Atominė fizika atsirado XIX ir XX amžių sandūroje, remiantis dujų optinių spektrų tyrimais, elektrono ir radioaktyvumo atradimu. Pirmajame vystymosi etape (XX a. pirmasis ketvirtis) atominė fizika daugiausia užsiėmė atomo sandaros 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 kasdiene patirtimi, yra eksperimentiškai išbandomos atomų fizikoje. Ryškus pavyzdys 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 išdėstymas spektrines linijas. Kvantinė mechanika sujungia stebimus spektro modelius su tam tikro atomo energijos lygių sistema. 1913 metais vokiečių fizikai J. Frankas ir G. Hercas atliko eksperimentą, kuris davė tiesioginį eksperimentinis patvirtinimas neskaitant to 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 neelastiniai susidūrimai su gyvsidabrio atomais ir tt Esant 4,9 V įtampai, elektronas įgyja 4,9 eV energiją. Taigi, 1(10) kreivės forma rodo, kad gyvsidabrio atomui sužadinti reikalinga 4,9 eV energija. Akivaizdu, kad tai yra ta pati energijos dalis, kurią gyvsidabrio atomas keičia su elektronu.
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, įvedamas vektorinis dydis, 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 parodė, kad atomo magnetinis momentas 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 paprastai siejamas su elektrono sukimu aplinkui savo ašį ir vadinamas sukimosi momentu (žr. Sukimą). 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 šaka. moksline kryptimi susiję su atomų branduolių fizikos tyrimais; 40-aisiais ši kryptis tapo nepriklausoma Fiziniai mokslai- branduolinė fizika. 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, mes kalbame apie apie procesus, veikiančius 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 sugertis ir emisija elektromagnetinė radiacija(žr. Spektroskopija, rentgeno spinduliai, Fotoefektas, Lazeriai); atomų susidūrimai su laisvųjų elektronų, 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 ir virsti jonais, žr. Elektros iškrova dujose); elektronų apvalkalo sąveika skirtingi atomai, todėl susidaro molekulės ir kristalai. Visus šiuos procesus 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 lėtėjant dalelėms - dėl neigiamo krūvio dalelių gaudymo atominių branduolių Kulono lauku arba atomų elektronų gaudymo pozitronais ir antimuonais. Eksperimentai su įvairiais anomaliais atomais yra labai įdomūs tiek tiriant medžiagos savybes, tiek tiriant branduolius ir elementariąsias daleles.
2 skaidrė
3 skaidrė
4 skaidrė
A -18. 1. Paveiksle pavaizduotas D.I. Mendelejevo periodinės elementų lentelės fragmentas. Po elemento pavadinimu pateikiami jo pagrindinių stabilių izotopų masės skaičiai, esantis šalia masės skaičiaus (procentais) rodo izotopo gausumą gamtoje. Protonų skaičius ir neutronų skaičius labiausiai paplitusio boro izotopo branduolyje yra atitinkamai 1) 6 protonai, 5 neutronai 2) 10 protonų, 5 neutronai 3) 6 protonai, 11 neutronų 4) 5 protonai, 6 neutronai.
5 skaidrė
2. Paveikslėlyje parodytas nežinomos medžiagos išretėjusių atominių garų sugerties spektras (viduryje) ir žinomų elementų garų sugerties spektras (viršuje ir apačioje).
Išanalizavus spektrus galima teigti, kad nežinomoje medžiagoje yra 1) tik kalcis (Ca) 2) tik stroncis (Sr) 3) kalcis ir kita nežinoma medžiaga 4) stroncis ir kažkokia kita nežinoma medžiaga.
6 skaidrė 3. Gama spinduliuotė yra 1) helio branduolių srautas 2) protonų srautas 3) elektronų srautas 4)
elektromagnetines bangas
7 skaidrė
4. Natrio atome 2311Na yra 11 protonų, 23 neutronai ir 34 elektronai 2) 23 protonai, 11 neutronų ir 11 elektronų 3) 12 protonų, 11 neutronų ir 12 elektronų 4) 11 protonų, 11 neutronų
8 skaidrė
5. Kokį krūvį Z ir masės skaičių A turės elemento, gauto iš izotopo branduolio po vieno α skilimo ir vieno elektrono β skilimo, branduolys?
