Atomifysiikka fysiikan ala, joka tutkii atomien rakennetta ja tilaa. A. f. syntyi 1800-luvun lopulla ja 1900-luvun alussa. 10-luvulla. 20. vuosisata Todettiin, että atomi koostuu ytimestä ja elektroneista, jotka on yhdistetty sähkövoimilla. Kehityksen ensimmäisessä vaiheessa A. f. käsitteli myös atomiytimen rakenteeseen liittyviä kysymyksiä. 30-luvulla. kävi ilmi, että atomin ytimessä tapahtuvien vuorovaikutusten luonne on erilainen kuin atomin ulkokuoressa ja 40-luvulla. ydinfysiikka nousi itsenäiseksi tieteenalaksi. 50-luvulla. alkeishiukkasfysiikka tai korkeaenerginen fysiikka irtosi siitä. Atomifysiikan esihistoria: atomioppi 1600-1800-luvuilla. Ajatus atomien olemassaolosta jakamattomina ainehiukkasina syntyi antiikissa; Atomismin ajatukset ilmaisivat ensimmäisenä antiikin kreikkalaiset ajattelijat Demokritos ja Epikuros. 1600-luvulla ne herättivät henkiin ranskalainen filosofi P. Gassendi ja englantilainen kemisti R. Boyle. 1600- ja 1700-luvuilla vallinneet ideat atomeista olivat huonosti määriteltyjä. Atomit pidettiin ehdottoman jakamattomina ja muuttumattomina kiinteinä hiukkasina, joiden eri tyypit eroavat toisistaan kooltaan ja muodoltaan. Atomien yhdistelmät yhdessä tai toisessa järjestyksessä muodostavat erilaisia kappaleita, atomien liikkeet määräävät kaikki aineessa tapahtuvat ilmiöt. I. Newton, M. V. Lomonosov ja jotkut muut tutkijat uskoivat, että atomit voivat lukittua monimutkaisempiin hiukkasiin - "soluiksi". Atomeille ei kuitenkaan annettu erityisiä kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia. Atomistiikalla oli edelleen abstrakti, luonnonfilosofinen luonne. 1700-luvun lopussa - 1800-luvun alussa. kemian nopean kehityksen seurauksena syntyi perusta atomitieteen kvantitatiiviselle kehitykselle. Englantilainen tiedemies J. Dalton alkoi ensimmäistä kertaa (1803) pitää atomia kemiallisen alkuaineen pienimpänä hiukkasena, joka eroaa massaltaan muiden alkuaineiden atomeista. Daltonin mukaan atomin tärkein ominaisuus on sen atomimassa. Kemialliset yhdisteet ovat kokoelma "komposiittiatomeja", jotka sisältävät tietyn (tietylle monimutkaiselle aineelle ominaisen) määrän atomeja jokaisesta alkuaineesta. Kaikki kemialliset reaktiot ovat vain atomien uudelleenjärjestelyjä uusiksi monimutkaisiksi hiukkasiksi. Näiden säännösten perusteella Dalton muotoili useiden suhteiden lakinsa (katso Multiple ratios law). Italialaisten tutkijoiden A. Avogadron (1811) ja erityisesti S. Cannizzaron (1858) tutkimukset vetivät selkeän rajan atomin ja molekyylin välille. 1800-luvulla atomien kemiallisten ominaisuuksien ohella tutkittiin niiden optisia ominaisuuksia. Havaittiin, että jokaisella elementillä on tunnusomainen optinen spektri; spektrianalyysi löydettiin (saksalaiset fyysikot G. Kirchhoff ja R. Bunsen, 1860). Siten atomi esiintyi laadullisesti ainutlaatuisena ainehiukkasena, jolle on tunnusomaista tiukasti määritellyt fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Mutta atomin ominaisuuksia pidettiin ikuisina ja selittämättöminä. Uskottiin, että atomityyppien (kemiallisten alkuaineiden) lukumäärä oli satunnainen ja että niiden välillä ei ollut yhteyttä. Vähitellen kuitenkin kävi selväksi, että on olemassa alkuaineryhmiä, joilla on samat kemialliset ominaisuudet - sama maksimivalenssi ja samanlaiset fysikaalisten ominaisuuksien muutoslait (siirrettäessä ryhmästä toiseen) - sulamispiste, puristuvuus jne. 1869, D. I. Mendelejev löysi jaksollisen elementtijärjestelmän (katso jaksollinen elementtijärjestelmä). Hän osoitti, että kun alkuaineiden atomimassa kasvaa, niiden kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet toistuvat ajoittain ( riisi. yksi
ja 2
). Jaksollinen järjestelmä osoitti yhteyden olemassaolon erityyppisten atomien välillä. Johtopäätös oli, että atomilla on monimutkainen rakenne, joka muuttuu atomimassan mukaan. Atomin rakenteen paljastamisen ongelmasta on tullut tärkein kemiassa ja fysiikassa (katso lisätietoja Atomismista).
Atomifysiikan syntyminen. Tieteen tärkeimmät kehityssuunnat, joista atomifysiikka sai alkunsa, olivat elektronin ja radioaktiivisuuden löydöt. Kun tutkittiin sähkövirran kulkua erittäin harvinaisten kaasujen läpi, havaittiin säteitä, jotka säteilevät purkausputken katodi (katodisäteet) ja joilla on ominaisuus taipua poikittaissuuntaisissa sähkö- ja magneettikentissä. Kävi ilmi, että nämä säteet koostuvat nopeasti lentävistä negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joita kutsutaan elektroneiksi. Vuonna 1897 englantilainen fyysikko J. J. Thomson mittasi varaussuhteen e näiden hiukkasten massaan m. Metallien on myös havaittu emittoivan elektroneja, kun niitä kuumennetaan voimakkaasti tai valaistaan lyhyen aallonpituisella valolla (katso lämpöemissio, fotoelektroniemissio). Tästä pääteltiin, että elektronit ovat osa kaikkia atomeja. Tästä seurasi edelleen, että neutraalien atomien täytyy sisältää myös positiivisesti varautuneita hiukkasia. Positiivisesti varautuneita atomeja - ioneja - löydettiin todellakin tutkittaessa sähköpurkauksia harvinaisissa kaasuissa. Ajatus atomista varautuneiden hiukkasten järjestelmänä selitti hollantilaisen fyysikon H. Lorenzin teorian mukaan ,
valoatomin säteilyn mahdollisuus (sähkömagneettiset aallot): sähkömagneettista säteilyä tapahtuu, kun atominsisäiset varaukset vaihtelevat; tämä vahvistettiin tutkimalla magneettikentän vaikutusta atomispektreihin (katso Zeeman-ilmiö). Kävi ilmi, että atominsisäisten elektronien varauksen suhde niiden massaan e/m, Lorentzin Zeeman-ilmiön teoriassaan löytämä arvo on täsmälleen yhtä suuri kuin arvo e/m Thomsonin kokeissa saaduille vapaille elektroneille. Elektronien teoria ja sen kokeellinen vahvistus antoivat kiistattoman todisteen atomin monimutkaisuudesta. Atomin jakamattomuuden ja muuttumattomuuden käsite kumottiin lopulta ranskalaisten tiedemiesten M. Sklodowska-Curien ja P. Curien teoksilla (katso Curie-Sklodowska). .
Radioaktiivisuuden tutkimuksen tuloksena todettiin (F. Soddy) ,
että atomit käyvät läpi kahdenlaisia muunnoksia. Lähetettyään α-hiukkasen (helium-ioni, jonka positiivinen varaus on 2 e), radioaktiivisen kemiallisen alkuaineen atomi muuttuu jaksollisessa järjestelmässä 2 solua vasemmalla sijaitsevan toisen alkuaineen atomiksi, esimerkiksi poloniumatomi lyijyatomiksi. Lähetettyään β-hiukkasen (elektronin) negatiivisella varauksella - e, radioaktiivisen kemiallisen alkuaineen atomi muuttuu 1 solun oikealla olevan alkuaineen atomiksi, esimerkiksi vismuttiatomi poloniumatomiksi. Tällaisten muutosten seurauksena muodostuneen atomin massa osoittautui toisinaan erilaiseksi kuin sen alkuaineen atomipaino, jonka soluun se putosi. Tästä seurasi saman kemiallisen alkuaineen atomien eri massat; näitä lajikkeita kutsuttiin myöhemmin isotoopeiksi (eli ne ovat saman paikan jaksollisessa taulukossa). Joten ajatukset tietyn kemiallisen alkuaineen kaikkien atomien absoluuttisesta identiteetistä osoittautuivat vääriksi. Elektronin ja radioaktiivisuuden ominaisuuksien tutkimuksen tulokset mahdollistivat erityisten mallien rakentamisen atomista. Thomsonin vuonna 1903 ehdottamassa mallissa atomi esitettiin positiivisesti varautuneena pallona, jossa on kooltaan (atomiin verrattuna) merkityksettömät negatiiviset elektronit ( riisi. 3
). Ne pysyvät atomissa johtuen siitä, että niiden jakautuneen positiivisen varauksen houkuttelevia voimia tasapainottavat niiden keskinäisen hylkimisen voimat. Thomson-malli tarjosi hyvin tunnetun selityksen atomin valon emissio-, sironta- ja absorptiomahdollisuuksille. Kun elektronit siirtyvät tasapainoasennosta, syntyy "kimmoisa" voima, joka pyrkii palauttamaan tasapainon; tämä voima on verrannollinen elektronin siirtymiseen tasapainoasennosta ja siten dipolimomenttiin (katso dipolimomentti)
atomi. Tulevan sähkömagneettisen aallon sähkövoimien vaikutuksesta atomissa olevat elektronit värähtelevät samalla taajuudella kuin valoaallon sähköinen intensiteetti; värähtelevät elektronit puolestaan lähettävät samantaajuista valoa. Näin sähkömagneettiset aallot hajoavat aineatomeilla. Valosäteen vaimennusasteen perusteella aineen paksuudessa voit selvittää sirontaelektronien kokonaismäärän, ja kun tiedät atomien lukumäärän tilavuusyksikköä kohti, voit määrittää elektronien lukumäärän jokaisessa atomissa. Rutherfordin luoma atomin planeettamalli. Thomsonin atomimalli osoittautui epätyydyttäväksi. Sen perusteella ei voitu selittää englantilaisen fyysikon E. Rutherfordin ja hänen työtovereidensa H. Geigerin ja E. Marsdenin kokeiden täysin odottamatonta tulosta atomien α-hiukkasten sironnasta. Näissä kokeissa käytettiin nopeita α-hiukkasia atomien suoraan koettamiseen. Kulkiessaan aineen läpi α-hiukkaset törmäävät atomien kanssa. Jokaisen törmäyksen yhteydessä atomin sähkökentän läpi lentävä α-hiukkanen muuttaa liikkeen suuntaa - se kokee sironnan. Suurimmassa osassa sirontatapahtumia α-hiukkasten poikkeamat (sirontakulmat) olivat hyvin pieniä. Siksi α-hiukkasten säteen kulkiessa ohuen ainekerroksen läpi tapahtui vain lievä säteen hämärtyminen. Kuitenkin hyvin pieni osa a-hiukkasista taittui yli 90° kulmien läpi. Tätä tulosta ei voitu selittää Thomsonin mallin perusteella, koska "kiinteän" atomin sähkökenttä ei ole tarpeeksi vahva taivuttamaan nopeaa ja massiivista α-hiukkasta suuren kulman läpi. Selvittääkseen α-hiukkasten sironnan kokeiden tuloksia Rutherford ehdotti pohjimmiltaan uutta atomin mallia, joka muistuttaa rakenteeltaan aurinkokuntaa ja jota kutsutaan planeettamalliksi. Siinä on seuraava muoto. Atomin keskellä on positiivisesti varautunut ydin, jonka mitat (Atomic Physics10 -12 cm) ovat hyvin pieniä verrattuna atomin kokoon (Atomic Physics10 -8 cm), ja massa on melkein yhtä suuri kuin atomin massa. Elektronit liikkuvat ytimen ympärillä, kuten planeetat auringon ympärillä; varauksettoman (neutraalin) atomin elektronien määrä on sellainen, että niiden negatiivinen kokonaisvaraus kompensoi (neutralisoi) ytimen positiivisen varauksen. Elektronien täytyy liikkua ytimen ympärillä, muuten ne putoaisivat siihen vetovoimien vaikutuksesta. Ero atomin ja planeettajärjestelmän välillä on, että jälkimmäisessä vaikuttavat gravitaatiovoimat ja atomissa sähköiset (Coulomb) voimat. Ytimen lähellä, jota voidaan pitää pistepositiivisena varauksena, on erittäin voimakas sähkökenttä. Siksi positiivisesti varautuneet α-hiukkaset (heliumytimet) kokevat voimakkaan taipuman lentäessään lähellä ydintä (ks. riisi. 4
