Атомная физика

Атомная и ядерная физика

Атомная физика

Атомная физика — это раздел физики, который изучает строение атомов и элементарные процессы на атомном уровне.

Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его свойств.Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки — совокупности электронов. Размер атома определяется расстоянием наиболее отдаленной от ядра электронной орбиты.

Такая модель встретилась с затруднениями:

  • согласно теории Максвелла электрон, движущийся вокруг ядра по окружности или эллипсу, должен непрерывно излучать электромагнитные волны, что противоречит факту присутствия постоянного излучения атомов;
  • планетарная модель атома неустойчива в электродинамическом отношении, так как вследствие излучения электромагнитных волн движущимся электроном энергия электрона должна непрерывно уменьшаться. Следовательно, должен уменьшиться радиус траектории электрона, и в конце электрон неизбежно упадет на ядро, что противоречит длительному существованию атомов.

Ядерная физика — это раздел физики, в котором изучаются структура и свойства атомных ядер.

Ядерная физика занимается также изучением взаимопревращения атомных ядер, совершающиеся как в результате радиоактивных распадов, так и в результате различных ядерных реакций.

Основная ее задача связана с выяснением природы ядерных сил, воздействующих между нуклонами, и особенностей движения нуклонов в ядрах.

К ядерной физике тесно прилегает физика элементарных частиц, физика и техника ускорителей заряженных частиц, ядерная энергетика. Крупный составной частью ядерной физики является нейтронная физика.

Современная ядерная физика разделяется на теоретическую и экспериментальную ядерную физику.

Теоретическая ядерная физика изучает модели атомного ядра и ядерные реакции, она опирается на фундаментальные физические теории, созданные в процессе исследования физики микромира.

Экспериментальная ядерная физика использует такие исследовательские средства, как ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, разнообразные детекторы частиц.

Протоны и нейтроны — это основные элементарные частицы, из которых состоит ядро атома.

Нуклон — это частица, обладающая двумя различными зарядовыми состояниями: протон и нейтрон.

Заряд ядра — количество протонов в ядре, одинаковое с атомным номером элемента в периодической системе Менделеева.
Массовое число нуклонов в ядре равно сумме количества нейтронов и заряда ядра, т. е. протонов.

Изотопы — ядра, имеющие один и тот же заряд, если массовое число нуклонов различно.

Изобары — это ядра, обладающие одним и тем же числом нуклонов, при разных зарядах.

Нуклид — это конкретное ядро со значениями А и Z. Обозначается: , где X — символ химического элемента, A — это массовое число нуклонов, Z — это заряд ядра, количество протонов, N — это количество нейтронов в ядре.

Удельная энергия связи — это энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра. Ее определяют экспериментально.

Основное состояние ядра — это состояние ядра, имеющего наименьшую возможную энергию, равную энергии связи.

Возбужденное состояние ядра — это состояние ядра, имеющего энергию, большую энергии связи.

Факты, связанные с а-распадом, т. е. излучением а-частиц:

  1. альфа-распад имеет место только для тяжелых ядер;
  2. a-частицы, которые вылетают из ядер одного и того же вещества, имеют, как правило, постоянную энергию;
  3. период полураспада зависит от энергии вылетающих a-частиц.

Период полураспада тем больше, чем меньше энергия a-частиц. Удельная энергия связи у таких ядер меньше, чем удельная энергия ядер, расположенных в середине периодической системы элементов.

Корпускулярно-волновой дуализм. Фотоэффект

Свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу, т. е. корпускулярно-волновой дуализм:

  • во-первых: он имеет волновые свойства;
  • во-вторых: он выступает в роли потока частиц — фотонов.

Гипотеза А. Эйнштейна, которую он выдвинул в 1905 г.: электромагнитное излучение не только испускается квантами, но распространяется и поглощается в виде частиц (корпускул) электромагнитного поля — фотонов.

Фотоны являются реально существующими частицами электромагнитного поля.
Фотон обладает массой покоя:

Энергией и импульсом:

Световая волна, которая падает на тело, отчасти отражается от него и в какой-то степени проходит насквозь, частично поглощается.

Тогда энергия поглощения световой волны переходит в тело, т.е. нагревает тело. Часто известная часть этой поглощенной энергии активизирует и другие явления, такие как:

  • фотоэлектрический эффект;
  • давление света;
  • эффект Комптона;
  • люминесценция и фотохимические превращения.

Все эти процессы объясняются на основе корпускулярных свойств света.

Фотоэффект — это явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Для твердых и жидких тел распознают внешний фотоэффект, при котором поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела, и внутренний фотоэффект, при котором электроны, оставаясь в теле, изменяют свое энергетическое состояние.

Фотоионизация — это процесс фотоэффекта, который наблюдается в газах и состоящий в ионизации атомов (молекул) под действием излучения.

Фототок — это ток, который возникает в цепи, где пластинка присоединена к отрицательному полюсу источника — фотокатода. Фототок возникает практически одновременно с освещением фотокатода. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на цинковую пластинку.

Красная граница фотоэффекта — это предельная длина волны при явлении фотоэффекта, возникающая тогда, когда цинк облучается светом.

Фототок существует и тогда, когда в цепи нет источника тока.Это объясняется тем, что часть электронов покидает катод и достигает анода.

