Fisika atom muncul pada pergantian abad ke-19 dan ke-20 atas dasar studi spektrum optik gas, penemuan elektron dan radioaktivitas. Pada tahap pertama perkembangannya (kuartal pertama abad ke-20), fisika atom terutama berkaitan dengan pengungkapan struktur atom dan mempelajari sifat-sifatnya. Eksperimen E. Rutherford pada hamburan partikel-a oleh lembaran logam tipis (1908-1911) mengarah pada penciptaan model atom planet; menggunakan model ini, N. Bohr (1913) dan A. Sommerfeld (1915) mengembangkan teori kuantitatif pertama tentang atom (lihat Atom). Studi selanjutnya tentang sifat-sifat elektron dan atom mencapai puncaknya pada penciptaan pada pertengahan 20-an. mekanika kuantum - teori fisik yang menjelaskan hukum dunia mikro dan memungkinkan seseorang untuk secara kuantitatif mempertimbangkan fenomena di mana partikel mikro berpartisipasi (lihat mekanika kuantum).

Mekanika kuantum adalah dasar teoritis fisika atom. Pada saat yang sama, fisika atom memainkan peran semacam "tempat pengujian" untuk mekanika kuantum. Ide dan kesimpulan mekanika kuantum, yang sering kali tidak sesuai dengan pengalaman kita sehari-hari, diuji secara eksperimental dalam fisika atom. Sebuah contoh yang mencolok adalah eksperimen terkenal dari Frank - Hertz (1913) dan Stern - Gerlach (1922); di bawah ini kita akan membahasnya secara lebih rinci.

Pada awal abad XX. banyak materi terakumulasi pada spektrum optik atom. Ditemukan bahwa setiap unsur kimia memiliki spektrum garisnya sendiri, yang dicirikan oleh susunan garis spektral yang teratur dan teratur. Mekanika kuantum menghubungkan pola yang diamati dalam spektrum dengan sistem tingkat energi atom tertentu. Pada tahun 1913, fisikawan Jerman J. Frank dan G. Hertz melakukan percobaan yang memberikan konfirmasi eksperimental langsung bahwa energi internal atom terkuantisasi dan karena itu hanya dapat berubah secara diskrit, yaitu dalam bagian tertentu. Mereka mengukur energi elektron bebas yang dihabiskan untuk eksitasi atom merkuri. Elemen utama instalasi adalah silinder kaca yang dievakuasi dengan tiga elektroda yang disolder: katoda, anoda, kisi (prototipe trioda vakum modern). Silinder berisi uap merkuri pada tekanan 1 mm Hg. Seni. Elektron yang meninggalkan katoda dipercepat di medan antara katoda dan grid (tegangan percepatan U) dan kemudian diperlambat di medan antara grid dan anoda (tegangan pengereman U 1). Dalam perjalanan dari katoda ke anoda, elektron bertabrakan dengan atom merkuri. Tegangan U1 dipilih jauh lebih kecil daripada U\; oleh karena itu, hanya elektron yang cukup lambat yang ditolak dari anoda - elektron yang kehilangan energi) sebagai akibat tumbukan tidak elastik dengan atom merkuri. Dalam percobaan, kuat arus anoda diukur tergantung pada tegangan percepatan U. Kurva percobaan memiliki jarak maksimum bersih 4,9 V satu sama lain.Bentuk kurva ini dijelaskan sebagai berikut. Di U< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.

Dengan pengaturan eksperimen yang lebih hati-hati dari jenis ini, adalah mungkin untuk mendeteksi eksitasi tingkat energi atom berikut: untuk merkuri ini adalah 6,7; 8,3 eV, dll. (10,4 eV adalah potensial ionisasi). Pengamatan pancaran gas menunjukkan penampakan spektrum penuh untuk atom merkuri.

Sebuah elektron yang bergerak di sekitar inti atom dapat disamakan dengan arus listrik dasar; itu menghasilkan medan magnet. Medan magnet dari berbagai elektron, bertambah, membentuk medan magnet atom. Untuk mengkarakterisasinya, besaran vektor yang disebut momen magnetik diperkenalkan. Jika elektron benar-benar mengisi satu atau beberapa kulit lainnya (1s, 2s, 2p, dll.), maka medan magnetnya saling meniadakan; momen magnetik atom-atom yang bersesuaian sama dengan nol.

Pada tahun 1922 di Jerman, O. Stern dan W. Gerlach melakukan eksperimen yang menunjukkan bahwa momen magnetik atom terkuantisasi secara spasial. Mereka mengirim seberkas atom dengan momen magnetik melalui medan magnet yang tidak homogen dan mempelajari penyimpangan atom di bawah aksi medan ini. Derajat dan sifat deviasi tergantung pada orientasi momen magnetik atom terhadap arah medan. Jika balok berisi atom dengan semua kemungkinan orientasi momen magnetik, maka "pengolesan" sudut kontinu dari balok asli akan diamati. Dalam percobaan, bagaimanapun, pemisahan yang jelas dari seberkas atom menjadi beberapa berkas diamati; ini berarti bahwa momen magnetik atom terkuantisasi secara spasial - proyeksinya pada arah medan magnet hanya dapat memiliki nilai tertentu (diskrit).

Mari kita beralih ke distribusi penyimpangan atom natrium dalam medan magnet yang tidak seragam (diperoleh pada tahun 1930). Distribusi ini memiliki dua maxima yang berbeda. Atom natrium memiliki tiga kulit yang terisi (1s, 2s, 2p) dan satu elektron 3s. Awan elektron dari elektron-s berbentuk bola simetris (lihat Atom), sehingga pergerakannya di bidang nukleus tidak menyebabkan munculnya momen magnetik. Untuk menjelaskan pemisahan berkas atom natrium yang diamati menjadi dua komponen, perlu diasumsikan bahwa elektron memiliki momen magnetnya sendiri, yang tidak terkait dengan gerakan elektron di sekitar nukleus. Momen magnetik ini secara kondisional terkait dengan rotasi elektron di sekitar sumbunya sendiri dan disebut momen spin (lihat Spin). Momen magnetik elektron, yang terkait dengan pergerakannya di sekitar nukleus, disebut momen orbital. Jadi, dalam kasus atom natrium, momen orbital dan momen spin elektron di kulit yang terisi saling mengimbangi; momentum orbital elektron 3s adalah nol, dan momentum putaran elektron ini menyebabkan berkas atom natrium terbelah dalam medan magnet yang tidak seragam. Fakta bahwa membelah menjadi dua berkas diamati berarti bahwa momen putaran elektron memiliki dua proyeksi pada arah medan magnet.

Di usia 30-an. abad kita, tahap baru dalam pengembangan fisika atom dimulai. Selama tahun-tahun ini, menjadi jelas bahwa sifat interaksi yang bertanggung jawab atas proses di dalam inti atom dan menjelaskan stabilitas atau radioaktivitas inti sama sekali berbeda dibandingkan dengan interaksi yang menentukan proses yang terjadi di kulit elektron atom (lihat Kesatuan kekuatan alam). Sehubungan dengan ini, muncul arah ilmiah tersendiri dari fisika atom, yang berhubungan dengan penelitian fisika inti atom; di tahun 40-an. arah ini terbentuk dalam ilmu fisika independen - fisika nuklir. Akhirnya, di tahun 50-an. dari fisika nuklir, cabang yang terhubung dengan studi tentang sistematika dan interkonversi partikel elementer, - fisika partikel elementer, dipisahkan.

Akibatnya, rentang pertanyaan yang cukup pasti terungkap yang merupakan isi fisika atom modern. Dia tidak tertarik pada proses yang terjadi di inti atom, serta interkonversi partikel elementer. Fisika atom mempelajari proses yang melibatkan atom atau ion, apalagi hanya proses yang tidak menyebabkan perubahan inti atom. Akibatnya, kita berbicara tentang proses yang hanya mempengaruhi kulit elektron atom. Untuk serupa

proses meliputi: perubahan keadaan elektron dalam atom di bawah pengaruh medan listrik atau magnet eksternal (misalnya, di bawah pengaruh medan eksternal, tingkat energi atom dibagi); penyerapan dan emisi radiasi elektromagnetik oleh atom (lihat Spektroskopi, Sinar-X, Efek fotolistrik, Laser); tumbukan atom dengan elektron bebas, serta dengan atom, ion, molekul lain (sebagai akibat tumbukan dengan elektron atau benda mikro lainnya, atom dapat tereksitasi, berubah dari keadaan tereksitasi ke keadaan kurang tereksitasi, berubah menjadi ion , lihat Pelepasan listrik dalam gas); interaksi kulit elektron dari berbagai atom, yang mengarah pada pembentukan molekul dan kristal. Semua proses ini disebabkan oleh interaksi elektromagnetik. Probabilitas dari proses ini dihitung dengan menggunakan peralatan mekanika kuantum.

Fisika atom modern juga menyelidiki jenis atom khusus yang disebut mesoatom. Sebuah mesoatom muncul dari atom biasa sebagai akibat dari penggantian salah satu elektron dengan muon (μ-), antimeson (π-, K-), antiproton, atau hiperon bermuatan negatif (lihat Hadron, Lepton). Ada juga atom "hidrogen" anomali - positronium, muonium, di mana peran proton dimainkan oleh positron atau antimuon bermuatan positif (μ +). Semua atom ini tidak stabil; masa hidup mereka dibatasi oleh masa hidup partikel yang disebutkan di atas atau oleh proses pemusnahan e+ e- dan pp. Mesoatom terbentuk dalam proses perlambatan partikel - sebagai akibat dari penangkapan partikel bermuatan negatif oleh bidang Coulomb inti atom atau selama penangkapan elektron atom oleh positron dan antimuon. Eksperimen dengan berbagai atom anomali sangat menarik baik untuk mempelajari sifat-sifat materi maupun untuk mempelajari inti dan partikel elementer.

Fisika atom

cabang fisika yang mempelajari struktur dan keadaan atom. A.F. berasal dari akhir abad ke-19 dan awal abad ke-20. Dalam 10-an. abad ke-20 Ditemukan bahwa atom terdiri dari inti dan elektron yang dihubungkan oleh gaya listrik. Pada tahap pertama pembangunan A. f. juga membahas masalah-masalah yang berkaitan dengan struktur inti atom. Di usia 30-an. ternyata sifat interaksi yang terjadi di inti atom berbeda dengan di kulit terluar atom, dan di tahun 40-an. fisika nuklir muncul sebagai bidang ilmu independen. Di tahun 50-an. fisika partikel dasar, atau fisika energi tinggi, terlepas darinya.

Prasejarah fisika atom: doktrin atom pada abad ke-17 hingga ke-19. Gagasan tentang keberadaan atom sebagai partikel materi yang tak terpisahkan muncul di zaman kuno; Ide atomisme pertama kali diungkapkan oleh pemikir Yunani kuno Democritus dan Epicurus. Pada abad ke-17 mereka dihidupkan kembali oleh filsuf Prancis P. Gassendi dan ahli kimia Inggris R. Boyle.

Ide-ide tentang atom yang berlaku pada abad ke-17 dan ke-18 tidak terdefinisi dengan baik. Atom dianggap sebagai partikel padat yang benar-benar tidak dapat dibagi dan tidak dapat diubah, berbagai jenisnya berbeda satu sama lain dalam ukuran dan bentuk. Kombinasi atom dalam satu urutan atau bentuk lain berbagai badan, pergerakan atom menentukan semua fenomena yang terjadi dalam materi. I. Newton, M. V. Lomonosov dan beberapa ilmuwan lain percaya bahwa atom dapat saling mengunci menjadi partikel yang lebih kompleks - "sel darah". Namun, atom tidak diberi sifat kimia dan fisik tertentu. Atomistik masih bersifat abstrak, natural-filosofis.