). Myöhemmin selvitettiin (G. Moseley), että ytimen varaus kasvaa kemiallisesta alkuaineesta toiseen elektronin varausta vastaavalla alkuaineyksiköllä (mutta positiivisella etumerkillä). Numeerisesti atomin ytimen varaus alkuainevarauksen e yksiköissä ilmaistuna on yhtä suuri kuin vastaavan alkuaineen järjestysluku jaksollisessa järjestelmässä. Planeettamallin testaamiseksi Rutherford ja hänen yhteistyökumppaninsa Charles Darwin laskivat pisteytimen, Coulombin voimien keskuksen, hajottamien α-hiukkasten kulmajakauman. Saatu tulos varmistettiin kokeellisesti mittaamalla eri kulmissa siroteltujen a-hiukkasten lukumäärä. Kokeen tulokset vastasivat tarkasti teoreettisia laskelmia, mikä vahvisti loistavasti Rutherfordin planeettamallin atomista. Atomin planeettamalli joutui kuitenkin perustavanlaatuisiin vaikeuksiin. Klassisen sähködynamiikan mukaan kiihtyvällä vauhdilla liikkuva varautunut hiukkanen säteilee jatkuvasti sähkömagneettista energiaa. Siksi ytimen ympärillä liikkuvien eli kiihdytettyjen elektronien pitäisi jatkuvasti menettää energiaa säteilylle. Mutta samaan aikaan, pienessä sekunnin murto-osassa ne menettäisivät kaiken kineettisen energiansa ja putosivat ytimeen. Toinen, myös säteilyyn liittyvä vaikeus oli seuraava: jos hyväksymme (klassisen sähködynamiikan mukaisesti), että elektronin lähettämän valon taajuus on yhtä suuri kuin elektronin värähtelytaajuus atomissa (eli luku kierroksia, jotka se tekee kiertoradalla yhdessä sekunnissa) tai sen kerrannainen, silloin emittoidun valon, kun elektroni lähestyy ydintä, pitäisi jatkuvasti muuttaa taajuuttaan ja sen lähettämän valon spektrin tulisi olla jatkuva . Mutta tämä on vastoin kokemusta. Atomi lähettää valoaaltoja, joilla on tarkasti määritellyt taajuudet, jotka ovat tyypillisiä tietylle kemialliselle alkuaineelle, ja sille on ominaista erillisistä spektriviivoista koostuva spektri - viivaspektri. Alkuaineiden viivaspektreissä määritettiin kokeellisesti useita säännönmukaisuuksia, joista ensimmäisen löysi sveitsiläinen tiedemies I. Balmer (1885) vedyn spektristä. Yleisimmän mallin - yhdistelmäperiaatteen - löysi itävaltalainen tiedemies W. Ritz (1908). Tämä periaate voidaan muotoilla seuraavasti: kunkin alkuaineen atomeille voidaan löytää numerosarja T 1 ,T 2 ,T 3 ,... - ns. spektritermejä siten, että taajuus v tietyn elementin jokainen spektriviiva ilmaistaan kahden termin erotuksena: v = T k - T i .
Vetyatomille termi T n = R/n 2, missä n- kokonaisluku, joka ottaa arvon n= 1, 2, 3,..., a R- niin sanottu. Rydbergin vakio (katso Rydbergin vakio).
Siten Rutherfordin atomimallin puitteissa atomin stabiilisuutta säteilyn suhteen ja sen säteilyn viivaspektrejä ei voitu selittää. Sen perusteella lämpösäteilyn lakeja ja valosähköisten ilmiöiden lakeja, jotka syntyvät säteilyn vuorovaikutuksessa aineen kanssa, ei voitu selittää. Nämä lait osoittautuivat mahdolliseksi selittää täysin uusien - kvantti - käsitteiden pohjalta, jotka ensimmäisen kerran esitteli saksalainen fyysikko M. Planck (1900). Johtaakseen energian jakautumislain lämpösäteilyn spektrissä - kuumennettujen kappaleiden säteilyssä - Planck ehdotti, että aineen atomit lähettävät sähkömagneettista energiaa (valoa) erillisinä osina - valokvanteina, joiden energia on verrannollinen v(säteilytaajuus): E = hv missä h- kvanttiteorian vakioominaisuus, jota kutsutaan Planckin vakioksi (katso Planckin vakio). Vuonna 1905 A. Einstein antoi kvanttiselityksen valosähköisistä ilmiöistä, jonka mukaan kvanttienergia hv menee erottamaan elektronin metallityöfunktiosta R - ja välittää hänelle kineettistä energiaa T sukulaiset; hv = R+ Tkin. Samaan aikaan Einstein esitteli valokvantien käsitteen erityisenä hiukkaslajina; nämä hiukkaset saivat myöhemmin nimen Photon ov.
Rutherfordin mallin ristiriidat osoittautui mahdolliseksi ratkaista vain luopumalla useista klassisen fysiikan tavanomaisista ideoista. Tärkeimmän askeleen atomiteorian rakentamisessa teki tanskalainen fyysikko N. Bohr (1913). Bohrin postulaatit ja Bohrin atomin malli. Bohr esitti atomin kvanttiteorian pohjalta 2 postulaattia, jotka kuvaavat niitä atomin ominaisuuksia, jotka eivät mahtuneet klassisen fysiikan puitteisiin. Nämä Bohrin postulaatit voidaan muotoilla seuraavasti: 1. Stationaaristen tilojen olemassaolo. Atomi ei säteile ja on stabiili vain joissakin stationaarisissa (aikainvarianteissa) tiloissa, jotka vastaavat diskreettiä (epäjatkuvaa) sarjaa "sallittuja" energia-arvoja E 1 , E 2 , E 3 ,
E 4 ,... Mikä tahansa energian muutos liittyy kvantti- (hyppymäiseen) siirtymiseen kiinteästä tilasta toiseen. 2. Säteilytaajuuksien kunto (kvanttisiirtymät säteilyn kanssa). Siirtyessään yhdestä liikkumattomasta tilasta energialla E minä toiseen energialla E k atomi emittoi tai absorboi tietyntaajuista valoa v säteilykvantin (fotonin) muodossa hv, suhteen mukaan hv=E i - E k . Kun atomi säteilee, se siirtyy korkeamman energian tilasta E i alemman energian tilaan E k , absorption yhteydessä, päinvastoin, tilasta, jonka energia on pienempi E k korkeamman energian tilaan E minä .
Bohrin postulaatit mahdollistavat välittömästi Ritzin yhdistelmäperiaatteen fyysisen merkityksen ymmärtämisen (katso edellä); suhteiden vertailu hv = E i - E k ja v = T k - T i
osoittaa, että spektritermit vastaavat stationaarisia tiloja ja jälkimmäisten energian on oltava yhtä suuri (vakiotermiin asti) E minä = -hT i , E k = -hT k .
Kun valo emittoituu tai absorboituu, atomin energia muuttuu, tämä muutos on yhtä suuri kuin emittoidun tai absorboituneen fotonin energia, eli energian säilymisen laki tapahtuu. Atomin viivaspektri on seurausta sen energian mahdollisten arvojen diskreettisyydestä. Bohr käytti klassista (newtonilaista) mekaniikkaa määrittääkseen atomin energian sallitut arvot - sen energian kvantisoinnin - ja löytääkseen vastaavien stationääritilojen ominaisuudet. "Jos haluamme tehdä visuaalisen esityksen stationääritiloista yleensä, meillä ei ole ainakaan nyt muita keinoja, paitsi tavallinen mekaniikka", Bohr kirjoitti vuonna 1913 ("Kolme artikkelia spektristä ja atomien rakenteesta", M. -L., 1923, s. 22). Yksinkertaisimmalla atomilla - vetyatomi, joka koostuu ytimestä, jonka varaus on + e(protoni) ja elektroni, jolla on varaus - e, Bohr käsitteli elektronin liikettä ytimen ympärillä ympyräradalla. Atomin energian vertailu E spektritermeillä T n \u003d R / n 2 vetyatomille, joka löydettiin suurella tarkkuudella sen spektriviivojen taajuuksista, hän sai atomin energian mahdolliset arvot E n= -hT n \u003d -hR / n 2(missä n= 1, 2, 3,...). Ne vastaavat ympyränmuotoisia sädettäisiä kiertoradoja a n \u003d a 0 n 2, missä a 0 = 0,53 10 -8 cm - Bohrin säde - pienimmän ympyräradan säde (at n= 1). Bohr laski kierrostaajuudet v elektroni ytimen ympärillä ympyräradalla riippuen elektronin energiasta. Kävi ilmi, että atomin säteilemän valon taajuudet eivät ole yhtäpitäviä kierrostaajuuksien kanssa v n , kuten klassinen sähködynamiikka vaatii, mutta ovat verrannollisia suhteen mukaan hv=E i - E k , elektronin energiaero kahdella mahdollisella kiertoradalla. Löytääkseen elektronin kiertoradan taajuuden ja säteilytaajuuden välisen suhteen Bohr teki oletuksen, että kvanttiteorioiden ja klassisten teorioiden tulosten tulisi olla samat matalilla säteilytaajuuksilla (pitkillä aallonpituuksilla; tällainen yhteensattuma tapahtuu lämpösäteilylle, lait joista Planck johti). Hän yhtyi isoon n siirtymätaajuus v = (E n+1 - E n)/ h kiertonopeus v n kiertoradalla annetun n ja laski Rydbergin vakion arvon R, joka osui suurella tarkkuudella yhteen arvon kanssa R, kokemuksesta, mikä vahvisti Bohrin oletuksen. Bohr onnistui myös paitsi selittämään vedyn spektrin, myös osoittamaan vakuuttavasti, että jotkin spektriviivat, joiden katsottiin johtuvan vedystä, kuuluvat heliumille. Bohrin oletus, jonka mukaan kvanttiteorioiden ja klassisten teorioiden tulosten tulisi yhtyä matalien säteilytaajuuksien rajatapauksessa, edusti alkuperäistä muotoa ns. vaatimustenmukaisuuden periaatetta. Myöhemmin Bohr sovelsi sitä menestyksekkäästi spektrin viivojen intensiteettien löytämiseen. Kuten modernin fysiikan kehitys on osoittanut, vastaavuusperiaate osoittautui hyvin yleiseksi (ks. Kirjeenvaihtoperiaate) .
Bohrin atomiteoriassa energian kvantisointi eli sen mahdollisten arvojen löytäminen osoittautui "sallittujen" kiertoradan yleisen menetelmän erikoistapaukseksi. Kvanttiteorian mukaan sellaiset kiertoradat ovat vain sellaisia, joilla atomin elektronin kulmamomentti on yhtä suuri kuin kokonaislukukerrannainen h/2π. Jokainen sallittu kiertorata vastaa tiettyä mahdollista atomin energian arvoa (katso Atom).
