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 meşguldü. 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 çoğu zaman günlük deneyimlerimizle tutarsız olan kavramları ve sonuçları atom fiziğinde deneysel olarak test ediliyor. 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 düzenli, sıralı bir düzenleme ile karakterize edilen kendi çizgi spektrumuna sahip olduğu bulunmuştur. spektral çizgiler. Kuantum mekaniği, spektrumda gözlemlenen modelleri belirli bir atomun enerji seviyeleri sistemiyle birleştirir. 1913'te Alman fizikçiler J. Frank ve G. Hertz, doğrudan sonuç veren bir deney gerçekleştirdiler. deneysel doğrulama bunun yanı sıra içsel 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 esnek olmayan çarpışmalar cıva atomları vb. ile. 4,9 V voltajda elektron 4,9 eV enerji elde eder. Dolayısıyla, eğri 1(10)'un şekli, bir cıva atomunu uyarmak için 4,9 eV'lik bir enerjinin gerekli olduğunu gösterir. Bu, açıkçası, cıva atomunun elektronla değiştirdiği enerjinin aynı kısmıdır.
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 manyetik moment adı verilen bir vektör miktarı eklenir. 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, bir atomun manyetik momentinin uzaysal olarak kuantize edildiğini gösteren bir deney gerçekleştirdiler. 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, bir 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), dolayısıyla çekirdek alanındaki hareketleri manyetik bir momentin ortaya çıkmasına yol açmaz. Bir sodyum atomu ışınının 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 etrafındaki dönüşüyle ilişkilidir. kendi ekseni ve dönme momenti olarak adlandırılır (bkz. Döndürme). 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 bakımdan atom fiziğinden ayrı bir dal ortaya çıkmıştır. bilimsel yön atom çekirdeği fiziği araştırmalarıyla ilgili; 40'lı yıllarda bu yön bağımsız hale geldi fizik- nükleer Fizik. 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 karşılıklı dönüşümleriyle de ilgilenmiyor. Atom fiziği, atomları veya iyonları içeren süreçleri ve yalnızca atom çekirdeğinde herhangi bir değişikliğe yol açmayan süreçleri inceler. Buradan, Hakkında konuşuyoruz atomların yalnızca elektronik kabuklarını etkileyen süreçler hakkında. 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); atomlar tarafından emilim ve emisyon Elektromanyetik radyasyon(bkz. Spektroskopi, X ışınları, Fotoefekt, Lazerler); atomların çarpışması serbest elektronlar diğer atomlar, iyonlar, moleküller ile olduğu gibi (elektronlar veya diğer mikro nesnelerle çarpışmalar sonucunda atomlar uyarılabilir, uyarılmış bir durumdan daha az uyarılmış bir duruma geçebilir ve iyonlara dönüşebilir, bkz. Elektrik boşalması gazlarda); elektron kabuğu etkileşimleri farklı atomlar moleküllerin ve kristallerin oluşumuna yol açar. Tüm bu işlemlere elektromanyetik etkileşim neden olur. 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, negatif yüklü parçacıkların atom çekirdeğinin Coulomb alanı tarafından yakalanması veya atomik elektronların pozitronlar ve antimüonlar tarafından yakalanması sonucu parçacıkların yavaşlaması sırasında oluşur. Çeşitli anormal atomlarla yapılan deneyler, hem maddenin özelliklerinin incelenmesi hem de çekirdeklerin ve temel parçacıkların incelenmesi açısından büyük ilgi görmektedir.
