Fizica atomică a apărut la începutul secolelor al XIX-lea și al XX-lea pe baza studiilor spectrelor optice ale gazelor, a descoperirii electronului și a radioactivității. În prima etapă a dezvoltării sale (primul sfert al secolului al XX-lea), fizica atomică s-a preocupat în principal de dezvăluirea structurii atomului și de studiul proprietăților acestuia. Experimentele lui E. Rutherford privind împrăștierea particulelor a prin folie metalică subțire (1908-1911) au condus la crearea unui model planetar al atomului; folosind acest model, N. Bohr (1913) și A. Sommerfeld (1915) au dezvoltat prima teorie cantitativă a atomului (vezi Atom). Studiile ulterioare ale proprietăților electronului și atomilor au culminat cu crearea la mijlocul anilor 20. mecanica cuantică - o teorie fizică care descrie legile microcosmosului și permite să se ia în considerare cantitativ fenomenele la care participă microparticulele (vezi Mecanica cuantică).

Mecanica cuantică este fundamentul teoretic al fizicii atomice. În același timp, fizica atomică joacă rolul unui fel de „teren de testare” pentru mecanica cuantică. Ideile și concluziile mecanicii cuantice, adesea incompatibile cu experiența noastră zilnică, sunt testate experimental în fizica atomică. Un exemplu izbitor sunt celebrele experimente ale lui Frank - Hertz (1913) și Stern - Gerlach (1922); mai jos ne vom opri asupra lor mai detaliat.

Până la începutul secolului XX. s-a acumulat o bogăție de material pe spectrele optice ale atomilor. S-a constatat că fiecare element chimic are propriul spectru de linii, caracterizat printr-o aranjare regulată, ordonată a liniilor spectrale. Mecanica cuantică conectează tiparele observate în spectru cu sistemul de niveluri de energie ale unui atom dat. În 1913, fizicienii germani J. Frank și G. Hertz au efectuat un experiment care a dat confirmarea experimentală directă că energia internă a unui atom este cuantificată și, prin urmare, se poate modifica doar discret, adică în anumite porțiuni. Ei au măsurat energia electronilor liberi cheltuită pentru excitarea atomilor de mercur. Elementul principal al instalației este un cilindru de sticlă evacuat cu trei electrozi lipiți: un catod, un anod, o grilă (prototip al unei triode cu vid moderne). Cilindrul conținea vapori de mercur la o presiune de 1 mm Hg. Artă. Electronii care au părăsit catodul au fost accelerați în câmpul dintre catod și rețea (tensiune de accelerare U) și apoi decelerati în câmpul dintre rețea și anod (tensiune de frânare U 1). Pe drumul de la catod la anod, electronii s-au ciocnit cu atomii de mercur. Tensiunea U 1 a fost aleasă să fie mult mai mică decât U\; prin urmare, numai electronii suficient de lenți au fost respinși din anod - cei care au pierdut energie) ca urmare a ciocnirilor inelastice cu atomii de mercur. În experiment, puterea curentului anodic a fost măsurată în funcție de tensiunea de accelerare U. Curba experimentală are un număr de maxime clare distanțate între ele cu 4,9 V. Forma acestei curbe este explicată după cum urmează. La 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.

Cu o setare mai atentă a experimentelor de acest tip, a fost posibil să se detecteze excitația următoarelor niveluri de energie ale atomilor: pentru mercur aceasta este 6,7; 8,3 eV etc. (10,4 eV este potențialul de ionizare). Observarea strălucirii gazului arată apariția unui spectru complet pentru atomii de mercur.

Un electron care se mișcă în jurul unui nucleu atomic poate fi asemănat cu un curent electric elementar; generează un câmp magnetic. Câmpurile magnetice ale diferiților electroni, însumând, formează câmpul magnetic al atomului. Pentru a o caracteriza, se introduce o mărime vectorială numită moment magnetic. Dacă electronii umplu complet una sau alta înveliș (1s, 2s, 2p etc.), atunci câmpurile lor magnetice se anulează reciproc; momentele magnetice ale atomilor corespunzători sunt egale cu zero.

În 1922, în Germania, O. Stern și W. Gerlach au efectuat un experiment care a arătat că momentul magnetic al unui atom este cuantificat spațial. Ei au trimis un fascicul de atomi cu moment magnetic printr-un câmp magnetic neomogen și au studiat abaterile atomilor sub acțiunea acestui câmp. Gradul și natura abaterii depind de orientarea momentului magnetic al atomului față de direcția câmpului. Dacă fasciculul conținea atomi cu toate orientările posibile ale momentelor magnetice, atunci s-ar observa o „păturare” unghiulară continuă a fasciculului inițial. În experiment, totuși, a fost observată o scindare clară a unui fascicul de atomi în mai multe fascicule; aceasta însemna că momentul magnetic al atomului este cuantificat spațial - proiecția sa pe direcția câmpului magnetic nu poate avea decât anumite valori (discrete).

Să ne întoarcem la distribuția abaterilor atomilor de sodiu într-un câmp magnetic neuniform (a fost obținut în 1930). Această distribuție are două maxime distincte. Atomul de sodiu are trei învelișuri umplute (1s, 2s, 2p) și un electron de 3s. Norul de electroni al electronilor s este simetric sferic (vezi Atom), astfel încât mișcarea lor în câmpul nucleului nu duce la apariția unui moment magnetic. Pentru a explica divizarea observată a fasciculului de atomi de sodiu în două componente, este necesar să presupunem că electronul are propriul său moment magnetic, care nu este legat de mișcarea electronului în jurul nucleului. Acest moment magnetic este asociat condiționat cu rotația unui electron în jurul propriei axe și se numește momentul de spin (vezi Spin). Momentul magnetic al electronului, asociat cu mișcarea acestuia în jurul nucleului, se numește momentul orbital. Astfel, în cazul atomului de sodiu, atât momentele orbitale cât și cele de spin ale electronilor din învelișurile umplute sunt compensate reciproc; impulsul orbital al electronului 3s este zero, iar impulsul de spin al acestui electron face ca fasciculul de atomi de sodiu să se dividă într-un câmp magnetic neuniform. Faptul că se observă scindarea în două fascicule înseamnă că momentul de spin al electronului are două proiecții pe direcția câmpului magnetic.

În anii 30. al secolului nostru, a început o nouă etapă în dezvoltarea fizicii atomice. În acești ani, a devenit clar că natura interacțiunilor responsabile pentru procesele din interiorul nucleului atomic și care explică stabilitatea sau radioactivitatea nucleelor ​​este complet diferită față de interacțiunile care determină procesele care au loc în învelișurile de electroni ale atomului (vezi Unitatea forțelor naturii). În legătură cu aceasta, din fizica atomică a apărut o direcție științifică separată, legată de cercetarea în fizica nucleelor ​​atomice; în anii 40. această direcție a luat contur într-o știință fizică independentă – fizica nucleară. În sfârșit, în anii 50. din fizica nucleară, ramură legată de studiul sistematicii și interconversiilor particulelor elementare, - fizica particulelor elementare, desprinsă.

Ca rezultat, a fost dezvăluit o gamă destul de definită de întrebări care constituie conținutul fizicii atomice moderne. Nu este interesată de procesele care au loc în nucleul atomic, precum și de interconversiile particulelor elementare. Fizica atomică studiază procesele care implică atomi sau ioni și numai astfel de procese care nu duc la nicio modificare a nucleelor ​​atomice. În consecință, vorbim despre procese care afectează doar învelișurile de electroni ale atomilor. La similar

procesele includ: modificări ale stărilor electronilor dintr-un atom sub influența câmpurilor electrice sau magnetice externe (de exemplu, sub influența câmpurilor externe, nivelurile de energie ale atomilor sunt împărțite); absorbția și emisia de radiații electromagnetice de către atomi (vezi Spectroscopie, Raze X, Efect fotoelectric, Lasere); ciocniri ale atomilor cu electroni liberi, precum si cu alti atomi, ioni, molecule (ca urmare a ciocnirilor cu electronii sau alte micro-obiecte, atomii pot fi excitati, trec de la o stare excitata la o stare mai putin excitata, se transforma in ioni , vezi Descărcări electrice în gaze); interacțiunile învelișurilor de electroni ale diferiților atomi, ducând la formarea de molecule și cristale. Toate aceste procese se datorează interacțiunii electromagnetice. Probabilitățile acestor procese sunt calculate folosind aparatul mecanicii cuantice.

Fizica atomică modernă investighează și un tip special de atomi numiti mezoatomi. Un mezoatom ia naștere dintr-un atom obișnuit ca urmare a înlocuirii unuia dintre electroni cu un muon (μ-), un antimezon (π-, K-), un antiproton sau un hiperon încărcat negativ (vezi Hadroni, Leptoni). Există, de asemenea, atomi de „hidrogen” anomali - pozitroniu, muonium, în care rolul unui proton este jucat de pozitroni sau antimuoni încărcați pozitiv (μ +). Toți acești atomi sunt instabili; durata lor de viață este limitată de durata de viață a particulelor menționate mai sus sau de procesele de anihilare e+ e și pp. Mezoatomii se formează în procesul de decelerare a particulelor - ca urmare a captării particulelor încărcate negativ de către câmpul Coulomb al nucleelor ​​atomice sau în timpul captării electronilor atomici de către pozitroni și antimuoni. Experimentele cu diverși atomi anomali prezintă un mare interes atât pentru studiul proprietăților materiei, cât și pentru studiul nucleelor ​​și particulelor elementare.

Fizica atomică

ramură a fizicii care studiază structura și starea atomilor. A. f. a apărut la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. În anii 10. Secolului 20 S-a descoperit că atomul este format dintr-un nucleu și electroni legați prin forțe electrice. La prima etapă a dezvoltării A. f. de asemenea, au abordat aspecte legate de structura nucleului atomic. În anii 30. s-a dovedit că natura interacțiunilor care au loc în nucleul atomic este diferită de cea din învelișul exterior al atomului și în anii 40. fizica nucleară a apărut ca un domeniu independent al științei. În anii 50. fizica particulelor elementare, sau fizica energiilor înalte, s-a desprins din ea.

Preistoria fizicii atomice: doctrina atomilor în secolele XVII-XIX. Ideea existenței atomilor ca particule indivizibile de materie a apărut în antichitate; Ideile atomismului au fost exprimate pentru prima dată de către gânditorii greci antici Democrit și Epicur. În secolul al XVII-lea au fost reînviate de filozoful francez P. Gassendi și de chimistul englez R. Boyle.

Ideile despre atomi care au predominat în secolele al XVII-lea și al XVIII-lea au fost prost definite. Atomii erau considerați particule solide absolut indivizibile și imuabile, dintre care diferite tipuri diferă unele de altele ca mărime și formă. Combinațiile de atomi într-o ordine sau alta formează diverse corpuri, mișcările atomilor determină toate fenomenele care au loc în materie. I. Newton, M. V. Lomonosov și alți oameni de știință credeau că atomii se pot interconecta în particule mai complexe - „corpuscule”. Cu toate acestea, atomilor nu li s-au atribuit proprietăți chimice și fizice specifice. Atomistica avea încă un caracter abstract, natural-filosofic.

