Atomphysik

Zweig der Physik, der die Struktur und den Zustand von Atomen untersucht. A.f. entstand im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert. In den 10er Jahren. 20. Jahrhundert Es wurde festgestellt, dass das Atom aus einem Kern und Elektronen besteht, die durch elektrische Kräfte verbunden sind. Auf der ersten Stufe der Entwicklung A. f. behandelte auch Fragen im Zusammenhang mit der Struktur des Atomkerns. In den 30er Jahren. Es stellte sich heraus, dass die Art der Wechselwirkungen, die im Atomkern stattfinden, anders ist als in der äußeren Hülle des Atoms, und das in den 40er Jahren. Die Kernphysik entstand als eigenständiges Wissenschaftsgebiet. In den 50er Jahren. die Elementarteilchenphysik oder Hochenergiephysik hat sich daraus entwickelt.

Vorgeschichte der Atomphysik: Die Atomlehre im 17.-19. Jahrhundert. Die Vorstellung von der Existenz von Atomen als unteilbare Materieteilchen entstand in der Antike; Die Ideen des Atomismus wurden zuerst von den antiken griechischen Denkern Demokrit und Epikur zum Ausdruck gebracht. Im 17. Jahrhundert sie wurden von dem französischen Philosophen P. Gassendi und dem englischen Chemiker R. Boyle wiederbelebt.

Die Vorstellungen über Atome, die im 17. und 18. Jahrhundert vorherrschten, waren schlecht definiert. Atome galten als absolut unteilbare und unveränderliche feste Teilchen, von denen sich verschiedene Arten in Größe und Form voneinander unterscheiden. Kombinationen von Atomen in der einen oder anderen Ordnung bilden verschiedene Körper, die Bewegungen der Atome bestimmen alle Phänomene, die in der Materie auftreten. I. Newton, M. V. Lomonosov und einige andere Wissenschaftler glaubten, dass Atome zu komplexeren Teilchen - "Körperchen" - ineinandergreifen können. Den Atomen wurden jedoch keine bestimmten chemischen und physikalischen Eigenschaften zugeordnet. Die Atomistik hatte noch einen abstrakten, naturphilosophischen Charakter.

Ende des 18. - Anfang des 19. Jahrhunderts. Infolge der rasanten Entwicklung der Chemie wurde die Grundlage für die quantitative Entwicklung der Atomwissenschaft geschaffen. Der englische Wissenschaftler J. Dalton begann erstmals (1803), das Atom als das kleinste Teilchen eines chemischen Elements zu betrachten, das sich in seiner Masse von den Atomen anderer Elemente unterscheidet. Das Hauptmerkmal eines Atoms ist nach Dalton seine Atommasse. Chemische Verbindungen sind eine Sammlung von "zusammengesetzten Atomen", die eine bestimmte (charakteristisch für eine bestimmte komplexe Substanz) Anzahl von Atomen jedes Elements enthalten. Alle chemischen Reaktionen sind nur Umlagerungen von Atomen in neue komplexe Teilchen. Basierend auf diesen Bestimmungen formulierte Dalton sein Gesetz der multiplen Verhältnisse (vgl. Gesetz der multiplen Verhältnisse). Die Studien der italienischen Wissenschaftler A. Avogadro (1811) und insbesondere S. Cannizzaro (1858) zogen eine klare Grenze zwischen dem Atom und dem Molekül. Im 19. Jahrhundert Zusammen mit den chemischen Eigenschaften von Atomen wurden ihre optischen Eigenschaften untersucht. Es wurde festgestellt, dass jedes Element ein charakteristisches optisches Spektrum hat; Spektralanalyse wurde entdeckt (deutsche Physiker G. Kirchhoff und R. Bunsen, 1860).

So erschien das Atom als ein qualitativ einzigartiges Materieteilchen, das durch streng definierte physikalische und chemische Eigenschaften gekennzeichnet ist. Aber die Eigenschaften des Atoms galten als ewig und unerklärlich. Man glaubte, dass die Anzahl der Atomarten (chemische Elemente) zufällig sei und dass es keine Verbindung zwischen ihnen gebe. Es wurde jedoch allmählich klar, dass es Gruppen von Elementen gibt, die dieselben chemischen Eigenschaften haben - dieselbe maximale Wertigkeit und ähnliche Änderungsgesetze (beim Übergang von einer Gruppe zur anderen) physikalischer Eigenschaften - Schmelzpunkt, Kompressibilität usw. In 1869 entdeckte D. I. Mendeleev das Periodensystem der Elemente (Siehe Periodensystem der Elemente). Er zeigte, dass sich mit zunehmender Atommasse der Elemente ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften periodisch wiederholen ( Reis. ein und 2 ).

Das Periodensystem bewies die Existenz einer Verbindung zwischen verschiedenen Arten von Atomen. Die Schlussfolgerung war, dass das Atom eine komplexe Struktur hat, die sich mit der Atommasse ändert. Das Problem, die Struktur des Atoms aufzudecken, ist zum wichtigsten in der Chemie und Physik geworden (für weitere Einzelheiten siehe Atomismus).

Die Entstehung der Atomphysik. Die wichtigsten Entwicklungen in der Wissenschaft, aus der die Atomphysik hervorgegangen ist, waren die Entdeckungen des Elektrons und der Radioaktivität. Bei der Untersuchung des Durchgangs von elektrischem Strom durch stark verdünnte Gase wurden von der Kathode einer Entladungsröhre emittierte Strahlen (Kathodenstrahlen) entdeckt, die die Eigenschaft haben, in transversalen elektrischen und magnetischen Feldern abzulenken. Es stellte sich heraus, dass diese Strahlen aus schnell fliegenden, negativ geladenen Teilchen, den sogenannten Elektronen, bestehen. 1897 maß der englische Physiker J. J. Thomson das Ladungsverhältnis e dieser Teilchen zu ihrer Masse m. Es wurde auch festgestellt, dass Metalle Elektronen emittieren, wenn sie stark erhitzt oder mit kurzwelligem Licht beleuchtet werden (siehe Thermionische Emission, Photoelektronenemission). Daraus wurde geschlossen, dass Elektronen Teil aller Atome sind. Daraus folgte weiter, dass neutrale Atome auch positiv geladene Teilchen enthalten müssen. Positiv geladene Atome – Ionen – wurden tatsächlich bei der Untersuchung elektrischer Entladungen in verdünnten Gasen entdeckt. Die Vorstellung eines Atoms als System geladener Teilchen erklärt sich nach der Theorie des holländischen Physikers H. Lorenz, a , die Möglichkeit der Strahlung durch ein Lichtatom (elektromagnetische Wellen): elektromagnetische Strahlung tritt auf, wenn intraatomare Ladungen schwanken; Dies wurde durch die Untersuchung der Wirkung eines Magnetfelds auf Atomspektren bestätigt (siehe das Zeeman-Phänomen). Es stellte sich heraus, dass das Verhältnis der Ladung intraatomarer Elektronen zu ihrer Masse e/m, gefunden von Lorentz in seiner Theorie des Zeeman-Phänomens ist genau gleich dem Wert e/m für freie Elektronen, die in Thomsons Experimenten erhalten wurden. Die Elektronentheorie und ihre experimentelle Bestätigung lieferten unbestreitbare Beweise für die Komplexität des Atoms.

Die Idee der Unteilbarkeit und Unwandelbarkeit des Atoms wurde schließlich durch die Arbeiten der französischen Wissenschaftler M. Sklodowska-Curie und P. Curie widerlegt. . Als Ergebnis der Untersuchung der Radioaktivität wurde festgestellt (F. Soddy) , dass Atome Transformationen von zwei Arten durchlaufen. Nachdem ein α-Teilchen (ein Heliumion mit einer positiven Ladung von 2 e) verwandelt sich ein Atom eines radioaktiven chemischen Elements in ein Atom eines anderen Elements, das sich 2 Zellen links im Periodensystem befindet, beispielsweise ein Poloniumatom in ein Bleiatom. Nachdem ein β-Teilchen (Elektron) mit einer negativen Ladung emittiert wurde - e, Ein Atom eines radioaktiven chemischen Elements verwandelt sich in ein Atom eines Elements, das sich 1 Zelle rechts befindet, zum Beispiel ein Wismutatom in ein Poloniumatom. Manchmal stellte sich heraus, dass die Masse des Atoms, das durch solche Umwandlungen gebildet wurde, unterschiedlich war von dem Atomgewicht des Elements, in dessen Zelle es fiel. Daraus folgte die Existenz verschiedener Atome desselben chemischen Elements mit unterschiedlichen Massen; diese Varietäten wurden später Isotope genannt (d. h. sie nehmen denselben Platz im Periodensystem ein). Die Vorstellungen über die absolute Identität aller Atome eines bestimmten chemischen Elements erwiesen sich also als falsch.

Die Ergebnisse der Untersuchung der Eigenschaften des Elektrons und der Radioaktivität ermöglichten den Bau spezifischer Modelle des Atoms. In dem von Thomson 1903 vorgeschlagenen Modell wurde das Atom als positiv geladene Kugel dargestellt, in der negative Elektronen von unbedeutender Größe (im Vergleich zum Atom) eingestreut sind ( Reis. 3 ).

Sie werden im Atom gehalten, weil die Anziehungskräfte ihrer verteilten positiven Ladung durch die Kräfte ihrer gegenseitigen Abstoßung ausgeglichen werden. Das Thomson-Modell lieferte eine bekannte Erklärung für die Möglichkeit der Emission, Streuung und Absorption von Licht durch ein Atom. Wenn die Elektronen aus der Gleichgewichtslage verschoben werden, entsteht eine „elastische“ Kraft, die danach strebt, das Gleichgewicht wiederherzustellen; diese Kraft ist proportional zur Verschiebung des Elektrons aus der Gleichgewichtslage und damit zum Dipolmoment (siehe Dipolmoment) Atom. Unter der Wirkung der elektrischen Kräfte der einfallenden elektromagnetischen Welle schwingen die Elektronen im Atom mit der gleichen Frequenz wie die elektrische Intensität in der Lichtwelle; die schwingenden Elektronen senden ihrerseits Licht der gleichen Frequenz aus. So werden elektromagnetische Wellen an Materieatomen gestreut. Durch den Grad der Abschwächung des Lichtstrahls in der Dicke der Substanz können Sie die Gesamtzahl der Streuelektronen ermitteln, und wenn Sie die Anzahl der Atome pro Volumeneinheit kennen, können Sie die Anzahl der Elektronen in jedem Atom bestimmen.

Erstellung des planetarischen Atommodells durch Rutherford. Thomsons Atommodell erwies sich als unbefriedigend. Das völlig unerwartete Ergebnis der Experimente des englischen Physikers E. Rutherford und seiner Mitarbeiter H. Geiger und E. Marsden zur Streuung von α-Teilchen an Atomen ließ sich damit nicht erklären. In diesen Experimenten wurden schnelle α-Teilchen zur direkten Sondierung von Atomen verwendet. Beim Durchgang durch Materie kollidieren α-Teilchen mit Atomen. Bei jedem Stoß ändert das durch das elektrische Feld des Atoms fliegende α-Teilchen die Bewegungsrichtung – es erfährt Streuung. Bei der überwiegenden Mehrheit der Streuereignisse waren die Abweichungen der α-Teilchen (Streuwinkel) sehr klein. Daher trat beim Durchgang eines Strahls von α-Teilchen durch eine dünne Materieschicht nur eine leichte Unschärfe des Strahls auf. Allerdings wurde ein sehr geringer Anteil der α-Teilchen um Winkel größer als 90° abgelenkt. Dieses Ergebnis konnte anhand des Thomson-Modells nicht erklärt werden, da Das elektrische Feld in einem "festen" Atom ist nicht stark genug, um ein schnelles und massives α-Teilchen über einen großen Winkel abzulenken. Um die Ergebnisse von Experimenten zur Streuung von α-Teilchen zu erklären, schlug Rutherford ein grundlegend neues Atommodell vor, das in seiner Struktur an das Sonnensystem erinnert und das planetare Modell genannt wird. Es hat folgende Form. Im Zentrum des Atoms befindet sich ein positiv geladener Kern, dessen Abmessungen (Atomphysik10 -12 cm) sind im Vergleich zur Größe eines Atoms sehr klein (Atomic Physics10 -8 cm), und die Masse ist fast gleich der Masse des Atoms. Elektronen bewegen sich um den Kern herum, wie Planeten um die Sonne; Die Anzahl der Elektronen in einem ungeladenen (neutralen) Atom ist so groß, dass ihre gesamte negative Ladung die positive Ladung des Kerns kompensiert (neutralisiert). Elektronen müssen sich um den Kern bewegen, sonst würden sie unter dem Einfluss anziehender Kräfte auf ihn fallen. Der Unterschied zwischen dem Atom und dem Planetensystem besteht darin, dass in letzterem Gravitationskräfte und im Atom elektrische (Coulomb-) Kräfte wirken. In der Nähe des Kerns, der als positive Punktladung betrachtet werden kann, gibt es ein sehr starkes elektrisches Feld. Daher erfahren positiv geladene α-Teilchen (Heliumkerne), die in der Nähe des Kerns fliegen, eine starke Ablenkung (siehe Abb. Reis. 4 ). Später wurde herausgefunden (G. Moseley), dass die Ladung des Kerns von einem chemischen Element zum anderen um eine Elementarladungseinheit gleich der Elektronenladung (jedoch mit positivem Vorzeichen) zunimmt. Numerisch ist die Ladung eines Atomkerns, ausgedrückt in Einheiten der Elementarladung e, gleich der Ordnungszahl des entsprechenden Elements im Periodensystem.

