2 1. Giriş 1.1. Atom fiziğinin konusu, kısa gelişim tarihi, amaç ve hedefleri 1.2. Temel tanımlar. Elektron, proton, nötron, atom, iyon, molekül, nüklid, atom çekirdeği, kimyasal element, izotoplar 1.3. Atomun nükleer ve kabuk özellikleri 1.4. Atom fiziğinde fiziksel büyüklüklerin ölçü birimleri. Elektron-volt. Mole, Avogadro sabiti, atomik kütle birimi, bağıl atom kütlesi. Atom ve nükleer fizikte enerji, uzunluk, frekans ve kütle ölçekleri 1.5. Klasik, göreceli ve kuantum fiziği. Momentum ve enerji 1.6. Foton. Foton enerji ölçeği (elektromanyetik radyasyon ölçeği)
3 Atom fiziği Atom fiziği (atom fiziği ve atom olayları), atomların yapısını ve özelliklerinin yanı sıra atomların yer aldığı temel süreçleri inceleyen bir fizik dalıdır. Atom fiziğinin çalışma nesneleri hem atomlar hem de atomlardır. moleküller, atomik ve moleküler iyonlar, egzotik atomlar ve diğer mikropartiküller Atom fiziği çerçevesinde incelenen olaylarda, elektromanyetik etkileşimler ana rolü oynar. Atom fiziği alanındaki araştırmaların sonuçları, kimyasal bağların anlaşılmasında temel oluşturur. , optik ve tünelleme olayları, plazmadaki işlemler, nötr sıvılar, katılar (yarı iletkenler ve nanomalzemeler dahil) Teorik temel Atom fiziğinin kendisi kuantum teorisi ve kuantum elektrodinamiğidir. Atom fiziği ile fiziğin diğer dalları arasında ve buna uygun olarak net bir sınır yoktur. uluslararası sınıflandırma atom fiziği atom, moleküler fizik ve optik alanına dahildir
4 Kısa tarih atom fiziğinin gelişimi “Atom” kavramı, eski Yunan bilim adamları (M.Ö. V – II yüzyıllar) tarafından en küçük atomu belirtmek için kullanıldı. bölünmez parçacıklar Dünyada var olan her şeyin oluştuğu atomistik kavramların deneysel doğrulaması 19. yüzyılda kimyasal ve fiziksel araştırmalarda elde edildi. Atomun pozitif ve negatif yüklü parçalardan oluştuğu fikri 19. yüzyılın ikinci yarısında kanıtlandı. 1897'de J.J. Thomson elektronu keşfetti ve kısa sürede onun tüm atomların ayrılmaz bir parçası olduğu kanıtlandı. Atomun, atom çekirdeği ve elektron kabuğundan oluşan bir sistem olduğu fikri 1911'de E. Rutherford tarafından doğrulandı. fikir genel kabul gördü; atom fiziği, nükleer fizik ve bir süre sonra fizik ortaya çıktı. temel parçacıklar
5 Atom fiziğinin gelişiminin kısa tarihi Modern atom fiziğinin temelleri, E. Rutherford'un atom modeline ve M. Planck'ın (1900) kuantum kavramlarının geliştirilmesine dayanılarak 20. yüzyılın başında atılmıştır. ) ve A. Einstein (1905), N. Bohr'un açıklamalar satırında yer alması en önemli özellikler Atom (1913) ve iki “kuantum” varsayımı öne sürülmüştür. Bunlardan ilkine göre, yüklü parçacıklar (elektronlar) da dahil olmasına rağmen atomun enerji yaymadığı özel (durağan) durumları vardır. bileşim hızlandırılmış harekete uğrar. İkinci varsayıma göre, atomun radyasyonu bir durağan durumdan diğerine geçiş sırasında meydana gelir ve bu radyasyonun frekansı ν, h = E – E koşulundan (Bohr'un frekans kuralı) belirlenir. burada h, Planck sabitidir, E ve E, başlangıç ve son durumlardaki atom enerjisinin değerleridir. İlk varsayım, atomun stabilitesi, atom spektrumlarında ikinci frekansın ayrıklığı gerçeğini yansıtır.
6 Atom fiziğinin gelişiminin kısa tarihi Atomların ve moleküllerin özelliklerini kapsamlı bir şekilde açıklayamayan Bohr teorisinin yerini, 20. yüzyılın 20'li ve 30'lu yıllarında oluşturulan tutarlı bir kuantum teorisi aldı (W. Heisenberg, E. Schrödinger) , P. Dirac) Bununla birlikte, Bohr'un varsayımları hala önemini koruyor ve modern çerçevesinde mikroskobik olayların fiziğinin temellerine bütünsel olarak dahil ediliyor. kuantum teorisi verilen maksimum tam açıklama atomun özellikleri: optik ve x-ışını spektrumlarının oluşum ilkeleri, atomların manyetik (Zeeman etkisi) ve elektrik (Stark etkisi) alanlardaki davranışları, elde edilenler teorik temel elementlerin periyodik tablosu ve kimyasal bağların doğası, hesaplama yöntemleri geliştirildi elektronik yapı atomlar, moleküller ve katılar (Hartree-Fock kendi kendine tutarlı alan yöntemi), maddenin yapısını ve özelliklerini incelemek için yeni cihazlar oluşturuldu (elektron mikroskobu) Kuantum teorisi fikirlerinin gelişimi (spin hipotezi, Pauli ilkesi vb.), atom fiziği alanındaki deneysel araştırmalara (atomların çizgi spektrumları, fotoelektrik etki, spektral çizgilerin ince ve aşırı ince yapısı, Frank ve Hertz, Davisson ve Germer, Stern ve Gerlach'ın deneyleri, Compton etkisi, keşif) dayanıyordu. döteryum ve diğer izotopların varlığı, Auger etkisi vb.)
7 Atom fiziğinin gelişiminin kısa tarihi 20. yüzyılın ikinci üçte birinde, atom fiziği çerçevesinde ve kuantum teorisinin fikirlerine dayanarak, yeni deneysel fiziksel araştırma yöntemleri geliştirildi: elektron paramanyetik rezonansı (EPR) , fotoelektron spektroskopisi (PES), elektron etki spektroskopisi (EI), bunların uygulanması için cihazlar oluşturulmuştur (maser, lazer, vb.) Kuantum teorisinin temel prensipleri (kuantum durumlarının girişimi, Kuzu seviyelerinin kayması vb.) deneysel olarak doğrudan doğrulandı, maddenin elektronik yapısını hesaplamak için yeni yöntemler önerildi (yoğunluk fonksiyonel teorisi), yeni yöntemler tahmin edildi fiziksel olaylar(süperradyasyon) Özel konfigürasyondaki elektrik ve manyetik alanlar (atomik ve iyon “tuzakları”) tarafından tutulan tek atomlar, iyonlar ve elektronlarla meydana gelen süreçlerin deneysel çalışmaları için yöntemler geliştirilmiştir.
8 Atom fiziğinin gelişiminin kısa tarihi 20. yüzyılın son üçte birinde atom fiziği alanında yeni sonuçlar - XXI'in başlangıcı Yüzyıllar esas olarak lazerlerin kullanımıyla ilişkilidir. Bilimsel uygulamada, doğrusal olmayanlar da dahil olmak üzere lazer spektroskopi yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır; bu yöntemlere dayanarak, tek atom ve moleküllerle spektroskopik ölçümler yapmak, yüksek düzeyde özellikleri belirlemek mümkün olmuştur. atomların uyarılmış durumları, birkaç femtosaniyeye (10-15 s) kadar süren atom içi ve molekül içi süreçlerin dinamiklerini incelemek Lazerlerin yardımıyla, radyasyonun atomik ile etkileşiminin çok fotonlu süreçlerini ayrıntılı olarak gerçekleştirmek ve incelemek mümkün oldu sistemler (çok fotonlu fotoelektrik etki, frekans çarpımı) ve ayrıca tek tek atomların ultra düşük sıcaklıklara soğutulması Teorik araştırma son on yıllar atom fiziği alanında hızlı ilerleme ile ilişkilidir bilgisayar teknolojisi ve elektron korelasyonunun enerjisi, göreli kuantum mekaniği ve kuantum elektrodinamik düzeltmeleri dikkate alarak çok elektronlu atom sistemlerinin elektronik yapısını ve özelliklerini hesaplamak için etkili yöntemler ve araçlar geliştirmeyi amaçlamaktadır.
9 Atom fiziği Atom fiziği alanında yapılan araştırmalarda pek çok bilimsel ve pratik uygulamalar Endüstriyel amaçlar için, bir maddenin elementel bileşimini belirlemek için EPR, FES ve SEM dahil olmak üzere atomik spektral analiz yöntemleri kullanılır. Jeolojik, biyolojik ve tıbbi sorunları çözmek için uzaktan ve yerel lazer spektral atomik analiz yöntemleri kullanılır; endüstriyel ve teknik amaçlar için izotopların lazerle ayrılması Deneysel ve teorik yöntemler Astrofizikte atom fiziği kullanılır (bileşimin belirlenmesi ve fiziksel özellikler yıldızların maddeleri ve yıldızlararası ortam, Rydberg atomlarının araştırılması), metroloji ( atom saati) ve diğer bilim ve teknoloji alanları
10 Atom fiziği dersinin amaç ve hedefleri Dersin bir parçası olarak “Atom fiziği ve atom olayları” disiplininin temel amacı genel fizik oluşturmaktır temel bilgi atomik-moleküler düzeyde mikroskobik olayların fiziği ve bunları çözmek için uygulama yeteneği uygulamalı problemler Bu hedefe ulaşmak için aşağıdaki görevler çözülür: – atomistik gelişimin ve kuantum kavramlarının oluşumunun analizi; – atom fiziğinin en önemli deneysel gerçeklerinin ve bunların ilişkilerinin incelenmesi; – Mikro fenomenlerin özelliklerini ve bunları açıklamak için klasik teorinin tutarsızlığını belirlemek; – temelleri öğrenmek kuantum mekaniği kuantum mekaniği problemlerini çözme yöntemleri ve yöntemleri; – Atomların ve moleküllerin yapısı ve özellikleri, bunların davranışları hakkında kuantum teorisine dayalı sistematik çalışma ve açıklama dış alanlar ve birbirleriyle etkileşim halinde
12 Elektron Elektron, negatif elektrik yüküne sahip kararlı bir temel parçacıktır. Elektronun yükünün mutlak değeri, temel yük q e = –e –1.610 –19 C'ye eşittir. Elektronun kütlesi m e = m –31 kg. Elektronun spini ½'dir. Elektronun manyetik momenti yaklaşık olarak Bohr manyetonuna eşittir μ e – μ B – –4 eV/T Bir elektronu belirtmek için e veya e sembolü kullanılır – Elektronlar elektron kabuklarını oluşturur. tüm atomların ve iyonların elektronunun bir antipartikül pozitronu (e +) vardır.
15 Proton Proton, pozitif elektrik yüküne sahip kararlı bir temel parçacıktır Bir protonun yükü, temel yüke eşittir q p = e –19 C Proton kütlesi m p 1836m e –27 kg Proton dönüşü ½'dir Bir protonun manyetik momenti μ p – 8 eV/T Proton p veya p sembolüyle gösterilir + Bir protonun bir antiparçacığı antiprotonu vardır (p –)
16 Bir antiprotonun yok olması Bir antiproton (mavi iz) kabarcık odasında bir protonla çarpışır. Bunun sonucunda dört pozitif pion (kırmızı iz) ve dört negatif pion (yeşil iz) oluşur. Sarı iz bir müona aittir. şakayık çürümesi sonucu doğan
17 Nötron Nötron, elektrik yükü sıfır olan temel bir parçacıktır. Bir nötronun serbest durumdaki ömrü yaklaşık 886 s'dir. Nötron kütlesi m n 1839m e –27 kg Nötron yokluğuna rağmen. elektrik yükü, nötronun manyetik momenti μ n – –8 eV/T Nötron n veya n 0 sembolüyle gösterilir Nötronun bir antiparçacığı antinötronu vardır Protonlar ve nötronlar toplu olarak nükleonlar olarak adlandırılır Atomik çekirdekler protonlardan ve nötronlardan oluşur
18 Nötron Nötronların elektrik yükü olmadığından parçacık dedektör odalarında iz bırakmazlar. Ancak nötronlar diğer yüklü parçacıklarla etkileşimleri yoluyla tespit edilebilir. Renkli görüntü, bir karışımla dolu bir bulut odasındaki parçacıkların izlerini göstermektedir. hidrojen gazı, etil alkol ve su Bir nötron ışını odaya aşağıdan nüfuz eder ve etil alkol moleküllerini oluşturan oksijen ve karbon atomlarının dönüşümüne neden olur.