La sfârşitul secolului al XVIII-lea - începutul secolului al XIX-lea. ca urmare a dezvoltării rapide a chimiei, a fost creată baza dezvoltării cantitative a științei atomice. Omul de știință englez J. Dalton a început pentru prima dată (1803) să considere atomul drept cea mai mică particulă a unui element chimic, care diferă de atomii altor elemente în masa sa. Potrivit lui Dalton, principala caracteristică a unui atom este masa atomică. Compușii chimici sunt o colecție de „atomi compoziți” care conține un anumit număr (caracteristic pentru o anumită substanță complexă) de atomi ai fiecărui element. Toate reacțiile chimice sunt doar rearanjamente ale atomilor în noi particule complexe. Pe baza acestor prevederi, Dalton și-a formulat legea raporturilor multiple (vezi. Legea rapoartelor multiple). Studiile oamenilor de știință italieni A. Avogadro (1811) și, în special, S. Cannizzaro (1858) au trasat o linie clară între atom și moleculă. În secolul 19 împreună cu proprietățile chimice ale atomilor, au fost studiate proprietățile lor optice. S-a constatat că fiecare element are un spectru optic caracteristic; a fost descoperită analiza spectrală (fizicienii germani G. Kirchhoff și R. Bunsen, 1860).

Astfel, atomul a apărut ca o particulă de materie unică din punct de vedere calitativ, caracterizată prin proprietăți fizice și chimice strict definite. Dar proprietățile atomului erau considerate eterne și inexplicabile. Se credea că numărul de tipuri de atomi (elemente chimice) era aleatoriu și că nu există nicio legătură între ele. Cu toate acestea, treptat, a devenit clar că există grupuri de elemente care au aceleași proprietăți chimice - aceeași valență maximă și legi similare de modificare (la trecerea de la un grup la altul) a proprietăților fizice - punctul de topire, compresibilitatea etc. 1869, D. I. Mendeleev a descoperit sistemul periodic de elemente (vezi Sistemul periodic de elemente). El a arătat că, pe măsură ce masa atomică a elementelor crește, proprietățile lor chimice și fizice se repetă periodic ( orez. unu și 2 ).

Sistemul periodic a dovedit existența unei legături între diferite tipuri de atomi. Concluzia a fost că atomul are o structură complexă care se modifică cu masa atomică. Problema dezvăluirii structurii atomului a devenit cea mai importantă în chimie și fizică (pentru mai multe detalii, vezi Atomism).

Apariția fizicii atomice. Cele mai importante evoluții în știință, din care a apărut fizica atomică, au fost descoperirile electronului și radioactivității. La studierea trecerii curentului electric prin gaze foarte rarefiate, s-au descoperit raze emise de catodul unui tub cu descărcare (razele catodice) și având proprietatea de a se deforma în câmpuri electrice și magnetice transversale. S-a dovedit că aceste fascicule constau din particule încărcate negativ care zboară rapid numite electroni. În 1897, fizicianul englez J. J. Thomson a măsurat raportul de încărcare e a acestor particule la masa lor m. De asemenea, s-a descoperit că metalele emit electroni atunci când sunt încălzite puternic sau iluminate cu lumină cu lungime de undă scurtă (vezi Emisia termoionică, Emisia fotoelectronului). Din aceasta s-a concluzionat că electronii fac parte din orice atom. În plus, a rezultat că atomii neutri trebuie să conțină și particule încărcate pozitiv. Atomi încărcați pozitiv - ionii - au fost într-adevăr descoperiți în studiul descărcărilor electrice din gazele rarefiate. Ideea unui atom ca sistem de particule încărcate a explicat, conform teoriei fizicianului olandez H. Lorenz, un , însăși posibilitatea radiației de către un atom de lumină (unde electromagnetice): radiația electromagnetică apare atunci când sarcinile intraatomice fluctuează; acest lucru a fost confirmat prin studierea efectului unui câmp magnetic asupra spectrelor atomice (vezi fenomenul Zeeman). S-a dovedit că raportul dintre sarcina electronilor intraatomici și masa lor e/m, găsit de Lorentz în teoria sa despre fenomenul Zeeman este exact egal cu valoarea e/m pentru electronii liberi obţinuţi în experimentele lui Thomson. Teoria electronilor și confirmarea ei experimentală au dat dovada incontestabilă a complexității atomului.

Conceptul de indivizibilitate și intransmutabilitate a atomului a fost în cele din urmă infirmat de lucrările oamenilor de știință francezi M. Sklodowska-Curie și P. Curie (vezi Curie-Sklodowska). . Ca urmare a studiului radioactivității s-a stabilit (F. Soddy) , că atomii suferă transformări de două tipuri. După ce a emis o particulă α (un ion de heliu cu o sarcină pozitivă de 2 e), un atom al unui element chimic radioactiv se transformă într-un atom al altui element situat la 2 celule la stânga în sistemul periodic, de exemplu, un atom de poloniu într-un atom de plumb. După ce a emis o particulă β (electron) cu o sarcină negativă - e, un atom al unui element chimic radioactiv se transformă într-un atom al unui element situat la 1 celulă la dreapta, de exemplu, un atom de bismut într-un atom de poloniu. Masa unui atom formată ca urmare a unor astfel de transformări s-a dovedit uneori a fi diferită de greutatea atomică a elementului în a cărui celulă a căzut. De aici a urmat existența unor varietăți de atomi ai aceluiași element chimic cu mase diferite; aceste varietăți au fost numite mai târziu izotopi (adică, ocupând același loc în tabelul periodic). Deci, ideile despre identitatea absolută a tuturor atomilor unui anumit element chimic s-au dovedit a fi greșite.

Rezultatele studiului proprietăților electronului și radioactivității au făcut posibilă construirea unor modele specifice ale atomului. În modelul propus de Thomson în 1903, atomul era reprezentat ca o sferă încărcată pozitiv, în care sunt intercalate electroni negativi, nesemnificativi ca mărime (comparativ cu atomul) ( orez. 3 ).

Ele sunt ținute în atom datorită faptului că forțele atractive ale sarcinii lor pozitive distribuite sunt echilibrate de forțele de repulsie reciprocă. Modelul Thomson a oferit o explicație binecunoscută pentru posibilitatea de emisie, împrăștiere și absorbție a luminii de către un atom. Când electronii sunt deplasați din poziția de echilibru, apare o forță „elastică”, care se străduiește să restabilească echilibrul; această forță este proporțională cu deplasarea electronului din poziția de echilibru și, prin urmare, cu momentul dipol (vezi momentul dipol) atom. Sub acțiunea forțelor electrice ale undei electromagnetice incidente, electronii din atom oscilează cu aceeași frecvență ca și intensitatea electrică din unda luminoasă; electronii oscilanti, la randul lor, emit lumina de aceeasi frecventa. Acesta este modul în care undele electromagnetice sunt împrăștiate de atomii de materie. După gradul de atenuare a fasciculului de lumină în grosimea substanței, puteți afla numărul total de electroni de împrăștiere, iar cunoscând numărul de atomi pe unitatea de volum, puteți determina numărul de electroni din fiecare atom.

Crearea de către Rutherford a modelului planetar al atomului. Modelul atomului lui Thomson sa dovedit a fi nesatisfăcător. Pe baza ei, nu a fost posibil să se explice rezultatul complet neașteptat al experimentelor fizicianului englez E. Rutherford și colaboratorilor săi H. Geiger și E. Marsden privind împrăștierea particulelor α de către atomi. În aceste experimente, particulele α rapide au fost folosite pentru sondarea directă a atomilor. Trecând prin materie, particulele α se ciocnesc cu atomii. La fiecare ciocnire, particula α, care zboară prin câmpul electric al atomului, schimbă direcția de mișcare - experimentează împrăștiere. În majoritatea covârșitoare a evenimentelor de împrăștiere, abaterile particulelor α (unghiuri de împrăștiere) au fost foarte mici. Prin urmare, în timpul trecerii unui fascicul de particule α printr-un strat subțire de materie, a apărut doar o ușoară estompare a fasciculului. Cu toate acestea, o proporție foarte mică de particule α au fost deviate prin unghiuri mai mari de 90°. Acest rezultat nu a putut fi explicat pe baza modelului Thomson, deoarece câmpul electric dintr-un atom „solid” nu este suficient de puternic pentru a devia o particulă α rapidă și masivă printr-un unghi mare. Pentru a explica rezultatele experimentelor privind împrăștierea particulelor α, Rutherford a propus un model fundamental nou al atomului, care amintește ca structură a sistemului solar și numit cel planetar. Are următoarea formă. În centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv, ale cărui dimensiuni (Fizica atomică10 -12 cm) sunt foarte mici în comparație cu dimensiunea unui atom (Atomic Physics10 -8 cm), iar masa este aproape egală cu masa atomului. Electronii se mișcă în jurul nucleului, ca planetele în jurul soarelui; numărul de electroni dintr-un atom neîncărcat (neutru) este astfel încât sarcina lor negativă totală compensează (neutralizează) sarcina pozitivă a nucleului. Electronii trebuie să se miște în jurul nucleului, altfel ar cădea asupra lui sub influența forțelor atractive. Diferența dintre atom și sistemul planetar este că în acesta din urmă acționează forțele gravitaționale, iar în atom, forțele electrice (Coulomb). În apropierea nucleului, care poate fi considerat o sarcină punctiformă pozitivă, există un câmp electric foarte puternic. Prin urmare, zburând în apropierea nucleului, particulele α încărcate pozitiv (nucleele de heliu) experimentează o deviație puternică (vezi Fig. orez. 4 ). Ulterior s-a aflat (G. Moseley) că sarcina nucleului crește de la un element chimic la altul cu o unitate elementară de sarcină egală cu sarcina electronului (dar cu semn pozitiv). Din punct de vedere numeric, sarcina nucleului unui atom, exprimată în unități de sarcină elementară e, este egală cu numărul ordinal al elementului corespunzător din sistemul periodic.

Pentru a testa modelul planetar, Rutherford și colaboratorul său Charles Darwin au calculat distribuția unghiulară a particulelor α împrăștiate de un nucleu punctual, centrul forțelor Coulomb. Rezultatul obținut a fost verificat experimental prin măsurarea numărului de particule α împrăștiate în unghiuri diferite. Rezultatele experimentului se potriveau exact cu calculele teoretice, confirmând astfel în mod strălucit modelul planetar al atomului lui Rutherford.

Cu toate acestea, modelul planetar al atomului a întâmpinat dificultăți fundamentale. Conform electrodinamicii clasice, o particulă încărcată care se mișcă cu accelerație radiază continuu energie electromagnetică. Prin urmare, electronii, care se deplasează în jurul nucleului, adică accelerați, ar trebui să piardă continuu energie în radiație. Dar, în același timp, într-o mică fracțiune de secundă, își vor pierde toată energia cinetică și ar cădea în miez. O altă dificultate, asociată și cu radiația, a fost următoarea: dacă acceptăm (în conformitate cu electrodinamica clasică) că frecvența luminii emise de un electron este egală cu frecvența oscilațiilor unui electron într-un atom (adică numărul de rotații pe care le face pe orbita sa într-o secundă) sau are un multiplu al acesteia, atunci lumina emisă, pe măsură ce electronul se apropie de nucleu, ar trebui să-și schimbe continuu frecvența, iar spectrul luminii emise de acesta ar trebui să fie continuu. . Dar acest lucru este contrar experienței. Un atom emite unde de lumină cu frecvențe bine definite, tipice pentru un element chimic dat și este caracterizat printr-un spectru format din linii spectrale separate - un spectru de linie. O serie de regularități au fost stabilite experimental în spectrul de linii ale elementelor, prima dintre acestea fiind descoperită de omul de știință elvețian I. Balmer (1885) în spectrul hidrogenului. Modelul cel mai general - principiul combinației - a fost găsit de omul de știință austriac W. Ritz (1908). Acest principiu poate fi formulat astfel: pentru atomii fiecărui element se poate găsi o succesiune de numere T 1 ,T 2 ,T 3 ,... - așa-numita. termeni spectrale astfel încât frecvenţa v fiecare linie spectrală a unui element dat este exprimată ca diferența a doi termeni: v = T k - T i . Pentru un atom de hidrogen, termenul T n = R/n2, Unde n- un număr întreg care ia o valoare n= 1, 2, 3,..., a R- așa-zisul. Constanta Rydberg (vezi constanta Rydberg).

