Атомная и ядерная физика

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

Атом — это наименьшая частица химического элемента, кото- рая 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:
1)  согласно  теории  Максвелла  электрон,  движущийся   вокруг ядра по  окружности  или  эллипсу,  должен непрерывно  излучать  электромагнитные волны, что  противоречит факту  при- сутствия постоянного излучения атомов;
2)  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. Обознача- ется:     , 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;

3)  a-частицы, которые вылетают из ядер одного и того же вещества, имеют, как правило, постоянную энергию;
4)  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 задержи- вающее отрицательное напряжение -.
Законы фотоэффекта
1.  Для каждого  вещества  существует  предельная длина  волны — красная граница фотоэффекта.
2.  Число  фотоэлектронов, вырываемых  из  фотокатода   в единицу времени, пропорционально интенсивности  светового потока.
3. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой  излучения и не зависит от интенсивности светового потока,  падающего на фотокатод.
4. 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
1. 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:


2.  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.

 


Лекция добавлена 25.02.2014 в 22:45:32