Законы атомной физики

Наступает новая эра в теоретической ядерной физике • Новости науки

Законы атомной физики
Физикам впервые удалось вывести нуклон-нуклонное взаимодействие «из первых принципов» — то есть (в данном случае) исходя из теории квантовой хромодинамики. Свыше полувека свойства ядерных сил были известны только экспериментально.

Теперь же на смену эмпирическим законам ядерной физики приходят точные — правда, пока только численные — расчеты.

Когда выяснилось, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (называемых вместе нуклонами), сразу же возник вопрос: какие силы удерживают нуклоны вместе? Для объяснения этого явления Хидеки Юкава в 1935 году предложил модель ядерных сил (она вскоре была подтверждена экспериментально), в которой притяжение нуклонов обеспечивается постоянным обменом новыми (на то время) частицами — пи-мезонами. Тот факт, что нуклоны в ядре не сливаются друг с другом, а держатся на расстоянии, означает, что при их чрезмерном сближении притяжение сменяется на сильное отталкивание. На своем жаргоне физики говорят, что в нуклоне есть некая «твердая сердцевина».

За более чем полвека, прошедшие с тех пор, теория сильного взаимодействия кардинально изменилась. Выяснилось, что нуклоны — вовсе не фундаментальные частицы, а состоят из более «мелких кирпичиков», кварков.

Кварки внутри нуклонов (а также всех других сильно взаимодействующих частиц — адронов) связаны глюонами, переносчиками сильного взаимодействия.

Силы, удерживающие нуклоны в ядрах, — это «вторичные» явления, суммарный результат коллективных процессов кварков и глюонов (см. рис. 2).

В современной теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамике (КХД) — всё сводится к взаимодействию кварков и глюонов, которые считаются неделимыми частицами, и эта теория пока что очень хорошо описывает всю совокупность экспериментальных данных по столкновениям адронов при высоких энергиях.

В этой картине имеется, однако, одна трудность — в рамках КХД просто не получается вычислить силу притяжения нуклонов и объяснить, откуда в нуклоне берется «твердая сердцевина».

В результате возникла странная ситуация: несмотря на многочисленные успехи КХД, ядерная физика по-прежнему базировалась на эмпирических (описательных) моделях полувековой давности с небольшими современными уточнениями.

Связующего звена — то есть точного вычисления ядерных сил из КХД — так и не было.

С точки зрения настоящей теории с формулами и уравнениями (о фундаментальных и эмпирических теориях читайте в блоге автора заметки), эта задача чрезвычайно сложная. Исходные уравнения КХД записаны, однако решать их в области низких энергий физики не умеют и вряд ли в ближайшее время научатся.

Поясним на примере. В случае движения планет вокруг Солнца исходное уравнение — это второй закон Ньютона (ускорение есть сила делить на массу), в который в качестве силы надо подставить его же, Ньютона, закон всемирного тяготения. Решением уравнения будет закон движение планеты по орбите. В случае же КХД исходное уравнение — это закон, связывающий скорость «рождения», «перетекания» и «исчезновения» кварковых и глюонных полей в зависимости от текущего их распределения в пространстве. По сути, это одна формула. Его решением будут, соответственно, эти самые скорости «рождения», «перетекания» и «исчезновения». Особенный класс решений, в котором все такие перетекания замирают, отвечает стабильным частицам: протонам, нейтронам и т. д. Другой класс решений — это около-стабильные решения, в которых «перетекание» есть, но определенного толку. Например, перетекание полей туда и обратно между двумя нуклонами — это и есть ядерные силы.

Здесь на помощь приходят численные методы решения этих уравнений, которые в теории сильного взаимодействия называются «КХД на решетках». Суть этого подхода заключается в следующем. Как и в любой квантовой задаче, кварки и глюоны являются не точечными частицами, а полями, как-то распределенными в пространстве.

В кусочке пространства и времени, в котором предполагается изучить движение кварковых и глюонных полей и вычислить свойства нуклонов, строится четырехмерная кубическая решетка. В типичных расчетах используются решетки размером 324 узлов.

Для того чтобы численно вычислить физические величины, приходится независимо интегрировать по характеристикам полей в каждом узле решетки — то есть выполнять многомиллионнократные интегралы.

С одной стороны, это чрезвычайно ресурсоемкая задача даже для современных компьютеров, но с другой стороны — это единственный надежный способ выяснить, что предсказывает КХД там, где теоретики ничего пока сосчитать не могут.

Важно, что прогресс в этой области связан только с ростом компьютерных мощностей — никаких препятствий внутри теории для всё более точных расчетов нет.

Если в конце 1980-х годов физикам удавалось получать на решетках лишь нечто похожее на адроны, то в 90-е годы уже стали появляться всё более точные вычисления масс адронов, а в последние годы предпринимаются попытки вычислить уже и динамические свойства адронов.

Чрезвычайно важной вехой в этом направлении исследований стала недавняя работа японских физиков N. Ishii, S. Aoki, T.

