Trumpai apie atominę fiziką. Atominė fizika

2 1. Įvadas 1.1. Atominės fizikos dalykas, trumpa jo raidos istorija, tikslai ir uždaviniai 1.2. Pagrindiniai apibrėžimai. Elektronas, protonas, neutronas, atomas, jonas, molekulė, nuklidas, atomo branduolys, cheminis elementas, izotopai 1.3. Atomo branduolinės ir apvalkalo savybės 1.4. Fizinių dydžių matavimo vienetai atomų fizikoje. Elektronų voltų. Molis, Avogadro konstanta, atominės masės vienetas, santykinė atominė masė. Energijų, ilgių, dažnių, masių skalės atominėje ir branduolinėje fizikoje 1.5. Klasikinės, reliatyvistinės ir kvantinė fizika. Impulsas ir energija 1.6. Fotonas. Fotonų energijos skalė (elektromagnetinės spinduliuotės skalė)

3 Atominė fizika Atominė fizika (atomo ir atominių reiškinių fizika) yra fizikos šaka, tirianti atomų sandarą ir savybes, taip pat elementarius procesus, kuriuose dalyvauja atomai Atominės fizikos tyrimo objektai yra ir atomai, ir molekulės, atominiai ir molekuliniai jonai, egzotiniai atomai ir kitos mikrodalelės Atominės fizikos rėmuose tiriamuose reiškiniuose pagrindinis vaidmuo tenka elektromagnetinėms sąveikoms , optiniai ir tuneliniai reiškiniai, procesai plazmoje, neutraliuose skysčiuose, kietosiose medžiagose (įskaitant puslaidininkius ir nanomedžiagas) Teorinis pagrindas Pati atominė fizika yra kvantinė teorija ir kvantinė elektrodinamika Nėra aiškios ribos tarp atominės fizikos ir kitų fizikos šakų, ir pagal tarptautinė klasifikacija, atominė fizika yra įtraukta į atominės, molekulinės fizikos ir optikos sritį

4 Apsakymas atominės fizikos raida Sąvoką „atomas“ vartojo senovės graikų mokslininkai (V – II a. pr. Kr.), norėdami nurodyti mažiausią, nedalomos dalelės, iš kurių susideda viskas, kas egzistuoja pasaulyje. Eksperimentinis atominių sampratų patvirtinimas buvo gautas dar XIX amžiuje atliekant cheminius ir fizikinius tyrimus. 1897 metais J. .J. Tomsonas atrado elektroną ir netrukus buvo įrodyta, kad jis yra neatsiejama visų atomų dalis. Atomą kaip sistemą, susidedančią iš atomo branduolio ir elektronų apvalkalo, 1911 m. pagrindė E. Rutherfordas. idėja tapo visuotinai priimta, iš atominės fizikos, branduolinės fizikos ir kiek vėliau atsirado fizika elementariosios dalelės

5 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Šiuolaikinės atominės fizikos pagrindai buvo padėti XX amžiaus pradžioje, kai remiantis E. Rutherfordo atomo modeliu ir M. Plancko (1900 m.) kvantinių sampratų raida. ) ir A. Einšteinas (1905), N. Bohr pateikė paaiškinimų eilutę svarbiausias savybes atomas (1913) ir du „kvantiniai“ postulatai pagal pirmąjį iš jų yra specialios (stacionarios) atomo būsenos, kuriose pastarasis neišskiria energijos, nors į jo sudėtį įeina įkrautos dalelės (elektronai). Pagal antrąjį postulatą, atomo spinduliavimas vyksta pereinant iš vienos stacionarios būsenos į kitą, o šios spinduliuotės dažnis ν nustatomas iš sąlygos h = E – E (Boro dažnio taisyklė). kur h yra Planko konstanta, E ir E yra atominės energijos vertės pradinėje ir galutinėje būsenose. Pirmasis postulatas atspindi atomo stabilumo faktą, antrasis dažnio diskretiškumas atomų spektruose

6 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Bohro teorija, kuri negalėjo visapusiškai paaiškinti atomų ir molekulių savybių, buvo pakeista nuoseklia kvantine teorija, sukurta XX a. , P. Dirac) Nepaisant to, Bohro postulatai vis dar išlaiko savo reikšmę ir yra neatsiejami į mikroskopinių reiškinių fizikos pagrindus kvantinė teorija duota maksimali pilnas paaiškinimas atomo savybės: gauti optinių ir rentgeno spindulių spektrų susidarymo principai, atomų elgsena magnetiniame (Zemano efektas) ir elektriniame (Starko efektas) laukuose. teorinis pagrindas periodinė elementų lentelė ir cheminio ryšio pobūdis, sukurti skaičiavimo metodai elektroninė struktūra atomai, molekulės ir kietosios medžiagos (Hartree-Fock savaiminio konsistencijos lauko metodas), sukurti nauji prietaisai medžiagos sandarai ir savybėms tirti (elektroninis mikroskopas) Kvantinės teorijos idėjų raida (sukimosi hipotezė, Pauli principas ir kt.) savo ruožtu rėmėsi eksperimentiniais tyrimais atomų fizikos srityje (atomų linijiniai spektrai, fotoelektrinis efektas, smulkioji ir hipersmulkioji spektro linijų struktūra, Franko ir Hertzo, Davissono ir Germerio, Sterno ir Gerlacho eksperimentai, Komptono efektas, atradimas deuterio ir kitų izotopų, Augerio efekto ir kt.)

7 Trumpa atominės fizikos raidos istorija XX amžiaus II trečdalyje atominės fizikos rėmuose ir remiantis kvantinės teorijos idėjomis buvo sukurti nauji eksperimentiniai fizikinių tyrimų metodai: elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR). , fotoelektroninė spektroskopija (PES), elektronų smūginė spektroskopija (EI) , sukurti prietaisai jiems įgyvendinti (mazeris, lazeris ir kt.) Kvantinės teorijos pagrindiniai principai (kvantinių būsenų trukdžiai, lygmenų poslinkis Lamb ir kt.) buvo tiesiogiai patvirtinti eksperimentiškai, buvo pasiūlyti nauji medžiagos elektroninės struktūros skaičiavimo metodai (tankio funkcinė teorija), numatyti nauji metodai fiziniai reiškiniai(superradiacija) Sukurti metodai eksperimentiniams procesų, vykstančių su pavieniais atomais, jonais ir elektronais, laikomais specialios konfigūracijos elektrinių ir magnetinių laukų (atomų ir jonų „spąstai“) tyrimams.

8 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Nauji rezultatai atominės fizikos srityje paskutiniame XX amžiaus trečdalyje - pradžios XXIšimtmečiai daugiausia siejami su lazerių naudojimu Mokslinėje praktikoje plačiai naudojami lazerinės spektroskopijos metodai, tarp jų ir netiesiniai, kurių pagrindu tapo įmanoma atlikti spektroskopinius matavimus su pavieniais atomais ir molekulėmis, nustatyti charakteristikas labai. sužadintas atomų būsenas, tirti iki kelių femtosekundžių (10–15 s) trunkančių intraatominių ir intramolekulinių procesų dinamiką Lazerių pagalba buvo galima atlikti ir detaliai ištirti daugiafotoninius spinduliuotės sąveikos procesus su atominės sistemos (daugiafotonų fotoelektrinis efektas, dažnių dauginimas), taip pat atskirų atomų aušinimas iki itin žemos temperatūros Teoriniai tyrimai paskutiniais dešimtmečiais atominės fizikos srityje siejami su greita pažanga Kompiuterinė technologija ir yra skirti sukurti efektyvius metodus ir priemones daugiaelektroninių atominių sistemų elektroninei struktūrai ir savybėms apskaičiuoti, atsižvelgiant į elektronų koreliacijos energiją, reliatyvistines kvantines mechanines ir kvantines elektrodinamines korekcijas.

9 Atominė fizika Atominės fizikos srities tyrimais nustatyta daug mokslinių ir praktiniai pritaikymai Pramoniniams tikslams, medžiagos elementinei sudėčiai nustatyti, naudojami atominės spektrinės analizės metodai, įskaitant EPR, FES ir SEM Geologinėms, biologinėms ir medicininėms problemoms spręsti naudojami nuotolinės ir lokalios lazerinės atominės analizės metodai pramonės ir techninės paskirties, lazerinis izotopų atskyrimas atliekamas Eksperimentinis ir teoriniai metodai Atominė fizika naudojama astrofizikoje (nustatant sudėtį ir fizinės savybėsžvaigždžių ir tarpžvaigždinės terpės medžiagos, Rydbergo atomų tyrimai, metrologija ( atominis laikrodis) ir kitose mokslo ir technologijų srityse

10 Atominės fizikos kurso tikslai ir uždaviniai Pagrindinis kurso disciplinos „Atomo ir atominių reiškinių fizika“ tikslas bendroji fizika, yra suformuoti pagrindinės žinios apie mikroskopinių reiškinių fiziką atominiu-molekuliniu lygmeniu ir gebėjimą juos pritaikyti sprendžiant taikomų problemųŠiam tikslui pasiekti sprendžiami šie uždaviniai: – atomizmo raidos ir kvantinių sąvokų formavimosi analizė; – svarbiausių eksperimentinių atominės fizikos faktų ir jų sąsajų tyrimas; – mikroreiškinių specifikos ir klasikinės teorijos nenuoseklumo jiems paaiškinti nustatymas; – išmokti pagrindų Kvantinė mechanika ir kvantinių mechaninių problemų sprendimo būdai; – sistemingas kvantine teorija pagrįstas atomų ir molekulių sandaros ir savybių, jų elgsenos tyrimas ir aiškinimas išoriniai laukai ir sąveikaujant tarpusavyje

12 Elektronas Elektronas yra stabili elementari dalelė, turinti neigiamą elektros krūvį Elektrono krūvio absoliuti vertė lygi elementariajam krūviui q e = –e –1,610 –19 C. Elektrono masė m e = m –31 kg. Elektrono sukinys yra ½. Elektrono magnetinis momentas yra maždaug lygus Boro magnetonui μe – μ B – –4 eV/T Simbolis e arba e naudojamas elektronui žymėti – elektronai sudaro elektronų apvalkalus. Visų atomų ir jonų elektronas turi antidalelę pozitroną (e +)

15 Protonas Protonas yra stabili elementarioji dalelė, turinti teigiamą elektros krūvį Protono krūvis lygus elementariajam krūviui q p = e –19 C Protono masė m p 1836m e –27 kg Protono sukinys yra ½ Protono magnetinis momentas μ p – 8 eV/T Protonas žymimas simboliu p arba p + Protonas turi antidalelių antiprotoną (p –)

16 Antiprotono sunaikinimas Antiprotonas (mėlynas takelis) susiduria su protonu burbulo kameroje. Dėl to susidaro keturi teigiami pionai (raudoni takeliai) ir keturi neigiami (žali takeliai). kuris gimsta dėl pionų irimo

17 Neutronas Neutronas yra elementarioji dalelė, kurios elektrinis krūvis yra nulinis elektros krūvis, neutronas turi magnetinį momentą μ n – –8 eV/T Neutronas žymimas simboliu n arba n 0 Neutronas turi antidalelę antineutroną Protonai ir neutronai bendrai vadinami nukleonais Atomo branduoliai susideda iš protonų ir neutronų