Um das Planetenmodell zu testen, berechneten Rutherford und sein Mitarbeiter Charles Darwin die Winkelverteilung von α-Teilchen, die von einem Punktkern, dem Zentrum der Coulomb-Kräfte, gestreut werden. Das erhaltene Ergebnis wurde experimentell verifiziert, indem die Anzahl der unter verschiedenen Winkeln gestreuten α-Teilchen gemessen wurde. Die Ergebnisse des Experiments stimmten genau mit den theoretischen Berechnungen überein und bestätigten damit Rutherfords Planetenmodell des Atoms auf brillante Weise.

Das Planetenmodell des Atoms stieß jedoch auf grundlegende Schwierigkeiten. Gemäß der klassischen Elektrodynamik strahlt ein geladenes Teilchen, das sich mit Beschleunigung bewegt, kontinuierlich elektromagnetische Energie aus. Daher müssten Elektronen, die sich um den Kern bewegen, also beschleunigt werden, kontinuierlich Energie an Strahlung abgeben. Aber gleichzeitig würden sie in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde ihre gesamte kinetische Energie verlieren und in den Kern fallen. Eine weitere Schwierigkeit, die ebenfalls mit Strahlung verbunden ist, war folgende: Wenn wir (in Übereinstimmung mit der klassischen Elektrodynamik) annehmen, dass die Frequenz des von einem Elektron emittierten Lichts gleich der Schwingungsfrequenz eines Elektrons in einem Atom ist (d.h. die Zahl Umdrehungen, die es in einer Sekunde auf seiner Umlaufbahn macht) oder ein Vielfaches davon hat, dann müsste das emittierte Licht, wenn sich das Elektron dem Kern nähert, seine Frequenz ständig ändern, und das Spektrum des von ihm emittierten Lichts sollte kontinuierlich sein . Dies widerspricht jedoch der Erfahrung. Ein Atom sendet Lichtwellen mit wohldefinierten Frequenzen aus, die für ein bestimmtes chemisches Element typisch sind, und ist durch ein Spektrum gekennzeichnet, das aus separaten Spektrallinien besteht - einem Linienspektrum. In den Linienspektren von Elementen wurden experimentell eine Reihe von Regelmäßigkeiten festgestellt, von denen die erste vom Schweizer Wissenschaftler I. Balmer (1885) im Spektrum von Wasserstoff entdeckt wurde. Das allgemeinste Muster - das Kombinationsprinzip - wurde vom österreichischen Wissenschaftler W. Ritz (1908) gefunden. Dieses Prinzip lässt sich wie folgt formulieren: Für die Atome jedes Elements findet man eine Zahlenfolge T 1 ,T 2 ,T 3 ,... - sog. Spektralterme, so dass die Frequenz v Jede Spektrallinie eines bestimmten Elements wird als Differenz zweier Terme ausgedrückt: v = T k - T ich . Für ein Wasserstoffatom ist der Begriff T n = R/n 2 , wo n- eine Ganzzahl, die einen Wert annimmt n= 1, 2, 3, ..., a R- sogenannt. Rydberg-Konstante (siehe Rydberg-Konstante).

Im Rahmen des Atommodells von Rutherford ließen sich also die Stabilität des Atoms gegenüber Strahlung und die Linienspektren seiner Strahlung nicht erklären. Auf ihrer Grundlage konnten die Gesetze der Wärmestrahlung und die Gesetze der photoelektrischen Phänomene, die entstehen, wenn Strahlung mit Materie wechselwirkt, nicht erklärt werden. Es erwies sich als möglich, diese Gesetze auf der Grundlage völlig neuer - Quanten - Konzepte zu erklären, die erstmals von dem deutschen Physiker M. Planck (1900) eingeführt wurden. Um das Gesetz der Energieverteilung im Spektrum der Wärmestrahlung - der Strahlung erhitzter Körper - abzuleiten, schlug Planck vor, dass die Atome der Materie elektromagnetische Energie (Licht) in Form von getrennten Portionen aussenden - Lichtquanten, deren Energie proportional ist v(Strahlungsfrequenz): E = hv wo h- eine Konstante, die für die Quantentheorie charakteristisch ist und als Planck-Konstante bezeichnet wird (siehe Planck-Konstante). 1905 gab A. Einstein eine Quantenerklärung für photoelektrische Phänomene, wonach die Quantenenergie hv geht, um ein Elektron aus dem Metall zu extrahieren - Austrittsarbeit R - und ihm kinetische Energie mitzuteilen T Verwandtschaft; hv = R+ Tkin. Gleichzeitig führte Einstein den Begriff der Lichtquanten als eine besondere Art von Teilchen ein; diese Teilchen erhielten später den Namen Photon ov.

Es stellte sich heraus, dass es nur möglich war, die Widersprüche des Rutherfordschen Modells aufzulösen, indem einige der üblichen Vorstellungen der klassischen Physik aufgegeben wurden. Der wichtigste Schritt in der Konstruktion der Atomtheorie wurde von dem dänischen Physiker N. Bohr (1913) gemacht.

Bohrs Postulate und das Bohrsche Atommodell. Auf der Grundlage der Quantentheorie des Atoms stellte Bohr 2 Postulate auf, die jene Eigenschaften des Atoms charakterisieren, die nicht in den Rahmen der klassischen Physik passten. Diese Postulate von Bohr lassen sich wie folgt formulieren:

1. Existenz stationärer Zustände. Das Atom strahlt nicht und ist nur in einigen stationären (zeitinvarianten) Zuständen stabil, die einer diskreten (diskontinuierlichen) Reihe "zulässiger" Energiewerte entsprechen E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ,... Jede Energieänderung ist mit einem Quanten-(sprungartigen) Übergang von einem stationären Zustand in einen anderen verbunden.

2. Zustand der Strahlungsfrequenzen (Quantenübergänge bei Strahlung). Beim Übergang von einem stationären Zustand mit Energie E Ich in einen anderen mit Energie E k ein Atom emittiert oder absorbiert Licht einer bestimmten Frequenz v in Form eines Strahlungsquants (Photon) hv, nach dem Verhältnis hv=E ich -E k. Bei der Emission verlässt ein Atom einen Zustand höherer Energie E i in einen Zustand niedrigerer Energie E k , bei Absorption dagegen aus einem Zustand mit niedrigerer Energie E k in einen höheren Energiezustand E ich .

Bohrs Postulate machen es möglich, die physikalische Bedeutung des Ritz-Kombinationsprinzips (so) sofort zu verstehen; Verhältnis Vergleich hv = E ich -E k und v = T k - T ich zeigt, dass die Spektralterme stationären Zuständen entsprechen und die Energie der letzteren gleich sein muss (bis zu einem konstanten Term) E ich = -hT ich , E k = -hT k.

Wenn Licht emittiert oder absorbiert wird, ändert sich die Energie des Atoms, diese Änderung ist gleich der Energie des emittierten oder absorbierten Photons, d.h. es gilt der Energieerhaltungssatz. Das Linienspektrum eines Atoms ist das Ergebnis der Diskretion der möglichen Werte seiner Energie.

Bohr wandte die klassische (Newtonsche) Mechanik an, um die zulässigen Werte der Energie eines Atoms – die Quantisierung seiner Energie – zu bestimmen und die Eigenschaften der entsprechenden stationären Zustände zu finden. „Wenn wir stationäre Zustände im Allgemeinen visuell darstellen wollen, haben wir zumindest jetzt keine anderen Mittel als die gewöhnliche Mechanik“, schrieb Bohr 1913 („Drei Artikel über Spektren und die Struktur der Atome“, M. -L., 1923, S. 22). Für das einfachste Atom - ein Wasserstoffatom, bestehend aus einem Kern mit einer Ladung + e(Proton) und ein Elektron mit einer Ladung - e, betrachtete Bohr die Bewegung eines Elektrons um den Kern auf Kreisbahnen. Vergleich der Energie eines Atoms E mit Spektraltermen Tn \u003d R / n 2 für das Wasserstoffatom, das mit großer Genauigkeit aus den Frequenzen seiner Spektrallinien gefunden wurde, erhielt er die möglichen Werte der Energie des Atoms E n= -hT n \u003d -hR / n 2(wo n= 1, 2, 3, ...). Sie entsprechen Kreisbahnen mit Radius ein n \u003d ein 0 n 2, wo a 0 = 0,53 · 10 -8 cm - Bohr-Radius - der Radius der kleinsten Kreisbahn (at n= 1). Bohr berechnete die Umdrehungsfrequenzen v Elektron um den Kern in Kreisbahnen, abhängig von der Energie des Elektrons. Es stellte sich heraus, dass die Frequenzen des vom Atom emittierten Lichts nicht mit den Rotationsfrequenzen zusammenfallen v n , wie von der klassischen Elektrodynamik gefordert, sind aber entsprechend der Beziehung proportional hv=E ich -E k , die Energiedifferenz eines Elektrons in zwei möglichen Bahnen.

Um den Zusammenhang zwischen der Umlauffrequenz eines Elektrons und der Strahlungsfrequenz zu finden, ging Bohr davon aus, dass die Ergebnisse der Quantentheorie und der klassischen Theorie bei niedrigen Strahlungsfrequenzen zusammenfallen sollten (für lange Wellenlängen; eine solche Koinzidenz findet für thermische Strahlung statt, die Gesetze davon wurden von Planck abgeleitet). Er gleicht für groß nÜbergangsfrequenz v = (E n+1 - E n)/ h Zirkulationsfrequenz v n im Orbit mit gegeben n und den Wert der Rydberg-Konstante berechnet R, was mit großer Genauigkeit mit dem Wert übereinstimmte R, aus Erfahrung gefunden, was Bohrs Annahme bestätigte. Bohr gelang es auch, nicht nur das Spektrum von Wasserstoff zu erklären, sondern auch überzeugend zu zeigen, dass einige der Spektrallinien, die Wasserstoff zugeschrieben wurden, zu Helium gehören. Bohrs Annahme, dass die Ergebnisse der Quantentheorie und der klassischen Theorie im Grenzfall niedriger Strahlungsfrequenzen übereinstimmen sollten, stellte die Urform der sogenannten . das Konformitätsprinzip. Später wandte Bohr es erfolgreich an, um die Intensitäten der Linien des Spektrums zu finden. Wie die Entwicklung der modernen Physik gezeigt hat, hat sich das Korrespondenzprinzip als sehr allgemein herausgestellt (siehe Korrespondenzprinzip) .

In Bohrs Atomtheorie stellte sich die Quantisierung der Energie, d.h. das Auffinden ihrer möglichen Werte, als Spezialfall der allgemeinen Methode zum Auffinden "erlaubter" Bahnen heraus. Solche Bahnen sind nach der Quantentheorie nur solche Bahnen, bei denen der Drehimpuls eines Elektrons in einem Atom gleich einem ganzzahligen Vielfachen ist h/2π. Jede erlaubte Umlaufbahn entspricht einem bestimmten möglichen Wert der Energie eines Atoms (siehe Atom).