19 Atom Bir atom çekirdeği ve onu çevreleyen elektronlardan (elektron kabuğu) oluşan atom mikropartikülü Pozitif yüklü bir çekirdek, elektriksel çekim kuvvetleri yoluyla negatif yüklü elektronları tutar. Bir atomun çekirdeği protonlardan ve nötronlardan oluştuğundan ve aynı zamanda atomun elektrik yükünden de oluşur. bir nötron sıfıra eşit, protonun temel yükü e'ye, elektron yükü e'ye eşittir, o zaman kabuktaki elektron sayısı ile, sayıya eşitÇekirdekteki protonlar nedeniyle atomun toplam elektrik yükü sıfırdır, ancak çekirdeğin boyutları (~ 10 –15 – 10 –14 m) atomun boyutlarına (~ 10 –10 m) kıyasla son derece küçüktür. , protonun kütlesinin (nötronun yanı sıra) neredeyse 2 bin katı olması nedeniyle daha fazla kütle elektron, atomun neredeyse tüm kütlesi () çekirdekte yoğunlaşmıştır
20 Altın atomu Au Tek bir altın atomunun görüntüsü, bir transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak elde edildi. 35 mm'lik bir faktörle 35 mm'lik bir boyuta büyütme
22 Silikon atomları Si Silikon atomlarının transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak elde edilen renklendirilmiş görüntüsü Kristalin birim hücresi gösterilmektedir. Atomlar arasındaki bağlar da 35 mm'ye kadar bir faktör kadar arttırılmıştır.
24 Uranyum atomları U Uranyum atomlarının transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak elde edilen renklendirilmiş görüntüsü Küçük noktalar doğru biçim– bireysel atomlar, daha büyük oluşumlar – 2–20 atomdan oluşan kümeler Görüş alanının boyutu yaklaşık 100 Å'dur. 35 mm kat artırıldı
25 Uranil mikro kristalleri UO 2 2+ Bir transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak uranil mikro kristallerinin renkli bir görüntüsü elde edildi. Her nokta temsil eder. tek atom uranyum 35 mm kat arttı
27 Kimyasal element, nüklid, izotoplar Çekirdeğinde belirli sayıda Z protonu bulunan atomlar aynı kimyasal elemente aittir. Z sayısına atom numarası denir kimyasal element. Çekirdeğinde belirli sayıda proton Z ve nötron N içeren atomların bir koleksiyonuna nüklid denir. Nüklitler, elementin adına kütle numarası A eklenerek belirlenir. miktara eşit Z + N (örneğin oksijen-16, uranyum-235) veya A sayısını element sembolünün yanına yerleştirerek (16 O, 235 U). Aynı elementin nüklidlerine izotop denir. Bir proton ve bir elektrondan oluşan hidrojen atomunun en hafif atomunun kütlesi mH 1,67·10 –27 kg'a eşittir. Geriye kalan atomların kütleleri mH'nin yaklaşık A katı kadardır. Doğada 90 kimyasal element ve 300'den fazla farklı nüklid bulunur; Bunlardan 270'i kararlı, geri kalanı radyoaktif. Bazı radyoaktif nüklidler yapay olarak elde edilir.
31 İyonlar Bir atoma elektron eklenmesi veya çıkarılması işlemine iyonlaşma denir. Kabuktaki elektron sayısı Z'den az olduğunda, Z'den büyük olan pozitif bir atomik iyon elde edilir. Dolayısıyla iyon negatiftir. nötr bir atoma (veya moleküle) bir veya daha fazla elektronun ayrılması veya eklenmesiyle oluşan elektrik yüklü bir atom (veya molekül)
32 İyonlar Pozitif yüklü iyonlara katyon, negatif yüklü anyonlar denir. İyonlar, çokluğu (temel yük birimlerindeki yük miktarı) ve iyonun işaretini gösteren bir indekse sahip kimyasal bir sembolle gösterilir: H –, Na +, UO 2 2+ İyonlar şu şekilde temsil edilebilir: sürdürülebilir oluşumlar(genellikle çözeltilerde veya kristallerde) ve kararsız (normal koşullar altında gazlarda) +(Z – 1) yüküne kadar atomik katyonlar elde edilebilir. Böylece örneğin iyon hızlandırıcılarda U 90+ ve U 91+ elde edildi. Yükü 2 veya daha fazla olan atomik anyonlar serbest durumda mevcut değildir.
34 Molekül Bir molekül, bir maddenin birden fazla atomdan oluşan en küçük kararlı parçacığıdır. Bir molekül belirli bir bileşimle karakterize edilir. atom çekirdeği, elektron sayısı ve mekansal yapı Moleküllerin niceliksel ve niteliksel bileşimini belirtmek için kimyasal formüller kullanılır: O2 (oksijen molekülü), H20 (su molekülü), CH4 (metan molekülü), C6H6 (benzen molekülü), C60 (fulleren) molekül)
39 DNA molekülü Bir DNA molekülünün renkli görüntüsü, bir kameradaki transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak elde edildi. yüksek vakum DNA örneği ince bir platin tabakasıyla kaplanmıştır. Metal kaplama yüksek kontrastlı bir görüntü sağlar. elektron mikroskobu
40 Atomun nükleer ve kabuk özellikleri Nükleer özellikler Kabuk özellikleri Çekirdeğin bileşimi ile belirlenir: radyoaktivite, nükleer reaksiyonlara katılma yeteneği vb. Elektronik kabuğun yapısı tarafından belirlenir: kimyasal, fiziksel (elektrik, manyetik, optik vb.) .) 42 Enerji SI birimindeki enerji birimi joule'dür (J), ancak nesnelerin enerji miktarları ve atom fiziği olguları için böyle bir birim nadiren kullanılır. Daha yaygın olarak kullanılan, sistem dışı bir enerji birimidir. elektron-volt (eV, eV). Elektron-volt, temel yüke sahip yüklü bir parçacığın 1 voltluk hızlanma potansiyel farkından geçerek elde ettiği enerjidir: 1 eV = J Atomik ve nükleer fizikte enerjileri ölçmek için, katları (keV, 1 keV = 10 3 eV, MeV, 1 MeV = 10 6 eV) ve alt katları (μeV, 1 μeV = 10 –6 eV) elektron-volt birimleri ve diğerleri: Rydberg (Ry), Hartree (Ha veya atom birimi, a.u.) Rydberg sayısal olarak enerjiye eşit Sonsuz nükleer kütle yaklaşımıyla bir hidrojen atomunun temel durumdan iyonlaşması: 1 Ry eV Hartree, sonsuz nükleer kütle yaklaşımıyla bir hidrojen atomunun temel durumundaki bir elektronun potansiyel enerjisinin mutlak değerine eşittir: 1 Ha = 2 Ry eV Atomik sistemlerin durum enerjileri ve durumlar arasındaki geçişler diğer birimlerde ölçülebilir
43 Kütle SI kütle birimi kilogramdır (kg), ancak atom fiziğinde nesnelerin kütlelerini ölçmek için atomik kütle birimi (a.m.u.) adı verilen sistem dışı bir ölçüm birimi kullanılır. Bir atomik kütle birimi eşittir. bağlanmamış, uyarılmamış karbon-12 atomunun (12 C) kütlesinin 1/12'sine kadar: 1 a. e. m kg 1 a. e.m. yaklaşık olarak bir proton veya nötronun kütlesine eşittir. Bağıl atom kütlesi, a ile ifade edilen bir atomun kütlesidir. e.m. Avogadro sabiti N A fiziksel sabit, sayısal olarak 12 g saf izotop karbon-12'deki atom sayısına eşittir: N A mol –1 Mole (SI bir maddenin miktarının birimi) tanımı gereği N A içerir yapısal elemanlar(atomlar, moleküller, iyonlar).
44 Uzunluk Uzunluğun SI birimi metredir (m). 1 metre mesafeye eşitışık boşlukta 1/saniyeye eşit bir zaman aralığında hareket eder. Radyo aralığındaki elektromanyetik radyasyonun dalga boylarının ölçümleri haricinde, atom fiziğinde böyle bir uzunluk birimi nadiren kullanılır ve bunun yerine, doğrusal boyutların yanı sıra dalga boylarını ölçmek için bir metrenin birden fazla birimi kullanılır: santimetre (cm) , 1 cm = 10 –2 m), milimetre ( mm, 1 mm = 10–3 m), mikrometre (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanometre (nm, 1 nm = 10–9 m) , pikometre (pm, 1 pm = 10–12 m) ve diğerleri ile sistem dışı birimler: angstrom (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10 –10 m), bor (veya Bohr yarıçapı) (1 bohr Å) )
45 Zaman SI'da zaman aralıklarının süresi birimi saniyedir (s). Şu anda saniye sözde temel alınarak belirlenmektedir. atom zaman standardı: bir saniye (veya atomik saniye), 133 Cs (sezyum-133) izotopunun temel durumunun aşırı ince yapısının iki seviyesi arasındaki enerji geçişine karşılık gelen elektromanyetik radyasyon periyotlarına eşittir. atom fiziğindeki süreçler genellikle saniyenin altındaki birimlerle ölçülür: nano-, piko- veya femtosaniye (ns, ps, fs, 1 fs = 10 –15 s)
46 Atomik ve nükleer fizikte fiziksel nicelik ölçekleri Atom fiziği fenomeni, 10–12 m (ağır atomların iç alt kabukları) ile nanometrenin onda biri (atomların ve küçük moleküllerin boyutları) arasındaki boyutlarla, 10–6 arasındaki enerjilerle karakterize edilir. eV (seviyelerin ultra ince yapısı) ila 10 5 eV (iç alt kabuk elektronlarının bağlanma enerjisi), onlarca femtosaniyeden (ultra kısa lazer darbelerinin süresi) binlerce saniyeye (atomların yarı kararlı durumlarının ömrü) kadar zamanlar. Tipik moleküler boyutlar 0,1– 1 nm. En küçük molekülün (H2) çekirdekler arası uzaklığı nm'ye eşittir. DNA'nın makromolekülleri ve birçok polimer makroskobik boyutlara sahip olabilir. Böylece, açılmış bir DNA sarmalının uzunluğu birkaç santimetreye, genişliği ise yaklaşık 2 nm'ye ulaşabilir.
47 Foton Foton veya elektromanyetik radyasyonun (alan) kuantumu, elektrik yükü olmayan, kütlesiz bir temel parçacık. Bir foton, boşlukta c hızıyla hareket eder. Bir fotonun spini 1'e eşittir. yol tarifi, yöne dik Bir fotonun yayılımı, polarizasyon durumunu belirler. Foton γ sembolüyle gösterilir.
