Атомна і ядерна фізика
Атомна фізика - це розділ фізики, який вивчає ладі- ня атомів і елементарних процеси на атомному рівні.
Атом - це найменша частинка хімічного елемента, кото-рая є носієм його властивостей.
Атом складається з позитивно зарядженого ядра і електронної оболонки - сукупності електронів. Розмір атома визначається відстанню найбільш віддаленій від ядра електронної орбіти.
Така модель зустрілася з труднощами:
1) відповідно до теорії Максвелла електрон, що рухається навколо ядра по колу або еліпсу, повинен безперервно випромінювати електромагнітні хвилі, що суперечить факту присутністю постійного випромінювання атомів;
2) планетарна модель атома нестійка в електродинамічному відношенні, так як внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль рухаються електроном енергія електрона повинна безперервно зменшуватися. Отже, повинен зменшитися радіус траєкторії електрона, і в кінці електрон неминуче впаде на ядро, що суперечить тривалому існуванню атомів.
Ядерна фізика - це розділ фізики, в якому вивчаються структура і властивості атомних ядер.
Ядерна фізика займається також вивченням взаємоперетворення атомних ядер, що відбуваються як в результаті радіоактивних розпадів, так і в результаті різних ядерних реакцій.
Основне її завдання пов'язана із з'ясуванням природи ядерних сил, що впливають між нуклонами, і особливостей руху нуклонів в ядрах.
До ядерної фізики тісно прилягає фізика елементарних частинок, фізика і техніка прискорювачів заряджених частинок, ядерна енергетика. Великий складовою частиною ядерної фізики є нейтронна фізика.
Сучасна ядерна фізика поділяється на теоретичну і експериментальну ядерну фізику. Теоретична ядерна фізика вивчає моделі атомного ядра і ядерні реакції, вона спирається на фундаментальні фізичні теорії, створені в процесі дослідження фізики мікросвіту. Експериментальна ядерна фізика використовує такі дослідницькі кошти, як прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, різноманітні детектори часток.
Протони і нейтрони - це основні елементарні частинки, з яких складається ядро атома.
Нуклон - це частка, що володіє двома різними зарядовими станами: протон і нейтрон.
Заряд ядра - кількість протонів в ядрі, однакове з атомним номером елемента в періодичній системі Менделєєва.
Масове число нуклонів в ядрі дорівнює сумі кількості нейтронів і заряду ядра, т. Е. Протонів.
Ізотопи - ядра, які мають один і той же заряд, якщо масове число нуклонів різному.
Ізобари - це ядра, що володіють одним і тим же числом нуклонів, при різних зарядах.
Нуклід - це конкретне ядро зі значеннями А і Z. Обознача- ється:. де X - символ хімічного елемента.
A - це масове число нуклонів.
Z - це заряд ядра, кількість протонів.
N - це кількість нейтронів в ядрі.
Питома енергія зв'язку - це енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон ядра. Її визначають експериментально.
Основний стан ядра - це стан ядра, що має найменшу можливу енергію, рівну енергії зв'язку.
Збуджений стан ядра - це стан ядра, що має енергію, більшу енергії зв'язку.
Факти, пов'язані з а-розпадом, т. Е. Випромінюванням а-частинок:
1) альфа-розпад має місце тільки для важких ядер;
3) a-частинки, які вилітають з ядер одного і того ж речовини, мають, як правило, постійну енергію;
4) період напіврозпаду залежить від енергії вилітають a-частинок.
Період напіврозпаду тим більше, чим менше енергія a-частинок.
Питома енергія зв'язку у таких ядер менше, ніж питома енергія ядер, розташованих в середині періодичної системи елементів.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм. фотоефект
Світло має двоїсту корпускулярно-хвильову природу, т. Е. Корпускулярно-хвильовий дуалізм:
по-перше: він має хвильові властивості;
по-друге: він виступає в ролі потоку частинок - фотонів.
Гіпотеза А. Ейнштейна, яку він висунув в 1905 р електромагнітне випромінювання не тільки випускається квантами, але поширюється і поглинається у вигляді частинок (корпускул) електромагнітного поля - фотонів.
Фотони є реально існуючими частинками електромагнітного поля.
Фотон має масу спокою:
енергією і імпульсом:
Світлова хвиля, яка падає на тіло, частково відбивається від нього і в якійсь мірі проходить наскрізь, частково поглинається.
Тоді енергія поглинання світлової хвилі переходить в тіло, т. Е. Нагріває тіло. Часто певна частина цієї поглиненої енергії активізує і інші явища, такі як:
- фотоелектричний ефект;
- тиск світла;
- ефект Комптона;
- люмінесценція і фотохімічні перетворення.