Atomin kvanttiteorian pääsäännöt - Bohrin 2 postulaattia - vahvistettiin kattavasti kokeellisesti. Erityisen selkeän vahvistuksen antoivat saksalaisten fyysikkojen J. Frankin ja G. Hertzin (1913-16) kokeet. Näiden kokemusten olemus on seuraava. Elektronivirta, jonka energiaa voidaan hallita, tulee elohopeahöyryä sisältävään astiaan. Elektroneille annetaan energiaa, joka vähitellen kasvaa. Elektronien energian kasvaessa sähköpiiriin kuuluvan galvanometrin virta kasvaa; kun elektronin energia osoittautuu yhtä suureksi kuin tietyt arvot (4.9; 6.7; 10.4 ev), virta laskee jyrkästi ( riisi. 5
). Samalla voidaan havaita, että elohopeahöyry lähettää tietyn taajuuden ultraviolettisäteitä. Esitetyt tosiasiat sallivat vain yhden tulkinnan. Niin kauan kuin elektronin energia on alle 4,9 ev, elektronit eivät menetä energiaa törmätessään elohopeaatomeihin - törmäykset ovat luonteeltaan elastisia. Kun energia osoittautuu yhtä suureksi kuin tietty arvo, nimittäin 4.9 ev, elektronit siirtävät energiansa elohopeaatomeille, jotka sitten lähettävät sen ultraviolettivalokvanttien muodossa. Laskelma osoittaa, että näiden fotonien energia on täsmälleen sama kuin energia, jonka elektronit menettävät. Nämä kokeet osoittivat, että atomin sisäisellä energialla voi olla vain tietyt diskreetit arvot, että atomi absorboi energiaa ulkopuolelta ja emittoi sitä kerralla kokonaisina kvantteina ja että lopulta atomin lähettämän valon taajuus vastaa atomin menettämä energia. A. f.:n jatkokehitys. osoitti Bohrin postulaattien pätevyyden ei vain atomeille, vaan myös muille mikroskooppisille järjestelmille - molekyyleille ja atomiytimille. Näitä postulaatteja tulisi pitää vankasti vakiintuneina kokeellisina kvanttilakeina. Ne muodostavat sen osan Bohrin teoriasta, joka ei vain säilynyt kvanttiteorian jatkokehityksen aikana, vaan sai myös perustelunsa. Tilanne on toinen Bohrin atomimallilla, joka perustuu elektronien liikkeen huomioimiseen atomissa klassisen mekaniikan lakien mukaisesti lisäkvantisointiehtojen asettamalla. Tämä lähestymistapa mahdollisti joukon tärkeitä tuloksia, mutta oli epäjohdonmukainen: kvanttipostulaatit liitettiin keinotekoisesti klassisen mekaniikan lakeihin. Johdonmukainen teoria luotiin 20-luvulla. 20. vuosisata Kvanttimekaniikka . Sen luomista valmisteli Bohrin teorian malliesitysten jatkokehitys, jonka aikana sen vahvuudet ja heikkoudet tulivat selväksi. Bohr-atomin malliteorian kehittäminen. Bohrin teorian erittäin tärkeä tulos oli vetyatomin spektrin selitys. Saksalainen fyysikko A. Sommerfeld otti uuden askeleen atomispektrien teorian kehityksessä. Kehitettyään kvantisointisäännöt yksityiskohtaisemmin, perustuen monimutkaisempaan kuvaan elektronien liikkeestä atomissa (pitkin elliptisiä ratoja) ja ottaen huomioon ulkoisen (ns. valenssi)elektronin seulonnan ytimen kentässä ja sisäiset elektronit, hän pystyi selittämään joukon alkalimetallien spektrien säännönmukaisuuksia. Bohrin atomiteoria valaisi myös ns. röntgensäteiden ominaisspektrit. Atomien röntgenspektreillä, kuten myös niiden optisilla spektreillä, on tietylle alkuaineelle tyypillinen diskreetti viivarakenne (tästä nimi). Englantilainen fyysikko G. Moseley havaitsi eri alkuaineiden tunnusomaisia röntgenspektrejä tutkiessaan seuraavan kaavan: emittoivien linjojen taajuuksien neliöjuuret kasvavat tasaisesti elementistä elementtiin koko Mendeleevin jaksollisessa järjestelmässä suhteessa atomien lukumäärään. elementti. On mielenkiintoista, että Moseleyn laki vahvisti täysin Mendelejevin paikkansapitävyyden, joka joissakin tapauksissa rikkoi periaatetta sijoittaa elementit taulukkoon kasvavan atomipainon mukaan ja asettaa raskaammat alkuaineet kevyempien edelle. Bohrin teorian perusteella oli mahdollista antaa selitys atomien ominaisuuksien jaksollisuudelle. Monimutkaisessa atomissa muodostuu elektronikuoria, jotka täytetään peräkkäin sisimmästä alkaen tietyllä määrällä elektroneja (kuorten muodostumisen fyysinen syy selvisi vasta Paulin periaatteen perusteella, katso alla). Ulkoisten elektronikuorten rakenne toistuu ajoittain, mikä aiheuttaa jaksollisen järjestelmän samassa ryhmässä olevien alkuaineiden kemiallisten ja monien fysikaalisten ominaisuuksien säännöllisen toistumisen. Saksalainen kemisti W. Kossel (1916) selitti Bohrin teorian perusteella kemiallisen vuorovaikutuksen ns. heteropolaarisia molekyylejä. Kaikkia atomiteorian kysymyksiä ei kuitenkaan voitu selittää Bohrin teorian malliesitysten perusteella. Se ei selvinnyt monista spektriteorian ongelmista, se mahdollisti vain vetyatomin ja vedyn kaltaisten atomien spektrilinjojen taajuuksien oikeat arvot, kun taas näiden linjojen intensiteetit jäivät selittämättömiksi; Bohrin oli käytettävä vastaavuusperiaatetta intensiteettien selittämiseen. Siirtyessään selittämään elektronien liikkeitä atomeissa, jotka ovat monimutkaisempia kuin vetyatomi, Bohrin malliteoria oli umpikujassa. Jo heliumatomi, jossa 2 elektronia liikkuu ytimen ympärillä, ei sopinut siihen perustuvaan teoreettiseen tulkintaan. Vaikeudet tässä tapauksessa eivät rajoittuneet määrällisiin eroihin kokemuksen kanssa. Teoria osoittautui voimattomaksi sellaisen ongelman ratkaisemisessa kuin atomien yhdistäminen molekyyliksi. Miksi kaksi neutraalia vetyatomia yhdistyvät vetymolekyyliksi? Kuinka selittää valenssin luonne yleensä? Mikä sitoo kiinteän aineen atomeja? Nämä kysymykset jäivät vaille vastausta. Bohrin mallin puitteissa oli mahdotonta löytää lähestymistapaa niiden ratkaisuun. Atomin kvanttimekaaninen teoria. Bohrin atomimallin rajoitukset juurtuivat klassisten mikrohiukkasten liikettä koskevien käsitysten rajoituksiin. Kävi selväksi, että atomiteorian edelleen kehittämiseksi on välttämätöntä tarkastella kriittisesti perusajatuksia mikrohiukkasten liikkeestä ja vuorovaikutuksesta. Klassiseen mekaniikkaan ja kvantisointiehtoihin perustuvan mallin epätyydyttävä luonne ymmärsi selvästi Bohr itse, jonka näkemyksillä oli suuri vaikutus algebrallisten funktioiden jatkokehitykseen. Uuden vaiheen alku A. f.:n kehityksessä. oli ranskalaisen fyysikon L. de Broglien (1924) esittämä ajatus mikroobjektien, erityisesti elektronin, liikkeen kaksinaisesta luonteesta (katso De Broglien aallot). Tästä ideasta tuli kvanttimekaniikan (katso Quantum Mechanics) lähtökohta. Se syntyi vuosina 1925–26 W. Heisenbergin ja M. Bornin (Saksa), E. Schrödingerin (Itävalta) ja P. Diracin (Englanti) teosten avulla. ja kehitti sen pohjalta modernin kvanttimekaanisen atomin teorian. Kvanttimekaniikan käsitykset elektronin (mikrohiukkasten yleensä) liikkeestä eroavat radikaalisti klassisista. Kvanttimekaniikan mukaan elektroni ei liiku liikeradalla (kiertoradalla), kuten kiinteä pallo; Elektronin liikkeellä on myös tiettyjä aaltojen etenemiselle ominaisia piirteitä. Toisaalta elektroni toimii aina (esimerkiksi törmäyksissä) yhtenä kokonaisuutena, hiukkasena, jolla on jakamaton varaus ja massa; samaan aikaan elektronit, joilla on tietty energia ja liikemäärä, etenevät tasoaallon tavoin tietyllä taajuudella (ja tietyllä aallonpituudella). Elektronien energia E kuinka hiukkaset liittyvät taajuuteen v elektroniaaltosuhde: E=hv, ja sen vauhti R - aallonpituudella λ
suhde: p = h/λ.
Elektronin vakaat liikkeet atomissa, kuten Schrödinger (1926) on osoittanut, ovat joissain suhteissa analogisia seisovien aaltojen kanssa (katso seisovat aallot) ,
joiden amplitudit ovat erilaiset eri pisteissä. Samanaikaisesti atomissa, kuten värähtelevässä järjestelmässä, vain jotkut "valitut" liikkeet ovat mahdollisia tietyillä energia-arvoilla, kulmamomentilla ja elektronin liikemäärän projektiolla atomissa. Atomin jokainen stationaaritila kuvataan jollakin aaltofunktiolla (katso aaltofunktio) ,
joka on ratkaisu erikoistyyppiselle aaltoyhtälölle - Schrödingerin yhtälölle; aaltofunktio vastaa "elektronipilveä", joka kuvaa (keskimäärin) elektronin varaustiheyden jakautumista atomissa (katso Atom ,
siellä riisi. 3
vetyatomin "elektronipilvien" projektiot esitetään). 20-30 luvulla. Kompleksisten atomien elektronin varaustiheyden jakauman laskemiseen kehitettiin likimääräisiä menetelmiä, erityisesti Thomas-Fermin menetelmä (1926, 1928). Tämä arvo ja siihen liittyvä arvo ns. atomitekijä (katso atomitekijä)
tärkeä tutkittaessa elektronien törmäyksiä atomien kanssa sekä niiden röntgensäteiden sirontaa. Kvanttimekaniikan perusteella oli mahdollista laskea oikein monimutkaisten atomien elektronien energiat ratkaisemalla Schrödingerin yhtälö. Suunniteltuja menetelmiä tällaisia laskelmia varten kehitti vuonna 1928 D. Hartree (Englanti) ja vuonna 1930 V. A. Fok (Neuvostoliitto). Atomispektrien tutkimukset vahvistivat täysin atomin kvanttimekaanisen teorian. Kävi ilmi, että elektronin tila atomissa riippuu olennaisesti sen Spin a:sta -
oma mekaaninen momentti. Ulkoisten sähkö- ja magneettikenttien vaikutukselle atomiin annettiin selitys (ks. Stark-ilmiö (Katso Stark-ilmiö), Zeeman-ilmiö). Sveitsiläinen fyysikko W. Pauli (1925) löysi tärkeän elektronin spiniin liittyvän yleisperiaatteen (ks. Paulin periaate), jonka mukaan atomissa voi olla vain yksi elektroni kussakin elektronisessa tilassa; jos tämä tila on jo jonkin elektronin miehittämä, niin seuraava elektroni, joka tulee atomin koostumukseen, pakotetaan ottamaan toinen tila. Paulin periaatteen pohjalta määritettiin lopulta monimutkaisten atomien elektronikuorten täyttömäärät, jotka määräävät alkuaineiden ominaisuuksien jaksollisuuden. Kvanttimekaniikkaan perustuen saksalaiset fyysikot W. Geytler ja F. London (1927) antoivat teorian ns. kahden identtisen atomin homeopolaarinen kemiallinen sidos (esimerkiksi vetyatomit H2-molekyylissä), jota ei voida selittää Bohrin atomimallin puitteissa. Kvanttimekaniikan tärkeitä sovelluksia 30-luvulla. ja myöhemmin tehtiin tutkimuksia sitoutuneista atomeista, jotka muodostavat molekyylin tai kiteen. Molekyyliin kuuluvan atomin tilat eroavat olennaisesti vapaan atomin tiloista. Atomi myös käy läpi merkittäviä muutoksia kiteessä intrakiteisen kentän vaikutuksesta, jonka teorian kehitti ensimmäisenä H. Bethe (1929). Näitä muutoksia tutkimalla voidaan selvittää atomin ja sen ympäristön vuorovaikutuksen luonne. Suurin kokeellinen saavutus tällä alalla on A. f. oli E. K. Zavoisky vuonna 1944 tekemä elektroniparamagneettisen resonanssin löytö (katso Elektroniparamagneettinen resonanssi) ,
joka mahdollisti atomien erilaisten sidosten tutkimisen ympäristön kanssa. Nykyaikainen atomifysiikka. Nykyaikaisen A. f.:n pääosat. ovat atomin teoria, atomi (optinen) spektroskopia, röntgenspektroskopia, radiospektroskopia (se tutkii myös molekyylien rotaatiotasoja) sekä atomi- ja ionitörmäysten fysiikka. Spektroskopian eri osa-alueet kattavat erilaisia säteilytaajuusalueita ja vastaavasti erilaisia fotonien energia-alueita. Röntgenspektroskopia tutkii atomien säteilyä fotonien energioilla jopa satoihin tuhansiin elektroneihin. ev, radiospektroskopia käsittelee hyvin pieniä kvantteja - jopa alle 10 -6 kvantteja ev.