Astfel, în cadrul modelului atomic al lui Rutherford, stabilitatea atomului în raport cu radiația și spectrele de linii ale radiației sale nu au putut fi explicate. Pe baza acesteia, legile radiației termice și legile fenomenelor fotoelectrice care apar atunci când radiația interacționează cu materia nu au putut fi explicate. S-a dovedit a fi posibilă explicarea acestor legi pe baza unor concepte complet noi - cuantice, introduse pentru prima dată de fizicianul german M. Planck (1900). Pentru a deriva legea distribuției energiei în spectrul radiației termice - radiația corpurilor încălzite - Planck a sugerat că atomii materiei emit energie electromagnetică (lumină) sub formă de porțiuni separate - cuante de lumină, a căror energie este proporțională cu v(frecvența radiațiilor): E = hv Unde h- o caracteristică constantă a teoriei cuantice și numită constantă Planck (vezi constanta Planck). În 1905, A. Einstein a dat o explicație cuantică a fenomenelor fotoelectrice, conform căreia energia cuantică hv merge să extragă un electron din funcția metal - lucru R -și să-i comunice energie cinetică T rude; hv = R+ Tkin. În același timp, Einstein a introdus conceptul de cuante de lumină ca un tip special de particule; aceste particule au primit ulterior numele Photon ov.

S-a dovedit a fi posibil să se rezolve contradicțiile modelului lui Rutherford doar abandonând o serie de idei obișnuite ale fizicii clasice. Cel mai important pas în construirea teoriei atomului a fost făcut de fizicianul danez N. Bohr (1913).

postulatele lui Bohr și modelul Bohr al atomului. În baza teoriei cuantice a atomului, Bohr a pus 2 postulate care caracterizează acele proprietăți ale atomului care nu se încadrau în cadrul fizicii clasice. Aceste postulate ale lui Bohr pot fi formulate după cum urmează:

1. Existența stărilor staționare. Un atom nu radiază și este stabil doar în unele stări staționare (invariante în timp) corespunzătoare unei serii discrete (discontinue) de valori de energie „admisibile” E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ,... Orice modificare a energiei este asociată cu o tranziție cuantică (ca un salt) de la o stare staționară la alta.

2. Condiția frecvențelor radiațiilor (tranziții cuantice cu radiația). La trecerea de la o stare staționară cu energie E eu intr-un altul cu energie E k un atom emite sau absoarbe lumină de o anumită frecvență v sub forma unui cuantum de radiație (foton) hv, conform raportului hv=E i - E k . Când este emis, un atom trece dintr-o stare de energie superioară E i la o stare de energie inferioară E k , la absorbtie, dimpotriva, dintr-o stare cu o energie mai mica E k la o stare de energie mai mare E eu .

Postulatele lui Bohr fac imediat posibilă înțelegerea semnificației fizice a principiului combinației Ritz (vezi mai sus); compararea raportului hv = E i - E k și v = T k - T i arată că termenii spectrale corespund stărilor staționare, iar energia acestora din urmă trebuie să fie egală (până la un termen constant) E i = -hT i , E k = -hT k .

Când lumina este emisă sau absorbită, energia atomului se modifică, această schimbare este egală cu energia fotonului emis sau absorbit, adică are loc legea conservării energiei. Spectrul de linii al unui atom este rezultatul discretității valorilor posibile ale energiei sale.

Bohr a aplicat mecanica clasică (newtoniană) pentru a determina valorile permise ale energiei unui atom - cuantizarea energiei sale - și pentru a găsi caracteristicile stărilor staționare corespunzătoare. „Dacă vrem să facem o reprezentare vizuală a stărilor staționare în general, nu avem alte mijloace, cel puțin acum, cu excepția mecanicii obișnuite”, a scris Bohr în 1913 („Trei articole despre spectre și structura atomilor”, M. -L., 1923, p. 22). Pentru cel mai simplu atom - un atom de hidrogen, format dintr-un nucleu cu o sarcină + e(proton) și un electron cu o sarcină - e, Bohr a considerat mișcarea unui electron în jurul nucleului pe orbite circulare. Compararea energiei unui atom E cu termeni spectrale T n \u003d R / n 2 pentru atomul de hidrogen, găsit cu mare precizie din frecvențele liniilor sale spectrale, el a obținut valorile posibile ale energiei atomului E n= -hT n \u003d -hR / n 2(unde n= 1, 2, 3,...). Ele corespund unor orbite circulare de rază a n \u003d a 0 n 2, Unde A 0 = 0,53 10 -8 cm - Raza Bohr - raza celei mai mici orbite circulare (la n= 1). Bohr a calculat frecvențele de revoluție v electron în jurul nucleului pe orbite circulare în funcție de energia electronului. S-a dovedit că frecvențele luminii emise de atom nu coincid cu frecvențele de revoluție. v n , după cum cere electrodinamica clasică, dar sunt proporționale, conform relației hv=E i - E k , diferența de energie a unui electron pe două orbite posibile.

Pentru a găsi relația dintre frecvența orbitei unui electron și frecvența radiației, Bohr a presupus că rezultatele teoriilor cuantice și clasice ar trebui să coincidă la frecvențe joase de radiație (pentru lungimi de undă mari; o astfel de coincidență are loc pentru radiația termică, legile dintre care au fost derivate de Planck). El a echivalat cu mare n frecvența de tranziție v = (E n+1 - E n)/ h frecvența circulației v n pe orbită cu dat nși a calculat valoarea constantei Rydberg R, care a coincis cu mare acurateţe cu valoarea R, găsit din experienţă, care a confirmat presupunerea lui Bohr. De asemenea, Bohr a reușit nu numai să explice spectrul hidrogenului, ci și să arate în mod convingător că unele dintre liniile spectrale care au fost atribuite hidrogenului aparțin heliului. Presupunerea lui Bohr că rezultatele teoriilor cuantice și clasice ar trebui să coincidă în cazul limitativ al frecvențelor joase de radiație a reprezentat forma originală a așa-numitului. principiul conformitatii. Mai târziu, Bohr l-a aplicat cu succes pentru a găsi intensitățile liniilor spectrului. După cum a arătat dezvoltarea fizicii moderne, principiul corespondenței s-a dovedit a fi foarte general (vezi Principiul corespondenței) .

În teoria atomului lui Bohr, cuantizarea energiei, adică găsirea valorilor posibile ale acesteia, s-a dovedit a fi un caz special al metodei generale de găsire a orbitelor „permise”. Conform teoriei cuantice, astfel de orbite sunt doar acelea pentru care momentul unghiular al unui electron dintr-un atom este egal cu un multiplu întreg. h/2π. Fiecare orbită permisă corespunde unei anumite valori posibile a energiei unui atom (vezi Atom).

Principalele prevederi ale teoriei cuantice a atomului - cele 2 postulate ale lui Bohr - au fost complet confirmate experimental. Confirmarea deosebit de clară a fost dată de experimentele fizicienilor germani J. Frank și G. Hertz (1913-16). Esența acestor experiențe este următoarea. Un flux de electroni a cărui energie poate fi controlată intră într-un vas care conține vapori de mercur. Electronilor li se dă energie, care crește treptat. Pe măsură ce energia electronilor crește, crește curentul din galvanometrul inclus în circuitul electric; când energia electronului se dovedește a fi egală cu anumite valori (4,9; 6,7; 10,4 ev), curentul scade brusc ( orez. 5 ). În același timp, se poate constata că vaporii de mercur emit raze ultraviolete de o anumită frecvență.

Faptele prezentate permit o singură interpretare. Atâta timp cât energia electronului este mai mică de 4,9 ev, electronii nu pierd energie atunci când se ciocnesc cu atomii de mercur - ciocnirile sunt de natură elastică. Când energia se dovedește a fi egală cu o anumită valoare și anume 4,9 ev, electronii își transferă energia atomilor de mercur, care apoi o emit sub formă de cuante de lumină ultravioletă. Calculul arată că energia acestor fotoni este egală cu exact energia pe care o pierd electronii. Aceste experimente au demonstrat că energia internă a unui atom nu poate avea decât anumite valori discrete, că atomul absoarbe energie din exterior și o emite deodată în cuante întregi și că, în final, frecvența luminii emise de atom corespunde cu energia pierdută de atom.

Dezvoltarea ulterioară a lui A. f. a arătat validitatea postulatelor lui Bohr nu numai pentru atomi, ci și pentru alte sisteme microscopice - pentru molecule și pentru nuclee atomice. Aceste postulate ar trebui considerate drept legi cuantice experimentale ferm stabilite. Ele constituie acea parte a teoriei lui Bohr, care nu numai că a fost păstrată în timpul dezvoltării ulterioare a teoriei cuantice, dar a primit și fundamentarea acesteia. Situația este diferită cu modelul lui Bohr al atomului, care se bazează pe luarea în considerare a mișcării electronilor dintr-un atom conform legilor mecanicii clasice cu impunerea unor condiții suplimentare de cuantizare. Această abordare a făcut posibilă obținerea unui număr de rezultate importante, dar a fost inconsecventă: postulatele cuantice erau atașate artificial de legile mecanicii clasice. O teorie consistentă a fost creată în anii 20. Secolului 20 Mecanica cuantică . Crearea sa a fost pregătită prin dezvoltarea ulterioară a reprezentărilor model ale teoriei lui Bohr, timp în care punctele forte și punctele slabe ale acesteia au devenit clare.

Dezvoltarea teoriei modelului atomului Bohr. Un rezultat foarte important al teoriei lui Bohr a fost explicarea spectrului atomului de hidrogen. Un alt pas în dezvoltarea teoriei spectrelor atomice a fost făcut de fizicianul german A. Sommerfeld. După ce au dezvoltat regulile de cuantizare mai detaliat, pe baza unei imagini mai complexe a mișcării electronilor într-un atom (de-a lungul orbitelor eliptice) și ținând cont de ecranarea unui electron extern (așa-numitul de valență) în câmpul nucleului și electroni interni, el a putut explica o serie de regularități în spectrele metalelor alcaline.

Teoria atomului lui Bohr a aruncat, de asemenea, lumină asupra structurii așa-numitului. spectrele caracteristice ale razelor X. Spectrele de raze X ale atomilor, precum și spectrele lor optice, au o structură de linii discrete caracteristică unui element dat (de unde și numele). Cercetând spectrele caracteristice de raze X ale diferitelor elemente, fizicianul englez G. Moseley a descoperit următorul model: rădăcinile pătrate ale frecvențelor liniilor emise cresc uniform de la element la element în întregul sistem periodic Mendeleev proporțional cu numărul atomic al elementul. Este interesant că legea lui Moseley a confirmat pe deplin corectitudinea lui Mendeleev, care în unele cazuri a încălcat principiul plasării elementelor în tabel în funcție de creșterea greutății atomice și a pus unele elemente mai grele înaintea celor mai ușoare.

Pe baza teoriei lui Bohr, a fost posibil să se dea o explicație a periodicității proprietăților atomilor. Într-un atom complex se formează învelișuri de electroni, care sunt umplute succesiv, începând din cel mai interior, cu un anumit număr de electroni (motivul fizic al formării învelișurilor a devenit clar doar pe baza principiului Pauli, vezi mai jos). Structura învelișurilor de electroni exterioare se repetă periodic, ceea ce determină repetarea periodică a proprietăților chimice și fizice a multor elemente aflate în aceeași grupă a sistemului periodic. Pe baza teoriei lui Bohr, chimistul german W. Kossel (1916) a explicat interacțiunea chimică în așa-numita. molecule heteropolare.