Чтобы фототок стал равным нулю, нужно приложить задерживающее отрицательное напряжение — .

Законы фотоэффекта:

  • Для каждого вещества существует предельная длина волны — красная граница фотоэффекта.
  • Число фотоэлектронов, вырываемых из фотокатода в единицу времени, пропорционально интенсивности светового потока.
  • Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой излучения и не зависит от интенсивности светового потока, падающего на фотокатод.
  • Фотоэффект практически безинерционен.

Объяснение фотоэффекта Эйнштейном

При поглощении света металлом фотон отдает свою энергию одному электрону.

Часть этой энергии затрачивается на то, чтобы электрон мог оставить тело. Если электрон освобождается светом не у самой поверхности, а на некоторой глубине, то часть энергии, может быть потеряна им вследствие случайных столкновений в веществе и идет на нагревание вещества.

Остаток энергии образует кинетическую энергию электрона, покинувшего вещество.

Энергия вылета электрона будет максимальной, если электрон выбивается светом с поверхности металла.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Это объясняет то, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и работы выхода, но не зависят от мощности светового потока:

Красная граница фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона:

Модель атома по Бору

Постулаты Бора:

  • Атомы, несмотря на то что электроны в них движутся с ускорением, могут длительно находиться в состояниях, в которых они не излучают (стационарные или разрешенные состояния).
  • В каждом из них атом обладает энергией E1,E2, .. Радиус электрона, при движении по круговым орбитам, определяется из условия:
  • Атом излучает лишь тогда, когда электрон скачком переходит из одного состояния с большей энергией в другое, с меньшей энергией. Частота излучения при этом равна:

Возбужденное состояние — это состояние атома, в котором он имеет энергию большую, чем в основном состоянии.

Квантование — это метод отбора орбит электронов, соответствующих стационарным состояниям атома.

Условие Бора позволило отобрать возможные круговые орбиты электронов в атоме водорода и объяснить спектр излучения атома водорода.

Метод квантования Бора был обобщен А. Зоммерфельдом, который показал, что квантовых условий должно быть столько, сколько степеней свободы имеет рассматриваемый тип движения.

Орбитальное квантовое число — это физическая величина, характеризующая форму орбиты, которая представлена в виде заряженных облаков.

Принцип Паули: в атоме не может находиться два и более электронов с одинаковым набором квантовых чисел.

Вырожденные состояния — это состояния одинаковой энергии; число различных состояний с какими-либо значениями энергии — кратность вырождения соответствующего энергетического уровня.
Каждый уровень энергии водородного атома имеет вырождение кратности

Спектры излучения и поглощения света

Поглощение света — это процесс уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, вследствие чего происходит преобразование энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, что приводит к нагреванию вещества, ионизации атомов, фотохимическим реакциям, фотолюминесценции и т.д.

Закон Бугера—Ламберта—Бера: интенсивности плоской монохроматической световой волны на входе в слой поглощающего вещества некоторой толщины и на выходе из него связаны соотношением:

Линейчатый спектр поглощения — это разреженный газ, в котором атомы находятся на значительных расстояниях друг от друга.

Полосатый спектр поглощения — это разреженный молекулярный газ.

Сплошные спектры поглощения — это жидкие и твердые диэлектрики.

Источник: http://xn----7sbfhivhrke5c.xn--p1ai/%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D0%B8-%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0/

Атомная физика, основные понятия и формулы

Атомная физика

Дефект массы ядра

Энергия фотона

Радиоактивный распад

Атомная физика — наука которая занимается исследование строения атома, и изучает простые процессы происходящие на атомном уровне.

Атомная физика включает в себя физику элементарных частиц, ядерную энергетику, методики и техники ускорения положительно заряженных частиц. Основой этого направления является нейтронная физика.

Атомная физика делится на теоретическую и экспериментальную части.

Экспериментальная физика использует следующие исследовательские способы: разные детекторы частиц, ядерные реакторы, центральные ускорители заряженных частиц.

Сама экспериментальная атомная физика изучает строение ядра и ядерные реакции, опираясь на фундаментальные гипотезы которые были получены в процессе исследования физики микромира.

Ядра атомов, ученые условно разделили на два больших класса: стабильные и радиоактивные. Радиоактивные ядра постоянно распадаются, таким образом трансформируясь в другие вещества. Такие преобразования могут проходить и со стабильными ядрами, однако бесконтрольно и самостоятельно это не происходит, а происходит только при контакте с другими микрочастицами.

Положительно заряженное ядро, как и его коэффициент заряда определяется количеством протонов ядре — Z (показатель заряда). Количество протонов и нейтронов определяет массовое число ядра A. Те элементы которые имеют одинаковый Z, при этом разный А в физике называются изотопами.

В атомной физике есть ещё очень много определений, но в одну статью их уместить не удастся, однако некоторые мы все же разберем.

Нейтроны и протоны — элементарные частицы из которых собственно и состоит ядро атома.

Состояние возбуждения или возбужденное состояние — это определенное состояние атома, в котором он обладает большей энергией чем обычно.

Благодаря квантованию мы может детально отобрать электроны которые соответствуют определенным стационарным состояниям атома.