A. f.:n tärkein tehtävä. - yksityiskohtainen määritelmä kaikista atomin tilojen ominaisuuksista. Puhumme atomin energian mahdollisten arvojen määrittämisestä - sen energiatasoista, liikemäärän momenttien arvoista ja muista atomin tilaa kuvaavista määristä. Energiatasojen hienoja ja hyperhienoja rakenteita tutkitaan (katso Atomispektrit) ,
energiatasojen muutokset sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksesta - sekä ulkoisten, makroskooppisten että sisäisten, mikroskooppisten. Erittäin tärkeä on sellainen atomin tilojen ominaisuus kuin elektronin elinikä energiatasolla. Lopuksi kiinnitetään paljon huomiota atomispektrien viritysmekanismiin. AF:n eri osien tutkitut ilmiöalueet menevät päällekkäin. Röntgenspektroskopia mittaamalla röntgensäteiden emissiota ja absorptiota mahdollistaa pääasiassa sisäisten elektronien sitoutumisenergiat atomin ytimeen (ionisaatioenergia), sähkökentän jakautumisen atomin sisällä. Optinen spektroskopia tutkii atomien emittoimia spektriviivoja, määrittää atomin energiatasojen ominaisuudet, spektriviivojen intensiteetit ja atomin eliniän niihin liittyvissä viritystiloissa, energiatasojen hienorakenteen, niiden siirtyminen ja halkeaminen sähkö- ja magneettikentissä. Radiospektroskopialla tutkitaan yksityiskohtaisesti spektriviivojen leveyttä ja muotoa, niiden hyperhienoa rakennetta, siirtymää ja halkeamista magneettikentässä sekä yleisesti hyvin heikoista väliaineen vuorovaikutuksista ja vaikutuksista johtuvia atominsisäisiä prosesseja. Nopeiden elektronien ja ionien atomien törmäysten tulosten analysointi mahdollistaa tiedon saamisen elektronin varaustiheyden ("elektronipilvi") jakautumisesta atomin sisällä, atomin viritysenergioista ja ionisaatioenergioista. Atomien rakenteen yksityiskohtaisen tutkimuksen tulokset löytävät laajimman sovelluksen paitsi monilla fysiikan aloilla, myös kemiassa, astrofysiikassa ja muilla tieteenaloilla. Spektriviivojen levenemisen ja siirtymän tutkimuksen perusteella voidaan arvioida väliaineen (neste, kide) paikalliset (paikalliset) kentät, jotka aiheuttavat näitä muutoksia, ja väliaineen tila (lämpötila, tiheys jne.). Kun tiedetään atomin elektronin varaustiheyden jakautuminen ja sen muutokset ulkoisten vuorovaikutusten aikana, voidaan ennustaa, millaisia kemiallisia sidoksia atomi voi muodostaa, ionin käyttäytymistä kidehilassa. Tieto atomien ja ionien energiatasojen rakenteesta ja ominaisuuksista on erittäin tärkeää kvanttielektroniikan laitteille.
Erityinen suhteellisuusteoria (SRT) perustuu kahteen oletukseen:
- Suhteellisuusperiaate: missä tahansa inertiaalisessa vertailukehyksessä kaikki fyysiset ilmiöt samoissa alkuolosuhteissa etenevät samalla tavalla, ts. suljetussa kehojärjestelmässä tehdyt kokeet eivät pysty paljastamaan, onko keho levossa vai liikkuuko se tasaisesti ja suoraviivaisesti.
- Valonnopeuden pysyvyyden periaate: kaikissa inertiavertailukehyksissä valon nopeus tyhjiössä on sama eikä se riipu liikkuvan valonlähteen nopeudesta.
Yhtä SRT:n postulaattien kanssa, SRT:n asema valonnopeuden rajoittavassa luonteessa tyhjiöasioissa: minkään signaalin nopeus luonnossa ei voi ylittää valon nopeutta tyhjiössä: c= 3∙10 8 m/s. Kun esineet liikkuvat nopeudella, joka on verrattavissa valonnopeuteen, havaitaan erilaisia vaikutuksia, jotka kuvataan alla.
1. Relativistinen pituuden supistuminen.
Lepotilassa olevan kappaleen pituutta vertailukehyksessä kutsutaan sen omaksi pituudeksi. L 0 . Sitten nopeudella liikkuvan kehon pituus V inertiaalisessa vertailukehyksessä pienenee liikkeen suunnassa pituuteen:
missä: c on valon nopeus tyhjiössä, L 0 on kehon pituus kiinteässä vertailukehyksessä (kehon pituus levossa), L on nopeuden mukana liikkuvan kappaleen pituus vertailukehyksessä V(nopeudella liikkuvan kehon pituus V). Kehon pituus on siis suhteellinen. Kappaleiden pieneneminen on havaittavissa vain valonnopeuteen verrattavissa nopeuksilla.
2. Relativistinen tapahtuma-ajan pidentäminen.
Tietyssä avaruuden pisteessä tapahtuvan ilmiön kesto on pienin siinä inertiaalisessa vertailukehyksessä, johon nähden tämä piste on paikallaan. Tämä tarkoittaa, että kellot, jotka liikkuvat suhteessa inertiaaliseen viitekehykseen, käyvät hitaammin kuin paikallaan olevat kellot ja näyttävät pidemmän aikavälin tapahtumien välillä. Relativistinen aikadilataatio tulee havaittavaksi vain valonnopeuteen verrattavissa nopeuksilla, ja se ilmaistaan kaavalla:
Aika τ 0, mitattuna kellolla, joka lepää suhteessa kehoon, kutsutaan tapahtuman oikeaksi ajaksi.
3. Nopeuksien summauksen relativistinen laki.
Newtonin mekaniikan nopeuksien yhteenlaskulaki on ristiriidassa SRT:n postulaattien kanssa ja korvataan uudella relativistisella nopeuksien summauslakilla. Jos kaksi kappaletta liikkuu toisiaan kohti, niiden lähestymisnopeus ilmaistaan kaavalla:
missä: V 1 ja V 2 - kappaleiden liikenopeudet suhteessa kiinteään vertailukehykseen. Jos kappaleet liikkuvat samaan suuntaan, niiden suhteellinen nopeus:
4. Relativistinen massan kasvu.
Liikkuvan kappaleen massa m suurempi kuin kehon muu massa m 0:
5. Energian ja kehon massan välinen suhde.
Suhteellisuusteorian näkökulmasta kehon massa ja kehon energia ovat käytännössä sama asia. Siten vain kehon olemassaolon tosiasia tarkoittaa, että keholla on energiaa. Vähiten energiaa E 0 kappaleella on inertiavertailukehyksessä, johon nähden se on levossa ja jota kutsutaan kehon oma energia (kehon lepoenergia):
Kaikki kehon energian muutos tarkoittaa kehon massan muutosta ja päinvastoin:
missä: ∆ E on kehon energian muutos, ∆ m on vastaava massan muutos. Kehon kokonaisenergia:
missä: m- kehomassa. Koko kehon energia E suhteellinen relativistinen massa ja riippuu liikkuvan kappaleen nopeudesta, tässä mielessä seuraavat suhteet ovat tärkeitä:
Muuten, relativistisella nopeudella liikkuvan kappaleen kineettinen energia voidaan laskea vain kaavalla:
Suhteellisuusteorian näkökulmasta lepomassan säilymislaki on epäreilu. Esimerkiksi atomiytimen lepomassa on pienempi kuin ytimen hiukkasten lepomassan summa. Spontaaniin hajoamiseen kykenevän hiukkasen lepomassa on kuitenkin suurempi kuin sen aineosien omien massojen summa.
Tämä ei tarkoita massan säilymislain rikkomista. Suhteellisuusteoriassa relativistisen massan säilymislaki pätee, koska eristetyssä kappalejärjestelmässä kokonaisenergia säilyy ja siten myös relativistinen massa, joka seuraa Einsteinin kaavasta, joten voimme puhua yhdestä laista. massan ja energian säilymisestä. Tämä ei tarkoita, että massa voidaan muuntaa energiaksi ja päinvastoin.
Kehon kokonaisenergian, lepoenergian ja liikemäärän välillä on suhde:
Fotoni ja sen ominaisuudet
Kevyt on sähkömagneettisen säteilyn kvanttivirta, jota kutsutaan fotoneiksi. Fotoni on hiukkanen, joka kuljettaa valon energiaa. Se ei voi olla levossa, vaan liikkuu aina valonnopeutta vastaavalla nopeudella. Fotonilla on seuraavat ominaisuudet:
1. Fotonien energia on yhtä suuri kuin:
missä: h= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – Planckin vakio, ν on valon taajuus, λ on valon aallonpituus, c on valon nopeus tyhjiössä. Fotonin energia jouleina on hyvin pieni, joten matemaattisen mukavuuden vuoksi se mitataan usein järjestelmän ulkopuolisessa yksikössä - elektronivolteissa:
1 eV = 1,6∙10 -19 J.
2. Fotoni kulkee tyhjiössä valon nopeudella. c.
3. Fotonilla on vauhtia:
4. Fotonilla ei ole massaa meille tavanomaisessa merkityksessä (massa, joka voidaan mitata asteikoilla, laskettu Newtonin toisen lain mukaan ja niin edelleen), mutta Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan sillä on massa mittana. energiaa ( E = mc 2). Itse asiassa jokaisella keholla, jolla on jonkin verran energiaa, on myös massa. Jos ajatellaan, että fotonilla on energiaa, sillä on myös massa, joka löytyy seuraavasti:
5. Fotonilla ei ole sähkövarausta.
Valolla on kaksinainen luonne. Kun valo etenee, sen aaltoominaisuudet ilmaantuvat (häiriö, diffraktio, polarisaatio), ja vuorovaikutuksessa aineen kanssa korpuskulaarisia (valosähköinen vaikutus). Tätä valon kaksoisluonnetta kutsutaan aalto-hiukkanen kaksinaisuus.
ulkoinen valosähköinen efekti
valosähköinen ilmiö- ilmiö, joka koostuu valovirran ilmaantumisesta tyhjiöpulloon, kun katodi valaistaan monokromaattisella valolla, jolla on tietyn aallonpituus λ .