Cu toate acestea, nu toate întrebările despre teoria atomului au putut fi explicate pe baza reprezentărilor model ale teoriei lui Bohr. Nu a făcut față multor probleme ale teoriei spectrelor, a permis obținerea doar a valorilor corecte ale frecvențelor liniilor spectrale ale atomului de hidrogen și ale atomilor de tip hidrogen, în timp ce intensitățile acestor linii au rămas neexplicate; Bohr a trebuit să aplice principiul corespondenței pentru a explica intensitățile.

În tranziția către explicarea mișcărilor electronilor în atomi mai complexi decât atomul de hidrogen, teoria modelului lui Bohr a fost într-un impas. Deja un atom de heliu, în care 2 electroni se mișcă în jurul nucleului, nu se pretează la interpretare teoretică bazată pe acesta. Dificultățile în acest caz nu s-au limitat la discrepanțe cantitative cu experiența. Teoria s-a dovedit a fi neputincioasă în rezolvarea unei astfel de probleme precum combinarea atomilor într-o moleculă. De ce 2 atomi de hidrogen neutri se combină pentru a forma o moleculă de hidrogen? Cum se explică natura valenței în general? Ce leagă atomii unui solid? Aceste întrebări au rămas fără răspuns. În cadrul modelului Bohr, a fost imposibil de găsit o abordare a soluției lor.

Teoria mecanică cuantică a atomului. Limitarea modelului atomic al lui Bohr a fost înrădăcinată în limitările ideilor clasice despre mișcarea microparticulelor. A devenit clar că pentru dezvoltarea ulterioară a teoriei atomului, este necesar să se reconsidere critic ideile de bază despre mișcarea și interacțiunea microparticulelor. Natura nesatisfăcătoare a unui model bazat pe mecanica clasică cu adăugarea de condiții de cuantizare a fost clar înțeleasă de Bohr însuși, ale cărui opinii au exercitat o mare influență asupra dezvoltării ulterioare a funcțiilor algebrice. Începutul unei noi etape în dezvoltarea lui A. f. a fost ideea exprimată de fizicianul francez L. de Broglie (1924) despre natura duală a mișcării micro-obiectelor, în special a electronului (vezi undele De Broglie). Această idee a devenit punctul de plecare al mecanicii cuantice (vezi Mecanica cuantică), creată în 1925–26 de lucrările lui W. Heisenberg și M. Born (Germania), E. Schrödinger (Austria) și P. Dirac (Anglia), și a dezvoltat pe baza ei teoria mecanică cuantică modernă a atomului.

Ideile mecanicii cuantice despre mișcarea unui electron (microparticule în general) diferă radical de cele clasice. Conform mecanicii cuantice, un electron nu se mișcă de-a lungul unei traiectorii (orbită), ca o minge solidă; Mișcarea unui electron are și anumite trăsături caracteristice propagării undelor. Pe de o parte, un electron acționează întotdeauna (de exemplu, în ciocniri) ca un întreg, ca o particulă cu o sarcină și o masă indivizibile; în același timp, electronii cu o anumită energie și impuls se propagă ca o undă plană cu o anumită frecvență (și o anumită lungime de undă). Energia electronilor E modul în care particulele sunt legate de frecvență v raportul undelor de electroni: E=hv,și impulsul său R - cu lungimea de unda λ raport: p = h/λ.

Mișcările stabile ale unui electron într-un atom, așa cum arată Schrödinger (1926), sunt în unele privințe analoge cu undele staţionare (vezi undele staţionare) , ale căror amplitudini sunt diferite în puncte diferite. În același timp, în atom, ca și într-un sistem oscilator, sunt posibile doar unele mișcări „selectate” cu anumite valori de energie, moment unghiular și proiecție a impulsului electronului în atom. Fiecare stare staționară a unui atom este descrisă folosind o funcție de undă (vezi funcția de undă) , care este o soluție a unei ecuații de undă de tip special - ecuația Schrödinger; funcția de undă corespunde „norului de electroni”, care caracterizează (în medie) distribuția densității de sarcină a electronilor în atom (vezi Atom , acolo mai departe orez. 3 sunt prezentate proiecțiile „norilor de electroni” ai atomului de hidrogen). În anii 20-30. Au fost dezvoltate metode aproximative pentru calcularea distribuției densității de sarcină a electronilor în atomi complecși, în special metoda Thomas-Fermi (1926, 1928). Această valoare și valoarea asociată a așa-numitului. factor atomic (vezi factorul atomic) important în studiul ciocnirilor electronilor cu atomii, precum și al împrăștierii lor de raze X.

Pe baza mecanicii cuantice, a fost posibil să se calculeze corect energiile electronilor din atomi complecși prin rezolvarea ecuației Schrödinger. Metode aproximative pentru astfel de calcule au fost dezvoltate în 1928 de D. Hartree (Anglia) și în 1930 de V. A. Fok (URSS). Studiile spectrelor atomice au confirmat pe deplin teoria mecanică cuantică a atomului. S-a dovedit că starea unui electron într-un atom depinde în esență de Spin-ul său a - propriul moment mecanic al impulsului. S-a dat o explicație pentru acțiunea câmpurilor electrice și magnetice externe asupra atomului (vezi Fenomenul Stark (Vezi efectul Stark), Fenomenul Zeeman). Un principiu general important legat de spinul electronului a fost descoperit de fizicianul elvețian W. Pauli (1925) (vezi principiul Pauli), conform acestui principiu, doar un electron poate fi în fiecare stare electronică într-un atom; dacă această stare este deja ocupată de un electron, atunci următorul electron, care intră în compoziția atomului, este forțat să ocupe o altă stare. Pe baza principiului Pauli, au fost stabilite în cele din urmă numerele de umplere ale învelișurilor de electroni din atomi complecși, care determină periodicitatea proprietăților elementelor. Bazându-se pe mecanica cuantică, fizicienii germani W. Geytler și F. London (1927) au dat teoria așa-zisului. Legătura chimică homeopolară a doi atomi identici (de exemplu, atomii de hidrogen din molecula H2), care nu poate fi explicată în cadrul modelului Bohr al atomului.

Aplicații importante ale mecanicii cuantice în anii 30. iar mai târziu au existat studii ale atomilor legați care alcătuiesc o moleculă sau un cristal. Stările unui atom care face parte dintr-o moleculă sunt esențial diferite de stările unui atom liber. De asemenea, atomul suferă modificări semnificative într-un cristal sub acțiunea unui câmp intracristalin, a cărui teorie a fost dezvoltată pentru prima dată de H. Bethe (1929). Investigand aceste schimbări, se poate stabili natura interacțiunii atomului cu mediul său. Cea mai mare realizare experimentală în acest domeniu este A. f. a fost descoperirea de către E. K. Zavoisky în 1944 a rezonanței paramagnetice electronice (vezi rezonanța paramagnetică electronică) , ceea ce a făcut posibilă studierea diferitelor legături ale atomilor cu mediul.

Fizica atomică modernă. Secțiunile principale ale A. f. moderne. sunt teoria atomului, spectroscopia atomică (optică), spectroscopia cu raze X, spectroscopia radio (de asemenea investighează nivelurile de rotație ale moleculelor) și fizica coliziunilor atomice și ionice. Diferite secțiuni ale spectroscopiei acoperă diferite game de frecvențe de radiație și, în consecință, diferite game de energii fotonice. În timp ce spectroscopia cu raze X studiază radiația atomilor cu energii fotonice de până la sute de mii de electroni. ev, spectroscopia radio se ocupă cu cuante foarte mici - până la cuante mai mici de 10 -6 ev.

Cea mai importantă sarcină a lui A. f. - definirea detaliată a tuturor caracteristicilor stărilor unui atom. Vorbim despre determinarea valorilor posibile ale energiei unui atom - nivelurile sale de energie, valorile momentelor de impuls și alte cantități care caracterizează starea atomului. Sunt studiate structurile fine și hiperfine ale nivelurilor de energie (vezi Spectrele atomice) , modificări ale nivelurilor de energie sub influența câmpurilor electrice și magnetice - atât externe, macroscopice, cât și interne, microscopice. De mare importanță este o astfel de caracteristică a stărilor atomului precum durata de viață a unui electron la nivel de energie. În cele din urmă, se acordă multă atenție mecanismului de excitare a spectrelor atomice.

Zonele de fenomene studiate de diferite secțiuni ale AF se suprapun. Spectroscopia cu raze X prin măsurarea emisiei și absorbției de raze X face posibilă determinarea în principal a energiilor de legare ale electronilor interni cu nucleul unui atom (energie de ionizare), distribuția câmpului electric în interiorul atomului. Spectroscopia optică studiază seturile de linii spectrale emise de atomi, determină caracteristicile nivelurilor de energie ale atomului, intensitățile liniilor spectrale și duratele de viață ale atomului în stări excitate asociate acestora, structura fină a nivelurilor de energie, deplasarea si scindarea lor in campuri electrice si magnetice. Spectroscopia radio investighează în detaliu lățimea și forma liniilor spectrale, structura lor hiperfină, deplasarea și scindarea într-un câmp magnetic și, în general, procesele intra-atomice cauzate de interacțiuni și influențe foarte slabe ale mediului.

Analiza rezultatelor ciocnirilor de electroni și ioni rapizi cu atomii face posibilă obținerea de informații despre distribuția densității de sarcină a electronilor („norul de electroni”) în interiorul atomului, despre energiile de excitație ale atomului și energiile de ionizare.

Rezultatele unui studiu detaliat al structurii atomilor găsesc cea mai largă aplicație nu numai în multe ramuri ale fizicii, ci și în chimie, astrofizică și alte domenii ale științei. Pe baza studiului lărgirii și deplasării liniilor spectrale, se pot judeca câmpurile locale (locale) din mediu (lichid, cristal) care provoacă aceste modificări și starea acestui mediu (temperatură, densitate etc.). Cunoașterea distribuției densității de sarcină a electronilor într-un atom și a modificărilor acesteia în timpul interacțiunilor externe face posibilă prezicerea tipului de legături chimice pe care le poate forma un atom, comportamentul unui ion într-o rețea cristalină. Informațiile despre structura și caracteristicile nivelurilor de energie ale atomilor și ionilor sunt extrem de importante pentru dispozitivele electronice cuantice (vezi.

2 1. Introducere 1.1. Tema fizicii atomice, scurta sa istorie a dezvoltării, scopuri și obiective 1.2. Definiții de bază. Electron, proton, neutron, atom, ion, moleculă, nuclid, nucleu atomic, element chimic, izotopi 1.3. Proprietățile nucleare și de înveliș ale atomului 1.4. Unităţi de măsură ale mărimilor fizice în fizica atomică. Electron-volt. Mole, constanta lui Avogadro, unitate de masă atomică, masă atomică relativă. Scale de energii, lungimi, frecvențe, mase în fizica atomică și nucleară 1.5. Fizica clasică, relativistă și cuantică. Elan și energie 1.6. Foton. Scala de energie fotonică (scara de radiație electromagnetică)

3 Fizica atomului Fizica atomică (fizica atomului și a fenomenelor atomice) este o ramură a fizicii care studiază structura și proprietățile atomilor, precum și procesele elementare la care participă atomii.Obiectele de studiu ale fizicii atomice sunt atât atomi și molecule, ioni atomici și moleculari, atomi exotici și alte microparticule În fenomenele studiate în cadrul fizicii atomice, interacțiunile electromagnetice joacă rolul principal.semiconductori și nanomateriale) Baza teoretică a fizicii atomice în sine este teoria cuantică și electrodinamica cuantică. nu există o graniță clară între fizica atomică și alte ramuri ale fizicii și, în conformitate cu clasificarea internațională, fizica atomică este inclusă în domeniul fizicii atomice, moleculare și al opticii.