 Hatsuda, nucl-th/0611096 с говорящим за себя заголовком «Ядерные силы из КХД на решетке».

Популярная заметка Particle physics: Hard-core revelations нобелевского лауреата Франка Вильчека (Frank Wilczek), посвященная этим исследованиям, появилась на днях в журнале Nature.

В этой работе решались уравнения КХД для группы из шести близко расположенных кварков. «Включив» глюонное поле, авторы проследили решение до тех пор, пока шесть кварков не организовались в двухнуклонное состояние.

Изучив получившееся распределение двух нуклонов относительно друг друга, авторы и вычислили потенциал межнуклонного взаимодействия в зависимости от расстояния.

Важно, что использованная в работе решетка была достаточно большая (около 4 фм; 1 фемтометр = 10–15 м), чтобы вместить в себя два нуклона.

Триумфом этой работы стала четкая демонстрация того, что все особенности межнуклонного взаимодействия, известные из опыта, воспроизводятся в этих расчетах (см. рис. 1). В частности, впервые в истории изучения ядерных сил существование «твердой сердцевины» в нуклоне было выведено из КХД.

Главное утверждение этой работы — ядерные силы наконец-то выводятся из КХД — открывает новую главу в теоретической ядерной физике.

Сейчас физикам предстоит перепроверить все те свойства ядер, которые уже получены эмпирическим путем, а также попытаться обнаружить явления, еще не известные ядерной физике.

Не исключено, что по следам этих численных расчетов теоретики предложат новую, более прозрачную и более физически мотивированную теорию ядерных явлений, переписывая при этом учебники ядерной физики.

Дальнейшие успехи в этой области скажут свое веское слово и в астрофизике. Точная и модельно-независимая теория ядерных сил позволит четко вычислить максимальный размер нейтронных звезд и понять механизм взрыва некоторых сверхновых.

Наконец, как подчеркивает Вильчек, эти вычисления дают физикам редчайшую возможность промоделировать ситуации, невозможные в нашей Вселенной. Например, можно изучить, как будут меняться свойства ядерных сил, а значит, и синтез элементов в Ранней Вселенной, при вариации массы кварков и силы их связи.

Из этого, в свою очередь, можно узнать, насколько «случайно» было то, что законы физики позволили из «первичного бульона» Ранней Вселенной развиться таким сложным структурам, как галактики, планеты, жизнь. Это станет очень интересным аргументом в споре сторонников и противников антропного принципа.

См. также:
Эмпирические и фундаментальные теории.

Игорь Иванов

Источник: https://elementy.ru/news/430433

Основные законы физики

Законы атомной физики
На домашнюю страницу BARSIC

[ Механика | Термодинамика | Электричество | Оптика | Атомная физика ]

ЭНЕРГИИ СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЗАКОН — общий закон природы: энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной (сохраняется).

Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Для незамкнутой системы увеличение (уменьшение) ее энергии равно убыли (возрастанию) энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.

1. МЕХАНИКА

АРХИМЕДА ЗАКОН — закон гидро- и аэростатики: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх, числено равная весу жидкости или газа, вытесненного телом, и приложенная в центре тяжести погруженной части тела.

FA= gV, где r — плотность жидкости или газа, V — объем погруженной части тела. Иначе можно сформулировать так: тело, погруженное в жидкость или газ, теряет в своем весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость (или газ). Тогда P= mg — FA Открыт др. гр. ученым Архимедом в 212г. до н.э.

Является основой теории плавания тел.

ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ ЗАКОН — закон тяготения Ньютона: все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними: , где M и m — массы взаимодействующих тел, R — расстояние между этими телами, G — гравитационная постоянная (в СИ G=6,67.10-11 Н.м2/кг2.

ГАЛИЛЕЯ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ, механический принцип относительности — принцип классической механики: в любых инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одних и тех же условиях. Ср. относительности принцип.

ГУКА ЗАКОН — закон, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям.

ИМПУЛЬСА СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН — закон механики: импульс любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянным (сохраняется) и может только перераспределяться между частями системы в результате их взаимодействия.

НЬЮТОНА ЗАКОНЫ — три закона, лежащие в основе ньютоновской классической механики. 1-й закон (закон инерции): материальная точка находится в состоянии прямолинейного и равномерного движения или покоя, если на нее не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.

2-й закон (основной закон динамики): ускорение, полученное телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, и обратно пропорционально массе тела ().

3-й закон: две материальные точки взаимодействуют друг с другом силами одной природы равными по величине и противоположными по направлению вдоль прямой, соединяющей эти точки ().

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ПРИНЦИП — один из постулатов относительности теории, утверждающий, что в любых инерциальных системах отсчета все физические (механические, электромагнитные и др.) явления при одних и тех же условиях протекают одинаково. Является обобщением Галилея принципа относительности на все физические явления (кроме тяготения).