Slayt 2
Slayt 3
Slayt 4
A-18. 1. Şekil, D.I. Mendeleev'in Periyodik Element Tablosunun bir parçasını göstermektedir. Elementin adının altında ana kararlı izotoplarının kütle numaraları bulunur; kütle numarasının yanındaki alt simge, izotopun doğadaki bolluğunu (yüzde olarak) gösterir. En yaygın bor izotopunun çekirdeğindeki proton sayısı ve nötron sayısı sırasıyla 1) 6 proton, 5 nötron 2) 10 proton, 5 nötron 3) 6 proton, 11 nötron 4) 5 proton, 6 nötron
Slayt 5
2. Şekil, bilinmeyen bir maddenin seyreltilmiş atomik buharlarının absorpsiyon spektrumunu (ortada) ve bilinen elementlerin buharlarının absorpsiyon spektrumunu (üst ve alt) göstermektedir.
Spektrum analiz edilerek bilinmeyen maddenin 1) yalnızca kalsiyum (Ca) 2) yalnızca stronsiyum (Sr) 3) kalsiyum ve başka bir bilinmeyen madde 4) stronsiyum ve başka bir bilinmeyen madde içerdiği söylenebilir.
Slayt 6 3. Gama radyasyonu 1) helyum çekirdeği akışı 2) proton akışı 3) elektron akışı 4)
elektromanyetik dalgalar
Slayt 7
4. Sodyum atomu 2311Na 11 proton, 23 nötron ve 34 elektron içerir 2) 23 proton, 11 nötron ve 11 elektron 3) 12 proton, 11 nötron ve 12 elektron 4) 11 proton, 12 nötron ve 11 elektron
Slayt 8
5. Bir izotopun çekirdeğinden elde edilen bir elementin çekirdeği, bir α bozunumu ve bir elektron β bozunumu sonrasında hangi Z yüküne ve kütle numarası A'ya sahip olacaktır?
6. Atom çekirdeğinde 10 nötron ve 9 proton bulunur ve çevresinde 8 elektron döner. Bu parçacık sistemi flor iyonu 2) neon iyonu 3) flor atomu 4) neon atomudur
Slayt 10
7. Manyetik alan vektörü resim düzlemine dik olarak bize doğru yönlendirilecek şekilde dış manyetik alana yerleştirilen bir bulut odasında, izlerin bir α-'ya ait olabileceği 2 parçacığın izleri fotoğraflandı. parçacık 1) yalnızca 1. 2) yalnızca 2. 3) 1. ve 2. 4) yukarıdakilerin hiçbiri
Slayt 11
8. Manyetik alan vektörü çizim düzlemine dik olarak bize doğru yönlendirilecek şekilde harici bir manyetik alana yerleştirilen bir bulut odasında 2 parçacığın izleri fotoğraflandı. İzlerden hangisi elektrona ait olabilir?
1) yalnızca 1. 2) yalnızca 2. 3) 1. ve 2. 4) yukarıdakilerin hiçbiri
Slayt 12
9. α-radyasyonu 1) helyum çekirdeklerinin akışı 2) protonların akışı 3) elektronların akışı 4) elektromanyetik dalgalardır
Slayt 13 10. Dedektör radyoaktif radyasyon
et kalınlığı ≈ 1 mm olan kapalı bir karton kutuya yerleştirilir. Hangi radyasyonu tespit edebilir?
1) α ve β 2) α ve Ƴ 3) β ve Ƴ 4) α, β,Ƴ
Slayt 14
11. Aşağıda listelenenlerden hangi tür iyonlaştırıcı radyasyon, bir kişinin dış ışınlaması için en tehlikelidir?
1) alfa radyasyonu 2) beta radyasyonu 3) gama radyasyonu 4) hepsi eşit derecede tehlikeli
13. Nükleer radyasyonu kaydetmek için kullanılan aşağıdaki cihazlardan hangisinde hızlı yüklü bir parçacığın geçişi bir darbenin ortaya çıkmasına neden olur?
elektrik akımı
gazda mı?
1) bir Geiger sayacında 2) bir bulut odasında 3) bir fotografik emülsiyonda 4) bir sintilasyon sayacında Slayt 17 14. Radyoaktif bir elementin atomunun çekirdeğindeki nükleonların sayısı, eğer çekirdek bir -kuantum yayarsa nasıl değişecektir?
İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra nükleer fizik araştırmaları.
ile savaşın bitiminden sonra Nazi Almanyası ve Japonya, SSCB'de nükleer fizik alanındaki araştırmalar daha da gelişti. İzin verdiler Sovyetler Birliği V kısa vadeli ABD'nin nükleer silahlar üzerindeki tekelini ortadan kaldırmak ve kullanmaya başlamak atomik Enerji sanayide ve tarımda, tıpta, bilimde ve teknolojide.
SSCB'DE geniş ön Atom çekirdeğini, nükleer parçacıkların etkileşimlerini, nükleer reaksiyonları, yeni elementlerin sentezini vb. incelemek için araştırmalar yürütülmektedir. Nötron fiziği ve fizik bağımsız alanlar haline geldi nükleer reaktörler ve izotop teknolojisi. İlk yavaş (termal) nötron reaktörleriyle başlayan reaktör fiziği alanındaki araştırmalar, nükleer yakıtın yaygınlaştırılmasıyla birlikte orta ve hızlı nötron reaktörleriyle ilişkili olarak gelişmeye başladı. Bu çalışmaları ve çözümleri gerçekleştirmek için uygulamalı problemler Fizikte uzmanlaşmak için gerekli nükleer reaktörler, kullanılmış Büyük sayı sözde fiziksel düzenekler - reaktör modelleri, kritik nükleer yakıt kütlelerinin, nötron akılarının dağılımının vb. belirlendiği çok sayıda deneysel reaktör.
Nükleer fizikteki araştırmaların bir sonucu olarak, atom çekirdeğinin yapısına ilişkin daha önce var olan anlayışı değiştiren yeni temel parçacıklar keşfedildi; nükleer parçacıkların etkileşimleri sırasında bazı özelliklerini tahmin etmeyi mümkün kılan teoriler geliştirildi; yeni kimyasal elementler sentezlendi, yeni bir radyoaktivite türü keşfedildi, düzenlenmiş araştırmalar termonükleer füzyon. Benzersiz çözümler oluşturuldu ve başarıyla uygulandı deneysel tesisler deneysel verilerin işlenmesi için özel otomatik veya yarı otomatik görüntüleme cihazlarının yanı sıra yüksek hızlı elektronik bilgisayarlar.
Bu bölümü Igor Vasilievich Kurchatov'un şu sözleriyle bitirelim: “Nükleer nükleerin daha da geliştirilmesi gerekiyor. teorik bilim Böylece geleceğin nükleer teknolojisinin yolları güvenilir bir şekilde aydınlatılıyor. Önümüzde Sovyet bilim adamlarının ve mühendislerinin uranyum ve diğerlerinden atom enerjisi kullanma sorununu çözmeye yönelik çalışmalarının bir örneği var. ağır elementler. Bu konudaki başarılarımız büyük ölçüde enstitülerde her zaman ısrarcı olmasından kaynaklanıyordu. teorik çalışma atomun yapısıyla ilgili kanunların incelenmesi, zincirleme reaksiyon kanunları, atom çekirdeğinin yapısının kanunları, ülkemizde gelişen nükleer teknolojinin yolunu belirleyen teorik çalışmalar…”
I.V. Kurchatov'un bu konuşması gerçekten muazzam olanı özetliyor gibiydi. yaratıcı iş Sovyet bilim adamları ve mühendisleri tarafından yapıldı. Bu çalışma bugün araştırma enstitülerindeki çok sayıda bilim insanı ekibi tarafından sürdürülmektedir.
Bilim adamlarının nükleer fiziğin gelişimine ve atom enerjisinin gelişimine katkısı.
1896'da Antoine Henri Becquerel, uranyum cevherinin büyük nüfuz gücüne sahip görünmez bir şey yaydığını keşfetti (bu olaya daha sonra radyoaktivite adı verildi).