Atom fiziği, 19. ve 20. yüzyılların başında gazların optik spektrumları üzerine yapılan çalışmalara, elektronun ve radyoaktivitenin keşfine dayanarak ortaya çıktı. Gelişiminin ilk aşamasında (20. yüzyılın ilk çeyreği), atom fiziği esas olarak atomun yapısını tanımlamak ve özelliklerini incelemekle ilgileniyordu. E. Rutherford'un alfa parçacıklarının ince metal folyo (1908-1911) tarafından saçılmasına ilişkin deneyleri, atomun gezegensel bir modelinin yaratılmasına yol açtı; Bu modeli kullanarak N. Bohr (1913) ve A. Sommerfeld (1915) atomun ilk niceliksel teorisini geliştirdiler (bkz. Atom). Elektron ve atomların özelliklerine ilişkin daha sonraki çalışmalar, 20'li yılların ortalarında yaratılışla doruğa ulaştı. kuantum mekaniği - fiziksel teori Mikro dünyanın yasalarını tanımlayan ve mikro parçacıkların katıldığı olayların niceliksel olarak değerlendirilmesine olanak tanıyan (bkz. Kuantum mekaniği).
Kuantum mekaniği atom fiziğinin teorik temelidir. Aynı zamanda atom fiziği bir nevi “ test sitesi"Kuantum mekaniği için. Kuantum mekaniğinin kavramları ve sonuçları çoğu zaman bizimkilerle tutarsızdır günlük deneyim, atom fiziğinde deneysel testlere tabi tutulur. Çarpıcı bir örnek Frank-Hertz'in (1913) ve Stern-Gerlach'ın (1922) ünlü deneyleri işe yarayabilir; Aşağıda bunlara daha ayrıntılı olarak bakalım.
20. yüzyılın başlarında. Atomların optik spektrumlarında zengin materyal birikmiştir. Her kimyasal elementin, spektral çizgilerin düzenli ve sıralı bir düzenlemesi ile karakterize edilen kendi çizgi spektrumuna sahip olduğu bulunmuştur. Kuantum mekaniği, spektrumda gözlemlenen modelleri belirli bir atomun enerji seviyeleri sistemiyle birleştirir. 1913'te Alman fizikçiler J. Frank ve G. Hertz, şunu doğrudan deneysel olarak doğrulayan bir deney gerçekleştirdiler: iç enerji atom kuantize edilmiştir ve bu nedenle yalnızca ayrı ayrı, yani belirli kısımlarda değişebilir. Cıva atomlarını uyarmak için harcanan serbest elektronların enerjisini ölçtüler. Kurulumun ana elemanı, üç lehim elektrotlu içi boşaltılmış bir cam silindirdir: bir katot, bir anot ve bir ızgara (modern bir vakum triyotunun prototipi). Silindir, 1 mmHg basınç altında cıva buharı içeriyordu. Sanat. Katodu terk eden elektronlar, katot ile ızgara arasındaki alanda hızlandırıldı (hızlanma voltajı U) ve ardından ızgara ile anot arasındaki alanda (frenleme voltajı U 1) yavaşladı. Katottan anoda giderken elektronlar cıva atomlarıyla çarpıştı. U1 voltajı, U\'dan önemli ölçüde daha düşük olacak şekilde seçildi; bu nedenle, cıva atomlarıyla elastik olmayan çarpışmaların bir sonucu olarak, yalnızca yeterince yavaş elektronlar (enerji kaybetmiş olanlar) anottan itildi. Deneyde, anot akımının gücü, hızlanma gerilimi U'ya bağlı olarak ölçülmüştür. Deney eğrisi, birbirinden 4,9 V aralıklı bir dizi net maksimuma sahiptir. Bu eğrinin görünümü aşağıdaki şekilde açıklanmaktadır. U'da< 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.
Bu tür deneylerin daha dikkatli bir şekilde düzenlenmesiyle, atomların aşağıdaki enerji seviyelerindeki uyarımı tespit etmek mümkün oldu: cıva için bu 6,7; 8,3 eV, vb. (10,4 eV, iyonizasyon potansiyelidir). Gaz parıltısının gözlemlenmesi, cıva atomları için tam bir spektrumun ortaya çıktığını gösterir.
Bir atom çekirdeğinin etrafında hareket eden bir elektron, temel bir elektrik akımına benzetilebilir; bir manyetik alan oluşturur. Manyetik alanlar farklı elektronlar toplayarak atomun manyetik alanını oluşturur. Bunu karakterize etmek için tanıtıyoruz vektör miktarı manyetik moment denir. Elektronlar şu veya bu kabuğu (1'ler, 2'ler, 2p, vb.) tamamen doldurursa, manyetik alanları birbirini iptal eder; karşılık gelen atomların manyetik momentleri sıfırdır.
1922'de Almanya'da O. Stern ve W. Gerlach, şunu gösteren bir deney gerçekleştirdiler: manyetik moment atom uzaysal olarak kuantize edilmiştir. Düzgün olmayan bir manyetik alan boyunca manyetik momente sahip bir atom ışını gönderdiler ve bu alanın etkisi altında atomların sapmalarını incelediler. Sapmanın derecesi ve niteliği, atomun manyetik momentinin alanın yönüne göre yönüne bağlıdır. Eğer ışın, manyetik momentlerin olası tüm yönelimlerine sahip atomlar içerseydi, orijinal ışının sürekli bir açısal "bulanıklaşması" gözlemlenirdi. Deneysel olarak, bir atom ışınının birkaç ışına net bir şekilde bölündüğü gözlemlendi; bu, atomun manyetik momentinin uzaysal olarak nicelendiği anlamına geliyordu; manyetik alanın yönüne izdüşümünün yalnızca belirli belirli (kesikli) değerleri olabilir.
Düzgün olmayan bir manyetik alanda (1930'da elde edildi) sodyum atomlarının sapmalarının dağılımına dönelim. Bu dağılımın iki net maksimumu vardır. Sodyum atomunun üç dolu kabuğu (1s, 2s, 2p) ve bir 3s elektronu vardır. S-elektronların elektron bulutu küresel olarak simetriktir (bkz. Atom), bu nedenle çekirdek alanındaki hareketleri manyetik bir momentin ortaya çıkmasına yol açmaz. Bir sodyum atomu demetinin gözlemlenen iki bileşene bölünmesini açıklamak için, elektronun, elektronun çekirdek etrafındaki hareketi ile ilişkili olmayan kendi manyetik momentine sahip olduğunu varsaymak gerekir. Bu manyetik moment geleneksel olarak elektronun kendi ekseni etrafında dönmesiyle ilişkilendirilir ve dönüş momenti olarak adlandırılır (bkz. Spin). Elektronun çekirdek etrafındaki hareketi ile ilişkili manyetik momentine yörünge momenti denir. Yani, sodyum atomu durumunda, dolu kabuklardaki elektronların hem yörünge hem de dönüş momentleri karşılıklı olarak telafi edilir; 3s elektronunun yörünge momenti sıfırdır ve bu elektronun dönme momenti, düzgün olmayan bir manyetik alanda bir sodyum atomu ışınının bölünmesine neden olur. İki ışına bölünmenin gözlemlenmesi, elektronun dönme momentinin manyetik alan yönüne iki projeksiyona sahip olduğu anlamına gelir.
30'lu yıllarda yüzyılımız başladı yeni aşama Atom fiziğinin gelişiminde. Bu yıllarda, atom çekirdeği içindeki işlemlerden sorumlu olan ve çekirdeğin kararlılığını veya radyoaktivitesini açıklayan etkileşimlerin doğasının, atomun elektronik kabuklarında meydana gelen süreçleri belirleyen etkileşimlerden tamamen farklı olduğu ortaya çıktı (bkz. Doğa güçlerinin birliği). Bu bağlamda atom fiziğinden, atom çekirdeğinin fiziğinin araştırılmasıyla ilgili ayrı bir bilimsel yön ortaya çıktı; 40'lı yıllarda Bu yön bağımsız bir fizik bilimi olan nükleer fiziğe dönüştü. Nihayet 50'li yıllarda. Nükleer fizikten, temel parçacıkların sistematiği ve karşılıklı dönüşümlerinin incelenmesiyle ilgili bir yön ortaya çıktı: temel parçacık fiziği.
Sonunda tamamen ortaya çıktı belirli bir daire Modern atom fiziğinin içeriğini oluşturan sorular. Atom çekirdeğinde meydana gelen süreçlerin yanı sıra temel parçacıkların birbirine dönüşmesiyle ilgilenmiyor. Atom fiziği, atomları veya iyonları içeren süreçleri ve yalnızca atom çekirdeğinde herhangi bir değişikliğe yol açmayan süreçleri inceler. Sonuç olarak atomların yalnızca elektronik kabuklarını etkileyen süreçlerden bahsediyoruz. Benzerine
süreçler şunları içerir: harici elektrik veya manyetik alanların etkisi altında bir atomdaki elektronların durumlarındaki değişiklikler (örneğin, dış alanların etkisi altında atomların enerji seviyeleri bölünür); elektromanyetik radyasyonun atomlar tarafından emilmesi ve emisyonu (bkz. Spektroskopi, X-ışınları, Fotoelektrik etki, Lazerler); atomların serbest elektronlarla ve ayrıca diğer atomlarla, iyonlarla, moleküllerle çarpışmaları (elektronlar veya diğer mikro nesnelerle çarpışmalar sonucunda atomlar uyarılabilir, uyarılmış bir durumdan daha az uyarılmış bir duruma geçebilir, iyonlara dönüşebilir) , bkz. Gazlarda elektrik deşarjı); çeşitli atomların elektronik kabuklarının etkileşimleri, moleküllerin ve kristallerin oluşumuna yol açar. Tüm bu süreçlerin nedeni elektromanyetik etkileşim. Bu süreçlerin olasılıkları kuantum mekaniği aparatı kullanılarak hesaplanır.
Modern atom fiziği aynı zamanda mezoatom adı verilen özel bir atom türünü de inceliyor. Bir mezoatom, elektronlardan birinin bir müon (μ-), antitimeson (π-, K-), bir antiproton veya negatif yüklü bir hiperon ile değiştirilmesinin bir sonucu olarak sıradan bir atomdan ortaya çıkar (bkz. Hadronlar, Leptonlar). Ayrıca anormal "hidrojen" atomları da vardır - pozitronyum, müonyum, burada proton rolü pozitronlar veya pozitif yüklü antimüonlar (μ+) tarafından oynanır. Bu atomların tümü kararsızdır; ömürleri yukarıdaki parçacıkların ömrüyle veya e+ e- ve pp-yok olma süreçleriyle sınırlıdır. Mezoatomlar, parçacık yavaşlama işlemi sırasında oluşur - negatif yüklü parçacıkların atom çekirdeğinin Coulomb alanı tarafından yakalanması veya pozitronlar ve antimüonlar tarafından yakalanması sırasında. atomik elektronlar. Çeşitli anormal atomlarla yapılan deneyler, hem maddenin özelliklerinin incelenmesi hem de çekirdeklerin ve temel parçacıkların incelenmesi açısından büyük ilgi görmektedir.
Özel görelilik teorisi (SRT) iki varsayıma dayanmaktadır:
- Görelilik ilkesi: Herhangi bir eylemsiz referans çerçevesinde, aynı başlangıç koşulları altındaki tüm fiziksel olaylar aynı şekilde ilerler; Kapalı bir cisimler sisteminde yapılan hiçbir deney, cismin hareketsiz mi yoksa düzgün ve düz bir çizgide mi hareket ettiğini belirleyemez.
- Işık hızının sabitliği ilkesi: tüm eylemsiz referans sistemlerinde ışığın boşluktaki hızı aynıdır ve hareketli ışık kaynağının hızına bağlı değildir.
SRT'nin varsayımlarıyla aynı derecede önemli olan, SRT'nin boşluktaki ışık hızının sınırlayıcı doğası konusundaki konumudur: doğadaki herhangi bir sinyalin hızı, ışığın boşluktaki hızını aşamaz: C= 3∙10 8 m/sn. Nesneler ışık hızına yakın bir hızla hareket ettiğinde aşağıda açıklanan çeşitli etkiler gözlemlenir.
