Ang atomic physics ay lumitaw sa pagliko ng ika-19 at ika-20 siglo batay sa mga pag-aaral ng optical spectra ng mga gas, ang pagtuklas ng electron at radioactivity. Sa unang yugto ng pag-unlad nito (ang unang quarter ng ika-20 siglo), ang atomic physics ay pangunahing nababahala sa pagbubunyag ng istruktura ng atom at pag-aaral ng mga katangian nito. Ang mga eksperimento ni E. Rutherford sa pagkalat ng a-particle sa pamamagitan ng manipis na metal foil (1908-1911) ay humantong sa paglikha ng isang planetaryong modelo ng atom; gamit ang modelong ito, binuo ni N. Bohr (1913) at A. Sommerfeld (1915) ang unang quantitative theory ng atom (tingnan ang Atom). Ang mga kasunod na pag-aaral ng mga katangian ng elektron at mga atom ay nagtapos sa paglikha noong kalagitnaan ng 20s. quantum mechanics - isang pisikal na teorya na naglalarawan ng mga batas ng microcosm at nagbibigay-daan sa isa na quantitatively na isaalang-alang ang mga phenomena kung saan ang mga microparticle ay nakikilahok (tingnan ang Quantum mechanics).

Ang quantum mechanics ay ang teoretikal na pundasyon ng atomic physics. Kasabay nito, gumaganap ang atomic physics ng isang uri ng "lugar ng pagsubok" para sa quantum mechanics. Ang mga ideya at konklusyon ng quantum mechanics, kadalasang hindi naaayon sa ating pang-araw-araw na karanasan, ay sinusubok sa eksperimento sa atomic physics. Ang isang kapansin-pansing halimbawa ay ang sikat na mga eksperimento nina Frank - Hertz (1913) at Stern - Gerlach (1922); sa ibaba ay tatalakayin natin ang mga ito nang mas detalyado.

Sa simula ng XX siglo. isang kayamanan ng materyal ang naipon sa optical spectra ng mga atomo. Napag-alaman na ang bawat elemento ng kemikal ay may sariling line spectrum, na nailalarawan sa pamamagitan ng isang regular, ordered arrangement ng spectral lines. Iniuugnay ng quantum mechanics ang mga naobserbahang pattern sa spectrum sa sistema ng mga antas ng enerhiya ng isang partikular na atom. Noong 1913, ang mga German physicist na sina J. Frank at G. Hertz ay nagsagawa ng isang eksperimento na nagbigay ng direktang eksperimentong kumpirmasyon na ang panloob na enerhiya ng isang atom ay quantize at samakatuwid ay maaari lamang magbago nang discretely, iyon ay, sa ilang mga bahagi. Sinukat nila ang enerhiya ng mga libreng electron na ginugol sa paggulo ng mga mercury atoms. Ang pangunahing elemento ng pag-install ay isang evacuated glass cylinder na may tatlong soldered electrodes: isang cathode, isang anode, isang grid (isang prototype ng isang modernong vacuum triode). Ang silindro ay naglalaman ng mercury vapor sa presyon na 1 mm Hg. Art. Ang mga electron na umalis sa cathode ay pinabilis sa field sa pagitan ng cathode at ng grid (nagpapabilis ng boltahe U) at pagkatapos ay nag-decelerate sa field sa pagitan ng grid at ng anode (braking boltahe U 1). Sa daan mula sa katod patungo sa anode, ang mga electron ay bumangga sa mga mercury atoms. Ang boltahe U 1 ay pinili na mas mababa kaysa sa U\; samakatuwid, sapat na mabagal na mga electron lamang ang naitaboy mula sa anode - ang mga nawalan ng enerhiya) bilang resulta ng hindi nababanat na banggaan sa mga mercury atoms. Sa eksperimento, ang lakas ng anode current ay sinusukat depende sa accelerating voltage U. Ang experimental curve ay may isang bilang ng malinaw na maxima na may pagitan na 4.9 V mula sa isa't isa. Ang hugis ng curve na ito ay ipinaliwanag tulad ng sumusunod. Sa 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.

Sa isang mas maingat na setting ng mga eksperimento ng ganitong uri, posibleng makita ang paggulo ng mga sumusunod na antas ng enerhiya ng mga atomo: para sa mercury ito ay 6.7; 8.3 eV, atbp. (10.4 eV ang potensyal ng ionization). Ang pagmamasid sa glow ng gas ay nagpapakita ng hitsura ng isang buong spectrum para sa mga mercury atoms.

Ang isang elektron na gumagalaw sa paligid ng isang atomic nucleus ay maihahalintulad sa isang elementarya na electric current; ito ay bumubuo ng isang magnetic field. Ang mga magnetic field ng iba't ibang mga electron, pagdaragdag, ay bumubuo ng magnetic field ng atom. Upang makilala ito, ipinakilala ang isang dami ng vector na tinatawag na magnetic moment. Kung ang mga electron ay ganap na napuno ang isa o isa pang shell (1s, 2s, 2p, atbp.), pagkatapos ay kanselahin ng kanilang mga magnetic field ang isa't isa; ang magnetic moments ng kaukulang atoms ay katumbas ng zero.