1898'de Maria Sklodowska ve Pierre Curie, gramın birkaç yüzde biri kadar yeni bir maddeyi (parçacıklar yayan bir element) izole ettiler. Buna polonyum adını verdiler. Aynı yılın Aralık ayında yeni bir element olan radyum keşfedildi.
1911'de Ernest Rutherford önerdi gezegen modeli atom. Ayrıca atomun neredeyse tamamının çekirdeğinde yoğunlaştığını da kanıtladı.
1913'te Niels Bohr, hidrojen atomunun bir modelini ve atomik yapı teorisini yarattı. O andan itibaren kuantum mekaniğinin hızlı gelişimi, nükleer fiziğin asıl doğuşu başladı.
1932'de James Chadwick hiçbir şeyin olmadığını keşfetti. elektrik şarjı doğal nükleer parçacık- nötron, büyük ölçekli nükleer enerjinin geleceğinin mikro anahtarı.
1932'de Dmitry Dmitrievich Ivanenko, atom çekirdeğinin yapısının protonlardan ve nötronlardan oluştuğuna dair bir hipotez önerdi.
1933 yılında Irene Curie ve Frédéric Joliot yapay beta radyoaktiviteyi, yani yeni bir radyoaktivite türünü keşfettiler. Bu, yeni radyoaktif elementlerin yaratılmasında olağanüstü bir rol oynadı.
1934'te Enrico Fermi, uranyumun nötronlarla bombardıman edilmesi durumunda, radyoaktif elementler. İtalyan araştırmacılar bunları uranyumdan daha ağır elementler olarak kabul etti ve onlara uranyum ötesi adını verdi.
1934'te Pavel Alekseevich Cherenkov ve Sergei Ivanovich Vavilov temel fiziksel olaylardan birini keşfettiler: elektronlar sıvının içinde çok yüksek bir hızla hareket ettiğinde sıvının parlaması. faz hızı içinde.
1935 yılında Igor Vasilyevich Kurchatov ve bir grup çalışma arkadaşı, yapay radyoaktif atom çekirdeklerinin nükleer izomerizmi olgusunu keşfettiler ve bu olguya ilişkin bir teori geliştirdiler.
1936'da Yakov İlyiç Frenkel şunu önerdi: damlama modeliçekirdekleri araştırdı ve termodinamik kavramları nükleer fiziğe soktu ve ilk nükleer fisyon teorisini ortaya attı.
1938'de Fermi'nin deneylerini tekrarlayan Otto Hahn ve F. Strassmann, nötron ışınlanmış uranyumun, Dmitri Ivanovich Mendeleev'in periyodik element tablosunun ortasında elementler içerdiğini keşfettiler.
1938'de Frederic Joliot-Curie ayrıca bir nötronun uranyum çekirdeğine çarptığında çekirdeğin parçalandığını ve iki küçük çekirdeğe bölündüğünü de buldu.
1939'da Yuliy Borisovich Khariton ve Yakov Borisovich Zeldovich teorik olarak uranyum-235 çekirdeğinin fisyonunun zincirleme reaksiyonunu gerçekleştirme olasılığını gösterdi.
1940 yılında Georgy Nikolaev Flerov ve K. A. Petrzhak keşfetti kendiliğinden çekirdekler uranyum, yani uranyum çekirdeklerinin kendiliğinden bozunabileceğini kanıtladılar. 1 kg uranyumun parçalanmasıyla elde edilebilecek enerjiyi hesapladığımızda bunun 2.300.000 kg en iyi kömürün yakılması sırasında açığa çıkan enerji miktarına eşit olduğu ortaya çıktı.
1940 yılında Yuliy Borisovich Khariton ve Yakov Borisovich Zeldovich, uranyum çekirdeklerinin fisyonunun zincirleme reaksiyonunun hesaplanmasını önerdiler ve böylece bunun uygulanmasının temel olasılığını ortaya koydular.