1. Göreli uzunluk daralması.
Bir cismin hareketsiz olduğu referans çerçevesindeki uzunluğuna kendi uzunluğu denir L 0. O halde hızla hareket eden bir cismin uzunluğu V eylemsiz referans çerçevesinde hareket yönünde uzunluğa doğru azalır:
Nerede: C– ışığın boşluktaki hızı, L 0 - sabit bir referans çerçevesindeki vücut uzunluğu (dinlenme halindeki bir vücudun uzunluğu), L– hızla hareket eden referans çerçevesindeki gövdenin uzunluğu V(hızla hareket eden bir cismin uzunluğu V). Dolayısıyla vücut uzunluğu görecelidir. Cisimlerin büzülmesi yalnızca ışık hızıyla karşılaştırılabilecek hızlarda fark edilir.
2. Göreli genişleme olayın zamanı.
Uzayda belirli bir noktada meydana gelen bir olgunun süresi, bu noktanın hareketsiz olduğu eylemsiz referans çerçevesinde en kısa olacaktır. Bu, eylemsiz bir referans çerçevesine göre hareket eden saatlerin, sabit saatlerden daha yavaş çalıştığı ve olaylar arasında daha uzun bir süre gösterdiği anlamına gelir. Göreli zaman genişlemesi yalnızca ışık hızıyla karşılaştırılabilir hızlarda fark edilebilir hale gelir ve aşağıdaki formülle ifade edilir:
Zaman τ Vücuda göre hareketsiz durumdaki bir saatten ölçülen 0'a olayın doğru zamanı denir.
3. Hızların toplamına ilişkin göreceli yasa.
Newton mekaniğinde hızların toplamı yasası SRT'nin varsayımlarıyla çelişiyor ve yerini yeni bir yasa alıyor göreceli yasa hızların eklenmesi. İki cisim birbirine doğru hareket ediyorsa yaklaşma hızları aşağıdaki formülle ifade edilir:
Nerede: V 1 ve V 2 – sabit bir referans çerçevesine göre cisimlerin hareket hızı. Eğer cisimler aynı yönde hareket ediyorsa bağıl hızları:
4. Kütledeki göreceli artış.
Hareket eden bir cismin kütlesi M vücudun geri kalan kütlesinden daha büyük M 0:
5. Enerji ve vücut ağırlığı arasındaki ilişki.
Görelilik teorisi açısından bakıldığında, bir cismin kütlesi ve bir cismin enerjisi pratik olarak aynı şeydir. Dolayısıyla yalnızca bir bedenin varlığı gerçeği, o bedenin enerjiye sahip olduğu anlamına gelir. En düşük enerji e 0 cismin hareketsiz olduğu eylemsiz referans çerçevesinde bulunur ve denir Vücudun kendi enerjisi (vücudun dinlenme enerjisi):
Vücut enerjisindeki herhangi bir değişiklik, vücut ağırlığında bir değişiklik anlamına gelir ve bunun tersi de geçerlidir:
nerede: ∆ e– vücut enerjisindeki değişim, ∆ M– kütledeki karşılık gelen değişiklik. Toplam vücut enerjisi:
Nerede: M– vücut ağırlığı. Toplam vücut enerjisi e orantılı göreceli kütle ve hareket eden cismin hızına bağlı olduğundan, bu anlamda aşağıdaki ilişkiler önemlidir:
Bu arada, göreceli bir hızla hareket eden bir cismin kinetik enerjisi ancak aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
Görelilik teorisi açısından bakıldığında, dinlenme kütlelerinin korunumu yasası adil değildir. Örneğin bir atom çekirdeğinin geri kalan kütlesi, çekirdekte bulunan parçacıkların geri kalan kütlelerinin toplamından daha azdır. Bununla birlikte, kendiliğinden bozunma yeteneğine sahip bir parçacığın geri kalan kütlesi toplamından daha büyüktür. kendi kitleleri bileşenleri.
Bu, kütlenin korunumu yasasının ihlali anlamına gelmez. Görelilik teorisinde göreli kütlenin korunumu yasası geçerlidir, çünkü izole sistem cisimlerin toplam enerjisi ve dolayısıyla Einstein'ın formülünden çıkan göreli kütle korunur, dolayısıyla kütle ve enerjinin korunumuna ilişkin birleşik bir yasadan bahsedebiliriz. Bu, kütlenin enerjiye veya tersinin mümkün olduğu anlamına gelmez.
Bir cismin toplam enerjisi, dinlenme enerjisi ve momentum arasında bir ilişki vardır:
Foton ve özellikleri
Işık foton adı verilen elektromanyetik radyasyon kuantum akışıdır. Fotonışık enerjisini aktaran bir parçacıktır. Durgun olamaz ama her zaman belli bir hızla hareket eder eşit hız Sveta. Foton aşağıdaki özelliklere sahiptir:
1. Foton enerjisi şuna eşittir:
Nerede: H= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – Planck sabiti, ν – ışığın frekansı, λ – ışığın dalga boyu, C– ışığın boşluktaki hızı. Bir fotonun Joule cinsinden enerjisi çok küçüktür, bu nedenle matematiksel kolaylık sağlamak için genellikle sistem dışı bir birim olan elektron voltla ölçülür:
1 eV = 1,6∙10 –19 J.
2. Bir foton boşlukta ışık hızında hareket eder C.
3. Bir fotonun momentumu vardır:
4. Bir fotonun bizim için alışılageldik anlamda bir kütlesi yoktur (bir ölçekte ölçülebilen, Newton'un ikinci yasası vb. kullanılarak hesaplanabilen bir kütle), ancak Einstein'ın görelilik teorisine uygun olarak, bir kütle ölçüsü olarak kütleye sahiptir. enerji ( e = mc 2). Aslında bir miktar enerjisi olan her cismin kütlesi de vardır. Bir fotonun enerjisi olduğunu dikkate alırsak kütlesi de vardır ve bu şu şekilde bulunabilir:
5. Fotonun elektrik yükü yoktur.
Işığın ikili bir doğası vardır. Işık yayıldıkça ortaya çıkıyor dalga özellikleri(parazit, kırınım, polarizasyon) ve madde ile etkileşime girdiğinde - parçacık (fotoelektrik etki). Işığın bu ikili doğasına denir dalga-parçacık ikiliği.
Harici fotoğraf efekti
Fotoelektrik etki- katot belirli bir dalga boyundaki monokromatik ışıkla aydınlatıldığında vakum silindirinde bir fotoakımın ortaya çıkmasından oluşan bir olgu λ .
Anottaki voltaj negatif olduğunda katot ile anot arasındaki elektrik alanı elektronları engeller. Bunu ölçmek tutma gerilimi Fotoakımın kaybolduğu noktada katottan çıkan fotoelektronların maksimum kinetik enerjisini belirleyebiliriz:
Çok sayıda deneyci aşağıdakileri tespit etti: fotoelektrik etkinin temel yasaları:
- Fotoelektrik etki eylemsizdir. Bu, ışıkla ışınlama başladıktan hemen sonra elektronların metalden dışarı uçmaya başladığı anlamına gelir.
- Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi artan ışık frekansıyla doğrusal olarak artar ν ve yoğunluğuna bağlı değildir.
- Her madde için sözde bir kırmızı fotoğraf efekti sınırı yani en düşük frekans ν küçük en büyük uzunluk dalgalar λ max) harici fotoelektrik etkinin hala mümkün olduğu nokta.
- Katottan gelen ışığın 1 saniyede yaydığı fotoelektronların sayısı ışık şiddetiyle doğru orantılıdır.
Bir foton maddeyle etkileşime girdiğinde tüm enerjisini tamamen aktarır e = hν bir elektron. Elektron, maddenin atomlarıyla çarpışması sırasında bu enerjinin bir kısmını dağıtabilir. Ek olarak, elektron enerjisinin bir kısmı metal-vakum arayüzündeki potansiyel bariyerin aşılması için harcanır. Bunu yapmak için elektronun yapması gerekir. çalışma fonksiyonu A katot malzemesinin özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu durumda katottan yayılan bir fotoelektronun sahip olabileceği en büyük kinetik enerji, enerjinin korunumu yasasına göre belirlenir:
Bu formüle genellikle denir Einstein'ın dış fotoelektrik etki denklemi. Einstein'ın denklemi kullanılarak dış fotoelektrik etkinin tüm yasaları açıklanabilir. İçin kırmızı kenarlık fotoğraf efekti Einstein'ın formülüne göre şu ifadeyi elde edebiliriz:
Bohr'un varsayımları
Bohr'un ilk varsayımı (durağan durumların varsayımı): bir atom sistemi yalnızca her biri belirli bir sayıya karşılık gelen özel durağan veya kuantum durumlarında olabilir N ve enerji E n. Durağan hallerde atom enerji yaymaz veya absorbe etmez.
En düşük enerjiye sahip duruma "1" numarası atanır. Buna denir ana. Diğer tüm durumlara “2”, “3” vb. sıralı numaralar atanır. Onlar denir heyecanlı. Bir atom sonsuza kadar temel durumda kalabilir. Uyarılmış durumda atom bir süre (yaklaşık 10 ns) yaşar ve temel duruma geçer.
Bohr'un ilk varsayımına göre bir atom, her biri belirli bir durağan duruma karşılık gelen bir enerji seviyeleri sistemi ile karakterize edilir. Pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında kapalı bir yol boyunca hareket eden bir elektronun mekanik enerjisi negatiftir. Bu nedenle tüm durağan durumlar enerji değerlerine karşılık gelir E n < 0. При E n≥ 0 ise elektron çekirdekten uzaklaşır (iyonlaşma meydana gelir). Büyüklük | e 1 | isminde iyonlaşma enerjisi. Enerji durumu e 1'e atomun temel durumu denir.
Bohr'un ikinci varsayımı (frekans kuralı): Bir atom enerjiyle sabit bir durumdan geçiş yaptığında E n enerji ile başka bir durağan duruma E m enerjisi durağan durumların enerjileri arasındaki farka eşit olan bir kuantum yayılır veya emilir:
Hidrojen atomu
En basit atom hidrojen atomudur. Tek bir elektron içerir. Bir atomun çekirdeği, yükü bir elektronun yüküne eşit büyüklükte olan pozitif yüklü bir parçacık olan bir protondur. Genellikle elektron ilk sıradadır (toprakta, uyarılmamış) enerji seviyesi(diğer sistemler gibi bir elektron da minimum enerjili bir duruma yönelir). Bu durumda enerjisi eşittir e 1 = –13,6 eV. Hidrojen atomunda, çekirdeğin etrafında dönen bir elektronun yörüngesinin yarıçapını, ilk yörüngedeki hızını ve enerjisini geri kalan yörüngelerdeki benzer özelliklere bağlayan aşağıdaki ilişkiler sağlanır:
Hidrojen atomunun herhangi bir yörüngesindeki kinetik ( İLE) ve potansiyel ( P) elektron enerjileri toplam enerjiyle ilişkilidir ( e) aşağıdaki formüllerle:
Atom çekirdeği
Artık kesin olarak tespit edilmiştir ki atom çekirdekleri çeşitli unsurlar genellikle nükleon adı verilen protonlar ve nötronlar olmak üzere iki parçacıktan oluşur. Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. Atom çekirdeğini oluşturan protonların sayısı Z sembolü ile gösterilir ve yük numarası veya atom numarası olarak adlandırılır (bu, periyodik tablodaki sıralı bir sayıdır). Nötron sayısı N sembolü ile gösterilir. Nükleonların (yani proton ve nötronların) toplam sayısına kütle numarası A denir ve bunun için aşağıdaki formül yazılabilir:
İletişim enerjisi. Kütle kusuru
Nükleer fizikte en önemli rol kavram tarafından oynanır. nükleer bağlanma enerjisi. Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeğin tek tek parçacıklara tamamen bölünmesi için harcanması gereken minimum enerjiye eşittir. Enerjinin korunumu yasasından, bağlanma enerjisinin, tek tek parçacıklardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkan enerjiye eşit olduğu sonucu çıkar.
