La física atómica surgió a finales del siglo XIX y XX a partir de los estudios de los espectros ópticos de los gases, el descubrimiento del electrón y la radiactividad. En la primera etapa de su desarrollo (primer cuarto del siglo XX) física atómica Se dedicó principalmente a identificar la estructura del átomo y estudiar sus propiedades. Los experimentos de E. Rutherford sobre la dispersión de partículas alfa mediante una fina lámina metálica (1908-1911) llevaron a la creación de un modelo planetario del átomo; Utilizando este modelo, N. Bohr (1913) y A. Sommerfeld (1915) desarrollaron la primera teoría cuantitativa del átomo (ver Átomo). Los estudios posteriores sobre las propiedades del electrón y de los átomos culminaron con la creación a mediados de los años 20. mecánica cuántica - teoria fisica, que describe las leyes del micromundo y permite la consideración cuantitativa de fenómenos en los que participan micropartículas (ver Mecánica cuántica).
La mecánica cuántica es la base teórica de la física atómica. Al mismo tiempo, la física atómica desempeña el papel de una especie de “ sitio de prueba"para la mecánica cuántica. Los conceptos y conclusiones de la mecánica cuántica, a menudo inconsistentes con nuestra experiencia cotidiana, se están probando experimentalmente en la física atómica. Un ejemplo sorprendente Los famosos experimentos de Frank-Hertz (1913) y Stern-Gerlach (1922) pueden servir de ejemplo; Veámoslos con más detalle a continuación.
A principios del siglo XX. Se ha acumulado material rico en los espectros ópticos de los átomos. Se descubrió que cada elemento químico tiene su propio espectro de líneas, caracterizado por una disposición regular y ordenada. líneas espectrales. La mecánica cuántica conecta los patrones observados en el espectro con el sistema de niveles de energía de un átomo determinado. En 1913, los físicos alemanes J. Frank y G. Hertz realizaron un experimento que dio información directa confirmación experimental aparte de eso energía interna el átomo está cuantificado y por tanto sólo puede cambiar discretamente, es decir, en determinadas porciones. Midieron la energía de los electrones libres gastados para excitar los átomos de mercurio. El elemento principal de la instalación es un cilindro de vidrio al vacío con tres electrodos soldados: un cátodo, un ánodo y una rejilla (el prototipo de un triodo de vacío moderno). El cilindro contenía vapor de mercurio a una presión de 1 mmHg. Arte. Los electrones que salieron del cátodo fueron acelerados en el campo entre el cátodo y la rejilla (tensión de aceleración U) y luego desacelerados en el campo entre la rejilla y el ánodo (tensión de frenado U 1). En el camino del cátodo al ánodo, los electrones chocaron con átomos de mercurio. Se eligió que el voltaje U 1 fuera significativamente menor que U\; por lo tanto, sólo los electrones suficientemente lentos (los que habían perdido energía) fueron repelidos del ánodo como resultado de colisiones inelásticas con átomos de mercurio. En el experimento, la intensidad de la corriente del ánodo se midió dependiendo del voltaje de aceleración U. La curva experimental tiene un número de máximos claros, espaciados 4,9 V entre sí. La apariencia de esta curva se explica a continuación. En 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 colisiones inelásticas con átomos de mercurio, etc. A un voltaje de 4,9 V, el electrón adquiere una energía de 4,9 eV. Así, la forma de la curva 1(10) muestra que para excitar un átomo de mercurio se requiere una energía de 4,9 eV. Esta es, obviamente, la misma porción de energía que el átomo de mercurio intercambia con el electrón.
Con una configuración más cuidadosa de experimentos de este tipo, fue posible detectar la excitación de los siguientes niveles de energía de los átomos: para el mercurio es 6,7; 8,3 eV, etc. (10,4 eV es el potencial de ionización). La observación del brillo del gas muestra la aparición de un espectro completo para los átomos de mercurio.
Un electrón que se mueve alrededor de un núcleo atómico puede compararse con una corriente eléctrica elemental; genera un campo magnético. Campos magnéticos diferentes electrones, sumados, forman el campo magnético del átomo. Para caracterizarlo se introduce una cantidad vectorial denominada momento magnético. Si los electrones llenan completamente una u otra capa (1s, 2s, 2p, etc.), entonces sus campos magnéticos se anulan entre sí; los momentos magnéticos de los átomos correspondientes son cero.
En 1922, en Alemania, O. Stern y W. Gerlach realizaron un experimento que demostró que el momento magnético de un átomo está espacialmente cuantificado. Enviaron un haz de átomos con un momento magnético a través de un campo magnético no uniforme y estudiaron las desviaciones de los átomos bajo la influencia de este campo. El grado y la naturaleza de la desviación dependen de la orientación del momento magnético del átomo con respecto a la dirección del campo. Si el haz contuviera átomos con todas las orientaciones posibles de momentos magnéticos, entonces se observaría una "difuminación" angular continua del haz original. Experimentalmente se observó una clara división de un haz de átomos en varios haces; esto significaba que el momento magnético de un átomo está cuantificado espacialmente: su proyección en la dirección del campo magnético sólo puede tener ciertos valores específicos (discretos).
Pasemos a la distribución de las desviaciones de los átomos de sodio en un campo magnético no uniforme (obtenida en 1930). Esta distribución tiene dos máximos claros. El átomo de sodio tiene tres capas llenas (1s, 2s, 2p) y un electrón 3s. La nube de electrones s es esféricamente simétrica (ver Átomo), por lo que su movimiento en el campo del núcleo no conduce a la aparición de un momento magnético. Para explicar la división observada de un haz de átomos de sodio en dos componentes, es necesario suponer que el electrón tiene su propio momento magnético, que no está asociado con el movimiento del electrón alrededor del núcleo. Este momento magnético está asociado convencionalmente con la rotación del electrón alrededor propio eje y se llama momento de giro (ver Giro). El momento magnético del electrón, asociado con su movimiento alrededor del núcleo, se llama momento orbital. Entonces, en el caso del átomo de sodio, tanto el momento orbital como el de espín de los electrones de las capas llenas están mutuamente compensados; el momento orbital del electrón 3s es cero y el momento de espín de este electrón provoca la división de un haz de átomos de sodio en un campo magnético no uniforme. El hecho de que se observe una división en dos haces significa que el momento de espín del electrón tiene dos proyecciones en la dirección del campo magnético.
En los años 30 nuestro siglo ha comenzado nueva fase en el desarrollo de la física atómica. Durante estos años quedó claro que la naturaleza de las interacciones responsables de los procesos dentro del núcleo atómico y que explican la estabilidad o radiactividad de los núcleos es completamente diferente en comparación con las interacciones que determinan los procesos que ocurren en las capas electrónicas del átomo (ver Unidad de las fuerzas de la naturaleza). En este sentido, de la física atómica ha surgido una rama separada. dirección científica relacionados con la investigación de la física de los núcleos atómicos; en los años 40 esta dirección se ha vuelto independiente ciencia física- física nuclear. Finalmente, en los años 50. De la física nuclear surgió una dirección relacionada con el estudio de la sistemática y la interconversión de partículas elementales: la física de partículas elementales.