Kun jännite anodin yli on negatiivinen, katodin ja anodin välinen sähkökenttä hidastaa elektroneja. Annetun mittaaminen hidastava jännite jolloin valovirta katoaa, on mahdollista määrittää katodista pakenevien fotoelektronien suurin kineettinen energia:
Lukuisat kokeet ovat todenneet seuraavan valosähköisen vaikutuksen peruslakit:
- Valosähköinen vaikutus on inertiaton. Tämä tarkoittaa, että elektronit alkavat lentää metallista heti valosäteilytyksen alkamisen jälkeen.
- Fotoelektronien suurin kineettinen energia kasvaa lineaarisesti valotaajuuden kasvaessa ν eikä se riipu sen voimakkuudesta.
- Jokaiselle aineelle on ns punaisen reunan valokuvatehoste, eli alhaisin taajuus ν min (tai pisin aallonpituus λ max), jossa ulkoinen valosähköinen vaikutus on edelleen mahdollinen.
- Katodista valon vetämien valoelektronien määrä 1 sekunnissa on suoraan verrannollinen valon voimakkuuteen.
Vuorovaikutuksessa aineen kanssa fotoni siirtää kaiken energiansa E = hν yksi elektroni. Elektroni voi hajottaa osan tästä energiasta törmäyksessä aineatomien kanssa. Lisäksi osa elektronienergiasta kuluu metalli-tyhjiörajapinnan potentiaaliesteen ylittämiseen. Tätä varten elektronin on tehtävä työtoiminto A katodimateriaalin ominaisuuksien mukaan. Suurin kineettinen energia, joka katodista emittoidulla fotoelektronilla voi tässä tapauksessa olla, määräytyy energian säilymisen lain mukaan:
Tätä kaavaa kutsutaan Einsteinin yhtälö ulkoiselle valosähköiselle efektille. Einsteinin yhtälön avulla voidaan selittää kaikki ulkoisen valosähköisen vaikutuksen säännöllisyydet. varten punaisen reunan valokuvatehoste, Einsteinin kaavan mukaan voimme saada lausekkeen:
Bohrin postulaatit
Bohrin ensimmäinen postulaatti (stationaarinen tilapostulaatti): atomijärjestelmä voi olla vain erityisissä stationääri- tai kvanttitiloissa, joista jokainen vastaa tiettyä määrää n ja energiaa E n. Kiinteissä tiloissa atomi ei emittoi tai absorboi energiaa.
Tilalle, jolla on pienin energia, annetaan numero "1". Sitä kutsutaan pää. Kaikille muille tiloille on annettu järjestysnumerot "2", "3" ja niin edelleen. Niitä kutsutaan innoissaan. Atomi voi pysyä perustilassaan loputtomiin. Viritetyssä tilassa atomi elää jonkin aikaa (noin 10 ns) ja siirtyy perustilaan.
Bohrin ensimmäisen postulaatin mukaan atomille on ominaista energiatasojärjestelmä, joista jokainen vastaa tiettyä stationaarista tilaa. Suljettua reittiä positiivisesti varautuneen ytimen ympärillä liikkuvan elektronin mekaaninen energia on negatiivinen. Siksi kaikki paikallaan olevat tilat vastaavat energia-arvoja E n < 0. При E n≥ 0 elektroni siirtyy pois ytimestä (ionisaatiota tapahtuu). Arvo | E 1 | nimeltään ionisaatioenergiaa. Valtio energisesti E 1:tä kutsutaan atomin perustilaksi.
Bohrin toinen postulaatti (taajuussääntö): atomin siirtyessä yhdestä liikkumattomasta tilasta energialla E n toiseen liikkumattomaan tilaan energialla E m emittoituu tai absorboituu kvantti, jonka energia on yhtä suuri kuin paikallaan olevien tilojen energioiden välinen ero:
vetyatomi
Yksinkertaisin atomeista on vetyatomi. Se sisältää yhden elektronin. Atomin ydin on protoni - positiivisesti varautunut hiukkanen, jonka varaus on absoluuttisesti sama kuin elektronin varaus. Yleensä elektroni on ensimmäisellä (päävirittymättömällä) energiatasolla (elektroni, kuten mikä tahansa muu järjestelmä, pyrkii tilaan, jossa on minimienergia). Tässä tilassa sen energia on E 1 = -13,6 eV. Vetyatomissa täyttyvät seuraavat suhteet, jotka yhdistävät ytimen ympäri pyörivän elektronin liikeradan säteen, sen nopeuden ja energian ensimmäisellä kiertoradalla vastaaviin ominaisuuksiin muilla kiertoradoilla:
Millä tahansa vetyatomin kiertoradalla kineettinen ( Vastaanottaja) ja potentiaalinen ( P) elektronien energiat liittyvät kokonaisenergiaan ( E) seuraavilla kaavoilla:
atomiydin
Tällä hetkellä on vakaasti vahvistettu, että eri alkuaineiden atomiytimet koostuvat kahdesta hiukkasesta - protoneista ja neutroneista, joita yleensä kutsutaan nukleoneiksi. Useita merkintöjä otetaan käyttöön atomiytimien karakterisoimiseksi. Atomiytimen muodostavien protonien lukumäärä on merkitty symbolilla Z ja sitä kutsutaan varausnumeroksi tai atominumeroksi (tämä on sarjanumero Mendelejevin jaksollisessa taulukossa). Neutronien lukumäärä on merkitty symbolilla N. Nukleonien (eli protonien ja neutronien) kokonaismäärää kutsutaan massaluvuksi A, jolle voidaan kirjoittaa seuraava kaava:
Viestintäenergia. massavika
Ydinfysiikassa tärkein rooli on konseptilla ydinvoimaa sitova energia. Ytimen sitoutumisenergia on yhtä suuri kuin vähimmäisenergia, joka on käytettävä ytimen täydelliseen jakautumiseen yksittäisiksi hiukkasiksi. Energian säilymisen laista seuraa, että sitoutumisenergia on yhtä suuri kuin energia, joka vapautuu ytimen muodostumisen aikana yksittäisistä hiukkasista.
Minkä tahansa ytimen sitoutumisenergia voidaan määrittää mittaamalla tarkasti sen massa. Tällaiset mittaukset osoittavat, että minkä tahansa ytimen massa M i on aina pienempi kuin sen muodostavien protonien ja neutronien massojen summa: M minä< Zm p + N m n. Näiden massojen välinen ero on ns massavika, ja se lasketaan kaavalla:
Massavika voidaan määrittää käyttämällä Einsteinin kaavaa E = mc 2 tietyn ytimen muodostumisen aikana vapautuva energia eli ytimen sitoutumisenergia E St:
Mutta on helpompaa laskea sitoutumisenergia eri kaavalla (tässä massat otetaan atomiyksiköissä ja sitoutumisenergia saadaan MeV):
Radioaktiivisuus. Radioaktiivisen hajoamisen laki
Lähes 90 % tunnetuista atomiytimistä on epävakaita. Epästabiili ydin muuttuu spontaanisti toisiksi ytimiksi hiukkasten emission avulla. Tätä ytimien ominaisuutta kutsutaan radioaktiivisuus.
Alfa hajoaminen. Alfahajoaminen on protonien Z ja neutronien N lukumäärän sisältävän atomiytimen spontaani muuttuminen toiseksi (tytär)ytimeksi, joka sisältää protoneja Z - 2 ja neutroneja N - 2. Tässä tapauksessa α -hiukkanen - heliumatomin ydin 4 2 He. Alfa-hajoamisen yleinen kaavio:
Beta hajoaminen. Beetahajoamisen aikana elektroni (0 –1 e) lentää ulos ytimestä. Beta-hajoamisen kaavio:
Gammahajoaminen. Toisin kuin α - ja β -radioaktiivisuus γ -ytimien radioaktiivisuus ei liity ytimen sisäisen rakenteen muutokseen eikä siihen liity varaus- tai massalukujen muutosta. Kuten α - yhtä hyvin kuin β -hajoaminen, tytärydin voi olla jossain kiihtyneessä tilassa ja sillä voi olla ylimääräistä energiaa. Ytimen siirtyminen virittyneestä tilasta perustilaan liittyy yhden tai useamman γ -kvantit, joiden energia voi saavuttaa useita MeV.
Radioaktiivisen hajoamisen laki. Mikä tahansa näyte radioaktiivisesta materiaalista sisältää valtavan määrän radioaktiivisia atomeja. Koska radioaktiivinen hajoaminen on satunnaista eikä riipu ulkoisista olosuhteista, pienenevän määrän laki N(t) rappeutumaton tähän hetkeen asti t ytimet voivat toimia radioaktiivisen hajoamisprosessin tärkeänä tilastollisena ominaisuutena. Radioaktiivisen hajoamisen lailla on muoto:
Arvo T nimeltään puolikas elämä, N 0 on radioaktiivisten ytimien alkumäärä t= 0. Puoliintumisaika on radioaktiivisen hajoamisnopeuden pääasiallinen suuruus. Mitä lyhyempi puoliintumisaika, sitä voimakkaampi hajoaminen.
klo α - ja β Radioaktiivisessa hajoamisessa tytärydin voi myös olla epävakaa. Siksi sarja peräkkäisiä radioaktiivisia hajoamisia ovat mahdollisia, jotka päättyvät stabiilien ytimien muodostumiseen.
Ydinreaktiot
ydinreaktio- tämä on atomiytimen vuorovaikutusprosessi toisen ytimen tai alkuainehiukkasen kanssa, johon liittyy muutos ytimen koostumuksessa ja rakenteessa ja sekundaaristen hiukkasten vapautuminen tai γ - kvantti. Ydinreaktioiden seurauksena voi muodostua uusia radioaktiivisia isotooppeja, joita ei esiinny maapallolla luonnollisissa olosuhteissa.
Ydinreaktioissa toteutuu useita säilymislakeja: liikemäärä, energia, kulmaliikemäärä, varaus. Näiden klassisten säilymislakien lisäksi ydinreaktiot ovat voimassa niin sanotun baryonivarauksen säilymislaki(eli nukleonien - protonien ja neutronien - lukumäärä). Esimerkiksi yleisessä reaktiossa:
Seuraavat ehdot täyttyvät (nukleonien kokonaismäärä ennen ja jälkeen reaktion pysyy muuttumattomana):
Ydinreaktion energian saanto
Ydinreaktioihin liittyy energiamuutoksia. Ydinreaktion energian saanto on arvo:
missä: M A ja M B ovat alkutulojen massat, M C ja M D ovat lopullisten reaktiotuotteiden massat. Arvo Δ M nimeltään massavika. Ydinreaktiot voivat edetä vapautuessa ( K> 0) tai energian absorptiolla ( K < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |K|, jota kutsutaan reaktion kynnys.
Jotta ydinreaktiolla olisi positiivinen energiasaanto, alkutuotteiden ytimissä olevien nukleonien ominaissitoutumisenergian tulee olla pienempi kuin lopputuotteiden ytimien nukleonien spesifinen sitoutumisenergia. Tämä tarkoittaa, että arvo Δ M
Näiden kolmen kohdan onnistunut, ahkera ja vastuullinen toteuttaminen antaa sinulle mahdollisuuden näyttää TT:ssä erinomaisen tuloksen, maksimaalisen, mihin pystyt.
Löysitkö virheen?
