Предмет и задачи атомной физики

Атомная и ядерная физика

Предмет и задачи атомной физики

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

Предмет и задачи атомной физики

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/

Конспект

Предмет и задачи атомной физики

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/

Предмет и задачи атомной физики

Предмет и задачи атомной физики

Определение 1

Атомной физикой называют раздел физики, который посвящен изучению строения и состояния атомов. В $10$-x XX века было установлено то, что ядро и электроны являются составными частями атома. Причем, связаны они электрическими силами.

В начале своего развития атомная физика рассматривала кроме прочего, вопросы, относящиеся к строению ядра атома. В $30$-х годах XX века было выяснено, что природа взаимодействия составных частей внутри атомного ядра отлична от тех сил, которые действуют во внешней оболочке ядра атома.

В результате в $40$-х годах ядерная физика выделилась в самостоятельную науку. В $50$-х годах от атомной физики отделилась физика элементарных частиц (физика высоких энергий).

Итак, предметом атомной физики можно назвать: вопросы строения оболочек атомов и исследование явлений, которые вызваны свойствами и процессами в них происходящими.

Атомная физика, выступающая в качестве курса общей физики, рассматривает явления, которые самым простым и очевидным образом описывает основные законы квантовой механики, которые позволяют сформулировать соответствующие понятия и модель рассматриваемой области явлений.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Многие явления, которые рассматривает атомная физика, несовместимы с представлениями классической физики. К данным явлениям можно отнести явления, которые вызваны корпускулярно — волновым дуализмом при движении микрочастиц.

Создание модели подобного движения реализовалось в построении уравнения Шредингера, которое следует отнести к принципиально новым уравнениям физики. Оно не может быть выведено из существовавших ранее уравнений. Исторически уравнение Шредингера появилось как уравнение, которое описывает волны де Бройля.

Данный подход к уравнению Шредингера является самым простым и естественным, если использовать индуктивный подход к созданию физической модели в рамках курса атомной физики.

Атомная физика исследует строение атома как квантовой системы, которая состоит из ядра и электронов, уровни энергии атома с их характеристиками, квантовые переходы в атоме, процессы возбуждения атома и столкновения атомов, электромагнитные свойства атомов и как они ведут себя во внешних полях.

Самыми важными событиями, которые стали началом атомной физики как науки стали: открытие электрона и радиоактивности.

Современная атомная физика включает: теорию атома, атомную спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию, радиоспектроскопию, физику атомных и ионных столкновений.

Разные разделы спектроскопии включают всяческие диапазоны частот излучения и энергий квантов.

Рентгеновская спектроскопия исследует излучение атомов с высокими энергиями, тогда как радиоспектроскопия рассматривает кванты, имеющие малые энергии.

Расстояния, которые характерны для атомной физики, составляют порядка ${10}{-8}см$. Теоретической основой для атомной физики служит квантовая механика.

Задачи атомной физики

Основной задачей атомной физики можно считать скрупулёзное исследование и определение всех параметров состояний атома. В первую очередь имеется в виду: вычисление всех возможных значений энергии атома, уровней энергии, величин моментов количества движения и т.д.

Следующей задачей можно считать — исследование тонкой и сверхтонкой структуры энергетических уровней (атомных спектров). Описание характера взаимодействия атомных спектров внешних и внутренних электромагнитных полей.

Отдельной задачей можно считать изучение механизма возбуждения атомных спектров.

Атомная физика применяет экспериментальные методы изучения, например, спектральные (оптическую спектроскопию, рентгеновскую спектроскопию, радиоспектроскопию).

Области исследований различных разделов атомной физики могут перекрываться.

Результаты, получаемые в атомной физике, применяются как во многих других разделах физики, так в химии, астрофизике и некоторых других разделах науки.

Так, например, на основе исследования уширения и сдвига линий спектра судят о локальных полях в веществе, которые и вызывают подобные изменения, а также характеризуют саму среду (ее температуру, плотность и т.д.).

Определение распределения плотности электронного заряда в атоме и того как оно изменяется при изменении внешних условий дает возможность предположить какие типы химических связей может образовать тот или иной атом.

Информация о характере энергетических уровней, их структуре для атомов являются важной для квантовой электроники. Физика плазмы использует информацию о поведении атомов и ионов при столкновениях, процессах ионизации, возбуждения. В астрофизике особенно важна информация о структуре энергетических уровней атомов, в частности при многократной ионизации.