Pada akhir abad ke-18 - awal abad ke-19. sebagai hasil dari perkembangan kimia yang pesat, dasar untuk pengembangan kuantitatif ilmu atom telah dibuat. Ilmuwan Inggris J. Dalton untuk pertama kalinya (1803) mulai menganggap atom sebagai partikel terkecil dari suatu unsur kimia, yang berbeda dari atom unsur lain dalam massanya. Menurut Dalton, ciri utama atom adalah massa atomnya. Senyawa kimia adalah kumpulan "atom komposit" yang mengandung jumlah atom tertentu (karakteristik untuk zat kompleks tertentu) dari setiap unsur. Semua reaksi kimia hanyalah penataan ulang atom menjadi partikel kompleks baru. Berdasarkan ketentuan ini, Dalton merumuskan hukum rasio ganda (lihat. Hukum rasio berganda). Studi ilmuwan Italia A. Avogadro (1811) dan, khususnya, S. Cannizzaro (1858) menarik garis yang jelas antara atom dan molekul. Pada abad ke-19 bersama dengan sifat kimia atom, sifat optik mereka dipelajari. Ditemukan bahwa setiap elemen memiliki spektrum optik yang khas; analisis spektral ditemukan (fisikawan Jerman G. Kirchhoff dan R. Bunsen, 1860).

Dengan demikian, atom muncul sebagai partikel materi yang unik secara kualitatif, dicirikan oleh sifat fisik dan kimia yang ditentukan secara ketat. Tetapi sifat-sifat atom dianggap abadi dan tidak dapat dijelaskan. Diyakini bahwa jumlah jenis atom (unsur kimia) adalah acak dan tidak ada hubungan di antara mereka. Namun, secara bertahap menjadi jelas bahwa ada kelompok unsur yang memiliki sifat kimia yang sama - valensi maksimum yang sama, dan hukum perubahan yang serupa (ketika berpindah dari satu kelompok ke kelompok lain) sifat fisik - titik leleh, kompresibilitas, dll. 1869, D. I. Mendeleev menemukan sistem periodik unsur (Lihat Sistem periodik unsur). Dia menunjukkan bahwa ketika massa atom unsur meningkat, sifat kimia dan fisiknya berulang secara berkala ( Nasi. satu dan 2 ).

Sistem periodik membuktikan adanya hubungan antara berbagai jenis atom. Kesimpulannya adalah atom memiliki struktur kompleks yang berubah dengan massa atom. Masalah mengungkapkan struktur atom telah menjadi yang paling penting dalam kimia dan fisika (untuk lebih jelasnya, lihat Atomisme).

Munculnya fisika atom. Perkembangan paling penting dalam sains, dari mana fisika atom berasal, adalah penemuan elektron dan radioaktivitas. Ketika mempelajari aliran arus listrik melalui gas yang sangat langka, sinar ditemukan dipancarkan oleh katoda tabung pelepasan (sinar katoda) dan memiliki sifat membelokkan medan listrik dan magnet transversal. Ternyata sinar ini terdiri dari partikel bermuatan negatif yang terbang cepat yang disebut elektron. Pada tahun 1897, fisikawan Inggris J. J. Thomson mengukur rasio muatan e partikel-partikel ini ke massanya m. Logam juga ditemukan memancarkan elektron ketika dipanaskan dengan kuat atau disinari dengan cahaya dengan panjang gelombang pendek (lihat Emisi termionik, Emisi fotoelektron). Dari sini disimpulkan bahwa elektron adalah bagian dari atom apa pun. Selanjutnya diikuti dari ini bahwa atom netral juga harus mengandung partikel bermuatan positif. Atom bermuatan positif - ion - memang ditemukan dalam studi pelepasan listrik dalam gas yang dijernihkan. Ide atom sebagai sistem partikel bermuatan dijelaskan, menurut teori fisikawan Belanda H. Lorenz, , kemungkinan radiasi oleh atom cahaya (gelombang elektromagnetik): radiasi elektromagnetik terjadi ketika muatan intraatomik berfluktuasi; ini dikonfirmasi dengan mempelajari efek medan magnet pada spektrum atom (lihat fenomena Zeeman). Ternyata rasio muatan elektron intraatomik dengan massanya e/m, ditemukan oleh Lorentz dalam teorinya tentang fenomena Zeeman persis sama dengan nilai e/m untuk elektron bebas yang diperoleh dalam percobaan Thomson. Teori elektron dan konfirmasi eksperimentalnya memberikan bukti yang tak terbantahkan tentang kerumitan atom.

Konsep atom yang tidak dapat dibagi dan tidak dapat diubah akhirnya dibantah oleh karya ilmuwan Prancis M. Sklodowska-Curie dan P. Curie (Lihat Curie-Sklodowska). . Sebagai hasil dari studi radioaktivitas, didirikan (F. Soddy) , bahwa atom mengalami transformasi dari dua jenis. Setelah memancarkan partikel (ion helium dengan muatan positif 2 e), atom unsur kimia radioaktif berubah menjadi atom unsur lain yang terletak 2 sel di sebelah kiri dalam sistem periodik, misalnya atom polonium menjadi atom timbal. Setelah memancarkan partikel (elektron) dengan muatan negatif - e, atom unsur kimia radioaktif berubah menjadi atom unsur yang terletak 1 sel di sebelah kanan, misalnya atom bismut menjadi atom polonium. Massa atom yang terbentuk sebagai hasil dari transformasi semacam itu kadang-kadang ternyata berbeda dari berat atom unsur ke dalam sel tempat ia jatuh. Dari sini diikuti adanya varietas atom dari unsur kimia yang sama dengan massa yang berbeda; varietas ini kemudian disebut isotop (yaitu, menempati tempat yang sama dalam tabel periodik). Jadi, gagasan tentang identitas absolut semua atom dari unsur kimia tertentu ternyata salah.

Hasil studi tentang sifat-sifat elektron dan radioaktivitas memungkinkan untuk membangun model atom tertentu. Dalam model yang diusulkan oleh Thomson pada tahun 1903, atom direpresentasikan sebagai bola bermuatan positif, di mana elektron negatif, yang ukurannya tidak signifikan (dibandingkan dengan atom), diselingi ( Nasi. 3 ).

Mereka ditahan di dalam atom karena fakta bahwa gaya tarik menarik dari muatan positif terdistribusi seimbang dengan gaya tolakan timbal balik mereka. Model Thomson memberikan penjelasan yang terkenal untuk kemungkinan emisi, hamburan, dan penyerapan cahaya oleh atom. Ketika elektron dipindahkan dari posisi kesetimbangan, gaya "elastis" muncul, berusaha untuk mengembalikan keseimbangan; gaya ini sebanding dengan perpindahan elektron dari posisi kesetimbangan dan, oleh karena itu, dengan momen dipol (Lihat momen dipol) atom. Di bawah aksi gaya listrik dari gelombang elektromagnetik yang datang, elektron dalam atom berosilasi dengan frekuensi yang sama dengan intensitas listrik dalam gelombang cahaya; elektron yang berosilasi, pada gilirannya, memancarkan cahaya dengan frekuensi yang sama. Ini adalah bagaimana gelombang elektromagnetik dihamburkan oleh atom-atom materi. Dengan tingkat redaman berkas cahaya dalam ketebalan zat, Anda dapat mengetahui jumlah total elektron hamburan, dan mengetahui jumlah atom per satuan volume, Anda dapat menentukan jumlah elektron di setiap atom.

Penciptaan oleh Rutherford dari model planet atom. Model atom Thomson ternyata tidak memuaskan. Atas dasar itu, tidak mungkin untuk menjelaskan hasil yang sama sekali tidak terduga dari eksperimen fisikawan Inggris E. Rutherford dan kolaboratornya H. Geiger dan E. Marsden tentang hamburan partikel- oleh atom. Dalam percobaan ini, partikel cepat digunakan untuk pemeriksaan atom secara langsung. Melewati materi, partikel- bertabrakan dengan atom. Dengan setiap tumbukan, partikel , yang terbang melalui medan listrik atom, mengubah arah gerak - ia mengalami hamburan. Dalam sebagian besar peristiwa hamburan, penyimpangan partikel (sudut hamburan) sangat kecil. Oleh karena itu, selama perjalanan berkas partikel melalui lapisan tipis materi, hanya terjadi sedikit pengaburan berkas. Namun, sebagian kecil partikel dibelokkan melalui sudut yang lebih besar dari 90°. Hasil ini tidak dapat dijelaskan berdasarkan model Thomson, karena medan listrik dalam atom "padat" tidak cukup kuat untuk membelokkan partikel yang cepat dan masif melalui sudut yang besar. Untuk menjelaskan hasil eksperimen hamburan partikel , Rutherford mengusulkan model atom baru yang secara fundamental mirip dengan struktur tata surya dan disebut model planet. Ini memiliki bentuk berikut. Di pusat atom adalah inti bermuatan positif, yang dimensinya (Fisika Atom10 -12 cm) sangat kecil dibandingkan dengan ukuran atom (Fisika Atom10 -8 cm), dan massanya hampir sama dengan massa atom. Elektron bergerak mengelilingi inti, seperti planet mengelilingi matahari; jumlah elektron dalam atom yang tidak bermuatan (netral) sedemikian rupa sehingga total muatan negatifnya mengimbangi (menetralkan) muatan positif inti. Elektron harus bergerak di sekitar nukleus, jika tidak mereka akan jatuh di atasnya di bawah pengaruh gaya tarik-menarik. Perbedaan antara atom dan sistem planet adalah bahwa pada sistem planet, gaya gravitasi bekerja, dan pada atom, gaya listrik (Coulomb). Di dekat inti, yang dapat dianggap sebagai muatan positif titik, terdapat medan listrik yang sangat kuat. Oleh karena itu, terbang di dekat nukleus, partikel- bermuatan positif (inti helium) mengalami defleksi yang kuat (lihat Gambar. Nasi. 4 ). Belakangan diketahui (G. Moseley) bahwa muatan inti meningkat dari satu unsur kimia ke unsur lainnya dengan satuan dasar muatan yang sama dengan muatan elektron (tetapi dengan tanda positif). Secara numerik, muatan inti atom, yang dinyatakan dalam satuan muatan dasar e, sama dengan nomor urut unsur yang bersesuaian dalam sistem periodik.

Untuk menguji model planet, Rutherford dan kolaboratornya Charles Darwin menghitung distribusi sudut partikel yang dihamburkan oleh inti titik, pusat gaya Coulomb. Hasil yang diperoleh diverifikasi secara eksperimental dengan mengukur jumlah partikel yang tersebar pada sudut yang berbeda. Hasil eksperimen tersebut sama persis dengan perhitungan teoretis, sehingga secara cemerlang mengkonfirmasi model atom planet Rutherford.

Namun, model atom planet mengalami kesulitan mendasar. Menurut elektrodinamika klasik, partikel bermuatan yang bergerak dengan percepatan terus menerus memancarkan energi elektromagnetik. Oleh karena itu, elektron, yang bergerak di sekitar nukleus, yaitu, dipercepat, harus terus-menerus kehilangan energi untuk radiasi. Tetapi pada saat yang sama, dalam sepersekian detik, mereka akan kehilangan semua energi kinetiknya dan jatuh ke dalam inti. Kesulitan lain, juga terkait dengan radiasi, adalah sebagai berikut: jika kita menerima (sesuai dengan elektrodinamika klasik) bahwa frekuensi cahaya yang dipancarkan oleh elektron sama dengan frekuensi osilasi elektron dalam atom (yaitu, jumlah putaran yang dibuatnya dalam orbitnya dalam satu detik) atau memiliki kelipatannya, maka cahaya yang dipancarkan, ketika elektron mendekati nukleus, harus terus menerus mengubah frekuensinya, dan spektrum cahaya yang dipancarkannya harus kontinu. . Tapi ini bertentangan dengan pengalaman. Sebuah atom memancarkan gelombang cahaya dengan frekuensi yang terdefinisi dengan baik, khas untuk unsur kimia tertentu, dan dicirikan oleh spektrum yang terdiri dari garis spektral terpisah - spektrum garis. Sejumlah keteraturan secara eksperimental ditetapkan dalam spektrum garis elemen, yang pertama ditemukan oleh ilmuwan Swiss J. Balmer (1885) dalam spektrum hidrogen. Pola paling umum - prinsip kombinasi - ditemukan oleh ilmuwan Austria W. Ritz (1908). Prinsip ini dapat dirumuskan sebagai berikut: untuk atom-atom dari setiap unsur, dapat ditemukan barisan bilangan T 1 ,T 2 ,T 3 ,... - disebut. istilah spektral sedemikian rupa sehingga frekuensi v setiap garis spektral elemen tertentu dinyatakan sebagai selisih dua suku: v = T k - T saya . Untuk atom hidrogen, istilah T n = R/n2 , di mana n- bilangan bulat yang mengambil nilai n= 1, 2, 3,..., a R- disebut. Konstanta Rydberg (lihat konstanta Rydberg).