Die Hauptbestimmungen der Quantentheorie des Atoms – Bohrs 2 Postulate – wurden umfassend experimentell bestätigt. Eine besonders deutliche Bestätigung lieferten die Experimente der deutschen Physiker J. Frank und G. Hertz (1913-16). Die Essenz dieser Erfahrungen ist wie folgt. Ein Strom von Elektronen, dessen Energie kontrolliert werden kann, tritt in ein Gefäß ein, das Quecksilberdampf enthält. Den Elektronen wird Energie zugeführt, die allmählich ansteigt. Wenn die Energie der Elektronen zunimmt, nimmt der Strom im Galvanometer zu, das in den elektrischen Stromkreis einbezogen ist; wenn sich herausstellt, dass die Elektronenenergie bestimmten Werten entspricht (4.9; 6.7; 10.4 ev), fällt der Strom stark ab ( Reis. 5 ). Gleichzeitig kann festgestellt werden, dass Quecksilberdampf ultraviolette Strahlen einer bestimmten Frequenz aussendet.

Die dargestellten Fakten lassen nur eine Interpretation zu. Solange die Elektronenenergie kleiner als 4,9 ist ev, Elektronen verlieren keine Energie, wenn sie mit Quecksilberatomen kollidieren - Kollisionen sind von Natur aus elastisch. Wenn sich herausstellt, dass die Energie gleich einem bestimmten Wert ist, nämlich 4,9 ev, Elektronen übertragen ihre Energie auf Quecksilberatome, die sie dann in Form von ultravioletten Lichtquanten abgeben. Die Berechnung zeigt, dass die Energie dieser Photonen genau der Energie entspricht, die die Elektronen verlieren. Diese Experimente bewiesen, dass die innere Energie eines Atoms nur bestimmte diskrete Werte annehmen kann, dass das Atom Energie von außen aufnimmt und sofort in ganzen Quanten abgibt, und dass schließlich die Frequenz des vom Atom abgestrahlten Lichts entspricht die Energie, die das Atom verliert.

Weiterentwicklung von A. f. zeigte die Gültigkeit der Bohrschen Postulate nicht nur für Atome, sondern auch für andere mikroskopische Systeme - für Moleküle und für Atomkerne. Diese Postulate sind als fest etablierte experimentelle Quantengesetze zu betrachten. Sie stellen jenen Teil der Bohrschen Theorie dar, der bei der Weiterentwicklung der Quantentheorie nicht nur erhalten blieb, sondern auch seine Begründung erhielt. Anders verhält es sich mit dem Bohrschen Atommodell, das auf der Betrachtung der Bewegung von Elektronen in einem Atom nach den Gesetzen der klassischen Mechanik unter Auferlegung zusätzlicher Quantisierungsbedingungen beruht. Dieser Ansatz ermöglichte eine Reihe wichtiger Ergebnisse, war aber widersprüchlich: Die Quantenpostulate wurden künstlich an die Gesetze der klassischen Mechanik angehängt. Eine konsistente Theorie wurde in den 20er Jahren geschaffen. 20. Jahrhundert Quantenmechanik . Ihre Entstehung wurde durch die Weiterentwicklung der Modelldarstellungen der Bohrschen Theorie vorbereitet, in deren Verlauf ihre Stärken und Schwächen deutlich wurden.

Entwicklung der Modelltheorie des Bohr-Atoms. Ein sehr wichtiges Ergebnis der Bohrschen Theorie war die Erklärung des Spektrums des Wasserstoffatoms. Einen weiteren Schritt in der Entwicklung der Theorie der Atomspektren machte der deutsche Physiker A. Sommerfeld. Nachdem die Quantisierungsregeln detaillierter entwickelt wurden, basierend auf einem komplexeren Bild der Bewegung von Elektronen in einem Atom (entlang elliptischer Bahnen) und unter Berücksichtigung der Abschirmung eines externen (sogenannten Valenz-) Elektrons im Feld des Kerns und inneren Elektronen konnte er eine Reihe von Gesetzmäßigkeiten in den Spektren von Alkalimetallen erklären.

Bohrs Atomtheorie wirft auch ein Licht auf die Struktur des sogenannten. charakteristische Röntgenspektren. Die Röntgenspektren von Atomen sowie ihre optischen Spektren haben eine diskrete Linienstruktur, die für ein bestimmtes Element charakteristisch ist (daher der Name). Bei der Untersuchung der charakteristischen Röntgenspektren verschiedener Elemente entdeckte der englische Physiker G. Moseley folgendes Muster: Die Quadratwurzeln der Frequenzen der emittierten Linien steigen gleichmäßig von Element zu Element im gesamten Mendelejew-Periodensystem proportional zur Ordnungszahl von das Element. Es ist interessant, dass Moseleys Gesetz die Richtigkeit von Mendeleev voll und ganz bestätigte, der in einigen Fällen gegen das Prinzip der Anordnung von Elementen in der Tabelle nach zunehmendem Atomgewicht verstieß und einige schwerere Elemente vor leichtere setzte.

Auf der Grundlage der Bohrschen Theorie war es möglich, die Periodizität der Eigenschaften von Atomen zu erklären. In einem komplexen Atom werden Elektronenschalen gebildet, die von innen beginnend sukzessive mit einer bestimmten Anzahl von Elektronen gefüllt werden (der physikalische Grund für die Schalenbildung wurde erst anhand des Pauli-Prinzips klar, siehe unten). Die Struktur der äußeren Elektronenhüllen wiederholt sich periodisch, was die periodische Wiederholung der chemischen und vieler physikalischer Eigenschaften von Elementen bewirkt, die sich in derselben Gruppe des Periodensystems befinden. Auf der Grundlage der Bohrschen Theorie erklärte der deutsche Chemiker W. Kossel (1916) die chemische Wechselwirkung in der sogenannten. heteropolare Moleküle.

Allerdings konnten nicht alle Fragen der Atomtheorie anhand von Modelldarstellungen der Bohrschen Theorie erklärt werden. Es bewältigte viele Probleme der Spektrentheorie nicht, es erlaubte nur die korrekten Werte der Frequenzen der Spektrallinien des Wasserstoffatoms und der wasserstoffähnlichen Atome zu erhalten, während die Intensitäten dieser Linien ungeklärt blieben; Bohr musste das Korrespondenzprinzip anwenden, um die Intensitäten zu erklären.

Beim Übergang zur Erklärung der Bewegungen von Elektronen in Atomen, die komplexer sind als das Wasserstoffatom, steckte Bohrs Modelltheorie in einer Sackgasse. Schon ein Heliumatom, bei dem sich 2 Elektronen um den Kern bewegen, bot sich für eine darauf basierende theoretische Interpretation nicht an. Die Schwierigkeiten beschränkten sich in diesem Fall nicht auf quantitative Abweichungen von der Erfahrung. Die Theorie erwies sich als machtlos bei der Lösung eines solchen Problems wie der Verbindung von Atomen zu einem Molekül. Warum verbinden sich 2 neutrale Wasserstoffatome zu einem Wasserstoffmolekül? Wie lässt sich die Natur der Valenz im Allgemeinen erklären? Was verbindet die Atome eines Festkörpers? Diese Fragen blieben unbeantwortet. Im Rahmen des Bohr-Modells war es unmöglich, einen Lösungsansatz zu finden.

Quantenmechanische Theorie des Atoms. Die Beschränkungen des Bohrschen Atommodells wurzelten in den Beschränkungen klassischer Vorstellungen über die Bewegung von Mikropartikeln. Es wurde deutlich, dass es für die Weiterentwicklung der Atomtheorie notwendig ist, die Grundideen über die Bewegung und Wechselwirkung von Mikropartikeln kritisch zu hinterfragen. Die Unbefriedigende Natur eines auf der klassischen Mechanik basierenden Modells mit Hinzufügung von Quantisierungsbedingungen wurde von Bohr selbst klar verstanden, dessen Ansichten einen großen Einfluss auf die Weiterentwicklung algebraischer Funktionen ausübten. Der Beginn einer neuen Phase in der Entwicklung von A. f. war die Idee des französischen Physikers L. de Broglie (1924) über die Doppelnatur der Bewegung von Mikroobjekten, insbesondere des Elektrons (siehe De-Broglie-Wellen). Diese Idee wurde zum Ausgangspunkt der Quantenmechanik (siehe Quantenmechanik), die 1925–26 durch die Arbeiten von W. Heisenberg und M. Born (Deutschland), E. Schrödinger (Österreich) und P. Dirac (England) geschaffen wurde. und entwickelte auf ihrer Grundlage die moderne quantenmechanische Atomtheorie.

Die Vorstellungen der Quantenmechanik über die Bewegung eines Elektrons (Mikropartikel im Allgemeinen) unterscheiden sich radikal von den klassischen. Gemäß der Quantenmechanik bewegt sich ein Elektron nicht wie eine feste Kugel auf einer Bahn (Umlaufbahn); Die Bewegung eines Elektrons hat auch bestimmte Merkmale, die für die Ausbreitung von Wellen charakteristisch sind. Einerseits wirkt ein Elektron (z. B. bei Stößen) immer als Ganzes, als Teilchen mit unteilbarer Ladung und Masse; Gleichzeitig breiten sich Elektronen mit einer bestimmten Energie und einem bestimmten Impuls wie eine ebene Welle mit einer bestimmten Frequenz (und einer bestimmten Wellenlänge) aus. Elektronenenergie E wie Teilchen mit der Frequenz zusammenhängen v Elektronenwellenverhältnis: E=hv, und seine Dynamik R - mit Wellenlänge λ Verhältnis: p = h/λ.

Die stabilen Bewegungen eines Elektrons in einem Atom, wie sie von Schrödinger (1926) gezeigt wurden, sind in gewisser Hinsicht analog zu stehenden Wellen (siehe stehende Wellen). , deren Amplituden an verschiedenen Stellen unterschiedlich sind. Gleichzeitig sind im Atom wie in einem schwingungsfähigen System nur einige „ausgewählte“ Bewegungen mit bestimmten Werten von Energie, Drehimpuls und Projektion des Elektronenimpulses im Atom möglich. Jeder stationäre Zustand eines Atoms wird durch eine Wellenfunktion beschrieben (siehe Wellenfunktion) , das ist eine Lösung einer Wellengleichung eines besonderen Typs - der Schrödinger-Gleichung; Wellenfunktion entspricht der "Elektronenwolke", die (im Mittel) die Verteilung der Elektronenladungsdichte im Atom charakterisiert (siehe Atom , dort an Reis. 3 Projektionen der "Elektronenwolken" des Wasserstoffatoms gezeigt). In den 20-30er Jahren. Zur Berechnung der Verteilung der Elektronenladungsdichte in komplexen Atomen wurden Näherungsverfahren entwickelt, insbesondere das Thomas-Fermi-Verfahren (1926, 1928). Dieser Wert und der zugehörige Wert des sog. Atomfaktor (Siehe Atomfaktor) wichtig bei der Untersuchung von Elektronenkollisionen mit Atomen sowie deren Streuung von Röntgenstrahlen.

Auf der Grundlage der Quantenmechanik war es möglich, die Energien von Elektronen in komplexen Atomen durch Lösen der Schrödinger-Gleichung korrekt zu berechnen. Annäherungsmethoden für solche Berechnungen wurden 1928 von D. Hartree (England) und 1930 von V. A. Fok (UdSSR) entwickelt. Studien von Atomspektren bestätigten vollständig die quantenmechanische Theorie des Atoms. Es stellte sich heraus, dass der Zustand eines Elektrons in einem Atom wesentlich von seinem Spin a abhängt - Eigenes mechanisches Impulsmoment. Es wurde eine Erklärung für die Wirkung äußerer elektrischer und magnetischer Felder auf das Atom gegeben (siehe Stark-Phänomen (siehe Stark-Effekt), Zeeman-Phänomen). Ein wichtiges allgemeines Prinzip im Zusammenhang mit dem Elektronenspin wurde von dem Schweizer Physiker W. Pauli (1925) entdeckt (siehe Pauli-Prinzip), nach diesem Prinzip kann sich in einem Atom in jedem elektronischen Zustand nur ein Elektron befinden; Wenn dieser Zustand bereits von einem Elektron besetzt ist, wird das nächste Elektron, das in die Zusammensetzung des Atoms eintritt, gezwungen, einen anderen Zustand einzunehmen. Auf der Grundlage des Pauli-Prinzips wurden schließlich die Füllzahlen von Elektronenschalen in komplexen Atomen ermittelt, die die Periodizität der Eigenschaften von Elementen bestimmen. Basierend auf der Quantenmechanik gaben die deutschen Physiker W. Geytler und F. London (1927) die Theorie der sogenannten. homöopolare chemische Bindung zweier identischer Atome (z. B. Wasserstoffatome im H 2 -Molekül), die im Rahmen des Bohrschen Atommodells nicht erklärt werden kann.