Herhangi bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, kütlesinin doğru bir şekilde ölçülmesiyle belirlenebilir. Bu tür ölçümler herhangi bir çekirdeğin kütlesinin M I her zaman bileşiminde yer alan proton ve nötronların kütlelerinin toplamından daha azdır: M BEN< ZM p+N M N. Bu durumda bu kütleler arasındaki farka denir. kütle kusuru, ve aşağıdaki formülle hesaplanır:
Kütle kusuru Einstein'ın formülü kullanılarak belirlenebilir e = mc Belirli bir çekirdeğin oluşumu sırasında salınan 2 enerji, yani çekirdeğin bağlanma enerjisi e St:
Ancak bağlanma enerjisini başka bir formül kullanarak hesaplamak daha uygundur (burada kütleler atomik birimler halinde alınır ve bağlanma enerjisi MeV cinsinden elde edilir):
Radyoaktivite. Radyoaktif Bozunma Yasası
Bilinen atom çekirdeklerinin neredeyse %90'ı kararsızdır. Kararsız bir çekirdek kendiliğinden diğer çekirdeklere dönüşerek parçacıklar yayar. Çekirdeklerin bu özelliğine denir radyoaktivite.
Alfa bozunması. Alfa bozunması, proton Z ve nötron N sayısına sahip bir atom çekirdeğinin, proton Z – 2 ve nötron N – 2 sayısını içeren başka bir (yardımcı) çekirdeğe kendiliğinden dönüşümüdür. Bu durumda, α -parçacık – helyum atomunun çekirdeği 4 2 He. Genel alfa bozunma şeması:
Beta bozunması. Beta bozunması sırasında çekirdekten bir elektron yayılır (0-1 e). Beta bozunma şeması:
Gama bozunması. Farklı α - Ve β -radyoaktivite γ -çekirdeklerin radyoaktivitesi, çekirdeğin iç yapısındaki bir değişiklikle ilişkili değildir ve yük veya kütle sayılarında bir değişiklik eşlik etmez. Olduğu gibi α - ve benzeri β -bozunma, yavru çekirdek kendisini heyecanlı bir durumda bulabilir ve aşırı enerjiye sahip olabilir. Bir çekirdeğin uyarılmış durumdan temel duruma geçişine bir veya daha fazla maddenin yayılması eşlik eder. γ -enerjisi birkaç MeV'ye ulaşabilen kuantum.
Radyoaktif bozunma kanunu. Herhangi bir örnekte radyoaktif maddeçok sayıda radyoaktif atom içerir. Radyoaktif bozunma rastgele olduğundan ve dış koşullara bağlı olmadığından, azalan miktar kanunu N(T) çürümemiş zamanın bu noktasında Tçekirdekler radyoaktif bozunma sürecinin önemli bir istatistiksel özelliği olarak hizmet edebilir. Radyoaktif bozunma yasası şu şekildedir:
Büyüklük T isminde yarı ömür, N 0 – başlangıç numarası radyoaktif çekirdekler en T= 0. Yarı ömür, radyoaktif bozunma oranını karakterize eden ana miktardır. Yarı ömür ne kadar kısa olursa bozunma o kadar yoğun olur.
Şu tarihte: α - Ve β -radyoaktif bozunma nedeniyle yavru çekirdek de kararsız hale gelebilir. Bu nedenle birbirini takip eden bir dizi radyoaktif bozunumlar Kararlı çekirdeklerin oluşumuyla sonuçlanan.
Nükleer reaksiyonlar
Nükleer reaksiyon bir atom çekirdeğinin başka bir çekirdek veya temel parçacık ile etkileşimi süreci olup, çekirdeğin bileşiminde ve yapısında bir değişiklik ve ikincil parçacıkların salınması veya γ -kuanta. Nükleer reaksiyonlar sonucunda Dünya'da doğal şartlarda bulunmayan yeni radyoaktif izotoplar oluşabilmektedir.
Nükleer reaksiyonlarda çeşitli korunum yasaları karşılanır: momentum, enerji, açısal momentum, yük. Bunlara ek olarak klasik yasalar Nükleer reaksiyonlarda korunum sağlanır sözde baryon yükünün korunumu yasası(yani nükleonların sayısı - protonlar ve nötronlar). Örneğin genel bir reaksiyonda:
Devam etmekte aşağıdaki koşullar (toplam sayı reaksiyondan önceki ve sonraki nükleonlar değişmeden kalır):
Nükleer reaksiyonun enerji çıkışı
Nükleer reaksiyonlara enerji dönüşümleri eşlik eder. Bir nükleer reaksiyonun enerji çıkışı miktardır:
Nerede: M bir ve M B – kütleler başlangıç ürünleri, M C ve M D – son reaksiyon ürünlerinin kütleleri. Değer Δ M isminde kütle kusuru. () salınımıyla nükleer reaksiyonlar meydana gelebilir. Q> 0) veya enerji emilimi ile ( Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, adı verilen reaksiyon eşiği.
Bir nükleer reaksiyonun pozitif enerji verimine sahip olabilmesi için, başlangıç ürünlerinin çekirdeğindeki nükleonların spesifik bağlanma enerjisinin daha az olması gerekir. özgül enerji Nihai ürünlerin çekirdeklerindeki nükleon bağları. Bu, Δ değerinin M
Bu üç noktanın başarılı, özenli ve sorumlu bir şekilde uygulanması CT'ye çıkmanıza olanak sağlayacaktır. mükemmel sonuç, yapabileceklerinizin maksimumu.
Bir hata mı buldunuz?
Bir hata bulduğunuzu düşünüyorsanız eğitim materyalleri, ardından lütfen e-postayla bu konu hakkında yazın. Ayrıca sosyal ağdaki () bir hatayı da bildirebilirsiniz. Mektupta konuyu (fizik veya matematik), konunun veya testin adını veya numarasını, problemin numarasını veya metinde (sayfada) sizce hatanın olduğu yeri belirtin. Ayrıca şüphelenilen hatanın ne olduğunu da açıklayın. Mektubunuz gözden kaçmayacak, hata ya düzeltilecek ya da neden hata olmadığı size açıklanacak.
Atom fiziği Atomların yapısını ve durumunu inceleyen bir fizik dalı. AF. 19. yüzyılın sonlarında - 20. yüzyılın başlarında ortaya çıktı. 10'larda. 20. yüzyıl Bir atomun bir çekirdek ve elektriksel kuvvetlerle birbirine bağlanan elektronlardan oluştuğu bulunmuştur. Gelişiminin ilk aşamasında A. f. atom çekirdeğinin yapısıyla ilgili konuları da kapsıyordu. 30'lu yıllarda Atom çekirdeğinde meydana gelen etkileşimlerin doğasının, atomun dış kabuğundan ve 40'lı yıllardan farklı olduğu ortaya çıktı. nükleer fizik bağımsız bir bilim alanı haline geldi. 50'li yıllarda Temel parçacık fiziği veya yüksek enerji fiziği bundan doğdu. Atom fiziğinin tarih öncesi: 17.-19. yüzyıllarda atom doktrini. Atomların maddenin bölünemez parçacıkları olarak var olduğu fikri eski zamanlarda ortaya çıktı; Atomculuk fikirleri ilk kez antik Yunan düşünürleri Demokritos ve Epikuros tarafından dile getirildi. 17. yüzyılda Fransız filozof P. Gassendi ve İngiliz kimyager R. Boyle tarafından yeniden canlandırıldılar. 17. ve 18. yüzyıllarda hakim olan atomlarla ilgili fikirler yeterince tanımlanamadı. Atomların, farklı türleri boyut ve şekil bakımından birbirinden farklı olan, kesinlikle bölünmez ve değişmeyen katı parçacıklar olduğu düşünülüyordu. Atomların şu ya da bu şekilde bir araya gelerek çeşitli cisimleri oluşturması; atomların hareketleri, maddede meydana gelen tüm olayları belirler. I. Newton, M. V. Lomonosov ve diğer bazı bilim adamları, atomların daha karmaşık parçacıklar - "parçacıklar" halinde birbirine yapışabileceğine inanıyorlardı. Ancak atomlara belirli kimyasallar atanmamıştır ve fiziksel özellikler. Atomculuk hâlâ soyut, doğal-felsefi bir karaktere sahipti. 18. yüzyılın sonu - 19. yüzyılın başı. Kimyanın hızlı gelişmesinin bir sonucu olarak, temelleri niceliksel gelişme Atom doktrini. İngiliz bilim adamı J. Dalton, atomu, kütlesindeki diğer elementlerin atomlarından farklı olan, kimyasal bir elementin en küçük parçacığı olarak düşünen ilk kişiydi (1803). Dalton'a göre bir atomun temel özelliği atom kütlesidir. Kimyasal bileşikler, belirli (belirli bir özellik için karakteristik) içeren "bileşik atomların" bir koleksiyonudur. karmaşık madde) her elementin atom sayısı. Tüm kimyasal reaksiyonlar atomların yeni karmaşık parçacıklar halinde yeniden düzenlenmesinden ibarettir. Bu hükümlere dayanarak Dalton, katlı oranlar yasasını formüle etti (bkz. Çoklu oranlar yasası). İtalyan bilim adamları A. Avogadro'nun (1811) ve özellikle S. Cannizzaro'nun (1858) çalışmaları, atom ile molekül arasında net bir çizgi çizdi. 19. yüzyılda ile birlikte kimyasal özellikler atomların optik özellikleri incelendi. Her elementin karakteristik bir optik spektruma sahip olduğu bulunmuştur; spektral analiz keşfedildi (Alman fizikçiler G. Kirchhoff ve R. Bunsen, 1860). Böylece atom, kesin olarak tanımlanmış fiziksel ve kimyasal özelliklerle karakterize edilen, niteliksel olarak benzersiz bir madde parçacığı olarak ortaya çıktı. Ancak atomun özelliklerinin sonsuz ve açıklanamaz olduğu düşünülüyordu. Atom türlerinin (kimyasal elementlerin) sayısının rastgele olduğuna ve aralarında hiçbir bağlantı olmadığına inanılıyordu. Bununla birlikte, aynı kimyasal özelliklere (aynı maksimum değerlik) ve fiziksel özelliklerin (bir gruptan diğerine geçerken) benzer değişim yasalarına (erime noktası, sıkıştırılabilirlik vb.) sahip element gruplarının olduğu yavaş yavaş ortaya çıktı. 1869, D. I. Mendeleev periyodik element tablosu sistemini keşfetti (bkz. Periyodik element tablosu). Elementlerin atom kütlesi arttıkça kimyasal ve fiziksel özelliklerinin periyodik olarak tekrarlandığını gösterdi ( pirinç. 1
Ve 2
). Periyodik tablo, farklı atom türleri arasındaki bağların varlığını kanıtladı. Sonuç şuydu: Atomun karmaşık yapı, ile değişiyor atom kütlesi. Atomun yapısını ortaya çıkarma sorunu kimya ve fizikte en önemli sorun haline gelmiştir (daha fazla ayrıntı için bkz. Atomizm).