18 Neutronai Kadangi neutronai neturi elektrinio krūvio, jie nepalieka pėdsakų dalelių detektoriaus kamerose. Tačiau neutronus galima aptikti pagal jų sąveiką su kitomis, įkrautomis dalelėmis vandenilio dujos, etilo alkoholis ir vanduo Neutronų spindulys prasiskverbia į kamerą iš apačios ir sukelia deguonies ir anglies atomų, sudarančių etilo alkoholio molekules, transmutaciją

19 Atomas Atomo mikrodalelė, susidedanti iš atomo branduolio ir aplinkinių elektronų (elektronų apvalkalas) Teigiamai įkrautas branduolys elektrinės traukos jėgomis laiko neigiamai įkrautus elektronus Kadangi atomo branduolį sudaro protonai ir neutronai, o kartu ir elektrinis krūvis. neutronas lygus nuliui, protonas į elementarųjį krūvį e, elektronų krūvis lygus e, tada su elektronų skaičiumi apvalkale, lygus skaičiui protonų branduolyje, bendras atomo elektrinis krūvis lygus nuliui Branduolio matmenys (~ 10 –15 – 10 –14 m) yra itin maži, lyginant su atomo matmenimis (~ 10 –10 m). , dėl to, kad protono (kaip ir neutrono) masė beveik 2 tūkst daugiau masės elektronas, beveik visa atomo masė () yra sutelkta branduolyje

20 aukso atomo Au Atskiro aukso atomo vaizdas buvo gautas naudojant perdavimo elektronų mikroskopą. Padidinimas 35 mm koeficientu iki 35 mm dydžio

22 Silicio atomai Si Spalvotas silicio atomų vaizdas, gautas naudojant transmisijos elektroninį mikroskopą. Rodomas kristalo vienetinis elementas. Taip pat matomi ryšiai tarp atomų, kurių dydis padidėja iki 35 mm.

24 Urano atomai U Spalvotas urano atomų vaizdas, gautas naudojant perdavimo elektroninį mikroskopą Maži taškeliai teisinga forma– atskiri atomai, didesni dariniai – spiečiai, susidedantys iš 2–20 atomų Matymo lauko dydis yra maždaug 100 Å. Padidintas 35 mm koeficientu

25 Uranilo mikrokristalai UO 2 2+ Spalvotas uranilo mikrokristalų vaizdas buvo gautas naudojant transmisijos elektroninį mikroskopą vienas atomas uranas Padidintas 35 mm

27 Cheminis elementas, nuklidas, izotopai Atomai, kurių branduolyje yra tam tikras protonų skaičius Z, priklauso tam pačiam cheminiam elementui. Skaičius Z vadinamas atominiu skaičiumi cheminis elementas. Atomų rinkinys, kurio branduolyje yra tam tikras skaičius protonų Z ir neutronų N, vadinamas nuklidu. Nuklidai žymimi prie elemento pavadinimo pridedant masės skaičių A, lygus sumai Z + N (pvz., deguonis-16, uranas-235), arba šalia elemento simbolio padėjus skaičių A (16 O, 235 U). To paties elemento nuklidai vadinami izotopais. Lengviausio vandenilio atomo, susidedančio iš vieno protono ir vieno elektrono, masė lygi m H 1,67·10 –27 kg. Likusių atomų masės yra maždaug A karto didesnės už m H. Gamtoje randama 90 cheminių elementų ir daugiau nei 300 skirtingų nuklidų; 270 iš jų yra stabilūs, likusieji – radioaktyvūs. Kai kurie radioaktyvieji nuklidai gaunami dirbtinai.

31 Jonai Elektronų pašalinimo arba pridėjimo prie atomo procesas vadinamas jonizacija, kai elektronų skaičius apvalkale yra mažesnis nei Z, gaunamas teigiamas atominis jonas, kai Z yra neigiamas Jonas yra elektriškai įkrautas atomas (arba molekulė), kuris susidaro atsiskyrus arba pridedant vieną ar daugiau elektronų prie neutralaus atomo (arba molekulės)

32 jonai Teigiamo krūvio jonai vadinami katijonais, o neigiamo krūvio anijonai. Jonai žymimi cheminiu simboliu su indeksu, rodančiu daugumą (krūvio kiekį elementariojo krūvio vienetais) ir jono ženklą: H –, Na +, UO 2 2+ Jonai gali būti pavaizduoti kaip tvarūs dariniai(dažniausiai tirpaluose arba kristaluose) ir nestabilus (dujose įprastomis sąlygomis) Atominių katijonų galima gauti iki +(Z – 1) krūvio. Taigi, pavyzdžiui, U 90+ ir U 91+ buvo gauti prie jonų greitintuvų Atominiai anijonai, kurių krūvis yra 2 ar daugiau, laisvoje būsenoje neegzistuoja

34 Molekulė Molekulė yra mažiausia stabili medžiagos dalelė, susidedanti iš daugiau nei vieno atomo. Molekulei būdinga tam tikra sudėtis. atomų branduoliai, elektronų skaičius ir erdvinė struktūra Kiekybinei ir kokybinei molekulių sudėčiai nurodyti naudojamos cheminės formulės: O 2 (deguonies molekulė), H 2 O (vandens molekulė), CH 4 (metano molekulė), C 6 H6 (benzeno molekulė), C 60 (fullerenas) molekulė)

39 DNR molekulė Spalvotas DNR molekulės vaizdas buvo gautas naudojant perdavimo elektronų mikroskopą kameroje su didelis vakuumas DNR mėginys padengtas plonu platinos sluoksniu Metalinė danga suteikia didelio kontrasto vaizdą elektroninis mikroskopas

40 Atomo branduolinės ir apvalkalo savybės Branduolinės savybės Apvalkalo savybės Nulemia branduolio sudėtis: radioaktyvumas, gebėjimas dalyvauti branduolinėse reakcijose ir kt.. Nulemia elektroninio apvalkalo sandara: cheminė, fizinė (elektrinė, magnetinė, optinė ir kt. .) 42 Energijos energijos vienetas SI vienetas yra džaulis (J), tačiau atominės fizikos objektų ir reiškinių energijos kiekiams toks vienetas naudojamas retai elektronvoltas (eV, eV) – tai energija, kurią įgyja įkrauta dalelė su elementariu krūviu, einanti per 1 volto greitėjimo potencialų skirtumą: 1 eV = J Energijai išmatuoti atominėje ir branduolinėje fizikoje, kartotiniai (keV, 1 keV = 10 3 eV, MeV, 1 MeV = 10 6 eV) ir daliniai (μeV, 1 μeV = 10 –6 eV) elektronų voltų vienetai, taip pat kai kurie kiti: Rydberg (Ry), Hartree (Ha arba atominis vienetas, a.u.) Rydbergas skaitiniu būdu lygus energijai vandenilio atomo jonizacija iš pagrindinės būsenos begalinės branduolinės masės aproksimacijos būdu: 1 Ry eV Hartree yra lygi absoliučiai elektrono potencinės energijos, esančio vandenilio atomo pagrindinėje būsenoje, aproksimacijai begalinės branduolinės masės atžvilgiu: 1 Ha = 2 Ry eV Atominių sistemų būsenų energijos, taip pat perėjimus tarp būsenų galima matuoti kitais vienetais

43 Masė SI masės vienetas yra kilogramas (kg), tačiau atominės fizikos objektų masėms matuoti naudojamas nesisteminis matavimo vienetas, vadinamas atominės masės vienetu (a.m.u.). Atominės masės vienetas yra lygus. iki 1/12 nesurišto, nesužadinto anglies-12 atomo masės (12 C): 1 a. e. m kg 1 a. e.m yra apytiksliai lygi vieno protono arba neutrono masei, išreikšta a. e.m. Avogadro konstanta N A fizinė konstanta, skaitiniu būdu lygus atomų skaičiui 12 g gryno anglies-12 izotopo: N A mol –1 Molyje (SI medžiagos kiekio vienetas) pagal apibrėžimą yra N A konstrukciniai elementai(atomai, molekulės, jonai).

44 Ilgis SI ilgio vienetas yra metras (m). 1 metras lygus atstumui, kurios šviesa vakuume sklinda per laiko intervalą, lygų 1/ sekundės. Išskyrus elektromagnetinės spinduliuotės bangų ilgių matavimus radijo diapazone, toks ilgio vienetas atomų fizikoje naudojamas retai, o vietoj jo tiesiniams matmenims matuoti naudojami keli metro vienetai, taip pat bangos ilgiai: centimetras (cm). , 1 cm = 10–2 m), milimetras ( mm, 1 mm = 10–3 m), mikrometras (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanometras (nm, 1 nm = 10–9 m) , pikometras (pm, 1 pm = 10–12 m ) ir kiti, taip pat nesisteminiai vienetai: angstromas (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m), boras (arba Boro spindulys) (1 bohr Å )

45 Laikas Laiko intervalų trukmės vienetas SI yra antrasis (s) Šiuo metu antrasis nustatomas pagal vadinamąjį. atominis laiko standartas: viena sekundė (arba atominė sekundė) yra lygi elektromagnetinės spinduliuotės periodams, atitinkantiems izotopo 133 Cs (cezio-133) pagrindinės būsenos hipersmulkiosios struktūros energijos perėjimą Atominės fizikos procesai paprastai matuojami posekundėmis: nano-, piko- arba femtosekundėmis (ns, ps, fs, 1 fs = 10–15 s)

46 Fizinių dydžių skalės atomų ir branduolių fizikoje Atominės fizikos reiškiniams būdingi dydžiai nuo 10–12 m (vidiniai sunkiųjų atomų posluoksniai) iki dešimtųjų nanometrų (atomų ir mažų molekulių dydžiai), energija nuo 10–6 eV (ultra smulki lygių struktūra) iki 10 5 eV (vidinio posluoksnio elektronų surišimo energija), laikas nuo dešimčių femtosekundžių (ultratrumpų lazerio impulsų trukmė) iki tūkstančių sekundžių (metastabilių atomų būsenų gyvavimo laikas) Tipiniai molekulių dydžiai yra 0,1– 1 nm. Mažiausios molekulės (H2) atstumas tarp branduolių yra lygus nm. DNR makromolekulės ir daugelis polimerų gali turėti makroskopinius matmenis. Taigi, išskleistos DNR spiralės ilgis gali siekti kelis centimetrus, o plotis maždaug 2 nm.

47 Fotonas Fotonas arba elektromagnetinės spinduliuotės kvantas (laukas), bemasė elementari dalelė, neturinti elektros krūvio Vakuume fotonas juda greičiu c. Sukio projekcijos į kryptys, statmenai krypčiai fotono sklidimas, nustatyti jo poliarizacijos būseną. Fotonas žymimas simboliu γ

Atominė fizika atsirado XIX ir XX amžių sandūroje, remiantis dujų optinių spektrų tyrimais, elektrono ir radioaktyvumo atradimu. Pirmajame vystymosi etape (XX a. pirmasis ketvirtis) atomo fizika daugiausia buvo susijusi su atomo struktūros nustatymu ir jo savybių tyrimu. E. Rutherfordo eksperimentai apie alfa dalelių sklaidą plona metalo folija (1908-1911) paskatino sukurti planetinį atomo modelį; Naudodami šį modelį N. Bohr (1913) ir A. Sommerfeld (1915) sukūrė pirmąją kiekybinę atomo teoriją (žr. Atom). Vėlesni elektronų ir atomų savybių tyrimai baigėsi 20-ojo dešimtmečio viduryje. Kvantinė mechanika - fizinė teorija, kuris aprašo mikropasaulio dėsnius ir leidžia kiekybiškai apsvarstyti reiškinius, kuriuose dalyvauja mikrodalelės (žr. Kvantinė mechanika).