Jos, kuten sinusta näyttää, löysit virheen koulutusmateriaaleista, kirjoita siitä postitse. Voit myös kirjoittaa virheestä sosiaaliseen verkostoon (). Ilmoita kirjeessä aihe (fysiikka tai matematiikka), aiheen tai kokeen nimi tai numero, tehtävän numero tai tekstin (sivun) paikka, jossa mielestäsi on virhe. Kerro myös, mikä väitetty virhe on. Kirjeesi ei jää huomaamatta, virhe joko korjataan tai sinulle selitetään, miksi se ei ole virhe.
2 1. Johdanto 1.1. Atomifysiikan aine, sen lyhyt kehityshistoria, tavoitteet ja tavoitteet 1.2. Perusmääritelmät. Elektroni, protoni, neutroni, atomi, ioni, molekyyli, nuklidi, atomiydin, kemiallinen alkuaine, isotoopit 1.3. Atomin ydin- ja kuoriominaisuudet 1.4. Fysikaalisten suureiden mittayksiköt atomifysiikassa. Elektroni-voltti. Mooli, Avogadron vakio, atomimassayksikkö, suhteellinen atomimassa. Energioiden, pituuksien, taajuuksien, massojen asteikot atomi- ja ydinfysiikassa 1.5. Klassinen, relativistinen ja kvanttifysiikka. Vauhtia ja energiaa 1.6. Fotoni. Fotonien energiaasteikko (sähkömagneettisen säteilyn asteikko)
3 Atomin fysiikka Atomifysiikka (atomin ja atomiilmiöiden fysiikka) on fysiikan haara, joka tutkii atomien rakennetta ja ominaisuuksia sekä alkuaineprosesseja, joihin atomit osallistuvat. atomit ja molekyylit, atomi- ja molekyyli-ionit, eksoottiset atomit ja muut mikrohiukkaset Atomifysiikan puitteissa tutkituissa ilmiöissä pääosassa ovat sähkömagneettiset vuorovaikutukset puolijohteet ja nanomateriaalit) Itse atomifysiikan teoreettinen perusta on kvanttiteoria ja kvanttielektrodynamiikka. atomifysiikan ja muiden fysiikan alojen välillä ei ole selkeää rajaa, ja kansainvälisen luokituksen mukaan atomifysiikka sisältyy atomi-, molekyylifysiikan ja optiikan alaan.
4 Lyhyt historia atomifysiikan kehityksestä Antiikin kreikkalaiset tiedemiehet (5.-2. vuosisadalla eKr.) käyttivät "atomin" käsitettä viittaamaan pienimpiin, jakamattomiin hiukkasiin, jotka muodostavat kaiken, mitä maailmassa on. atomistisia ideoita saatiin 1800-luvulla kemiallisessa ja fysikaalisessa tutkimuksessa Ajatus siitä, että atomi koostuu positiivisesti ja negatiivisesti varautuneista osista, perustettiin 1800-luvun jälkipuoliskolla. Vuonna 1897 J.J. Thomson löysi elektronin, ja pian todistettiin, että se on olennainen osa kaikkia atomeja.Ajatus atomista atomin ytimestä ja elektronikuoresta koostuvana järjestelmänä vahvisti E. fysiikka, ydinfysiikka erottui joukosta ja hieman myöhemmin alkeishiukkasfysiikka
5 Lyhyt atomifysiikan kehityksen historia Nykyaikaisen atomifysiikan perusta luotiin 1900-luvun alussa, jolloin N. Bohr selitti joukon atomin tärkeimpiä ominaisuuksia (1913) ja esitti kaksi " kvantti" -postulaatit Ensimmäisen mukaan atomilla on erityisiä (stationaarisia) tiloja, joissa jälkimmäinen ei säteile energiaa, vaikka sen koostumukseen sisältyvät varautuneet hiukkaset (elektronit) tekevät kiihdytettyä liikettä Toisen postulaatin mukaan atomin säteilyä esiintyy siirtyessä kiinteästä tilasta toiseen ja tämän säteilyn taajuus ν määräytyy ehdosta h = E – E (Bohrin taajuussääntö), jossa h on Planckin vakio, E ja E ovat arvoja. ensimmäinen postulaatti heijastaa atomin stabiilisuutta, toinen taajuuksien diskreettisyys atomispektreissä
6 Lyhyt atomifysiikan kehityksen historia Bohrin teoria, joka ei kyennyt täysin selittämään atomien ja molekyylien ominaisuuksia, korvattiin johdonmukaisella kvanttiteorialla, joka luotiin 1920- ja 1930-luvuilla (W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac) Siitä huolimatta Bohrin postulaatit säilyttävät edelleen merkityksensä ja ovat olennainen osa mikroskooppisten ilmiöiden fysiikan perusteita.Nykyaikaisen kvanttiteorian puitteissa annetaan täydellisin selitys atomin ominaisuuksista: muodostumisen periaatteet optisten ja röntgenspektrien, atomien käyttäytyminen magneettikentissä (Zeeman-ilmiö) ja sähkökentissä (Stark-ilmiö), elementtien jaksollinen järjestelmä ja kemiallisen sidoksen luonne perustettiin teoreettisesti, kehitettiin menetelmiä elektronirakenteen laskentaan. atomeista, molekyyleistä ja kiinteistä aineista (Hartree-Fockin itsekonsistenssikenttämenetelmä), luotiin uusia laitteita aineen rakenteen ja ominaisuuksien tutkimiseen (elektronimikroskooppi) Kvanttiteorian ideoiden kehittäminen (gi spinhypoteesi, Paulin periaate jne. puolestaan perustui kokeelliseen atomifysiikan tutkimukseen (atomien viivaspektrit, valosähköefekti, spektriviivojen hieno- ja hyperhienorakenne, Frankin ja Hertz, Davisson ja Germer, Stern ja Gerlach, Compton-ilmiö, deuteriumin ja muiden isotooppien löytäminen, Auger-ilmiö jne.)
7 Lyhyt historia atomifysiikan kehityksestä 1900-luvun toisella kolmanneksella atomifysiikan puitteissa ja kvanttiteorian ajatusten pohjalta kehitettiin uusia kokeellisia fysikaalisen tutkimuksen menetelmiä: elektronin paramagneettista resonanssia (EPR), fotoelektronispektroskopia (PES), elektroni-iskuspektroskopia (ESI) , laitteita niiden toteuttamiseen (maser, laser jne.) on luotu Kvanttiteorian perusperiaatteet (kvanttitilojen häiriöt, tasojen Lamb-siirtymä jne.) on saatu. suora kokeellinen vahvistus, uudet menetelmät aineen elektronirakenteen laskentaan (tiheysfunktionaaliteoria) ja ennustetut uudet fysikaaliset ilmiöt (superradianssi) On kehitetty menetelmiä kokeellisiin tutkimuksiin prosesseista, jotka tapahtuvat sähkö- ja magneettikenttien hallussa olevilla yksittäisillä atomeilla, ioneilla ja elektroneilla erikoiskokoonpano (atomi- ja ioni "loukut")
8 Lyhyt historia atomifysiikan kehityksestä Uudet tulokset atomifysiikan alalla 1900-luvun viimeisellä kolmanneksella ja 2000-luvun alussa liittyvät pääasiassa lasermittausten käyttöön yksittäisillä atomeilla ja molekyyleillä. atomien voimakkaasti virittyneiden tilojen ominaisuuksia, tutkia jopa useita femtosekunteja (10–15 s) kestävien atomien ja molekyylinsisäisten prosessien dynamiikkaa sekä yksittäisten atomien jäähtymistä ultramatalaan lämpötilaan Viime vuosikymmenien teoreettisia tutkimuksia atomifysiikka liittyy tietotekniikan nopeaan kehitykseen ja pyrkii kehittämään tehokkaita menetelmiä ja keinoja monielektronisten atomijärjestelmien rakenne ja ominaisuudet ottaen huomioon elektronien korrelaatioenergia, relativistiset kvanttimekaaniset ja kvanttielektrodynaamiset korjaukset
9 Atomifysiikka Atomifysiikan tutkimuksessa on löydetty monia tieteellisiä ja käytännön sovelluksia Teollisiin tarkoituksiin aineen alkuainekoostumuksen määrittämiseen käytetään atomispektrianalyysimenetelmiä, mukaan lukien EPR, FES ja SEA Ratkaisemaan geologisia, biologisia ja lääketieteelliset ongelmat, etä- ja paikallisen laserspektriatomianalyysin menetelmät, laserisotooppierottelua tehdään teollisiin ja teknisiin tarkoituksiin Astrofysiikassa käytetään atomifysiikan kokeellisia ja teoreettisia menetelmiä (tähtien aineen koostumuksen ja fysikaalisten ominaisuuksien määrittäminen ja tähtienvälinen väliaine, Rydberg-atomien tutkimus, metrologia (atomikellot) ja muut tieteen ja teknologian alueet
10 Atomifysiikan opintojakson tavoitteet ja tavoitteet Tieteen "Atomin fysiikka ja atomiilmiöt" päätavoitteena osana yleisen fysiikan kurssia on muodostaa perustiedot mikroskooppisten ilmiöiden fysiikasta atomi- molekyylitaso ja kyky soveltaa niitä sovellettavien ongelmien ratkaisemiseen Tavoitteen saavuttamiseksi ratkaistaan seuraavat tehtävät: – atomististen käsitteiden kehityksen ja kvanttikäsitteiden muodostumisen analyysi; – atomifysiikan tärkeimpien kokeellisten tosiasioiden ja niiden keskinäisten suhteiden tutkiminen; - mikroilmiöiden erityispiirteiden paljastaminen ja klassisen teorian epäonnistuminen selittää niitä; – kvanttimekaniikan perusteiden ja kvanttimekaanisten ongelmien ratkaisumenetelmien tutkiminen; – systemaattinen kvanttiteoriaan perustuva tutkimus ja selitys atomien ja molekyylien rakenteesta ja ominaisuuksista, niiden käyttäytymisestä ulkoisissa kentissä ja vuorovaikutuksessa toistensa kanssa
12 Elektroni Elektroni on stabiili alkuainehiukkanen, jolla on negatiivinen sähkövaraus Elektronin varauksen itseisarvo on yhtä suuri kuin alkuvaraus q e = –e –1,610 –19 C Elektronin massa m e = m –31 kg elektroni on ½ Elektronin magneettinen momentti on suunnilleen yhtä suuri kuin Bohrin magnetoni μ e – μ B - -4 eV / T Symbolia e tai e käytetään osoittamaan elektronia - Elektronit muodostavat kaikkien atomien ja ionien elektronikuoret. elektronilla on antihiukkaspositroni (e +)
15 Protoni Protoni on stabiili alkuainehiukkanen, jolla on positiivinen sähkövaraus Protonin varaus on yhtä suuri kuin alkuvaraus q p = e –19 C Protonin massa m p 1836m e –27 kg Protonin spin on ½ Magneettinen protonin momentti μ p –8 eV/T Protonilla on antipartikkelinen antiprotoni (p-)
16 Antiprotonin tuhoutuminen Antiprotoni (sininen raita) törmää protonin kanssa kuplakammiossa, jolloin syntyy neljä positiivista pionia (punaiset jäljet) ja neljä negatiivista pionia (vihreät jäljet) Keltainen raita kuuluu myonille, joka syntyy seurauksena pionien rappeutumisesta
17 Neutroni Neutronialkuainehiukkanen, jonka sähkövaraus on nolla. Neutronin elinikä vapaassa tilassa on noin 886 s Neutronin massa m n 1839m e –27 kg Neutronin spin on ½ Sähkövarauksen puuttumisesta huolimatta neutroni on magneettinen momentti μ n – –8 eV/T Neutroni merkitty symbolilla n tai n 0 Neutronilla on antihiukkanen antineutroni Protonit ja neutronit yhdistävät yleisnimitys nukleonit Atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista
18 Neutronit Koska neutroneilla ei ole sähkövarausta, ne eivät jätä jälkiä hiukkasilmaisinkammioihin Neutronit voidaan kuitenkin havaita niiden vuorovaikutuksesta muiden varautuneiden hiukkasten kanssa Väritetyssä kuvassa näkyy hiukkasjäljet pilvikammiossa, joka on täytetty vetykaasun, etyylialkoholin seoksella. ja vesi Neutronisäde tunkeutuu kammioon alhaalta ja aiheuttaa happi- ja hiiliatomien transmutaatioita, jotka ovat osa etyylialkoholin molekyylejä
19 Atomi Atomi on mikrohiukkanen, joka koostuu atomin ytimestä ja sitä ympäröivistä elektroneista (elektronikuori). Positiivisesti varautunut ydin pitää sisällään negatiivisesti varautuneita elektroneja sähköisten vetovoimien vaikutuksesta elektronin varaus on yhtä suuri kuin e, sitten kun elektronien lukumäärä kuori on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä ytimessä, atomin kokonaissähkövaraus on nolla. ), kuitenkin johtuen siitä, että protonin (kuten neutronin) massa on lähes 2 tuhatta kertaa suurempi kuin massa elektronin lähes koko atomin massa () on keskittynyt ytimeen
20 kultaatomia Au Kuva yhdestä kultaatomista, joka on saatu trSuurennusajat kokoon 35 mm
22 Piiatomit Si Trsaatu värillinen kuva piiatomeista, jossa näkyy kiteen yksikkökenno. Myös atomien väliset sidokset näkyvät Suurennusajat kokoon 35 mm
24 Uraaniatomit U Trsaatu värillinen kuva uraaniatomeista Pienet säännölliset pisteet ovat yksittäisiä atomeja, suuremmat muodostelmat 2–20 atomin klustereita Näkökenttä on noin 100 Å. Suurennus jopa 35 mm kokoon
25 Uranyylimikrokiteet UO 2 2+ Värillinen kuva uranyylimikrokiteistä, joka saatu trJokainen täplä edustaa yhtä uraaniatomia Suurennusajat 35 mm kokoon
27 Kemiallinen alkuaine, nuklidi, isotoopit Atomit, joiden ytimessä on tietty määrä protoneja Z, kuuluvat samaan kemialliseen alkuaineeseen. Lukua Z kutsutaan kemiallisen alkuaineen atominumeroksi. Atomien joukkoa, jonka ytimessä on tietty määrä protoneja Z ja neutroneja N, kutsutaan nuklidiksi. Nuklidit merkitään lisäämällä elementin nimeen massaluvun A arvo, joka on yhtä suuri kuin Z + N summa (esim. happi-16, uraani-235), tai sijoittamalla numero A lähelle elementti (16 O, 235 U). Saman alkuaineen nuklideja kutsutaan isotoopeiksi. Vetyatomin kevyimmän atomin, joka koostuu yhdestä protonista ja yhdestä elektronista, massa on m H 1,67 10 –27 kg. Jäljellä olevien atomien massat ovat noin A kertaa suurempia kuin m H. Luonnossa on 90 alkuainetta ja yli 300 erilaista nuklidia; Niistä 270 on vakaita, loput radioaktiivisia. Keinotekoisesti saaduista radioaktiivisista nuklideista.