6. Atomo branduolyje yra 10 neutronų ir 9 protonai, aplink jį sukasi 8 elektronai. Ši dalelių sistema yra fluoro jonas 2) neono jonas 3) fluoro atomas 4) neono atomas
10 skaidrė
7. Debesų kameroje, įdėtoje į išorinį magnetinį lauką taip, kad magnetinio lauko vektorius būtų nukreiptas statmenai paveikslo plokštumai į mus, buvo nufotografuoti 2 dalelių pėdsakai Kuris iš takelių gali priklausyti α-. dalelė 1) tik 1-oji 2) tik 2-oji 3) 1-oji ir 2-oji 4) nė viena iš aukščiau paminėtų
11 skaidrė
8. Debesų kameroje, įdėtoje į išorinį magnetinį lauką taip, kad magnetinio lauko vektorius būtų nukreiptas statmenai piešinio plokštumai į mus, nufotografuoti 2 dalelių pėdsakai. Kuris iš takelių gali priklausyti elektronui?
1) tik 1-oji 2) tik 2-oji 3) 1-oji ir 2-oji 4) nė vienas iš aukščiau paminėtų
12 skaidrė
9. α spinduliuotė yra 1) helio branduolių srautas 2) protonų srautas 3) elektronų srautas 4) elektromagnetinės bangos
13 skaidrė 10. Detektorius radioaktyvioji spinduliuotė
dedama į uždarą kartoninę dėžę, kurios sienelės storis ≈ 1 mm. Kokią spinduliuotę jis gali aptikti?
1) α ir β 2) α ir Ƴ 3) β ir Ƴ 4) α, β,Ƴ
14 skaidrė
11. Kokia jonizuojančiosios spinduliuotės rūšis iš toliau išvardytų yra pavojingiausia žmogaus išoriniam apšvitinimui?
1) alfa spinduliuotė 2) beta spinduliuotė 3) gama spinduliuotė 4) visi vienodai pavojingi
15 skaidrė 12. Dėl elemento, kurio krūvis skaičius Z, atomo branduolio elektroninio β-skilimo, elemento, kurio krūvio skaičius yra 1) Z – 2 2) Z + 1 3) Z – atomo branduolys. 1 4) Gaunamas Z + 2 16 skaidrė
13. Kuriuose iš šių branduolinės spinduliuotės fiksavimo prietaisų greitai įkraunamos dalelės praėjimas sukelia impulsą?
elektros srovė
dujose?
1) Geigerio skaitiklyje 2) debesų kameroje 3) fotografinėje emulsijoje 4) scintiliacijos skaitiklyje 17 skaidrė 14. Kaip pasikeis nukleonų skaičius radioaktyvaus elemento atomo branduolyje, jei branduolys išspinduos -kvantą?
Branduolinės fizikos tyrimai po Antrojo pasaulinio karo.
Pasibaigus karui su nacistinė Vokietija ir Japonija, SSRS branduolinės fizikos srities tyrimai buvo toliau plėtojami. Jie leido Sovietų Sąjunga V trumpalaikis panaikinti JAV monopolį branduoliniams ginklams ir pradėti naudoti atominė energija pramonėje ir žemės ūkyje, medicinoje, moksle ir technikoje.
TSRS platus priekis Atliekami tyrimai tiriant atomo branduolį, branduolinių dalelių sąveiką, branduolines reakcijas, naujų elementų sintezę ir kt. Neutronų fizika ir fizika tapo savarankiškomis sritimis. branduoliniai reaktoriai ir izotopų technologija. Tyrimai reaktorių fizikos srityje, prasidėję nuo pirmųjų lėtųjų (terminių) neutronų reaktorių, pradėjo vystytis, susiję su tarpinių ir greitųjų neutronų reaktoriais, kuriuose buvo išplėstas branduolinio kuro auginimas. Atlikti šiuos tyrimus ir sprendimus taikomų problemų būtini įsisavinant fiziką branduoliniai reaktoriai, naudotas didelis skaičius vadinamieji fiziniai mazgai – reaktorių modeliai, daugybė eksperimentinių reaktorių, kuriuose nustatomos kritinės branduolinio kuro masės, neutronų srautų pasiskirstymas ir kt.