Jadi, dalam kerangka model atom Rutherford, stabilitas atom terhadap radiasi dan spektrum garis radiasinya tidak dapat dijelaskan. Atas dasar itu, baik hukum radiasi termal maupun hukum fenomena fotolistrik yang muncul ketika radiasi berinteraksi dengan materi tidak dapat dijelaskan. Ternyata dimungkinkan untuk menjelaskan hukum-hukum ini berdasarkan konsep-konsep kuantum yang sama sekali baru, yang pertama kali diperkenalkan oleh fisikawan Jerman M. Planck (1900). Untuk menurunkan hukum distribusi energi dalam spektrum radiasi termal - radiasi benda yang dipanaskan - Planck menyarankan bahwa atom-atom materi memancarkan energi elektromagnetik (cahaya) dalam bentuk bagian-bagian yang terpisah - kuanta cahaya, yang energinya sebanding dengan v(frekuensi radiasi): E = hv di mana h- karakteristik konstan dari teori kuantum dan disebut konstanta Planck (Lihat konstanta Planck). Pada tahun 1905, A. Einstein memberikan penjelasan kuantum tentang fenomena fotolistrik, yang menurutnya energi kuantum hv pergi untuk mengekstrak elektron dari logam - fungsi kerja R - dan untuk berkomunikasi dengannya energi kinetik T kerabat; hv = R+ Tk. Pada saat yang sama, Einstein memperkenalkan konsep kuanta cahaya sebagai jenis partikel khusus; partikel-partikel ini kemudian menerima nama Photon ov.

Ternyata untuk menyelesaikan kontradiksi model Rutherford hanya mungkin dengan mengabaikan sejumlah ide fisika klasik yang biasa. Langkah terpenting dalam konstruksi teori atom dibuat oleh fisikawan Denmark N. Bohr (1913).

Postulat Bohr dan model atom Bohr. Berdasarkan teori kuantum atom, Bohr menempatkan 2 postulat yang mencirikan sifat-sifat atom yang tidak sesuai dengan kerangka fisika klasik. Postulat Bohr ini dapat dirumuskan sebagai berikut:

1. Keberadaan keadaan stasioner. Atom tidak memancar dan stabil hanya dalam beberapa keadaan stasioner (waktu-invarian) yang sesuai dengan deret nilai energi yang "diizinkan" diskrit (tidak kontinu). E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ,... Setiap perubahan energi dikaitkan dengan transisi kuantum (seperti lompatan) dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya.

2. Kondisi frekuensi radiasi (transisi kuantum dengan radiasi). Setelah transisi dari satu keadaan stasioner dengan energi E saya ke yang lain dengan energi E k atom memancarkan atau menyerap cahaya dengan frekuensi tertentu v dalam bentuk kuantum radiasi (foton) hv, sesuai dengan rasio hv=E saya - E k. Ketika dipancarkan, sebuah atom berpindah dari keadaan energi yang lebih tinggi E i ke keadaan energi yang lebih rendah E k , pada penyerapan, sebaliknya, dari keadaan dengan energi yang lebih rendah E k ke tingkat energi yang lebih tinggi E saya .

Postulat Bohr segera memungkinkan untuk memahami arti fisik dari prinsip kombinasi Ritz (lihat di atas); perbandingan rasio hv = E saya - E k dan v = T k - T saya menunjukkan bahwa istilah spektral sesuai dengan keadaan stasioner, dan energi yang terakhir harus sama (hingga suku konstan) E saya = -hT saya , E k = -hT k.

Ketika cahaya dipancarkan atau diserap, energi atom berubah, perubahan ini sama dengan energi foton yang dipancarkan atau diserap, yaitu, hukum kekekalan energi terjadi. Spektrum garis suatu atom adalah hasil diskrit dari kemungkinan nilai energinya.

Bohr menerapkan mekanika klasik (Newtonian) untuk menentukan nilai energi yang diizinkan dari atom - kuantisasi energinya - dan untuk menemukan karakteristik keadaan stasioner yang sesuai. “Jika kita ingin membuat representasi visual dari keadaan diam secara umum, kita tidak memiliki cara lain, setidaknya sekarang, kecuali mekanika biasa,” tulis Bohr pada tahun 1913 (“Tiga artikel tentang spektrum dan struktur atom”, M. -L., 1923, hal. 22). Untuk atom paling sederhana - atom hidrogen, terdiri dari nukleus dengan muatan + e(proton) dan elektron yang bermuatan - e, Bohr menganggap gerakan elektron di sekitar nukleus dalam orbit melingkar. Membandingkan energi atom E dengan istilah spektral T n \u003d R / n 2 untuk atom hidrogen, ditemukan dengan sangat akurat dari frekuensi garis spektralnya, ia memperoleh nilai-nilai yang mungkin dari energi atom E n= -hT n \u003d -hR / n 2(dimana n= 1, 2, 3,...). Mereka sesuai dengan orbit lingkaran dengan radius a n \u003d a 0 n 2, di mana sebuah 0 = 0,53 10 -8 cm - Jari-jari Bohr - jari-jari orbit lingkaran terkecil (at n= 1). Bohr menghitung frekuensi revolusi v elektron mengelilingi inti dalam orbit melingkar tergantung pada energi elektron. Ternyata frekuensi cahaya yang dipancarkan atom tidak sama dengan frekuensi revolusi v n , seperti yang dipersyaratkan oleh elektrodinamika klasik, tetapi proporsional, menurut hubungan hv=E saya - E k , perbedaan energi elektron dalam dua kemungkinan orbit.

Untuk menemukan hubungan antara frekuensi orbit elektron dan frekuensi radiasi, Bohr membuat asumsi bahwa hasil teori kuantum dan klasik harus bertepatan pada frekuensi radiasi rendah (untuk panjang gelombang panjang; kebetulan seperti itu terjadi untuk radiasi termal, hukum yang diturunkan oleh Planck). Dia disamakan untuk besar n frekuensi transisi v = (E n+1 - E n)/ h frekuensi sirkulasi v n di orbit dengan diberikan n dan menghitung nilai konstanta Rydberg R, yang bertepatan dengan akurasi tinggi dengan nilainya R, ditemukan dari pengalaman, yang mengkonfirmasi asumsi Bohr. Bohr juga berhasil tidak hanya menjelaskan spektrum hidrogen, tetapi juga secara meyakinkan menunjukkan bahwa beberapa garis spektral yang dikaitkan dengan hidrogen adalah helium. Asumsi Bohr bahwa hasil teori kuantum dan klasik harus bertepatan dalam kasus membatasi frekuensi radiasi rendah mewakili bentuk asli yang disebut. prinsip kesesuaian. Kemudian, Bohr berhasil menerapkannya untuk menemukan intensitas garis spektrum. Seperti yang ditunjukkan oleh perkembangan fisika modern, prinsip korespondensi ternyata sangat umum (lihat prinsip Korespondensi) .

Dalam teori atom Bohr, kuantisasi energi, yaitu menemukan nilai yang mungkin, ternyata menjadi kasus khusus dari metode umum untuk menemukan orbit yang "diizinkan". Menurut teori kuantum, orbit seperti itu hanya orbit yang momentum sudut elektron dalam atom sama dengan kelipatan bilangan bulat. h/2π. Setiap orbit yang diizinkan sesuai dengan nilai energi atom tertentu yang mungkin (lihat Atom).

Ketentuan utama teori kuantum atom - 2 postulat Bohr - secara komprehensif dikonfirmasi secara eksperimental. Konfirmasi yang sangat jelas diberikan oleh eksperimen fisikawan Jerman J. Frank dan G. Hertz (1913-16). Inti dari pengalaman ini adalah sebagai berikut. Aliran elektron yang energinya dapat dikontrol memasuki bejana yang berisi uap merkuri. Elektron diberi energi, yang secara bertahap meningkat. Ketika energi elektron meningkat, arus dalam galvanometer yang termasuk dalam rangkaian listrik meningkat; ketika energi elektron ternyata sama dengan nilai tertentu (4,9; 6,7; 10,4 setiap), arus turun tajam ( Nasi. 5 ). Pada saat yang sama, dapat ditemukan bahwa uap merkuri memancarkan sinar ultraviolet dengan frekuensi tertentu.

Fakta-fakta yang disajikan hanya memungkinkan satu interpretasi. Selama energi elektron kurang dari 4,9 ev, elektron tidak kehilangan energi ketika bertabrakan dengan atom merkuri - tumbukan bersifat elastis. Ketika energi ternyata sama dengan nilai tertentu, yaitu 4,9 ev, elektron mentransfer energinya ke atom merkuri, yang kemudian memancarkannya dalam bentuk kuanta sinar ultraviolet. Perhitungan menunjukkan bahwa energi foton ini sama persis dengan energi yang hilang dari elektron. Eksperimen ini membuktikan bahwa energi internal atom hanya dapat memiliki nilai diskrit tertentu, bahwa atom menyerap energi dari luar dan memancarkannya sekaligus di seluruh kuanta, dan akhirnya, frekuensi cahaya yang dipancarkan oleh atom sesuai dengan energi yang hilang oleh atom.

Pengembangan lebih lanjut dari A. f. menunjukkan validitas postulat Bohr tidak hanya untuk atom, tetapi juga untuk sistem mikroskopis lainnya - untuk molekul dan untuk inti atom. Postulat-postulat ini harus dianggap sebagai hukum kuantum eksperimental yang mapan. Mereka merupakan bagian dari teori Bohr, yang tidak hanya dipertahankan selama pengembangan lebih lanjut dari teori kuantum, tetapi juga menerima pembuktiannya. Keadaan tersebut berbeda dengan model atom Bohr, yang didasarkan pada pertimbangan gerak elektron dalam atom menurut hukum mekanika klasik dengan pembebanan kondisi kuantisasi tambahan. Pendekatan ini memungkinkan untuk memperoleh sejumlah hasil penting, tetapi tidak konsisten: postulat kuantum secara artifisial melekat pada hukum mekanika klasik. Sebuah teori yang konsisten diciptakan pada tahun 20-an. abad ke-20 Mekanika kuantum . Penciptaannya disiapkan oleh pengembangan lebih lanjut dari model representasi teori Bohr, di mana kekuatan dan kelemahannya menjadi jelas.

Pengembangan teori model atom Bohr. Hasil yang sangat penting dari teori Bohr adalah penjelasan tentang spektrum atom hidrogen. Sebuah langkah lebih lanjut dalam pengembangan teori spektrum atom dibuat oleh fisikawan Jerman A. Sommerfeld. Setelah mengembangkan aturan kuantisasi secara lebih rinci, berdasarkan gambaran yang lebih kompleks dari gerakan elektron dalam atom (sepanjang orbit elips) dan dengan mempertimbangkan penyaringan elektron eksternal (disebut valensi) di bidang nukleus dan elektron internal, ia mampu menjelaskan sejumlah keteraturan dalam spektrum logam alkali.

Teori atom Bohr juga menjelaskan struktur yang disebut. spektrum karakteristik sinar-x. Spektrum sinar-X atom, serta spektrum optiknya, memiliki karakteristik struktur garis diskrit dari elemen tertentu (oleh karena itu namanya). Menyelidiki spektrum sinar-X karakteristik berbagai elemen, fisikawan Inggris G. Moseley menemukan pola berikut: akar kuadrat dari frekuensi garis yang dipancarkan meningkat secara seragam dari elemen ke elemen di seluruh sistem periodik Mendeleev sebanding dengan nomor atom elemen. Sangat menarik bahwa hukum Moseley sepenuhnya mengkonfirmasi kebenaran Mendeleev, yang dalam beberapa kasus melanggar prinsip menempatkan elemen dalam tabel sesuai dengan peningkatan berat atom dan menempatkan beberapa elemen yang lebih berat di depan yang lebih ringan.