4 O scurtă istorie a dezvoltării fizicii atomice Conceptul de „atom” a fost folosit de oamenii de știință greci antici (secolele V-II î.Hr.) pentru a se referi la cele mai mici particule indivizibile care alcătuiesc tot ceea ce există în lume. Confirmarea experimentală a ideile atomiste au fost obținute în secolul al XIX-lea în cercetarea chimică și fizică Ideea că un atom este format din părți încărcate pozitiv și negativ a fost fundamentată în a doua jumătate a secolului al XIX-lea.În 1897, J.J. Thomson a descoperit electronul și s-a dovedit curând că este o parte integrantă a tuturor atomilor.Ideea unui atom ca sistem format dintr-un nucleu atomic și o înveliș de electroni a fost fundamentată de E. fizica, fizica nucleară s-a remarcat și, ceva mai târziu, fizica particulelor elementare

5 O scurtă istorie a dezvoltării fizicii atomice Bazele fizicii atomice moderne au fost puse la începutul secolului al XX-lea, când N. Bohr a dat explicații o serie dintre cele mai importante proprietăți ale atomului (1913) și a propus două " postulate cuantice Conform primei dintre ele, există stări speciale (staționare) ale atomului în care acesta din urmă nu radiază energie, deși particulele încărcate (electroni) incluse în compoziția sa fac mișcare accelerată. Conform celui de-al doilea postulat, radiația unui atom are loc în timpul trecerii de la o stare staționară la alta, iar frecvența ν a acestei radiații este determinată din condiția h = E – E (regula frecvenței lui Bohr), unde h este constanta lui Planck, E și E sunt valorile ​​a energiei atomului în stările inițiale și finale.Primul postulat reflectă faptul stabilității atomului, al doilea discretitatea frecvențelor în spectre atomice

6 O scurtă istorie a dezvoltării fizicii atomice Teoria lui Bohr, care s-a dovedit incapabilă să explice pe deplin proprietățile atomilor și moleculelor, a fost înlocuită cu o teorie cuantică consistentă creată în anii 1920 și 1930 (W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac) Cu toate acestea, postulatele lui Bohr își păstrează încă semnificația și fac parte integrantă din fundamentele fizicii fenomenelor microscopice.În cadrul teoriei cuantice moderne se oferă cea mai completă explicație a proprietăților atomului: principiile formării a spectrelor optice și de raze X, au fost fundamentate teoretic comportamentul atomilor în câmpuri magnetice (efectul Zeeman) și electric (efectul Stark), sistemul periodic de elemente și natura legăturii chimice, s-au dezvoltat metode de calcul al structurii electronice. de atomi, molecule și solide (metoda câmpului autoconsistent Hartree-Fock), au fost create noi dispozitive pentru studiul structurii și proprietăților materiei (microscop electronic) Dezvoltarea ideilor teoriei cuantice (gi ipoteza spinului, principiul Pauli etc.), la rândul lor, s-a bazat pe cercetări experimentale în domeniul fizicii atomice (spectrele de linii ale atomilor, efectul fotoelectric, structura fină și hiperfină a liniilor spectrale, experimentele lui Frank și Hertz, Davisson și Germer, Stern și Gerlach, efectul Compton, descoperirea deuteriului și a altor izotopi, efectul Auger etc.)

7 O scurtă istorie a dezvoltării fizicii atomice În a doua treime a secolului XX, în cadrul fizicii atomice și pe baza ideilor teoriei cuantice, au fost dezvoltate noi metode experimentale de cercetare fizică: rezonanța paramagnetică electronică (EPR), S-au creat spectroscopie fotoelectronică (PES), spectroscopie cu impact de electroni (ESI), dispozitive pentru implementarea lor (maser, laser etc.), au fost primite principiile fundamentale ale teoriei cuantice (interferența stărilor cuantice, deplasarea Lamb a nivelurilor etc.). confirmare experimentală directă, noi metode de calcul al structurii electronice a materiei (teoria funcțională a densității) și noi fenomene fizice prezise (superradianță). Au fost dezvoltate metode pentru studii experimentale ale proceselor care au loc cu atomi, ioni și electroni unici deținuți de câmpurile electrice și magnetice. de o configurație specială ("capcane" atomice și ionice)

8 O scurtă istorie a dezvoltării fizicii atomice Noi rezultate în domeniul fizicii atomice în ultima treime a secolului XX și începutul secolului XXI sunt asociate în principal cu utilizarea măsurătorilor laser cu atomi și molecule unice, determină caracteristicile stărilor extrem de excitate ale atomilor, studiază dinamica proceselor intraatomice și intramoleculare care durează până la câteva femtosecunde (10–15 s) ), precum și răcirea atomilor individuali la temperaturi ultrascăzute.Studii teoretice ale ultimelor decenii în domeniul fizica atomică sunt asociate cu progresul rapid al tehnologiei informatice și vizează dezvoltarea metodelor și mijloacelor eficiente Structura și proprietățile sistemelor atomice multielectronice, ținând cont de energia de corelare a electronilor, corecția mecanică cuantică relativiste și corecția electrodinamică cuantică

9 Fizica atomică Cercetările din domeniul fizicii atomice au găsit numeroase aplicații științifice și practice În scopuri industriale, pentru determinarea compoziției elementare a unei substanțe, se folosesc metode de analiză spectrală atomică, inclusiv EPR, FES și SEA Pentru rezolvarea problemelor geologice, biologice și probleme medicale, metode de analiză atomică spectrală laser la distanță și locală, separarea izotopilor cu laser se efectuează în scopuri industriale și tehnice În astrofizică sunt utilizate metode experimentale și teoretice de fizică atomică (determinarea compoziției și a caracteristicilor fizice ale materiei stelelor și ale mediu interstelar, studiul atomilor Rydberg), metrologia (ceasurile atomice) și alte domenii ale științei și tehnologiei

10 Obiectivele și obiectivele cursului de fizică atomică Scopul principal al disciplinei „Fizica atomului și a fenomenelor atomice”, ca parte a cursului de fizică generală, este de a forma cunoștințe de bază despre fizica fenomenelor microscopice la nivelul atomului. nivel molecular și capacitatea de a le aplica în rezolvarea problemelor aplicate Pentru atingerea acestui scop sunt rezolvate următoarele sarcini: – analiza dezvoltării atomistice și formarea conceptelor cuantice; – studiul celor mai importante fapte experimentale ale fizicii atomice și interrelațiile lor; - dezvăluirea specificului microfenomenelor și eșecul teoriei clasice de a le explica; – studiul fundamentelor mecanicii cuantice și al metodelor de rezolvare a problemelor de mecanică cuantică; – studiu sistematic și explicație bazată pe teoria cuantică a structurii și proprietăților atomilor și moleculelor, comportamentul acestora în câmpuri externe și în interacțiunea între ele

12 Electron Electronul este o particulă elementară stabilă cu sarcină electrică negativă Valoarea absolută a sarcinii electronului este egală cu sarcina elementară q e = –e –1,610 –19 C Masa electronului m e = m –31 kg Spinul electronului electronul este ½ Momentul magnetic al electronului este aproximativ egal cu magnetonul Bohr μ e – μ B - -4 eV / T Simbolul e sau e este folosit pentru a desemna un electron - Electronii formează învelișurile de electroni ale tuturor atomilor și ionilor. electronul are un pozitron antiparticule (e+)

15 Proton Protonul este o particulă elementară stabilă cu sarcină electrică pozitivă Sarcina protonului este egală cu sarcina elementară q p = e –19 C Masa protonului m p 1836m e –27 kg Spinul protonului este ½ magnetic momentul protonului μ p –8 eV/T Protonul are un antiproton antiparticule (p-)

16 Anihilarea unui antiproton Un antiproton (pistă albastră) se ciocnește cu un proton într-o cameră cu bule, rezultând patru pioni pozitivi (urme roșii) și patru pioni negativi (urme verzi) Urma galbenă aparține unui muon, care se naște ca rezultat de dezintegrare a pionilor

17 Neutron Particulă elementară neutronică cu sarcină electrică zero Durata de viață a unui neutron în stare liberă este de aproximativ 886 s Masa unui neutron m n 1839m e –27 kg Spinul unui neutron este ½ În ciuda absenței unei sarcini electrice, neutronul are un moment magnetic μ n – –8 eV/T Neutronul notat cu simbolul n sau n 0 Neutronul are un antineutron antiparticulă Protonii și neutronii sunt uniți prin denumirea comună nucleoni Nucleele atomice sunt formate din protoni și neutroni

18 Neutroni Deoarece neutronii nu au sarcină electrică, ei nu lasă urme în camerele detectoarelor de particule Neutronii pot fi totuși detectați prin interacțiunile lor cu alte particule încărcate Imaginea colorată arată urme de particule într-o cameră cu nori plină cu un amestec de hidrogen gazos, alcool etilic. și apă Fasciculul de neutroni pătrunde în cameră de jos și provoacă transmutări ale atomilor de oxigen și carbon care fac parte din moleculele de alcool etilic

19 Atom Un atom este o microparticulă constând dintr-un nucleu atomic și electronii săi înconjurați (învelișul de electroni) Un nucleu încărcat pozitiv deține electroni încărcați negativ prin forțele de atracție electrică, sarcina electronului este egal cu e, atunci când numărul de electroni din învelișul este egal cu numărul de protoni din nucleu, sarcina electrică totală a atomului este zero. ), cu toate acestea, datorită faptului că masa unui proton (ca un neutron) este de aproape 2 mii de ori mai mare decât masa a unui electron, aproape întreaga masă a unui atom () este concentrată în nucleu

20 Atomi de aur Au Imaginea unui singur atom de aur obținută folosind un microscop electronic cu transmisie Timpi de mărire până la o dimensiune de 35 mm

22 Atomi de siliciu Si Imagine colorată a atomilor de siliciu obținută cu ajutorul unui microscop electronic cu transmisie Este prezentată celula unitară a cristalului. Legăturile dintre atomi sunt și ele vizibile.Timpi de mărire până la o dimensiune de 35 mm

24 Atomi de uraniu U O imagine colorată a atomilor de uraniu a fost obținută folosind un microscop electronic cu transmisie.Punctele regulate mici sunt atomi individuali, formațiunile mai mari sunt clustere formate din 2–20 de atomi Câmpul vizual este de aproximativ 100 Å. Mărire până la o dimensiune de 35 mm

25 Microcristale de uranil UO 2 2+ Imagine colorată a microcristalelor de uranil obținută cu ajutorul unui microscop electronic cu transmisie Fiecare pată reprezintă un singur atom de uraniu.

27 Element chimic, nuclid, izotopi Atomii cu un anumit număr de protoni Z în nucleu aparțin aceluiași element chimic. Numărul Z se numește numărul atomic al unui element chimic. Un set de atomi cu un anumit număr de protoni Z și neutroni N în nucleu se numește nuclid. Nuclizii se notează prin adăugarea la numele elementului a valorii numărului de masă A, egală cu suma lui Z + N (de exemplu, oxigen-16, uraniu-235), sau prin plasarea numărului A lângă simbolul lui elementul (16 O, 235 U). Nuclizii aceluiași element se numesc izotopi. Masa celui mai ușor atom al atomului de hidrogen, constând dintr-un proton și un electron, este egală cu m H 1,67 10 –27 kg. Masele atomilor rămași sunt de aproximativ A ori mai mari decât m H. Există 90 de elemente chimice și mai mult de 300 de nuclizi diferiți în natură; 270 dintre ele sunt stabile, restul sunt radioactive. Despre nuclizii radioactivi obținuți artificial.