Мельчайшая частица, которая обладает двумя зарядовыми состояниями — нуклон.

Заряд ядра соответствует количеству протонов в ядре и номеру в таблице Менделеева.

Изотопы — это ядра имеющий одинаковое количество протонов однако отличающееся по массовому количеству нуклонов.

Изобары — напротив, имеют одинаковое массовое количество нуклонов но разные заряды.

Нуклид — определенное ядро со значением Z и A. В физике обозначается как X — символ химического элемента, N — коэффициент нейтронов в ядре, A — массовое количество нуклонов.

Атомная единица массы — условная единица масса, которую используют для определения массы молекул, элементарных частиц и атомных ядер.

Вот как выглядит её формула

— величина обратно пропорциональная числу Авогардо, представлена в граммах на моль и полностью совпадает с массой атома в конкретном веществе.

Для определения используют разнообразные методики. Суть их заключается в экспериментальном определении молекулярной массы конкретного элемента. В таком случае атомная масса будет равна общей доле молекулярной массы, поделенной на количество атомов в молекуле.

Дефект массы ядра

Измерения массы и плотности ядер указали на то, что данный коэффициент всегда будет меньше суммы масс элементов в покое, которые слагают свободные протоны и нейтроны.

При систематическом делении ядер, масса ядра всегда меньше начальной суммы масс в покое. Кроме того, при синтезе ядер, масса синтезированного ядра всегда меньше показателя массы стабильного покоя. Обратите внимание, дефект массы ядра указывает на определенную разницу между массой ядра и суммой масс всех ядер нуклона.

Энергия фотона

Лучи света распространяются как постоянный поток локализованных в пространстве дискретных элементов. Некоторые путают и считают, что это непрерывный волновой процесс, который движется со скоростью света в вакууме. 1926 год фотоны получили своё название.

Энергия фотона — это квант электромагнитного излучения или активность элементарной частицы.

Энергия фотон не обладает массой однако скорость имеет внушительную, равную скорости света.

Получается энергия растет прямо пропорционально росту частоты и уменьшения длинные волны.

Импульс фотона:

Фототок это такой процесс, который возникает в той цепи, где пластина присоединена к отрицательному полюсу фотокатода. Этот процесс протекает параллельно с освещением фотокатода. Сам процесс пропорционален насыщенности света, который падает на цинковую пластину.

Скорость радиоактивного распада

Этот показатель являет собой какое-то количество распадов за определенное время

Продифференцируйте выражения и вы определите зависимость времени и числа атомов, так все станет гораздо понятнее:

Теперь мы можем увидеть скорость постоянного радиоактивного распада:

Отметим, зависимость количества не разрушившихся радиоактивных атомов от времени и коэффициента распада описывается одно постоянной

На сегодня основами учения атомной физики являются оптическая спектроскопия, теория атома, радиоспектроскопия, физика ионных и атомных столкновений, рентгеновская спектроскопия. Радиоспектроскопия изучает только малые кванты, в то время как рентгеновские исследования проводятся для излучения атомов, в сотни тысяч квантов.

задача атомной физики — детально определить в каком состоянии находится атом и изучить это самое состояние. Изучение проводят в обозначении вероятных значений интенсивности. И другими величинами которые могут описать состояние атома.

Сейчас проводят исследования в попытках изучить сверхтонкую структуру разных уровней энергии, трансформацию этих уровней под воздействием электромагнитного поля.

Теперь вы понимаете, что атомная физика тесно связана со всем разделами физики и других наук. Понимание строения атомов имеют огромное большое мировоззренческое значение.

А понятие «Стабильности» самых мелких частиц может объяснить стабильность различных химических веществ во внешней среде и особенность взаимодействия этих частиц между собой.

А такое понятие как «Пластичность» отражает способность атома изменять свои свойства при разнообразных внешних воздействиях, что помогает объяснить вероятность возникновения сложных концепций, уникальное свойство менять форму внутренней организации.

Так возникают некоторые вопросы. С одной стороны атом он неизменен и то что существовало в древние времена не претерпело никаких изменений в современности. С другой стороны данные полученные в ходе современных исследований указывают, что в атомной структуре очень много противоречивой информации и множество загадок ещё придется разгадать. Но это уже хорошее подспорье для критики атомизма.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/atomnaya-fizika-ponyatia-i-formuly/

А́ТОМНАЯ ФИ́ЗИКА

Атомная физика

Авторы: В. И. Балыкин, М. А. Ельяшевич

А́ТОМНАЯ ФИ́ЗИКА, раз­дел фи­зи­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют строе­ние и свой­ст­ва ато­мов и эле­мен­тар­ные про­цес­сы, свя­зан­ные с ни­ми.

Атом – сис­те­ма элек­три­че­ски за­ря­жен­ных час­тиц, по­это­му его строе­ние и свой­ст­ва оп­ре­де­ля­ют­ся в осн.

элек­тро­маг­нит­ны­ми взаи­мо­дей­ст­вия­ми ме­ж­ду час­ти­ца­ми, дей­ст­вую­щи­ми на рас­стоя­ни­ях по­ряд­ка 10–8 см с энер­ги­ей по­ряд­ка 1 эВ.