31 Ionit Elektronien poistamista tai kiinnittymistä atomiin kutsutaan ionisaatioksi Jos elektronien lukumäärä kuoressa on pienempi kuin Z, saadaan positiivinen atomi-ioni, jos enemmän kuin Z on negatiivinen. Eli ioni on sähköisesti varautunut atomi (tai molekyyli), joka muodostuu, kun yksi tai useampi elektroni irtoaa tai kiinnittyy neutraaliin atomiin (tai molekyyliin)
32 ionit Positiivisesti varautuneita ioneja kutsutaan kationeiksi, negatiivisesti varautuneiksi anioneiksi. Ionit on merkitty kemiallisella symbolilla, jonka indeksi ilmaisee moninkertaisuuden (varauksen määrää alkuainevarauksen yksiköissä) ja ionin etumerkkiä: H -, Na +, UO 2 2+ Ionit voivat olla molemmat stabiileja muodostumia (yleensä liuoksissa tai kiteissä), niin ja epästabiileja (kaasuissa normaaleissa olosuhteissa) atomikationeja voidaan saada +(Z - 1) varaukseen asti. Ionikiihdyttimillä saatiin siis esimerkiksi U 90+ ja U 91+. Vapaassa tilassa ei ole atomianioneja, joiden varaus on 2 tai enemmän.
34 Molekyyli Molekyyli on aineen pienin stabiili hiukkanen, joka koostuu useammasta kuin yhdestä atomista Molekyylille on tunnusomaista tietty atomiytimien koostumus, elektronien lukumäärä ja avaruudellinen rakenne Kemiallisia kaavoja käytetään osoittamaan kvantitatiivisia ja molekyylien laadullinen koostumus: O 2 (happimolekyyli), H 2 O (molekyyli vesi), CH 4 (metaanimolekyyli), C 6 H6 (bentseenimolekyyli), C 60 (fullereenimolekyyli)
39 DNA-molekyyli Värillinen kuva DNA-molekyylistä saatiin trKorkeatyhjiökammiossa DNA-näyte päällystetään ohuella kerroksella platinaa. Metallipinnoite antaa kontrastikuvan elektronimikroskoopissa.
40 Atomin ydin- ja kuoriominaisuudet Ydinominaisuudet Kuoren ominaisuudet Ytimen koostumuksen määräämä: radioaktiivisuus, kyky osallistua ydinreaktioihin jne. Määräytyy elektronikuoren rakenteen mukaan: kemiallinen, fysikaalinen (sähköinen, magneettinen, optinen jne. .) 42 Energia Energian yksikkö SI:ssä on joule (J), mutta atomifysiikan esineiden ja ilmiöiden energia-arvoissa tällaista yksikköä käytetään harvoin. järjestelmän energiayksikkö, jota kutsutaan elektronivoltiksi (eV, eV), joka kulkee 1 voltin kiihdyttävän potentiaalieron läpi: 1 eV = J –6 eV) elektronivolttiyksikköä, samoin kuin joitain muita: rydberg (Rydberg, Ry), hartree (hartree, Ha tai atomiyksikkö, a. e.) Rydberg on numeerisesti yhtä suuri kuin ionisaatioenergia vetyatomin perustilasta ytimen äärettömän massan approksimaatiossa: 1 Ry eV Hartree on yhtä suuri kuin vetyatomin perustilassa olevan elektronin potentiaalienergian absoluuttinen arvo äärettömän approksimaatiossa ytimen massa: 1 Ha = 2 Ry eV Atomijärjestelmien tilojen energiat sekä tilojen väliset siirtymät voidaan mitata muissa yksiköissä
43 Massa Massan yksikkö SI:nä on kilogramma (kg), mutta atomifysiikan esineiden massojen mittaamiseen käytetään järjestelmän ulkopuolista mittayksikköä, jota kutsutaan atomimassayksiköksi (amu). on yhtä suuri kuin 1/12 sitoutumattoman, virittymättömän hiili-12-atomin massasta (12 C): 1 a. e. m kg 1 a. mu on suunnilleen yhtä suuri kuin yhden protonin tai neutronin massa Suhteellinen atomimassa on atomin massa ilmaistuna a. e.m. Avogadron vakio N A on fysikaalinen vakio, joka on numeerisesti yhtä suuri kuin atomien lukumäärä 12 g:ssa puhdasta hiili-12-isotooppia: N A mol –1 mooli (aineen määrän yksikkö SI:ssä) sisältää määritelmän mukaan N A -rakenneelementtejä (atomeja) , molekyylit, ionit).
44 Pituus Pituuden SI-yksikkö on metri (m). 1 metri on yhtä suuri kuin matka, jonka valo kulkee tyhjiössä aikavälillä, joka on 1/sekunti. Lukuun ottamatta sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksien mittauksia radioalueella, tällaista pituusyksikköä käytetään harvoin atomifysiikassa, ja sen sijaan lineaaristen mittojen ja aallonpituuksien mittaamiseen käytetään useita metrin yksiköitä: senttimetri ( cm, 1 cm \u003d 10 -2 m), millimetri (mm, 1 mm = 10–3 m), mikrometri (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanometri (nm, 1 nm = 10–9 m), pikometri (pm, 1 pm = 10–12 m ) ja muut, sekä järjestelmän ulkopuoliset yksiköt: angstrom (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m), boori (tai Bohrin säde) (1 boori Å)
45 Aika SI-ajan yksikkö on sekunti (s). atomiaikastandardi: yksi sekunti (tai atomisekunti) on yhtä suuri kuin sähkömagneettisen säteilyn jaksot, jotka vastaavat isotoopin 133 Cs (cesium-133) perustilan hyperhienorakenteen kahden tason välistä energiasiirtymää. Nopeiden prosessien kesto atomifysiikassa mitataan yleensä sekunnin murto-osissa: nano-, piko- tai femtosekunteina (ns, ps, fs, 1 fs = 10 -15 s)
46 Fysikaalisten suureiden asteikot atomi- ja ydinfysiikassa Atomifysiikan ilmiöille on tunnusomaista mitat 10–12 m (raskaiden atomien sisäkuoret) nanometrin kymmenesosaan (atomien ja pienten molekyylien koot), energiat 10–6 eV (tasojen hyperhieno rakenne) 10 5 eV:iin (sisäisten alikuorten elektronien sitoutumisenergiat), aikoja kymmenistä femtosekunneista (ultralyhyiden laserpulssien kesto) tuhansiin sekunteihin (atomien metastabiilien tilojen elinajat) Molekyylien tyypilliset koot ovat 0,1 -1 nm. Pienimmän molekyylin (H 2) ytimien välinen etäisyys on nm. DNA-makromolekyylillä ja monilla polymeereillä voi olla makroskooppisia mittoja. Näin ollen laskostumattoman DNA-kierteen pituus voi olla useita senttimetrejä noin 2 nm:n leveydellä.
47 Fotoni Fotoni eli sähkömagneettisen säteilyn kvantti (kenttä) on massaton alkuainehiukkanen, jolla ei ole sähkövarausta Tyhjiössä fotoni liikkuu nopeudella c Fotonin spin on yhtä suuri kuin 1. spin fotonin etenemissuuntaa vastaan kohtisuoraan suuntiin määrittää sen polarisaation tilan γ
· Röntgenspektrianalyysi · Radiospektroskopia
Atomifysiikka- fysiikan haara, joka tutkii atomien rakennetta ja ominaisuuksia. Atomifysiikka syntyi 1800-luvun lopulla - 1900-luvun alussa kokeiden tuloksena, jotka vahvistivat, että atomi on positiivisesti varautuneen ytimen ja negatiivisesti varautuneiden elektronien järjestelmä, ja se kehitettiin rakennetta selittävän kvanttimekaniikan luomisen yhteydessä. atomista. Atomin ytimen rakennetta tutkitaan ydinfysiikassa.
Yleistä tietoa [ | ]
Nykyaikainen atomifysiikka perustuu kvanttimekaaniseen teoriaan, joka kuvaa fysikaalisia ilmiöitä atomi-molekyylitasolla. Atomifysiikka pitää atomia positiivisesti varautuneiden ytimien ja negatiivisesti varautuneiden elektronien järjestelmänä. Tämän systeemin ja siinä tapahtuvien alkuaineprosessien ominaisuudet määräytyvät sähkömagneettisen vuorovaikutuksen perusteella, toisin kuin ydinfysiikassa ja alkeishiukkasfysiikassa, joissa vahvalla vuorovaikutuksella ja heikolla vuorovaikutuksella on olennainen rooli.