Kvantinė mechanika yra teorinis atominės fizikos pagrindas. Tuo pačiu metu atominė fizika atlieka savotišką „ bandymų aikštelė“, skirta kvantinei mechanikai. Kvantinės mechanikos sampratos ir išvados, dažnai nesuderinamos su mūsų kasdienės patirties, atliekami eksperimentiniai atominės fizikos bandymai. Ryškus pavyzdys Pavyzdžiu gali pasitarnauti garsieji Frank-Hertz (1913) ir Stern-Gerlach (1922) eksperimentai; Pažvelkime į juos išsamiau žemiau.

Iki XX amžiaus pradžios. Atomų optiniuose spektruose sukaupta turtinga medžiaga. Nustatyta, kad kiekvienas cheminis elementas turi savo linijų spektrą, kuriam būdingas taisyklingas, tvarkingas spektrinių linijų išsidėstymas. Kvantinė mechanika sujungia stebimus spektro modelius su tam tikro atomo energijos lygių sistema. 1913 metais vokiečių fizikai J. Frankas ir G. Hertzas atliko eksperimentą, kuris davė tiesioginį eksperimentinį patvirtinimą, kad vidinė energija atomas yra kvantuotas ir todėl gali keistis tik diskretiškai, tai yra tam tikromis dalimis. Jie išmatavo laisvųjų elektronų energiją, sunaudojamą gyvsidabrio atomams sužadinti. Pagrindinis instaliacijos elementas – vakuuminis stiklinis cilindras su trimis lituotais elektrodais: katodu, anodu ir tinkleliu (modernaus vakuuminio triodo prototipas). Cilindre buvo gyvsidabrio garų, kurių slėgis 1 mmHg. Art. Elektronai, kurie paliko katodą, buvo pagreitinami lauke tarp katodo ir tinklelio (greitino įtampa U), o po to sulėtėjo lauke tarp tinklelio ir anodo (stabdymo įtampa U 1). Pakeliui nuo katodo iki anodo elektronai susidūrė su gyvsidabrio atomais. Įtampa U 1 buvo parinkta žymiai mažesnė už U\, todėl nuo anodo buvo atstumti tik pakankamai lėti elektronai – praradę energiją) dėl neelastinio susidūrimo su gyvsidabrio atomais. Eksperimento metu anodo srovės stiprumas buvo matuojamas priklausomai nuo greitėjimo įtampos U. Eksperimentinė kreivė turi keletą aiškių maksimumų, nutolusių 4,9 V atstumu viena nuo kitos. Šios kreivės išvaizda paaiškinama taip. Pas 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.

Atidžiau atlikus tokio tipo eksperimentus, buvo galima nustatyti šių atomų energijos lygių sužadinimą: gyvsidabriui jis yra 6,7; 8,3 eV ir pan. (10,4 eV yra jonizacijos potencialas). Dujų švytėjimo stebėjimas rodo, kad gyvsidabrio atomų spektras yra visas.

Aplink atomo branduolį judantis elektronas gali būti lyginamas su elementaria elektros srove; jis sukuria magnetinį lauką. Magnetiniai laukai skirtingi elektronai, sudėjus, sudaro atomo magnetinį lauką. Norėdami jį apibūdinti, pristatome vektorinis kiekis, vadinamas magnetiniu momentu. Jeigu elektronai visiškai užpildo vieną ar kitą apvalkalą (1s, 2s, 2p ir t.t.), tai jų magnetiniai laukai vienas kitą panaikina; atitinkamų atomų magnetiniai momentai lygūs nuliui.

1922 metais Vokietijoje O. Sternas ir W. Gerlachas atliko eksperimentą, kuris tą parodė magnetinis momentas atomas yra erdviškai kvantuotas. Jie per nevienodą magnetinį lauką pasiuntė atomų spindulį, turintį magnetinį momentą, ir ištyrė šio lauko įtakoje esančių atomų įlinkius. Nuokrypio laipsnis ir pobūdis priklauso nuo atomo magnetinio momento orientacijos lauko krypties atžvilgiu. Jei pluošte būtų atomai su visomis įmanomomis magnetinių momentų orientacijomis, tada būtų stebimas nuolatinis pradinio pluošto kampinis „susiliejimas“. Eksperimentiškai buvo pastebėtas aiškus atomų pluošto skilimas į keletą pluoštų; tai reiškė, kad atomo magnetinis momentas yra erdviškai kvantuotas – jo projekcija į magnetinio lauko kryptį gali turėti tik tam tikras specifines (diskrečiąsias) reikšmes.

Pereikime prie natrio atomų nuokrypių pasiskirstymo netolygiame magnetiniame lauke (gautas 1930 m.). Šis skirstinys turi du aiškius maksimumus. Natrio atomas turi tris užpildytus apvalkalus (1s, 2s, 2p) ir vieną 3s elektroną. S-elektronų elektronų debesis yra sferiškai simetriškas (žr. Atomas), todėl jų judėjimas branduolio lauke nesukelia magnetinio momento atsiradimo. Norint paaiškinti pastebėtą natrio atomų pluošto skilimą į du komponentus, reikia daryti prielaidą, kad elektronas turi savo magnetinį momentą, kuris nėra susijęs su elektrono judėjimu aplink branduolį. Šis magnetinis momentas sutartinai siejamas su elektrono sukimu aplink savo ašį ir vadinamas sukimosi momentu (žr. Spin). Magnetinis elektrono momentas, susijęs su jo judėjimu aplink branduolį, vadinamas orbitiniu momentu. Taigi, natrio atomo atveju užpildytų apvalkalų elektronų orbitos ir sukimosi momentai yra tarpusavyje kompensuojami; 3s elektrono orbitos momentas lygus nuliui, o šio elektrono sukimosi momentas sukelia natrio atomų pluošto skilimą nevienodame magnetiniame lauke. Tai, kad stebimas skilimas į du pluoštus, reiškia, kad elektrono sukimosi momentas turi dvi projekcijas į magnetinio lauko kryptį.

30-aisiais mūsų šimtmetis prasidėjo naujas etapas plėtojant atominę fiziką. Per šiuos metus paaiškėjo, kad sąveikų, atsakingų už procesus atomo branduolyje ir paaiškinančių branduolių stabilumą ar radioaktyvumą, pobūdis yra visiškai kitoks, lyginant su sąveikomis, lemiančiomis procesus, vykstančius atomo elektroniniuose apvalkaluose (žr. Gamtos jėgų vienybė). Šiuo atžvilgiu iš atominės fizikos atsirado atskira mokslinė kryptis, susijusi su atomų branduolių fizikos tyrimais; 40-aisiais Ši kryptis susiformavo į savarankišką fizikos mokslą – branduolinę fiziką. Galiausiai 50-aisiais. Iš branduolinės fizikos išaugo kryptis, susijusi su elementariųjų dalelių sistematikos ir tarpusavio konversijų tyrimais – elementariųjų dalelių fizika.

Galų gale tai buvo visiškai atskleista tam tikras ratas klausimai, kurie sudaro šiuolaikinės atominės fizikos turinį. Jos nedomina atomo branduolyje vykstantys procesai, taip pat elementariųjų dalelių tarpusavio virsmai. Atominė fizika tiria procesus, kuriuose dalyvauja atomai ar jonai, ir tik tuos procesus, kurie nelemia jokių atomų branduolių pokyčių. Vadinasi, kalbame apie procesus, kurie veikia tik elektroninius atomų apvalkalus. Į panašius

procesai apima: elektronų būsenų pokyčius atome veikiant išoriniams elektriniams ar magnetiniams laukams (pavyzdžiui, veikiant išoriniams laukams, suskaidomi atomų energijos lygiai); atomų elektromagnetinės spinduliuotės sugertis ir emisija (žr. Spektroskopija, Rentgeno spinduliai, Fotoelektrinis efektas, Lazeriai); atomų susidūrimai su laisvais elektronais, taip pat su kitais atomais, jonais, molekulėmis (dėl susidūrimų su elektronais ar kitais mikroobjektais atomai gali būti sužadinami, pereiti iš sužadintos į mažiau sužadintą būseną, virsti jonais žr. Elektros iškrova dujose); įvairių atomų elektroninių apvalkalų sąveikos, dėl kurių susidaro molekulės ir kristalai. Visi šie procesai sukelia elektromagnetinė sąveika. Šių procesų tikimybės apskaičiuojamos naudojant kvantinės mechanikos aparatą.

Šiuolaikinė atomų fizika taip pat tiria ypatingą atomų tipą, vadinamą mezoatomais. Mezoatomas atsiranda iš paprasto atomo, pakeitus vieną iš elektronų miuonu (μ-), antimezonu (π-, K-), antiprotonu arba neigiamo krūvio hiperonu (žr. Hadronai, Leptonai). Taip pat yra anomalių „vandenilio“ atomų - pozitronio, muonio, kuriuose protono vaidmenį atlieka pozitronai arba teigiamai įkrauti antimuonai (μ+). Visi šie atomai yra nestabilūs; jų gyvavimo trukmę riboja minėtų dalelių gyvenimo trukmė arba e+ e- ir pp-naikinimo procesai. Mezoatomai susidaro dalelių lėtėjimo proceso metu - dėl neigiamo krūvio dalelių gaudymo atominių branduolių Kulono lauke arba gaudant pozitronams ir antimuonams. atominiai elektronai. Eksperimentai su įvairiais anomaliais atomais yra labai įdomūs tiek tiriant medžiagos savybes, tiek tiriant branduolius ir elementariąsias daleles.

Specialioji reliatyvumo teorija (SRT) remiasi dviem postulatais:

1. Reliatyvumo principas: bet kuriose inercinėse atskaitos sistemose visi fiziniai reiškiniai tomis pačiomis pradinėmis sąlygomis vyksta vienodai, t.y. Jokie eksperimentai, atliekami uždaroje kūnų sistemoje, negali nustatyti, ar kūnas yra ramybės būsenoje, ar juda tolygiai ir tiesia linija.
2. Šviesos greičio pastovumo principas: visose inercinėse atskaitos sistemose šviesos greitis vakuume yra vienodas ir nepriklauso nuo judančio šviesos šaltinio greičio.

Lygiai taip pat svarbi SRT postulatai yra SRT pozicija dėl šviesos greičio ribojimo vakuume: bet kurio signalo greitis gamtoje negali viršyti šviesos greičio vakuume: c= 3∙10 8 m/s. Kai objektai juda greičiu, panašiu į šviesos greitį, pastebimi įvairūs efektai, aprašyti toliau.