Пер­вые пред­став­ле­ния о су­ще­ст­во­ва­нии ато­мов как мель­чай­ших не­де­ли­мых и не­из­мен­ных час­ти­цах ве­ще­ст­ва вы­ска­за­ны в 5–3 вв. до н. э. в Древ­ней Гре­ции (Де­мок­рит, Эпи­кур и др.). В 17–18 вв., в пе­ри­од ста­нов­ле­ния точ­но­го ес­те­ст­во­зна­ния, ато­ми­стич. пред­став­ле­ния раз­ви­ва­ли И.

 Ке­п­лер, П. Гас­сен­ди, Р. Де­карт, Р. Бойль, И. Нью­тон, М. В. Ло­мо­но­сов и др. Од­на­ко лишь в кон. 18 – нач. 19 вв. экс­пе­рим. ис­сле­до­ва­ния при­ве­ли к соз­да­нию пер­вых ато­ми­стич. тео­рий. На ос­но­ве ко­ли­че­ст­вен­ных хи­мич. за­ко­нов и за­ко­нов иде­аль­ных га­зов в нач. 19 в. ста­ла раз­ви­вать­ся хи­мич.

ато­ми­сти­ка (Дж. Даль­тон, А. Аво­гад­ро, Й. Бер­це­ли­ус), а к сер. 19 в. бы­ли раз­гра­ни­че­ны по­ня­тия ато­ма и мо­ле­ку­лы (С. Кан­ниц­ца­ро). В 1869 Д. И. Мен­деле­ев от­крыл пе­рио­дич. за­кон и соз­дал пе­рио­дич. сис­те­му хи­мич. эле­мен­тов, но­ся­щую его имя. Ато­ми­стич.

пред­став­ления лег­ли в ос­но­ву мо­ле­ку­ляр­ной физи­ки, в ча­ст­но­сти ки­не­тич. тео­рии га­зов (сер. 19 в.), и ста­ти­стич. фи­зи­ки (Р. Клау­зиус, Дж. К. Мак­свелл, Л. Больц­ман, Дж. У. Гиббс). Од­но­вре­мен­но раз­ви­ва­лось уче­ние о внут­рен­нем атом­ном строе­нии кри­стал­лов и их сим­мет­рии (Р. Га­юи, О. Бра­ве, Е.

 С. Фё­до­ров, нем. кри­стал­ло­граф А. Шён­флис).

По­строе­нию совр. А. ф. в нач. 20 в. пред­ше­ст­во­ва­ли от­кры­тия элек­тро­на (1897, Дж. Дж. Том­сон) и ра­дио­ак­тив­но­сти (1895, А. Бек­ке­рель), ко­то­рые оп­ро­верг­ли мне­ние о не­де­ли­мо­сти ато­ма. Важ­ней­шим со­бы­ти­ем в А. ф. яви­лось от­кры­тие Э.

 Ре­зер­фор­дом в 1911 атом­но­го яд­ра, об­ла­даю­ще­го ма­лы­ми по срав­не­нию с ато­мом раз­ме­ра­ми и со­сре­до­точив­ше­го в се­бе осн. мас­су и по­ло­жи­тель­ный за­ряд ато­ма. Ре­зер­форд пред­ло­жил т. н.

пла­не­тар­ную мо­дель ато­ма: во­круг по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­го мас­сив­но­го яд­ра дви­га­ют­ся по ор­би­там лёг­кие от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны. Од­на­ко в со­от­вет­ст­вии с за­ко­на­ми клас­сич. элек­тро­ди­на­ми­ки та­кой атом был бы не­ус­той­чи­вым, т. к.

элек­тро­ны при этом не­пре­рыв­но из­лу­ча­ли бы элек­тро­маг­нит­ную энер­гию и за до­ли се­кун­ды упа­ли на яд­ро. В 1913 Н.

 Бор соз­дал тео­рию ус­той­чи­во­го ато­ма, по­ло­жив в её ос­но­ву эм­пи­ри­че­ски вве­дён­ные им кван­то­вые по­сту­ла­ты (Бо­ра по­сту­ла­ты): 1) атом мо­жет су­ще­ст­во­вать толь­ко в дис­крет­ных ста­цио­нар­ных со­стоя­ни­ях, ха­рак­те­ри­зуе­мых оп­ре­де­лён­ны­ми внутр.

энер­гия­ми, при­чём, на­хо­дясь в этих со­стоя­ни­ях (на оп­ре­де­лён­ном уров­не энер­гии), атом ус­той­чив и не ис­пус­ка­ет элек­тро­маг­нит­ную энер­гию; 2) пе­ре­хо­ды ме­ж­ду ста­цио­нар­ны­ми со­стоя­ни­я­ми про­ис­хо­дят скач­ко­об­раз­но (т. е. его энер­гия ме­ня­ет­ся не не­пре­рыв­но, а скач­ко­об­раз­но); при та­ком пе­ре­хо­де (кван­то­вом пе­ре­хо­де) атом по­гло­ща­ет или ис­пус­ка­ет оп­ре­де­лён­ную пор­цию элек­тро­маг­нит­ной энер­гии – квант энер­гии $E=hν_{ik}$, где $h$ – по­сто­ян­ная План­ка, а $ν_{ik}$ – т. н. час­то­та кван­то­во­го пе­ре­хо­да, оп­ре­де­ляе­мая энер­гия­ми ста­цио­нар­ных со­стоя­ний $i$ и $k$, ме­ж­ду ко­то­ры­ми со­вер­ша­ет­ся пе­ре­ход.