31 Ioni Procesul de îndepărtare sau atașare a electronilor unui atom se numește ionizare Dacă numărul de electroni din înveliș este mai mic decât Z, se obține un ion atomic pozitiv, dacă mai mult decât Z este negativ. Astfel, un ion este un atom încărcat electric. (sau moleculă) care se formează la detașarea sau atașarea unuia sau mai multor electroni la un atom (sau moleculă) neutru

32 Ioni Ionii încărcați pozitiv se numesc cationi, anioni încărcați negativ. Ionii sunt notați printr-un simbol chimic cu un indice care indică multiplicitatea (cantitatea de sarcină în unități de sarcină elementară) și semnul ionului: H -, Na +, UO 2 2+ Ionii pot fi ambele formațiuni stabile (de obicei în soluții sau cristale), deci și instabile (în gaze în condiții normale) se pot obține cationi atomici până la o sarcină de +(Z - 1). Astfel, de exemplu, U 90+ și U 91+ au fost obținute pe acceleratori de ioni.Anionii atomici cu o sarcină de 2 sau mai multe nu există în stare liberă.

34 Molecula O molecula este cea mai mica particula stabila a unei substante, formata din mai mult de un atom.O molecula se caracterizeaza printr-o anumita compozitie a nucleelor ​​atomice, numarul de electroni si o structura spatiala.Formulele chimice sunt folosite pentru a indica cantitativ si compozitia calitativa a moleculelor: O 2 (molecula de oxigen), H 2 O (molecula apa), CH 4 (molecula de metan), C 6 H 6 (molecula de benzen), C 60 (molecula de fulleren)

39 Moleculă de ADN O imagine colorată a unei molecule de ADN a fost obținută folosind un microscop electronic cu transmisie Într-o cameră cu vid înalt, o probă de ADN este acoperită cu un strat subțire de platină. Învelișul metalic oferă o imagine de contrast la un microscop electronic.

40 Proprietăți nucleare și de înveliș ale atomului Proprietăți nucleare Proprietăți de înveliș Determinate de compoziția nucleului: radioactivitate, capacitatea de a participa la reacții nucleare etc. Determinată de structura învelișului de electroni: chimice, fizice (electrice, magnetice, optice etc.) .) 42 Energia Unitatea de măsură a energiei în SI este joule (J), cu toate acestea, pentru valorile energetice ale obiectelor și fenomenelor fizicii atomice, o astfel de unitate este rar folosită. unitate de sistem de energie numită electron-volt (eV, eV) care trece printr-o diferență de potențial de accelerație de 1 volt: 1 eV = J –6 eV) unități de electron-volt, precum și altele: rydberg (Rydberg, Ry), hartree (hartree, Ha, sau unitate atomică, a. e.) Rydberg este numeric egal cu energia de ionizare a unui atom de hidrogen din starea fundamentală în aproximarea unei mase infinite a nucleului: 1 Ry eV Hartree este egală cu valoarea absolută a energiei potențiale a unui electron în starea fundamentală a atomului de hidrogen în aproximarea unui atom infinit. masa nucleului: 1 Ha = 2 Ry eV Energiile stărilor sistemelor atomice, precum și tranzițiile între stări pot fi măsurate în alte unități

43 Masa Unitatea de măsură în SI este kilogramul (kg), totuși, pentru a măsura masele obiectelor din fizica atomică, se folosește o unitate de măsură în afara sistemului, numită unitatea de masă atomică (amu). Unitatea de masă atomică este egal cu 1/12 din masa unui atom de carbon-12 nelegat, neexcitat (12 C): 1 a. e. m kg 1 a. e. m. este aproximativ egală cu masa unui proton sau neutron Masa atomică relativă este masa unui atom, exprimată în a. e.m. Constanta lui Avogadro N A este o constantă fizică egală numeric cu numărul de atomi din 12 g izotop pur de carbon-12: N A mol –1 mol (o unitate a cantității de substanță în SI) conține prin definiție N A elemente structurale (atomi , molecule, ioni).

44 Lungime Unitatea SI de lungime este metrul (m). 1 metru este egal cu distanta parcursa de lumina in vid intr-un interval de timp egal cu 1/secunda. Cu excepția măsurătorilor lungimilor de undă ale radiației electromagnetice în domeniul radio, o astfel de unitate de lungime este rar folosită în fizica atomică și, în schimb, pentru măsurarea dimensiunilor liniare, precum și a lungimilor de undă, se folosesc unități submultiple ale unui metru: centimetru ( cm, 1 cm \u003d 10 -2 m), milimetru ( mm, 1 mm = 10–3 m), micrometru (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanometru (nm, 1 nm = 10–9) m), picometru (pm, 1 pm = 10–12 m ) și altele, precum și unități din afara sistemului: angstrom (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m), bor (sau raza Bohr) (1 bor Å)

45 Timpul Unitatea SI a timpului este secunda (s). standard de timp atomic: o secundă (sau secundă atomică) este egală cu perioadele de radiație electromagnetică corespunzătoare tranziției energetice între două niveluri ale structurii hiperfine a stării fundamentale a izotopului 133 Cs (cesiu-133) Durata proceselor rapide în fizica atomică se măsoară de obicei în unități fracționale de secundă: nano-, pico- sau femtosecunde (ns, ps, fs, 1 fs = 10 -15 s)

46 Scări ale mărimilor fizice în fizica atomică și nucleară Fenomenele fizicii atomice se caracterizează prin dimensiuni de la 10–12 m (subînveliș interioare ale atomilor grei) până la zecimi de nanometru (dimensiuni ale atomilor și moleculelor mici), energii de la 10–6 eV. (structura hiperfină a nivelurilor) la 10 5 eV (energii de legare a electronilor din subînvelișurile interioare), ori de la zeci de femtosecunde (durata impulsurilor laser ultrascurte) la mii de secunde (durata de viață a stărilor metastabile ale atomilor) Dimensiunile tipice ale moleculelor sunt 0,1 –1 nm. Distanța internucleară a celei mai mici molecule (H 2) este nm. Macromoleculele de ADN și mulți polimeri pot avea dimensiuni macroscopice. Astfel, lungimea unui helix de ADN desfășurat poate ajunge la câțiva centimetri cu o lățime de aproximativ 2 nm.

47 Foton Un foton, sau un cuantum de radiație electromagnetică (câmp), este o particulă elementară fără masă care nu are sarcină electrică În vid, un foton se mișcă cu o viteză c Un foton are un spin egal cu 1. rotirea pe direcții perpendiculare pe direcția de propagare a fotonului determină starea de polarizare a acestuia γ

11.1. Modelul Rutherford al atomului

Până în 1911, nu au existat idei corecte despre structura atomului. În 1911, Rutherford și colaboratorii săi au studiat împrăștierea particulelor  la trecerea prin straturi subțiri de metal (particulele  emit elemente radioactive. Sunt nuclee de atomi de heliu cu sarcină de 2). eși o masă de aproximativ 4 ori mai mare decât masa unui atom de hidrogen. Viteza lor ajunge  10 7 Domnișoară). S-a constatat că la iradierea unei foi de aur cu o grosime 6 µm doar una din 8000 de particule  a experimentat o abatere semnificativă de la direcția inițială de mișcare. Rezultatul a fost la fel de neașteptat pentru acea vreme, de parcă, la tragerea cu cărămizi într-un zid de cărămidă gros de câteva mii de cărămizi, aproape toate cărămizile ar trece prin perete și doar câteva ar sări de pe perete.

Pe baza cercetărilor sale, Rutherford a propus un model nuclear al atomului. Conform acestui model, un atom este format dintr-un nucleu pozitiv cu o sarcină Ze (Z- numărul de serie al elementului din tabelul periodic, e- sarcină elementară), dimensiunea 10 -5 -10 -4 A (1A \u003d 10 -10 m) și o masă aproape egală cu masa unui atom. Electronii se mișcă în jurul nucleului pe orbite închise, formând învelișul de electroni a atomului. Deoarece atomii sunt neutri, atunci în jurul nucleului trebuie să se rotească Z electroni a căror sarcină totală este Z e. Dimensiunile unui atom sunt determinate de dimensiuni

orbitele externe ale electronilor și sunt de ordinul unităților lui A.

Masa electronilor este o fracțiune foarte mică din masa nucleului (0,054% pentru hidrogen, mai puțin de 0,03% pentru alte elemente). Totuși, conceptul de „dimensiune a electronului” nu poate fi formulat în mod consecvent r o 10 -3 A se numește raza clasică a electronului.

Deci, nucleul unui atom ocupă o parte nesemnificativă din volumul atomului și practic toată ( 99,95%) masa atomului este concentrată în el. Daca nucleele atomilor ar fi situate aproape unele de altele, atunci globul ar avea o raza de  200 m si nu  6400 km (densitatea substantei nucleelor ​​atomice  1,810 17 kg / m 3). Prin urmare, din punctul de vedere al ideilor atomiste, orice mediu ar trebui considerat ca un vid în care sunt intercalate nuclee atomice și electroni (sau, cu alte cuvinte, ca un vid ușor stricat de nucleele atomice și electronii intercalate în el).

Rezultatele experimentelor privind împrăștierea particulelor  mărturisesc în favoarea modelului nuclear al atomului. Cu toate acestea, modelul nuclear s-a dovedit a fi în conflict cu legile mecanicii clasice și ale electrodinamicii. Să o arătăm.

Să presupunem că un electron se mișcă în jurul nucleului pe o orbită circulară de rază r. În acest caz, forța Coulomb de interacțiune dintre electron și nucleu conferă electronului o accelerație normală (centripetă), determinată din a doua lege a lui Newton.

Pentru r = 1A, din (1) aflăm că A n  10 22 Domnișoară 2 . Conform electrodinamicii clasice, electronii care se mișcă rapid trebuie să radieze unde electromagnetice (vezi paragraful 2.4.) și, ca urmare, să piardă energie. Ca urmare, electronii se vor apropia de nucleu și în cele din urmă vor cădea pe acesta, ceea ce este contrar realității.

Ieșirea din impasul care a creat-o a fost găsită în 1913 de Niels Bohr, care a formulat 2 postulate care contrazic ideile clasice.

11.2. postulatele lui Bohr

1. Primul postulat este următorul:

Există doar câteva stări staționare ale atomului, în care acesta nu radiază energie. Aceste stări staționare corespund unor orbite (staționare) bine definite de-a lungul cărora se mișcă electronii. Când se deplasează de-a lungul orbitelor staționare, electronii, în ciuda accelerației lor, nu radiază unde electromagnetice.

În starea staționară a atomului, electronul trebuie să aibă valori discrete (cuantificate) ale momentului unghiular

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

Aici m, v sunt masa și viteza electronului, r este raza orbitei sale. Ținând cont de (1) și (2), găsim razele orbitelor staționare ale electronilor

. (3)

Pentru un atom de hidrogen ( Z=1 ) raza primei orbite de electroni la n = 1 , numită prima rază Bohr (A), egală

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

energia internă a unui atom este suma energiei cinetice a electronului ( T = mv 2 /2 ) și energia potențială de interacțiune a unui electron cu un nucleu ( U =- Ze 2 /(4  0 r)),

(5)

la derivarea formulei (5), s-a luat în considerare formula (1). Înlocuind în (5) razele cuantice ale orbitelor electronilor (3), obținem că energia atomului (care este egală cu energia electronului, deoarece nucleul atomului este nemișcat) poate lua doar următoarele valori discrete (cuantice) permise

unde semnul minus înseamnă că electronul este într-o stare legată. (În fizica atomică, energia se măsoară în electroni volți, 1 eV = 1,6 10 -19 J).