1. Reliatyvistinis ilgio susitraukimas.

Kūno ilgis atskaitos sistemoje, kur jis yra ramybės būsenoje, vadinamas jo paties ilgiu L 0 . Tada greitai judančio kūno ilgis V inercinėje atskaitos sistemoje mažėja judėjimo kryptimi iki ilgio:

Kur: c- šviesos greitis vakuume, L 0 – kūno ilgis fiksuotoje atskaitos sistemoje (kūno ilgis ramybės būsenoje), L– kūno ilgis atskaitos rėme, judančio greičiu V(greičiu judančio kūno ilgis V). Taigi kūno ilgis yra santykinis. Kūnų susitraukimas pastebimas tik esant greičiui, palyginamam su šviesos greičiu.

2. Reliatyvistinis pratęsimas renginio laikas.

Reiškinio, vykstančio tam tikrame erdvės taške, trukmė bus trumpiausia inercinėje atskaitos sistemoje, kurios atžvilgiu šis taškas yra nejudantis. Tai reiškia, kad laikrodžiai, judantys inercinės atskaitos sistemos atžvilgiu, veikia lėčiau nei stacionarūs laikrodžiai ir rodo ilgesnį laiko intervalą tarp įvykių. Reliatyvistinis laiko išsiplėtimas tampa pastebimas tik greičiu, palyginamu su šviesos greičiu, ir išreiškiamas formule:

Laikas τ 0, matuojamas pagal ramybės būsenos laikrodį kūno atžvilgiu, vadinamas tinkamu įvykio laiku.

3. Reliatyvistinis greičių sudėjimo dėsnis.

Niutono mechanikos greičių pridėjimo dėsnis prieštarauja SRT postulatams ir yra pakeičiamas nauju reliatyvistinė teisė greičių pridėjimas. Jei du kūnai juda vienas kito link, tai jų artėjimo greitis išreiškiamas formule:

Kur: V 1 ir V 2 – kūnų judėjimo greitis fiksuotos atskaitos sistemos atžvilgiu. Jei kūnai juda ta pačia kryptimi, tada jų santykinis greitis yra:

4. Reliatyvistinis masės didėjimas.

Judančio kūno masė m didesnė už likusią kūno masę m 0:

5. Energijos ir kūno svorio santykis.

Reliatyvumo teorijos požiūriu kūno masė ir kūno energija yra praktiškai tas pats dalykas. Taigi tik kūno egzistavimo faktas reiškia, kad kūnas turi energijos. Mažiausia energija E 0 kūnas turi inercinėje atskaitos sistemoje, kurios atžvilgiu jis yra ramybės būsenoje ir vadinamas paties kūno energija (kūno ramybės energija):

Bet koks kūno energijos pokytis reiškia kūno svorio pasikeitimą ir atvirkščiai:

kur: ∆ E– kūno energijos pokytis, ∆ m– atitinkamas masės pokytis. Bendra kūno energija:

Kur: m- kūno masė. Bendra kūno energija E proporcingas reliatyvistinė masė ir priklauso nuo judančio kūno greičio, šia prasme svarbūs šie santykiai:

Beje, reliatyvistiniu greičiu judančio kūno kinetinę energiją galima apskaičiuoti tik naudojant formulę:

Reliatyvumo teorijos požiūriu ramybės masių išsaugojimo dėsnis yra nesąžiningas. Pavyzdžiui, likusi atomo branduolio masė yra mažesnė už į branduolį įtrauktų dalelių likusių masių sumą. Tačiau likusios dalelės, galinčios savaime skilti, masė yra didesnė už sumą savo masės jo komponentai.

Tai nereiškia masės tvermės įstatymo pažeidimo. Reliatyvumo teorijoje galioja reliatyvistinės masės išsaugojimo dėsnis, nes m izoliuota sistema kūnuose išsaugoma visa energija, taigi ir reliatyvistinė masė, kuri išplaukia iš Einšteino formulės, todėl galime kalbėti apie vieningą masės ir energijos tvermės dėsnį. Tai nereiškia, kad galima masę paversti energija ir atvirkščiai.

Yra ryšys tarp visos kūno energijos, poilsio energijos ir impulso:

Fotonas ir jo savybės

Šviesa yra elektromagnetinės spinduliuotės kvantų, vadinamų fotonais, srautas. Fotonas yra dalelė, perduodanti šviesos energiją. Jis negali būti ramybėje, bet visada juda dideliu greičiu vienodas greitis Sveta. Fotonas turi šias charakteristikas:

1. Fotono energija lygi:

Kur: h= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – Planko konstanta, ν - šviesos dažnis, λ - šviesos bangos ilgis, c– šviesos greitis vakuume. Fotono energija džauliais yra labai maža, todėl matematiniam patogumui ji dažnai matuojama ekstrasisteminiu vienetu – elektronų voltais:

1 eV = 1,6∙10–19 J.

2. Fotonas juda vakuume šviesos greičiu c.

3. Fotonas turi impulsą:

4. Fotonas neturi masės mums įprasta prasme (tos masės, kurią galima išmatuoti skalėje, apskaičiuoti pagal antrąjį Niutono dėsnį ir pan.), tačiau pagal Einšteino reliatyvumo teoriją jis turi masę kaip matą. energija ( E = mc 2). Iš tiesų, bet kuris kūnas, turintis šiek tiek energijos, taip pat turi masę. Jei atsižvelgsime į tai, kad fotonas turi energiją, jis taip pat turi masę, kurią galima rasti taip:

5. Fotonas neturi elektros krūvio.

Šviesa turi dvejopą prigimtį. Kai šviesa sklinda, ji atsiranda bangų savybės(interferencija, difrakcija, poliarizacija), o sąveikaujant su medžiaga – korpuskulinė (fotoelektrinis efektas). Ši dviguba šviesos prigimtis vadinama bangos-dalelės dvilypumas.

Išorinis fotoefektas

Fotoelektrinis efektas– reiškinys, kurį sudaro fotosrovės atsiradimas vakuuminiame cilindre, kai katodas apšviečiamas tam tikro bangos ilgio monochromatine šviesa λ .

Kai įtampa prie anodo yra neigiama, elektrinis laukas tarp katodo ir anodo slopina elektronus. Matuojant tai laikymo įtampa kai fotosrovė išnyksta, galime nustatyti maksimalią iš katodo išmestų fotoelektronų kinetinę energiją:

Daugelis eksperimentatorių nustatė šiuos dalykus Pagrindiniai fotoelektrinio efekto dėsniai:

1. Fotoelektrinis efektas yra be inercijos. Tai reiškia, kad elektronai pradeda skraidyti iš metalo iškart po to, kai prasideda švitinimas šviesa.
2. Didžiausia fotoelektronų kinetinė energija didėja tiesiškai didėjant šviesos dažniui ν ir nepriklauso nuo jo intensyvumo.
3. Kiekvienai medžiagai yra vadinamasis raudonos nuotraukos efekto kraštinė, tai yra žemiausias dažnis ν min (arba didžiausias ilgis bangos λ max), kuriai esant vis dar galimas išorinis fotoelektrinis efektas.
4. Šviesos iš katodo per 1 s skleidžiamų fotoelektronų skaičius yra tiesiogiai proporcingas šviesos intensyvumui.

Sąveikaujant su medžiaga fotonas visiškai perduoda visą savo energiją E = hν vienas elektronas. Susidūręs su materijos atomais elektronas gali išsklaidyti dalį šios energijos. Be to, dalis elektronų energijos išleidžiama įveikiant potencialų barjerą metalo ir vakuumo sąsajoje. Norėdami tai padaryti, elektronas turi padaryti darbo funkcija A išeina, priklausomai nuo katodo medžiagos savybių. Didžiausia kinetinė energija, kurią gali turėti iš katodo išspinduliuotas fotoelektronas, šiuo atveju nustatoma pagal energijos tvermės dėsnį:

Ši formulė paprastai vadinama Einšteino lygtis išoriniam fotoelektriniam efektui. Naudojant Einšteino lygtį, galima paaiškinti visus išorinio fotoelektrinio efekto dėsnius. Dėl raudono krašto nuotraukos efektas, pagal Einšteino formulę galime gauti išraišką:

Boro postulatai

Pirmasis Boro postulatas (stacionarių būsenų postulatas): atominė sistema gali būti tik specialiose stacionariose arba kvantinėse būsenose, kurių kiekviena atitinka tam tikrą skaičių n ir energija E n. Nejudančiose būsenose atomas nei skleidžia, nei sugeria energijos.

Mažiausios energijos būsenai priskiriamas skaičius „1“. Tai vadinama pagrindinis. Visoms kitoms būsenoms priskiriami eilės numeriai „2“, „3“ ir pan. Jie vadinami susijaudinęs. Atomas gali likti pagrindinėje būsenoje neribotą laiką. Sužadintoje būsenoje atomas gyvena tam tikrą laiką (apie 10 ns) ir pereina į pagrindinę būseną.

Pagal pirmąjį Bohro postulatą atomui būdinga energijos lygių sistema, kurių kiekvienas atitinka tam tikrą stacionarią būseną. Elektrono, judančio uždaru keliu aplink teigiamai įkrautą branduolį, mechaninė energija yra neigiama. Todėl visos stacionarios būsenos atitinka energetines vertes E n < 0. При E n≥ 0 elektronas tolsta nuo branduolio (vyksta jonizacija). Didumas | E 1 | paskambino jonizacijos energija. Energijos būsena E 1 vadinamas pagrindine atomo būsena.

Antrasis Bohro postulatas (dažnio taisyklė): kai atomas pereina iš vienos stacionarios būsenos su energija E nį kitą stacionarią būseną su energija E m išspinduliuojamas arba sugeriamas kvantas, kurio energija lygi stacionarių būsenų energijų skirtumui:

Vandenilio atomas

Paprasčiausias atomas yra vandenilio atomas. Jame yra vienas elektronas. Atomo branduolys yra protonas, teigiamai įkrauta dalelė, kurios krūvis yra lygus elektrono krūviui. Paprastai elektronas yra pirmame (žemėje, nesužadintas) energijos lygis(elektronas, kaip ir bet kuri kita sistema, linksta į būseną su minimalia energija). Šioje būsenoje jo energija yra lygi E 1 = –13,6 eV. Vandenilio atome tenkinami šie ryšiai, jungiantys aplink branduolį besisukančio elektrono trajektorijos spindulį, jo greitį ir energiją pirmoje orbitoje su panašiomis charakteristikomis likusiose orbitose:

Bet kurioje vandenilio atomo orbitoje kinetinė ( KAM) ir potencialas ( P) elektronų energijos yra susijusios su visa energija ( E) pagal šias formules:

Atomo branduolys

Dabar tvirtai nustatyta, kad atomų branduoliai įvairių elementų susideda iš dviejų dalelių – protonų ir neutronų, kurie paprastai vadinami nukleonais. Atominiams branduoliams apibūdinti įvedama keletas žymėjimų. Protonų, sudarančių atomo branduolį, skaičius žymimas simboliu Z ir vadinamas krūvio skaičiumi arba atominiu skaičiumi (tai eilės skaičius periodinėje lentelėje). Neutronų skaičius žymimas simboliu N. Bendras nukleonų (tai yra protonų ir neutronų) skaičius vadinamas masės skaičiumi A, kuriam galima parašyti tokią formulę:

Bendravimo energija. Masinis defektas

Svarbiausias vaidmuo branduolinėje fizikoje tenka koncepcijai branduolinę rišamąją energiją. Branduolio surišimo energija yra lygi minimaliai energijai, kurią reikia sunaudoti, kad branduolys būtų visiškai padalintas į atskiras daleles. Iš energijos tvermės dėsnio išplaukia, kad surišimo energija yra lygi energijai, kuri išsiskiria iš atskirų dalelių formuojantis branduoliui.