Тео­рия ато­ма Н. Бо­ра по­зво­ли­ла объ­яс­нить не толь­ко ус­той­чи­вость ато­ма, но и ли­ней­ча­тость атом­ных спек­тров, на­блю­дав­шие­ся за­ко­но­мер­но­сти оп­ти­че­ских и рент­ге­нов­ских спек­тров, а так­же пе­рио­дич. за­кон Мен­де­лее­ва.

Для оп­ре­де­ле­ния воз­мож­ных дис­крет­ных зна­че­ний энер­гии ато­ма во­до­ро­да Бор пред­по­ло­жил, что при очень ма­лых $ν$ кван­то­вые и клас­сич. ре­зуль­та­ты долж­ны сов­па­дать (т. н. со­от­вет­ст­вия прин­цип), и при­ме­нил для опи­са­ния дви­же­ния элек­тро­на и вы­чис­ле­ния его энер­гии клас­сич. за­ко­ны элек­тро­ди­на­ми­ки.

Од­на­ко тео­рия Бо­ра ока­за­лась не­при­ме­ни­мой к ато­му ге­лия и бо­лее слож­ным ато­мам.

В 1923 Л. де Бройль вы­дви­нул ги­поте­зу кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­во­го дуа­лиз­ма: всем час­ти­цам ма­те­рии при­су­щи свой­ст­ва как час­ти­цы, так и вол­но­вые свой­ст­ва, ка­ж­дой час­ти­це ма­те­рии мож­но по­ста­вить в со­от­вет­ст­вие оп­ре­де­лён­ную дли­ну вол­ны.

Идея де Брой­ля по­зво­ли­ла объ­яс­нить су­ще­ст­во­ва­ние ста­цио­нар­ных со­стоя­ний ато­ма: воз­мож­ны лишь та­кие из них, при ко­то­рых дли­на вол­ны элек­тро­на ук­ла­ды­ва­ет­ся на его ор­би­те це­лое чис­ло раз. Т. о.

, элек­трон в оп­ре­де­лён­ном со­стоя­нии ана­ло­ги­чен стоя­чей вол­не с дли­ной $λ$, оп­ре­де­ляю­щей его энер­гию $E=hc/λ$ (где $с$ – ско­рость све­та) и им­пульс $p=h/λ$. Раз­ви­тие идеи де Брой­ля при­ве­ло к соз­да­нию кван­то­вой ме­ха­ни­ки (В. Гей­зен­берг, М. Борн, Э.

 Шрё­дин­гер), на ос­но­ве кото­рой бы­ла соз­да­на по­сле­до­ва­тель­ная тео­рия ато­ма. В со­от­вет­ст­вии с этой тео­ри­ей ка­ж­дое ста­цио­нар­ное со­стоя­ние ато­ма опи­сы­ва­ет­ся вол­но­вой функ­ци­ей, ко­то­рая яв­ля­ет­ся ре­ше­ни­ем Шрё­дин­ге­ра урав­не­ния.

Пред­став­ле­ния о дви­же­нии элек­тро­нов по оп­ре­де­лён­ным ор­би­там ока­за­лось не­пра­виль­ным, т. к. не­воз­мож­но од­но­вре­мен­но точ­но ука­зать ко­ор­ди­на­ты на­хо­ж­де­ния элек­тро­на в дан­ной точ­ке про­стран­ст­ва и зна­че­ние его им­пуль­са (не­оп­ре­де­лён­но­стей со­от­но­ше­ние, вве­дён­ное В.

 Гей­зен­бер­гом в 1927). Мож­но лишь го­во­рить о рас­пре­де­ле­нии элек­трон­ной плот­но­сти или ве­ро­ят­но­сти на­хо­ж­де­ния элек­тро­на в дан­ный мо­мент вре­ме­ни в дан­ной точ­ке про­стран­ст­ва, что и оп­ре­де­ля­ет его вол­но­вая функ­ция.

В 1925 в тео­рию бы­ла вве­де­на (Дж. Улен­бек и С. Га­уд­смит) но­вая фи­зич. ве­ли­чи­на – спин элек­тро­на – его соб­ст­вен­ный ме­ха­нич. мо­мент, с ко­то­рым свя­зан соб­ст­вен­ный маг­нит­ный мо­мент элек­тро­на. Ока­за­лось, что спи­ном об­ла­да­ют и др. атом­ные час­ти­цы, и атом в це­лом.

Учёт спи­на по­зво­лил объ­яс­нить рас­ще­п­ле­ние уров­ней энер­гии и спек­траль­ных ли­ний ато­ма в элек­трич. и маг­нит­ных по­лях (Зее­ма­на эф­фект и Штар­ка эф­фект), уяс­нить по­ря­док рас­по­ло­же­ния элек­тро­нов в ато­мах разл. хи­мич. эле­мен­тов (см. Пау­ли прин­цип, Чис­ла за­пол­не­ния).