Branduolinės fizikos tyrimų metu buvo atrastos naujos elementarios dalelės, kurios pakeitė iki tol buvusį supratimą apie atomo branduolio sandarą; sukurtos teorijos, leidžiančios nuspėti kai kurias branduolinių dalelių savybes jų sąveikos metu; buvo susintetinti nauji cheminiai elementai, atrastas naujas radioaktyvumo tipas, reguliuojami tyrimai termobranduolinė sintezė. Sukurti ir sėkmingai pritaikyti unikalūs sprendimai eksperimentinės patalpos eksperimentiniams duomenims apdoroti, specialūs automatiniai ar pusiau automatiniai žiūrėjimo įrenginiai, taip pat didelės spartos elektroniniai kompiuteriai.
Pabaikime šią dalį Igorio Vasiljevičiaus Kurchatovo žodžiais: „Būtina toliau plėtoti branduolinę teorinis mokslas kad ateities branduolinės technologijos keliai būtų patikimai apšviesti. Prieš mus – sovietų mokslininkų ir inžinierių darbo pavyzdys, siekiant išspręsti atominės energijos panaudojimo iš urano ir kt. sunkūs elementai. Mūsų sėkmę šiuo klausimu daugiausia lėmė tai, kad institutuose visada buvo atkaklumas teorinis darbas apie atomo sandaros dėsnius, grandininės reakcijos dėsnius, atomo branduolio sandaros dėsnius, teorinius darbus, nulėmusius dabar mūsų šalyje besivystančios branduolinės technologijos kelią...“
Atrodė, kad ši I. V. Kurchatovo kalba apibendrino tikrai didžiulę kūrybinis darbas, padarė sovietų mokslininkai ir inžinieriai. Šį darbą šiandien tęsia daugybė mokslinių tyrimų institutų mokslininkų grupių.
Mokslininkų indėlis į branduolinės fizikos ir atominės energijos plėtrą.
1896 m. Antoine'as Henri Becquerel atrado, kad urano rūda skleidžia kažką nematomo ir turi didelę prasiskverbimo galią (vėliau šis reiškinys buvo vadinamas radioaktyvumu).
1898 m. Maria Sklodowska ir Pierre'as Curie išskyrė kelias šimtąsias gramo naujos medžiagos – elemento, išskiriančio daleles. Jie tai vadino poloniu. Tų pačių metų gruodį jie atrado naują elementą – radį.
1911 m. Ernestas Rutherfordas pasiūlė planetinis modelis atomas. Jis taip pat įrodė, kad beveik visas atomas yra sutelktas jo branduolyje.
1913 m. Nielsas Bohras sukūrė vandenilio atomo modelį ir atominės sandaros teoriją. Nuo to laiko prasidėjo spartus kvantinės mechanikos vystymasis, tikrasis branduolinės fizikos gimimas.
1932 m. Jamesas Chadwickas išsiaiškino, kad jis neturi elektros krūvis neutralus branduolinė dalelė- neutronas, ateities mikroraktas į didelio masto branduolinę energiją.
1932 metais Dmitrijus Dmitrijevičius Ivanenko pasiūlė hipotezę apie atomo branduolio sandarą iš protonų ir neutronų.
1933 m. Irène Curie ir Frédéric Joliot atrado dirbtinį beta radioaktyvumą, tai yra naują radioaktyvumo rūšį. Tai suvaidino išskirtinį vaidmenį kuriant naujus radioaktyvius elementus.
1934 m. Enrico Fermi atrado, kad kai uranas yra bombarduojamas neutronais, radioaktyvieji elementai. Italų mokslininkai juos laikė sunkesniais už uraną elementais ir pavadino juos transuranais.
1934 metais Pavelas Aleksejevičius Čerenkovas ir Sergejus Ivanovičius Vavilovas atrado vieną iš pagrindinių fizikinių reiškinių – skysčio švytėjimą, kai elektronai jame juda didesniu greičiu. fazės greitis joje.
1935 metais Igoris Vasiljevičius Kurchatovas su grupe bendradarbių atrado dirbtinių radioaktyvių atomų branduolių branduolinės izomerijos reiškinį ir sukūrė šio reiškinio teoriją.