Wichtige Anwendungen der Quantenmechanik in den 30er Jahren. und später gab es Studien über gebundene Atome, die ein Molekül oder einen Kristall bilden. Die Zustände eines Atoms, das Teil eines Moleküls ist, unterscheiden sich grundlegend von den Zuständen eines freien Atoms. Das Atom erfährt auch in einem Kristall unter der Einwirkung eines intrakristallinen Feldes signifikante Veränderungen, deren Theorie zuerst von H. Bethe (1929) entwickelt wurde. Wenn man diese Veränderungen untersucht, kann man die Art der Wechselwirkung des Atoms mit seiner Umgebung feststellen. Die größte experimentelle Errungenschaft auf diesem Gebiet ist A. f. war die Entdeckung der paramagnetischen Elektronenresonanz durch E. K. Zavoisky im Jahr 1944 (siehe paramagnetische Elektronenresonanz) , die es ermöglichten, die verschiedenen Bindungen von Atomen mit der Umgebung zu untersuchen.

Moderne Atomphysik. Die Hauptabschnitte des modernen A. f. sind die Atomtheorie, atomare (optische) Spektroskopie, Röntgenspektroskopie, Radiospektroskopie (sie untersucht auch die Rotationsniveaus von Molekülen) und die Physik von Atom- und Ionenkollisionen. Unterschiedliche Bereiche der Spektroskopie decken unterschiedliche Bereiche von Strahlungsfrequenzen und dementsprechend unterschiedliche Bereiche von Photonenenergien ab. Während die Röntgenspektroskopie die Strahlung von Atomen mit Photonenenergien bis zu Hunderttausenden von Elektronen untersucht. ev, Radiospektroskopie befasst sich mit sehr kleinen Quanten – bis hin zu Quanten kleiner als 10 –6 ev.

Die wichtigste Aufgabe von A. f. - Detaillierte Definition aller Eigenschaften von Zuständen eines Atoms. Wir sprechen über die Bestimmung der möglichen Werte der Energie eines Atoms - seiner Energieniveaus, der Werte der Impulsmomente und anderer Größen, die den Zustand des Atoms charakterisieren. Fein- und Hyperfeinstrukturen von Energieniveaus werden untersucht (siehe Atomic Spectra) , Änderungen der Energieniveaus unter dem Einfluss elektrischer und magnetischer Felder - sowohl extern, makroskopisch als auch intern, mikroskopisch. Von großer Bedeutung ist eine solche Eigenschaft der Zustände des Atoms wie die Lebensdauer eines Elektrons auf Energieniveau. Schließlich wird dem Mechanismus der Anregung von Atomspektren viel Aufmerksamkeit geschenkt.

Die von verschiedenen Sektionen der AF untersuchten Phänomenbereiche überschneiden sich. Die Röntgenspektroskopie durch Messung der Emission und Absorption von Röntgenstrahlen ermöglicht es, hauptsächlich die Bindungsenergien der inneren Elektronen mit dem Kern eines Atoms (Ionisationsenergie), die Verteilung des elektrischen Feldes im Inneren des Atoms zu bestimmen. Die optische Spektroskopie untersucht die von Atomen emittierten Sätze von Spektrallinien, bestimmt die Eigenschaften der Energieniveaus des Atoms, die Intensitäten der Spektrallinien und die damit verbundenen Lebensdauern des Atoms in angeregten Zuständen, die Feinstruktur der Energieniveaus, ihre Verschiebung und Aufspaltung in elektrischen und magnetischen Feldern. Die Radiospektroskopie untersucht im Detail die Breite und Form von Spektrallinien, ihre Hyperfeinstruktur, Verschiebung und Aufspaltung in einem Magnetfeld und allgemein intraatomare Prozesse, die durch sehr schwache Wechselwirkungen und Einflüsse des Mediums verursacht werden.

Die Analyse der Ergebnisse von Stößen schneller Elektronen und Ionen mit Atomen ermöglicht es, Informationen über die Verteilung der Elektronenladungsdichte ("Elektronenwolke") innerhalb des Atoms, über die Anregungsenergien des Atoms und Ionisationsenergien zu erhalten.

Die Ergebnisse einer detaillierten Untersuchung der Struktur von Atomen finden die breiteste Anwendung nicht nur in vielen Bereichen der Physik, sondern auch in der Chemie, Astrophysik und anderen Wissenschaftsgebieten. Basierend auf der Untersuchung der Verbreiterung und Verschiebung von Spektrallinien kann man die lokalen (lokalen) Felder im Medium (Flüssigkeit, Kristall), die diese Änderungen verursachen, und den Zustand dieses Mediums (Temperatur, Dichte usw.) beurteilen. Die Kenntnis der Verteilung der Elektronenladungsdichte in einem Atom und ihrer Änderungen bei äußeren Wechselwirkungen ermöglicht es, die Art der chemischen Bindungen, die ein Atom eingehen kann, und das Verhalten eines Ions in einem Kristallgitter vorherzusagen. Informationen über die Struktur und Eigenschaften der Energieniveaus von Atomen und Ionen sind für quantenelektronische Geräte äußerst wichtig.

Die spezielle Relativitätstheorie (SRT) basiert auf zwei Postulaten:

1. Das Relativitätsprinzip: in jedem inertialen Bezugssystem laufen alle physikalischen Phänomene unter gleichen Anfangsbedingungen gleich ab, d.h. keine Experimente, die in einem geschlossenen System von Körpern durchgeführt werden, können zeigen, ob der Körper ruht oder sich gleichförmig und geradlinig bewegt.
2. Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit: in allen Inertialbezugssystemen ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gleich und hängt nicht von der Geschwindigkeit der sich bewegenden Lichtquelle ab.

Gleich den Postulaten der SRT ist die Position der SRT zur Begrenzung der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von Bedeutung: Die Geschwindigkeit jedes Signals in der Natur kann die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht überschreiten: c= 3∙10 8 m/s. Wenn sich Objekte mit einer Geschwindigkeit bewegen, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar ist, werden verschiedene Effekte beobachtet, die unten beschrieben werden.

1. Relativistische Längenkontraktion.

Die Länge eines Körpers im Bezugssystem, in dem er ruht, wird seine eigene Länge genannt. L 0 . Dann die Länge des Körpers, der sich mit Geschwindigkeit bewegt v im Trägheitsbezugssystem nimmt in Bewegungsrichtung ab auf eine Länge:

wo: c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, L 0 ist die Länge des Körpers in einem festen Bezugssystem (die Länge eines Körpers in Ruhe), L ist die Länge des Körpers im Bezugssystem, der sich mit der Geschwindigkeit bewegt v(Länge eines Körpers, der sich mit einer Geschwindigkeit bewegt v). Die Körperlänge ist also relativ. Die Verkleinerung von Körpern macht sich erst bei Geschwindigkeiten bemerkbar, die mit Lichtgeschwindigkeit vergleichbar sind.

2. Relativistische Verlängerung der Ereigniszeit.

Die Dauer eines Phänomens, das an einem bestimmten Punkt im Raum auftritt, wird in dem Trägheitsbezugssystem am kleinsten sein, relativ zu dem dieser Punkt stationär ist. Dies bedeutet, dass Uhren, die sich relativ zu einem inertialen Bezugssystem bewegen, langsamer laufen als stationäre Uhren und einen längeren Zeitabstand zwischen Ereignissen aufweisen. Die relativistische Zeitdilatation macht sich erst bei Lichtgeschwindigkeit bemerkbar und wird durch die Formel ausgedrückt:

Zeit τ 0 , gemessen durch eine relativ zum Körper ruhende Uhr, wird als Eigenzeit des Ereignisses bezeichnet.

3. Relativistisches Geschwindigkeitsadditionsgesetz.

Das Geschwindigkeitsadditionsgesetz der Newtonschen Mechanik widerspricht den Postulaten der SRT und wird durch ein neues relativistisches Geschwindigkeitsadditionsgesetz ersetzt. Bewegen sich zwei Körper aufeinander zu, so wird ihre Annäherungsgeschwindigkeit durch die Formel ausgedrückt:

wo: v 1 und v 2 - Bewegungsgeschwindigkeiten von Körpern relativ zu einem festen Bezugsrahmen. Wenn sich die Körper in die gleiche Richtung bewegen, dann ist ihre relative Geschwindigkeit:

4. Relativistische Massenzunahme.

Masse des bewegten Körpers m größer als die Ruhemasse des Körpers m 0:

5. Zusammenhang zwischen Energie und Körpermasse.

Aus Sicht der Relativitätstheorie sind die Masse eines Körpers und die Energie eines Körpers praktisch dasselbe. Somit bedeutet nur die Tatsache der Existenz eines Körpers, dass der Körper Energie hat. Geringste Energie E 0 hat der Körper in dem Trägheitsbezugssystem, relativ zu dem er in Ruhe ist und heißt die körpereigene Energie (Ruheenergie des Körpers):

Jede Änderung der Körperenergie bedeutet eine Änderung der Körpermasse und umgekehrt:

wobei: ∆ E ist die Änderung der Körperenergie, ∆ m ist die entsprechende Massenänderung. Gesamtkörperenergie:

wo: m- Körpermasse. Ganzkörperenergie E proportional relativistische Masse und von der Geschwindigkeit des sich bewegenden Körpers abhängt, sind in diesem Sinne folgende Beziehungen wichtig:

Die kinetische Energie eines Körpers, der sich mit relativistischer Geschwindigkeit bewegt, lässt sich übrigens nur mit der Formel berechnen:

Aus Sicht der Relativitätstheorie ist das Gesetz der Erhaltung der Ruhemasse ungerecht. Beispielsweise ist die Ruhemasse eines Atomkerns kleiner als die Summe der Ruhemassen der Teilchen im Kern. Die Ruhemasse eines spontanzerfallfähigen Teilchens ist jedoch größer als die Summe seiner eigenen Massen seiner Bestandteile.

Dies bedeutet keinen Verstoß gegen das Massenerhaltungsgesetz. In der Relativitätstheorie gilt der Erhaltungssatz der relativistischen Masse, da in einem isolierten Körpersystem die Gesamtenergie und damit die relativistische Masse erhalten bleibt, was aus der Einstein-Formel folgt, sodass wir von einem einzigen Gesetz sprechen können der Erhaltung von Masse und Energie. Das bedeutet nicht, dass Masse in Energie umgewandelt werden kann und umgekehrt.

Zwischen der Gesamtenergie des Körpers, der Ruheenergie und dem Impuls besteht ein Zusammenhang:

Photon und seine Eigenschaften

Hell ist ein Strom von Quanten elektromagnetischer Strahlung, die Photonen genannt werden. Photon ist ein Teilchen, das die Energie des Lichts trägt. Es kann nicht ruhen, sondern bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. Ein Photon hat folgende Eigenschaften:

1. Die Energie von Photonen ist gleich:

wo: h= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – Plancksche Konstante, ν ist die Frequenz des Lichts, λ ist die Wellenlänge des Lichts, c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Die Energie eines Photons in Joule ist sehr klein, daher wird sie aus mathematischen Gründen oft in einer Einheit außerhalb des Systems gemessen - Elektronenvolt:

1 eV = 1,6∙10 -19 J.