Al final quedó completamente revelado. cierto círculo Preguntas que conforman el contenido de la física atómica moderna. No le interesan los procesos que ocurren en el núcleo atómico, ni tampoco las interconversiones de partículas elementales. La física atómica estudia procesos que involucran átomos o iones, y solo aquellos procesos que no conducen a ningún cambio en los núcleos atómicos. Por eso, estamos hablando acerca de sobre procesos que afectan sólo a las capas electrónicas de los átomos. a similares
los procesos incluyen: cambios en los estados de los electrones en un átomo bajo la influencia de campos eléctricos o magnéticos externos (por ejemplo, bajo la influencia de campos externos, los niveles de energía de los átomos se dividen); Absorción y emisión por átomos. radiación electromagnética(ver Espectroscopia, Rayos X, Fotoefecto, Láseres); colisiones de átomos con electrones libres, así como con otros átomos, iones, moléculas (como resultado de colisiones con electrones u otros microobjetos, los átomos pueden excitarse, pasar de un estado excitado a un estado menos excitado y convertirse en iones, ver. Descarga eléctrica en gases); interacciones de la capa de electrones diferentes átomos, lo que lleva a la formación de moléculas y cristales. Todos estos procesos son causados por interacción electromagnética. Las probabilidades de estos procesos se calculan utilizando aparatos de mecánica cuántica.
La física atómica moderna también estudia un tipo especial de átomos llamados mesoatomos. Un mesoatom surge de un átomo ordinario como resultado de reemplazar uno de los electrones con un muón (μ-), un antimesón (π-, K-), un antiprotón o un hiperón cargado negativamente (ver Hadrones, Leptones). También hay átomos de "hidrógeno" anómalos: positronio, muonio, en los que el papel de un protón lo desempeñan positrones o antimuones cargados positivamente (μ+). Todos estos átomos son inestables; su vida útil está limitada por la vida útil de las partículas anteriores o los procesos de aniquilación e+ e- y pp-. Los mesoatomos se forman en el proceso de desaceleración de partículas, como resultado de la captura de partículas cargadas negativamente por el campo de Coulomb de los núcleos atómicos o como resultado de la captura de electrones atómicos por positrones y antimuones. Los experimentos con diversos átomos anómalos son de gran interés tanto para estudiar las propiedades de la materia como para estudiar núcleos y partículas elementales.
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A-18. 1. La figura muestra un fragmento de la Tabla Periódica de Elementos de D.I. Debajo del nombre del elemento se encuentran los números de masa de sus principales isótopos estables; el subíndice junto al número de masa indica (en porcentaje) la abundancia del isótopo en la naturaleza. El número de protones y el número de neutrones en el núcleo del isótopo de boro más común son respectivamente 1) 6 protones, 5 neutrones 2) 10 protones, 5 neutrones 3) 6 protones, 11 neutrones 4) 5 protones, 6 neutrones
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2. La figura muestra el espectro de absorción de vapores atómicos enrarecidos de una sustancia desconocida (en el medio) y los espectros de absorción de vapores de elementos conocidos (arriba y abajo). Al analizar los espectros, se puede afirmar que la sustancia desconocida contiene 1) solo calcio (Ca) 2) solo estroncio (Sr) 3) calcio y alguna otra sustancia desconocida 4) estroncio y alguna otra sustancia desconocida
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3. La radiación gamma es 1) un flujo de núcleos de helio 2) un flujo de protones 3) un flujo de electrones 4) ondas electromagnéticas
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4. El átomo de sodio 2311Na contiene 11 protones, 23 neutrones y 34 electrones 2) 23 protones, 11 neutrones y 11 electrones 3) 12 protones, 11 neutrones y 12 electrones 4) 11 protones, 12 neutrones y 11 electrones
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5. ¿Qué carga Z y número de masa A tendrá el núcleo de un elemento obtenido del núcleo de un isótopo después de una desintegración α y una desintegración β de un electrón? 1) A=213, Z=82 2) A=211, Z=83 3) A=219, Z=86 4) A=212, Z=83
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6. El núcleo de un átomo contiene 10 neutrones y 9 protones, y 8 electrones giran a su alrededor. Este sistema de partículas es ion flúor 2) ion neón 3) átomo de flúor 4) átomo de neón
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7. En una cámara de niebla colocada en un campo magnético externo de tal manera que el vector del campo magnético se dirige perpendicular al plano de la imagen hacia nosotros, se fotografiaron las pistas de 2 partículas, cuál de las pistas puede pertenecer a una α-. partícula 1) solo la 1ra 2) solo la 2da 3) 1era y 2da 4) ninguna de las anteriores
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8. En una cámara de niebla colocada en un campo magnético externo de tal manera que el vector del campo magnético se dirige perpendicular al plano del dibujo hacia nosotros, se fotografiaron pistas de 2 partículas. ¿Cuál de las pistas puede pertenecer al electrón? 1) solo 1º 2) solo 2º 3) 1º y 2º 4) ninguna de las anteriores
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9. La radiación α es 1) un flujo de núcleos de helio 2) un flujo de protones 3) un flujo de electrones 4) ondas electromagnéticas
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10. detector radiación radiactiva colocado en una caja de cartón cerrada con un espesor de pared de ≈ 1 mm. ¿Qué radiación puede detectar? 1) α y β 2) α y Ƴ 3) β y Ƴ 4) α, β,Ƴ
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11. ¿Qué tipo de radiación ionizante de las siguientes es la más peligrosa para la irradiación externa de una persona? 1) radiación alfa 2) radiación beta 3) radiación gamma 4) todas igualmente peligrosas
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12. Como resultado de la desintegración β electrónica del núcleo de un átomo de un elemento con número de carga Z, el núcleo de un átomo de un elemento con número de carga 1) Z – 2 2) Z + 1 3) Z – 1 4) Se obtiene Z + 2
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13. ¿En cuál de los siguientes instrumentos para registrar la radiación nuclear el paso de una partícula cargada rápidamente provoca la aparición de un pulso? corriente eléctrica en gasolina? 1) en un contador Geiger 2) en una cámara de niebla 3) en una emulsión fotográfica 4) en un contador de centelleo
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14. ¿Cómo cambiará el número de nucleones en el núcleo de un átomo de un elemento radiactivo si el núcleo emite un cuanto? 1) aumentará en 2 2) no cambiará 3) disminuirá en 2 4) disminuirá en 4
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15. Basándose en un estudio del fenómeno de dispersión de partículas alfa al atravesar capas delgadas de materia, Rutherford concluyó que las partículas alfa son los núcleos de los átomos de helio 2) la desintegración alfa es el proceso de transformación espontánea del núcleo de un elemento químico en el núcleo de otro elemento 3) dentro de los átomos hay núcleos muy pequeños cargados positivamente, los electrones giran alrededor de los núcleos 4) durante la desintegración alfa de los núcleos atómicos, la energía nuclear, significativamente mayor que en cualquier reacción química
Investigación en física nuclear después de la Segunda Guerra Mundial.
Después del final de la guerra con Alemania nazi y Japón, la investigación en el campo de la física nuclear en la URSS recibió un mayor desarrollo. ellos permitieron Unión Soviética V Corto plazo eliminar el monopolio estadounidense sobre las armas nucleares y comenzar a utilizarlas energía Atómica en la industria y la agricultura, en la medicina, la ciencia y la tecnología.