1936 metais Jakovas Iljičius Frenkelis pasiūlė lašinamas modelis branduolius ir įvedė termodinamines sąvokas į branduolio fiziką bei iškėlė pirmąją branduolio dalijimosi teoriją.
1938 metais Otto Hahnas ir F. Strassmannas, kartodami Fermio eksperimentus, atrado, kad neutronais apšvitintame urane yra elementų Dmitrijaus Ivanovičiaus Mendelejevo periodinės elementų lentelės viduryje.
1938 metais Fredericas Joliot-Curie taip pat nustatė, kad neutronui patekus į urano branduolį, branduolys suyra – skyla į du mažesnius branduolius.
1939 m. Julijus Borisovičius Kharitonas ir Jakovas Borisovičius Zeldovičius teoriškai parodė galimybę atlikti grandininę urano-235 branduolių dalijimosi reakciją.
1940 metais Georgijus Nikolajevas Flerovas ir K. A. Petržakas atrado spontaniški branduoliai urano, t.y., jie įrodė, kad urano branduoliai gali savaime skilti. Kai suskaičiavome energiją, kurią galima gauti suskaidžius 1 kg urano, paaiškėjo, kad ji yra lygi energijos kiekiui, kuris išsiskiria deginant 2 300 000 kg geriausios anglies.
1940 m. Julijus Borisovičius Kharitonas ir Jakovas Borisovičius Zeldovičius pasiūlė apskaičiuoti urano branduolių dalijimosi grandininę reakciją, taip nustatydami pagrindinę jos įgyvendinimo galimybę.
Slinkite mokslo atradimai branduolinės fizikos srityje būtų galima tęsti. Visa tai galima rasti įvairiose mokslo ir mokslo populiarinimo knygose.
Praktinė užduotis.
Atidžiai išstudijuokite pristatymą. Jūsų užduotis – apsispręsti dėl pristatymo temos, galbūt panašios, o gal savaip unikalios. Šiandien per šią pamoką Jūs turite sukurti arba pradėti kurti fizikos pristatymą, o tiksliau, turite skirti jį vienai iš svarbiausių ir pagrindinių šio nuostabaus mokslo skyrių „Atomo ir atomo branduolio fizika“.
Jūsų darbas bus suskirstytas į kelis etapus:
Turite pasirinkti temą, kurią plėtosite – arba tai bus pranešimas, skirtas vienam iš mokslininkų, įnešusių didžiulį indėlį į šį mokslą; o gal pasirinksi - teorinis aspektasšį mokslą ar praktinį ir pašventinti vieną iš jų. Neabejotinai jums turėtų padėti pristatymas „Atomo ir atomo branduolio fizika“.
Tada jūs (žinoma, mes kalbame apie tuos, kurie pamiršo, kaip dirbti programojeMicrosoft PowerPoint2007 ) Verta pažiūrėti pristatymąPowerPoint2007 kuri labai išsamiai papasakos, kaip su juo dirbti.
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. Vienetai fiziniai kiekiai atominėje fizikoje. Elektronų voltų. Molis, Avogadro konstanta, atominės masės vienetas, santykinis atominė masė. Energijų, ilgių, dažnių, masių skalės atominėje ir branduolinėje fizikoje 1.5. Klasikinė, reliatyvistinė 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 pagrindinį vaidmenį atlieka elektromagnetinės sąveikos Tyrimų rezultatai atominės fizikos srityje yra pagrindas suprasti cheminius ryšius, optinius ir tunelinius reiškinius, procesus plazmoje, neutraliuose skysčiuose, kietosiose medžiagose (įskaitant puslaidininkius ir nanomedžiagas). Teorinis pagrindas pati atominė fizika yra kvantinė teorija ir kvantinė elektrodinamika Aiški riba tarp atominė fizika ir kitos fizikos šakos neegzistuoja, ir pagal tarptautinė klasifikacija, atominė fizika yra įtraukta į atomų sritį, molekulinė fizika ir optika
4 Apsakymas atominės fizikos raida Sąvoką „atomas“ vartojo senovės graikų mokslininkai (V – II a. pr. Kr.), norėdami apibūdinti mažiausią, nedalomos dalelės, iš kurių susideda viskas, kas egzistuoja pasaulyje. Eksperimentinis atomistinių sampratų patvirtinimas buvo gautas dar XIX amžiuje atliekant cheminius ir fizikinius tyrimus. 1897 metais J. .J. Tomsonas atrado elektroną ir netrukus įrodė, kad taip yra neatskiriama dalis Visų atomų idėja apie atomą kaip sistemą, susidedančią iš atomo branduolio ir elektronų apvalkalas, 1911 m. pagrindė E. Rutherfordas. Šiai idėjai priėmus visuotinai pripažintą, iš atominės fizikos atsirado branduolinė fizika, o kiek vėliau ir elementariųjų dalelių fizika.