Tarina [ | ]
Atomin planeettamalli
Ajatuksen pienimpien jakamattomien hiukkasten - atomien - olemassaolosta muotoilivat ensin muinaiset kreikkalaiset filosofit Leucippus, Demokritos ja Epikuros. 1600-luvulla tätä ajatusta jatkettiin ranskalaisten filosofien P. Gassendin ja R. Descartesin sekä englantilaisen kemistin R. Boylen teoksissa. Tämän ajanjakson atomistiikka oli melko spekulatiivista, ideat atomeista olivat kuin pysyviä, jakamattomia hiukkasia, eri kokoisia ja muotoisia, vailla kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia, joiden yhdistelmästä kaikki aineelliset kappaleet koostuvat. I. Newtonin ja M. V. Lomonosovin teoksissa tehtiin oletuksia mahdollisuudesta yhdistää atomeja monimutkaisempiin rakenteiksi - verisoluiksi.
Tärkeimmät virstanpylväät atomifysiikan historiassa olivat englantilaisen fyysikon J. J. Thomsonin vuonna 1897 tekemä elektronin löytäminen ja ranskalaisten tiedemiesten M. Sklodowska-Curien ja P. Curien radioaktiivinen hajoaminen, jotka muuttivat idean atomista. vuorovaikutuksessa olevien varautuneiden hiukkasten järjestelmänä hollantilaisen fyysikon X. Lorenzin teorian mukaan. Näiden tutkimusten perusteella Thomson ehdotti vuonna 1903 mallia atomista pallon muodossa, jossa on positiivinen varaus ja jonka välissä on pieniä negatiivisen varauksen omaavia hiukkasia - elektroneja, joita pidetään atomissa vetovoiman yhtäläisen vetovoiman vuoksi. positiivinen varaus elektronien keskinäisen hylkimisen voimille. F. Soddyn radioaktiivisuuden lisätutkimukset johtivat isotooppien löytämiseen, mikä tuhosi tieteellisiä käsityksiä yhden kemiallisen alkuaineen kaikkien atomien absoluuttisesta identiteetistä. Tärkeä rooli oli myös A. G. Stoletovin tutkimuksella valosähköisestä vaikutuksesta ja A. Einsteinin tämän ilmiön lisäselityksestä.
Atomin planeettamallissa oli useita puutteita, joista merkittävin liittyi teoreettisesti oikeaan elektronienergian häviöön: koska elektroni pyörii atomin ympäri, siihen vaikuttaa keskipetaalinen kiihtyvyys, ja Larmorin kaavan mukaan mikä tahansa kiihtyvyydellä liikkuva varautunut hiukkanen säteilee energiaa. Jos elektroni menettää energiaa, sen täytyy lopulta pudota ytimeen, mitä ei tapahdu todellisuudessa. Atomimallin jalostaminen tuli mahdolliseksi vain saksalaisen fyysikon löytämien täysin uusien atomin käsitysten näkökulmasta.
Kemiasta ja aiemmista fysiikan osioista tiedämme, että kaikki kappaleet on rakennettu yksittäisistä, hyvin pienistä hiukkasista - atomeista ja molekyyleistä. Atomit ovat kemiallisen alkuaineen pienimmät hiukkaset. Molekyyli on monimutkaisempi hiukkanen, joka koostuu useista atomeista ...
§ 195. Avogadron vakio. Atomien mitat ja massat
Yksi atomifysiikan tärkeimmistä vakioista on Avogadro-vakio (katso osa I, § 242) - rakenneelementtien (atomien, molekyylien, ionien jne.) lukumäärä aineen moolissa. Tietäen Avogadro-vakion, voidaan löytää yksittäistä atomia kuvaavia määriä: massa ...
§ 196. Sähkövaraus
Faradayn löytämät elektrolyysin lait todistavat pienimpien, jakamattomien sähkömäärien olemassaolon puolesta. Elektrolyysin aikana yksi mooli mitä tahansa - valenssielementtiä siirtää kulonivarauksen (- Faradayn vakio). Yhdelle atomille (tarkemmin sanottuna io ...
§ 197. Varauksen, massan ja energian yksiköt atomifysiikassa
Joten minkä tahansa hiukkasen varaus sisältää aina kokonaislukumäärän alkuainevarauksia. Atomikokoiselle hiukkaselle tämä kokonaisluku on myös pieni. Tämän vuoksi atomifysiikassa on tarkoituksenmukaista ottaa sähkövarauksen yksikkönä alkuainevaraus. Yhdelle...
§ 198. Varautuneiden hiukkasten massan mittaus. massaspektrografi
Sähkön kulusta tiedämme, että magneettikentässä liikkuvaan varautuneeseen hiukkaseen vaikuttaa Lorentzin voimaksi kutsuttu voima. Lorentzin voima on kohtisuorassa magneettikenttään ja hiukkasen nopeuteen nähden, ja sen suunta määräytyy vasemman käden säännön mukaan (kuva....
§ 199. Elektronin massa. Massa vs. nopeus
Kokeessa, jossa mitattiin elektronin massa massaspektrografilla, valokuvalevyltä löytyy vain yksi nauha. Koska jokaisen elektronin varaus on yhtä suuri kuin yksi alkuvaraus, päätämme, että kaikilla elektroneilla on sama massa...
§ 200. Einsteinin laki
Edellisessä kappaleessa määritimme suhteen kehon kineettisen energian ja sen massan välille: jos keholle annetaan liike-energiaa, sen massa kasvaa tietyllä määrällä. Tämä yhteys on luonteeltaan yleinen: se koskee kaikkia vartaloja - suuria ja pieniä, aamunkoittoa ...
§ 201. Atomien massat, isotoopit
Harkitse positiivisten ionien massan mittauskokeiden tuloksia. Kuvassa 352 on neonpositiivisten ionien massaspektrogrammi. Spektrogrammissa näkyy selvästi kolme eri intensiteettiä olevaa vyöhykettä. Vertaamalla etäisyyksiä nauhoista rakoon, voimme...
§ 202. Isotooppien erottaminen. Raskasta vettä
Kaikki tietyn alkuaineen isotoopit osallistuvat samoihin kemiallisiin reaktioihin ja muodostavat kemiallisia yhdisteitä, jotka ovat lähes erottamattomia liukoisuudeltaan, haihtuvuudeltaan ja vastaavilta ominaisuuksiltaan, joita käytetään kemiassa alkuaineiden erottamiseen. Siksi perinteiset kemialliset menetelmät...
§ 203. Atomin ydinmalli
Edellisissä kappaleissa tutustuimme atomien kokoa ja massaa koskeviin tietoihin. Siirrytään nyt kysymykseen atomin sisäisestä rakenteesta. Radioaktiivisuuden ilmiöiden löytäminen vaikutti atomin rakenteen tutkimukseen. Käsittelemme näitä ilmiöitä yksityiskohtaisesti luvussa. X...
§ 204. Atomien energiatasot
Sirontakokeet - hiukkaset paljastivat atomeissa raskaan positiivisen ytimen ja elektronikuoren. Lisätietoa atomien ominaisuuksista antoi sellaisten atomiprosessien tutkiminen, joihin liittyy atomin sisäisen energian muutos. KANSSA...
§ 205. Valon pakotettu säteily. kvanttigeneraattorit
N. Bohr esitteli atomien kvanttienergiatasojen käsitteen fysiikkaan vuonna 1913. Se selitti hyvin luonnollisesti viivaatomispektrit spontaanin (spontaanin) emission ja resonanssin (selektiivisen) prosessien seurauksena ...
§ 206. Vetyatomi. Elektronin liikelakien erikoisuus atomissa
Erillisten energiatasojen olemassaolo on atomien (samoin kuin molekyylien ja atomiytimien) perusominaisuus. Yritetään soveltaa meille tunnettuja fysiikan lakeja kuvitellaksemme atomin rakenteen, mikä selittää sen energian diskreetin ...
§ 207. Monielektroniatomit. Atomien optisten ja röntgenspektrien alkuperä
Aivan kuten vetyatomissa, monimutkaisemmissa atomeissa elektronit voivat liikkua ytimen ympäri vain tietyillä valituilla kiertoradoilla. Erilaiset kokeelliset tiedot osoittavat, että atomin mahdolliset elektronien kiertoradat on ryhmitelty kuorijärjestelmään...
§ 208. Mendelejevin jaksollinen elementtijärjestelmä
D. I. Mendelejevin löytämä alkuaineiden kemiallisten ominaisuuksien jaksollinen muutoslaki heijastaa atomien rakenteen syviä lakeja; siksi se on ensiarvoisen tärkeää kemian lisäksi myös fysiikan kannalta. Oikea rakenneteoria...
§ 209. Fotonien kvantti- ja aaltoominaisuudet
Kuten §:ssä 184 mainitaan, A. Einstein selitti valosähköisen vaikutuksen lait vuonna 1905 käyttämällä valokvantien (fotonien) käsitettä. Näiden ideoiden mukaan sähkömagneettisen kentän energiaa ei voida jakaa mielivaltaisiin osiin, vaan se säteilee ja absorboituu...
§ 210. Kvantti (aalto)mekaniikan käsite
Atomin rakenteen tutkiminen johti siihen johtopäätökseen, että elektronien käyttäytyminen atomissa, samoin kuin fotonien käyttäytyminen, ovat ristiriidassa klassisen fysiikan tavanomaisten lakien kanssa, toisin sanoen niiden lakien kanssa, jotka on vahvistettu makroskooppisten mittojen kappaleilla tehdyissä kokeissa. Diskreettien olemassaolo...
§ 211. Radioaktiivisuuden havaitseminen. radioaktiivisia elementtejä
Uraanilla, toriumilla ja joillakin muilla alkuaineilla on ominaisuus jatkuvasti ja ilman ulkoisia vaikutuksia (eli sisäisten syiden vaikutuksesta) lähettää näkymätöntä säteilyä, joka, kuten röntgensäteet, pystyy tunkeutumaan läpinäkymättömän ...
§ 212. a-, b- ja y-säteily. Wilsonin kammio.
Kuten olemme nähneet, radioaktiivisella säteilyllä on ionisoiva ja valokuvaava vaikutus. Molemmat toiminnot ovat ominaisia sekä nopeasti varautuneille hiukkasille että röntgensäteille, jotka ovat sähkömagneettisia aaltoja. Saadaksesi selville, onko sillä...
§ 213. Menetelmät varautuneiden hiukkasten havaitsemiseksi
"Mikromaailmaa" koskevan tiedon kehittämisessä, erityisesti radioaktiivisuusilmiöiden tutkimuksessa, poikkeuksellinen rooli oli laitteilla, jotka mahdollistavat yhden atomimittaisen hiukkasen merkityksettömän vaikutuksen rekisteröinnin. Yksi näistä mahtavista työkaluista on...
§ 214. Radioaktiivisen säteilyn luonne
1. säteily. Säteilyn ominaisuudet ovat samanlaiset kuin röntgensäteillä. Kuten röntgensäteet, se ionisoi ilman, vaikuttaa valokuvauslevyyn, eikä magneettikenttä käännä sitä. Kun säteily kulkee kiteiden läpi, kuten röntgensäteet...
§ 215. Radioaktiivinen hajoaminen ja radioaktiiviset muunnokset
Radioaktiivisuuden tutkimus vakuuttaa meidät siitä, että radioaktiivista säteilyä lähettävät radioaktiivisten alkuaineiden atomiytimet. Tämä on ilmeistä hiukkasten suhteen, koska niitä ei yksinkertaisesti ole elektronikuoressa. Hiukkasten ydinalkuperä on todistettu Chem...
§ 216. Radioaktiivisuuden sovellukset
1. Biologiset vaikutukset. Radioaktiivisella säteilyllä on tuhoisa vaikutus eläviin soluihin. Tämän toiminnan mekanismi liittyy atomien ionisaatioon ja molekyylien hajoamiseen solujen sisällä nopeasti varautuneiden hiukkasten läpikulun aikana. Erityisen herkkä ja...