EN LA URSS frente amplio Se realizan investigaciones para estudiar el núcleo atómico, las interacciones de las partículas nucleares, las reacciones nucleares, la síntesis de nuevos elementos, etc. La física de neutrones y la física se han convertido en campos independientes. reactores nucleares y tecnología de isótopos. La investigación en el campo de la física de reactores, que comenzó con los primeros reactores de neutrones lentos (térmicos), comenzó a desarrollarse en relación con los reactores de neutrones intermedios y rápidos con reproducción ampliada de combustible nuclear. Para realizar estos estudios y soluciones problemas aplicados necesario para dominar la física reactores nucleares, usado Número grande los llamados conjuntos físicos: modelos de reactores, numerosos reactores experimentales en los que se determinan las masas críticas de combustible nuclear, la distribución de los flujos de neutrones, etc.
Como resultado de la investigación en física nuclear, se descubrieron nuevas partículas elementales que cambiaron la comprensión previamente existente sobre la estructura del núcleo atómico; se han desarrollado teorías que permiten predecir algunas propiedades de las partículas nucleares durante su interacción; Se sintetizaron nuevos elementos químicos, se descubrió un nuevo tipo de radiactividad, se investigaron sobre regulados. fusión termonuclear. Se han creado y aplicado con éxito soluciones únicas. instalaciones experimentales para procesar datos experimentales, dispositivos especiales de visualización automáticos o semiautomáticos, así como computadoras electrónicas de alta velocidad.
Terminemos esta sección con las palabras de Igor Vasilievich Kurchatov: “Es necesario seguir desarrollando la energía nuclear ciencia teórica para que los caminos de la futura tecnología nuclear estén iluminados de forma fiable. Ante nosotros hay un ejemplo del trabajo de científicos e ingenieros soviéticos para resolver el problema del uso de energía atómica a partir de uranio y otros. elementos pesados. Nuestros éxitos en este asunto se debieron en gran medida a que en los institutos siempre hubo una persistente trabajo teórico sobre el estudio de las leyes de la estructura del átomo, las leyes de la reacción en cadena, las leyes de la estructura del núcleo atómico, trabajo teórico que determinó el rumbo de la tecnología nuclear que hoy se desarrolla en nuestro país...”
Este discurso de I.V Kurchatov pareció resumir lo verdaderamente enorme. trabajo creativo, realizado por científicos e ingenieros soviéticos. Este trabajo lo continúan hoy numerosos equipos de científicos en institutos de investigación.
La contribución de los científicos al desarrollo de la física nuclear y al desarrollo de la energía atómica.
En 1896, Antoine Henri Becquerel descubrió que el mineral de uranio emite algo invisible con gran poder de penetración (más tarde este fenómeno se denominó radiactividad).
En 1898, Maria Sklodowska y Pierre Curie aislaron unas centésimas de gramo de una nueva sustancia, un elemento que emitía partículas. Lo llamaron polonio. En diciembre del mismo año descubrieron un nuevo elemento: el radio.
En 1911, Ernest Rutherford propuso modelo planetarioátomo. También demostró que casi todo el átomo se concentra en su núcleo.
En 1913, Niels Bohr creó un modelo del átomo de hidrógeno y una teoría de la estructura atómica. A partir de ese momento comenzó el rápido desarrollo de la mecánica cuántica, el nacimiento real de la física nuclear.
En 1932, James Chadwick descubrió que no tenía carga eléctrica neutral partícula nuclear- Neutrón, la futura microllave para la energía nuclear a gran escala.
En 1932, Dmitry Dmitrievich Ivanenko propuso una hipótesis sobre la estructura del núcleo atómico a partir de protones y neutrones.
En 1933, Irene Curie y Frédéric Joliot descubrieron la radiactividad beta artificial, es decir, un nuevo tipo de radiactividad. Esto jugó un papel excepcional en la creación de nuevos elementos radiactivos.
En 1934, Enrico Fermi descubrió que cuando se bombardea uranio con neutrones, elementos radiactivos. Los investigadores italianos los confundieron con elementos más pesados que el uranio y los llamaron transuranio.
En 1934, Pavel Alekseevich Cherenkov y Sergei Ivanovich Vavilov descubrieron uno de los fenómenos físicos fundamentales: el brillo de un líquido cuando los electrones se mueven en él a una velocidad superior a velocidad de fase en eso.
En 1935, Igor Vasilievich Kurchatov y un grupo de colaboradores descubrieron el fenómeno de la isomería nuclear de núcleos atómicos radiactivos artificiales y desarrollaron una teoría sobre este fenómeno.
En 1936, Yakov Ilich Frenkel propuso modelo de goteo núcleos e introdujo conceptos termodinámicos en la física nuclear y propuso la primera teoría de la fisión nuclear.
En 1938, Otto Hahn y F. Strassmann, repitiendo los experimentos de Fermi, descubrieron que el uranio irradiado con neutrones contenía elementos que se encontraban en el centro de la tabla periódica de elementos de Dmitri Ivanovich Mendeleev.
En 1938, Frédéric Joliot-Curie también estableció que cuando un neutrón choca contra un núcleo de uranio, el núcleo se desintegra: se divide en dos núcleos más pequeños.
En 1939, Yuliy Borisovich Khariton y Yakov Borisovich Zeldovich demostraron teóricamente la posibilidad de llevar a cabo una reacción en cadena de fisión de núcleos de uranio-235.
En 1940, Georgy Nikolaev Flerov y K. A. Petrzhak descubrieron núcleos espontáneos uranio, es decir, demostraron que los núcleos de uranio pueden desintegrarse espontáneamente. Cuando calculamos la energía que se puede obtener al descomponer 1 kg de uranio, resultó que es igual a la cantidad de energía que se libera al quemar 2.300.000 kg del mejor carbón.
En 1940, Yuliy Borisovich Khariton y Yakov Borisovich Zeldovich propusieron un cálculo de la reacción en cadena de fisión de los núcleos de uranio, estableciendo así la posibilidad fundamental de su implementación.
Desplazarse descubrimientos cientificos en el campo de la física nuclear sería posible continuar. Todo esto se puede encontrar en diversos libros científicos y de divulgación científica.
Tarea práctica.
Por favor estudie la presentación detenidamente. Su tarea es decidir el tema de su presentación, quizás similar o quizás algo único a su manera. hoy durante Esta lección tienes que crear o empezar a crear una presentación sobre física, y para ser precisos, debes dedicarla a una de las secciones más importantes y fundamentales de esta hermosa ciencia, “Física del átomo y del núcleo atómico”.
Tu trabajo se dividirá en varias etapas:
Debes elegir el tema que desarrollarás: ya sea una presentación dedicada a uno de los científicos que han hecho una enorme contribución a esta ciencia; o tal vez elijas - aspecto teórico esta ciencia o práctica y consagrar una de ellas. La presentación “Física del átomo y el núcleo atómico” sin duda le ayudará en esto.
Entonces tú (estamos hablando, por supuesto, de aquellos que han olvidado cómo trabajar en el programa).microsoft PowerPoint2007 ) Vale la pena ver la presentación.PowerPoint2007 que le informará con gran detalle cómo trabajar con él.