Кван­то­вая ме­ха­ни­ка объ­яс­ни­ла об­ра­зо­ва­ние ко­ва­лент­ной хи­мич. свя­зи (1927, В. Гайт­лер, Ф. Лон­дон), связь ато­мов в кри­стал­лах, влия­ние на них внут­ри­кри­стал­лич. по­ля (1929, Х. Бе­те), меж­атом­ные взаи­мо­дей­ст­вия и т. д.

В 1930-х гг. вы­яс­ни­лось, что в атом­ном яд­ре ме­ж­ду вхо­дя­щи­ми в не­го час­ти­ца­ми дей­ст­ву­ет не элек­тро­маг­нит­ное взаи­мо­дей­ст­вие, а но­вый тип взаи­мо­дей­ст­вия – силь­ное взаи­мо­дей­ст­вие. Фи­зи­ка атом­но­го яд­ра вы­де­ли­лась в са­мосто­ят. об­ласть – ядер­ную фи­зи­ку. В 1940–50-х гг.

сфор­ми­ро­ва­лись фи­зи­ка эле­мен­тар­ных час­тиц и фи­зи­ка плаз­мы. Совр. А. ф. вклю­ча­ет тео­рию и экс­пе­рим. ме­то­ды ис­сле­до­ва­ния атом­ных спек­тров в оп­ти­че­ском, рент­ге­нов­ском и ра­дио­диа­па­зо­нах. Она по­зво­ля­ет по­лу­чать точ­ные зна­че­ния энер­гий ста­цио­нар­ных со­стоя­ний, мо­мен­тов ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния и др.

ха­рак­те­ри­стик ато­мов, изу­ча­ет ме­ха­низ­мы их воз­бу­ж­де­ния, столк­но­ви­тель­ные и внутр. про­цес­сы. Эти дан­ные не­об­хо­ди­мы для соз­да­ния разл. ти­пов ла­зе­ров, для фи­зи­ки плаз­мы, ре­ше­ния астро­фи­зич. и кос­мо­ло­гич. за­дач, для изу­че­ния элек­трич., маг­нит­ных и др. свойств ве­ще­ст­ва.

Уши­ре­ние и сдвиг спек­траль­ных ли­ний по­зво­ля­ет су­дить о ло­каль­ных по­лях в кон­ден­си­ров. сре­дах, вы­звав­ших эти из­ме­не­ния, о темп-ре и плот­но­сти сре­ды, из­ме­рять вы­со­кие дав­ле­ния и т. п. Рас­пре­де­ле­ние элек­трон­ной плот­но­сти в кон­ден­си­ров. сре­дах, ко­то­рое оп­ре­де­ля­ют, напр.

, ме­то­да­ми рент­ге­нов­ско­го струк­тур­но­го ана­ли­за, по­зво­ля­ет ус­та­нав­ли­вать ха­рак­тер меж­атом­ных свя­зей.

Для оп­ре­де­ле­ния точ­ных зна­че­ний атом­ных ха­рак­те­ри­стик не­об­хо­ди­мо уст­ра­нить влия­ние на атом ок­ру­жаю­щей сре­ды и «ос­та­но­вить» его, т. к. дви­же­ние ато­мов ис­ка­жа­ет их спек­тры (напр., вы­зы­ва­ет до­п­ле­ров­ское уши­ре­ние спек­траль­ных ли­ний).

Раз­ви­тие ме­то­дов изу­че­ния «хо­лод­ных» (ос­та­нов­лен­ных) ато­мов по­зво­ля­ет по­лу­чать атом­ные спек­тры с ши­ри­ной спек­траль­ных ли­ний, близ­кой к ес­те­ст­вен­ной.

Важ­ным дос­ти­же­ни­ем нау­ки яви­лось по­лу­че­ние ре­аль­но­го изо­бра­же­ния от­дель­ных ато­мов с по­мо­щью ска­ни­рую­ще­го тун­нель­но­го мик­ро­ско­па и атом­но-си­ло­во­го мик­ро­ско­па.

Источник: https://bigenc.ru/physics/text/1839305

Атомная физика

Атомная физика

Атомная физика появилась на рубеже XIX и XX столетий на базе многочисленных исследований оптических основ строения газов, открытия радиоактивности и электрона.

На первом этапе своего развития данное научное направление занималось в основном определением состава атома и исследованием его характеристик. Исследовательская деятельность Э.

Резерфорда по рассеянию микро-элементов тонкой металлической фольгой в 1911 позволила создать огромную модель атома; используя такую концепцию Н. Бор уже через два года разработал первую количественную теорию атома.

Рисунок 1. Атомная физика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Атомная физика – это раздел физики, изучающий строение и свойства всех атомов и элементарные процессы, напрямую связанные с ними.

Атом представляет собой целостную систему электрически заряженных а-частиц, поэтому его специфика определяются зачастую электромагнитными взаимосвязями между элементами, действующими на расстояниях примерно 10-8 см с коэффициентом энергии в 1 эВ.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Последующие изучение свойств электрона и атомов завершились уникальной разработкой квантовой механики, которая возникла в середине прошлого столетия, и представляет собой физическую гипотезу, описывающею законы создания микромира и позволяющую комплексно рассматривать явления, в которых принимают участие микрочастицы.