Taslak bilimsel keşifler nükleer fizik alanında devam etmek mümkün olacaktır. Bütün bunlar çeşitli bilimsel ve popüler bilim kitaplarında bulunabilir.
Pratik görev.
Lütfen sunumu dikkatlice inceleyin. Göreviniz, sunumunuzun konusuna, belki de benzer ve belki de kendine özgü bir şeye karar vermektir. Bugün sırasında bu ders Fizik üzerine bir sunum yaratmanız veya yaratmaya başlamanız gerekiyor ve daha kesin olmak gerekirse, onu bu güzel bilimin en önemli ve temel bölümlerinden birine, “Atom Fiziği ve Atom Çekirdeği”ne ayırmalısınız.
Çalışmanız birkaç aşamaya ayrılacaktır:
Geliştireceğiniz konuyu seçmelisiniz - ya bu bilime büyük katkı sağlayan bilim adamlarından birine adanmış bir sunum olacak; ya da belki seçeceksin - teorik yön bu bilimi veya pratik olanı ve bunlardan birini kutsa. “Atom Fiziği ve Atom Çekirdeği” sunumu şüphesiz bu konuda size yardımcı olacaktır.
O zaman siz (elbette programda nasıl çalışılacağını unutanlardan bahsediyoruz)Microsoft PowerPoint2007 ) Sunuma göz atmakta fayda varPowerPoint2007 bu size onunla nasıl çalışacağınız hakkında çok detaylı bilgi verecektir.
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. Birimler fiziksel özellikler atom fiziğinde. Elektron-volt. Mole, Avogadro sabiti, atomik kütle birimi, bağıl atom kütlesi. Atom ve nükleer fizikte enerji, uzunluk, frekans ve kütle ölçekleri 1.5. Klasik, göreli 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 ana rol, elektromanyetik etkileşimler Atom fiziği alanındaki araştırmaların sonuçları, kimyasal bağların, optik ve tünelleme olaylarının, plazmadaki süreçlerin, nötr sıvıların, katıların (yarı iletkenler ve nanomalzemeler dahil) anlaşılmasında temel oluşturur. Teorik temel atom fiziğinin kendisi kuantum teorisidir ve kuantum elektrodinamiği Arada net bir sınır atom fiziği ve fiziğin diğer dalları mevcut değildir ve buna uygun olarak uluslararası sınıflandırma, atom fiziği atom alanına dahildir, moleküler fizik ve optik
4 Kısa hikaye 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 çok geçmeden onun olduğunu kanıtladı. ayrılmaz parça tüm atomların Bir atom çekirdeğinden oluşan bir sistem olarak atom fikri ve elektron kabuğu 1911'de E. Rutherford tarafından doğrulandı. Bu fikir genel kabul gördükten sonra atom fiziğinden nükleer fizik ve bir süre sonra temel parçacık fiziği ortaya çıktı.
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 (Zeemann etkisi) ve elektrik (Stark etkisi) alanlardaki davranışları, alınan teorik gerekçeler periyodik tablo elementler ve kimyasal bağların doğası, atomların, moleküllerin ve katıların elektronik yapısını hesaplamak için yöntemler geliştirildi (Hartree-Fock kendi kendine tutarlı alan yöntemi), maddenin yapısını ve özelliklerini incelemek için yeni cihazlar oluşturuldu (elektron mikroskobu) Kuantum teorisinin fikirlerinin (spin hipotezi, Pauli prensibi vb.) atom fiziği alanındaki deneysel araştırmalara (atomların çizgi spektrumları, fotoelektrik etkisi, spektral çizgilerin ince ve aşırı ince yapısı, Frank deneyleri) dayanıyordu. ve Hertz, Davisson ve Germer, Stern ve Gerlach, Compton etkisi, döteryum ve diğer izotopların keşfi, Auger etkisi vb.)
