является секунда (с) В настоящее время секунда определяется на основе т. н. атомного эталона времени: одна секунда (или атомная секунда) равна периодам электромагнитного излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния изотопа 133 Cs (цезия-133) Длительности быстропротекающих процессов в атомной физике принято измерять в дольных единицах секунды: нано-, пико- или фемтосекундах (нс, пс, фс, 1 фс = 10 –15 с)
46 Масштабы физических величин в атомной и ядерной физике Для явлений атомной физики характерны размеры от 10 –12 м (внутренние подоболочки тяжелых атомов) до десятых долей нанометра (размеры атомов и небольших молекул), энергии от 10 –6 эВ (сверхтонкая структура уровней) до 10 5 эВ (энергии связи электронов внутренних подоболочек), времена от десятков фемтосекунд (длительности сверхкоротких лазерных импульсов) до тысяч секунд (времена жизни метастабильных состояний атомов) Типичные размеры молекул составляют 0.1–1 нм. Межъядерное расстояние у наименьшей молекулы (H 2) равно нм Макромолекулы ДНК и многих полимеров могут иметь макроскопические размеры. Так, длина развёрнутой спирали ДНК может достигать нескольких сантиметров при ширине примерно 2 нм.
47 Фотон Фотон, или квант электромагнитного излучения (поля), безмассовая элементарная частица, не имеющая электрического заряда В вакууме фотон движется со скоростью c Фотон имеет спин, равный 1 Проекции спина на направления, перпендикулярные направлению распространению фотона, определяют состояние его поляризации Фотон обозначается символом γ
Специальная теория относительности (СТО) базируется на двух постулатах:
- Принцип относительности: в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одних и тех же исходных условиях протекают одинаково, т.е. никакими опытами, проведенными в замкнутой системе тел, нельзя обнаружить покоится ли тело или движется равномерно и прямолинейно.
- Принцип постоянства скорости света: во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движущегося источника света.
Равное с постулатами СТО имеет значение положение СТО о предельном характере скорости света в вакууме: скорость любого сигнала в природе не может превосходить скорость света в вакууме: c = 3∙10 8 м/с. При движении объектов со скоростью сопоставимой со скоростью света, наблюдаются различные эффекты, описанные далее.
1. Релятивистское сокращение длины.
Длина тела в системе отсчета, где оно покоится, называется собственной длиной L 0 . Тогда длина тела движущегося со скоростью V в инерциальной системе отсчета уменьшается в направлении движения до длины:
где: c – скорость света в вакууме, L 0 – длина тела в неподвижной системе отсчета (длина покоящегося тела), L – длина тела в системе отсчета, движущейся со скоростью V (длина тела, движущегося со скоростью V ). Таким образом, длина тела является относительной. Сокращение тел заметно, только при скоростях, сопоставимых со скоростью света.
2. Релятивистское удлинение времени события.
Длительность явления, происходящего в некоторой точке пространства, будет наименьшей в той инерциальной системе отсчета, относительно которой эта точка неподвижна. Это означает, что часы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета, идут медленнее неподвижных часов и показывают больший промежуток времени между событиями. Релятивистское замедление времени становится заметным лишь при скоростях сопоставимых со скоростью света, и выражается формулой:
Время τ 0 , замеренное по часам, покоящимся относительно тела, называется собственным временем события.
3. Релятивистский закон сложения скоростей.
Закон сложения скоростей в механике Ньютона противоречит постулатам СТО и заменяется новым релятивистским законом сложения скоростей. Если два тела движутся навстречу друг другу, то их скорость сближения выражается формулой:
где: V 1 и V 2 – скорости движения тел относительно неподвижной системы отсчета. Если же тела движутся в одном направлении, то их относительная скорость:
4. Релятивистское увеличение массы.
Масса движущегося тела m больше, чем масса покоя тела m 0:
5. Связь энергии и массы тела.
С точки зрения теории относительности масса тела и энергия тела – это практически одно и то же. Таким образом, только факт существования тела означает, что у тела есть энергия. Наименьшей энергией Е 0 тело обладает в инерциальной системе отсчета относительно которой оно покоится и называется собственной энергией тела (энергия покоя тела) :
Любое изменение энергии тела означает изменение массы тела и наоборот:
где: ∆E – изменение энергии тела, ∆m – соответствующее изменение массы. Полная энергия тела:
где: m – масса тела. Полная энергия тела Е пропорциональна релятивистской массе и зависит от скорости движущегося тела, в этом смысле важны следующие соотношения:
Кстати кинетическую энергию тела, движущегося с релятивистской скоростью, можно считать только по формуле:
С точки зрения теории относительности закон сохранения масс покоя несправедлив. Например, масса покоя атомного ядра меньше суммы масс покоя частиц, входящих в ядро. Однако, масса покоя частицы способной к самопроизвольному распаду больше суммы собственных масс составляющих ее.
Это не означает нарушения закона сохранения массы. В теории относительности справедлив закон сохранения релятивистской массы, так как в изолированной системе тел сохраняется полная энергия, а значит и релятивистская масса, что следует из формулы Эйнштейна, таким образом можно говорить о едином законе сохранения массы и энергии. Это не означает возможность перехода массы в энергию и наоборот.