Bet kurio branduolio surišimo energiją galima nustatyti tiksliai išmatavus jo masę. Tokie matavimai rodo, kad bet kurio branduolio masė M I visada yra mažesnis už protonų ir neutronų, įtrauktų į jo sudėtį, masių sumą: M aš< Zm p+N m n. Šiuo atveju skirtumas tarp šių masių vadinamas masės defektas, ir apskaičiuojamas pagal formulę:

Masės defektą galima nustatyti naudojant Einšteino formulę E = mc 2 energija, išsiskirianti susiformuojant tam tikram branduoliui, tai yra branduolio surišimo energija EŠv.:

Tačiau rišimosi energiją patogiau apskaičiuoti naudojant kitą formulę (čia masės imamos atominiais vienetais, o rišimo energija gaunama MeV):

Radioaktyvumas. Radioaktyvaus skilimo dėsnis

Beveik 90% žinomų atomų branduolių yra nestabilūs. Nestabilus branduolys spontaniškai virsta kitais branduoliais, išskirdamas daleles. Ši branduolių savybė vadinama radioaktyvumas.

Alfa skilimas. Alfa skilimas – tai spontaniškas atomo branduolio, turinčio protonų Z ir neutronų N skaičių, transformacija į kitą (dukterinį) branduolį, kuriame yra protonų skaičius Z – 2 ir neutronų skaičius N – 2. Šiuo atveju α -dalelė – helio atomo branduolys 4 2 He. Bendra alfa skilimo schema:

Beta skilimas. Beta skilimo metu iš branduolio išsiskiria elektronas (0–1 e). Beta skilimo schema:

Gama skilimas. Skirtingai nei α - Ir β - radioaktyvumas γ -branduolių radioaktyvumas nėra susijęs su branduolio vidinės struktūros pasikeitimu ir nėra lydimas krūvio ar masės skaičiaus pasikeitimo. Kaip ir α - ir taip toliau β -irimas, dukterinis branduolys gali atsidurti kokioje nors susijaudinusioje būsenoje ir turėti energijos perteklių. Branduolio perėjimą iš sužadintos būsenos į pagrindinę būseną lydi vienas ar daugiau γ -kvantai, kurių energija gali siekti kelis MeV.

Radioaktyvaus skilimo dėsnis. Bet kuriame pavyzdyje radioaktyvioji medžiaga yra daug radioaktyviųjų atomų. Kadangi radioaktyvusis skilimas yra atsitiktinis ir nepriklauso nuo išorinių sąlygų, mažėjančio kiekio dėsnis N(t) nesuiręsšiuo metu t branduoliai gali būti svarbi radioaktyvaus skilimo proceso statistinė charakteristika. Radioaktyvaus skilimo dėsnis yra toks:

Didumas T paskambino pusė gyvenimo, N 0 – startinis numeris radioaktyvieji branduoliai adresu t= 0. Pusinės eliminacijos laikas yra pagrindinis dydis, apibūdinantis radioaktyvaus skilimo greitį. Kuo trumpesnis pusinės eliminacijos laikas, tuo intensyvesnis irimas.

At α - Ir β -radioaktyvus irimas, dukterinis branduolys taip pat gali tapti nestabilus. Todėl serija iš eilės radioaktyvūs skilimai, kurios baigiasi stabilių branduolių susidarymu.

Branduolinės reakcijos

branduolinė reakcija yra atomo branduolio sąveikos su kitu branduoliu ar elementariąja dalele procesas, lydimas branduolio sudėties ir struktūros pasikeitimo ir antrinių dalelių išsiskyrimo arba γ - kvantai. Dėl branduolinių reakcijų gali susidaryti nauji radioaktyvūs izotopai, kurių Žemėje natūraliomis sąlygomis nėra.

Branduolinėse reakcijose tenkinami keli išsaugojimo dėsniai: impulsas, energija, kampinis momentas, krūvis. Be šių klasikiniai dėsniai branduolinių reakcijų išsaugojimas įvykdytas vadinamojo bariono krūvio išsaugojimo dėsnį(tai yra nukleonų – protonų ir neutronų – skaičius). Pavyzdžiui, bendra reakcija:

Vykdoma šias sąlygas (iš viso nukleonai prieš ir po reakcijos lieka nepakitę):

Branduolinės reakcijos energija

Branduolines reakcijas lydi energijos virsmai. Branduolinės reakcijos energijos kiekis yra toks:

Kur: M A ir M B – masės pradžios produktai, M C ir M D – galutinių reakcijos produktų masės. Vertė Δ M paskambino masės defektas. Branduolinės reakcijos gali įvykti, kai išsiskiria ( K> 0) arba su energijos absorbcija ( K < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |K|, kuris vadinamas reakcijos slenkstis.

Kad branduolinė reakcija turėtų teigiamą energijos išeigą, pradinių produktų branduoliuose nukleonų savitoji surišimo energija turi būti mažesnė specifinė energija nukleonų ryšiai galutinių produktų branduoliuose. Tai reiškia, kad vertė Δ M

Sėkmingas, kruopštus ir atsakingas šių trijų punktų įgyvendinimas leis jums pasirodyti KT puikus rezultatas, maksimaliai, ką sugebate.

Radai klaidą?

Jei manote, kad radote klaidą mokomoji medžiaga, tada prašau parašyti apie tai el. Taip pat galite pranešti apie klaidą socialiniame tinkle (). Laiške nurodykite dalyką (fizika ar matematika), temos ar testo pavadinimą arba numerį, uždavinio numerį arba vietą tekste (puslapyje), kur, jūsų nuomone, yra klaida. Taip pat aprašykite, kokia yra įtariama klaida. Jūsų laiškas neliks nepastebėtas, klaida bus arba ištaisyta, arba jums bus paaiškinta, kodėl tai nėra klaida.

Atominė fizika

fizikos šaka, tirianti atomų sandarą ir būseną. A.f. iškilo XIX amžiaus pabaigoje – XX amžiaus pradžioje. 10-aisiais. 20 a Nustatyta, kad atomas susideda iš branduolio ir elektronų, sujungtų elektros jėgomis. Pirmajame savo vystymosi etape A. f. taip pat apėmė klausimus, susijusius su atomo branduolio sandara. 30-aisiais Paaiškėjo, kad atomo branduolyje vykstančių sąveikų pobūdis kitoks nei išoriniame atomo apvalkale, o 40 m. branduolinė fizika tapo savarankiška mokslo sritimi. 50-aisiais Iš jo kilo elementarioji dalelių fizika arba didelės energijos fizika.

Atominės fizikos priešistorė: doktrina apie atomus XVII–XIX a. Idėja apie atomų, kaip nedalomų materijos dalelių, egzistavimą kilo senovėje; Pirmieji atomizmo idėjas išreiškė senovės graikų mąstytojai Demokritas ir Epikūras. XVII amžiuje juos atgaivino prancūzų filosofas P. Gassendi ir anglų chemikas R. Boyle'as.

Idėjos apie atomus, vyravusios XVII ir XVIII amžiuje, buvo menkai apibrėžtos. Atomai buvo laikomi absoliučiai nedalomomis ir nekintančiomis kietosiomis dalelėmis, kurių skirtingos rūšys skiriasi viena nuo kitos dydžiu ir forma. Atomų deriniai viena ar kita tvarka sudaro įvairius kūnus, atomų judėjimas lemia visus materijoje vykstančius reiškinius. I. Niutonas, M. V. Lomonosovas ir kai kurie kiti mokslininkai manė, kad atomai gali sulipti į sudėtingesnes daleles – „kūnelius“. Tačiau atomams nebuvo priskirta specifinė cheminė ir fizines savybes. Atomizmas vis dar turėjo abstraktų, natūralų filosofinį pobūdį.

XVIII amžiaus pabaigoje – XIX amžiaus pradžioje. Dėl spartaus chemijos vystymosi atsirado pagrindas kiekybinis vystymasis atominė doktrina. Anglų mokslininkas J. Daltonas pirmasis (1803 m.) laikė atomą mažiausia cheminio elemento dalele, savo mase besiskiriančia nuo kitų elementų atomų. Pasak Daltono, pagrindinė atomo savybė yra jo atominė masė. Cheminiai junginiai yra „sudėtinių atomų“ rinkinys, kuriame yra tam tikri (būdingi tam tikram sudėtinga medžiaga) kiekvieno elemento atomų skaičius. Visos cheminės reakcijos yra tik atomų persitvarkymas į naujas sudėtingas daleles. Remdamasis šiomis nuostatomis, Daltonas suformulavo savo kelių santykio dėsnį (žr. Kelių santykių dėsnį). Italų mokslininkų A. Avogadro (1811) ir ypač S. Cannizzaro (1858) tyrimai nubrėžė aiškią ribą tarp atomo ir molekulės. XIX amžiuje kartu su cheminės savybės atomų, buvo tiriamos jų optinės savybės. Nustatyta, kad kiekvienas elementas turi būdingą optinį spektrą; buvo atrasta spektrinė analizė (vokiečių fizikai G. Kirchhoff ir R. Bunsen, 1860).

Taigi atomas pasirodė kaip kokybiškai unikali medžiagos dalelė, pasižyminti griežtai apibrėžtomis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis. Tačiau atomo savybės buvo laikomos amžinomis ir nepaaiškinamomis. Buvo manoma, kad atomų (cheminių elementų) tipų skaičius yra atsitiktinis ir tarp jų nėra jokio ryšio. Tačiau pamažu tapo aišku, kad yra elementų grupių, turinčių vienodas chemines savybes – tą patį maksimalų valentingumą ir panašius fizikinių savybių kitimo dėsnius (perėjus iš vienos grupės į kitą) – lydymosi temperatūrą, gniuždomumą ir kt. 1869 m. D. I. Mendelejevas atrado periodinės elementų sistemos sistemą (Žr. Periodinė elementų lentelė). Jis parodė, kad didėjant elementų atominei masei, jų cheminės ir fizinės savybės periodiškai kartojasi ( ryžių. 1 Ir 2 ).

Periodinė lentelė įrodė ryšių tarp skirtingų tipų atomų egzistavimą. Išvada buvo tokia, kad atomas turi sudėtinga struktūra, keičiasi su atominė masė. Atomo sandaros atskleidimo problema tapo svarbiausia chemijoje ir fizikoje (plačiau žr. Atomizmas).