7 Atom fiziğinin gelişiminin kısa tarihi 20. yüzyılın ikinci üçte birinde, atom fiziği çerçevesinde ve kuantum teorisinin fikirlerine dayanan yeni deneysel yöntemler geliştirildi. fiziksel araştırma: elektron paramanyetik rezonansı (EPR), fotoelektron spektroskopisi (PES), elektron darbe spektroskopisi (EI), bunların uygulanmasına yönelik cihazlar yaratılmıştır (maser, lazer, vb.). Kuantum teorisinin temel ilkeleri doğrudan deneysel olarak doğrulanmıştır (parazitlerin müdahalesi). kuantum durumları, seviyelerin kuzu kayması vb.), maddenin elektronik yapısını hesaplamak için yeni yöntemler (yoğunluk fonksiyonel teorisi) önerildi, yeni fiziksel olaylar tahmin edildi (süper radyasyon) Yöntemler geliştirildi deneysel araştırmaözel bir konfigürasyona sahip elektrik ve manyetik alanlar (atomik ve iyon “tuzakları”) tarafından tutulan tek atomlar, iyonlar ve elektronlarla meydana gelen süreçler
8 Atom fiziğinin gelişiminin kısa tarihi 20. yüzyılın son üçte birinde atom fiziği alanında yeni sonuçlar - XXI'in başlangıcı yüzyıllar esas olarak B lazerlerin kullanımıyla ilişkilidir bilimsel uygulama Doğrusal olmayanlar da dahil olmak üzere lazer spektroskopi yöntemleri yaygın olarak kullanılmaktadır; bu yöntemlere dayanarak tek atom ve moleküllerle spektroskopik ölçümler yapmak, atomların yüksek derecede uyarılmış durumlarının özelliklerini belirlemek ve atom içi dinamikleri incelemek mümkün hale gelmiştir. ve birkaç femtosaniyeye (10-15 saniye) kadar süren molekül içi süreçler C Lazerlerin yardımıyla, radyasyonun atomik sistemlerle etkileşiminin çok fotonlu süreçlerini (multifoton fotoelektrik etkisi, frekans çarpımı) ayrıntılı olarak gerçekleştirmek ve incelemek mümkün oldu. Bireysel atomların ultra düşük sıcaklıklara soğutulmasının yanı sıra Teorik çalışmalar. son on yıllar atom fiziği alanında bilgisayar teknolojisinin hızlı ilerlemesi ile ilişkilidir ve gelişmeyi amaçlamaktadır etkili yöntemler ve elektron korelasyonunun enerjisi, göreli kuantum mekaniği ve kuantum elektrodinamik düzeltmeleri hesaba katarak çok elektronlu atom sistemlerinin elektronik yapısını ve özelliklerini hesaplamak için araçlar.
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 analiz yöntemleri kullanılır. atom analizi, endüstriyel ve teknik amaçlarİzotopların lazerle ayrılması Deneysel ve teorik yöntemler atom fiziği astrofizikte (yıldızların ve yıldızlararası ortamın bileşimini ve fiziksel özelliklerini belirlemek, Rydberg atomlarını incelemek), metrolojide (atomik saatler) ve diğer bilim ve teknoloji alanlarında kullanılır.
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 fiziğinde ve bunları uygulamalı problemleri çözmek için uygulama becerisinde. 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 olayların ve tutarsızlığın özelliklerinin belirlenmesi klasik teori bunları açıklamak gerekirse; – kuantum mekaniğinin temellerinin ve çözüm yöntemlerinin incelenmesi kuantum mekaniği görevler; – 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 Antiproton yok oluşu Bir antiproton (mavi iz) bir protonla çarpışır. kabarcık odası Sonuç olarak dört pozitif pion (kırmızı iz) ve dört negatif pion (yeşil iz) ortaya çıkıyor. Sarı iz, pion bozunması sonucu doğan bir müona ait.