Квантовая механика считается теоретическим продолжением атомной физики и выполняет роль универсального «испытательного полигона» для всех научных сфер. Выводы и представления механики квантовых частиц, зачастую невозможно согласовать с нынешним повседневным опытом.

Основы атомной физики

Для понимания основ атомной физики необходимо разобраться с ключевыми понятиями, которые используются учеными при выполнении экспериментов.

Определение 2

Радиоактивность — это уникальное свойство ядер атомов конкретных элементов самостоятельно трансформироваться в другие ядра атомов с полным испусканием ионизирующих излучений.

Такое превращение элементов называется радиоактивным распадом, которую можно встретить я у природных изотопов, работающих посредством естественной радиоактивности, а также при явлениях в искусственно полученных элементов химических систем.

Знания строения атома помогут более точно понять термин «радиоактивность». Ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые объединяются общим понятием — нуклоны. В нейтральном веществе количество протонов в ядре равно числу действующих электронов в оболочке. Атомный номер приравнивают к коэффициенту всех нуклонов, которые находятся в ядре и заряде атома.

Атомы с одинаковым составом химического элемента обладают подобной атомной массой, которая приблизительно в 1840 раз больше массы самого электрона. В связи с нестабильностью этого показателя объем частиц принято считать равной нулю, следовательно, масса атома будет определяться параметром ядра.

Замечание 1

Массовый коэффициент атома всегда можно наблюдать вверху слева от символа химического элемента, а атомный заряд элемента находится внизу слева от определенного символа.

На сегодняшний день ученые различают несколько видов радиоактивных трансформаций ядер, которые сопровождаются разнообразными типами ионизирующих излучений:

  • альфа-распад – используется для ядер тяжелых химических элементов с небольшими энергиями связи, в процессе превращений которых выбрасывается соответствующие частицы, в результате- заряд ядра уменьшается на 2 единицы;
  • электронный бета-распад — характерен для трансформаций искусственных и естественных радионуклидов, благодаря которому происходит распада бета-излучения в виде потока электронов;
  • позитронный fi-распад – помогает искусственным радионуклидам получить позитрон, представляющий собой элементарную частицу, которая обладает положительным зарядом;
  • К-захват – предполагает еще один вид радиоактивных превращений, который полностью захватывает электрон с ближайшей к ядру К-оболочки при избытке протонов в ядре атома.

Стоит отметить, что деление атомов более тяжелых химических элементов достаточно сложный процесс, который характерен только для ядер атомов с большой массой, таких как 239Pu, 235U и другие. В результате действия методов атомной физики образуются ядра легких элементов с большим энергетическим потенциалом и избыточным количество нейтронов.

Термоядерные реакции в атомной физике

Кроме постоянных естественных превращений, в атомной физике возможно также искусственная трансформаций веществ (изотопов трития и водорода дейтерия) в ядра более тяжелых химических элементов. Такие процессы применяются при взрыве термоядерной бомбы, где задача пускового механизма с высокой температурой заключается в придании большой кинетической энергии легким элементам системы.

После процедуры запуска плутониевого запала формируются необходимые условия бесконтрольной термоядерной реакции, которая сопровождается выделением мощных энергетических потоков гамма-излучения.

Хорошая плотность ионизации у данных частиц минимальная, масса и заряд отсутствуют, поэтому протяженность пробега у них достаточно большая и может достигать в воздушном пространстве нескольких сотен метров.

Изучение скорости и интенсивности радиоактивного распада ядер предоставило исследователям уникальную возможность определить важную закономерность.

Замечание 2

Установлено, что указанному распаду одновременно подвергаются не все атомы, а за каждый определенный промежуток времени распадается только постоянная доля атомов действующего радиоактивного изотопа.

Построение современной атомной физики

Построению теорий современной атомной физики в начале 20 столетия предшествовали открытия электрона и радиоактивности, которые полностью опровергли представления о неделимости атома. Центральным событием в атомной физике стало учение Э. Резерфорда, согласно которому атомные элементы обладают малыми по сравнению с другими химическими элементами размерами.

Однако в соответствии с теориями классической электродинамики такой вид атома был бы нестабильным, так как электроны при этом постоянно излучали бы мощную электромагнитную энергию и упали на ядро за долю секунды. В 1913 году Н. Бор представил общественности теорию устойчивого атома, которая основывалась на эмпирических введенных им квантовых постулатах:

  • атом может полноценно существовать только при дискретных стационарных условиях, характеризуемых конкретными внутренними энергиями;
  • атом достаточно устойчив и не испускает электромагнитную энергию;
  • переходы между естественными состояниями атома происходят скачкообразно, в результате чего атомное ядро поглощает определенную порцию электрической и магнитной энергии.

Гипотеза атома Н. Бора объяснила не только стабильность атома, но и линейчатость атомных процессов, наблюдавшиеся в оптических и рентгеновских методах. Для более точного определения возможных дискретных значений энергетической интенсивности атома водорода Бор использовал для описания перемещений электрона и вычисления его мощности классические уравнения электродинамики.

В 1925 году в указанную теорию была введена новая физическая величина — спин электрона, с которым напрямую связывают магнитный момент электрона. В 1930-х годах стало понятно, что в атомной физике действует не электромагнитное излучение, а уникальный тип взаимодействия — сильное притяжение.