Berdasarkan teori Bohr, dimungkinkan untuk memberikan penjelasan tentang periodisitas sifat-sifat atom. Dalam atom kompleks, kulit elektron terbentuk, yang diisi secara berurutan, mulai dari yang paling dalam, dengan sejumlah elektron (alasan fisik untuk pembentukan kulit menjadi jelas hanya berdasarkan prinsip Pauli, lihat di bawah). Struktur kulit elektron terluar berulang secara berkala, yang menyebabkan pengulangan periodik sifat kimia dan banyak fisik unsur-unsur yang terletak dalam kelompok yang sama dari sistem periodik. Atas dasar teori Bohr, kimiawan Jerman W. Kossel (1916) menjelaskan interaksi kimia dalam apa yang disebut. molekul heteropolar.

Namun, tidak semua pertanyaan tentang teori atom dapat dijelaskan berdasarkan representasi model teori Bohr. Itu tidak mengatasi banyak masalah teori spektrum, itu hanya memungkinkan memperoleh nilai yang benar dari frekuensi garis spektral atom hidrogen dan atom mirip hidrogen, sementara intensitas garis-garis ini tetap tidak dapat dijelaskan; Bohr harus menerapkan prinsip korespondensi untuk menjelaskan intensitas.

Dalam transisi untuk menjelaskan gerakan elektron dalam atom yang lebih kompleks daripada atom hidrogen, teori model Bohr menemui jalan buntu. Sudah atom helium, di mana 2 elektron bergerak di sekitar nukleus, tidak meminjamkan dirinya untuk interpretasi teoritis berdasarkan itu. Kesulitan dalam hal ini tidak terbatas pada perbedaan kuantitatif dengan pengalaman. Teori tersebut ternyata tidak berdaya dalam memecahkan masalah seperti penggabungan atom menjadi molekul. Mengapa 2 atom hidrogen netral bergabung membentuk molekul hidrogen? Bagaimana menjelaskan sifat valensi secara umum? Apa yang mengikat atom-atom zat padat? Pertanyaan-pertanyaan ini tetap tidak terjawab. Dalam kerangka model Bohr, tidak mungkin menemukan pendekatan untuk solusi mereka.

Teori mekanika kuantum atom. Keterbatasan model atom Bohr berakar pada keterbatasan ide klasik tentang gerakan mikropartikel. Menjadi jelas bahwa untuk pengembangan lebih lanjut dari teori atom, perlu untuk secara kritis mempertimbangkan kembali ide-ide dasar tentang gerak dan interaksi mikropartikel. Sifat tidak memuaskan dari model berdasarkan mekanika klasik dengan penambahan kondisi kuantisasi jelas dipahami oleh Bohr sendiri, yang pandangannya memiliki pengaruh besar pada pengembangan lebih lanjut dari fungsi aljabar. Awal babak baru dalam perkembangan A. f. adalah gagasan yang diungkapkan oleh fisikawan Prancis L. de Broglie (1924) tentang sifat ganda gerak benda-mikro, khususnya elektron (lihat gelombang De Broglie). Ide ini menjadi titik awal mekanika kuantum (lihat Mekanika Kuantum), yang diciptakan pada tahun 1925–26 oleh karya W. Heisenberg dan M. Born (Jerman), E. Schrödinger (Austria), dan P. Dirac (Inggris), dan dikembangkan atas dasar teori mekanika kuantum modern atom.

Ide-ide mekanika kuantum tentang gerakan elektron (mikropartikel pada umumnya) berbeda secara radikal dari yang klasik. Menurut mekanika kuantum, elektron tidak bergerak sepanjang lintasan (orbit), seperti bola padat; Gerak elektron juga memiliki ciri-ciri tertentu yang khas dari perambatan gelombang. Di satu sisi, elektron selalu bertindak (misalnya, dalam tumbukan) sebagai satu kesatuan, sebagai partikel dengan muatan dan massa yang tidak dapat dibagi; pada saat yang sama, elektron dengan energi dan momentum tertentu merambat seperti gelombang bidang dengan frekuensi tertentu (dan panjang gelombang tertentu). energi elektron E bagaimana partikel terkait dengan frekuensi v rasio gelombang elektron: E = hv, dan momentumnya R - dengan panjang gelombang λ perbandingan: p = h/λ.

Gerakan stabil elektron dalam atom, seperti yang ditunjukkan oleh Schrödinger (1926), dalam beberapa hal analog dengan gelombang berdiri (Lihat gelombang berdiri) , yang amplitudonya berbeda pada titik yang berbeda. Pada saat yang sama, di dalam atom, seperti dalam sistem osilasi, hanya beberapa gerakan "terpilih" yang dimungkinkan dengan nilai energi, momentum sudut, dan proyeksi momentum elektron tertentu dalam atom. Setiap keadaan stasioner atom dijelaskan menggunakan beberapa fungsi gelombang (Lihat Fungsi gelombang) , yang merupakan solusi dari persamaan gelombang tipe khusus - persamaan Schrödinger; fungsi gelombang sesuai dengan "awan elektron", yang mencirikan (rata-rata) distribusi kerapatan muatan elektron dalam atom (lihat Atom , di sana Nasi. 3 proyeksi "awan elektron" atom hidrogen ditampilkan). Pada 20-30-an. Metode perkiraan dikembangkan untuk menghitung distribusi kerapatan muatan elektron dalam atom kompleks, khususnya metode Thomas-Fermi (1926, 1928). Nilai ini dan nilai terkait yang disebut. faktor atom (Lihat faktor atom) penting dalam studi tumbukan elektron dengan atom, serta hamburan sinar-x.

Berdasarkan mekanika kuantum, adalah mungkin untuk menghitung dengan benar energi elektron dalam atom kompleks dengan memecahkan persamaan Schrödinger. Metode perkiraan untuk perhitungan tersebut dikembangkan pada tahun 1928 oleh D. Hartree (Inggris) dan pada tahun 1930 oleh V. A. Fok (USSR). Studi spektrum atom sepenuhnya mengkonfirmasi teori mekanika kuantum atom. Ternyata keadaan elektron dalam atom pada dasarnya tergantung pada Spin a .-nya - momen momentum mekanik sendiri. Penjelasan diberikan untuk aksi medan listrik dan magnet eksternal pada atom (lihat fenomena Stark (Lihat efek Stark), fenomena Zeeman). Prinsip umum penting yang berkaitan dengan spin elektron ditemukan oleh fisikawan Swiss W. Pauli (1925) (lihat prinsip Pauli), menurut prinsip ini, hanya satu elektron yang dapat berada di setiap keadaan elektronik dalam sebuah atom; jika keadaan ini sudah ditempati oleh beberapa elektron, maka elektron berikutnya, yang memasuki komposisi atom, dipaksa untuk menempati keadaan lain. Berdasarkan prinsip Pauli, jumlah pengisian kulit elektron dalam atom kompleks akhirnya ditetapkan, yang menentukan periodisitas sifat-sifat unsur. Berdasarkan mekanika kuantum, fisikawan Jerman W. Geytler dan F. London (1927) memberikan teori yang disebut. ikatan kimia homeopolar dari dua atom identik (misalnya, atom hidrogen dalam molekul H2), yang tidak dapat dijelaskan dalam kerangka model atom Bohr.

Aplikasi penting mekanika kuantum di tahun 30-an. dan kemudian ada studi tentang atom terikat yang membentuk molekul atau kristal. Keadaan atom yang merupakan bagian dari molekul pada dasarnya berbeda dari keadaan atom bebas. Atom juga mengalami perubahan signifikan dalam kristal di bawah aksi medan intrakristalin, teori yang pertama kali dikembangkan oleh H. Bethe (1929). Menyelidiki perubahan ini, seseorang dapat menetapkan sifat interaksi atom dengan lingkungannya. Prestasi eksperimental terbesar di bidang ini adalah A. f. adalah penemuan oleh E. K. Zavoisky pada tahun 1944 tentang resonansi paramagnetik elektron (Lihat Resonansi paramagnetik elektron) , yang memungkinkan untuk mempelajari berbagai ikatan atom dengan lingkungan.

Fisika atom modern. Bagian utama dari A. f. adalah teori atom, spektroskopi atom (optik), spektroskopi sinar-X, spektroskopi radio (juga menyelidiki tingkat rotasi molekul), dan fisika tumbukan atom dan ion. Bagian yang berbeda dari spektroskopi mencakup rentang frekuensi radiasi yang berbeda dan, karenanya, rentang energi foton yang berbeda. Sedangkan spektroskopi sinar-X mempelajari radiasi atom dengan energi foton hingga ratusan ribu elektron. ev, spektroskopi radio berurusan dengan kuanta yang sangat kecil - hingga kuanta kurang dari 10 -6 ev.

Tugas terpenting A. f. - definisi rinci dari semua karakteristik keadaan atom. Kita berbicara tentang menentukan nilai yang mungkin dari energi atom - tingkat energinya, nilai momen momentum dan besaran lain yang menjadi ciri keadaan atom. Struktur tingkat energi yang halus dan hyperfine dipelajari (lihat Spektrum Atom) , perubahan tingkat energi di bawah pengaruh medan listrik dan magnet - baik eksternal, makroskopik, dan internal, mikroskopis. Yang sangat penting adalah karakteristik keadaan atom seperti masa hidup elektron pada tingkat energi. Akhirnya, banyak perhatian diberikan pada mekanisme eksitasi spektrum atom.

Area fenomena yang dipelajari oleh berbagai bagian AF tumpang tindih. Spektroskopi sinar-X dengan mengukur emisi dan penyerapan sinar-X memungkinkan untuk menentukan terutama energi ikat elektron internal dengan inti atom (energi ionisasi), distribusi medan listrik di dalam atom. Spektroskopi optik mempelajari himpunan garis spektral yang dipancarkan oleh atom, menentukan karakteristik tingkat energi atom, intensitas garis spektral dan masa hidup atom dalam keadaan tereksitasi yang terkait dengannya, struktur halus tingkat energi, perpindahan dan pemisahannya dalam medan listrik dan magnet. Spektroskopi radio menyelidiki secara rinci lebar dan bentuk garis spektral, struktur hyperfine mereka, pergeseran dan pemisahan dalam medan magnet, dan, secara umum, proses intra-atomik yang disebabkan oleh interaksi dan pengaruh medium yang sangat lemah.

Analisis hasil tumbukan elektron cepat dan ion dengan atom memungkinkan untuk memperoleh informasi tentang distribusi kerapatan muatan elektron ("awan elektron") di dalam atom, tentang energi eksitasi atom, dan energi ionisasi.

Hasil studi rinci tentang struktur atom menemukan aplikasi terluas tidak hanya di banyak cabang fisika, tetapi juga dalam kimia, astrofisika, dan bidang sains lainnya. Berdasarkan studi tentang pelebaran dan pergeseran garis spektral, seseorang dapat menilai medan lokal (lokal) dalam medium (cair, kristal) yang menyebabkan perubahan ini, dan keadaan medium ini (suhu, densitas, dll.). Mengetahui distribusi kerapatan muatan elektron dalam atom dan perubahannya selama interaksi eksternal memungkinkan untuk memprediksi jenis ikatan kimia yang dapat dibentuk atom, perilaku ion dalam kisi kristal. Informasi tentang struktur dan karakteristik tingkat energi atom dan ion sangat penting untuk perangkat elektronika kuantum.