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: optinių ir rentgeno spektrų susidarymo principai, atomų elgsena magnetiniame (Zėmanno efektas) ir elektriniame (Starko efektas) laukuose, gautas teorinis pagrindimas. Periodinė elementų lentelė elementai ir cheminių ryšių prigimtis, sukurti atomų, molekulių ir kietųjų kūnų elektroninės struktūros skaičiavimo metodai (Hartree-Fock savaiminio nuoseklaus lauko metodas), sukurti nauji prietaisai medžiagos sandarai ir savybėms tirti (elektroninis mikroskopas) Kvantinės teorijos idėjos (sukimosi hipotezė, Paulio principas ir kt.), savo ruožtu, rėmėsi eksperimentiniais tyrimais atomų fizikos srityje (atomų linijiniai spektrai, fotoelektrinis efektas, smulkioji ir hipersmulkioji spektro linijų struktūra, Franko eksperimentai). ir Hertz, Davisson ir Germer, Stern ir Gerlach, Compton efektas, deuterio ir kitų izotopų atradimas, Augerio efektas ir kt.)
7 Trumpa atominės fizikos raidos istorija XX amžiaus antrajame trečdalyje atominės fizikos rėmuose ir remiantis kvantinės teorijos idėjomis buvo sukurti nauji eksperimentiniai metodai. fiziniai tyrimai: elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR), fotoelektroninė spektroskopija (PES), elektronų smūginė spektroskopija (EI), sukurti prietaisai jiems įgyvendinti (mazeris, lazeris ir kt.) Kvantinės teorijos pagrindiniai principai gavo tiesioginį eksperimentinį patvirtinimą (trukdo kvantinės būsenos, lygių poslinkis ir kt.), pasiūlyti nauji medžiagos elektroninės struktūros skaičiavimo metodai (tankio funkcinė teorija), numatyti nauji fizikiniai reiškiniai (superspinduliacija) Sukurti metodai eksperimentiniai tyrimai procesai, vykstantys su pavieniais atomais, jonais ir elektronais, laikomais specialios konfigūracijos elektrinių ir magnetinių laukų (atomų ir jonų „spąstai“)
8 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Nauji rezultatai atominės fizikos srityje paskutiniame XX amžiaus trečdalyje - pradžios XXIšimtmečiai daugiausia siejami su B lazerių naudojimu mokslinė praktika Plačiai naudojami lazerinės spektroskopijos metodai, tarp jų ir netiesiniai, kurių pagrindu atsirado galimybė atlikti spektroskopinius matavimus su pavieniais atomais ir molekulėmis, nustatyti stipriai sužadintų atomų būsenų charakteristikas, tirti atomo viduje dinamiką. ir intramolekuliniai procesai, trunkantys iki kelių femtosekundžių (10–15 s) C Lazerių pagalba buvo galima atlikti ir detaliai ištirti daugiafotoninius spinduliuotės sąveikos su atominėmis sistemomis procesus (daugiafotonų fotoelektrinis efektas, dažnių dauginimas), kaip taip pat atskirų atomų atšaldymas iki itin žemos temperatūros Teoriniai tyrimai paskutiniais dešimtmečiais atominės fizikos srityje yra siejami su sparčia kompiuterinių technologijų pažanga ir yra skirti plėtrai veiksmingi metodai ir priemonės 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 Pramoniniais tikslais medžiagos elementinei sudėčiai nustatyti naudojami atominės spektrinės analizės metodai, įskaitant EPR, FES ir SEM Geologinėms, biologinėms ir medicininėms problemoms spręsti naudojami nuotolinės ir vietinės lazerinės spektrinės analizės metodai atominė analizė, pramonėje ir techniniais tikslais lazerinis izotopų atskyrimas atliekamas Eksperimentinis ir teoriniai metodai atomų fizika naudojama astrofizikoje (nustatant žvaigždžių ir tarpžvaigždinės terpės materijos sudėtį ir fizines charakteristikas, tiriant Rydbergo atomus), metrologijoje (atominiai laikrodžiai) ir kitose mokslo ir technikos srityse.