Всі ці процеси пояснюються на основі корпускулярних властивостей світла.
Фотоефект - це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Для твердих і рідких тіл розпізнають зовнішній фотоефект, при якому поглинання фотонів супроводжується вильотом електронів за межі тіла, і внутрішній фотоефект, при якому електрони, залишаючись в тілі, змінюють своє енергетичне стан.
Фотоіонізація - це процес фотоефекту, який спостерігається в газах і складається в іонізації атомів (молекул) під дією випромінювання.
Фотострум - це струм, який виникає в ланцюзі, де платівка приєднана до негативного полюса джерела - фотокатода; фототок виникає практично одночасно з освітленням фотокатода. Фотострум насичення прямо пропорційний інтенсивності світла, що падає на цинкову пластинку.
Червона межа фотоефекту - це гранична довжина хвилі при явищі фотоефекту, що виникає тоді, коли цинк опромінюється світлом.
Фотострум існує і тоді, коли в ланцюзі немає джерела струму.
Це пояснюється тим, що частина електронів покидає катод і досягає анода.
Щоб фототок став рівним нулю, потрібно докласти задержі- вающее негативна напруга -.
закони фотоефекту
1. Для кожної речовини існує гранична довжина хвилі - червона межа фотоефекту.
2. Число фотоелектронів, що вириваються з фотокатода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності світлового потоку.
3. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою випромінювання і не залежить від інтенсивності світлового потоку, що падає на фотокатод.
4. Фотоефект практично безінерційна.
Пояснення фотоефекту Ейнштейном
При поглинанні світла металом фотон віддає свою енергію одному електрону.
Частина цієї енергії витрачається на те, щоб електрон міг залишити тіло. Якщо електрон звільняється світлом не у самій поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії, може бути втрачена їм внаслідок випадкових зіткнень в речовині і йде на нагрівання речовини.
Залишок енергії утворює кінетичну енергію електрона, який покинув речовина.
Енергія вильоту електрона буде максимальною, якщо електрон вибивається світлом з поверхні металу.
Рівняння Ейнштейна для фотоефекту:
Це пояснює те, що максимальна кінетична енергія фотоелектронів, а отже, і його максимальна початкова швидкість залежать від частоти світла і роботи виходу, але не залежать від потужності світлового потоку:
Червона межа фотоефекту залежить тільки від роботи виходу електрона:
Модель атома по Бору
постулати Бора
1. Атоми, незважаючи на те що електрони в них рухаються з прискоренням, можуть тривалий час перебувати в станах, в яких вони не випромінюють (стаціонарні або дозволені стану).
У кожному з них атом має енергію E1, E2. Радіус електрона, при русі по кругових орбітах, визначається з умови:
2. Атом випромінює лише тоді, коли електрон стрибком переходить з одного стану з більшою енергією в інше, з меншою енергією. Частота випромінювання при цьому дорівнює:
Збуджений стан - це стан атома, в якому він має енергію більшу, ніж в основному стані.
Квантування - це метод добору орбіт електронів, відповідних стаціонарним станам атома.
Умова Бора дозволило відібрати можливі кругові орбіти електронів в атомі водню і пояснити спектр випромінювання атома водню.
Метод квантування Бора був узагальнений А. Зоммерфельдом, який показав, що квантових умов має бути стільки, скільки ступенів свободи має розглянутий тип руху.
Орбітальний квантове число - це фізична величина, що характеризує форму орбіти, яка представлена у вигляді заряджених хмар.
Принцип Паулі: в атомі не може перебувати два і більше електронів з однаковим набором квантових чисел.
Вироджені стану - це стану однаковою енергії; число різних станів з будь-якими значеннями енергії - кратність виродження відповідного енергетичного рівня.
Кожен рівень енергії водневого атома має виродження кратності
Спектри випромінювання і поглинання світла
Поглинання світла - це процес зменшення енергії світлової хвилі при її поширенні в речовині, внаслідок чого відбувається перетворення енергії хвилі у внутрішню енергію речовини або в енергію вторинного випромінювання, що призводить до нагрівання речовини, іонізації атомів, фотохимическим реакцій, фотолюмінесценції і т. Д.
Закон Бугера-Ламберта-Бера: інтенсивності плоскої монохроматичної світлової хвилі на вході в шар поглинає речовини деякої товщини і на виході з нього пов'язані співвідношенням:
Лінійчатий спектр поглинання - це розріджений газ, в якому атоми знаходяться на значних відстанях один від одного.
Смугастий спектр поглинання - це розріджений молекулярний газ.
Суцільні спектри поглинання - це рідкі та тверді діелектрики.