2 1. Pendahuluan 1.1. Pokok bahasan fisika atom, sejarah singkat perkembangannya, tujuan dan sasaran 1.2. Definisi dasar. Elektron, proton, neutron, atom, ion, molekul, nuklida, inti atom, unsur kimia, isotop 1.3. Sifat inti dan kulit atom 1.4. Satuan pengukuran besaran fisika dalam fisika atom. Elektron-volt. Mol, konstanta Avogadro, satuan massa atom, massa atom relatif. Skala energi, panjang, frekuensi, massa dalam fisika atom dan nuklir 1.5. Fisika klasik, relativistik, dan kuantum. Momentum dan energi 1.6. foton. Skala energi foton (skala radiasi elektromagnetik)

3 Fisika atom Fisika atom (fisika atom dan fenomena atom) adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari struktur dan sifat atom, serta proses-proses elementer yang melibatkan atom.Objek studi fisika atom adalah keduanya atom dan molekul, ion atom dan molekul, atom eksotik dan mikropartikel lainnya Dalam fenomena yang dipelajari dalam kerangka fisika atom, interaksi elektromagnetik memainkan peran utama.semikonduktor dan bahan nano) Dasar teori fisika atom itu sendiri adalah teori kuantum dan elektrodinamika kuantum. tidak ada batasan yang jelas antara fisika atom dengan cabang fisika lainnya, dan sesuai dengan klasifikasi internasional, fisika atom termasuk dalam bidang atom, fisika molekuler dan optik.

4 Sejarah singkat perkembangan fisika atom Konsep "atom" digunakan oleh para ilmuwan Yunani kuno (abad ke-5 - ke-2 SM) untuk merujuk pada partikel terkecil yang tidak dapat dibagi lagi yang menyusun segala sesuatu yang ada di dunia. ide atomistik diperoleh pada abad ke-19 dalam penelitian kimia dan fisika Gagasan bahwa atom terdiri dari bagian-bagian bermuatan positif dan negatif dibuktikan pada paruh kedua abad ke-19.Pada tahun 1897, J.J. Thomson menemukan elektron, dan segera dibuktikan bahwa itu adalah bagian integral dari semua atom Gagasan atom sebagai sistem yang terdiri dari inti atom dan kulit elektron didukung oleh fisika E. fisika nuklir menonjol dan, agak kemudian, fisika partikel elementer

5 Sejarah singkat perkembangan fisika atom Landasan fisika atom modern diletakkan pada awal abad ke-20, ketika N. Bohr memberikan penjelasan sejumlah sifat terpenting atom (1913) dan mengajukan dua " kuantum" postulat Menurut yang pertama, ada keadaan khusus (stasioner) atom di mana yang terakhir tidak memancarkan energi, meskipun partikel bermuatan (elektron) yang termasuk dalam komposisinya membuat gerak dipercepat. Menurut postulat kedua , radiasi atom terjadi selama transisi dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya, dan frekuensi radiasi ini ditentukan dari kondisi h = E – E (aturan frekuensi Bohr), di mana h adalah konstanta Planck, E dan E adalah nilainya energi atom dalam keadaan awal dan akhir Postulat pertama mencerminkan fakta stabilitas atom, diskrit kedua frekuensi dalam spektrum atom

6 Sejarah singkat perkembangan fisika atom Teori Bohr, yang terbukti tidak mampu menjelaskan sepenuhnya sifat atom dan molekul, digantikan oleh teori kuantum konsisten yang dibuat pada 1920-an dan 1930-an (W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac) Meskipun demikian, postulat Bohr masih mempertahankan signifikansinya dan merupakan bagian integral dari fondasi fisika fenomena mikroskopis.Dalam kerangka teori kuantum modern, penjelasan paling lengkap tentang sifat-sifat atom diberikan: prinsip-prinsip pembentukan spektrum optik dan sinar-X, perilaku atom dalam medan magnet (Efek Zeeman) dan listrik (Efek Stark), sistem periodik unsur dan sifat ikatan kimia secara teoritis dibuktikan, metode dikembangkan untuk menghitung struktur elektronik atom, molekul dan padatan (metode medan konsisten-diri Hartree-Fock), perangkat baru diciptakan untuk mempelajari struktur dan sifat materi (mikroskop elektron) Pengembangan ide-ide teori kuantum (gi hipotesis putaran, prinsip Pauli, dll.), pada gilirannya, didasarkan pada penelitian eksperimental di bidang fisika atom (spektra garis atom, efek fotolistrik, struktur garis spektral yang halus dan sangat halus, eksperimen Frank dan Hertz, Davisson dan Germer, Stern dan Gerlach, efek Compton, penemuan deuterium dan isotop lainnya, efek Auger, dll.)

7 Sejarah singkat perkembangan fisika atom Pada sepertiga kedua abad ke-20, dalam kerangka fisika atom dan berdasarkan gagasan teori kuantum, metode eksperimental baru penelitian fisik dikembangkan: resonansi paramagnetik elektron (EPR), spektroskopi fotoelektron (PES), spektroskopi dampak elektron (ESI), perangkat untuk implementasinya (maser, laser, dll.) Telah dibuat Prinsip-prinsip dasar teori kuantum (interferensi keadaan kuantum, pergeseran level Lamb, dll.) telah diterima konfirmasi eksperimental langsung, metode baru untuk menghitung struktur elektronik materi (teori fungsi kerapatan), dan prediksi fenomena fisik baru (superradiance) Metode telah dikembangkan untuk studi eksperimental proses yang terjadi dengan atom tunggal, ion, dan elektron yang ditahan oleh medan listrik dan magnet dari konfigurasi khusus (atom dan ion "perangkap")

8 Sejarah singkat perkembangan fisika atom Hasil baru di bidang fisika atom pada sepertiga terakhir abad ke-20 dan awal abad ke-21 terutama terkait dengan penggunaan pengukuran laser dengan atom dan molekul tunggal, menentukan karakteristik keadaan atom yang sangat tereksitasi, mempelajari dinamika proses intraatomik dan intramolekul yang berlangsung hingga beberapa femtosekon (10–15 detik) ), serta pendinginan atom individu hingga suhu sangat rendah.Studi teoretis beberapa dekade terakhir di bidang fisika atom dikaitkan dengan kemajuan pesat teknologi komputer dan ditujukan untuk mengembangkan metode dan sarana yang efisien struktur dan sifat sistem atom multielektron, dengan mempertimbangkan energi korelasi elektron, mekanika kuantum relativistik, dan koreksi elektrodinamika kuantum

9 Fisika atom Penelitian di bidang fisika atom telah menemukan banyak aplikasi ilmiah dan praktis Untuk keperluan industri, untuk menentukan komposisi unsur suatu zat, metode analisis spektral atom digunakan, termasuk EPR, FES dan LAUT Untuk memecahkan masalah geologi, biologi dan masalah medis, metode analisis atom spektral laser jarak jauh dan lokal, pemisahan isotop laser dilakukan untuk keperluan industri dan teknis Metode eksperimental dan teoritis fisika atom digunakan dalam astrofisika (penentuan komposisi dan karakteristik fisik materi bintang dan medium antarbintang, studi tentang atom Rydberg), metrologi (jam atom), dan bidang sains dan teknologi lainnya

10 Maksud dan Tujuan Mata Kuliah Fisika Atom Tujuan utama dari disiplin ilmu "Fisika atom dan fenomena atom", sebagai bagian dari mata kuliah fisika umum, adalah untuk membentuk pengetahuan dasar fisika tentang fenomena mikroskopis pada atom- tingkat molekuler dan kemampuan untuk menerapkannya untuk memecahkan masalah yang diterapkan Untuk mencapai tujuan ini tugas-tugas berikut diselesaikan: – analisis pengembangan atomistik dan pembentukan konsep kuantum; – mempelajari fakta eksperimental terpenting fisika atom dan keterkaitannya; - mengungkapkan kekhususan mikro-fenomena dan kegagalan teori klasik untuk menjelaskannya; – mempelajari dasar-dasar mekanika kuantum dan metode untuk memecahkan masalah mekanika kuantum; – studi dan penjelasan sistematis berdasarkan teori kuantum tentang struktur dan sifat atom dan molekul, perilakunya di bidang eksternal dan dalam interaksi satu sama lain

12 Elektron Elektron adalah partikel elementer yang stabil dengan muatan listrik negatif Nilai mutlak muatan elektron sama dengan muatan dasar q e = –e –1,610 –19 C Massa elektron m e = m –31 kg Putaran elektron elektron adalah Momen magnet elektron kira-kira sama dengan magneton Bohr e – B - -4 eV / T Simbol e atau e digunakan untuk menyatakan elektron - Elektron membentuk kulit elektron dari semua atom dan ion elektron memiliki antipartikel positron (e+)

15 Proton Proton adalah partikel elementer yang stabil dengan muatan listrik positif Muatan proton sama dengan muatan elementer q p = e –19 C Massa proton m p 1836m e –27 kg Putaran proton adalah Magnetik momen proton p –8 eV/T Proton memiliki antiproton antipartikel (p-)

16 Pemusnahan antiproton Antiproton (jalur biru) bertabrakan dengan proton dalam ruang gelembung yang menghasilkan empat pion positif (jalur merah) dan empat pion negatif (jalur hijau) Lintasan kuning milik muon, yang lahir sebagai hasilnya peluruhan pion

17 Neutron Partikel elementer neutron tanpa muatan listrik Masa pakai neutron dalam keadaan bebas kira-kira 886 s Massa neutron m n 1839m e –27 kg Putaran neutron adalah Meskipun tidak ada muatan listrik, neutron memiliki momen magnet μ n – –8 eV/T Neutron dilambangkan dengan simbol n atau n 0 Neutron memiliki antipartikel antineutron Proton dan neutron disatukan dengan nama umum nukleon Inti atom terdiri dari proton dan neutron

18 Neutron Karena neutron tidak memiliki muatan listrik, mereka tidak meninggalkan jejak di ruang detektor partikel Neutron tetap dapat dideteksi melalui interaksinya dengan partikel bermuatan lainnya Gambar berwarna menunjukkan jejak partikel di ruang awan yang diisi dengan campuran gas hidrogen, etil alkohol dan air Sinar neutron menembus ke dalam ruang dari bawah dan menyebabkan transmutasi atom oksigen dan karbon, yang merupakan bagian dari molekul etil alkohol

19 Atom Atom adalah mikropartikel yang terdiri dari inti atom dan elektron disekitarnya (kulit elektron) Suatu inti yang bermuatan positif menahan elektron yang bermuatan negatif oleh gaya tarik-menarik listrik maka muatan elektronnya sama dengan e, maka bila jumlah elektron dalam kulit sama dengan jumlah proton dalam nukleus, muatan listrik total atom adalah nol. ), namun, karena fakta bahwa massa proton (seperti neutron) hampir 2 ribu kali lebih besar dari massa elektron, hampir seluruh massa atom () terkonsentrasi di nukleus

20 Atom emas Au Gambar atom emas tunggal yang diperoleh menggunakan mikroskop elektron transmisi Waktu pembesaran hingga ukuran 35 mm

22 Atom silikon Si Gambar berwarna dari atom silikon yang diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi Sel satuan kristal ditampilkan. Ikatan antar atom juga terlihat.Pembesaran kali hingga ukuran 35 mm

24 Atom uranium U Gambar berwarna atom uranium diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi Titik-titik kecil yang teratur adalah atom individu, formasi yang lebih besar adalah kelompok yang terdiri dari 2–20 atom Bidang pandang kira-kira 100 . Pembesaran hingga ukuran 35 mm

25 Mikrokristal Uranil UO 2 2+ Gambar berwarna mikrokristal uranil diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi Setiap titik mewakili satu atom uranium Waktu pembesaran hingga ukuran 35 mm

27 Unsur kimia, nuklida, isotop Atom-atom dengan sejumlah proton Z di dalam inti atom termasuk dalam unsur kimia yang sama. Nomor Z disebut nomor atom suatu unsur kimia. Himpunan atom dengan jumlah proton Z dan neutron N tertentu dalam inti disebut nuklida. Nuklida dilambangkan dengan menambahkan nilai nomor massa A ke nama unsur, sama dengan jumlah Z + N (misalnya, oksigen-16, uranium-235), atau dengan menempatkan nomor A di dekat simbol elemen (16 O, 235 U). Nuklida dari unsur yang sama disebut isotop. Massa atom teringan dari atom hidrogen, terdiri dari satu proton dan satu elektron, sama dengan m H 1,67 10 –27 kg. Massa atom yang tersisa kira-kira A kali lebih besar dari m H. Ada 90 unsur kimia dan lebih dari 300 nuklida berbeda di alam; 270 di antaranya stabil, sisanya radioaktif. Tentang nuklida radioaktif yang diperoleh secara artifisial.