Начало

2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

АВОГАДРО ЗАКОН — один из основных законов идеальных газов: в равных объемах различных газов при одинаковой температуре и давлении содержится одинаковое число молекул. Открыт в 1811 году итал. физиком А.Авогадро(1776-1856).

БОЙЛЯ-МАРИОТТА ЗАКОН — один из законов идеального газа: для данной массы данного газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная. Формула: pV=const. Описывает изотермический процесс.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ — один из основных законов термодинамики, согласно которому невозможен периодический процесс единственным результатом которого является совершение работы, эквивалентной количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Другая формулировка: невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. В.з.т.

выражает стремление системы, состоящей из большого количества хаотически движущихся частиц, к самопроизвольному переходу из состояний менее вероятных в состояния более вероятные. Запрещает создание вечного двигателя второго рода.

ГЕЙ-ЛЮССАКА ЗАКОН — газовый закон: для данной массы данного газа при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре есть величина постоянная ,где =1/273 К-1 — температурный коэффициент объемного расширения.

ДАЛЬТОНА ЗАКОН — один из основных газовых законов: давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений этих газов.

ПАСКАЛЯ ЗАКОН — основной закон гидростатики:давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости или газа, передается одинаково по всем направлениям.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ — один из основных законов термодинамики, являющийся законом сохранения энергии для термодинамической системы: количество теплоты Q, сообщенное системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы U и совершение системой работы A против внешних сил. Формула: Q= U+A. Лежит в основе работы тепловых машин.

ШАРЛЯ ЗАКОН — один из основных газовых законов: давление данной массы идеального газа при постоянном объеме прямо пропорционально температуре: где p0 — давление при 00С, =1/273,15 К-1 — температурный коэффициент давления.

Начало

3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

АМПЕРА ЗАКОН — закон взаимодействия двух проводников с токами; параллельные проводники с токами одного направления притягиваются, а с токами противоположного направления — отталкиваются. А.з. называют также закон, определяющий силу, действующую в магнитном поле на малый отрезок проводника с током. Открыт в 1820г. А.-М. Ампером.

ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА ЗАКОН — закон, описывающий тепловое действие электрического тока. Согласно Д. — Л.з. количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему постоянного тока, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения.

ЗАРЯДА СОХРАНЕНИЯ ЗАКОН — один из фундаментальных законов природы: алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически изолированной системы остается неизменной. В электрически изолированной системе З.с.з.

допускает появление новых заряженных частиц (напр., при электролитической диссоциации, ионизации газов, рождении пар частица — античастица и др.

), но суммарный электрический заряд появившихся частиц всегда должен быть равен нулю.

КУЛОНА ЗАКОН — основной закон электростатики, выражающий зависимость силы взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов от расстояния между ними: два неподвижных точечных заряда взаимодействуют с силой прямо пропорциональной произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и диэлектрической проницаемости среды, в которой находятся заряды. В СИ имеет вид: . Величина числено равна силе, действующей между двумя точечными неподвижными зарядами по 1 Кл каждый, находящимися в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга. К.з. является одним из экспериментальных обоснований электродинамики.

ЛЕВОЙ РУКИ ПРАВИЛО — правило, определяющее направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током (или движущуюся заряженную частицу).

Оно гласит: если левую руку расположить так, чтобы вытянутые пальцы показывали направление тока (скорости частицы), а силовые линии магнитного поля (линии магнитной индукции) входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (положительную частицу; в случае отрицательной частицы направление силы противоположно).

ЛЕНЦА ПРАВИЛО (ЗАКОН) — правило, определяющее направление индукционных токов, возникающих при электромагнитной индукции. Согласно Л.п. индукционный ток всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшие этот ток. Л.п. — следствие закона сохранения энергии.

ОМА ЗАКОН — один из основных законов электрического тока: сила постоянного электрического тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Справедлив для металлических проводников и электролитов, температура которых поддерживается постоянной.

В случае полной цепи формулируется следующим образом: сила постоянного электрического тока в цепи прямо пропорциональна эдс источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению электрической цепи.

ПРАВОЙ РУКИ ПРАВИЛО — правило, определяющее 1) направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле: если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили линии магнитной индукции, а отогнутый большой палец направить по движению

проводника, то четыре вытянутых пальца покажут направление индукционного тока; 2) направление линий магнитной индукции прямолинейного проводника с током: если большой палец правой руки расположить по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции.

ФАРАДЕЯ ЗАКОНЫ — основные законы электролиза. Первый Фарадея закон: масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении электрического тока, прямо пропорциональна количеству электричества (заряду), прошедшему через электролит (m=kq=kIt). Второй Ф.з.

: отношение масс различных веществ, претерпевающих химические превращения на электродах при прохождении одинаковых электрических зарядов через электролит равно отношению химических эквивалентов. Установлены в 1833-34 г. М. Фарадеем.

Обобщенный закон электролиза имеет вид: , где M — молярная (атомная) масса, z — валентность, F — Фарадея постоянная . Ф.п. равна произведению элементарного электрического заряда на постоянную Авогадро. F=e.NA.