2. Ein Photon bewegt sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit. c.

3. Ein Photon hat Impuls:

4. Ein Photon hat keine Masse im für uns üblichen Sinne (Masse, die man auf einer Waage messen kann, berechnet nach Newtons zweitem Gesetz usw.), aber gemäß Einsteins Relativitätstheorie hat es Masse als Maß für Energie ( E = Mc 2). Tatsächlich hat jeder Körper, der etwas Energie hat, auch Masse. Wenn wir bedenken, dass ein Photon Energie hat, dann hat es auch eine Masse, die gefunden werden kann als:

5. Ein Photon hat keine elektrische Ladung.

Licht hat eine duale Natur. Bei der Ausbreitung von Licht treten seine Welleneigenschaften (Interferenz, Beugung, Polarisation) und bei der Wechselwirkung mit Materie korpuskulare Eigenschaften (Photoeffekt) auf. Diese Doppelnatur des Lichts wird genannt Welle-Teilchen-Dualität.

externer photoelektrischer Effekt

photoelektrischer Effekt- ein Phänomen, das darin besteht, dass in einer Vakuumflasche ein Fotostrom auftritt, wenn die Kathode mit monochromatischem Licht einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet wird λ .

Wenn die Spannung an der Anode negativ ist, verlangsamt das elektrische Feld zwischen Kathode und Anode die Elektronen. Messen des Gegebenen Verzögerungsspannung bei dem der Photostrom verschwindet, lässt sich die maximale kinetische Energie der aus der Kathode austretenden Photoelektronen bestimmen:

Zahlreiche Experimentatoren haben Folgendes festgestellt Grundgesetze des photoelektrischen Effekts:

1. Der photoelektrische Effekt ist trägheitslos. Das bedeutet, dass unmittelbar nach Beginn der Lichtbestrahlung Elektronen aus dem Metall herausfliegen.
2. Die maximale kinetische Energie von Photoelektronen steigt linear mit steigender Lichtfrequenz ν und hängt nicht von seiner Intensität ab.
3. Für jeden Stoff gibt es einen sog Fotoeffekt mit rotem Rand, also die niedrigste Frequenz ν min (oder die längste Wellenlänge λ max), bei der der externe Photoeffekt noch möglich ist.
4. Die Anzahl der Photoelektronen, die durch Licht aus der Kathode in 1 s herausgezogen werden, ist direkt proportional zur Lichtintensität.

Bei der Wechselwirkung mit Materie überträgt ein Photon seine gesamte Energie E = hν ein Elektron. Ein Teil dieser Energie kann von einem Elektron bei Kollisionen mit Materieatomen dissipiert werden. Außerdem wird ein Teil der Elektronenenergie für die Überwindung der Potentialbarriere an der Metall-Vakuum-Grenzfläche aufgewendet. Dazu muss das Elektron machen Arbeitsfuntkion EIN aus, abhängig von den Eigenschaften des Kathodenmaterials. Die höchste kinetische Energie, die ein von der Kathode emittiertes Photoelektron haben kann, wird dabei durch den Energieerhaltungssatz bestimmt:

Diese Formel heißt Einsteins Gleichung für den äußeren photoelektrischen Effekt. Mit der Einstein-Gleichung kann man alle Gesetzmäßigkeiten des äußeren photoelektrischen Effekts erklären. Für Fotoeffekt mit rotem Rand, nach Einsteins Formel können wir den Ausdruck erhalten:

Bohrs Postulate

Bohrs erstes Postulat (Stationärzustandspostulat): ein Atomsystem kann sich nur in speziellen stationären oder Quantenzuständen befinden, die jeweils einer bestimmten Zahl entsprechen n und Energie E n. Im stationären Zustand gibt ein Atom weder Energie ab noch nimmt es Energie auf.

Dem Zustand mit der niedrigsten Energie wird die Nummer „1“ zugeordnet. Es heißt hauptsächlich. Allen anderen Zuständen werden fortlaufende Nummern "2", "3" usw. zugewiesen. Sie werden gerufen erregt. Ein Atom kann unbegrenzt in seinem Grundzustand verbleiben. Im angeregten Zustand lebt das Atom einige Zeit (ca. 10 ns) und geht in den Grundzustand über.

Nach Bohrs erstem Postulat ist ein Atom durch ein System von Energieniveaus gekennzeichnet, von denen jedes einem bestimmten stationären Zustand entspricht. Die mechanische Energie eines Elektrons, das sich entlang einer geschlossenen Bahn um einen positiv geladenen Kern bewegt, ist negativ. Daher entsprechen alle stationären Zustände den Energiewerten E n < 0. При E n≥ 0 bewegt sich das Elektron vom Kern weg (Ionisation findet statt). Wert | E 1 | namens Ionisationsenergie. Zustand mit Energie E 1 wird Grundzustand des Atoms genannt.

Bohrs zweites Postulat (Häufigkeitsregel): beim Übergang eines Atoms aus einem stationären Zustand mit Energie E n mit Energie in einen anderen stationären Zustand E m es wird ein Quant emittiert oder absorbiert, dessen Energie gleich der Differenz der Energien der stationären Zustände ist:

Wasserstoffatom

Das einfachste der Atome ist das Wasserstoffatom. Es enthält ein einzelnes Elektron. Der Kern eines Atoms ist ein Proton - ein positiv geladenes Teilchen, dessen Ladung im absoluten Wert der Ladung eines Elektrons entspricht. Normalerweise befindet sich ein Elektron auf dem ersten (hauptsächlichen, nicht angeregten) Energieniveau (ein Elektron neigt wie jedes andere System zu einem Zustand mit einem Minimum an Energie). In diesem Zustand ist seine Energie E 1 = -13,6 eV. Im Wasserstoffatom werden die folgenden Beziehungen erfüllt, die den Radius der Flugbahn eines um den Kern rotierenden Elektrons, seine Geschwindigkeit und Energie in der ersten Umlaufbahn mit ähnlichen Eigenschaften in anderen Umlaufbahnen in Beziehung setzen:

Auf jeder Umlaufbahn in einem Wasserstoffatom ist die kinetische ( Zu) und Potenzial ( P) werden die Elektronenenergien auf die Gesamtenergie bezogen ( E) durch die folgenden Formeln:

Atomkern

Gegenwärtig steht fest, dass die Atomkerne verschiedener Elemente aus zwei Teilchen bestehen - Protonen und Neutronen, die üblicherweise als Nukleonen bezeichnet werden. Zur Charakterisierung von Atomkernen wird eine Reihe von Bezeichnungen eingeführt. Die Anzahl der Protonen, aus denen der Atomkern besteht, wird mit dem Symbol Z bezeichnet und als Ladungszahl oder Ordnungszahl bezeichnet (dies ist die laufende Nummer im Periodensystem von Mendelejew). Die Anzahl der Neutronen wird mit dem Symbol N bezeichnet. Die Gesamtzahl der Nukleonen (d. h. Protonen und Neutronen) wird als Massenzahl A bezeichnet, für die sich folgende Formel schreiben lässt:

Kommunikationsenergie. Massendefekt

Die wichtigste Rolle in der Kernphysik spielt der Begriff nukleare Bindungsenergie. Die Bindungsenergie des Kerns ist gleich der minimalen Energie, die für die vollständige Aufspaltung des Kerns in einzelne Teilchen aufgewendet werden muss. Aus dem Energieerhaltungssatz folgt, dass die Bindungsenergie gleich der Energie ist, die bei der Bildung eines Kerns aus einzelnen Teilchen freigesetzt wird.

Die Bindungsenergie jedes Kerns kann durch genaues Messen seiner Masse bestimmt werden. Solche Messungen zeigen, dass die Masse eines Kerns M i ist immer kleiner als die Summe der Massen seiner konstituierenden Protonen und Neutronen: M ich< Zm p + N m n. Die Differenz zwischen diesen Massen wird genannt Massendefekt, und wird nach folgender Formel berechnet:

Der Massendefekt kann mit der Einstein-Formel bestimmt werden E = Mc 2 die Energie, die während der Bildung eines bestimmten Kerns freigesetzt wird, dh die Bindungsenergie des Kerns E St:

Es ist jedoch bequemer, die Bindungsenergie mit einer anderen Formel zu berechnen (hier werden die Massen in atomaren Einheiten angegeben und die Bindungsenergie in MeV erhalten):

Radioaktivität. Gesetz des radioaktiven Zerfalls

Fast 90 % der bekannten Atomkerne sind instabil. Ein instabiler Kern wandelt sich unter Emission von Teilchen spontan in andere Kerne um. Diese Eigenschaft von Kernen nennt man Radioaktivität.

Alpha-Zerfall. Alpha-Zerfall ist die spontane Umwandlung eines Atomkerns mit der Anzahl Protonen Z und Neutronen N in einen anderen (Tochter-)Kern mit der Anzahl Protonen Z - 2 und Neutronen N - 2. In diesem Fall α -Teilchen - der Kern eines Heliumatoms 4 2 He. Das allgemeine Schema des Alpha-Zerfalls:

Beta-Zerfall. Beim Beta-Zerfall fliegt ein Elektron (0 –1 e) aus dem Kern. Schema des Beta-Zerfalls:

Gamma-Zerfall. Im Gegensatz zu α - und β -Radioaktivität γ -Radioaktivität von Kernen ist nicht mit einer Änderung der inneren Struktur des Kerns verbunden und wird nicht von einer Änderung der Ladung oder der Massenzahlen begleitet. Wie bei α - ebenso gut wie β -Zerfall, der Tochterkern kann sich in einem angeregten Zustand befinden und einen Energieüberschuss haben. Der Übergang des Kerns vom angeregten Zustand in den Grundzustand wird von der Emission von einem oder mehreren begleitet γ -Quanten, deren Energie mehrere MeV erreichen kann.

Gesetz des radioaktiven Zerfalls. Jede Probe radioaktiven Materials enthält eine große Anzahl radioaktiver Atome. Da der radioaktive Zerfall zufällig ist und nicht von äußeren Bedingungen abhängt, gilt das Gesetz der abnehmenden Menge N(t) unverrottet zu diesem Zeitpunkt t Kerne können als wichtiges statistisches Merkmal des Prozesses des radioaktiven Zerfalls dienen. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls hat die Form:

Wert T namens Halbwertzeit, N 0 ist die Anfangszahl der radioaktiven Kerne bei t= 0. Die Halbwertszeit ist die Hauptgröße, die die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls charakterisiert. Je kürzer die Halbwertszeit, desto intensiver der Zerfall.

Beim α - und β Beim radioaktiven Zerfall kann auch der Tochterkern instabil sein. Daher ist eine Reihe aufeinanderfolgender radioaktiver Zerfälle möglich, die in der Bildung stabiler Kerne enden.

Kernreaktionen

Kernreaktion- dies ist der Vorgang der Wechselwirkung eines Atomkerns mit einem anderen Kern oder Elementarteilchen, begleitet von einer Änderung der Zusammensetzung und Struktur des Kerns und der Freisetzung von Sekundärteilchen oder γ -Quanten. Als Ergebnis von Kernreaktionen können neue radioaktive Isotope gebildet werden, die unter natürlichen Bedingungen auf der Erde nicht vorkommen.

Bei Kernreaktionen werden mehrere Erhaltungssätze erfüllt: Impuls, Energie, Drehimpuls, Ladung. Zusätzlich zu diesen klassischen Erhaltungssätzen gelten Kernreaktionen das Erhaltungsgesetz der sogenannten Baryonenladung(dh die Anzahl der Nukleonen - Protonen und Neutronen). Zum Beispiel in einer allgemeinen Reaktion:

Folgende Bedingungen sind erfüllt (die Gesamtzahl der Nukleonen vor und nach der Reaktion bleibt unverändert):

Energieausbeute einer Kernreaktion

Kernreaktionen werden von Energieumwandlungen begleitet. Die Energieausbeute einer Kernreaktion ist der Wert:

wo: M A und M B sind die Massen der Ausgangsprodukte, M C und M D sind die Massen der Endreaktionsprodukte. Wert Δ M namens Massendefekt. Kernreaktionen können mit der Freisetzung ablaufen ( Q> 0) oder mit Energieaufnahme ( Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, die aufgerufen wird Reaktionsschwelle.