31 Ion Proses pelepasan atau pengikatan elektron pada suatu atom disebut ionisasi Jika jumlah elektron pada kulit kurang dari Z, diperoleh ion atom positif, jika lebih dari Z negatif Jadi, ion adalah atom bermuatan listrik (atau molekul) yang terbentuk pada pelepasan atau perlekatan satu atau lebih elektron ke atom (atau molekul) netral

32 Ion Ion bermuatan positif disebut kation, anion bermuatan negatif. Ion dilambangkan dengan simbol kimia dengan indeks yang menunjukkan multiplisitas (jumlah muatan dalam satuan muatan dasar) dan tanda ion: H -, Na +, UO 2 2+ Ion dapat berupa formasi stabil (biasanya dalam larutan atau kristal), sehingga dan tidak stabil (dalam gas dalam kondisi normal) kation atom dapat diperoleh hingga muatan +(Z - 1). Jadi, misalnya, U 90+ dan U 91+ diperoleh pada akselerator ion.Anion atom dengan muatan 2 atau lebih tidak ada dalam keadaan bebas.

34 Molekul Molekul adalah partikel stabil terkecil dari suatu zat, terdiri dari lebih dari satu atom. Molekul dicirikan oleh komposisi inti atom tertentu, jumlah elektron, dan struktur spasial. Rumus kimia digunakan untuk menunjukkan kuantitas dan komposisi kualitatif molekul: O 2 (molekul oksigen), H 2 O (molekul air), CH 4 (molekul metana), C 6 H 6 (molekul benzena), C 60 (molekul fullerene)

39 Molekul DNA Gambar berwarna dari molekul DNA diperoleh dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi Dalam ruang vakum tinggi, sampel DNA dilapisi dengan lapisan tipis platinum Lapisan logam memberikan gambar kontras dalam mikroskop elektron

40 Sifat inti dan kulit atom Sifat nuklir Sifat kulit Ditentukan oleh komposisi inti: radioaktivitas, kemampuan untuk berpartisipasi dalam reaksi nuklir, dll. Ditentukan oleh struktur kulit elektron: kimia, fisik (listrik, magnetik, optik, dll. .) 42 Energi Satuan energi dalam SI adalah joule (J), namun untuk nilai energi benda dan fenomena fisika atom, satuan seperti itu jarang digunakan. satuan sistem energi yang disebut elektron volt (eV, eV) yang melewati beda potensial percepatan 1 volt: 1 eV = J –6 eV) satuan elektron-volt, serta beberapa lainnya: rydberg (Rydberg, Ry), hartree (hartree, Ha, atau satuan atom, a. e.) Rydberg secara numerik sama dengan energi ionisasi atom hidrogen dari keadaan dasar dalam perkiraan massa inti yang tak terbatas: 1 Ry eV Hartree sama dengan nilai absolut dari energi potensial elektron dalam keadaan dasar atom hidrogen dalam perkiraan yang tak terbatas massa inti: 1 Ha = 2 Ry eV Energi keadaan sistem atom, serta transisi antar keadaan dapat diukur dalam satuan lain

43 Massa Satuan massa dalam SI adalah kilogram (kg), namun, untuk mengukur massa benda fisika atom, digunakan satuan pengukuran di luar sistem, yang disebut satuan massa atom (sma). sama dengan 1/12 massa atom karbon-12 yang tidak terikat dan tidak tereksitasi (12 C): 1 a. e. m kg 1 a. mu kira-kira sama dengan massa satu proton atau neutron Massa atom relatif adalah massa atom, dinyatakan dalam a. e.m. Konstanta Avogadro N A adalah konstanta fisika yang secara numerik sama dengan jumlah atom dalam 12 g isotop karbon-12 murni: N A mol -1 Mol (satuan jumlah zat dalam SI) menurut definisi mengandung N A elemen struktural (atom , molekul, ion).

44 Panjang Satuan SI untuk panjang adalah meter (m). 1 meter sama dengan jarak yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa dalam selang waktu yang sama dengan 1/detik. Dengan pengecualian pengukuran panjang gelombang radiasi elektromagnetik dalam jangkauan radio, satuan panjang seperti itu jarang digunakan dalam fisika atom, dan sebagai gantinya, untuk mengukur dimensi linier, serta panjang gelombang, unit submultiple meter digunakan: sentimeter ( cm, 1 cm \u003d 10 -2 m), milimeter ( mm, 1 mm = 10–3 m), mikrometer (μm, m, 1 m = 10–6 m), nanometer (nm, 1 nm = 10–9 m), pikometer (pm, 1 siang = 10–12 m ) dan lainnya, serta unit di luar sistem: angstrom (Å, 1 = 0,1 nm = 10–10 m), boron (atau radius Bohr) (1 boron )

45 Waktu Satuan waktu dalam SI adalah sekon (s). standar waktu atom: satu detik (atau detik atom) sama dengan periode radiasi elektromagnetik yang sesuai dengan transisi energi antara dua tingkat struktur hyperfine dari keadaan dasar isotop 133 Cs (cesium-133) Durasi proses cepat dalam fisika atom biasanya diukur dalam satuan pecahan detik: nano-, pico- atau femtoseconds (ns, ps, fs, 1 fs = 10 -15 s)

46 Skala besaran fisika dalam fisika atom dan nuklir Fenomena fisika atom dicirikan oleh dimensi dari 10–12 m (subkulit bagian dalam atom berat) hingga sepersepuluh nanometer (ukuran atom dan molekul kecil), energi dari 10–6 eV (struktur tingkat yang sangat halus) hingga 10 5 eV (energi ikat elektron dari subkulit bagian dalam), kali dari puluhan femtodetik (durasi pulsa laser ultrashort) hingga ribuan detik (masa hidup keadaan metastabil atom) Ukuran tipikal molekul adalah 0,1 -1nm. Jarak antar inti dari molekul terkecil (H 2) adalah nm. Makromolekul DNA dan banyak polimer dapat memiliki dimensi makroskopik. Dengan demikian, panjang heliks DNA yang tidak dilipat bisa mencapai beberapa sentimeter dengan lebar sekitar 2 nm.

47 Foton Foton, atau kuantum radiasi elektromagnetik (medan), adalah partikel elementer tak bermassa yang tidak bermuatan listrik. Dalam ruang hampa, foton bergerak dengan kecepatan c Sebuah foton memiliki putaran sama dengan 1 berputar ke arah tegak lurus terhadap arah rambat foton menentukan keadaan polarisasinya

11.1. Model atom Rutherford

Sampai tahun 1911, tidak ada ide yang benar tentang struktur atom. Pada tahun 1911, Rutherford dan rekan-rekannya mempelajari hamburan partikel- ketika melewati lapisan logam tipis (partikel- memancarkan unsur radioaktif. Mereka adalah inti atom helium dengan muatan 2 e dan massanya kira-kira 4 kali lebih besar dari massa atom hidrogen. Kecepatan mereka mencapai  10 7 MS). Ditemukan bahwa pada penyinaran selembar emas dengan ketebalan 6 m hanya satu dari 8000 -partikel mengalami penyimpangan yang signifikan dari arah awal gerak. Hasilnya sama tak terduga untuk waktu itu, seolah-olah, ketika menembakkan batu bata ke dinding bata yang tebalnya beberapa ribu batu bata, hampir semua batu bata akan melewati dinding dan hanya sedikit yang akan memantul dari dinding.

Berdasarkan penelitiannya, Rutherford mengusulkan model atom nuklir. Menurut model ini, atom terdiri dari inti positif dengan muatan Ze (Z- nomor urut unsur dalam tabel periodik, e- muatan dasar), ukuran 10 -5 -10 -4 A (1A \u003d 10 -10 m) dan massa yang hampir sama dengan massa atom. Elektron bergerak mengelilingi inti dalam orbit tertutup, membentuk kulit elektron atom. Karena atom bersifat netral, maka di sekitar nukleus harus berputar Z elektron yang muatan totalnya Z e. Dimensi atom ditentukan oleh dimensi

orbit luar elektron dan merupakan orde unit A.

Massa elektron adalah fraksi yang sangat kecil dari massa inti (0,054% untuk hidrogen, kurang dari 0,03% untuk unsur lain). Konsep "ukuran elektron" tidak dapat dirumuskan secara konsisten, meskipun r Hai 10 -3 A disebut jari-jari klasik elektron.

Jadi, inti atom menempati bagian yang tidak signifikan dari volume atom dan hampir seluruh ( 99,95%) massa atom terkonsentrasi di dalamnya. Jika inti atom terletak berdekatan satu sama lain, maka bola bumi akan memiliki jari-jari 200 m dan bukan 6400 km (kerapatan zat inti atom 1,810 17 kg / m 3). Oleh karena itu, dari sudut pandang ide atomistik, media apa pun harus dianggap sebagai ruang hampa di mana inti atom dan elektron diselingi (atau, dengan kata lain, sebagai ruang hampa yang sedikit dirusak oleh inti atom dan elektron yang diselingi di dalamnya).

Hasil eksperimen tentang hamburan partikel- membuktikan mendukung model nuklir atom. Namun, model nuklir ternyata bertentangan dengan hukum mekanika klasik dan elektrodinamika. Mari kita tunjukkan.

Mari kita asumsikan bahwa elektron bergerak mengelilingi nukleus dalam orbit melingkar dengan radius r. Dalam hal ini, gaya Coulomb dari interaksi antara elektron dan inti memberikan elektron percepatan (sentripetal) normal, ditentukan dari hukum kedua Newton.

Untuk r = 1A, dari (1) kita temukan bahwa sebuah n  10 22 MS 2 . Menurut elektrodinamika klasik, elektron yang bergerak cepat harus memancarkan gelombang elektromagnetik (lihat paragraf 2.4.) dan, sebagai akibatnya, kehilangan energi. Akibatnya, elektron akan mendekati inti dan akhirnya jatuh di atasnya, yang bertentangan dengan kenyataan.

Jalan keluar dari kebuntuan yang tercipta ditemukan pada tahun 1913 oleh Niels Bohr, yang merumuskan 2 postulat yang bertentangan dengan gagasan klasik.

11.2. Postulat Bohr

1. Postulat pertama adalah sebagai berikut:

Hanya ada beberapa keadaan stasioner atom, di mana ia tidak memancarkan energi. Keadaan stasioner ini sesuai dengan orbit (stasioner) yang terdefinisi dengan baik di mana elektron bergerak. Saat bergerak di sepanjang orbit stasioner, elektron, terlepas dari percepatannya, tidak memancarkan gelombang elektromagnetik.

Dalam keadaan stasioner atom, elektron harus memiliki nilai momentum sudut diskrit (terkuantisasi)

L n = tuan v = n, n = 1, 2, ... (2)

Di Sini m, v adalah massa dan kecepatan elektron, r adalah radius orbitnya. Dengan mempertimbangkan (1) dan (2), kami menemukan jari-jari orbit stasioner elektron

. (3)

Untuk atom hidrogen ( Z=1 ) jari-jari orbit elektron pertama di n = 1 , disebut jari-jari Bohr pertama (sebuah), sama dengan

r 1 \u003d a \u003d 0,528 A. (4)

energi dalam atom adalah jumlah energi kinetik elektron ( T = mv 2 /2 ) dan energi potensial interaksi elektron dengan inti ( kamu =- Ze 2 /(4  0 r)),

(5)

ketika menurunkan rumus (5), rumus (1) diperhitungkan. Dengan mengganti dalam (5) jari-jari kuantum orbit elektron (3), kita memperoleh bahwa energi atom (yang sama dengan energi elektron, karena inti atom tidak bergerak) hanya dapat mengambil yang berikut ini nilai diskrit (kuantum) yang diizinkan

dimana tanda minus berarti elektron dalam keadaan terikat. (Dalam fisika atom, energi diukur dalam volt elektron, 1 eV = 1,6 10 -19 J).