Определяет заряд, прохождение которого через электролит приводит к выделению на электроде 1 моля одновалентного вещества. F=(96484,56 0,27) Кл./моль. Названа в честь М.Фарадея.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ ЗАКОН — закон, описывающий явление возникновения электрического поля при изменении магнитного (явление электромагнитной индукции): электродвижущая сила индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Коэффициент пропорциональности определяется системой единиц, знак — Ленца правилом. Формула в СИ: , где Ф — изменение магнитного потока, а t — промежуток времени, в течение которого это изменение произошло. Открыт М. Фарадеем.

Начало

4. ОПТИКА

ГЮЙГЕНСА ПРИНЦИП — метод, позволяющий определить положение фронта волны в любой момент времени. Согласно г.п. все точки, через которые проходит фронт волны в момент времени t, являются источниками вторичных сферических волн, а искомое положение фронта волны в момент времени t t совпадает с поверхностью, огибающей все вторичные волны. Позволяет объяснить законы отражения и преломления света.

ГЮЙГЕНСА — ФРЕНЕЛЯ — ПРИНЦИП — приближенный метод решения задач о распространении волн. Г.-Ф. п.

гласит: в любой точке, находящейся вне произвольной замкнутой поверхности, охватывающей точечный источник света, световая волна, возбуждаемая этим источником, может быть представлена как результат интерференции вторичных волн, излучаемых всеми точками указанной замкнутой поверхности. Позволяет решать простейшие задачи дифракции света.

ОТРАЖЕНИЯ ВОЛН ЗАКОН — луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем угол падения равен углу преломления. Закон справедлив для зеркального отражения.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА — изменение направления распространения света (электромагнитной волны) при переходе из одной среды в другую, отличающуюся от первой показателем преломления.

Для преломления выполняется закон: луч падающий, луч преломленный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, причем для данных двух сред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная, называемая относительным показателем преломления второй среды относительно первой.

ПРЯМОЛИНЕЙНОГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ СВЕТА ЗАКОН — закон геометрической оптики, заключающийся в том, что в однородной среде свет распространяется прямолинейно. Объясняет, напр., образование тени и полутени.

Начало

6. АТОМНАЯ И ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА.

БОРА ПОСТУЛАТЫ — основные допущения, введенные без доказательства Н.Бором, и положенные в основу БОРА ТЕОРИИ: 1) Атомная система устойчива только в стационарных состояниях, которые соответствуют дискретной последовательности значений энергии атома.

Каждое изменение этой энергии связано с полным переходом атома из одного стационарного состояния в другое.

2) Поглощение и излучение энергии атомом происходит по закону, согласно которому связанное с переходом излучение является монохроматическим и обладает частотой : h =Ei-Ek, где h —Планка постоянная, а Ei и Ek — энергии атома в стационарных состояниях.

[ Начало ]

На домашнюю страницу BARSIC

Источник: http://distolymp2.spbu.ru/www/lab1108/ref/l.htm

Законы атомной физики

Законы атомной физики

Узнавать окружающий мир и закономерности его развития вполне естественно и правильно. Именно поэтому необходимо обращать свое внимание на такие науки, как химия и физика, которые объясняет саму сущность формирования Вселенной. Основные законы атомной физики понять несложно.

Указанное научное направление считается одной из фундаментальных дисциплин для многих студентов. Современный инженер, техник и простой рабочий должны обладать логическим мышлением, а также знать в целом строение атомов и их уникальные свойства.

Определение 1

Атомная физика — это особый раздел физики, изучающий строение атомов и простые процессы которые происходят на элементарном уровне.

Атом представляет собой наименьшую частицу химического элемента, которая выступает в роли носителя всех его характеристик и состоит из положительно заряженного ядра, а также плотной электронной оболочки — совокупности движения электронов. Размер данного элемента определяется общим расстоянием от наиболее отдаленной точки ядра до этой орбиты.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Такая модель общество встретило с затруднениями:

  • согласно теории Максвелла, движущийся вокруг ядра по окружности электрон должен непрерывно излучать мощные электромагнитные волны, что полностью противоречит факту наличия систематического излучения атомов;
  • планетарная модель атома нестабильна в отношении электродинамики, так как в результате постоянного излучения электромагнитных волн энергия атома должна постепенно уменьшаться, а это не совпадает с концепцией длительного существования атомов.

Основная задача атомной физики напрямую связана с точным определением природы ядерных процессов, воздействующих между самими нуклонами, и особенностей движения указанных частиц в ядрах.

Квантовые постулаты Бора

Атомная модель атома находится в ярком противоречии с классическими законами физики. Согласно древним позициям, движущийся по орбите электрон обладает ускорением и должен беспрерывно испускать электромагнитные волны. Эти волны уносят значимую часть энергии электрона, который впоследствии движется по скручивающейся спирали и врезается в ядро. Атом вскоре перестаёт существовать.