Вскоре физика атомного ядра выделилась в самостоятельный раздел науки — ядерную физику. В 1950-х годах возникло новое течение в виде физики элементарных частиц и плазмы.

Современная атомная физика состоит из теории и экспериментальных способов исследования важных атомных спектров в рентгеновском и оптическом форматах.

Она дает возможность получать точные определения энергий стационарных состояний, принципов движения и других особенностей строения атомов, изучает механизмы их внутренних процессов.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/atomnaya_fizika/

Конспект

Атомная физика

Ключевые слова конспекта «Атомная физика (физика атома)»: планетарная модель атома Резерфорда, постулаты Бора, постоянная Планка, формула Бальмера, серия Бальмера, Лаймана, Пашена.
Раздел ЕГЭ по физике: 5.2. Физика атома.

Резерфорд, изучая рассеяние быстрых альфа-частиц при прохождении их через тонкую золотую фольгу, обнаружил, что все альфа-частицы рассеиваются на всевозможные углы, вплоть до углов, близких к 180°.

Ядерная модель атома (по Резерфорду): тяжелое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома и заряд Z•e,  е — заряд электрона, имеет радиус порядка 10–15 м. Вокруг него движутся электроны в пределах объема радиусом 10–10 м. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов в электронной оболочке атома, следовательно, атом электрически нейтрален.

Противоречия модели атома (по Резерфорду)

  1. Обращающиеся вокруг ядра электроны обладают центростремительным ускорением, а значит, должны излучать. За счет кулоновских сил расстояние между электроном и ядром непрерывно уменьшается, а частота непрерывно растет и в рамках классической физики спектр излучения атома — непрерывный, что противоречит эксперименту.
  2. Атом с изменяющимися параметрами — неустойчив (электрон должен «упасть» на ядро), в действительности атомы устойчивы и в состоянии с минимальной энергией могут существовать неограниченно долго.

Оставаясь в рамках классической механики, Резерфорд не смог разрешить данные противоречия.

Постулаты Бора

  1. В атоме существуют устойчивые (стационарные) орбиты, движение электрона по которым не сопровождается излучением или поглощением энергии.
  2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта энергии:

h • vmn = Еm – Еn.

  1. Момент импульса электрона, находящегося на стационарной орбите, квантуется:

m • υn • rn = n • ħ,

где n — номер стационарной орбиты, ħ = h/2p = 1,05 • 10–34 Дж•с — постоянная Планка (аш (h) с чертой).

Боровская модель атома водорода. Серия Бальмера.
Спектры испускания и спектры поглощения

Атом с одним вращающимся вокруг ядра электроном называется водородоподобным атомом.

Боровская модель атома водорода описывает атом водорода и водородоподобные атомы.

Энергетический уровень — энергия, которой обладает электрон в атоме, находящемся в определенном стационарном состоянии.

Основное состояние атома — состояние с минимальной энергией.

Атом водорода имеет определенный спектр энергий. Состояние атома с n = 1 называют основным состоянием. Энергия основного состояния электрона в атоме водорода:

где  k = 9•109 Н•м2/Кл2;  m = 9,1 • 10–31 кг — масса электрона;  е = –1,6 • 10–19 Кл — заряд электрона;  h = 6,62 •  10–34 (Дж•с) — постоянная Планка.

Возбужденные состояния атома водорода — это состояния с номером п > 1, где п — главное квантовое число. Чем больше квантовое число п, тем дальше от ядра находится электрон, тем выше его энергетический уровень. Энергетический спектр атома водорода можно рассчитать:

Энергетический спектр водородоподобного атома рассчитывают с учетом Z —зарядового числа химического элемента:

Линейчатый спектр — спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различной интенсивности. Излучение, которое испускают атомы, образует линейчатый спектр.

Линейчатый спектр включает в себя резко очерченные цветные линии, которые обязательно отделяются друг от друга широкими темными промежутками. Расположение спектральных линий строго упорядочено и индивидуально для каждого вещества.

Формула, позволяющая найти частоты или длины волн, соответствующие линиям водородного спектра:

Атом испускает квант энергии, если m > n — все возможные частоты, вычисленные по данной формуле, дают спектр излучения атома водорода.

Атом поглощает квант энергии, если m < n.

Спектр поглощения вещества получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.

Атом или молекула вещества поглощает излучение той же частоты, что и излучает, т. е. линии поглощения соответствуют линиям испускания — это закон обратимости спектральных линий Кирхгофа.

Энергетические уровни в атоме водорода принято обозначать горизонтальными линиями.

При n = 1 переходы с верхних уровней в основное состояние образуют серию Лаймана — ультрафиолетовая область спектра.

При n = 2 переходы с верхних уровней в первое возбужденное состояние образуют серию Бальмера — видимая часть спектра.

При n = 3 переходы с верхних уровней во второе возбужденное состояние образуют серию Пашена — инфракрасная часть спектра и т. д.

Формула Бальмера

Конспект урока по физике для класса «Атомная физика (физика атома)». Выберите дальнейшее действие:

Источник: https://uchitel.pro/%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0-%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0-%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0/

Booksm
Добавить комментарий