2. Postulat kedua menetapkan:

Selama transisi atom (elektron) dari satu keadaan diam ke keadaan diam lainnya, satu foton dengan energi dipancarkan atau diserap

di mana E n , E m- energi atom (elektron) dalam keadaan diam n dan m, yang ditentukan menurut (6).

Berdasarkan postulatnya, Bohr menciptakan teori semiklasik tentang atom mirip hidrogen yang paling sederhana dan menjelaskan spektrum garis atom hidrogen. Atom mirip hidrogen termasuk atom hidrogen (z=1), ion helium He + (z=2), ion litium Li++ ( Z=3 ) dan lain-lain. Hal ini khas bagi mereka bahwa di sekitar inti dengan muatan = Ze hanya satu elektron yang berputar.

11.3. Spektrum garis atom hidrogen

Spektrum emisi atom hidrogen terdiri dari garis spektrum individu, yang disusun dalam urutan tertentu. Pada tahun 1885, Balmer menetapkan bahwa panjang gelombang (atau frekuensi) dari garis-garis ini dapat diwakili oleh sebuah rumus. Memang, dari (7), dengan mempertimbangkan (6), untuk hidrogen ( Z = 1), maka

di mana R = 2,07  10 16 dengan -1 - Konstanta Rydberg

Mengingat bahwa 1/ = v/s = /2s dan menggunakan (8), kita menemukan

, (9)

di mana R =1,0974  10 7 m -1 juga disebut konstanta Rydberg.

pada gambar. 1 menunjukkan diagram tingkat energi atom hidrogen, dihitung menurut (6) pada z=1.

0 n =

Ketika sebuah elektron berpindah dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat n = 1, radiasi ultraviolet atau radiasi deret Lyman (SL) terjadi. Ketika elektron pergi ke tingkat n = 2 radiasi tampak atau radiasi deret Balmer (SB) terjadi. Ketika elektron berpindah dari tingkat yang lebih tinggi ke tingkat n = 3 timbul radiasi infra merah, atau radiasi deret Paschen (SP), dll.

Frekuensi atau panjang gelombang dari radiasi yang dihasilkan ditentukan oleh rumus (8) atau (9) dengan m=1 - untuk seri Lyman, di m=2 - untuk seri Balmer dan dengan m = 3 - untuk seri Pashen. Energi foton ditentukan oleh rumus (7), yang, dengan memperhitungkan (6), dapat direduksi untuk atom mirip hidrogen menjadi bentuk:

eV (10)

Teori Bohr memainkan peran besar dalam penciptaan fisika atom. Dalam perkembangannya (1913 – 1925) ditemukan penemuan-penemuan penting, misalnya dalam bidang spektroskopi atom. Namun, teori Bohr mengungkapkan kekurangan yang signifikan, misalnya, dengan bantuannya tidak mungkin membuat teori atom yang lebih kompleks daripada atom hidrogen. Oleh karena itu, menjadi jelas bahwa teori Bohr mewakili tahap transisi menuju penciptaan teori yang konsisten tentang fenomena atom dan nuklir. Teori yang konsisten seperti itu adalah mekanika kuantum (gelombang).

11.4 Atom hidrogen menurut mekanika kuantum. Bilangan kuantum elektron dalam atom

Hasil yang diperoleh menurut teori Bohr dalam memecahkan masalah tingkat energi elektron dalam atom mirip hidrogen diperoleh dalam mekanika kuantum tanpa melibatkan postulat Bohr. Mari kita tunjukkan.

Keadaan elektron dalam atom mirip hidrogen dijelaskan oleh beberapa fungsi gelombang yang memenuhi persamaan Schrödinger stasioner [lihat (9.22)]. Mengingat energi potensial elektron

di mana r - jarak antara elektron dan inti, kita memperoleh persamaan Schrödinger dalam bentuk

(12)

Disarankan untuk menggunakan sistem koordinat bola r,  ,  dan cari solusi untuk persamaan ini dalam bentuk fungsi eigen berikut:

(13)

di mana n, aku, m adalah parameter integer dari fungsi eigen. Di mana n disebut bilangan kuantum utama aku - orbital (azimuth) dan m- bilangan kuantum magnetik.

Terbukti bahwa persamaan (12) memiliki solusi hanya untuk nilai energi negatif diskrit

di mana n = 1, 2, 3,... bilangan kuantum utama.

Perbandingan dengan ekspresi (6) menunjukkan bahwa mekanika kuantum mengarah ke nilai energi yang sama seperti yang diperoleh dalam teori Bohr. Namun, dalam mekanika kuantum, nilai-nilai ini diperoleh sebagai konsekuensi dari ketentuan dasar ilmu ini.

Substitusi ke (14) Z=1 dan menerima n = 1 , kita memperoleh nilai energi keadaan dasar (yaitu, keadaan dengan energi terendah) dari atom hidrogen

eV. (15)

Ini juga mengikuti dari solusi (13) persamaan Schrödinger (12) bahwa momentum sudut elektron dalam atom dikuantisasi menurut rumus

(16)

di mana aku= 0, 1, 2, ... (n-1), bilangan kuantum orbital (azimuth).

Proyeksi momentum sudut L elektron per arah Z medan magnet hanya dapat mengambil nilai integer, kelipatan (kuantisasi spasial), mis.

m disebut bilangan kuantum magnetik. Untuk ini, bilangan kuantum magnetik dapat mengambil berbagai nilai.

Teori relativitas khusus (SRT) didasarkan pada dua postulat:

1. Prinsip relativitas: dalam kerangka acuan inersia apa pun, semua fenomena fisik di bawah kondisi awal yang sama berlangsung dengan cara yang sama, yaitu. tidak ada eksperimen yang dilakukan dalam sistem benda tertutup yang dapat mengungkapkan apakah benda itu diam atau bergerak lurus dan beraturan.
2. Prinsip kekonstanan kecepatan cahaya: dalam semua kerangka acuan inersia, kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah sama dan tidak bergantung pada kecepatan sumber cahaya yang bergerak.

Setara dengan postulat SRT, posisi SRT pada sifat pembatas kecepatan cahaya dalam ruang hampa penting: kecepatan sinyal apa pun di alam tidak dapat melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa: c= 3∙108 m/s. Ketika objek bergerak dengan kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya, berbagai efek diamati, dijelaskan di bawah ini.

1. Kontraksi panjang relativistik.

Panjang tubuh dalam kerangka acuan di mana ia diam disebut panjangnya sendiri. L 0 . Kemudian panjang tubuh bergerak dengan kecepatan V dalam kerangka acuan inersia berkurang dalam arah gerak dengan panjang:

di mana: c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa, L 0 adalah panjang tubuh dalam kerangka acuan tetap (panjang tubuh saat istirahat), L adalah panjang tubuh dalam kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan V(panjang benda yang bergerak dengan kecepatan V). Jadi, panjang tubuh itu relatif. Pengurangan tubuh hanya terlihat pada kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya.

2. Perpanjangan relativistik waktu acara.

Durasi suatu fenomena yang terjadi pada suatu titik tertentu dalam ruang akan menjadi yang terkecil dalam kerangka acuan inersia tersebut, relatif terhadap titik tersebut yang stasioner. Ini berarti bahwa jam yang bergerak relatif terhadap kerangka acuan inersia berjalan lebih lambat daripada jam yang tidak bergerak dan menunjukkan interval waktu yang lebih lama antar kejadian. Dilatasi waktu relativistik menjadi terlihat hanya pada kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya, dan dinyatakan dengan rumus:

Waktu τ 0 , diukur dengan jam istirahat relatif terhadap tubuh, disebut waktu yang tepat dari acara tersebut.

3. Hukum relativistik penambahan kecepatan.

Hukum penambahan kecepatan dalam mekanika Newton bertentangan dengan postulat SRT dan digantikan oleh hukum relativistik baru tentang penambahan kecepatan. Jika dua benda bergerak menuju satu sama lain, maka kecepatan pendekatannya dinyatakan dengan rumus:

di mana: V 1 dan V 2 - kecepatan pergerakan benda relatif terhadap kerangka acuan tetap. Jika benda bergerak ke arah yang sama, maka kecepatan relatifnya:

4. Peningkatan massa yang relativistik.

Massa benda yang bergerak m lebih besar dari massa tubuh lainnya m 0:

5. Hubungan antara energi dan massa tubuh.

Dari sudut pandang teori relativitas, massa benda dan energi benda praktis adalah hal yang sama. Jadi, hanya fakta keberadaan tubuh yang berarti bahwa tubuh memiliki energi. Energi Paling Sedikit E 0 yang dimiliki benda dalam kerangka acuan inersia relatif terhadap benda itu dalam keadaan diam dan disebut energi tubuh sendiri (energi istirahat tubuh):

Setiap perubahan energi tubuh berarti perubahan massa tubuh dan sebaliknya:

dimana: E adalah perubahan energi tubuh, m adalah perubahan massa yang sesuai. Total energi tubuh:

di mana: m- massa tubuh. Total energi tubuh E sebanding massa relativistik dan tergantung pada kecepatan benda yang bergerak, dalam hal ini hubungan berikut ini penting:

Omong-omong, energi kinetik suatu benda yang bergerak dengan kecepatan relativistik hanya dapat dihitung dengan menggunakan rumus:

Dari sudut pandang teori relativitas, hukum kekekalan massa diam tidak adil. Misalnya, massa diam inti atom lebih kecil dari jumlah massa partikel dalam inti atom. Namun, massa diam suatu partikel yang mampu meluruh spontan lebih besar daripada jumlah massanya sendiri dari unsur-unsurnya.

Ini tidak berarti pelanggaran hukum kekekalan massa. Dalam teori relativitas, hukum kekekalan massa relativistik berlaku, karena dalam sistem benda yang terisolasi, energi total dipertahankan, dan karenanya massa relativistik, yang mengikuti rumus Einstein, jadi kita dapat berbicara tentang hukum tunggal. tentang kekekalan massa dan energi. Ini tidak berarti bahwa massa dapat diubah menjadi energi dan sebaliknya.

Ada hubungan antara energi total tubuh, energi istirahat dan momentum:

Foton dan sifat-sifatnya

Lampu adalah aliran kuanta radiasi elektromagnetik yang disebut foton. foton adalah partikel yang membawa energi cahaya. Itu tidak bisa diam, tetapi selalu bergerak dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya. Sebuah foton memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

1. Energi foton sama dengan:

di mana: h= 6.63∙10 –34 J∙s = 4.14∙10 –15 eV∙s – Konstanta Planck, ν adalah frekuensi cahaya, λ adalah panjang gelombang cahaya, c adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Energi foton dalam Joule sangat kecil, oleh karena itu, untuk kenyamanan matematis, sering diukur dalam unit off-sistem - elektron volt:

1 eV = 1,6∙10 -19 J.

2. Sebuah foton bergerak dalam ruang hampa dengan kecepatan cahaya. c.

3. Sebuah foton memiliki momentum:

4. Sebuah foton tidak memiliki massa dalam pengertian yang biasa bagi kita (massa yang dapat diukur pada skala, dihitung menurut hukum kedua Newton, dan seterusnya), tetapi sesuai dengan teori relativitas Einstein, ia memiliki massa sebagai ukuran energi ( E = mc 2). Memang, setiap benda yang memiliki energi juga memiliki massa. Jika kita menganggap bahwa foton memiliki energi, maka ia juga memiliki massa, yang dapat ditemukan sebagai:

5. Sebuah foton tidak memiliki muatan listrik.

Cahaya memiliki sifat ganda. Ketika cahaya merambat, sifat gelombangnya muncul (interferensi, difraksi, polarisasi), dan ketika berinteraksi dengan materi, sifat sel (efek fotolistrik) muncul. Sifat ganda cahaya ini disebut dualitas gelombang-partikel.

efek fotolistrik eksternal

efek fotoelektrik- fenomena yang terdiri dari munculnya arus foto dalam botol vakum ketika katoda disinari dengan cahaya monokromatik dengan panjang gelombang tertentu λ .