17 Nötron Nötron, sıfır elektrik yüküne sahip temel bir parçacıktır. Serbest durumdaki bir nötronun ömrü yaklaşık 886 s'dir. Nötron kütlesi m n 1839m e –27 kg Nötron dönüşü ½'dir. manyetik moment μ n – –8 eV/T Nötron n veya n sembolüyle gösterilir 0 Nötronun bir antiparçacığı antinötronu vardır Protonlar ve nötronlar birleşir yaygın isim Nükleonlar Atom çekirdekleri proton 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, negatif yüklü elektronları elektriksel çekim kuvvetleriyle tutar. Bir atomun çekirdeği protonlardan ve nötronlardan oluştuğundan ve bir nötronun elektrik yükü sıfır, bir proton temel yük e'ye eşittir, bir elektronun yükü e'ye eşittir, bu durumda kabuktaki elektronların sayısı çekirdekteki protonların sayısına eşit olduğunda, atomun toplam elektrik yükü şu şekilde olur: çekirdeğin boyutları (~ 10 –15 – 10 –14 m), atomun boyutlarına (~ 10 –10 m) kıyasla son derece küçüktür, ancak protonun kütlesi (olduğu gibi) nedeniyle. nötron gibi) neredeyse 2 bin katıdır 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 bağların boyutu da 35 mm'ye kadar artmaktadır.
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 belli bir sayıÇekirdekteki Z protonları aynı kimyasal elemente aittir. Z numarasına bir kimyasal elementin atom numarası denir. Çekirdeğinde belirli sayıda proton Z ve nötron N içeren atomların bir koleksiyonuna nüklid denir. Nüklitler, element adına (örneğin, oksijen-16, uranyum-235) Z + N toplamına eşit bir kütle numarası A eklenerek veya element sembolünün (16 O, 235) yanına A sayısı yerleştirilerek belirlenir. 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 yaklaşık olarak m H'nin A katı kadar büyüktür. 90'ı doğada bulunur. kimyasal elementler ve 300'den fazla farklı nüklid; Bunlardan 270'i kararlı, geri kalanı radyoaktif. Bazı radyoaktif nüklidler yapay olarak elde edilir.
31 İyonlar Bir atoma elektron ekleme veya çıkarma işlemine iyonlaşma denir. Kabuktaki elektron sayısı Z'den az olduğunda pozitif bir atomik iyon elde edilir; Z, Z'den büyük olduğunda negatif olur. iyon, nötr bir atoma (veya moleküle) bir veya daha fazla elektronun ayrılması veya eklenmesiyle oluşan elektrik yüklü bir atomdur (veya moleküldür).
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, birden fazla atomdan oluşan, maddenin en küçük kararlı parçacığıdır. Bir molekül, atom çekirdeğinin belirli bir bileşimi, elektron sayısı ve sayısı ile karakterize edilir. mekânsal yapı Niceliksel belirtmek ve kaliteli kompozisyon moleküller kullanılır kimyasal formüller: O 2 (oksijen molekülü), H 2 O (su molekülü), CH 4 (metan molekülü), C 6 H 6 (benzen molekülü), C 60 (fulleren molekülü)
39 DNA molekülü Bir DNA molekülünün renkli görüntüsü, bir kameradaki transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak elde edildi. yüksek vakum DNA örneği kaplanmış ince tabaka platin Metal kaplama kontrast bir görüntü verir 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 kütleye yaklaşımla bir hidrojen atomunun temel durumdan iyonlaşması: 1 Ry eV Hartree eşittir mutlak değer potansiyel enerji Sonsuz nükleer kütle yaklaşımıyla hidrojen atomunun temel durumundaki elektron: 1 Ha = 2 Ry eV Atomik sistemlerin durumlarının 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 karbon-12 izotopundaki atom sayısına eşittir: N A mol –1 Mole (SI bir maddenin miktarının birimi), tanımı gereği N A yapısal elementler (atomlar, moleküller, iyonlar) içerir.