Между полной энергией тела, энергией покоя и импульсом существует зависимость:
Фотон и его свойства
Свет – это поток квантов электромагнитного излучения, называемых фотонами. Фотон – это частица, переносящая энергию света. Он не может находиться в покое, а всегда движется со скоростью, равной скорости света. Фотон обладает следующими характеристиками:
1. Энергия фотонов равна:
где: h = 6,63∙10 –34 Дж∙с = 4,14∙10 –15 эВ∙с – постоянная Планка, ν – частота света, λ – длина волны света, c – скорость света в вакууме. Энергия фотона в Джоулях очень мала, поэтому для математического удобства ее часто измеряют во внесистемной единице – электрон-вольтах:
1 эВ = 1,6∙10 –19 Дж.
2. Фотон движется в вакууме со скоростью света c .
3. Фотон обладает импульсом:
4. Фотон не обладает массой в привычном для нас смысле (той массой, которую можно измерить на весах, рассчитать по второму закону Ньютона и так далее), но в соответствии с теорией относительности Эйнштейна, обладает массой как мерой энергии (E = mc 2). Действительно, любое тело, имеющее некоторую энергию, имеет и массу. Если учесть, что фотон обладает энергией, то он обладает и массой, которую можно найти как:
5. Фотон не обладает электрическим зарядом.
Свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма .
Внешний фотоэффект
Фотоэлектрический эффект – явление, заключающееся в появлении фототока в вакуумном баллоне при освещении катода монохроматическим светом некоторой длины волны λ .
Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Измеряя данное задерживающее напряжение при котором исчезает фототок, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов вырываемых из катода:
Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта :
- Фотоэффект безынерционен. Это значит, что электроны начинают вылетать из металла сразу же после начала облучения светом.
- Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.
- Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта , то есть наименьшая частота ν min (или наибольшая длина волны λ max) при которой еще возможен внешний фотоэффект.
- Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.
При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию E = hν одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода A вых, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, в таком случае, определяется законом сохранения энергии:
Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта . С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Для красной границы фотоэффекта , согласно формуле Эйнштейна, можно получить выражение:
Постулаты Бора
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная номер n и энергия E n . В стационарных состояниях атом не излучает и не поглощает энергию.
Состоянию с наименьшей энергией присваивается номер «1». Оно называется основным . Всем остальным состояниям присваиваются последовательные номера «2», «3» и так далее. Они называются возбужденными . В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго. В возбужденном состоянии атом живет некоторое время (порядка 10 нс) и переходит в основное состояние.
Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию. Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии E n < 0. При E n ≥ 0 электрон удаляется от ядра (происходит ионизация). Величина |E 1 | называется энергией ионизации . Состояние с энергией E 1 называется основным состоянием атома.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией E n в другое стационарное состояние с энергией E m излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:
Атом водорода
Простейший из атомов – атом водорода. Он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона. Обычно электрон находится на первом (основном, невозбужденном) энергетическом уровне (электрон, как и любая другая система, стремится к состоянию с минимумом энергии). В этом состоянии его энергия равна E 1 = –13,6 эВ. В атоме водорода выполняются следующие соотношения, связывающие радиус траектории вращающегося вокруг ядра электрона, его скорость и энергию на первой орбите с аналогичными характеристиками на остальных орбитах:
На любой орбите в атоме водорода кинетическая (К ) и потенциальная (П ) энергии электрона связаны с полной энергией (Е ) следующими формулами:
Атомное ядро
В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов, которые принято называть нуклонами. Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (то есть протонов и нейтронов) называют массовым числом A, для которого можно записать следующую формулу:
Энергия связи. Дефект массы
Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра . Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. Такие измерения показывают, что масса любого ядра M я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: M я < Zm p + Nm n . При этом разность этих масс называется дефектом масс , и вычисляется по формуле:
По дефекту массы можно определить с помощью формулы Эйнштейна E = mc 2 энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, то есть энергию связи ядра E св:
Но удобнее рассчитывать энергию связи по другой формуле (здесь массы берутся в атомных единицах, а энергия связи получается в МэВ):
Радиоактивность. Закон радиоактивного распада
Почти 90% из известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью .
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 4 2 He. Общая схема альфа-распада:
Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон (0 –1 e). Схема бета-распада:
Гамма-распад. В отличие от α - и β -радиоактивности γ -радиоактивность 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 МэВ.
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. Закон радиоактивного распада имеет вид:
Величина T называется периодом полураспада , N 0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад.
При α - и β -радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер.
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. В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.
При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (то есть числа нуклонов – протонов и нейтронов). Например, в реакции общего вида:
Выполняются следующие условия (общее число нуклонов до и после реакции остается неизменным):
Энергетический выход ядерной реакции
Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:
где: M A и M B – массы исходных продуктов, M C и M D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс . Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q |, которая называется порогом реакции .
Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM
Успешное, старательное и ответственное выполнение этих трех пунктов позволит Вам показать на ЦТ отличный результат, максимальный из того на что Вы способны.
Нашли ошибку?
Если Вы, как Вам кажется, нашли ошибку в учебных материалах, то напишите, пожалуйста, о ней на почту. Написать об ошибке можно также в социальной сети (). В письме укажите предмет (физика или математика), название либо номер темы или теста, номер задачи, или место в тексте (страницу) где по Вашему мнению есть ошибка. Также опишите в чем заключается предположительная ошибка. Ваше письмо не останется незамеченным, ошибка либо будет исправлена, либо Вам разъяснят почему это не ошибка.