10 Atominės fizikos kurso tikslai ir uždaviniai Pagrindinis kurso disciplinos „Atomo ir atominių reiškinių fizika“ tikslas bendroji fizika, yra suformuoti pagrindinės žinios mikroskopinių reiškinių atominio-molekulinio lygmens fizikoje ir gebėjimų juos taikyti sprendžiant taikomąsias problemas Šiam tikslui pasiekti sprendžiami šie uždaviniai: – atomizmo raidos ir kvantinių sąvokų formavimosi analizė. – svarbiausių eksperimentinių atominės fizikos faktų ir jų sąsajų tyrimas; – mikroreiškinių specifikos ir nenuoseklumo nustatymas klasikinė teorija juos paaiškinti; – kvantinės mechanikos pagrindų ir sprendimų metodų studijos kvantinė mechaninė užduotys; – sisteminis 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 Elektronui žymėti naudojamas elektronas – 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 Antiprotonų anihiliacija Antiprotonas (mėlynas takelis) susiduria su protonu burbulų kamera Dėl to atsiranda keturi teigiami pionai (raudoni takeliai) ir keturi neigiami (žali pėdsakai) Geltonasis takelis priklauso miuonui, kuris gimsta dėl pionų irimo
17 Neutronas Neutronas yra elementarioji dalelė, kurios elektrinis krūvis nėra. magnetinis momentas μ n – –8 eV/T Neutronas žymimas simboliu n arba n 0 Neutronas turi antidalelę antineutroną Protonai ir neutronai susijungia Dažnas vardas nukleonai Atomo branduolius sudaro protonai ir neutronai
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 jį supančių elektronų (elektronų apvalkalas) Teigiamai įkrautas branduolys elektrinės traukos jėgomis laiko neigiamai įkrautus elektronus Kadangi atomo branduolys susideda iš protonų ir neutronų, o neutrono elektrinis krūvis yra nulis, protonas lygus elementariniam krūviui e, elektrono krūvis lygus e, tada kai elektronų skaičius apvalkale lygus protonų skaičiui branduolyje, bendras atomo elektrinis krūvis nulis Branduolio matmenys (~ 10 –15 – 10 –14 m) yra itin maži, lyginant su atomo matmenimis (~ 10 –10 m ), tačiau dėl to, kad protono masė (kaip. taip pat neutronas) yra 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 apytiksliai 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 Padidėjęs 35 mm
27 Cheminis elementas, nuklidas, izotopai Atomai su tam tikras skaičius Z protonai branduolyje priklauso tam pačiam cheminiam elementui. Z skaičius vadinamas cheminio elemento atominiu skaičiumi. Atomų rinkinys, kurio branduolyje yra tam tikras skaičius protonų Z ir neutronų N, vadinamas nuklidu. Nuklidai žymimi prie elemento pavadinimo pridedant masės skaičių A, lygų Z + N sumai (pavyzdžiui, deguonis-16, uranas-235), arba pateikus skaičių A šalia elemento simbolio (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. 90 gamtoje pasitaiko cheminiai elementai 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, kuris yra neigiamas elektriškai įkrautas atomas (arba molekulė), susidarantis 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 atomo branduolių sudėtis, elektronų skaičius ir erdvinė struktūra Pažymėti kiekybinius ir kokybiška kompozicija naudojamos molekulės chemines formules: O 2 (deguonies molekulė), H 2 O (vandens molekulė), CH 4 (metano molekulė), C 6 H6 (benzeno molekulė), C 60 (fullereno molekulė)
39 DNR molekulė Spalvotas DNR molekulės vaizdas buvo gautas naudojant perdavimo elektronų mikroskopą kameroje su didelis vakuumas Padengtas DNR mėginys plonas sluoksnis platina Metalinė danga suteikia kontrastingą 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 lygus absoliučioji vertė potencinė energija elektronas vandenilio atomo pagrindinėje būsenoje begalinės branduolio masės aproksimacija: 1 Ha = 2 Ry eV Atominių sistemų būsenų energijos, taip pat perėjimus tarp būsenų, galima išmatuoti 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.) (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, skaitine prasme lygus atomų skaičiui 12 g gryno anglies-12 izotopo: N A mol –1 Molis (SI medžiagos kiekio vienetas) pagal apibrėžimą turi N A struktūrinių elementų (atomų, molekulių, jonų).