Atominės fizikos atsiradimas. Pagrindiniai įvykiai Moksle, iš kurio kilo atominė teorija, buvo elektronų ir radioaktyvumo atradimai. Tiriant ištrauką elektros srovė per labai išretintas dujas buvo aptikti spinduliai, skleidžiami iš išlydžio vamzdžio katodo (katodiniai spinduliai) ir turintys savybę būti nukreipti skersinėje elektros ir magnetiniai laukai. Paaiškėjo, kad šie spinduliai susideda iš greitai judančių neigiamą krūvį turinčių dalelių, vadinamų elektronais. 1897 metais anglų fizikas J. J. Thomson išmatavo įkrovos santykį ešių dalelių iki jų masės m. Taip pat buvo atrasta, kad metalai, intensyviai kaitinami arba apšviesti trumpo bangos ilgio šviesa, išskiria elektronus (žr. Termioninė emisija, Fotoelektronų emisija). Iš to buvo padaryta išvada, kad elektronai yra bet kurio atomo dalis. Iš čia toliau seka, kad neutraliuose atomuose taip pat turi būti teigiamai įkrautų dalelių. Teigiamai įkrauti atomai – jonai – iš tiesų buvo atrasti atliekant tyrimus elektros iškrovos retintose dujose. Atomo kaip įkrautų dalelių sistemos idėją paaiškino pagal olandų fiziko H. Lorentzo teoriją. , pati atomo galimybė skleisti šviesą (elektromagnetines bangas): elektromagnetinė spinduliuotė atsiranda, kai svyruoja atominiai krūviai; tai patvirtino tiriant magnetinio lauko poveikį atomų spektrams (žr. Zeemano fenomeną). Paaiškėjo, kad intraatominių elektronų krūvio ir jų masės santykis e/m, rastas Lorentzas savo Zemano fenomeno teorijoje, yra lygiai lygus vertei e/m laisviesiems elektronams, gautiems Thomsono eksperimentuose. Elektronų teorija ir jos eksperimentinis patvirtinimas suteikė neginčijamų atomo sudėtingumo įrodymų.

Atomo nedalomumo ir nekeičiamumo idėją galutinai paneigė prancūzų mokslininkų M. Sklodowska-Curie (žr. Sklodowska-Curie) ir P. Curie (žr. Curie-Sklodowska) darbai. . Ištyrus radioaktyvumą, buvo nustatyta (F. Soddy) , kad atomai patiria dviejų tipų virsmus. Išskyręs alfa dalelę (helio joną, kurio teigiamas krūvis yra 2 e), radioaktyvaus cheminio elemento atomas virsta kito elemento, esančio periodinės lentelės 2 langelyje kairėje, atomu, pavyzdžiui, polonio atomas virsta švino atomu. Išspinduliuojant neigiamo krūvio beta dalelę (elektroną) e, radioaktyvaus cheminio elemento atomas virsta elemento, esančio 1 ląstele į dešinę, atomu, pavyzdžiui, bismuto atomas virsta polonio atomu. Dėl tokių transformacijų susidariusio atomo masė kartais pasirodydavo skirtinga nuo elemento, į kurio ląstelę jis pateko, atominės masės. Tai reiškė, kad egzistuoja to paties cheminio elemento atomų atmainos skirtingos masės; šios atmainos vėliau buvo vadinamos izotopais (t. y. užėmė tą pačią vietą periodinėje lentelėje). Taigi, idėja apie absoliutų visų tam tikro cheminio elemento atomų tapatumą pasirodė neteisinga.

Elektronų savybių ir radioaktyvumo tyrimo rezultatai leido sukurti konkrečius atomo modelius. 1903 m. Thomsono pasiūlytame modelyje atomas buvo pavaizduotas kaip teigiamai įkrauta sfera, kurioje maži (palyginti su atomu) neigiami elektronai ( ryžių. 3 ).

Jie laikomi atome dėl to, kad jų paskirstyto teigiamo krūvio traukos jėgos yra subalansuotos jų tarpusavio atstūmimo jėgomis. Thomson modelis pateikė gerai žinomą atomo šviesos išskyrimo, sklaidos ir sugerties paaiškinimą. Kai elektronai išstumiami iš pusiausvyros padėties, atsiranda „elastinga“ jėga, linkusi atkurti pusiausvyrą; ši jėga yra proporcinga elektrono poslinkiui iš pusiausvyros padėtis ir todėl dipolio momentas(žr. dipolio momentą) atomas. Veikiami krentančios elektromagnetinės bangos elektrinių jėgų, elektronai atome svyruoja tokiu pat dažniu kaip elektros intensyvumasšviesos bangoje; Svyruojantys elektronai savo ruožtu skleidžia tokio paties dažnio šviesą. Taip elektromagnetines bangas išsklaido medžiagos atomai. Pagal šviesos pluošto susilpnėjimo laipsnį medžiagos storyje galite sužinoti bendrą sklaidančių elektronų skaičių, o žinant atomų skaičių tūrio vienete, galite nustatyti elektronų skaičių kiekviename atome.

Rutherfordo sukurtas planetinis atomo modelis. Tomsono atomo modelis pasirodė nepatenkinamas. Jos pagrindu nepavyko paaiškinti visiškai netikėto anglų fiziko E. Rutherfordo ir jo bendradarbių H. Geigerio ir E. Marsdeno eksperimentų, susijusių su alfa dalelių sklaida atomais, rezultato. Šiuose eksperimentuose greitos α dalelės buvo naudojamos tiesiogiai zonduoti atomus. Praeidamos per materiją, alfa dalelės susiduria su atomais. Su kiekvienu susidūrimu α-dalelė, skrisdama per atomo elektrinį lauką, keičia judėjimo kryptį – patiria sklaidą. Daugumoje sklaidos įvykių α-dalelių nuokrypiai (sklaidos kampai) buvo labai maži. Todėl, kai α-dalelių pluoštas praeina plonas sluoksnis medžiaga, tik šiek tiek susiliejo spindulys. Tačiau labai maža α dalelių dalis buvo nukreipta didesniu nei 90 ° kampu. Šio rezultato nepavyko paaiškinti remiantis Tomsono modeliu, nes elektrinis laukas „kietajame“ atome nėra pakankamai stiprus, kad nukreiptų greitą ir masyvią α dalelę dideliu kampu. Siekdamas paaiškinti α dalelių sklaidos eksperimentų rezultatus, Rutherfordas pasiūlė iš esmės naują atomo modelį, savo struktūra primenantį. saulės sistema ir vadinamas planetiniu. Tai atrodo taip: Atomo centre yra teigiamai įkrautas branduolys, kurio matmenys (Atominė fizika 10 -12 cm) yra labai maži, palyginti su atomo dydžiu (Atominė fizika 10–8 cm), o masė beveik lygi atomo masei. Elektronai juda aplink branduolį, kaip planetos aplink Saulę; elektronų skaičius neįkrautame (neutraliame) atome yra toks, kad jų bendras skaičius neigiamas krūvis kompensuoja (neutralizuoja) teigiamą branduolio krūvį. Elektronai turi judėti aplink branduolį, kitaip jie nukristų ant jo veikiami gravitacijos. Skirtumas tarp atomo ir planetų sistemos yra tas, kad pastarojoje veikia gravitacinės jėgos, o atome – elektrinės (Kulono) jėgos. Netoli branduolio, kurį galima laikyti taškiniu teigiamu krūviu, yra labai stiprus elektrinis laukas. Todėl, skrisdamos šalia branduolio, teigiamai įkrautos α dalelės (helio branduoliai) stipriai nukrypsta (žr. ryžių. 4 ). Vėliau buvo išsiaiškinta (G. Moseley), kad branduolio krūvis didėja nuo vieno cheminio elemento į kitą elementarus vienetasįkrauti, lygus krūviui elektronas (bet su teigiamas ženklas). Skaitmeniškai atomo branduolio krūvis, išreikštas elementariojo krūvio e vienetais, yra lygus serijos numeris atitinkamą elementą periodinėje lentelėje.

Norėdami išbandyti planetų modelį, Rutherfordas ir jo bendradarbis Charlesas Darwinas apskaičiavo α dalelių kampinį pasiskirstymą, išsklaidytą taškinio branduolio – Kulono jėgų centro. Gautas rezultatas buvo patikrintas eksperimentiškai – išmatuojant skirtingais kampais išsibarsčiusių α dalelių skaičių. Eksperimento rezultatai tiksliai sutapo su teoriniais skaičiavimais, taip puikiai patvirtindami Rutherfordo planetinį atomo modelį.

Tačiau planetinis atomo modelis susidūrė su esminiais sunkumais. Pagal klasikinę elektrodinamiką, įkrauta dalelė, judanti su pagreičiu, nuolat skleidžia elektromagnetinę energiją. Todėl elektronai, judėdami aplink branduolį, ty įsibėgėję, turėtų nuolat prarasti energiją per spinduliuotę. Tačiau tuo pat metu per nežymią sekundės dalį jie prarastų visą savo kinetinę energiją ir nukristų į šerdį. Kitas sunkumas, taip pat susijęs su spinduliuote, buvo toks: jei darysime prielaidą (pagal klasikinę elektrodinamiką), kad elektrono skleidžiamos šviesos dažnis yra lygus elektrono virpesių dažniui atome (t. y. skaičiui). apsisukimų, kuriuos jis savo orbitoje padaro per vieną sekundę) arba turi jo kartotinį, tuomet skleidžiama šviesa, elektronui artėjant prie branduolio, turėtų nuolat keisti savo dažnį, o jo skleidžiamos šviesos spektras – nepertraukiamas. Tačiau tai prieštarauja patirčiai. Atomas skleidžia šviesos bangos tiksliai apibrėžtus dažnius, būdingus tam tikram cheminiam elementui, ir jam būdingas spektras, susidedantis iš atskirų spektro linijų – linijų spektras. Elementų linijiniuose spektruose eksperimentiškai buvo nustatyta nemažai dėsningumų, iš kurių pirmąjį vandenilio spektre atrado šveicarų mokslininkas I. Balmeris (1885). Bendriausią modelį – derinimo principą – rado austrų mokslininkas W. Ritzas (1908). Šį principą galima suformuluoti taip: kiekvieno elemento atomams galima rasti skaičių seką T 1 ,T 2 ,T 3,... - vadinamasis spektriniai terminai, tokie, kad dažnis v kiekviena tam tikro elemento spektrinė linija išreiškiama kaip dviejų dėmenų skirtumas: v = T k -T i . Vandenilio atomui terminas Tn = R/n 2, Kur n- sveikasis skaičius imant reikšmę n= 1, 2, 3,..., a R- vadinamasis Rydbergo konstanta (žr. Rydbergo konstanta).

Taigi pagal Rutherfordo atomo modelį nebuvo galima paaiškinti atomo stabilumo radiacijos atžvilgiu ir jo spinduliavimo linijinių spektrų. Jos pagrindu nebuvo galima paaiškinti nei šiluminės spinduliuotės dėsnių, nei fotoelektrinių reiškinių, atsirandančių radiacijai sąveikaujant su medžiaga, dėsnių. Paaiškėjo, kad šiuos dėsnius galima paaiškinti remiantis visiškai naujomis kvantinėmis sąvokomis, kurias pirmasis pristatė vokiečių fizikas M. Planckas (1900). Norėdamas išvesti energijos pasiskirstymo šiluminės spinduliuotės spektre dėsnį – spinduliuotę iš įkaitusių kūnų – Planckas pasiūlė, kad medžiagos atomai išspinduliuotų elektromagnetinę energiją (šviesą) atskirų dalių – šviesos kvantų, kurių energija proporcinga v(spinduliavimo dažnis): E = hv, Kur h- kvantinės teorijos konstanta ir vadinama Planko konstanta (žr. Planko konstantą). 1905 metais A. Einšteinas pateikė kvantinį fotoelektrinių reiškinių paaiškinimą, pagal kurį kvanto energija hv eina išplėšti elektroną iš metalo - Darbo funkcija R - ir perduoti jam kinetinę energiją T giminės; hv = R+ Tkinas. Tuo pat metu Einšteinas pristatė šviesos kvantų, kaip ypatingos dalelių rūšies, sampratą; vėliau šios dalelės buvo vadinamos fotonais.