Damit eine Kernreaktion eine positive Energieausbeute hat, muss die spezifische Bindungsenergie von Nukleonen in den Kernen der Ausgangsprodukte kleiner sein als die spezifische Bindungsenergie von Nukleonen in den Kernen der Endprodukte. Das bedeutet, dass der Wert Δ M

Lernen Sie alle Formeln und Gesetze in der Physik und Formeln und Methoden in der Mathematik. Tatsächlich ist es auch sehr einfach, es gibt nur etwa 200 notwendige Formeln in der Physik und noch etwas weniger in der Mathematik. In jedem dieser Fächer gibt es etwa ein Dutzend Standardmethoden zur Lösung von Problemen mit einer grundlegenden Komplexitätsstufe, die auch erlernt werden können und so vollautomatisch und ohne Schwierigkeiten den größten Teil der digitalen Transformation zum richtigen Zeitpunkt lösen. Danach müssen Sie nur noch an die schwierigsten Aufgaben denken.

Nehmen Sie an allen drei Phasen der Probenprüfung in Physik und Mathematik teil. Jedes RT kann zweimal besucht werden, um beide Optionen zu lösen. Auch beim DT ist neben der Fähigkeit, Probleme schnell und effizient zu lösen, sowie dem Wissen um Formeln und Methoden, auch Zeit richtig einzuplanen, Kräfte zu verteilen und vor allem der Antwortbogen richtig auszufüllen, ohne die Anzahl der Antworten und Aufgaben oder Ihren eigenen Namen zu verwechseln. Auch während des RT ist es wichtig, sich an den Stil zu gewöhnen, Fragen in Aufgaben zu stellen, was einer unvorbereiteten Person im DT sehr ungewöhnlich erscheinen kann.

Die erfolgreiche, sorgfältige und verantwortungsbewusste Umsetzung dieser drei Punkte ermöglicht es Ihnen, ein hervorragendes Ergebnis auf dem CT zu zeigen, das Maximum dessen, was Sie können.

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2 1. Einführung 1.1. Das Fach Atomphysik, seine kurze Entwicklungsgeschichte, Ziele und Ziele 1.2. Grundlegende Definitionen. Elektron, Proton, Neutron, Atom, Ion, Molekül, Nuklid, Atomkern, chemisches Element, Isotope 1.3. Kern- und Schaleneigenschaften des Atoms 1.4. Maßeinheiten physikalischer Größen in der Atomphysik. Elektronenvolt. Mol, Avogadros Konstante, atomare Masseneinheit, relative Atommasse. Skalen von Energien, Längen, Frequenzen, Massen in der Atom- und Kernphysik 1.5. Klassische, relativistische und Quantenphysik. Impuls und Energie 1.6. Photon. Photonenenergieskala (Elektromagnetische Strahlungsskala)

3 Atomphysik Die Atomphysik (Physik des Atoms und atomarer Phänomene) ist ein Teilgebiet der Physik, das den Aufbau und die Eigenschaften von Atomen sowie elementare Prozesse, an denen Atome beteiligt sind, untersucht Atome und Moleküle, Atom- und Molekülionen, exotische Atome und andere Mikropartikel Bei den im Rahmen der Atomphysik untersuchten Phänomenen spielen elektromagnetische Wechselwirkungen die Hauptrolle Halbleiter und Nanomaterialien) Die theoretische Grundlage der Atomphysik selbst ist die Quantentheorie und Quantenelektrodynamik Es gibt keine klare Grenze zwischen der Atomphysik und anderen Zweigen der Physik, und gemäß der internationalen Klassifikation wird die Atomphysik in das Gebiet der Atom-, Molekülphysik und Optik eingeordnet

4 Eine kurze Entwicklungsgeschichte der Atomphysik Der Begriff „Atom“ wurde von antiken griechischen Wissenschaftlern (5. – 2. Jahrhundert v. Chr.) verwendet, um die kleinsten, unteilbaren Teilchen zu bezeichnen, aus denen alles besteht, was auf der Welt existiert Atomistische Ideen wurden im 19. Jahrhundert in der chemischen und physikalischen Forschung gewonnen Die Idee, dass ein Atom aus positiv und negativ geladenen Teilen besteht, wurde in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts untermauert.1897 J.J. Thomson entdeckte das Elektron, und es wurde bald bewiesen, dass es ein integraler Bestandteil aller Atome ist.Die Idee eines Atoms als System, das aus einem Atomkern und einer Elektronenhülle besteht, wurde von der E.-Physik untermauert, die Kernphysik stach hervor und etwas später die Elementarteilchenphysik

5 Eine kurze Entwicklungsgeschichte der Atomphysik Die Grundlagen der modernen Atomphysik wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts gelegt, als N. Bohr einige der wichtigsten Eigenschaften des Atoms (1913) erläuterte und zwei " Quanten"-Postulate Gemäß dem ersten von ihnen gibt es spezielle (stationäre) Zustände des Atoms, in denen letzteres keine Energie ausstrahlt, obwohl die in seiner Zusammensetzung enthaltenen geladenen Teilchen (Elektronen) eine beschleunigte Bewegung ausführen Strahlung eines Atoms tritt beim Übergang von einem stationären Zustand in einen anderen auf, und die Frequenz ν dieser Strahlung wird aus der Bedingung h = E – E (Frequenzregel von Bohr) bestimmt, wobei h die Plancksche Konstante, E und E die Werte sind ​​der Energie des Atoms im Anfangs- und Endzustand. Das erste Postulat spiegelt die Tatsache der Stabilität des Atoms wider, das zweite die Diskretion von Frequenzen in Atomspektren

6 Eine kurze Entwicklungsgeschichte der Atomphysik Bohrs Theorie, die die Eigenschaften von Atomen und Molekülen nicht vollständig erklären konnte, wurde durch eine in den 1920er und 1930er Jahren entstandene konsistente Quantentheorie ersetzt (W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac) Trotzdem behalten Bohrs Postulate ihre Bedeutung und stellen einen integralen Bestandteil der Grundlagen der Physik mikroskopischer Phänomene dar. Im Rahmen der modernen Quantentheorie wird die vollständigste Erklärung der Eigenschaften des Atoms gegeben: die Prinzipien der Bildung von optischen und Röntgenspektren, das Verhalten von Atomen in magnetischen (Zeeman-Effekt) und elektrischen (Stark-Effekt) Feldern, das Periodensystem der Elemente und die Natur der chemischen Bindung wurden theoretisch begründet, Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur entwickelt von Atomen, Molekülen und Festkörpern (die selbstkonsistente Hartree-Fock-Feldmethode), neue Geräte wurden entwickelt, um die Struktur und Eigenschaften von Materie zu untersuchen (Elektronenmikroskop) Entwicklung der Ideen der Quantentheorie (gi die Spin-Hypothese, das Pauli-Prinzip etc.) wiederum basierten auf experimentellen Untersuchungen auf dem Gebiet der Atomphysik (Linienspektren von Atomen, der photoelektrische Effekt, die Fein- und Hyperfeinstruktur von Spektrallinien, die Experimente von Frank und Hertz, Davisson und Germer, Stern und Gerlach, der Compton-Effekt, die Entdeckung von Deuterium und anderen Isotopen, der Auger-Effekt usw.)

7 Eine kurze Entwicklungsgeschichte der Atomphysik Im zweiten Drittel des 20. Jahrhunderts wurden im Rahmen der Atomphysik und basierend auf den Ideen der Quantentheorie neue experimentelle Methoden der physikalischen Forschung entwickelt: Elektronenspinresonanz (EPR), Photoelektronenspektroskopie (PES), Elektronenstoßspektroskopie (ESI), Geräte zu deren Durchführung (Maser, Laser etc.) geschaffen wurden Grundprinzipien der Quantentheorie (Interferenz von Quantenzuständen, Lamb-Verschiebung von Niveaus etc.) erhalten direkte experimentelle Bestätigung, neue Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur von Materie (Dichtefunktionaltheorie) und vorhergesagte neue physikalische Phänomene (Überstrahlung) Es wurden Methoden für experimentelle Studien von Prozessen entwickelt, die mit einzelnen Atomen, Ionen und Elektronen ablaufen, die von elektrischen und magnetischen Feldern gehalten werden von besonderer Konfiguration (atomare und ionische "Fallen")

8 Eine kurze Entwicklungsgeschichte der Atomphysik Neue Ergebnisse auf dem Gebiet der Atomphysik im letzten Drittel des 20. Jahrhunderts und zu Beginn des 21. Jahrhunderts sind hauptsächlich mit dem Einsatz von Lasermessungen an einzelnen Atomen und Molekülen verbunden, die bestimmen Eigenschaften hochangeregter Atomzustände, Untersuchung der Dynamik intraatomarer und intramolekularer Prozesse mit einer Dauer von bis zu mehreren Femtosekunden (10–15 s) sowie der Abkühlung einzelner Atome auf ultratiefe Temperaturen, Theoretische Studien der letzten Jahrzehnte auf dem Gebiet der Atomphysik sind mit dem rasanten Fortschritt der Computertechnik verbunden und zielen darauf ab, effiziente Methoden und Mittel zu entwickeln te Struktur und Eigenschaften von Mehrelektronen-Atomsystemen unter Berücksichtigung der Elektronenkorrelationsenergie, relativistischer quantenmechanischer und quantenelektrodynamischer Korrekturen

9 Atomphysik Die Forschung auf dem Gebiet der Atomphysik hat viele wissenschaftliche und praktische Anwendungen gefunden. Für industrielle Zwecke werden zur Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Substanz Methoden der Atomspektralanalyse verwendet, einschließlich EPR, FES und SEA. Zur Lösung geologischer, biologischer und medizinische Probleme, Methoden der Fern- und Nahlaser-Spektralanalyse, Laser-Isotopentrennung zu industriellen und technischen Zwecken Experimentelle und theoretische Methoden der Atomphysik werden in der Astrophysik (Bestimmung der Zusammensetzung und der physikalischen Eigenschaften der Materie von Sternen und der interstellares Medium, die Untersuchung von Rydberg-Atomen), Metrologie (Atomuhren) und andere Bereiche von Wissenschaft und Technologie

10 Ziele des Studiums Atomphysik Das Hauptziel des Faches „Physik der Atome und Atomphänomene“ im Rahmen des Studiums Allgemeine Physik ist die Vermittlung von Grundkenntnissen der Physik mikroskopischer Phänomene an der Atomphysik. molekularer Ebene und die Fähigkeit, sie zur Lösung angewandter Probleme anzuwenden. Um dieses Ziel zu erreichen, werden folgende Aufgaben gelöst: – Analyse der Entwicklung atomistischer und Bildung von Quantenkonzepten; – Studium der wichtigsten experimentellen Tatsachen der Atomphysik und ihrer Zusammenhänge; - Aufdecken der Besonderheiten von Mikrophänomenen und des Versagens der klassischen Theorie, sie zu erklären; – Studium der Grundlagen der Quantenmechanik und Methoden zur Lösung quantenmechanischer Probleme; – Systematisches Studium und Erklärung auf der Grundlage der Quantentheorie der Struktur und Eigenschaften von Atomen und Molekülen, ihres Verhaltens in äußeren Feldern und in Wechselwirkung miteinander

12 Elektron Elektron ist ein stabiles Elementarteilchen mit negativer elektrischer Ladung Der Betrag der Elektronenladung ist gleich der Elementarladung q e = –e –1,610 –19 C Die Masse des Elektrons m e = m –31 kg Der Spin der Elektron ist ½ Das magnetische Moment des Elektrons ist ungefähr gleich dem Bohr-Magneton μ e – μ B - -4 eV / T Das Symbol e oder e wird verwendet, um ein Elektron zu bezeichnen - Elektronen bilden die Elektronenhüllen aller Atome und Ionen Elektron hat ein Antiteilchen Positron (e +)

15 Proton Proton ist ein stabiles Elementarteilchen mit positiver elektrischer Ladung Die Ladung des Protons ist gleich der Elementarladung q p = e –19 C Die Masse des Protons m p 1836m e –27 kg Der Spin des Protons ist ½ Der magnetische Moment des Protons μ p –8 eV/T Das Proton hat ein Antiteilchen Antiproton (p-)

16 Vernichtung eines Antiprotons Ein Antiproton (blaue Spur) kollidiert mit einem Proton in einer Blasenkammer, wobei vier positive Pionen (rote Spuren) und vier negative Pionen (grüne Spuren) entstehen. Die gelbe Spur gehört zu einem Myon, das dadurch geboren wird des Pion-Zerfalls