Ketika tegangan melintasi anoda negatif, medan listrik antara katoda dan anoda memperlambat elektron. Mengukur yang diberikan tegangan perlambatan di mana arus foto menghilang, adalah mungkin untuk menentukan energi kinetik maksimum fotoelektron yang keluar dari katoda:

Banyak peneliti telah menetapkan hal berikut: hukum dasar efek fotolistrik:

1. Efek fotolistrik adalah inersialess. Ini berarti bahwa elektron mulai terbang keluar dari logam segera setelah dimulainya penyinaran dengan cahaya.
2. Energi kinetik maksimum fotoelektron meningkat secara linier dengan meningkatnya frekuensi cahaya ν dan tidak tergantung pada intensitasnya.
3. Untuk setiap zat ada yang disebut efek foto perbatasan merah, yaitu frekuensi terendah ν min (atau panjang gelombang terpanjang λ max) di mana efek fotolistrik eksternal masih mungkin terjadi.
4. Jumlah fotoelektron yang ditarik oleh cahaya dari katoda dalam 1 s berbanding lurus dengan intensitas cahaya.

Saat berinteraksi dengan materi, foton mentransfer semua energinya E = h satu elektron. Sebagian dari energi ini dapat dihamburkan oleh elektron dalam tumbukan dengan atom-atom materi. Selain itu, sebagian energi elektron dihabiskan untuk mengatasi penghalang potensial pada antarmuka logam-vakum. Untuk melakukan ini, elektron harus membuat fungsi kerja A keluar, tergantung pada sifat bahan katoda. Energi kinetik tertinggi yang dapat dimiliki oleh fotoelektron yang dipancarkan dari katoda, dalam hal ini, ditentukan oleh hukum kekekalan energi:

Rumus ini disebut Persamaan Einstein untuk efek fotolistrik eksternal. Dengan menggunakan persamaan Einstein, seseorang dapat menjelaskan semua keteraturan efek fotolistrik eksternal. Untuk efek foto perbatasan merah, menurut rumus Einstein, kita bisa mendapatkan ekspresi:

Postulat Bohr

Postulat pertama Bohr (postulat keadaan stasioner): sistem atom hanya dapat berada dalam keadaan stasioner atau kuantum khusus, yang masing-masing sesuai dengan bilangan tertentu n dan energi E n. Dalam keadaan diam, atom tidak memancarkan atau menyerap energi.

Negara dengan energi terendah diberi nomor "1". Ini disebut utama. Semua status lainnya diberi nomor urut "2", "3", dan seterusnya. Mereka disebut bersemangat. Sebuah atom dapat tetap dalam keadaan dasarnya tanpa batas. Dalam keadaan tereksitasi, atom hidup selama beberapa waktu (sekitar 10 ns) dan masuk ke keadaan dasar.

Menurut postulat pertama Bohr, atom dicirikan oleh sistem tingkat energi, yang masing-masing sesuai dengan keadaan stasioner tertentu. Energi mekanik elektron yang bergerak di sepanjang jalur tertutup di sekitar inti bermuatan positif adalah negatif. Oleh karena itu, semua keadaan stasioner sesuai dengan nilai energi E n < 0. При E n 0 elektron menjauh dari inti (terjadi ionisasi). Nilai | E 1 | ditelepon energi ionisasi. Negara dengan energi E 1 disebut keadaan dasar atom.

Postulat kedua Bohr (aturan frekuensi): selama transisi atom dari satu keadaan stasioner dengan energi E n ke keadaan stasioner lain dengan energi E m kuantum dipancarkan atau diserap, yang energinya sama dengan perbedaan antara energi keadaan stasioner:

atom hidrogen

Atom yang paling sederhana adalah atom hidrogen. Ini berisi satu elektron. Inti atom adalah proton - partikel bermuatan positif, yang muatannya sama dalam nilai absolut dengan muatan elektron. Biasanya, sebuah elektron berada pada tingkat energi pertama (utama, tidak tereksitasi) (sebuah elektron, seperti sistem lainnya, cenderung ke keadaan dengan energi minimum). Dalam keadaan ini, energinya adalah E 1 = -13,6 eV. Dalam atom hidrogen, hubungan berikut dipenuhi yang menghubungkan jari-jari lintasan elektron yang berputar di sekitar nukleus, kecepatan dan energinya di orbit pertama dengan karakteristik serupa di orbit lain:

Pada setiap orbit dalam atom hidrogen, kinetika ( Ke) dan potensial ( P) energi elektron berhubungan dengan energi total ( E) dengan rumus berikut:

inti atom

Saat ini, telah ditetapkan dengan kuat bahwa inti atom dari berbagai elemen terdiri dari dua partikel - proton dan neutron, yang biasanya disebut nukleon. Sejumlah notasi diperkenalkan untuk mengkarakterisasi inti atom. Jumlah proton yang membentuk inti atom dilambangkan dengan simbol Z dan disebut nomor muatan atau nomor atom (ini adalah nomor seri dalam tabel periodik Mendeleev). Jumlah neutron dilambangkan dengan simbol N. Jumlah total nukleon (yaitu, proton dan neutron) disebut nomor massa A, yang dapat dituliskan rumus berikut:

Energi komunikasi. cacat massa

Peran paling penting dalam fisika nuklir dimainkan oleh konsep energi ikat nuklir. Energi ikat inti sama dengan energi minimum yang harus dikeluarkan untuk pemecahan lengkap inti menjadi partikel individu. Berdasarkan hukum kekekalan energi, energi ikat sama dengan energi yang dilepaskan selama pembentukan inti dari partikel individu.

Energi ikat inti mana pun dapat ditentukan dengan mengukur massanya secara akurat. Pengukuran seperti itu menunjukkan bahwa massa inti apa pun M i selalu lebih kecil dari jumlah massa proton dan neutron penyusunnya: M Saya< Zm p + N m n. Selisih antara massa ini disebut cacat massa, dan dihitung dengan rumus:

Cacat massa dapat ditentukan dengan menggunakan rumus Einstein E = mc 2 energi yang dilepaskan selama pembentukan inti tertentu, yaitu energi ikat inti E St:

Tetapi lebih mudah untuk menghitung energi ikat menggunakan rumus yang berbeda (di sini, massa diambil dalam satuan atom, dan energi ikat diperoleh dalam MeV):

Radioaktivitas. Hukum peluruhan radioaktif

Hampir 90% dari inti atom yang diketahui tidak stabil. Inti yang tidak stabil secara spontan berubah menjadi inti lain dengan emisi partikel. Sifat inti ini disebut radioaktivitas.

peluruhan alfa. Peluruhan alfa adalah transformasi spontan inti atom dengan jumlah proton Z dan neutron N menjadi inti (anak) lain yang mengandung jumlah proton Z - 2 dan neutron N - 2. Dalam hal ini, α -partikel - inti atom helium 4 2 He. Skema umum peluruhan alfa:

peluruhan beta. Selama peluruhan beta, sebuah elektron (0 -1 e) terbang keluar dari nukleus. Skema peluruhan beta:

Peluruhan gamma. Tidak seperti α - dan β -radioaktivitas γ -radioaktivitas inti tidak terkait dengan perubahan struktur internal inti dan tidak disertai dengan perubahan muatan atau nomor massa. Seperti α - sebaik β -peluruhan, inti anak mungkin dalam keadaan tereksitasi dan memiliki kelebihan energi. Transisi inti dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar disertai dengan emisi satu atau lebih γ -quanta, energi yang dapat mencapai beberapa MeV.

Hukum peluruhan radioaktif. Setiap sampel bahan radioaktif mengandung sejumlah besar atom radioaktif. Karena peluruhan radioaktif bersifat acak dan tidak bergantung pada kondisi eksternal, hukum penurunan kuantitas N(t) tidak rusak sampai saat ini t inti dapat berfungsi sebagai karakteristik statistik penting dari proses peluruhan radioaktif. Hukum peluruhan radioaktif berbentuk:

Nilai T ditelepon setengah hidup, N 0 adalah jumlah awal inti radioaktif di t= 0. Waktu paruh adalah besaran utama yang mencirikan laju peluruhan radioaktif. Semakin pendek waktu paruh, semakin intens pembusukan.

Pada α - dan β Dalam peluruhan radioaktif, inti anak mungkin juga tidak stabil. Oleh karena itu, serangkaian peluruhan radioaktif mungkin terjadi, yang berakhir dengan pembentukan inti stabil.

Reaksi nuklir

reaksi nuklir- ini adalah proses interaksi inti atom dengan inti lain atau partikel dasar, disertai dengan perubahan komposisi dan struktur inti dan pelepasan partikel sekunder atau γ -kuanta. Sebagai hasil dari reaksi nuklir, isotop radioaktif baru dapat terbentuk yang tidak ditemukan di Bumi dalam kondisi alami.

Dalam reaksi nuklir, beberapa hukum kekekalan terpenuhi: momentum, energi, momentum sudut, muatan. Selain hukum kekekalan klasik ini, reaksi nuklir juga berlaku hukum kekekalan yang disebut muatan baryon(yaitu, jumlah nukleon - proton dan neutron). Misalnya, dalam reaksi umum:

Kondisi berikut terpenuhi (jumlah total nukleon sebelum dan sesudah reaksi tetap tidak berubah):

Hasil energi dari reaksi nuklir

Reaksi nuklir disertai dengan transformasi energi. Hasil energi dari reaksi nuklir adalah nilai:

di mana: M A dan M B adalah massa produk awal, M C dan M D adalah massa produk reaksi akhir. Nilai M ditelepon cacat massa. Reaksi nuklir dapat dilanjutkan dengan pelepasan ( Q> 0) atau dengan penyerapan energi ( Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, yang disebut ambang reaksi.

Agar reaksi nuklir menghasilkan energi positif, energi ikat spesifik nukleon dalam inti produk awal harus lebih kecil dari energi ikat spesifik nukleon dalam inti produk akhir. Artinya nilai M

Pelajari semua rumus dan hukum dalam fisika, dan rumus dan metode dalam matematika. Sebenarnya, ini juga sangat sederhana untuk dilakukan, hanya ada sekitar 200 rumus yang diperlukan dalam fisika, dan bahkan lebih sedikit dalam matematika. Dalam setiap mata pelajaran ini ada sekitar selusin metode standar untuk memecahkan masalah tingkat kerumitan dasar, yang juga dapat dipelajari, dan dengan demikian, sepenuhnya otomatis dan tanpa kesulitan, menyelesaikan sebagian besar transformasi digital pada waktu yang tepat. Setelah itu, Anda hanya perlu memikirkan tugas yang paling sulit.

Menghadiri ketiga tahap pengujian latihan dalam fisika dan matematika. Setiap RT dapat dikunjungi dua kali untuk menyelesaikan kedua opsi. Sekali lagi, pada CT, selain kemampuan untuk memecahkan masalah dengan cepat dan efisien, serta pengetahuan tentang rumus dan metode, juga diperlukan untuk dapat merencanakan waktu dengan baik, mendistribusikan kekuatan, dan yang paling penting mengisi formulir jawaban dengan benar. , tanpa membingungkan nomor jawaban dan tugas, atau nama Anda sendiri. Juga, selama RT, penting untuk membiasakan diri dengan gaya mengajukan pertanyaan dalam tugas, yang mungkin tampak sangat tidak biasa bagi orang yang tidak siap di DT.

Implementasi yang sukses, rajin dan bertanggung jawab dari ketiga poin ini akan memungkinkan Anda untuk menunjukkan hasil yang sangat baik pada CT, maksimal dari apa yang Anda mampu.

Menemukan kesalahan?

Jika Anda, seperti yang Anda lihat, menemukan kesalahan dalam materi pelatihan, silakan tulis melalui surat. Anda juga dapat menulis tentang kesalahan di jejaring sosial (). Dalam surat itu, tunjukkan mata pelajaran (fisika atau matematika), nama atau nomor topik atau tes, nomor tugas, atau tempat dalam teks (halaman) di mana, menurut Anda, ada kesalahan. Jelaskan juga apa dugaan kesalahan itu. Surat Anda tidak akan luput dari perhatian, kesalahannya akan diperbaiki, atau Anda akan dijelaskan mengapa itu bukan kesalahan.