Спасая данную ситуацию, датский ученый Нильс Бор смог сформулировать известные постулаты, которые не совпадают с законом классической физики:

  • первый постулат Бора- движение электронов в атоме осуществляется по стационарным орбитам, на которых они обладают особой энергией, но энергии не излучают;
  • второй постулат Бора — переходя с определенной стационарной орбиты на другую, электрон начинает мгновенно испускать или поглощать квант электромагнитной энергии, чья энергия пропорциональна частоте.

В соответствии с гипотезой Бора при переходе электрона на конкретную орбиту атом находится в возбужденном состоянии, в результате чего электромагнитная энергия испускается атомом.

Энергия связи атомных ядер

Под энергией связи в атомной физике принято понимать ту энергию, которая необходима для полного распада ядра на отдельные нуклоны.

В конце XIX столетия была открыта неустойчивость мельчайших частиц, к числу которых относятся атомы полония, радия и урана.

Бесконтрольное испускание веществ этими атомами называется радиоактивностью, изучением которой занимались супруги Кюри, Беккерель и Резерфорд.

В процессе многолетних исследований было установлено, что радиоактивные элементы испускают три типа излучения. Их определили, как -, — и — лучами.

Природа -, — и — лучей своеобразна и многогранна, а — лучи — это особые электромагнитные волны с крайне маленькой длиной волны (от 10 -8 до 10 -11 см), которые осуществляют движение со скоростями, близкими к скорости света.

— лучи — это постоянный поток ядер атомов гелия, в то время, как -, — и — лучи поглощаются атомами радиоактивных элементов при их трансформациях.

Замечание 1

Параллельно при таких превращениях образовывается огромное количество энергии и возникает вещество совершенно нового типа, которое обладает иными химическими и физическими свойствами, чем исходный объект.

Оно может быть радиоактивным и трансформироваться одновременно в другое вещество. Таким образом, радиоактивность предполагает спонтанное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое систематическим испусканием разнообразных частиц.

Спектры прямого излучения и поглощения света

Определение 2

Поглощение света — это трудоемкий процесс уменьшения энергии световой волны при ее движении в веществе, в результате чего можно наблюдать кардинальное преобразование активности волны во внутреннюю силу элемента или в энергию повторного излучения, что приводит к ионизации атомов, нагреванию вещества и фотохимическим реакциям.

Закон Бугера—Ламберта—Бера подразумевает, что интенсивность плоской монохроматической волны на входе в конкретный слой поглощающего атома будет соответствовать его энергии на выходе из связанных частиц.

В настоящее время выделяют такие виду поглощения световой волны:

  • линейчатый спектр — это частично разреженный газ, в котором атомы расположены на значительных расстояниях;
  • полосатый спектр — это полностью разряженный молекулярный газ;
  • сплошные спектры — это исключительно твердые и жидкие диэлектрики.

Основные законы атомной физики

Большинство теорий атомной физики используются в разнообразных сферах науки. Кроме них есть такие, которые ученые считают общими для всей природы. В этом случае, можно говорить о законе самосохранения и трансформации энергии. Он предполагает, что энергия каждой комплексной системы при протекании в ней любых физических явлений обязательно сохраняется.

Так, постулаты Бора выполняют роль базовых гипотез, которые стали основой многочисленных гипотез в атомной физике, заключающиеся в том, что абсолютно любая концепция может быть вполне устойчивой только в стационарных состояниях. Любое поглощение или излучение энергии атомом беспрерывно происходит посредством применения принципа, суть которого следующая: связанное с транспортацией излучение непременно становится монохроматическим.

Замечание 2

Некоторые атомные системы, хоть и являются частью одной из отраслей указанной науки, тем не менее носят целостный характер, поэтому и должны быть известны всем.

Пример 1

Закон Архимеда подразумевает, что на любое физическое тело, которое было полностью погружено в жидкость или газообразное вещество, активно действует некая выталкивающая сила, непременно направленная вертикально вверх. Эта активность элементов всегда равна общему весу вытесненной объектом жидкости или газа.

Другая формулировка этого закона состоит в том, что тело, погруженное в определенное состояние, в обязательном порядке теряет в весе такое же количество массы, сколько и составила масса вещества, в который оно было предварительно загружено. Этот закон и стал основным постулатом теории плавания материальных тел.

Закон всемирного тяготения помог объяснить, что абсолютно все объекты неизбежно притягиваются друг к другу с силой, которая больше произведений масс данных тел, что уменьшает квадрат расстояния между ними.

Это и есть центральные и самые важные законы физики, которые должен знать любой желающий понять механизм функционирования окружающего мира и процессов, происходящих в нем.

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

Ядерная физика

Законы атомной физики

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://allbest.ru

Ядерная физика

f1. Основные понятия и законы ядерной физики

ядерный физика радиоактивность

Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.