17 Neutron Neutron Elementarteilchen ohne elektrische Ladung Die Lebensdauer eines Neutrons im freien Zustand beträgt etwa 886 s Die Masse eines Neutrons m n 1839m e –27 kg Der Spin eines Neutrons beträgt ½ Trotz fehlender elektrischer Ladung ist das Neutron hat ein magnetisches Moment μ n – –8 eV/T Neutron bezeichnet mit dem Symbol n oder n 0 Neutron hat ein Antiteilchen Antineutron Protonen und Neutronen vereint der gemeinsame Name Nukleonen Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen

18 Neutron Da Neutronen keine elektrische Ladung haben, hinterlassen sie keine Spuren in Teilchendetektorkammern Neutronen können dennoch durch ihre Wechselwirkungen mit anderen geladenen Teilchen nachgewiesen werden Das kolorierte Bild zeigt Teilchenspuren in einer Nebelkammer, die mit einer Mischung aus Wasserstoffgas und Ethylalkohol gefüllt ist und Wasser Der Neutronenstrahl dringt von unten in die Kammer ein und verursacht Transmutationen von Sauerstoff- und Kohlenstoffatomen, die Teil der Moleküle von Ethylalkohol sind

19 Atom Ein Atom ist ein Mikropartikel bestehend aus einem Atomkern und den ihn umgebenden Elektronen (Elektronenhülle) Ein positiv geladener Kern hält negativ geladene Elektronen durch die Kräfte der elektrischen Anziehungskraft die Elektronenladung gleich e ist, dann wenn die Anzahl der Elektronen in der Schale ist gleich der Anzahl der Protonen im Kern, die elektrische Gesamtladung des Atoms ist Null. ), jedoch aufgrund der Tatsache, dass die Masse des Protons (sowie des Neutrons) fast zweitausendmal größer ist als die Masse des Elektrons, fast die gesamte Masse des Atoms () ist im Kern konzentriert

20 Goldatom Au Abbildung eines einzelnen Goldatoms, aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop. Vergrößerung bis zu einer Größe von 35 mm

22 Siliziumatome Si Mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommenes koloriertes Bild von Siliziumatomen, dargestellt ist die Elementarzelle des Kristalls. Die Bindungen zwischen den Atomen sind ebenfalls sichtbar Vergrößerung mal bis zu einer Größe von 35 mm

24 Uranatome U Ein koloriertes Bild von Uranatomen wurde mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommen Kleine regelmäßige Punkte stellen einzelne Atome dar, größere Formationen sind Cluster aus 2–20 Atomen Das Sichtfeld beträgt etwa 100 Å. Vergrößerung bis zu einer Größe von 35 mm

25 Uranyl-Mikrokristalle UO 2 2+ Koloriertes Bild von Uranyl-Mikrokristallen, aufgenommen mit einem Transmissionselektronenmikroskop Jeder Fleck stellt ein einzelnes Uranatom dar Vergrößerung auf eine Größe von 35 mm

27 Chemisches Element, Nuklid, Isotope Atome mit einer bestimmten Anzahl von Protonen Z im Kern gehören zum selben chemischen Element. Die Zahl Z wird als Ordnungszahl eines chemischen Elements bezeichnet. Ein Satz von Atomen mit einer bestimmten Anzahl von Protonen Z und Neutronen N im Kern wird als Nuklid bezeichnet. Nuklide werden bezeichnet, indem dem Namen des Elements der Wert der Massenzahl A hinzugefügt wird, die der Summe von Z + N entspricht (z. B. Sauerstoff-16, Uran-235), oder indem die Zahl A in die Nähe des Symbols von gesetzt wird das Element (16 O, 235 U). Nuklide desselben Elements werden Isotope genannt. Die Masse des leichtesten Atoms des Wasserstoffatoms, bestehend aus einem Proton und einem Elektron, ist gleich m H 1,67 10 –27 kg. Die Massen der übrigen Atome sind etwa A-mal größer als m H. In der Natur gibt es 90 chemische Elemente und mehr als 300 verschiedene Nuklide; 270 davon sind stabil, der Rest ist radioaktiv. Über künstlich gewonnene radioaktive Nuklide.

31 Ionen Als Ionisation bezeichnet man den Vorgang, Elektronen an ein Atom zu entfernen oder anzuheften. Ist die Zahl der Elektronen in der Hülle kleiner als Z, entsteht ein positives Atomion, ist mehr als Z negativ, so ist ein Ion ein elektrisch geladenes Atom (oder Molekül), das durch Ablösung oder Anlagerung eines oder mehrerer Elektronen an ein neutrales Atom (oder Molekül) entsteht

32 Ionen Positiv geladene Ionen nennt man Kationen, negativ geladene Anionen. Ionen werden durch ein chemisches Symbol mit einem Index bezeichnet, der die Multiplizität (die Ladungsmenge in Einheiten der Elementarladung) und das Vorzeichen des Ions angibt: H -, Na +, UO 2 2+ Ionen können beide stabile Formationen sein (normalerweise in Lösungen oder Kristallen), so können auch instabile (in Gasen unter Normalbedingungen) Atomkationen bis zu einer Ladung von +(Z - 1) erhalten werden. So wurden beispielsweise an Ionenbeschleunigern U 90+ und U 91+ erhalten Atomare Anionen mit einer Ladung von 2 oder mehr existieren im freien Zustand nicht.

34 Molekül Ein Molekül ist das kleinste stabile Teilchen eines Stoffes, das aus mehr als einem Atom besteht Ein Molekül wird durch eine bestimmte Zusammensetzung der Atomkerne, die Anzahl der Elektronen und eine räumliche Struktur charakterisiert Chemische Formeln werden verwendet, um die quantitativen und qualitative Molekülzusammensetzung: O 2 (Sauerstoffmolekül), H 2 O (Wassermolekül), CH 4 (Methanmolekül), C 6 H 6 (Benzolmolekül), C 60 (Fullerenmolekül)

39 DNA-Molekül Unter Verwendung eines Twurde ein koloriertes Bild eines DNA-Moleküls erhalten In einer Hochvakuumkammer wird eine DNA-Probe mit einer dünnen Platinschicht überzogen. Eine metallische Beschichtung ergibt im Elektronenmikroskop ein kontrastreiches Bild

40 Kern- und Schaleneigenschaften des Atoms KerneigenschaftenSchaleneigenschaften Bestimmt durch die Zusammensetzung des Kerns: Radioaktivität, Fähigkeit zur Teilnahme an Kernreaktionen usw. Bestimmt durch die Struktur der Elektronenhülle: chemisch, physikalisch (elektrisch, magnetisch, optisch usw.) .) 42 Energie Die Einheit der Energie im SI ist das Joule (J), für die Energiewerte von Objekten und Phänomenen der Atomphysik wird eine solche Einheit jedoch selten verwendet. Systemeinheit der Energie namens Elektronenvolt (eV, eV), die eine Bvon 1 Volt durchläuft: 1 eV = J –6 eV) Einheiten von Elektronenvolt sowie einige andere: Rydberg (Rydberg, Ry), hartree (hartree, Ha oder atomare Einheit, a. e.) Rydberg ist numerisch gleich der Ionisationsenergie eines Wasserstoffatoms aus dem Grundzustand in der Näherung unendlich Masse des Kerns: 1 Ry eV Hartree ist gleich dem Betrag der potentiellen Energie eines Elektrons im Grundzustand des Wasserstoffatoms in Näherung unendlich Masse des Kerns: 1 Ha = 2 Ry eV Die Energien von Zuständen atomarer Systeme sowie Übergänge zwischen Zuständen können in anderen Einheiten gemessen werden

43 Masse Die Masseneinheit im SI ist das Kilogramm (kg), jedoch wird zur Messung der Masse von Objekten der Atomphysik eine systemfremde Maßeinheit verwendet, die sogenannte atomare Masseneinheit (amu). entspricht 1/12 der Masse eines ungebundenen, nicht angeregten Kohlenstoff-12-Atoms (12 C): 1 a. E. m kg 1 a. e. m. ist ungefähr gleich der Masse eines Protons oder Neutrons Relative Atommasse ist die Masse eines Atoms, ausgedrückt in a. em. Die Avogadro-Konstante N A ist eine physikalische Konstante, die numerisch gleich der Anzahl der Atome in 12 g reinem Kohlenstoff-12-Isotop ist: N A mol –1 Mol (eine Einheit der Stoffmenge in SI) enthält per Definition N A Strukturelemente (Atome , Moleküle, Ionen).

44 Länge Die SI-Einheit der Länge ist Meter (m). 1 Meter entspricht der Entfernung, die Licht im Vakuum in einem Zeitintervall von 1/Sekunde zurücklegt. Mit Ausnahme von Messungen von Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung im Radiobereich wird eine solche Längeneinheit in der Atomphysik selten verwendet, und stattdessen werden zur Messung von linearen Dimensionen sowie Wellenlängen Untereinheiten von Metern verwendet: Zentimeter ( cm, 1 cm \u003d 10 -2 m), Millimeter ( mm, 1 mm = 10–3 m), Mikrometer (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), Nanometer (nm, 1 nm = 10–9 m), Pikometer (pm, 1 pm = 10–12 m ) und andere, sowie Einheiten außerhalb des Systems: Angström (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m), Bor (oder Bohr-Radius) (1 Bor Å)

45 Zeit Die SI-Einheit der Zeit ist die Sekunde (s). Atomzeitstandard: Eine Sekunde (oder Atomsekunde) entspricht den Perioden elektromagnetischer Strahlung, die dem Energieübergang zwischen zwei Ebenen der Hyperfeinstruktur des Grundzustands des Isotops 133 Cs (Cäsium-133) entsprechen. Die Dauer schneller Prozesse wird in der Atomphysik üblicherweise in Sekundenbruchteilen gemessen: Nano-, Piko- oder Femtosekunden (ns, ps, fs, 1 fs = 10 -15 s)

46 Skalen physikalischer Größen in der Atom- und Kernphysik Phänomene der Atomphysik sind gekennzeichnet durch Dimensionen von 10–12 m (innere Unterschalen schwerer Atome) bis Zehntel Nanometer (Größe von Atomen und kleinen Molekülen), Energien von 10–6 eV (Hyperfeinstruktur der Niveaus) bis 10 5 eV (Bindungsenergien der Elektronen innerer Unterschalen), Zeiten von einigen zehn Femtosekunden (Dauer ultrakurzer Laserpulse) bis zu Tausenden von Sekunden (Lebensdauer metastabiler Atomzustände) Typische Größen von Molekülen sind 0,1 –1 nm. Der Kernabstand des kleinsten Moleküls (H 2) beträgt nm. DNA-Makromoleküle und viele Polymere können makroskopische Dimensionen haben. So kann die Länge einer entfalteten DNA-Helix mehrere Zentimeter bei einer Breite von etwa 2 nm erreichen.

47 Photon Ein Photon oder ein Quant elektromagnetischer Strahlung (Feld) ist ein masseloses Elementarteilchen, das keine elektrische Ladung hat. Im Vakuum bewegt sich ein Photon mit einer Geschwindigkeit c. Ein Photon hat einen Spin von 1. Die Projektionen der Spin auf Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Photons bestimmen den Zustand seiner Polarisation γ

· Röntgenspektralanalyse · Radiospektroskopie ·

Atomphysik- ein Zweig der Physik, der die Struktur und Eigenschaften von Atomen untersucht. Die Atomphysik entstand Ende des 19. bis Anfang des 20. Jahrhunderts als Ergebnis von Experimenten, die feststellten, dass das Atom ein System aus einem positiv geladenen Kern und negativ geladenen Elektronen ist, und wurde im Zusammenhang mit der Schaffung der Quantenmechanik entwickelt, die die Struktur erklärte des Atoms. Die Struktur des Atomkerns wird in der Kernphysik untersucht.

Allgemeine Information [ | ]

Die moderne Atomphysik basiert auf der quantenmechanischen Theorie, die physikalische Phänomene auf atomar-molekularer Ebene beschreibt. Die Atomphysik betrachtet ein Atom als ein System aus positiv geladenem Kern und negativ geladenen Elektronen. Die Eigenschaften dieses Systems und die darin ablaufenden Elementarprozesse werden durch die elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt, im Gegensatz zur Kernphysik und Elementarteilchenphysik, wo starke Wechselwirkung und schwache Wechselwirkung eine grundlegende Rolle spielen.