Paaiškėjo, kad Rutherfordo modelio prieštaravimus galima išspręsti tik atsisakius daugelio įprastų klasikinės fizikos koncepcijų. Svarbiausią žingsnį kuriant atomo teoriją padarė danų fizikas N. Bohras (1913).

Bohro postulatai ir Boro atominis modelis. Bohras padėjo atomo kvantinės teorijos pagrindus dviem postulatais, apibūdinančiais tas atomo savybes, kurios netilpo į klasikinės fizikos rėmus. Šie Bohro postulatai gali būti suformuluoti taip:

1. Stacionarių būsenų buvimas. Atomas nespinduliuoja ir yra stabilus tik kai kuriose stacionariose (laiko nekintamose) būsenose, atitinkančiose diskrečią (nepertraukiamą) „leidžiamų“ energijos verčių seriją. E 1 , E 2 , E 3 , E 4,... Bet koks energijos pokytis yra susijęs su kvantiniu (šuoliu) perėjimu iš vienos stacionarios būsenos į kitą.

2. Sąlyga spinduliavimo dažniams (kvantiniai perėjimai su spinduliuote). Pereinant iš vienos stacionarios būsenos su energija E aš į kitą su energija E k atomas skleidžia arba sugeria tam tikro dažnio šviesą v spinduliuotės kvanto (fotono) pavidalu hv, pagal santykį hv = E i – E k. Išspinduliuojant atomas išeina iš būsenos su didesne energija E i į būseną su žemesne energija E k , kai absorbuojamas, priešingai, iš mažesnės energijos būsenos E k į būseną su didesne energija E i.

Bohro postulatai iš karto leidžia suprasti fizinę reikšmę Ritz derinio principas (žr. aukščiau); santykių palyginimas hv = E i – E k ir v = T k -T i rodo, kad spektriniai terminai atitinka stacionarias būsenas, o pastarųjų energija turi būti lygi (iki pastovaus termino) E aš = -hT i , E k = -hT k.

Išspinduliuojant arba sugeriant šviesą, pasikeičia atomo energija, kuri yra lygi skleidžiamo arba sugerto fotono energijai, t.y., vyksta energijos tvermės dėsnis. Atomo linijų spektras yra diskretiškumo rezultatas galimas vertes jo energija.

Norėdami nustatyti leistinas atomo energijos reikšmes - jo energijos kvantavimą - ir rasti atitinkamų stacionarių būsenų charakteristikas, Bohras naudojo klasikinę (niutono) mechaniką. „Jeigu apskritai norime suformuoti vizualinį stacionarių būsenų vaizdą, bent jau kol kas neturime kitų priemonių, išskyrus įprastą mechaniką“, – rašė Bohras 1913 m. („Trys straipsniai apie atomų spektrus ir struktūrą“, M.- L., 1923, p. 22). Paprasčiausiam atomui - vandenilio atomas, susidedantis iš branduolio su krūviu + e(protonas) ir elektronas su krūviu - e, Bohras svarstė elektrono judėjimą aplink branduolį žiedinėmis orbitomis. Atomo energijos palyginimas E su spektriniais terminais Tn = R/n 2 vandenilio atomui, kuris buvo labai tiksliai nustatytas iš jo spektrinių linijų dažnių, jis gavo galimas atomo energijos reikšmes E n= -hT n = -hR/n 2(kur n= 1, 2, 3,...). Jie atitinka apskritimo spindulio orbitas a n = a 0 n 2, Kur a 0 = 0,53 · 10 -8 cm - Boro spindulys - mažiausios apskritimo orbitos spindulys (at n= 1). Boras apskaičiavo cirkuliacijos dažnius v elektronas aplink branduolį apskritimo orbitomis, priklausomai nuo elektrono energijos. Paaiškėjo, kad atomo skleidžiamos šviesos dažniai nesutampa su apsisukimų dažniais v n pagal poreikį klasikinė elektrodinamika, ir yra proporcingi pagal ryšį hv = E i – E k, elektronų energijų skirtumas dviejose galimose orbitose.

Norėdamas rasti ryšį tarp elektrono orbitos dažnio ir spinduliavimo dažnio, Bohras padarė prielaidą, kad kvantinių ir klasikinių teorijų rezultatai turi sutapti esant žemiems spinduliavimo dažniams (ilgiems bangos ilgiams; toks sutapimas pasitaiko šiluminei spinduliuotei, kurios dėsniai buvo išvedė Planckas). Jis prilygo dideliam n perėjimo dažnis v = (E n+1 – E n)/ h cirkuliacijos dažnis v n orbitoje su duomenimis n ir apskaičiavo vertę Rydbergo konstanta R, kuris labai tiksliai sutapo su verte R, rasta iš patirties, kuri patvirtino Bohro prielaidą. Bohras taip pat sugebėjo ne tik paaiškinti vandenilio spektrą, bet ir įtikinamai parodyti, kad kai kurios spektro linijos, kurios buvo priskirtos vandeniliui, priklauso heliui. Bohro prielaida, kad kvantinių ir klasikinių teorijų rezultatai turėtų sutapti ribiniu žemų spinduliuotės dažnių atveju, buvo pradinė vadinamųjų formų forma. atitikimo principas. Vėliau Bohras sėkmingai jį panaudojo spektrinių linijų intensyvumui rasti. Kaip parodė šiuolaikinės fizikos raida, korespondencijos principas pasirodė esąs labai bendras (žr. Korespondencijos principas) .

Bohro atomo teorijoje energijos kvantavimas, t.y. galimų jos verčių radimas, pasirodė ypatingas atvejis. bendras metodas„leistinų“ orbitų radimas. Pagal kvantinę teoriją, tokios orbitos yra tik tos, kurių kampinis elektrono impulsas atome yra lygus sveikajam kartotiniam h/2π. Kiekviena leistina orbita atitinka tam tikrą galimą atomo energijos reikšmę (žr. Atomas).

Pagrindinės atomo kvantinės teorijos nuostatos – 2 Boro postulatai – buvo visapusiškai patvirtintos eksperimentiškai. Ypač aiškų patvirtinimą pateikė vokiečių fizikų J. Frank ir G. Hertz (1913-16) eksperimentai. Šių eksperimentų esmė tokia. Elektronų srautas, kurio energiją galima valdyti, patenka į indą, kuriame yra gyvsidabrio garų. Elektronams suteikiama energija, kuri palaipsniui didėja. Didėjant elektronų energijai, galvanometro srovė prijungta prie elektros grandinė, dideja; kai elektrono energija pasirodo lygi tam tikroms reikšmėms (4.9; 6.7; 10.4 ev), srovė smarkiai krenta ( ryžių. 5 ). Tuo pačiu metu galima pastebėti, kad išsiskiria gyvsidabrio garai ultravioletiniai spinduliai tam tikras dažnis.

Pateikti faktai leidžia interpretuoti tik vieną. Nors elektronų energija yra mažesnė nei 4,9 ev, elektronai nepraranda energijos susidūrę su gyvsidabrio atomais – susidūrimai yra tamprios prigimties. Kai paaiškėja, kad energija yra lygi tam tikrai vertei, lygiai 4,9 ev, elektronai perduoda savo energiją gyvsidabrio atomams, kurie vėliau ją išspinduliuoja ultravioletinės šviesos kvantų pavidalu. Skaičiavimas rodo, kad šių fotonų energija yra lygi energijai, kurią elektronai praranda. Šie eksperimentai įrodė, kad vidinė atomo energija gali turėti tik tam tikrą diskrečiųjų vertybių, kad atomas sugeria energiją iš išorės ir iš karto ją išspinduliuoja visais kvantais ir kad galiausiai atomo skleidžiamos šviesos dažnis atitinka atomo prarastą energiją.

Tolesnė A. f. plėtra. parodė Boro postulatų galiojimą ne tik atomams, bet ir kitoms mikroskopinėms sistemoms – molekulėms ir atomų branduoliams. Šie postulatai turėtų būti laikomi tvirtai nusistovėjusiais eksperimentiniais kvantiniai dėsniai. Jie sudaro tą Boro teorijos dalį, kuri buvo ne tik išsaugota toliau plėtojant kvantinę teoriją, bet ir gavusi jos pagrindimą. Kitokia situacija yra su Bohro atomo modeliu, kuris pagrįstas elektronų judėjimo atome įvertinimu pagal klasikinės mechanikos dėsnius, nustačius papildomas kvantavimo sąlygas. Šis metodas leido gauti daug svarbių rezultatų, tačiau buvo nenuoseklus: kvantiniai postulatai buvo dirbtinai prijungti prie klasikinės mechanikos dėsnių. Nuosekli teorija buvo sukurta XX a. 20 a Kvantinė mechanika . Jo kūrimui parengė tolesnė modelio Boro teorijos koncepcijų plėtra, kurios metu paaiškėjo jos stipriosios ir silpnosios pusės.

Bohro modelio atomo teorijos kūrimas. Labai svarbus rezultatas Bohro teorija buvo vandenilio atomo spektro paaiškinimas. Tolimesnį žingsnį plėtojant atomų spektrų teoriją žengė vokiečių fizikas A. Sommerfeldas. Išsamiau sukūrę kvantavimo taisykles, pagrįstas sudėtingesniu elektronų judėjimo atome (elipsinėmis orbitomis) vaizdu ir atsižvelgiant į išorinio (vadinamojo valentinio) elektrono atranką. branduolį ir vidinius elektronus, jis sugebėjo paaiškinti daugybę šarminių metalų spektrų modelių.

Bohro atominė teorija taip pat nušvietė vadinamųjų struktūrą. būdingi rentgeno spinduliuotės spektrai. Atomų rentgeno spindulių spektrai, kaip ir jų optiniai spektrai, turi atskirą linijinę struktūrą, būdingą tam tikram elementui (taigi ir pavadinimas). Tyrinėdamas įvairių elementų būdingus rentgeno spindulių spektrus, anglų fizikas G. Moseley atrado tokį modelį: skleidžiamų linijų dažnių kvadratinės šaknys tolygiai didėja nuo elemento iki elemento visoje Mendelejevo periodinėje sistemoje proporcingai atominiam skaičiui. elementas. Įdomu tai, kad Moseley dėsnis visiškai patvirtino Mendelejevo teisingumą, kai kuriais atvejais jis pažeidė elementų išdėstymo lentelėje pagal didėjantį atominį svorį principą ir kai kuriuos sunkesnius elementus išdėstė prieš lengvesnius.