Atom fiziğinin ortaya çıkışı. Önemli olaylar Atom teorisinin kaynaklandığı bilimde elektron ve radyoaktivitenin keşifleri oldu. Pasajı araştırırken elektrik akımı Yüksek oranda seyreltilmiş gazlar aracılığıyla, deşarj tüpünün katodu (katot ışınları) tarafından yayılan ve enine elektrikte saptırma özelliğine sahip ışınlar keşfedildi ve manyetik alanlar. Bu ışınların elektron adı verilen hızlı hareket eden negatif yüklü parçacıklardan oluştuğu ortaya çıktı. 1897'de İngiliz fizikçi J. J. Thomson yük oranını ölçtü e bu parçacıkların kütlelerine oranı M. Ayrıca metallerin yoğun bir şekilde ısıtıldığında veya kısa dalga boylu ışıkla aydınlatıldığında elektron yaydığı da keşfedilmiştir (bkz. Termiyonik emisyon, Fotoelektron emisyonu). Buradan elektronların herhangi bir atomun parçası olduğu sonucuna varıldı. Buradan nötr atomların da pozitif yüklü parçacıklar içermesi gerektiği sonucu çıktı. Pozitif yüklü atomlar (iyonlar) aslında araştırma sırasında keşfedildi elektrik deşarjları Seyreltilmiş gazlarda. Hollandalı fizikçi H. Lorentz'in teorisine göre, yüklü parçacıklardan oluşan bir sistem olarak atom fikri açıklandı. ,
bir atomun ışık (elektromanyetik dalgalar) yayma olasılığı: atom içi yükler salındığında elektromanyetik radyasyon meydana gelir; bu, manyetik alanın atomik spektrum üzerindeki etkisinin incelenmesiyle doğrulandı (bkz. Zeeman fenomeni). Atom içi elektronların yükünün kütlelerine oranının olduğu ortaya çıktı. e/m, Lorentz'in Zeeman fenomeni teorisinde bulduğu değer tam olarak eşittir e/m Thomson'un deneylerinde elde edilen serbest elektronlar için. Elektron teorisi ve onun deneysel olarak doğrulanması, atomun karmaşıklığına dair tartışılmaz bir kanıt sağladı. Atomun bölünmezliği ve dönüştürülemezliği fikri nihayet Fransız bilim adamları M. Sklodowska-Curie (Bkz. Sklodowska-Curie) ve P. Curie'nin (Bkz. Curie-Sklodowska) çalışmaları tarafından çürütüldü. .
Radyoaktivite üzerine yapılan çalışmalar sonucunda kuruldu (F. Soddy) ,
atomların iki tür dönüşüme uğradığını Bir alfa parçacığı (2 pozitif yüklü helyum iyonu) yayan e), radyoaktif bir kimyasal elementin bir atomu, periyodik tabloda soldaki 2 hücrede bulunan başka bir elementin atomuna dönüşür, örneğin bir polonyum atomu bir kurşun atomuna dönüşür. Negatif yüklü bir beta parçacığı (elektron) yayarak - e, radyoaktif bir kimyasal elementin bir atomu, 1 hücre sağda bulunan bir elementin atomuna dönüşür, örneğin bir bizmut atomu bir polonyum atomuna dönüşür. Bu tür dönüşümler sonucunda oluşan bir atomun kütlesinin bazen hücresine düştüğü elementin atom ağırlığından farklı olduğu ortaya çıktı. Bundan aynı kimyasal elementin çeşitli atomlarının varlığını takip etti. farklı kitleler; bu çeşitlere daha sonra izotoplar adı verildi (yani periyodik tabloda aynı yeri kaplayanlar). Dolayısıyla, belirli bir kimyasal elementin tüm atomlarının mutlak özdeşliği fikrinin yanlış olduğu ortaya çıktı. Elektronun ve radyoaktivitenin özelliklerinin incelenmesinin sonuçları, atomun spesifik modellerinin oluşturulmasını mümkün kıldı. Thomson tarafından 1903'te önerilen modelde atom, içinde küçük (atomla karşılaştırıldığında) negatif elektronların bulunduğu pozitif yüklü bir küre olarak temsil ediliyordu ( pirinç. 3
). Dağıtılmış pozitif yüklerin çekici kuvvetlerinin, karşılıklı itme kuvvetleriyle dengelenmesi nedeniyle atomda tutulurlar. Thomson modeli, ışığın bir atom tarafından yayılması, saçılması ve soğurulması olasılığına ilişkin iyi bilinen bir açıklama sağladı. Elektronlar bir denge konumundan çıkarıldığında, dengeyi yeniden sağlama eğiliminde olan bir "elastik" kuvvet ortaya çıkar; Bu kuvvet elektronun yer değiştirmesiyle orantılıdır. denge konumu ve bu nedenle dipol momenti(bkz. dipol momenti)
atom. Gelen elektromanyetik dalganın elektriksel kuvvetlerinin etkisi altında, atomdaki elektronlar aynı frekansta salınır. elektrik gerilimi bir ışık dalgasında; Salınım yapan elektronlar da aynı frekansta ışık yayarlar. Elektromanyetik dalgalar madde atomları tarafından bu şekilde saçılır. Işık ışınının maddenin kalınlığındaki zayıflama derecesine göre, saçılan toplam elektron sayısını öğrenebilir ve birim hacim başına atom sayısını bilerek, her atomdaki elektron sayısını belirleyebilirsiniz. Rutherford'un atomun gezegensel modelini yaratması. Thomson'un atom modelinin yetersiz olduğu ortaya çıktı. Buna dayanarak, İngiliz fizikçi E. Rutherford ve işbirlikçileri H. Geiger ve E. Marsden'in alfa parçacıklarının atomlar tarafından saçılması konusundaki deneylerinin tamamen beklenmedik sonucunu açıklamak mümkün değildi. Bu deneylerde, atomları doğrudan araştırmak için hızlı α parçacıkları kullanıldı. Maddenin içinden geçen alfa parçacıkları atomlarla çarpışır. Her çarpışmada, atomun elektrik alanı boyunca uçan α parçacığı hareket yönünü değiştirir - saçılma yaşar. Saçılma olaylarının büyük çoğunluğunda, α parçacıklarının sapmaları (saçılma açıları) çok küçüktü. Bu nedenle, bir α parçacıkları demeti geçtiğinde ince tabaka madde, ışında sadece hafif bir bulanıklık meydana geldi. Bununla birlikte, α parçacıklarının çok küçük bir kısmı 90°'den büyük açılarla saptırılmıştır. Bu sonuç Thomson modeli temel alınarak açıklanamamıştır çünkü "Katı" bir atomdaki elektrik alanı, hızlı ve büyük bir α parçacığını geniş bir açıyla saptıracak kadar güçlü değildir. α parçacıklarının saçılmasıyla ilgili deneylerin sonuçlarını açıklamak için Rutherford, yapı olarak anımsatan temelde yeni bir atom modeli önerdi. güneş sistemi ve gezegen denir. Şuna benziyor: Atomun merkezinde boyutları (Atom fiziği 10 -12) pozitif yüklü bir çekirdek vardır. santimetre) bir atomun boyutuyla karşılaştırıldığında çok küçüktür (Atom fiziği 10 -8 santimetre) ve kütlesi neredeyse bir atomun kütlesine eşittir. Elektronlar, Güneş'in etrafındaki gezegenler gibi çekirdeğin etrafında hareket ederler; Yüksüz (nötr) bir atomdaki elektronların sayısı öyledir ki bunların toplamı negatif yükÇekirdeğin pozitif yükünü telafi eder (nötrleştirir). Elektronlar çekirdeğin etrafında hareket etmelidir, aksi takdirde yerçekiminin etkisi altında çekirdeğin üzerine düşerler. Bir atom ile bir gezegen sistemi arasındaki fark, ikincisinde yerçekimi kuvvetlerinin olması ve bir atomda elektrik (Coulomb) kuvvetlerinin bulunmasıdır. Noktasal pozitif yük olarak kabul edilebilecek çekirdeğin yakınında çok güçlü bir elektrik alanı vardır. Bu nedenle, çekirdeğin yakınında uçarken, pozitif yüklü a parçacıkları (helyum çekirdekleri) güçlü bir sapma yaşar (bkz. pirinç. 4
). Daha sonra çekirdeğin yükünün bir kimyasal elementten diğerine arttığı keşfedildi (G. Moseley). temel birimşarj, yüke eşit elektron (ancak olumlu işaret). Sayısal olarak, bir atom çekirdeğinin temel yük e birimleriyle ifade edilen yükü şuna eşittir: seri numarası Periyodik tablodaki karşılık gelen element. Rutherford ve çalışma arkadaşı Charles Darwin, gezegen modelini test etmek için Coulomb kuvvetlerinin merkezi olan bir nokta çekirdeği tarafından saçılan α parçacıklarının açısal dağılımını hesapladı. Elde edilen sonuç, farklı açılarda dağılmış a parçacıklarının sayısı ölçülerek deneysel olarak doğrulandı. Deneyin sonuçları teorik hesaplamalarla tam olarak örtüşüyor ve böylece Rutherford'un atoma ilişkin gezegen modeli zekice doğrulanıyordu. Ancak atomun gezegen modeli temel zorluklarla karşılaştı. Klasik elektrodinamiğe göre ivmeyle hareket eden yüklü bir parçacık sürekli olarak elektromanyetik enerji yayar. Bu nedenle çekirdeğin etrafında hareket eden, yani hızlanan elektronlar, radyasyon yoluyla sürekli enerji kaybetmek zorunda kalacaklardır. Ancak aynı zamanda saniyenin çok küçük bir bölümünde tüm kinetik enerjilerini kaybedecek ve çekirdeğe düşeceklerdi. Radyasyonla da ilgili olan diğer bir zorluk da şuydu: Eğer (klasik elektrodinamiğe uygun olarak) bir elektron tarafından yayılan ışığın frekansının, atomdaki elektronun salınım frekansına eşit olduğunu varsayarsak (yani, Yörüngesinde bir saniyede yaptığı devir sayısı) veya bunun katları varsa, elektron çekirdeğe yaklaştıkça yayılan ışığın sürekli olarak frekansını değiştirmesi ve yaydığı ışığın spektrumunun sürekli olması gerekir. Ancak bu deneyimle çelişiyor. Atom yayar ışık dalgaları belirli bir kimyasal element için tipik olan iyi tanımlanmış frekanslar ve bireysel spektral çizgilerden oluşan bir spektrum - bir çizgi spektrumu - ile karakterize edilir. Elementlerin çizgi spektrumlarında deneysel olarak bir dizi düzenlilik belirlendi; bunlardan ilki, İsviçreli bilim adamı I. Balmer (1885) tarafından hidrojen spektrumunda keşfedildi. En genel model - birleştirme ilkesi - Avusturyalı bilim adamı W. Ritz (1908) tarafından bulunmuştur. Bu prensip şu şekilde formüle edilebilir: Her elementin atomları için bir sayı dizisi bulunabilir. T 1 ,T 2 ,T 3,... - sözde spektral terimler öyle ki frekans v Belirli bir elemanın her spektral çizgisi iki terimin farkı olarak ifade edilir: v = T k - T Ben .
Hidrojen atomu için terim Tn = R/n 2, Nerede N- değer alan tamsayı N= 1, 2, 3,..., a R- sözde Rydberg sabiti (bkz. Rydberg sabiti).
Dolayısıyla Rutherford'un atom modeli çerçevesinde atomun radyasyona karşı kararlılığı ve radyasyonunun çizgi spektrumu açıklanamadı. Buna dayanarak ne termal radyasyon kanunları ne de radyasyonun madde ile etkileşime girmesiyle ortaya çıkan fotoelektrik olay kanunları açıklanabilir. Bu yasaları, ilk olarak Alman fizikçi M. Planck (1900) tarafından ortaya atılan tamamen yeni kuantum kavramlarına dayanarak açıklamanın mümkün olduğu ortaya çıktı. Termal radyasyon - ısıtılmış cisimlerden radyasyon - spektrumunda enerji dağılımı yasasını türetmek için Planck, madde atomlarının ayrı bölümler halinde elektromanyetik enerji (ışık) yaydığını öne sürdü - enerjisi orantılı olan ışık kuantumu v(radyasyon frekansı): E =hv, Nerede H- kuantum teorisinin sabit bir özelliğidir ve Planck sabiti olarak adlandırılır (Bkz. Planck sabiti). 1905'te A. Einstein, fotoelektrik fenomenin kuantum açıklamasını yaptı; buna göre bir kuantumun enerjisi hv bir metalden bir elektronu koparmaya gider - İş fonksiyonu R - ve ona kinetik enerji iletmek için T akraba; hv = R+ Tkin. Aynı zamanda Einstein, özel bir parçacık türü olarak ışık kuantumu kavramını ortaya attı; bu parçacıklara daha sonra Fotonlar adı verildi.