Фотоэффектом называется потеря электронов телами под действием света. Фотоэффект был обнаружен Герцем, основные его закономерности были исследованы Столетовым, а объяснение дано Эйнштейном.

Столетов установил три закона фотоэффекта.

Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку, падающему на катод.

Максимальная скорость фотоэлектронов, покинувших катод, уменьшается с ростом длины волны света.

Существует критическая длина волны (своя для каждого металла), с превышением которой фотоэффект прекращается. Т.к. эта длина волны лежит в длинноволновой области спектра, то её принято называть красной границей фотоэффекта.

Для фотоэффекта Эйнштейн привлёк представление о фотонах (квантах света), предложенное Планком для объяснения теплового излучения тел. Фотон, по Планку, имеет энергию, пропорциональную частоте электромагнитной волны. W = h , где h = 6,62 10-34 Джс — постоянная Планка.

По Эйнштейну, фотон, попавший на металл, поглощается одним из электронов этого металла. Часть полученной энергии электрон тратит на то чтобы вырваться из этого металла (Авых — работа выхода), а оставшуюся часть уносит с собой в виде кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид:

h = Aвых + .

hкрит = h = Aвых

Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомом. Непрерывный и линейчатый спектры. Спектральный анализ.

С античных времен считалось, что атом является мельчайшей неделимой частицей вещества. Когда было выяснено, что атом может испускать электроны (термоэлектронная эмиссия, фотоэффект), стало ясно, что атом тоже имеет сложную структуру.

Он электрически нейтрален, из него могут вылетать отрицательно заряженные частицы — электроны; внутри атома имеются и положительно заряженные частицы. Опираясь на эту информацию о составе атома, английский физик Томсон предложил первую модель строения атома, которая среди физиков получила название кекса, или пудинга с изюмом.

Согласно этой модели весь объём атома занят распределённым в пространстве положительным зарядом (”тестом”) и в это ”тесто” вкраплены мелкие ”изюминки” — электроны. Модель Томсона просуществовала недолго.

Другой английский физик Резерфорд провёл в начале ХХ века опыты по бомбардировке тонких металлических фольг — частицами. — частица это дважды ионизированный атом гелия.

Если бы была справедлива модель атома Томсона, то, пролетая через фольгу, — частица, имеющая положительный заряд, отклонялась бы за счёт кулоновского взаимодействия с положительным зарядом атома на большой угол.

Анализируя полученные экспериментальные факты Резерфорд предложил так называемую ядерную модель атома. Согласно этой модели, положительный заряд атома находится в ядре, занимающем небольшую часть атома. Оставить электроны неподвижными вокруг ядра нельзя, т.к.

статическая конфигурация электрических зарядов неустойчива, поэтому Резерфорд предположил, что электроны движутся по круговым или эллиптическим орбитам. Такая модель атома очень похожа на Солнечную систему, поэтому её стали называть планетарной моделью атома.

Ядерная модель атома находится в противоречии с законами классической физики. С классических позиций, электрон, движущийся по орбите, обладает ускорением и должен испускать электромагнитные волны. Эти волны уносят с собой часть энергии электрона. Теряя энергию, электрон движется по скручивающейся спирали и падает на ядро. Атом перестаёт существовать.

Спасая ситуацию, датский физик Нильс Бор сформулировал постулаты, находящиеся в противоречии с классической физикой.

Первый постулат Бора:

электроны движутся в атоме по стационарным орбитам, на которых они обладают энергией, но энергии не излучают.

Таких стационарных орбит в атоме несколько. Нижняя орбита называется основным состоянием атома, остальные — возбуждённым состоянием атома.

Второй постулат Бора:

Переходя с одной стационарной орбиты на другую, электрон испускает или поглощает квант электромагнитной энергии, чья энергия пропорциональна частоте.

h =E2 — E1 .

В соответствии с теорией Бора при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом испускает или поглощает квант электромагнитной энергии. Когда переход электрона происходит из возбужденного состояния в основное, электромагнитная энергия испускается атомом. Частота испущенного электромагнитного излучения

= (EK -E1) h.

Состав ядра атома. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции.

В 1932 г. советский физик Иваненко и немецкий физик Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома. По этой модели ядро атома состоит из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Массы протонов и нейтронов близки друг к другу; масса каждого протона или нейтрона близка к 1 атомной единице массы.

Нейтроны являются нейтральными частицами , они были открыты Чедвиком; протоны имеют положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Так как в целом атом электрически нейтрален, то число протонов в ядре равен числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов равно атомному номеру элемента (Z) таблицы Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N называют массовым числом и обозначают A.

A = Z + N.

fМасса электрона в атоме много меньше массы ядра , поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента.

Существуют такие вещества, совершенно тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие различные радиоактивные свойства (распадаются по разному). Эти элементы должны помещаться в одну клетку таблицы Менделеева. Их называют изотопами (занимающими одно место).

У водорода три изотопа: сам водород с относительной атомной массой 1, дейтерий с относительной атомной массой 2, тритий с относительной атомной массой 3. Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же числом Z , но разными массовыми числами А, т.е. с различным числом нейтронов.