Remiantis Boro teorija, buvo galima paaiškinti atomų savybių periodiškumą. Sudėtingame atome susidaro elektronų apvalkalai, kurie nuosekliai užpildomi, pradedant nuo vidinės dalies, tam tikru elektronų skaičiumi (fizinė apvalkalų susidarymo priežastis paaiškėjo tik remiantis Pauli principu, žr. toliau). Išorinių elektronų apvalkalų struktūra kartojasi periodiškai, o tai lemia toje pačioje grupėje esančių elementų cheminių ir daugelio fizikinių savybių periodinį pakartojamumą. Periodinė elementų lentelė. Remdamasis Bohro teorija, vokiečių chemikas W. Kossel paaiškino (1916) chemines sąveikas vadinamojoje. heteropolinės molekulės.

Tačiau ne visi atominės teorijos klausimai gali būti paaiškinti remiantis modeliinėmis Boro teorijos koncepcijomis. Jis nesusidorojo su daugeliu spektrų teorijos problemų, o tai leido gauti tik teisingas vandenilio atomo ir į vandenilį panašių atomų spektrinių linijų reikšmes, tačiau šių linijų intensyvumas liko nepaaiškinamas; Bohr turėjo taikyti korespondencijos principą, kad paaiškintų intensyvumą.

Bandydamas paaiškinti elektronų judėjimą sudėtingesniuose nei vandenilio atomuose, Bohro modelio teorija atsidūrė aklavietėje. Jau helio atomas, kuriame aplink branduolį juda 2 elektronai, nepasidavė teorinis aiškinimas remiantis juo. Sunkumai neapsiribojo kiekybiniais neatitikimais su patirtimi. Teorija taip pat pasirodė bejėgė sprendžiant tokią problemą kaip atomų sujungimas į molekulę. Kodėl 2 neutralūs vandenilio atomai susijungia ir sudaro vandenilio molekulę? Kaip galime paaiškinti valentingumo prigimtį? Kas jungia atomus kietas? Šie klausimai liko neatsakyti. Bohro modelio rėmuose nebuvo įmanoma rasti požiūrio, kaip juos išspręsti.

Kvantinė mechaninė atomo teorija. Bohro atomo modelio apribojimai buvo įsišakniję klasikinių idėjų apie mikrodalelių judėjimą apribojimais. Tapo aišku, kad tolesniam atominės teorijos vystymuisi būtina kritiškai persvarstyti pagrindines mikrodalelių judėjimo ir sąveikos sąvokas. Nepatenkinamą modelio, paremto klasikine mechanika pridedant kvantavimo sąlygas, pobūdį aiškiai suprato pats Bohras, kurio pažiūros turėjo didelę įtaką tolimesnis vystymas A.f. Naujo A. f raidos etapo pradžia. įkvėpė prancūzų fiziko L. de Broglie (1924) išsakyta mintis apie dvilypį mikroobjektų, ypač elektrono, judėjimo pobūdį (žr. De Broglie bangas). Ši idėja tapo atspirties tašku kvantinei mechanikai (žr. Quantum mechanics), sukurtą 1925–26 W. Heisenbergo ir M. Borno (Vokietija), E. Schrödingerio (Austrija) ir P. Dirako (Anglija) darbais, jos pagrindu sukurta šiuolaikinė kvantinė mechaninė atomo teorija.

Kvantinės mechanikos sampratos apie elektrono (apskritai mikrodalelių) judėjimą iš esmės skiriasi nuo klasikinių. Pagal kvantinę mechaniką elektronas nejuda trajektorija (orbita) kaip vientisas rutulys; Elektrono judėjimas turi ir kai kurių bangų sklidimui būdingų bruožų. Viena vertus, elektronas visada veikia (pavyzdžiui, susidūrimų metu) kaip vientisa visuma, kaip dalelė, turinti nedalomą krūvį ir masę; tuo pačiu metu tam tikros energijos ir impulso elektronai sklinda kaip plokštuminė banga tam tikru dažniu (ir tam tikru bangos ilgiu). Elektronų energija E Kaip dalelės yra susijusios su dažniu? v elektronų banga santykis: E=hv, ir jo impulsas R - su bangos ilgiu λ santykis: р = h/λ.

Stabilūs elektrono judesiai atome, kaip parodė Schrödingeris (1926), kai kuriais atžvilgiais yra panašūs į stovinčias bangas (žr. , kurių amplitudės skirtinguose taškuose yra skirtingos. Be to, atome, kaip ir svyravimo sistema, galimi tik kai kurie „pasirinkti“ judesiai su tam tikromis energijos vertėmis, kampiniu momentu ir elektrono kampinio momento projekcija atome. Kiekviena stacionari atomo būsena aprašoma naudojant kai kuriuos bangos funkcija(Žr. bangų funkciją) , kuris yra sprendimas bangos lygtis specialus tipas – Šriodingerio lygtis; Bangos funkcija atitinka „elektronų debesį“, kuris apibūdina (vidutiniškai) elektronų krūvio tankio pasiskirstymą atome (žr. , čia pat ryžių. 3 parodytos vandenilio atomo „elektronų debesų“ projekcijos). 20-30 m. Buvo sukurti apytiksliai elektronų krūvio tankio pasiskirstymo kompleksiniuose atomuose skaičiavimo metodai, ypač Thomas-Fermi metodas (1926, 1928). Ši vertė ir su ja susijusi vadinamoji vertė. atominis faktorius (žr. Atominis faktorius) svarbios tiriant elektronų susidūrimus su atomais, taip pat sklaidą jais rentgeno spinduliai.

Remiantis kvantine mechanika, buvo galima teisingai apskaičiuoti elektronų energijas sudėtinguose atomuose, išsprendus Šriodingerio lygtį. Apytikslius tokių skaičiavimų metodus 1928 metais sukūrė D. Hartree (Anglija), o 1930 metais – V. A. Fockas (SSRS). Atominių spektrų tyrimai visiškai patvirtino kvantinę mechaninę atomo teoriją. Paaiškėjo, kad elektrono būsena atome labai priklauso nuo jo sukinio - savo mechaninį impulso momentą. Pateiktas išorinių elektrinių ir magnetinių laukų poveikio atomui paaiškinimas (žr. Starko fenomeną (Žr. Starko efektą), Zeeman fenomeną). Svarbu bendras principas, susietą su elektronų sukimu, atrado šveicarų fizikas W. Pauli (1925) (žr. Pauli principą), pagal šį principą atome kiekvienoje elektroninėje būsenoje gali būti tik vienas elektronas; Jeigu šią būseną jau yra užimtas kažkokio elektrono, tada paskesnis elektronas, patekęs į atomo sudėtį, yra priverstas užimti kitą būseną. Remiantis Pauli principu, galiausiai buvo nustatyti elektronų apvalkalų užpildymo skaičiai sudėtinguose atomuose, kurie lemia elementų savybių periodiškumą. Remdamiesi kvantine mechanika, vokiečių fizikai W. Heitleris ir F. Londonas (1927) pateikė teoriją apie vadinamąją. dviejų identiškų atomų (pavyzdžiui, vandenilio atomų H 2 molekulėje) homeopolinis cheminis ryšys, kurio negalima paaiškinti Bohro atomo modelio rėmuose.

Svarbūs kvantinės mechanikos pritaikymai 30-aisiais. o vėliau buvo studijos surišti atomai, įtrauktas į molekulę arba kristalą. Atomo, kuris yra molekulės dalis, būsenos labai skiriasi nuo laisvo atomo būsenų. Atomas taip pat patiria reikšmingų pokyčių kristale, veikiamas intrakristalinio lauko, kurio teoriją pirmasis sukūrė H. Bethe (1929). Ištyrus šiuos pokyčius, galima nustatyti atomo sąveikos su aplinka pobūdį. Didžiausias eksperimentinis laimėjimas šioje srityje A. E. K. Zavoisky atrado elektronų paramagnetinį rezonansą (žr. , kurie leido ištirti įvairius atomų ryšius su aplinka.

Šiuolaikinė atominė fizika. Pagrindiniai skyriai šiuolaikinės A. f. yra atomų teorija, atominė (optinė) spektroskopija, rentgeno spektroskopija, radiospektroskopija (taip pat tiria molekulių sukimosi lygius), atomų ir joninių susidūrimų fizika. Įvairios spektroskopijos šakos apima skirtingi diapazonai spinduliavimo dažnius ir atitinkamai skirtingus kvantinių energijų diapazonus. Rentgeno spindulių spektroskopija tiria atomų, kurių kvantinė energija siekia iki šimtų tūkstančių, spinduliuotę. ev, radijo spektroskopija nagrinėja labai mažus kvantus – iki mažesnių nei 10–6 ev.

Svarbiausias A. f uždavinys. - detalus visų atominių būsenų charakteristikų nustatymas. Mes kalbame apie galimų atomo energijos verčių nustatymą - jo energijos lygius, kampinio momento vertes ir kitus dydžius, apibūdinančius atomo būsenas. Tiriamos smulkiosios ir hipersmulkiosios energijos lygių struktūros (žr. Atominiai spektrai) , energijos lygių pokyčiai veikiant elektriniams ir magnetiniams laukams – tiek išoriniams, makroskopiniams, tiek vidiniams, mikroskopiniams. Didelę reikšmę turi tokia atominių būsenų charakteristika, kaip elektrono gyvavimo laikas energijos lygyje. Galiausiai daug dėmesio skiriama atominių spektrų sužadinimo mechanizmui.

Skirtingų fizikos skyrių tiriamų reiškinių sritys sutampa. Rentgeno spindulių spektroskopija, matuojant rentgeno spindulių emisiją ir sugertį, leidžia daugiausia nustatyti vidinių elektronų surišimo su atomo branduoliu energijas (jonizacijos energiją) ir elektrinio lauko pasiskirstymą atomo viduje. Optinė spektroskopija tiria atomų skleidžiamus spektro linijų rinkinius, nustato atomų energijos lygių charakteristikas, spektrinių linijų intensyvumą ir su tuo susietą atomo gyvavimo trukmę sužadintose būsenose, smulkiąją energijos lygių struktūrą, jų poslinkį ir skilimą elektrinėje ir magnetinėje. laukai. Radiospektroskopija detaliai tiria spektrinių linijų plotį ir formą, jų itin smulkią struktūrą, poslinkį ir skilimą magnetiniame lauke ir apskritai vidinius atominius procesus, kuriuos sukelia labai silpnos sąveikos ir aplinkos poveikis.

Greitųjų elektronų ir jonų susidūrimų su atomais rezultatų analizė leidžia gauti informacijos apie elektronų krūvio tankio pasiskirstymą („elektronų debesis“) atomo viduje, apie atomo sužadinimo energijas, jonizacijos energijas.

Išsamaus atomų sandaros tyrimo rezultatai plačiausiai pritaikomi ne tik daugelyje fizikos šakų, bet ir chemijoje, astrofizikoje ir kitose mokslo srityse. Remiantis spektrinių linijų platėjimo ir poslinkio tyrimais, galima spręsti apie šiuos pokyčius sukeliančius vietinius laukus terpėje (skystyje, kristaluose) ir šios terpės būklę (temperatūra, tankis ir kt.). Žinios apie elektronų krūvio tankio pasiskirstymą atome ir jo pokyčius išorinės sąveikos metu leidžia numatyti tipą cheminiai ryšiai, kurį gali sudaryti atomas, jono elgsena kristalinėje gardelėje. Informacija apie atomų ir jonų energijos lygių struktūrą ir charakteristikas yra nepaprastai svarbi kvantinės elektronikos prietaisams (žr.