Rutherford'un modelinin çelişkilerinin ancak klasik fiziğin bazı geleneksel kavramlarının terk edilmesiyle çözülebileceği ortaya çıktı. Atom teorisinin inşasında en önemli adım Danimarkalı fizikçi N. Bohr (1913) tarafından atılmıştır. Bohr'un postülaları ve Bohr'un atom modeli. Bohr, atomun kuantum teorisinin temelini, atomun klasik fizik çerçevesine uymayan özelliklerini karakterize eden iki önermeye dayandırdı. Bu Bohr postülaları şu şekilde formüle edilebilir: 1. Durağan durumların varlığı. Atom yayılmaz ve yalnızca ayrık (süreksiz) bir dizi "izin verilen" enerji değerlerine karşılık gelen bazı durağan (zamanla değişmeyen) durumlarda kararlıdır e 1 ,E 2 ,E 3 ,
e 4,... Enerjideki herhangi bir değişiklik, bir durağan durumdan diğerine kuantum (sıçrama) geçişiyle ilişkilidir. 2. Radyasyon frekanslarının durumu (ışımayla kuantum geçişleri). Enerji ile bir durağan durumdan geçiş yaparken e enerjiyle başka birine giriyorum e k bir atom belirli bir frekansta ışık yayar veya soğurur v bir radyasyon kuantumu (foton) formunda hv, orana göre hv = E Ben - E k. Yayıldığında, bir atom daha yüksek enerjili bir durumdan hareket eder e daha düşük enerjili bir duruma geçiyorum e k , aksine, daha düşük enerjili bir durumdan emildiğinde e k daha yüksek enerjili bir duruma e Ben.
Bohr'un varsayımları hemen anlamamızı sağlıyor fiziksel anlam Ritz kombinasyon prensibi (yukarıya bakın); oranların karşılaştırılması hv = e Ben - E k ve v = T k - T Ben
spektral terimlerin durağan durumlara karşılık geldiğini ve ikincisinin enerjisinin eşit olması gerektiğini (sabit bir terime kadar) gösterir e ben = -hT Ben ,E k = -hT k.
Işık yayıldığında veya emildiğinde atomun enerjisi değişir; bu değişiklik yayılan veya emilen fotonun enerjisine eşittir, yani enerjinin korunumu yasası gerçekleşir. Bir atomun çizgi spektrumu ayrıklığın sonucudur olası değerler onun enerjisi. Bir atomun enerjisinin izin verilen değerlerini belirlemek - enerjisinin nicelendirilmesi - ve karşılık gelen durağan durumların özelliklerini bulmak için Bohr, klasik (Newton) mekaniği kullandı. Bohr 1913'te şöyle yazmıştı: "Genel olarak durağan durumların görsel bir temsilini oluşturmak istiyorsak, en azından şimdilik sıradan mekanik dışında başka bir yolumuz yok." ("Atomların spektrumları ve yapısı üzerine üç makale," M.-) L., 1923, 22). En basit atom için - yüklü bir çekirdekten oluşan bir hidrojen atomu + e(proton) ve yüklü elektron - e Bohr, bir elektronun dairesel yörüngelerdeki bir çekirdek etrafındaki hareketini değerlendirdi. Bir atomun enerjisinin karşılaştırılması e spektral terimlerle Tn = R/n2 Spektral çizgilerinin frekanslarından büyük bir doğrulukla bulunan hidrojen atomu için atomun enerjisinin olası değerlerini elde etti. E n= -hTn = -hR/n2(nerede= 1, 2, 3,...). Yarıçaplı dairesel yörüngelere karşılık gelirler bir n = bir 0 n 2, Nerede A 0 = 0,53·10 -8 santimetre - Bohr yarıçapı - en küçük dairesel yörüngenin yarıçapı ( N= 1). Bohr dolaşım frekanslarını hesapladı v Elektronun enerjisine bağlı olarak çekirdeğin etrafında dairesel yörüngelerde bulunan elektron. Bir atomun yaydığı ışığın frekanslarının devir frekanslarıyla çakışmadığı ortaya çıktı v gerektiği gibi klasik elektrodinamik ve ilişkiye göre orantılıdır hv = E Ben - E k, iki olası yörüngedeki elektron enerjilerindeki fark. Elektronun yörünge frekansı ile radyasyon frekansı arasındaki bağlantıyı bulmak için Bohr, kuantum ve klasik teorilerin sonuçlarının düşük radyasyon frekanslarında (uzun dalga boyları için; böyle bir tesadüf termal radyasyon için meydana gelir) çakışması gerektiği varsayımında bulundu; Planck tarafından türetilmiştir). Büyüklere eşitledi N geçiş frekansı v = (e n+1 - e N)/ H dolaşım sıklığı v n verilerle birlikte yörüngede N ve değeri hesapladım Rydberg sabiti R, değeriyle büyük bir doğrulukla örtüşen R, Bohr'un varsayımını doğrulayan deneyimlerden bulundu. Bohr ayrıca sadece hidrojenin spektrumunu açıklamayı değil, aynı zamanda hidrojene atfedilen bazı spektral çizgilerin helyuma ait olduğunu da ikna edici bir şekilde göstermeyi başardı. Bohr'un kuantum ve klasik teorilerin sonuçlarının, düşük radyasyon frekanslarının sınırlayıcı durumunda çakışması gerektiği yönündeki varsayımı, sözde orijinal biçimini temsil ediyordu. yazışma ilkesi. Daha sonra Bohr bunu spektral çizgilerin yoğunluklarını bulmak için başarıyla kullandı. Modern fiziğin gelişiminin gösterdiği gibi, yazışma ilkesinin çok genel olduğu ortaya çıktı (bkz. Yazışma ilkesi) .
Bohr'un atom teorisinde enerjinin kuantizasyonu, yani olası değerlerinin bulunması, özel bir durum olarak ortaya çıktı. genel yöntem“izin verilen” yörüngeleri bulmak. Kuantum teorisine göre bu tür yörüngeler yalnızca atomdaki elektronun açısal momentumunun bir tamsayı katına eşit olduğu yörüngelerdir. h/2π.İzin verilen her yörünge, atomun enerjisinin belirli bir olası değerine karşılık gelir (bkz. Atom).
Atomun kuantum teorisinin ana hükümleri - Bohr'un 2 varsayımı - deneysel olarak kapsamlı bir şekilde doğrulandı. Alman fizikçiler J. Frank ve G. Hertz'in (1913-16) deneyleri özellikle açık bir doğrulama sağladı. Bu deneylerin özü şudur. Enerjisi kontrol edilebilen bir elektron akışı, cıva buharı içeren bir kaba girer. Elektronlara yavaş yavaş artan enerji verilir. Elektron enerjisi arttıkça galvanometreye bağlı akım elektrik devresi, artar; elektron enerjisi belirli değerlere eşit olduğunda (4.9; 6.7; 10.4) ev), akım keskin bir şekilde düşer ( pirinç. 5
). Aynı zamanda cıva buharının yayıldığı da bulunabilir. ultraviyole ışınları belli bir frekans. Sunulan gerçekler yalnızca tek bir yoruma izin veriyor. Elektron enerjisi 4,9’dan az iken ev, Elektronlar cıva atomlarıyla çarpıştıklarında enerji kaybetmezler; çarpışmalar doğası gereği esnektir. Enerji belirli bir değere eşitlendiğinde tam olarak 4,9 ev, Elektronlar enerjilerini cıva atomlarına aktarır ve onlar da bu enerjiyi ultraviyole ışık kuantumu şeklinde yayarlar. Hesaplama, bu fotonların enerjisinin tam olarak elektronların kaybettiği enerjiye eşit olduğunu göstermektedir. Bu deneyler, bir atomun iç enerjisinin yalnızca belirli bir değere sahip olabileceğini kanıtladı. ayrık değerler atomun dışarıdan enerji emdiği ve bunu hemen tam kuantum halinde yaydığı ve son olarak atom tarafından yayılan ışığın frekansının atomun kaybettiği enerjiye karşılık geldiği. A. f.'nin daha da geliştirilmesi. Bohr'un önermelerinin yalnızca atomlar için değil, aynı zamanda diğer mikroskobik sistemler için de (moleküller ve atom çekirdekleri için) geçerliliğini gösterdi. Bu varsayımlar sağlam bir şekilde kurulmuş deneysel olarak kabul edilmelidir. kuantum yasaları. Bohr teorisinin yalnızca kuantum teorisinin daha da gelişmesi sırasında korunmakla kalmayıp aynı zamanda gerekçesini de alan kısmını oluştururlar. Bohr'un atom modelinde durum farklıdır; bu model, bir atomdaki elektronların hareketinin klasik mekanik yasalarına göre ek kuantizasyon koşullarının uygulanmasıyla dikkate alınmasına dayanmaktadır. Bu yaklaşım bir dizi önemli sonucun elde edilmesini mümkün kıldı, ancak tutarsızdı: Kuantum varsayımları yapay olarak klasik mekanik yasalarına iliştirildi. 20'li yıllarda tutarlı bir teori oluşturuldu. 20. yüzyıl Kuantum mekaniği. Oluşumu, Bohr'un teorisinin güçlü ve zayıf yönlerinin netleştiği model kavramlarının daha da geliştirilmesiyle hazırlandı. Bohr'un atom modeli teorisinin gelişimi.Çok önemli sonuç Bohr'un teorisi hidrojen atomunun spektrumunun bir açıklamasıydı. Atomik spektrum teorisinin geliştirilmesinde bir sonraki adım Alman fizikçi A. Sommerfeld tarafından atıldı. Bir atomdaki elektronların hareketinin (eliptik yörüngeler boyunca) daha karmaşık bir resmine dayanarak ve atom alanındaki harici (sözde değerlik) elektronun taranmasını dikkate alarak niceleme kurallarını daha ayrıntılı olarak geliştirmiş olmak. çekirdek ve iç elektronlar sayesinde alkali metallerin spektrumundaki bir dizi modeli açıklayabildi. Bohr'un atom teorisi sözde yapıya da ışık tuttu. X-ışını radyasyonunun karakteristik spektrumları. Atomların X-ışını spektrumları, tıpkı optik spektrumları gibi, belirli bir elementin ayrık bir çizgi yapısına sahiptir (dolayısıyla adı). İngiliz fizikçi G. Moseley, çeşitli elementlerin karakteristik X-ışını spektrumlarını incelerken aşağıdaki modeli keşfetti: Mendeleev'in periyodik sistemi boyunca yayılan çizgilerin frekanslarının karekökleri, elementin atom numarasıyla orantılı olarak elementten elemente eşit şekilde artar. eleman. İlginçtir ki Moseley yasası, bazı durumlarda elementlerin artan atom ağırlığına göre tabloya yerleştirilmesi ilkesini ihlal eden ve bazı ağır elementleri hafif olanların önüne yerleştiren Mendeleev'in doğruluğunu tamamen doğruladı. Bohr'un teorisine dayanarak atomların özelliklerinin periyodikliğini açıklamak mümkündü. Karmaşık bir atomda, en içten başlayarak belirli sayıda elektronla sırayla doldurulan elektron kabukları oluşur (kabukların oluşumunun fiziksel nedeni yalnızca Pauli ilkesi temelinde netleşti, aşağıya bakınız). Dış elektron kabuklarının yapısı periyodik olarak tekrarlanır, bu da aynı grupta yer alan elementlerin kimyasal ve birçok fiziksel özelliklerinin periyodik tekrarlanabilirliğini belirler. periyodik tablo. Alman kimyager W. Kossel, Bohr'un teorisine dayanarak (1916) sözde kimyasal etkileşimleri açıkladı. heteropolar moleküller. Ancak atom teorisinin tüm soruları Bohr teorisinin model kavramlarına