Замечание 1

Кроме всего прочего те представления об атоме, которые формирует атомная физика, очень важны с мировоззренческой точки зрения. Устойчивость вещества объясняется устойчивостью атома.

С другой стороны «пластичность» атома, изменение его свойств и состояний при перемене внешних условий его существования, дает возможность объяснить появление сложных своеобразных систем с разными формами внутренней структуры.

Подобным образом разрешается противоречие между неизменностью атома и многообразием веществ.

Основные понятия, рассматриваемые в атомной физике

Электрон, его заряд, масса, характеристика движения в электромагнитном поле. Ядерное строение атома. Строение атома. Уровни энергии атомов. Спектры, спектральные серии, уровни энергии. Кванты света. Корпускулярно — волновой дуализм. Уравнение Шредингера. Рентгеновские лучи.

Пример 1

Задание: Каково соотношение сечений ядер ($\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}$) ${}{209}_{83}{Bi}$ и ${}{27}_{13}{Al}$?

Решение:

Допустим, что ядро атома является шаром радиуса $r$. В таком случае площадь его поперечного сечения ($\sigma $) найдем как:

\[\sigma =\pi r2\left(1.1\right).\]

Радиус ядра определяют, используя число нуклонов в ядре (массовое число A):

\[r=r_0A{\frac{1}{3}}\left(1.2\right),\]

где $r_0$ — коэффициент одинаковый для всех ядер. Подставим правую часть выражения (1.2) вместо $r$ в уравнение (1.1), получим:

\[\sigma =\pi {r_0}2A{\frac{2}{3}}\left(1.3\right).\]

Запишем выражение (1.3) для висмута и алюминия:

\[{\sigma }_1=\pi {r_0}2{A_1}{\frac{2}{3}}\ \left(1.4\right)\ и\ \] \[{\sigma }_2=\pi {r_0}2{A_2}{\frac{2}{3}}\ \left(1.5\right),\]

где $A_1=209$ — массовое число висмута, $A_2=27$ — массовое число алюминия. Используя выражения (1.4) и (1.5) найдем искомое соотношение:

\[\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}={\left(\frac{A_1}{A_2}\right)}{\frac{2}{3}}.\]

Проведем вычисления:

\[\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}={\left(\frac{209}{27}\right)}{\frac{2}{3}}=3,91.\]

Ответ: $\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_2}=3,91.$

Пример 2

Задание: Примените соотношение неопределенностей и оцените минимальные размеры атома водорода, если кинетическая энергия электрона в нем составляет $10эВ=10\cdot 1,6\cdot 10{-19}Дж$.

Решение:

За основу решения задачи примем соотношение неопределенностей Гейзенберга для координаты и импульса:

\[\triangle x\triangle p\ge \hbar \ \left(2.1\right),\]

где $\triangle x$ — неопределенность координаты, $\triangle p$ — неопределенность импульса электрона.

Обозначим линейные размеры атома через l. В таком случае электрон атома находится в пределах области с неопределенностью $\triangle x=\frac{l}{2}$. В таком случае выражение (2.1) можно переписать в виде:

\[\frac{l}{2}\triangle p\ge \hbar \ \left(2.2\right).\]

Из выражения (2.2) выразим $l$ получаем:

\[l\ge \frac{2\hbar }{\triangle p}\left(2.3\right).\]

Следуя логике, положим, что неопределенность импульса $\triangle p\le p.$ Импульс связан с кинетической энергией $E_k$ выражением вида:

\[p=\sqrt{2mE_k}\left(2.4\right).\]

Проведем замену $\triangle p$ величиной p определенной в (2.4). Эта замена не увеличит $l.$ Перейдем от неравенства (2.3) к равенству:

\[l_{min}=\frac{2\hbar }{\sqrt{2mE_k}}.\]

Проведем вычисления:

\[l_{min}=\frac{2\cdot 1,05\cdot {10}{-34}}{\sqrt{2\cdot 9,1\cdot {10}{-31}\cdot 10\cdot 1,6\cdot 10{-19}}}=123(пм).\]

Ответ: $l_{min}=123$ пм.

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

Booksm
Добавить комментарий