44 Uzunluk Uzunluğun SI birimi metredir (m). 1 metre, ışığın boşlukta saniyenin 1/2'si kadar bir sürede kat ettiği mesafeye eşittir. 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. talimatlar, yöne dik Bir fotonun yayılımı, polarizasyon durumunu belirler. Foton γ sembolü ile gösterilir.
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 hızda hareket ettiğinde aşağıda açıklanan çeşitli etkiler gözlemlenir.
1. Göreli azalma uzunluk.
Bir cismin hareketsiz olduğu referans çerçevesindeki uzunluğuna kendi uzunluğu denir L 0. O halde hızla hareket eden bir cismin uzunluğu V V eylemsizlik sistemi geri sayım uzunluğa doğru hareket yönünde 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. Olay süresinin göreceli olarak uzatılması.
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 zaman aralığı 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 kütlesi. 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 yalıtılmış 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.
Vücudun 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 – ışık 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 bilinen anlamda bir kütlesi yoktur (bir ölçekte ölçülebilen, Newton'un ikinci yasası vb. kullanılarak hesaplanabilen bir kütle), ancak Einstein'ın görelilik teorisine uygun olarak bir enerji ölçüsü olarak kütlesi vardır ( 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 aydınlatıldığında vakum silindirinde fotoakımın ortaya çıkmasından oluşan bir olay tek renkli ışık bazı dalga boyları 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 min (veya en uzun dalga boyu 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 aranmaktadır 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 enerjiye sahip 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:
Bir hidrojen atomunun herhangi bir yörüngesindeki kinetik ( İLE) ve potansiyel ( P) elektron enerjileri toplam enerjiyle ilişkilidir ( e) aşağıdaki formüllerle:
Atom çekirdeği
Artık atom çekirdeklerinin olduğu kesin olarak kanıtlanmıştır. çeşitli unsurlar genellikle nükleon adı verilen protonlar ve nötronlar olmak üzere iki parçacıktan oluşur. Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. Bir atom çekirdeğini oluşturan protonların sayısı Z sembolü ile gösterilir ve yük numarası veya atom numarası olarak adlandırılır (bu seri numarası V periyodik tablo Mendeleyev). 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 alınır) atom birimleri 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 -partikül – helyum atomunun çekirdeği 4 2 He. Genel şema alfa bozunması:
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 değişimle ilişkili değildir iç yapıçekirdek ve yük veya kütle sayılarında bir değişiklik eşlik etmez. De 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 madde içerdiği çok büyük sayı radyoaktif atomlar. Radyoaktif bozunma rastgele olduğundan ve bağımlı olmadığından dış koşullar, o zaman azalan miktar kanunu N(T) çürümemişİle şu anda zaman Tçekirdekler önemli bir rol oynayabilir istatistiksel karakteristik radyoaktif bozunma süreci. Radyoaktif bozunma yasası şu şekildedir:
Büyüklük T isminde yarı ömür, N 0 – başlangıçtaki radyoaktif çekirdek sayısı T= 0. Yarı ömür, radyoaktif bozunma oranını karakterize eden ana miktardır. Nasıl daha az dönem yarılanma ömrü ne kadar fazla 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 yenileri oluşabilir Radyoaktif İzotoplar Dünya'da doğal koşullar altında bulunmayanlar.
Nükleer reaksiyonlarda çeşitli korunum yasaları karşılanır: momentum, enerji, açısal momentum, yük. Nükleer reaksiyonlarda bu klasik korunum yasalarına ek olarak, sözde baryon yükünün korunumu yasası(yani nükleonların sayısı - protonlar ve nötronlar). Örneğin genel bir reaksiyonda:
Devam etmekte aşağıdaki koşullar (toplam sayısı 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, son ürünlerin çekirdeğindeki nükleonların spesifik bağlanma enerjisinden daha az olması gerekir. 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, daha sonra lütfen e-postayla bunun hakkında yazın. Ayrıca bir hatayı şu adrese de bildirebilirsiniz: sosyal ağ(). 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.