2 1. Introducción 1.1. La asignatura de física atómica, su breve historia de desarrollo, metas y objetivos 1.2. Definiciones basicas. Electrón, protón, neutrón, átomo, ion, molécula, nucleido, núcleo atómico, elemento químico, isótopos 1.3. Propiedades nucleares y de capa del átomo 1.4. Unidades Cantidades fisicas en física atómica. Electrovoltio. Mole, constante de Avogadro, unidad de masa atómica, relativa masa atomica. Escalas de energías, longitudes, frecuencias, masas en física atómica y nuclear 1.5. Física clásica, relativista y cuántica. Momento y energía 1.6. Fotón. Escala de energía de fotones (escala de radiación electromagnética)
3 Física atómica La física atómica (física del átomo y fenómenos atómicos) es una rama de la física que estudia la estructura y propiedades de los átomos, así como los procesos elementales en los que participan los átomos. Los objetos de estudio de la física atómica son tanto los átomos como. moléculas, iones atómicos y moleculares, átomos exóticos y otras micropartículas. En los fenómenos estudiados en el marco de la física atómica, el papel principal lo desempeñan interacciones electromagnéticas Los resultados de la investigación en el campo de la física atómica sirven como base para comprender los enlaces químicos, los fenómenos ópticos y de túneles, los procesos en plasma, líquidos neutros y sólidos (incluidos semiconductores y nanomateriales). Bases teóricas La física atómica en sí misma es la teoría cuántica y electrodinámica cuántica Un límite claro entre física atómica y otras ramas de la física no existe, y de acuerdo con clasificación internacional, la física atómica está incluida en el campo de la física atómica, física molecular y optica
4 Cuento desarrollo de la física atómica El concepto de “átomo” fue utilizado por los antiguos científicos griegos (siglos V – II a.C.) para designar el más pequeño, partículas indivisibles, en el que consiste todo lo que existe en el mundo. La confirmación experimental de los conceptos atomísticos se obtuvo en el siglo XIX en la investigación química y física. La idea de que un átomo consta de partes cargadas positiva y negativamente se confirmó en la segunda mitad del siglo XIX. En 1897, J. .J. Thomson descubrió el electrón y pronto demostró que es parte integral de todos los átomos La idea de un átomo como un sistema que consta de un núcleo atómico y capa electrónica, fue fundamentada por E. Rutherford en 1911. Después de que esta idea fuera generalmente aceptada, de la física atómica surgieron la física nuclear y, algo más tarde, la física de partículas elementales.
5 Breve historia del desarrollo de la física atómica Las bases de la física atómica moderna se sentaron a principios del siglo XX, cuando, basándose en el modelo del átomo de E. Rutherford y el desarrollo de los conceptos cuánticos de M. Planck (1900 ) y A. Einstein (1905), N. Bohr dio explicaciones en fila las propiedades más importantesátomo (1913) y se propusieron dos postulados "cuánticos". Según el primero de ellos, existen estados especiales (estacionarios) del átomo en los que este último no emite energía, aunque sí contienen partículas cargadas (electrones). composición sufren un movimiento acelerado Según el segundo postulado, la radiación del átomo se produce durante la transición de un estado estacionario a otro, y la frecuencia ν de esta radiación se determina a partir de la condición h = E – E (regla de frecuencia de Bohr), donde h es la constante de Planck, E y E son los valores de la energía atómica en los estados inicial y final. El primer postulado refleja el hecho de la estabilidad del átomo, el segundo, la discreción de frecuencia en los espectros atómicos.
6 Breve historia del desarrollo de la física atómica La teoría de Bohr, que no pudo explicar de manera integral las propiedades de los átomos y las moléculas, fue reemplazada por una teoría cuántica consistente creada en los años 20 y 30 del siglo XX (W. Heisenberg, E. Schrödinger , P. Dirac) Sin embargo, los postulados de Bohr aún conservan su significado y están incluidos integralmente en los fundamentos de la física de los fenómenos microscópicos en el marco de la modernidad. Teoría cuántica máximo dado explicación completa propiedades del átomo: principios de formación de espectros ópticos y de rayos X, comportamiento de los átomos en campos magnéticos (efecto Zeemann) y eléctricos (efecto Stark), recibieron justificación teórica tabla periódica elementos y la naturaleza de los enlaces químicos, se desarrollaron métodos para calcular la estructura electrónica de átomos, moléculas y sólidos (método de campo autoconsistente de Hartree-Fock), se crearon nuevos dispositivos para estudiar la estructura y propiedades de la materia (microscopio electrónico) El desarrollo de las ideas de la teoría cuántica (hipótesis del espín, principio de Pauli, etc.) se basó a su vez en investigaciones experimentales en el campo de la física atómica (espectros lineales de los átomos, efecto fotoeléctrico, estructura fina e hiperfina de las líneas espectrales, experimentos de Frank y Hertz, Davisson y Germer, Stern y Gerlach, el efecto Compton, el descubrimiento del deuterio y otros isótopos, el efecto Auger, etc.)
7 Breve historia del desarrollo de la física atómica En el segundo tercio del siglo XX, se desarrollaron nuevos métodos experimentales en el marco de la física atómica y basados en las ideas de la teoría cuántica. investigación física: resonancia paramagnética electrónica (EPR), espectroscopia fotoelectrónica (PES), espectroscopia de impacto electrónico (EI), se han creado dispositivos para su implementación (máser, láser, etc.) Los principios fundamentales de la teoría cuántica han recibido confirmación experimental directa (interferencia de estados cuánticos, desplazamiento de niveles de Lamb, etc.), se propusieron nuevos métodos para calcular la estructura electrónica de la materia (teoría funcional de la densidad), se predijeron nuevos fenómenos físicos (superradiación) se desarrollaron métodos investigación experimental procesos que ocurren con átomos individuales, iones y electrones retenidos por campos eléctricos y magnéticos de una configuración especial (“trampas” atómicas y de iones)
8 Breve historia del desarrollo de la física atómica Nuevos resultados en el campo de la física atómica en el último tercio del siglo XX - principios del XXI Los siglos están asociados principalmente con el uso de láseres B. práctica científica Los métodos de espectroscopia láser, incluidos los no lineales, se utilizan ampliamente, a partir de los cuales es posible realizar mediciones espectroscópicas con átomos y moléculas individuales, determinar las características de los estados de los átomos altamente excitados y estudiar la dinámica de los estados intraatómicos. y procesos intramoleculares que duran hasta varios femtosegundos (10-15 s) C Con la ayuda de láseres fue posible realizar y estudiar en detalle procesos multifotónicos de interacción de la radiación con sistemas atómicos (efecto fotoeléctrico multifotónico, multiplicación de frecuencia), como así como el enfriamiento de átomos individuales a temperaturas ultrabajas. Estudios teóricos. últimas décadas en el campo de la física atómica están asociados con el rápido progreso de la tecnología informática y tienen como objetivo desarrollar métodos efectivos y medios para calcular la estructura electrónica y las propiedades de sistemas atómicos multielectrónicos, teniendo en cuenta la energía de correlación electrónica, correcciones relativistas de la mecánica cuántica y la electrodinámica cuántica.