В ядре водорода 1 протон, в ядре дейтерия 1 протон и 1 нейтрон, в ядре трития 1 протон и 2 нейтрона.

Энергия связи атомных ядер

Под энергией связи понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Энергию связи атомных ядре можно рассчитать по формуле:

Величину называют дефектом масс, который определяется по формуле:

mp — масса протона, mn — масса нейтрона.

Радиоактивность. Альфа- и бета-частицы; гамма излучение. Методы регистрации ионизирующих излучений.

В конце XIX века была открыта нестабильность атомов. К числу нестабильных атомов относятся атомы урана, полония, радия и др. Самопроизвольное испускание частиц этими атомами получило название радиоактивность. Изучением естественной радиоактивности занимались Беккерель, супруги Кюри, Резерфорд.

Было установлено , что радиоактивные элементы испускают три вида излучения. Их назвали -, — и — лучами. Природа -, — и — лучей различна. — лучи — это электромагнитные волны с очень маленькой длиной волны (от 10 -8 до 10 -11 см).

— лучи — это электроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. — лучи — это поток ядер атомов гелия ( дважды ионизированные атомы гелия). -, — и — лучи испускаются атомами радиоактивных элементов при их превращениях.

Одновременно при этих превращениях выделяется большое количество энергии и образуется вещество совершенно нового вида, обладающее другими физическими и химическими свойствами, чем исходное вещество.

Оно, в свою очередь, может быть радиоактивным и, испуская -, — или — лучи, превращаться в другое вещество. Таким образом, радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.

Для — и — распада действует правило смещения: при — распаде ядро теряет положительный заряд 2e , а масса его убывает на 4 атомных единицы массы. В результате элемент смещается на 2 клетки к началу периодической системы. Если — распад претерпевает элемент Х, то в результате получается элемент Y :

.

При — распаде из ядра вылетает электрон. Он символически изображается , т. к. масса его очень мала. После — распада элемент смещается на одну клетку к концу таблицы Менделеева:

f.

При — распаде заряд не меняется, масса ядра меняется ничтожно мало.

2.Методика решения задач по ядерной физики

Фотоэффект

Задача

Определить энергию фотона, испускаемого при переходе электрона в атоме водорода с третьей орбиты на первую.

м

Радиоактивность

Задача

Радиоактивный распад радия сопровождается вылетом -частицы. Ядро какого элемента образуется в результате этого распада?

Решение

Существует правило смещения Содди: при -распаде (-частицу, которая представляет собой ядро атома гелия, обычно обозначают ) ядро элемента теряет положительный заряд +2е и масса его убывает на четыре а.е.м. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической таблицы. Символически это записывается таким образом:

fВ нашем случае:

По периодической таблице элементов находим Y=Rn (радон).

Задача

Какая доля радиоактивных ядер некоторого элемента распадается за время, равное половине периода полураспада?

Решение

Период полураспада Т-это время, в течение которого распадается половина наличного числа радиоактивных атомов.

No- число атомов в начальный момент времени t=0;

N — число не распавшихся атомов через время t.

Закон радиоактивного распада:

N=No2-t/T

В нашем случае следует искать величину:

При t=T/2 имеем:

Энергия связи

Задача

Определить энергию связи ядра атома .

Решение

Энергия связи определяется по формуле:

Здесь =Zmp + Nmn — Мя -дефект масс, где Мя -масса ядра.

Однако в таблицах обычно приводят не массы ядер, а относительные атомные массы нейтральных атомов (изотопов). Поэтому преобразуем эту формулу следующим образом:

Ма = Мя + Zme

me -масса электрона, Ма- масса атома.

Тогда:

Мя= Ма — Zme

Или:

М = Zmp+Nmn — Ma +Zme = Z(mp+me) + Nmn — Ma

Здесь mp+mn= — масса атома водорода.

Имеем окончательно:

Есв =

Подставим в эту формулу массы частиц в атомных единицах массы (а.е.м.), используя следующие обозначения атомов — .

В нашем случае Z=2 и A=4, тогда

Есв= (

Далее используем атомную единицу энергии:

1 а.е.э. = 1 а.е.м. с2= 931,1 МэВ

Есв= 0,03038 МэВ = 28,29 МэВ

Задача

Выделяется или поглощается энергия при ядерной реакции:

Решение

Прежде всего, из условия задачи видно, что речь идет о реакции взаимодействия азота с альфа-частицей, в результате которой образуется изотоп кислорода и протон.