2. Al doilea postulat stabilește:

În timpul tranziției unui atom (electron) de la o stare staționară la alta, un foton cu energie este emis sau absorbit

Unde E n , E m- energia unui atom (electron) în stări staţionare nși m, care sunt determinate conform (6).

Pe baza postulatelor sale, Bohr a creat o teorie semiclasică a celui mai simplu atom asemănător hidrogenului și a explicat spectrul de linii ale atomului de hidrogen. Atomii asemănători hidrogenului includ un atom de hidrogen (z=1), un ion de heliu He + (z=2), un ion de litiu Li ++ ( Z=3 ) si altele.Este tipic pentru ei ca in jurul nucleului cu sarcina = Ze doar un electron se rotește.

11.3. Spectrul de linii al unui atom de hidrogen

Spectrul de emisie al hidrogenului atomic constă din linii spectrale separate, care sunt aranjate într-o anumită ordine. În 1885, Balmer a stabilit că lungimile de undă (sau frecvențele) acestor linii pot fi reprezentate printr-o formulă. Într-adevăr, din (7), ținând cont de (6), pentru hidrogen ( Z = 1), rezultă că

Unde R = 2,07  10 16 cu -1 - constanta Rydberg

Avand in vedere ca 1/ = v/s = /2s și folosind (8), aflăm

, (9)

Unde R =1,0974  10 7 m -1 se mai numește și constanta Rydberg.

Pe fig. 1 prezintă o diagramă a nivelurilor de energie ale atomului de hidrogen, calculate conform (6) la z=1.

0 n = 

Când un electron trece de la niveluri mai mari de energie la nivelul n = 1, are loc radiația ultravioletă sau radiația din seria Lyman (SL). Când electronii ajung la nivel n = 2 apar radiații vizibile sau radiații din seria Balmer (SB). Când electronii se deplasează de la niveluri superioare la nivel n = 3 apare radiația infraroșie sau radiația din seria Paschen (SP) etc.

Frecvențele sau lungimile de undă ale radiației rezultate sunt determinate prin formulele (8) sau (9) cu m=1 - pentru seria Lyman, la m=2 - pentru seria Balmer si cu m = 3 - pentru seria Pashen. Energia fotonului este determinată de formula (7), care, ținând cont de (6), poate fi redusă pentru atomii de tip hidrogen la forma:

eV (10)

Teoria lui Bohr a jucat un rol uriaș în crearea fizicii atomice. În timpul dezvoltării sale (1913 - 1925) s-au făcut descoperiri importante, de exemplu, în domeniul spectroscopiei atomice. Cu toate acestea, teoria lui Bohr a relevat deficiențe semnificative, de exemplu, cu ajutorul ei este imposibil să se creeze o teorie a atomilor mai complexă decât atomul de hidrogen. Prin urmare, a devenit evident că teoria lui Bohr a reprezentat o etapă de tranziție pe calea creării unei teorii consistente a fenomenelor atomice și nucleare. O astfel de teorie consistentă a fost mecanica cuantică (undă).

11.4 Atom de hidrogen conform mecanicii cuantice. Numerele cuantice ale unui electron dintr-un atom

Rezultatele obținute conform teoriei lui Bohr în rezolvarea problemei nivelurilor de energie ale unui electron în atomi de tip hidrogen sunt obținute în mecanica cuantică fără a implica postulatele lui Bohr. Să o arătăm.

Starea unui electron într-un atom asemănător hidrogenului este descrisă de o funcție de undă  care satisface ecuația staționară Schrödinger [vezi (9.22)]. Avand in vedere ca energia potentiala a unui electron

Unde r - distanta dintre electron si nucleu obtinem ecuatia Schrödinger sub forma

(12)

Este recomandabil să utilizați sistemul de coordonate sferice r,  ,  și căutați o soluție la această ecuație sub forma următoarelor funcții proprii

(13)

Unde n, l, m sunt parametri întregi ai funcțiilor proprii. în care n se numește număr cuantic principal l - orbital (azimut) si m- numărul cuantic magnetic.

Se dovedește că ecuația (12) are soluție doar pentru valori negative discrete ale energiei

Unde n = 1, 2, 3,... numere cuantice principale.

Comparația cu expresia (6) arată că mecanica cuantică duce la aceleași valori energetice ca cele obținute în teoria lui Bohr. Cu toate acestea, în mecanica cuantică, aceste valori sunt obținute ca o consecință a prevederilor de bază ale acestei științe.

Înlocuirea în (14) Z=1 și acceptând n = 1 , obținem valoarea energetică a stării fundamentale (adică starea cu cea mai mică energie) a atomului de hidrogen

eV. (15)

De asemenea, din soluția (13) a ecuației Schrödinger (12) rezultă că momentul unghiular al unui electron dintr-un atom este cuantificat conform formulei

(16)

Unde l= 0, 1, 2, ... (n-1), număr cuantic orbital (azimut).

Proiecția momentului unghiular L electron pe direcție Z câmpul magnetic poate lua numai valori întregi, multipli (cuantificare spațială), adică

m se numește număr cuantic magnetic. Pentru aceasta, numărul cuantic magnetic poate lua diverse valori.

Teoria specială a relativității (SRT) se bazează pe două postulate:

1. Principiul relativității:în orice cadre de referință inerțiale, toate fenomenele fizice în aceleași condiții inițiale decurg în același mod, adică nici un experiment efectuat într-un sistem închis de corpuri nu poate dezvălui dacă corpul este în repaus sau dacă se mișcă uniform și rectiliniu.
2. Principiul constanței vitezei luminii:în toate cadrele de referință inerțiale viteza luminii în vid este aceeași și nu depinde de viteza sursei de lumină în mișcare.

Egal cu postulatele SRT, poziția SRT asupra naturii limitative a vitezei luminii în vid contează: viteza oricărui semnal în natură nu poate depăși viteza luminii în vid: c= 3∙10 8 m/s. Când obiectele se mișcă cu o viteză comparabilă cu viteza luminii, se observă diferite efecte, descrise mai jos.

1. Contracția relativistică a lungimii.

Lungimea unui corp din cadrul de referință în care se află în repaus se numește lungimea proprie. L 0 . Apoi lungimea corpului se mișcă cu viteză Vîn cadrul de referință inerțial scade în direcția mișcării la o lungime:

Unde: c este viteza luminii în vid, L 0 este lungimea corpului într-un cadru de referință fix (lungimea unui corp în repaus), L este lungimea corpului în cadrul de referință care se mișcă odată cu viteza V(lungimea unui corp care se mișcă cu o viteză V). Astfel, lungimea corpului este relativă. Reducerea corpurilor este vizibilă doar la viteze comparabile cu viteza luminii.

2. Prelungirea relativistă a timpului evenimentului.

Durata unui fenomen care are loc într-un anumit punct din spațiu va fi cea mai scurtă din acel cadru inerțial de referință, față de care acest punct este staționar. Aceasta înseamnă că ceasurile care se mișcă în raport cu un cadru de referință inerțial rulează mai lent decât ceasurile staționare și arată un interval de timp mai lung între evenimente. Dilatarea relativistică a timpului devine vizibilă numai la viteze comparabile cu viteza luminii și este exprimată prin formula:

Timp τ 0 , măsurată de un ceas care se odihnește în raport cu corp, se numește ora potrivită a evenimentului.

3. Legea relativistă a adunării vitezelor.

Legea adunării vitezelor din mecanica lui Newton contrazice postulatele SRT și este înlocuită cu o nouă lege relativistă a adunării vitezelor. Dacă două corpuri se deplasează unul către celălalt, atunci viteza lor de apropiere este exprimată prin formula:

Unde: V 1 și V 2 - vitezele de mișcare a corpurilor față de un cadru de referință fix. Dacă corpurile se mișcă în aceeași direcție, atunci viteza lor relativă:

4. Creșterea relativistă a masei.

Masa corpului în mișcare m mai mare decât masa de repaus a corpului m 0:

5. Relația dintre energie și masa corporală.

Din punctul de vedere al teoriei relativității, masa unui corp și energia unui corp sunt practic același lucru. Astfel, doar faptul existenței unui corp înseamnă că organismul are energie. Mai puțină energie E 0 corpul are în cadrul de referință inerțial față de care se află în repaus și se numește energia proprie a corpului (energia de odihnă a corpului):

Orice modificare a energiei corpului înseamnă o modificare a masei corporale și invers:

unde: ∆ E este modificarea energiei corpului, ∆ m este modificarea corespunzătoare a masei. Energia totală a corpului:

Unde: m- masa corpului. Energia totală a corpului E proporţional masa relativistăși depinde de viteza corpului în mișcare, în acest sens sunt importante următoarele relații:

Apropo, energia cinetică a unui corp care se mișcă cu o viteză relativistă poate fi calculată numai folosind formula:

Din punctul de vedere al teoriei relativității, legea conservării maselor de repaus este nedreaptă. De exemplu, masa de repaus a unui nucleu atomic este mai mică decât suma maselor de repaus ale particulelor din nucleu. Cu toate acestea, masa în repaus a unei particule capabile de descompunere spontană este mai mare decât suma propriilor mase ale constituenților săi.

Aceasta nu înseamnă o încălcare a legii conservării masei. În teoria relativității este valabilă legea conservării masei relativiste, întrucât într-un sistem izolat de corpuri se păstrează energia totală, și deci masa relativistă, care decurge din formula Einstein, deci putem vorbi despre o singură lege. de conservare a masei si energiei. Aceasta nu înseamnă că masa poate fi convertită în energie și invers.

Există o relație între energia totală a corpului, energia de repaus și impuls:

Fotonii și proprietățile sale

Ușoară este un flux de cuante de radiații electromagnetice numite fotoni. Foton este o particulă care transportă energia luminii. Nu poate fi în repaus, ci se mișcă întotdeauna cu o viteză egală cu viteza luminii. Un foton are următoarele caracteristici:

1. Energia fotonilor este egală cu:

Unde: h= 6,63∙10 –34 J∙s = 4,14∙10 –15 eV∙s – constanta lui Planck, ν este frecvența luminii, λ este lungimea de undă a luminii, c este viteza luminii în vid. Energia unui foton în Jouli este foarte mică, prin urmare, pentru comoditate matematică, este adesea măsurată într-o unitate în afara sistemului - electron volți:

1 eV = 1,6∙10 -19 J.

2. Un foton călătorește în vid cu viteza luminii. c.

3. Un foton are impuls:

4. Un foton nu are masă în sensul obișnuit pentru noi (masa care poate fi măsurată pe scale, calculată conform celei de-a doua legi a lui Newton și așa mai departe), dar în conformitate cu teoria relativității a lui Einstein, are masa ca măsură a energie ( E = mc 2). Într-adevăr, orice corp care are ceva energie are și masă. Dacă considerăm că un foton are energie, atunci are și o masă, care poate fi găsită ca:

5. Un foton nu are încărcare electrică.

Lumina are o natură dublă. Când lumina se propagă, apar proprietățile ei de undă (interferență, difracție, polarizare), iar când interacționează cu materia, proprietăți corpusculare (efect fotoelectric). Această natură duală a luminii se numește dualitate undă-particulă.

efect fotoelectric extern

efect fotoelectric- un fenomen constând în apariția unui fotocurent într-un cilindru de vid atunci când catodul este iluminat cu lumină monocromatică de o anumită lungime de undă λ .