9 Física atómica La investigación en el campo de la física atómica ha encontrado muchos científicos y aplicaciones prácticas Para fines industriales, para determinar la composición elemental de una sustancia, se utilizan métodos de análisis espectral atómico, incluidos ESR, FES y SEM. Para resolver problemas geológicos, biológicos y médicos, se utilizan métodos de análisis espectral láser local y remoto. análisis atómico, en el sector industrial y fines técnicos La separación por láser de isótopos se lleva a cabo de forma experimental y. métodos teóricos La física atómica se utiliza en astrofísica (determinación de la composición y características físicas de la materia de las estrellas y del medio interestelar, estudio de los átomos de Rydberg), metrología (relojes atómicos) y otros campos de la ciencia y la tecnología.
10 Metas y objetivos del curso de física atómica El objetivo principal de la disciplina “Física del átomo y fenómenos atómicos” como parte del curso. Física General, es formar conocimiento básico en la física de los fenómenos microscópicos a nivel atómico-molecular y la capacidad de aplicarlos para resolver problemas aplicados. Para lograr este objetivo, se resuelven las siguientes tareas: – análisis del desarrollo de conceptos atomísticos y la formación de conceptos cuánticos; – estudio de los hechos experimentales más importantes de la física atómica y sus relaciones; – identificación de las particularidades de los microfenómenos y la inconsistencia teoría clásica explicarlos; – estudio de los fundamentos de la mecánica cuántica y los métodos de solución mecánica cuántica tareas; – estudio sistemático y explicación basada en la teoría cuántica de la estructura y propiedades de átomos y moléculas, su comportamiento en campos externos y en interacción unos con otros
12 Electrón El electrón es una partícula elemental estable con una carga eléctrica negativa. El valor absoluto de la carga del electrón es igual a la carga elemental q e = –e –1,610 –19 C. Masa del electrón m e = m –31 kg. El espín del electrón es ½ El momento magnético del electrón es aproximadamente igual en magnitud al magnetón de Bohr μ e – μ B – –4 eV/T El símbolo e o e se utiliza para indicar un electrón – Los electrones forman las capas de electrones. de todos los átomos e iones El electrón tiene un positrón antipartícula (e+)
15 Protón El protón es una partícula elemental estable con carga eléctrica positiva La carga de un protón es igual a la carga elemental q p = e –19 C Masa del protón m p 1836m e –27 kg El espín del protón es ½ Momento magnético de un protón μ p – 8 eV/T El protón se designa con el símbolo p o p + Un protón tiene un antiprotón antipartícula (p –)
16 Aniquilación de antiprotones Un antiprotón (pista azul) choca con un protón en cámara de burbujas Como resultado, aparecen cuatro piones positivos (pistas rojas) y cuatro negativos (pistas verdes). La pista amarilla pertenece a un muón, que nace como resultado de la desintegración de los piones.
17 Neutrón El neutrón es una partícula elemental con carga eléctrica cero La vida útil de un neutrón en estado libre es de aproximadamente 886 s Masa del neutrón m n 1839m e –27 kg El espín del neutrón es ½ A pesar de la ausencia de carga eléctrica, el neutrón tiene una. momento magnético μ n – –8 eV/T Neutrón denotado por el símbolo n o n 0 El neutrón tiene un antineutrón antipartícula Los protones y los neutrones se combinan nombre común nucleones Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones.
18 Neutrón Como los neutrones no tienen carga eléctrica, no dejan huellas en las cámaras detectoras de partículas. Sin embargo, los neutrones pueden detectarse mediante su interacción con otras partículas cargadas. La imagen coloreada muestra las huellas de partículas en una cámara de niebla llena de una mezcla. de gas hidrógeno, alcohol etílico y agua Un haz de neutrones penetra en la cámara desde abajo y provoca la transmutación de los átomos de oxígeno y carbono que forman las moléculas de alcohol etílico.
19 Átomo Micropartícula atómica que consta de un núcleo atómico y electrones que lo rodean (capa electrónica) Un núcleo cargado positivamente retiene electrones cargados negativamente mediante fuerzas de atracción eléctrica Dado que el núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones, y la carga eléctrica de un neutrón es cero, un protón es igual a la carga elemental e, la carga de un electrón es igual a e, luego cuando el número de electrones en la capa es igual al número de protones en el núcleo, la carga eléctrica total del átomo es cero Las dimensiones del núcleo (~ 10 –15 – 10 –14 m) son extremadamente pequeñas en comparación con las dimensiones del átomo (~ 10 –10 m ), sin embargo, debido al hecho de que la masa del protón (como. así como el neutrón) es casi 2 mil veces mas masa electrón, casi toda la masa del átomo () se concentra en el núcleo
20 Átomo de oro Au Imagen de un átomo de oro individual obtenida usando un microscopio electrónico de transmisión Ampliada por un factor de 35 mm a un tamaño de 35 mm
22 Átomos de silicio Si Imagen coloreada de átomos de silicio obtenida usando un microscopio electrónico de transmisión. Se muestra la celda unitaria del cristal. Los enlaces entre átomos también son visibles multiplicados hasta un tamaño de 35 mm.
24 átomos de uranio U Imagen coloreada de átomos de uranio obtenida utilizando un microscopio electrónico de transmisión Puntos pequeños forma correcta– átomos individuales, formaciones más grandes – grupos que constan de 2 a 20 átomos El tamaño del campo de visión es de aproximadamente 100 Å. Incrementado en un factor de 35 mm.
25 Microcristales de uranilo UO 2 2+ Se obtuvo una imagen en color de microcristales de uranilo utilizando un microscopio electrónico de transmisión. Cada punto representa. átomo único Uranio aumentado en un factor de 35 mm.
27 Elemento químico, nucleido, isótopos Átomos con un cierto número Los protones Z en el núcleo pertenecen al mismo elemento químico. El número Z se llama número atómico de un elemento químico. Un conjunto de átomos con un cierto número de protones Z y neutrones N en el núcleo se llama nucleido. Los nucleidos se designan añadiendo un número másico A igual a la suma de Z + N al nombre del elemento (por ejemplo, oxígeno-16, uranio-235), o colocando el número A junto al símbolo del elemento (16 O, 235 U). Los nucleidos de un mismo elemento se llaman isótopos. La masa del átomo más ligero del átomo de hidrógeno, que consta de un protón y un electrón, es igual a m H 1,67·10 –27 kg. Las masas de los átomos restantes son aproximadamente A veces mayores que m H. 90 se encuentran en la naturaleza. elementos químicos y más de 300 nucleidos diferentes; 270 de ellos son estables, el resto son radiactivos. Algunos nucleidos radiactivos se obtienen artificialmente.
31 Iones El proceso de quitar o agregar electrones a un átomo se llama ionización. Cuando el número de electrones en la capa es menor que Z, se obtiene un ion atómico positivo, con más de Z, es negativo. Un átomo (o molécula) cargado eléctricamente que se forma mediante el desprendimiento o la adición de uno o más electrones a un átomo (o molécula) neutro.
32 Iones Los iones con carga positiva se llaman cationes, y los aniones con carga negativa. Los iones se designan mediante un símbolo químico con un índice que indica la multiplicidad (la cantidad de carga en unidades de carga elemental) y el signo del ion: H –, Na+, UO 2 2+. Los iones se pueden representar como formaciones sostenibles(normalmente en soluciones o cristales) e inestables (en gases en condiciones normales) Se pueden obtener cationes atómicos hasta una carga de +(Z – 1). Así, por ejemplo, U 90+ y U 91+ se obtuvieron en aceleradores de iones. Los aniones atómicos con una carga de 2 o más no existen en estado libre.