Чтобы определить, выделяется или поглощается энергия при ядерной реакции, надо найти энергетический выход ядерной реакции — разность энергий покоя ядер частиц до реакции и после реакции. Энергия покоя любой частицы определяется по формуле:

Е= mс2

Найдем сумму масс покоя частиц до реакции (в атомных единицах массы):

Теперь найдем сумму масс покоя частиц, образовавшихся в результате реакции:

fВидно, что , следовательно реакция идет с выделением энергии. Дополнительно найдем величину выделившейся в результате реакции энергии:

Размещено на Allbest.ru

Источник: https://otherreferats.allbest.ru/physics/00596834_0.html

Элементы атомной физики

Законы атомной физики

Атомная физика — раздел физики, изучающий атомы и свойства атомов. В школьной физике есть два вида задач, связанных с этим разделом. Первый вид — задачи, рассматривающие кинематические и динамические характеристики движения электрона вокруг ядра, второй вид — рассмотрение взаимодействия атома со светом (фотонами).

Понятие атома нами было введено ранее. Мы определили его как объект, состоящий из положительно заряженного ядра (состоит из протонов и нейтронов) и вращающихся вокруг него электронов (рис. 1).

Рис. 1. Атом

Квантовая физика говорит о том, что электроны вокруг ядра вращаются по вполне определённым траекториям в форме окружности (орбитали). Радиус траектории, скорость движения и другие параметры электрона можно рассчитать.

В любом атоме орбитали (возможные траектории вращения) строго определены. Вращаясь, электрон обладает определённой энергией (кинетической, потенциальной), и эта энергия может принимать строго определённые значения (квантование энергии).

В целом, атомная физика основывается на двух постулатах (заявлениях, не требующих доказательств):

Первый постулат Бора – атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия. В стационарном состоянии атом не излучает.

Второй постулат Бора – при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитной энергии.

Введём понятие водородоподобного атома. Водородоподобный атом — атом, на внешней орбитали которого находится только один электрон ( — водород). Энергия данного атома является достаточно простой для поиска.

Энергия основного состояния атома —  эВ. Она отрицательна, т.к. электрон связан с атомом (т.е. потенциальная энергия связи высока). Получая внешнюю энергию (через взаимодействие со светом, электромагнитным полем, теплотой и т.д.

), атом переходит в возбуждённое состояние (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма для водородоподобного атома

На рисунке 2 представлена диаграмма для водородоподобного атома. По вертикальной оси отложены энергии состояний (). В целом, набор энергий условно бесконечен (уровни энергий сходятся). Представим себе атом в основном состоянии ().

Облучим атом: фотон, с энергией  поглощается атомом и атом переходит в возбуждённое состояние (состояние с большей энергией) (рис. 1.1). Т.к. разность между энергиями — величина для атома строго определённая, то и энергия фотона должна быть строго определённая.

Исходя из закона сохранения энергии:

(1)

  • где
    • — энергия фотона,
      • Дж/с — постоянная Планка (константа),
      • — частота фотона, называемая красной границей фотоэффекта,
    • — энергия атома в -ом состоянии,
    • — энергия атома в -ом состоянии.

Мы ввели состояния  и , т.к. атом изначально может уже быть в возбуждённом состоянии и переходить в более возбуждённое состояние. При  происходит поглощение (рис. 1.1).

Важно: для того, чтобы ионизировать атом (чтобы электрон стал свободным), ему нужно поглотить энергию больше энергии основного состояния ( эВ).

Однако в возбуждённом состоянии атом может находиться не долго. С течением времени атом самостоятельно переходит в менее возбуждённое состояние (рис. 1.2). При этом выделяется фотон, определённой длины волны, который также описывается соотношением (1) при условии .

Для нахождения параметров фотона, поглощаемого или испускаемого атомом, можно использовать обобщённую формулу Ритца:

(2)

  • где
    • — порядковый номер уровня энергии (откуда и куда происходит процесс),
    • — порядковый номер водородоподобного иона (по таблице Менделеева),
    • м — постоянная Ридберга,
    • — длина волны излучения (фотона) в сантиметрах.

И, соответственно, лучше помнить о связи между частотой и длиной волны излучения:

(3)

  • где
    • — длина волны излучения (фотона),
    • — частота волны излучения (фотона),
    • м/с — скорость света (константа).

И ещё немного о кинематических характеристиках движения электрона (рис. 3).

Рис. 3. Правило квантования орбит

Правило квантования орбит позволяет совместить кинематические характеристики движения электрона:

  (4)

  • где
    • кг — масса электрона,
    • — скорость электрона на -ой орбите,
    • — радиус -ой орбиты,
    • — номер орбиты,
    • Дж/с — постоянная Планка (константа),
    • — константа.

Важно: для работы с малыми энергиями вводят новую величину — электронвольт (эВ). 1 эВ = Дж.

Вывод: задачи на тему атомной физики связаны с поглощением и излучением фотона (1) — (3) или с собственным движением электрона (4). Последний вопрос часто связан с центростремительным ускорением (т.к. электрон движется по окружности), силой Кулона (т.к. взаимодействие электрон-ядро — электромагнитное) и, соответственно, вторым законом Ньютона.

Источник: https://www.abitur.by/fizika/teoreticheskie-osnovy-fiziki/elementy-atomnoj-fiziki/

Booksm
Добавить комментарий