Geschichte [ | ]

Planetenmodell des Atoms

Die Idee der Existenz der kleinsten unteilbaren Teilchen - Atome - wurde zuerst von den antiken griechischen Philosophen Leukipp, Demokrit und Epikur formuliert. Im 17. Jahrhundert wurde diese Idee in den Werken der französischen Philosophen P. Gassendi und R. Descartes sowie des englischen Chemikers R. Boyle weitergeführt. Die Atomistik dieser Zeit war eher spekulativ, Vorstellungen über Atome waren wie konstante, unteilbare Teilchen unterschiedlicher Größe und Form, ohne chemische und physikalische Eigenschaften, aus deren Kombination alle materiellen Körper bestehen. In den Arbeiten von I. Newton und M. V. Lomonosov wurden Annahmen über die Möglichkeit getroffen, Atome zu komplexeren Strukturen - Korpuskeln - zu kombinieren.

Die wichtigsten Meilensteine ​​in der Geschichte der Atomphysik waren die Entdeckung des Elektrons 1897 durch den englischen Physiker J. J. Thomson und der radioaktive Zerfall durch die französischen Wissenschaftler M. Sklodowska-Curie und P. Curie, sie veränderten die Vorstellung vom Atom als ein System wechselwirkender geladener Teilchen nach der Theorie des holländischen Physikers X. Lorenz. Auf der Grundlage dieser Studien schlug Thomson 1903 ein Modell des Atoms in Form einer Kugel mit positiver Ladung vor, durchsetzt mit kleinen Teilchen mit negativer Ladung - Elektronen, die aufgrund der Gleichheit der Kraft im Atom gehalten werden Anziehung der positiven Ladung zu den Kräften der gegenseitigen Abstoßung von Elektronen. Weitere Untersuchungen der Radioaktivität durch F. Soddy führten zur Entdeckung von Isotopen und zerstörten damit wissenschaftliche Vorstellungen über die absolute Identität aller Atome eines chemischen Elements. Eine wichtige Rolle spielte auch die Untersuchung des photoelektrischen Effekts durch A. G. Stoletov und die weitere Erklärung dieses Phänomens durch A. Einstein.

Das Planetenmodell des Atoms hatte eine Reihe von Mängeln, von denen der bedeutendste mit dem theoretisch korrekten Energieverlust des Elektrons zusammenhängt: Da sich das Elektron um das Atom dreht, wird es von der Zentripetalbeschleunigung beeinflusst, und gemäß der Larmor-Formel Jedes geladene Teilchen, das sich mit Beschleunigung bewegt, strahlt Energie aus. Wenn das Elektron Energie verliert, muss es irgendwann in den Kern fallen, was in der Realität nicht passiert. Eine Verfeinerung des Atommodells wurde nur möglich durch völlig neue Ideen über das Atom, die der deutsche Physiker entdeckte

Aus der Chemie und früheren Abschnitten der Physik wissen wir, dass alle Körper aus einzelnen, sehr kleinen Teilchen – Atomen und Molekülen – aufgebaut sind. Atome sind die kleinsten Teilchen eines chemischen Elements. Ein Molekül ist ein komplexeres Teilchen, das aus mehreren Atomen besteht ...

§ 195. Avogadro-Konstante. Dimensionen und Massen von Atomen

Eine der wichtigen Konstanten der Atomphysik ist die Avogadro-Konstante (siehe Band I, § 242) – die Anzahl der Strukturelemente (Atome, Moleküle, Ionen usw.) in einem Mol einer Substanz. Wenn man die Avogadro-Konstante kennt, kann man Größen finden, die ein einzelnes Atom charakterisieren: Masse ...

§ 196. Elektrische Elementarladung

Die von Faraday entdeckten Gesetze der Elektrolyse sprechen für die Existenz kleinster, unteilbarer Elektrizitätsmengen. Während der Elektrolyse überträgt ein Mol eines beliebigen - Valenzelements die Ladung von Coulomb (- Faraday-Konstante). Für ein Atom (genauer gesagt, io ...

§ 197. Einheiten von Ladung, Masse und Energie in der Atomphysik

Die Ladung eines Teilchens enthält also immer eine ganze Zahl von Elementarladungen. Für ein Teilchen von atomarer Größe ist diese ganze Zahl ebenfalls klein. In Anbetracht dessen ist es in der Atomphysik zweckmäßig, die Elementarladung als Einheit der elektrischen Ladung zu nehmen. Für einen...

§ 198. Messung der Masse geladener Teilchen. Massenspektrograf

Aus dem Verlauf der Elektrizität wissen wir, dass auf ein geladenes Teilchen, das sich in einem Magnetfeld bewegt, eine Kraft wirkt, die Lorentzkraft genannt wird. Die Lorentzkraft steht senkrecht zum Magnetfeld und zur Geschwindigkeit des Teilchens, und ihre Richtung wird durch die Linke-Hand-Regel bestimmt (Abb....

§ 199. Die Masse des Elektrons. Masse gegen Geschwindigkeit

Bei einem Experiment zur Messung der Masse eines Elektrons mit einem Massenspektrografen wird auf einer Fotoplatte nur ein Streifen gefunden. Da die Ladung jedes Elektrons gleich einer Elementarladung ist, schließen wir daraus, dass alle Elektronen die gleiche Masse haben...

§ 200. Einsteinsches Gesetz

Im vorigen Absatz haben wir eine Beziehung zwischen der kinetischen Energie eines Körpers und seiner Masse hergestellt: Wenn dem Körper kinetische Energie zugeführt wird, dann nimmt seine Masse um einen Betrag zu. Diese Verbindung ist allgemeiner Natur: Sie gilt für alle Körper - große und kleine, Morgendämmerung ...

§ 201. Massen von Atomen, Isotopen

Betrachten Sie die Ergebnisse von Experimenten zur Messung der Masse positiver Ionen. Auf Abb. 352 ist ein Neon-Positiv-Ionen-Massenspektrogramm. Auf dem Spektrogramm sind drei Banden unterschiedlicher Intensität deutlich zu erkennen. Wenn wir die Abstände von den Streifen zum Schlitz vergleichen, können wir ...

§ 202. Isotopentrennung. Schweres Wasser

Alle Isotope eines bestimmten Elements gehen dieselben chemischen Reaktionen ein und bilden chemische Verbindungen, die sich in Löslichkeit, Flüchtigkeit und ähnlichen Eigenschaften, die in der Chemie zur Trennung von Elementen verwendet werden, fast nicht unterscheiden. Herkömmliche chemische Methoden...

§ 203. Kernmodell des Atoms

In den vorherigen Abschnitten haben wir uns mit den Daten zu den Größen und Massen von Atomen vertraut gemacht. Wenden wir uns nun der Frage nach dem inneren Aufbau des Atoms zu. Die Entdeckung der Phänomene der Radioaktivität trug zum Studium der Struktur des Atoms bei. Wir werden diese Phänomene ausführlich in Kap. X...

§ 204. Energieniveaus von Atomen

Experimente zur Streuung - Teilchen entdeckten die Existenz eines schweren positiven Kerns und einer Elektronenhülle in Atomen. Weitere Informationen über die Eigenschaften von Atomen wurden durch das Studium solcher atomaren Prozesse gegeben, die mit einer Änderung der inneren Energie des Atoms einhergehen. MIT...

§ 205. Erzwungene Lichtemission. Quantengeneratoren

Das Konzept der Quantenenergieniveaus von Atomen wurde 1913 von N. Bohr in die Physik eingeführt. Es erklärte auf sehr natürliche Weise die Linienatomspektren als Ergebnis der Prozesse der spontanen (spontanen) Emission und der resonanten (selektiven) ...

§ 206. Wasserstoffatom. Die Besonderheit der Bewegungsgesetze eines Elektrons in einem Atom

Die Existenz diskreter Energieniveaus ist eine grundlegende Eigenschaft von Atomen (wie auch von Molekülen und Atomkernen). Versuchen wir, die uns bekannten Gesetze der Physik anzuwenden, um uns die Struktur des Atoms vorzustellen, die die Diskretion seiner Energie erklärt ...

§ 207. Vielelektronenatome. Ursprung optischer und Röntgenspektren von Atomen

Genau wie im Wasserstoffatom können sich Elektronen in komplexeren Atomen nur auf bestimmten ausgewählten Bahnen um den Kern bewegen. Verschiedene experimentelle Daten deuten darauf hin, dass die möglichen Bahnen von Elektronen in einem Atom in einem Schalensystem gruppiert sind ...

§ 208. Periodensystem der Elemente von Mendeleev

Das von D. I. Mendeleev entdeckte periodische Gesetz der Veränderung der chemischen Eigenschaften von Elementen spiegelt die tiefen Gesetze der Atomstruktur wider; sie ist daher nicht nur für die Chemie, sondern auch für die Physik von überragender Bedeutung. Die richtige Strukturtheorie ...

§ 209. Quanten- und Welleneigenschaften von Photonen

Wie in § 184 erwähnt, wurden die Gesetze des photoelektrischen Effekts 1905 von A. Einstein unter Verwendung des Begriffs der Lichtquanten (Photonen) erklärt. Nach diesen Vorstellungen lässt sich die Energie eines elektromagnetischen Feldes nicht in beliebige Teile aufteilen, sondern wird abgestrahlt und absorbiert...

§ 210. Der Begriff der Quanten-(Wellen-)Mechanik

Die Untersuchung der Struktur des Atoms führte zu dem Schluss, dass das Verhalten von Elektronen in einem Atom sowie das Verhalten von Photonen den üblichen Gesetzen der klassischen Physik widerspricht, dh den Gesetzen, die in Experimenten mit Körpern makroskopischer Dimension aufgestellt wurden. Die Existenz diskreter ...

§ 211. Entdeckung der Radioaktivität. radioaktive Elemente

Uran, Thorium und einige andere Elemente haben die Eigenschaft, kontinuierlich und ohne äußere Einflüsse (also unter dem Einfluss innerer Ursachen) unsichtbare Strahlung auszusenden, die wie Röntgenstrahlen in der Lage ist, durch undurchsichtige ...

§ 212. a-, b- und y-Strahlung. Wilson-Kammer.

Wie wir gesehen haben, hat radioaktive Strahlung eine ionisierende und fotografische Wirkung. Diese beiden Wirkungen sind sowohl für schnell geladene Teilchen als auch für Röntgenstrahlen, die elektromagnetische Wellen sind, charakteristisch. Um herauszufinden, ob es...

§ 213. Methoden zum Nachweis geladener Teilchen

Bei der Entwicklung des Wissens über die "Mikrowelt", insbesondere bei der Erforschung der Phänomene der Radioaktivität, spielten Geräte eine herausragende Rolle, die es ermöglichen, die unbedeutende Wirkung eines einzelnen Teilchens von atomaren Ausmaßen zu registrieren. Eines dieser großartigen Tools ist...

§ 214. Die Natur der radioaktiven Strahlung

1. Strahlung. Die Eigenschaften von Strahlung ähneln denen von Röntgenstrahlen. Wie Röntgenstrahlen ionisiert es die Luft, wirkt auf eine Fotoplatte und wird nicht durch ein Magnetfeld abgelenkt. Beim Durchdringen von Kristallen wird Strahlung, wie Röntgenstrahlen, ...

§ 215. Radioaktiver Zerfall und radioaktive Umwandlungen

Das Studium der Radioaktivität überzeugt uns, dass radioaktive Strahlung von den Atomkernen radioaktiver Elemente emittiert wird. Dies ist in Bezug auf Teilchen offensichtlich, da sie in der Elektronenhülle einfach nicht existieren. Der nukleare Ursprung von Partikeln wird durch Chemi...

§ 216. Anwendungen der Radioaktivität

1. Biologische Wirkungen. Radioaktive Strahlung hat eine verheerende Wirkung auf lebende Zellen. Der Mechanismus dieser Aktion ist mit der Ionisierung von Atomen und der Zersetzung von Molekülen in Zellen während des Durchgangs schnell geladener Teilchen verbunden. Besonders empfindlich auf und...