34 Molécula Una molécula es la partícula estable más pequeña de materia, que consta de más de un átomo. Una molécula se caracteriza por una determinada composición de núcleos atómicos, el número de electrones y. estructura espacial Para denotar cuantitativo y composición de calidad Se utilizan moléculas fórmulas químicas: O 2 (molécula de oxígeno), H 2 O (molécula de agua), CH 4 (molécula de metano), C 6 H 6 (molécula de benceno), C 60 (molécula de fullereno)
39 Molécula de ADN Se obtuvo una imagen en color de una molécula de ADN usando un microscopio electrónico de transmisión en una cámara con alto vacío muestra de ADN recubierta capa delgada El revestimiento de metal platino proporciona una imagen contrastante en microscopio electrónico
40 Propiedades nucleares y de capa del átomo Propiedades nuclearesPropiedades de la capa Determinado por la composición del núcleo: radiactividad, capacidad de participar en reacciones nucleares, etc. Determinado por la estructura de la capa electrónica: química, física (eléctrica, magnética, óptica, etc. .) 42 Energía La unidad de energía en el SI es el julio (J); sin embargo, para cantidades de energía de objetos y fenómenos de la física atómica, dicha unidad rara vez se usa. Más comúnmente se usa una unidad de energía fuera del sistema llamada. el electrón-voltio (eV, eV) Un electrón-voltio es la energía adquirida por una partícula cargada con una carga elemental, al pasar por una diferencia de potencial de aceleración de 1 voltio: 1 eV = J Para medir energías en física atómica y nuclear, múltiplos (keV, 1 keV = 10 3 eV, MeV, 1 MeV = 10 6 eV) y submúltiplos (μeV, 1 μeV = 10 –6 eV) unidades electrón-voltio, así como algunas otras: Rydberg (Ry), Hartree (Ha, o unidad atómica, a.u.) Rydberg numéricamente igual a la energía Ionización de un átomo de hidrógeno desde el estado fundamental en la aproximación de masa nuclear infinita: 1 Ry eV Hartree es igual a valor absoluto energía potencial electrón en el estado fundamental del átomo de hidrógeno en la aproximación de la masa nuclear infinita: 1 Ha = 2 Ry eV Las energías de los estados de los sistemas atómicos, así como las transiciones entre estados, se pueden medir en otras unidades.
43 Masa La unidad de masa del SI es el kilogramo (kg), sin embargo, para medir las masas de los objetos en física atómica se utiliza una unidad de medida extrasistémica, llamada unidad de masa atómica (u.m.) (12 C): 1 a. mi.m kg 1 a. e.m. es aproximadamente igual a la masa de un protón o neutrón. La masa atómica relativa es la masa de un átomo, expresada en a. e.m. constante de Avogadro N A constante fisica, numéricamente igual al número de átomos en 12 g de isótopo de carbono 12 puro: N A mol –1 Mol (unidad SI de cantidad de una sustancia) por definición contiene N A elementos estructurales (átomos, moléculas, iones).
44 Longitud La unidad SI de longitud es el metro (m). 1 metro es igual a la distancia que recorre la luz en el vacío en un periodo de tiempo igual a 1/2 de segundo. Con la excepción de las mediciones de longitudes de onda de radiación electromagnética en el rango de radio, esta unidad de longitud rara vez se usa en física atómica y, en cambio, se usan submúltiplos de un metro para medir dimensiones lineales, así como longitudes de onda: centímetro (cm , 1 cm = 10 –2 m), milímetro ( mm, 1 mm = 10–3 m), micrómetro (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanómetro (nm, 1 nm = 10–9 m) , picómetro (pm, 1 pm = 10–12 m ) y otras, así como unidades extrasistémicas: angstrom (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10 –10 m), boro (o radio de Bohr) (1 bohr Å )
45 Tiempo La unidad de duración de los intervalos de tiempo en el SI es el segundo (s). Actualmente, el segundo se determina sobre la base del llamado. Estándar de tiempo atómico: un segundo (o segundo atómico) es igual a los períodos de radiación electromagnética correspondientes a la transición de energía entre dos niveles de la estructura hiperfina del estado fundamental del isótopo 133 Cs (cesio-133). Los procesos en física atómica generalmente se miden en unidades de menos de segundo: nano, pico o femtosegundos (ns, ps, fs, 1 fs = 10 –15 s)
46 Escalas de cantidades físicas en física atómica y nuclear Los fenómenos de la física atómica se caracterizan por tamaños desde 10 a 12 m (subcapas internas de átomos pesados) hasta décimas de nanómetro (tamaños de átomos y moléculas pequeñas), energías de 10 a 6 eV (estructura ultrafina de niveles) a 10 5 eV (energía de unión de los electrones de la subcapa interna), tiempos desde decenas de femtosegundos (duración de los pulsos láser ultracortos) hasta miles de segundos (vida útil de los estados metaestables de los átomos) Los tamaños moleculares típicos son 0,1– 1 milla náutica. La distancia internuclear de la molécula más pequeña (H 2) es igual a nm. Las macromoléculas del ADN y muchos polímeros pueden tener dimensiones macroscópicas. Así, la longitud de una hélice de ADN desplegada puede alcanzar varios centímetros con un ancho de aproximadamente 2 nm.
47 Fotón Fotón, o cuanto de radiación electromagnética (campo), partícula elemental sin masa que no tiene carga eléctrica. En el vacío, un fotón se mueve con una velocidad c. Un fotón tiene un espín igual a 1. Proyecciones del espín sobre el. direcciones, perpendicular a la dirección propagación de un fotón, determine el estado de su polarización. El fotón se designa con el símbolo γ.
La teoría especial de la relatividad (TER) se basa en dos postulados:
- Principio de relatividad: En cualquier sistema de referencia inercial, todos los fenómenos físicos bajo las mismas condiciones iniciales proceden de la misma manera, es decir, Ningún experimento realizado en un sistema cerrado de cuerpos puede determinar si el cuerpo está en reposo o se mueve uniformemente y en línea recta.
- El principio de la constancia de la velocidad de la luz: En todos los sistemas de referencia inercial, la velocidad de la luz en el vacío es la misma y no depende de la velocidad de la fuente de luz en movimiento.
Igualmente importante con los postulados de la TER es la posición de la TER sobre la naturaleza limitante de la velocidad de la luz en el vacío: la velocidad de cualquier señal en la naturaleza no puede exceder la velocidad de la luz en el vacío: C= 3∙10 8 m/s. Cuando los objetos se mueven a una velocidad comparable a la de la luz, se observan varios efectos, que se describen a continuación.
1. Reducción relativista longitud.
La longitud de un cuerpo en el marco de referencia donde está en reposo se llama longitud propia. l 0. Entonces la longitud de un cuerpo que se mueve con velocidad V V sistema inercial la cuenta atrás disminuye en la dirección del movimiento hasta la longitud:
Dónde: C– velocidad de la luz en el vacío, l 0 – longitud del cuerpo en un marco de referencia fijo (longitud de un cuerpo en reposo), l– longitud del cuerpo en el sistema de referencia que se mueve con velocidad V(longitud de un cuerpo que se mueve con velocidad V). Por tanto, la longitud del cuerpo es relativa. La contracción de los cuerpos sólo se nota a velocidades comparables a la velocidad de la luz.