dayanarak açıklanamadı. Spektrum teorisinin pek çok problemiyle baş edemedi; hidrojen atomunun ve hidrojen benzeri atomların spektral çizgilerinin frekanslarının yalnızca doğru değerlerinin elde edilmesine izin verdi, ancak bu çizgilerin yoğunlukları açıklanmadan kaldı; Bohr yoğunlukları açıklamak için yazışma ilkesini uygulamak zorunda kaldı. Bohr'un model teorisi, hidrojen atomundan daha karmaşık atomlardaki elektronların hareketlerini açıklamaya çalışırken kendisini bir çıkmazda buldu. Zaten 2 elektronun çekirdeğin etrafında hareket ettiği helyum atomu pes etmedi teorik yorumlama buna dayanarak. Zorluklar deneyimdeki niceliksel farklılıklarla sınırlı değildi. Teorinin, atomları bir molekül halinde birleştirmek gibi bir sorunu çözmede de güçsüz olduğu ortaya çıktı. Neden 2 nötr hidrojen atomu birleşerek bir hidrojen molekülü oluşturuyor? Değerliliğin doğasını nasıl açıklayabiliriz? Atomları birbirine bağlayan şey nedir sağlam? Bu sorular cevapsız kaldı. Bohr'un modeli çerçevesinde bunları çözecek bir yaklaşım bulmak imkansızdı. Atomun kuantum mekaniği teorisi. Bohr atom modelinin sınırlamaları, mikropartiküllerin hareketiyle ilgili klasik fikirlerin sınırlamalarından kaynaklanıyordu. Atom teorisinin daha da geliştirilmesi için mikropartiküllerin hareketi ve etkileşimi ile ilgili temel kavramların eleştirel bir şekilde yeniden değerlendirilmesinin gerekli olduğu ortaya çıktı. Kuantizasyon koşullarının eklenmesiyle klasik mekaniğe dayanan modelin yetersiz doğası, görüşleri üzerinde büyük etkisi olan Bohr'un kendisi tarafından açıkça anlaşılmıştır. daha fazla gelişme AF. A. f.'nin gelişiminde yeni bir aşamanın başlangıcı. Fransız fizikçi L. de Broglie'nin (1924) mikro nesnelerin, özellikle de elektronun hareketinin ikili doğası hakkında ifade ettiği fikirden ilham almıştır (bkz. De Broglie Dalgaları). Bu fikir, 1925-26'da W. Heisenberg ve M. Born (Almanya), E. Schrödinger (Avusturya) ve P. Dirac'ın (İngiltere) çalışmaları tarafından oluşturulan kuantum mekaniğinin başlangıç noktası oldu (bkz. Kuantum mekaniği). atomun modern kuantum mekaniği teorisine dayanarak geliştirildi. Bir elektronun (genel olarak mikropartiküllerin) hareketiyle ilgili kuantum mekaniği kavramları, klasik olanlardan temel olarak farklıdır. Kuantum mekaniğine göre elektron katı bir top gibi bir yörünge (yörünge) boyunca hareket etmez; Elektronun hareketi aynı zamanda dalga yayılımına özgü bazı özelliklere de sahiptir. Bir yandan elektron her zaman (örneğin çarpışmalarda) tek bir bütün olarak, bölünemez yükü ve kütlesi olan bir parçacık olarak hareket eder; aynı zamanda belirli bir enerji ve momentuma sahip elektronlar, belirli bir frekansa (ve belirli bir dalga boyuna) sahip bir düzlem dalga gibi yayılırlar. Elektron enerjisi e Parçacıkların frekansla ilişkisi nasıldır? v elektron dalgası oran: E=hv, ve onun dürtüsü R - dalga boyu ile λ
oran: р = h/λ.
Schrödinger (1926) tarafından gösterildiği gibi, bir atomdaki elektronun kararlı hareketleri bazı açılardan duran dalgalara benzer (bkz. duran dalgalar). ,
genlikleri farklı noktalarda farklıdır. Üstelik atomda olduğu gibi salınım sistemi, belirli enerji değerleri, açısal momentum ve elektronun atomdaki açısal momentumunun izdüşümü ile yalnızca bazı “seçilmiş” hareketler mümkündür. Bir atomun her durağan durumu bazı yöntemler kullanılarak tanımlanır. dalga fonksiyonu(Dalga fonksiyonuna bakın) ,
çözüm hangisi dalga denklemiözel bir tür - Schrödinger denklemi; Dalga fonksiyonu, atomdaki elektron yük yoğunluğunun dağılımını (ortalama olarak) karakterize eden bir “elektron bulutuna” karşılık gelir (bkz. ,
tam orada pirinç. 3
hidrojen atomunun “elektron bulutlarının” projeksiyonları gösterilmektedir). 20-30'larda. Karmaşık atomlardaki elektron yükü yoğunluğunun dağılımını hesaplamak için yaklaşık yöntemler, özellikle Thomas-Fermi yöntemi (1926, 1928) geliştirildi. Bu değere ve buna bağlı değere sözde denir. atom faktörü (bkz. Atom faktörü)
Elektronların atomlarla çarpışmalarının yanı sıra onlar tarafından saçılmalarının incelenmesinde önemlidir röntgen. Kuantum mekaniğine dayanarak Schrödinger denklemini çözerek karmaşık atomlardaki elektronların enerjilerini doğru bir şekilde hesaplamak mümkün oldu. Bu tür hesaplamalar için yaklaşık yöntemler 1928'de D. Hartree (İngiltere) ve 1930'da V. A. Fock (SSCB) tarafından geliştirildi. Atomik spektrum çalışmaları atomun kuantum mekaniği teorisini tamamen doğruladı. Bir atomdaki elektronun durumunun önemli ölçüde Spin a'ya bağlı olduğu ortaya çıktı. -
kendi mekanik momentum momenti. Dış elektrik ve manyetik alanların atom üzerindeki etkisine ilişkin bir açıklama yapıldı (bkz. Stark fenomeni (Bkz. Stark etkisi), Zeeman fenomeni). Önemli genel prensip Elektron dönüşüyle ilişkili, İsviçreli fizikçi W. Pauli (1925) tarafından keşfedildi (bkz. Pauli ilkesi), bu prensibe göre, bir atomdaki her elektronik durumda yalnızca bir elektron bulunabilir; Eğer bu durum Zaten bir miktar elektron tarafından işgal edilmişse, atomun bileşimine giren sonraki elektron başka bir durumu işgal etmeye zorlanır. Pauli prensibine dayanarak, elementlerin özelliklerinin periyodikliğini belirleyen karmaşık atomlardaki elektron kabuklarının işgal sayıları nihayet belirlendi. Kuantum mekaniğini temel alan Alman fizikçiler W. Heitler ve F. London (1927) sözde teoriyi verdiler. Bohr atom modeli çerçevesinde açıklanamayan iki özdeş atomun (örneğin H2 molekülündeki hidrojen atomları) homeopolar kimyasal bağı. 30'lu yıllarda kuantum mekaniğinin önemli uygulamaları. ve daha sonra çalışmalar yapıldı bağlı atomlar, moleküle veya kristale dahil edilir. Bir molekülün parçası olan bir atomun durumları, serbest bir atomun durumlarından önemli ölçüde farklıdır. Atom aynı zamanda teorisi ilk kez H. Bethe (1929) tarafından geliştirilen kristal içi alanın etkisi altında bir kristalde önemli değişikliklere uğrar. Bu değişiklikleri inceleyerek atomun çevresiyle etkileşiminin doğasını belirlemek mümkündür. Bu alandaki en büyük deneysel başarı A. 1944'te E.K. Zavoisky tarafından elektron paramanyetik rezonansının keşfiydi (bkz. Elektron paramanyetik rezonans). ,
bu da atomların çevreyle olan çeşitli bağlantılarını incelemeyi mümkün kıldı. Modern atom fiziği. Modern A. f.'nin ana bölümleri. atom teorisi, atomik (optik) spektroskopi, X-ışını spektroskopisi, radyo spektroskopisi (aynı zamanda moleküllerin dönme seviyelerini de inceler), atomik ve iyonik çarpışmaların fiziğidir. Spektroskopinin çeşitli dalları farklı aralıklar radyasyon frekansları ve buna bağlı olarak farklı kuantum enerji aralıkları. X-ışını spektroskopisi ise yüz binlerce kuantum enerjisine sahip atomların radyasyonunu inceler. ev, radyo spektroskopisi çok küçük kuantumlarla ilgilenir - 10-6'dan küçük kuantumlara kadar ev.
A.f.'nin en önemli görevi. - atom durumlarının tüm özelliklerinin ayrıntılı olarak belirlenmesi. Bir atomun enerjisinin olası değerlerini - enerji seviyelerini, açısal momentum değerlerini ve atomun durumlarını karakterize eden diğer miktarları - belirlemekten bahsediyoruz. Enerji seviyelerinin ince ve aşırı ince yapıları incelenir (bkz. Atomik spektrumlar) ,
hem dış, makroskobik hem de iç mikroskobik elektrik ve manyetik alanların etkisi altında enerji seviyelerindeki değişiklikler. Atomik durumların, bir elektronun enerji seviyesindeki ömrü gibi bir özelliği büyük önem taşımaktadır. Son olarak atomik spektrumların uyarılma mekanizmasına çok dikkat edilmektedir. Fiziğin farklı bölümleri tarafından incelenen fenomen alanları örtüşmektedir. X-ışınlarının emisyonunu ve emilimini ölçen X-ışını spektroskopisi, esas olarak iç elektronların bir atomun çekirdeğine bağlanma enerjilerini (iyonlaşma enerjisi) ve elektrik alanının atom içindeki dağılımını belirlemeyi mümkün kılar. Optik spektroskopi, atomlar tarafından yayılan spektral çizgi dizilerini inceler, atom enerji seviyelerinin özelliklerini, spektral çizgilerin yoğunluklarını ve atomun uyarılmış hallerdeki ilgili yaşam sürelerini, enerji seviyelerinin ince yapısını, bunların elektrik ve manyetikte yer değiştirmesini ve bölünmesini belirler. alanlar. Radyo spektroskopisi, spektral çizgilerin genişliğini ve şeklini, bunların aşırı ince yapısını, manyetik alandaki kaymayı ve bölünmeyi ve genel olarak çok fazla atomun neden olduğu atom içi süreçleri ayrıntılı olarak inceler. zayıf etkileşimler ve çevresel etkiler. Hızlı elektronların ve iyonların atomlarla çarpışma sonuçlarının analizi, atom içindeki elektron yük yoğunluğunun (“elektron bulutu”) dağılımı, atomun uyarılma enerjileri ve iyonlaşma enerjileri hakkında bilgi elde etmeyi mümkün kılar. Atomların yapısına ilişkin ayrıntılı bir çalışmanın sonuçları, yalnızca fiziğin birçok dalında değil, aynı zamanda kimya, astrofizik ve diğer bilim alanlarında da en geniş uygulamaları bulmaktadır. Spektral çizgilerin genişlemesi ve kayması üzerine yapılan çalışmalara dayanarak, ortamdaki (sıvı, kristal) bu değişikliklere neden olan yerel alanlar ve bu ortamın durumu (sıcaklık, yoğunluk vb.) hakkında hüküm verilebilir. Bir atomdaki elektron yük yoğunluğunun dağılımı ve dış etkileşimler sırasındaki değişikliklerinin bilgisi, türü tahmin etmeyi mümkün kılar kimyasal bağlar Bir atomun oluşturabileceği, bir iyonun kristal kafes içindeki davranışı. Atom ve iyonların enerji düzeylerinin yapısı ve özellikleri hakkındaki bilgiler kuantum elektroniği cihazları için son derece önemlidir (Bkz.