Când tensiunea pe anod este negativă, câmpul electric dintre catod și anod încetinește electronii. Măsurarea dat tensiune de întârziere la care fotocurentul dispare, este posibil să se determine energia cinetică maximă a fotoelectronilor care ies din catod:

Numeroși experimentatori au stabilit următoarele legile de bază ale efectului fotoelectric:

1. Efectul fotoelectric este inerțial. Aceasta înseamnă că electronii încep să zboare din metal imediat după începerea iradierii cu lumină.
2. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor crește liniar odată cu creșterea frecvenței luminii ν și nu depinde de intensitatea sa.
3. Pentru fiecare substanță există un așa-numit efect foto de margine roșie, adică cea mai joasă frecvență ν min (sau cea mai mare lungime de undă λ max) la care efectul fotoelectric extern este încă posibil.
4. Numărul de fotoelectroni scoși de lumină din catod în 1 s este direct proporțional cu intensitatea luminii.

Când interacționează cu materia, un foton își transferă toată energia E = hν un electron. O parte din această energie poate fi disipată de un electron în ciocniri cu atomii materiei. În plus, o parte din energia electronilor este cheltuită pentru depășirea barierei de potențial de la interfața metal-vid. Pentru a face acest lucru, electronul trebuie să facă functia de lucru A afară, în funcție de proprietățile materialului catodic. Cea mai mare energie cinetică pe care o poate avea un fotoelectron emis de catod, în acest caz, este determinată de legea conservării energiei:

Această formulă se numește Ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern. Folosind ecuația Einstein, se pot explica toate regularitățile efectului fotoelectric extern. Pentru efect foto de margine roșie, conform formulei lui Einstein, putem obține expresia:

postulatele lui Bohr

Primul postulat al lui Bohr (postulatul stării staționare): un sistem atomic nu poate fi decât în ​​stări speciale staționare sau cuantice, fiecare dintre acestea corespunzând unui anumit număr n si energie E n. În stări staționare, un atom nu emite și nu absoarbe energie.

Starii cu cea mai mică energie i se atribuie numărul „1”. Se numeste principal. Tuturor celorlalte stări li se atribuie numere secvențiale „2”, „3” și așa mai departe. Sunt chemați excitat. Un atom poate rămâne în starea sa fundamentală pe termen nelimitat. În starea excitată, atomul trăiește ceva timp (aproximativ 10 ns) și trece în starea fundamentală.

Conform primului postulat al lui Bohr, un atom este caracterizat de un sistem de niveluri de energie, fiecare dintre acestea corespunzând unei anumite stări staționare. Energia mecanică a unui electron care se deplasează pe o cale închisă în jurul unui nucleu încărcat pozitiv este negativă. Prin urmare, toate stările staționare corespund valorilor energetice E n < 0. При E n≥ 0 electronul se îndepărtează de nucleu (are loc ionizarea). Valoare | E 1 | numit energie de ionizare. Stați cu energie E 1 se numește starea fundamentală a atomului.

Al doilea postulat al lui Bohr (regula frecvenței):în timpul trecerii unui atom dintr-o stare staționară cu energie E n la o altă stare staționară cu energie E m este emisă sau absorbită o cuantă, a cărei energie este egală cu diferența dintre energiile stărilor staționare:

atom de hidrogen

Cel mai simplu dintre atomi este atomul de hidrogen. Conține un singur electron. Nucleul unui atom este un proton - o particulă încărcată pozitiv, a cărei sarcină este egală în valoare absolută cu sarcina unui electron. De obicei, un electron se află la primul nivel de energie (principal, neexcitat) (un electron, ca orice alt sistem, tinde către o stare cu un minim de energie). În această stare, energia sa este E 1 = -13,6 eV. În atomul de hidrogen sunt îndeplinite următoarele relații care raportează raza traiectoriei unui electron care se rotește în jurul nucleului, viteza și energia acestuia pe prima orbită cu caracteristici similare pe alte orbite:

Pe orice orbită a unui atom de hidrogen, cinetica ( La) și potențial ( P) energiile electronilor sunt legate de energia totală ( E) prin următoarele formule:

nucleul atomic

Acum este bine stabilit că nucleele atomice ale diferitelor elemente constau din două particule - protoni și neutroni, care sunt de obicei numite nucleoni. Sunt introduse o serie de notații pentru a caracteriza nucleele atomice. Numărul de protoni care formează nucleul atomic este notat cu simbolul Z și se numește număr de sarcină sau număr atomic (acesta este numărul de serie din tabelul periodic al lui Mendeleev). Numărul de neutroni este notat cu simbolul N. Numărul total de nucleoni (adică protoni și neutroni) se numește număr de masă A, pentru care se poate scrie următoarea formulă:

Energia de comunicare. defect de masă

Cel mai important rol în fizica nucleară îl joacă conceptul energie nucleară de legare. Energia de legare a nucleului este egală cu energia minimă care trebuie cheltuită pentru divizarea completă a nucleului în particule individuale. Din legea conservării energiei rezultă că energia de legare este egală cu energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din particule individuale.

Energia de legare a oricărui nucleu poate fi determinată prin măsurarea precisă a masei acestuia. Astfel de măsurători arată că masa oricărui nucleu M i este întotdeauna mai mic decât suma maselor protonilor și neutronilor săi constituenți: M eu< Zm p + N m n. Diferența dintre aceste mase se numește defect de masăși se calculează prin formula:

Defectul de masă poate fi determinat folosind formula Einstein E = mc 2 energia eliberată în timpul formării unui nucleu dat, adică energia de legare a nucleului E Sf:

Dar este mai convenabil să calculați energia de legare folosind o formulă diferită (aici, masele sunt luate în unități atomice, iar energia de legare este obținută în MeV):

Radioactivitate. Legea dezintegrarii radioactive

Aproape 90% dintre nucleele atomice cunoscute sunt instabile. Un nucleu instabil se transformă spontan în alte nuclee odată cu emisia de particule. Această proprietate a nucleelor ​​se numește radioactivitate.

Dezintegrarea alfa. Dezintegrarea alfa este transformarea spontană a unui nucleu atomic cu numărul de protoni Z și neutroni N într-un alt nucleu (fiică) care conține numărul de protoni Z - 2 și neutroni N - 2. În acest caz, α -particulă - nucleul unui atom de heliu 4 2 He. Schema generală a dezintegrarii alfa:

Dezintegrarea beta.În timpul dezintegrarii beta, un electron (0 –1 e) zboară din nucleu. Schema de dezintegrare beta:

Dezintegrarea gamma. Spre deosebire de α - și β -radioactivitate γ -radioactivitatea nucleelor ​​nu este asociată cu o modificare a structurii interne a nucleului și nu este însoțită de o modificare a numărului de sarcină sau de masă. Ca și în cazul α - precum și β -dezintegrare, nucleul fiică poate fi într-o stare excitată și să aibă un exces de energie. Trecerea nucleului de la starea excitată la starea fundamentală este însoțită de emisia unuia sau mai multor γ -quanta, a căror energie poate ajunge la câțiva MeV.

Legea dezintegrarii radioactive. Orice probă de material radioactiv conține un număr mare de atomi radioactivi. Deoarece dezintegrarea radioactivă este aleatorie și nu depinde de condițiile externe, legea cantității descrescătoare N(t) nedecăzut până în acest moment t nucleele pot servi ca o caracteristică statistică importantă a procesului de dezintegrare radioactivă. Legea dezintegrarii radioactive are forma:

Valoare T numit jumătate de viață, N 0 este numărul inițial de nuclee radioactive la t= 0. Timpul de înjumătățire este principala mărime care caracterizează rata dezintegrarii radioactive. Cu cât timpul de înjumătățire este mai scurt, cu atât degradarea este mai intensă.

La α - și β În dezintegrarea radioactivă, nucleul fiică poate fi, de asemenea, instabil. Prin urmare, sunt posibile o serie de dezintegrari radioactive succesive, care se termină cu formarea de nuclee stabile.

Reacții nucleare

reacție nucleară- acesta este procesul de interacțiune a unui nucleu atomic cu un alt nucleu sau particulă elementară, însoțit de o modificare a compoziției și structurii nucleului și eliberarea de particule secundare sau γ -quanta. Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se pot forma noi izotopi radioactivi care nu se găsesc pe Pământ în condiții naturale.

În reacțiile nucleare sunt îndeplinite mai multe legi de conservare: impuls, energie, moment unghiular, sarcină. Pe lângă aceste legi clasice de conservare, reacțiile nucleare sunt valabile legea conservării așa-numitei sarcini barionice(adică numărul de nucleoni - protoni și neutroni). De exemplu, într-o reacție generală:

Sunt îndeplinite următoarele condiții (numărul total de nucleoni înainte și după reacție rămâne neschimbat):

Randamentul energetic al unei reacții nucleare

Reacțiile nucleare sunt însoțite de transformări energetice. Randamentul energetic al unei reacții nucleare este valoarea:

Unde: M A și M B sunt masele produselor inițiale, M C și M D sunt masele produșilor finali de reacție. Valoarea Δ M numit defect de masă. Reacțiile nucleare pot continua cu eliberarea ( Q> 0) sau cu absorbție de energie ( Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, care se numește pragul de reactie.

Pentru ca o reacție nucleară să aibă un randament energetic pozitiv, energia specifică de legare a nucleonilor din nucleele produselor inițiale trebuie să fie mai mică decât energia specifică de legare a nucleonilor din nucleele produselor finite. Aceasta înseamnă că valoarea Δ M

Învață toate formulele și legile din fizică și formulele și metodele din matematică. De fapt, este și foarte simplu să faci asta, există doar aproximativ 200 de formule necesare în fizică și chiar puțin mai puțin în matematică. La fiecare dintre aceste materii există aproximativ o duzină de metode standard de rezolvare a problemelor de un nivel de bază de complexitate, care pot fi de asemenea învățate, și astfel, complet automat și fără dificultate, rezolvă majoritatea transformării digitale la momentul potrivit. După aceea, va trebui să te gândești doar la cele mai dificile sarcini.

Participați la toate cele trei etape ale testării repetiții la fizică și matematică. Fiecare RT poate fi vizitat de două ori pentru a rezolva ambele opțiuni. Din nou, pe DT, pe lângă capacitatea de a rezolva rapid și eficient probleme și cunoașterea formulelor și metodelor, este, de asemenea, necesar să fiți capabil să planificați corect timpul, să distribuiți forțele și, cel mai important, să completați corect formularul de răspuns. , fără a confunda nici numărul de răspunsuri și sarcini, nici propriul nume de familie. De asemenea, în timpul RT, este important să te obișnuiești cu stilul de a pune întrebări în sarcini, care poate părea foarte neobișnuit pentru o persoană nepregătită pe DT.

Implementarea cu succes, diligentă și responsabilă a acestor trei puncte vă va permite să arătați un rezultat excelent la CT, maximul de care sunteți capabil.

Ați găsit o eroare?

Dacă, după cum vi se pare, ați găsit o eroare în materialele de instruire, atunci vă rugăm să scrieți despre aceasta prin poștă. Puteți scrie despre eroare și pe rețeaua de socializare (). În scrisoare, indicați subiectul (fizică sau matematică), numele sau numărul temei sau testului, numărul sarcinii sau locul din text (pagină) în care, în opinia dumneavoastră, există o eroare. De asemenea, descrieți care este presupusa eroare. Scrisoarea ta nu va trece neobservată, eroarea fie va fi corectată, fie ți se va explica de ce nu este o greșeală.