2. Alargamiento relativista del tiempo del evento.
La duración de un fenómeno que ocurre en un determinado punto del espacio será la más corta en el sistema de referencia inercial con respecto al cual este punto es estacionario. Esto significa que los relojes que se mueven con respecto a un sistema de referencia inercial funcionan más lentamente que los relojes estacionarios y muestran un intervalo de tiempo más largo entre eventos. La dilatación del tiempo relativista se hace perceptible sólo a velocidades comparables a la velocidad de la luz y se expresa mediante la fórmula:
Tiempo τ 0, medido desde un reloj en reposo con respecto al cuerpo, se denomina tiempo propio del evento.
3. Ley relativista de la suma de velocidades.
La ley de suma de velocidades en la mecánica newtoniana contradice los postulados de la TER y es reemplazada por una nueva ley relativista adición de velocidades. Si dos cuerpos se acercan, su velocidad de aproximación se expresa mediante la fórmula:
Dónde: V 1 y V 2 – la velocidad de movimiento de los cuerpos en relación con un marco de referencia fijo. Si los cuerpos se mueven en la misma dirección, entonces su velocidad relativa es:
4. Aumento relativista de masa.
Masa de un cuerpo en movimiento metro mayor que la masa en reposo del cuerpo metro 0:
5. Relación entre energía y peso corporal.
Desde el punto de vista de la teoría de la relatividad, la masa de un cuerpo y la energía de un cuerpo son prácticamente la misma cosa. Así, sólo el hecho de la existencia de un cuerpo significa que el cuerpo tiene energía. Energía más baja mi 0 que tiene el cuerpo en el sistema de referencia inercial con respecto al cual está en reposo y se llama energía propia del cuerpo (energía en reposo del cuerpo):
Cualquier cambio en la energía corporal significa un cambio en el peso corporal y viceversa:
donde: ∆ mi– cambio en la energía corporal, ∆ metro– cambio correspondiente de masa. Energía corporal total:
Dónde: metro- masa corporal. Energía corporal total mi proporcional masa relativista y depende de la velocidad del cuerpo en movimiento, en este sentido son importantes las siguientes relaciones:
Por cierto, la energía cinética de un cuerpo que se mueve a una velocidad relativista solo se puede calcular mediante la fórmula:
Desde el punto de vista de la teoría de la relatividad, la ley de conservación de las masas en reposo es injusta. Por ejemplo, la masa en reposo de un núcleo atómico es menor que la suma de las masas en reposo de las partículas incluidas en el núcleo. Sin embargo, la masa en reposo de una partícula capaz de desintegrarse espontáneamente es mayor que la suma masas propias sus componentes.
Esto no significa una violación de la ley de conservación de la masa. En la teoría de la relatividad es válida la ley de conservación de la masa relativista, ya que en sistema aislado En los cuerpos se conserva la energía total y, por tanto, la masa relativista, que se desprende de la fórmula de Einstein, por lo que podemos hablar de una ley unificada de conservación de la masa y la energía. Esto no significa la posibilidad de convertir masa en energía y viceversa.
Existe una relación entre la energía total del cuerpo, la energía en reposo y el impulso:
Fotón y sus propiedades.
Luz Es una corriente de cuantos de radiación electromagnética llamados fotones. Fotón Es una partícula que transfiere energía luminosa. No puede estar en reposo, sino que siempre se mueve a una velocidad igual velocidad Luz. El fotón tiene las siguientes características:
1. La energía del fotón es igual a:
Dónde: h= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – Constante de Planck, ν – frecuencia de luz, λ – longitud de onda de la luz, C– velocidad de la luz en el vacío. La energía de un fotón en julios es muy pequeña, por lo que, por conveniencia matemática, a menudo se mide en una unidad extrasistémica: electronvoltios:
1 eV = 1,6∙10 –19 J.
2. Un fotón se mueve en el vacío a la velocidad de la luz. C.
3. Un fotón tiene impulso:
4. Un fotón no tiene masa en el sentido habitual para nosotros (esa masa que se puede medir en una escala, calcular según la segunda ley de Newton, etc.), pero de acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, tiene masa como medida de energía ( mi = mc 2). De hecho, cualquier cuerpo que tenga algo de energía también tiene masa. Si tomamos en cuenta que un fotón tiene energía, entonces también tiene masa, la cual se puede encontrar como:
5. Un fotón no tiene carga eléctrica.
La luz tiene una naturaleza dual. A medida que la luz se propaga, parece propiedades de las olas(interferencia, difracción, polarización) y, al interactuar con la materia, corpuscular (efecto fotoeléctrico). Esta naturaleza dual de la luz se llama dualidad onda-partícula.
Fotoefecto externo
Efecto fotoeléctrico– un fenómeno que consiste en la aparición de una fotocorriente en un cilindro de vacío cuando se ilumina el cátodo luz monocromática alguna longitud de onda λ .
Cuando el voltaje en el ánodo es negativo, el campo eléctrico entre el cátodo y el ánodo inhibe los electrones. Midiendo esto voltaje de mantenimiento en el que desaparece la fotocorriente, podemos determinar la energía cinética máxima de los fotoelectrones expulsados del cátodo:
Numerosos experimentadores han establecido lo siguiente leyes básicas del efecto fotoeléctrico:
- El efecto fotoeléctrico no tiene inercia. Esto significa que los electrones comienzan a salir volando del metal inmediatamente después de que comienza la irradiación con luz.
- La energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta linealmente al aumentar la frecuencia de la luz. ν y no depende de su intensidad.
- Para cada sustancia existe un llamado borde rojo del efecto de la foto, es decir, la frecuencia más baja ν min (o longitud de onda más larga λ max) en el que el efecto fotoeléctrico externo todavía es posible.
- El número de fotoelectrones emitidos por la luz del cátodo en 1 s es directamente proporcional a la intensidad de la luz.
Al interactuar con la materia, un fotón transfiere completamente toda su energía. mi = hν un electrón. El electrón puede disipar parte de esta energía durante las colisiones con átomos de materia. Además, parte de la energía de los electrones se gasta en superar la barrera de potencial en la interfaz metal-vacío. Para hacer esto, el electrón debe hacer función del trabajo A dependiendo de las propiedades del material del cátodo. La mayor energía cinética que puede tener un fotoelectrón emitido por el cátodo, en este caso, viene determinada por la ley de conservación de la energía:
Esta fórmula se suele llamar La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico externo.. Utilizando la ecuación de Einstein se pueden explicar todas las leyes del efecto fotoeléctrico externo. Para efecto de foto de borde rojo, según la fórmula de Einstein, podemos obtener la expresión:
postulados de bohr
Primer postulado de Bohr (postulado de estados estacionarios): un sistema atómico sólo puede estar en estados estacionarios o cuánticos especiales, cada uno de los cuales corresponde a un número específico norte y energía es. En estados estacionarios, un átomo no emite ni absorbe energía.