44 Ilgis SI ilgio vienetas yra metras (m). 1 metras yra lygus atstumui, kurį šviesa nukeliauja vakuume per 1/2 sekundės laiko tarpą. 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
Specialioji reliatyvumo teorija (SRT) remiasi dviem postulatais:
- 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.
- 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. Reliatyvistinė redukcija ilgio.
Kūno ilgis atskaitos sistemoje, kur jis yra ramybės būsenoje, vadinamas jo paties ilgiu L 0 . Tada greitai judančio kūno ilgis V V inercinė sistema atgalinis skaičiavimas 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 įvykio laiko ilginimas.
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 tarpą tarp įvykių. Reliatyvistinis laiko išsiplėtimas tampa pastebimas tik esant greičiui, palyginamam 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, tada 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 mases 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 yra apšviestas monochromatinė šviesa tam tikras bangos ilgis 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:
- Fotoelektrinis efektas yra be inercijos. Tai reiškia, kad elektronai pradeda skraidyti iš metalo iškart po to, kai prasideda švitinimas šviesa.
- Didžiausia fotoelektronų kinetinė energija didėja tiesiškai didėjant šviesos dažniui ν ir nepriklauso nuo jo intensyvumo.
- Kiekvienai medžiagai yra vadinamasis raudonos nuotraukos efekto kraštinė, tai yra žemiausias dažnis ν min (arba ilgiausią bangos ilgį λ max), kuriai esant vis dar galimas išorinis fotoelektrinis efektas.
- 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. Elektronas gali išsklaidyti dalį šios energijos susidūrimo su materijos atomais metu. 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 yra serijos numeris V Periodinė elementų lentelė Mendelejevas). 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 branduolio surišimo energija. 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.:
Bet patogiau surišimo energiją apskaičiuoti naudojant kitą formulę (čia imamos masės atominiai vienetai, o surišimo 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 schema alfa skilimas:
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 nesusijęs su pokyčiais vidinė struktūra branduolys ir nėra lydimas krūvio ar masės pokyčių. 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 esančios didžiulis skaičius radioaktyvieji atomai. Kadangi radioaktyvusis skilimas yra atsitiktinis ir nepriklauso nuo išorinės sąlygos, tada mažėjančio kiekio dėsnis N(t) nesuiręsĮ šiuo momentu laikas t branduoliai gali būti svarbūs statistinė charakteristika radioaktyvaus skilimo procesas. Radioaktyvaus skilimo dėsnis yra toks:
Didumas T paskambino pusė gyvenimo, N 0 – pradinis radioaktyviųjų branduolių skaičius ties t= 0. Pusinės eliminacijos laikas yra pagrindinis dydis, apibūdinantis radioaktyvaus skilimo greitį. Kaip trumpesnis laikotarpis pusinės eliminacijos laikas, tuo intensyvesnis irimas vyksta.
At α - Ir β -radioaktyvus irimas, dukterinis branduolys taip pat gali tapti nestabilus. Todėl serija iš eilės radioaktyvus skilimas, 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 naujos radioaktyvieji izotopai, kurių Žemėje natūraliomis sąlygomis nėra.
Branduolinėse reakcijose tenkinami keli išsaugojimo dėsniai: impulsas, energija, kampinis impulsas, krūvis. Be šių klasikinių išsaugojimo įstatymų, galioja ir branduolinės reakcijos 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 energija yra tokia:
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 esančių nukleonų savitoji surišimo energija turi būti mažesnė už specifinę nukleonų surišimo energiją 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 Socialinis tinklas(). 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.