Al estado con menor energía se le asigna el número "1". Se llama principal. A todos los demás estados se les asignan números secuenciales "2", "3", etc. Ellos se llaman entusiasmado. Un átomo puede permanecer en el estado fundamental indefinidamente. En el estado excitado, el átomo vive durante algún tiempo (aproximadamente 10 ns) y pasa al estado fundamental.
Según el primer postulado de Bohr, un átomo se caracteriza por un sistema de niveles de energía, cada uno de los cuales corresponde a un estado estacionario específico. La energía mecánica de un electrón que se mueve a lo largo de un camino cerrado alrededor de un núcleo cargado positivamente es negativa. Por lo tanto, todos los estados estacionarios corresponden a valores de energía. es < 0. При es≥ 0 el electrón se aleja del núcleo (se produce ionización). Magnitud | mi 1 | llamado energía de ionización. estado de energia mi 1 se llama estado fundamental del átomo.
Segundo postulado de Bohr (regla de frecuencia): cuando un átomo pasa de un estado estacionario con energía es a otro estado estacionario con energía mi Se emite o absorbe un cuanto, cuya energía es igual a la diferencia entre las energías de los estados estacionarios:
Átomo de hidrógeno
El átomo más simple es el átomo de hidrógeno. Contiene un solo electrón. El núcleo de un átomo es un protón, una partícula cargada positivamente cuya carga es igual en magnitud a la carga de un electrón. Generalmente el electrón está en el primero (tierra, no excitado) nivel de energía(un electrón, como cualquier otro sistema, tiende a un estado con un mínimo de energía). En este estado su energía es igual a mi 1 = –13,6 eV. En el átomo de hidrógeno se cumplen las siguientes relaciones, conectando el radio de la trayectoria de un electrón que gira alrededor del núcleo, su velocidad y energía en la primera órbita con características similares en las órbitas restantes:
En cualquier órbita de un átomo de hidrógeno, la cinética ( A) y potencial ( PAG) las energías de los electrones están relacionadas con la energía total ( mi) mediante las siguientes fórmulas:
Núcleo atómico
Ahora está firmemente establecido que los núcleos atómicos varios elementos Constan de dos partículas: protones y neutrones, que comúnmente se denominan nucleones. Se introducen varias notaciones para caracterizar los núcleos atómicos. El número de protones que forman un núcleo atómico se denota con el símbolo Z y se llama número de carga o número atómico (este es número de serie V tabla periódica Mendeleev). El número de neutrones se indica con el símbolo N. El número total de nucleones (es decir, protones y neutrones) se denomina número másico A, para el cual se puede escribir la siguiente fórmula:
Energía de la comunicación. defecto masivo
El papel más importante en la física nuclear lo desempeña el concepto. energía de enlace nuclear. La energía de enlace de un núcleo es igual a la energía mínima que se debe gastar para dividir completamente el núcleo en partículas individuales. De la ley de conservación de la energía se deduce que la energía de enlace es igual a la energía que se libera durante la formación de un núcleo a partir de partículas individuales.
La energía de enlace de cualquier núcleo se puede determinar midiendo con precisión su masa. Tales mediciones muestran que la masa de cualquier núcleo. METRO I siempre es menor que la suma de las masas de los protones y neutrones incluidos en su composición: METRO I< Zmetro p+norte metro norte. En este caso, la diferencia entre estas masas se llama defecto masivo, y se calcula mediante la fórmula:
El defecto de masa se puede determinar mediante la fórmula de Einstein. mi = mc 2 energía liberada durante la formación de un núcleo determinado, es decir, la energía de enlace del núcleo mi Calle:
Pero es más conveniente calcular la energía de enlace utilizando otra fórmula (aquí las masas se toman en unidades atómicas, y la energía de enlace se obtiene en MeV):
Radioactividad. Ley de desintegración radiactiva
Casi el 90% de los núcleos atómicos conocidos son inestables. Un núcleo inestable se transforma espontáneamente en otros núcleos, emitiendo partículas. Esta propiedad de los núcleos se llama radioactividad.
Decaimiento alfa. La desintegración alfa es la transformación espontánea de un núcleo atómico con el número de protones Z y neutrones N en otro núcleo (hijo) que contiene el número de protones Z – 2 y neutrones N – 2. En este caso, α -partícula – el núcleo de un átomo de helio 4 2 He. Esquema general desintegración alfa:
Decaimiento beta. Durante la desintegración beta, se emite un electrón desde el núcleo (0–1 e). Esquema de desintegración beta:
Decaimiento gamma. A diferencia de α - Y β -radioactividad γ -La radiactividad de los núcleos no se asocia con cambios. estructura interna núcleo y no va acompañado de un cambio de carga o de números másicos. Como en α - etcétera β -decaimiento, el núcleo hijo puede encontrarse en algún estado excitado y tener un exceso de energía. La transición de un núcleo de un estado excitado a un estado fundamental va acompañada de la emisión de uno o más γ -cuantos, cuya energía puede alcanzar varios MeV.
Ley de desintegración radiactiva. en cualquier muestra sustancia radioactiva contenido numero enormeátomos radiactivos. Dado que la desintegración radiactiva es aleatoria y no depende de Condiciones externas, entonces la ley de la cantidad decreciente norte(t) intacto A en este momento tiempo t Los núcleos pueden servir como un importante característica estadística proceso de desintegración radiactiva. La ley de la desintegración radiactiva tiene la forma:
Magnitud t llamado media vida, norte 0 – número inicial de núcleos radiactivos en t= 0. La vida media es la magnitud principal que caracteriza la tasa de desintegración radiactiva. Cómo menos periodo vida media, más intensa es la descomposición.
En α - Y β -desintegración radiactiva, el núcleo hijo también puede volverse inestable. Por tanto, una serie de sucesivos desintegraciones radiactivas, que terminan en la formación de núcleos estables.
Reacciones nucleares
Reacción nuclear es el proceso de interacción de un núcleo atómico con otro núcleo o partícula elemental, acompañado de un cambio en la composición y estructura del núcleo y la liberación de partículas secundarias o γ -cuantos. Como resultado de reacciones nucleares, se pueden formar otras nuevas. isótopos radioactivos, que no existen en la Tierra en condiciones naturales.
En las reacciones nucleares se cumplen varias leyes de conservación: momento, energía, momento angular, carga. Además de estas leyes de conservación clásicas, las reacciones nucleares se cumplen. ley de conservación de la llamada carga bariónica(es decir, la cantidad de nucleones: protones y neutrones). Por ejemplo, en una reacción general:
En curso siguientes condiciones (numero total nucleones antes y después de la reacción permanece sin cambios):
Producción de energía de una reacción nuclear.
Las reacciones nucleares van acompañadas de transformaciones de energía. La energía producida por una reacción nuclear es la cantidad:
Dónde: METRO un y METRO B – masas productos iniciales, METRO C y METRO D – masas de productos de reacción finales. Valor Δ METRO llamado defecto masivo. Las reacciones nucleares pueden ocurrir con la liberación de ( q> 0) o con absorción de energía ( q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |q|, que se llama umbral de reacción.
Para que una reacción nuclear tenga un rendimiento energético positivo, la energía de enlace específica de los nucleones en los núcleos de los productos iniciales debe ser menor que la energía de enlace específica de los nucleones en los núcleos de los productos finales. Esto significa que el valor Δ METRO
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