Noong 1922 sa Germany, nagsagawa sina O. Stern at W. Gerlach ng isang eksperimento na nagpakita na ang magnetic moment ng isang atom ay spatially quantized. Nagpadala sila ng isang sinag ng mga atomo na may magnetic moment sa pamamagitan ng isang hindi magkakatulad na magnetic field at pinag-aralan ang mga paglihis ng mga atomo sa ilalim ng pagkilos ng larangang ito. Ang antas at likas na katangian ng paglihis ay nakasalalay sa oryentasyon ng magnetic moment ng atom na may paggalang sa direksyon ng field. Kung ang sinag ay naglalaman ng mga atomo na may lahat ng posibleng oryentasyon ng mga magnetic moment, kung gayon ang isang tuluy-tuloy na angular na "pahid" ng paunang sinag ay masusunod. Sa eksperimento, gayunpaman, ang isang malinaw na paghahati ng isang sinag ng mga atomo sa ilang mga sinag ay naobserbahan; ito ay nangangahulugan na ang magnetic moment ng atom ay spatially quantized - ang projection nito sa direksyon ng magnetic field ay maaari lamang magkaroon ng ilang tiyak (discrete) na mga halaga.

Lumiko tayo sa pamamahagi ng mga paglihis ng mga atomo ng sodium sa isang hindi pantay na magnetic field (nakuha ito noong 1930). Ang pamamahagi na ito ay may dalawang natatanging maxima. Ang sodium atom ay may tatlong punong shell (1s, 2s, 2p) at isang 3s electron. Ang electron cloud ng s-electrons ay spherically symmetrical (tingnan ang Atom), kaya ang kanilang paggalaw sa field ng nucleus ay hindi humahantong sa paglitaw ng magnetic moment. Upang ipaliwanag ang naobserbahang paghahati ng sinag ng mga atomo ng sodium sa dalawang bahagi, kinakailangang ipalagay na ang elektron ay may sariling magnetic moment, na hindi nauugnay sa paggalaw ng electron sa paligid ng nucleus. Ang magnetic moment na ito ay may kondisyong nauugnay sa pag-ikot ng isang electron sa paligid ng sarili nitong axis at tinatawag na spin moment (tingnan ang Spin). Ang magnetic moment ng electron, na nauugnay sa paggalaw nito sa paligid ng nucleus, ay tinatawag na orbital moment. Kaya, sa kaso ng sodium atom, pareho ang orbital at spin moments ng mga electron sa filled shells ay kapwa nabayaran; ang orbital momentum ng 3s electron ay zero, at ang spin momentum ng electron na ito ay nagiging sanhi ng beam ng sodium atoms na nahati sa isang nonuniform magnetic field. Ang katotohanan na ang paghahati sa dalawang beam ay sinusunod ay nangangahulugan na ang spin moment ng electron ay may dalawang projection sa direksyon ng magnetic field.

Noong 30s. ng ating siglo, nagsimula ang isang bagong yugto sa pag-unlad ng atomic physics. Sa mga taong ito, naging malinaw na ang likas na katangian ng mga pakikipag-ugnayan na responsable para sa mga proseso sa loob ng atomic nucleus at ang pagpapaliwanag ng katatagan o radioactivity ng nuclei ay ganap na naiiba kumpara sa mga pakikipag-ugnayan na tumutukoy sa mga prosesong nagaganap sa mga shell ng elektron ng atom (tingnan ang Pagkakaisa ng mga puwersa ng kalikasan). Kaugnay nito, lumitaw ang isang hiwalay na direksyong siyentipiko mula sa atomic physics, na konektado sa pananaliksik sa physics ng atomic nuclei; noong 40s. ang direksyon na ito ay nabuo sa isang malayang pisikal na agham - nuclear physics. Sa wakas, sa 50s. mula sa nuclear physics, isang sangay na konektado sa pag-aaral ng systematics at interconversions ng elementary particles, - ang physics ng elementary particles, spun off.

Bilang isang resulta, ang isang medyo tiyak na hanay ng mga katanungan ay ipinahayag na bumubuo sa nilalaman ng modernong atomic physics. Hindi siya interesado sa mga prosesong nagaganap sa atomic nucleus, gayundin sa mga interconversion ng elementarya na mga particle. Pinag-aaralan ng atomic physics ang mga prosesong kinasasangkutan ng mga atom o ion, at ang mga ganoong proseso lamang na hindi humahantong sa anumang pagbabago sa atomic nuclei. Dahil dito, pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga prosesong nakakaapekto lamang sa mga shell ng elektron ng mga atomo. Sa katulad

Kasama sa mga proseso ang: mga pagbabago sa estado ng mga electron sa isang atom sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na electric o magnetic field (halimbawa, sa ilalim ng impluwensya ng mga panlabas na patlang, ang mga antas ng enerhiya ng mga atom ay nahati); pagsipsip at paglabas ng electromagnetic radiation ng mga atomo (tingnan ang Spectroscopy, X-ray, Photoelectric effect, Laser); mga banggaan ng mga atomo na may mga libreng electron, gayundin sa iba pang mga atomo, ion, molekula (bilang resulta ng mga banggaan sa mga electron o iba pang micro-object, ang mga atomo ay maaaring ma-excite, pumunta mula sa isang nasasabik na estado patungo sa isang hindi gaanong nasasabik na estado, maging mga ion , tingnan ang Electric discharge sa mga gas); pakikipag-ugnayan ng mga shell ng elektron ng iba't ibang mga atomo, na humahantong sa pagbuo ng mga molekula at kristal. Ang lahat ng mga prosesong ito ay dahil sa electromagnetic interaction. Ang mga probabilidad ng mga prosesong ito ay kinakalkula gamit ang apparatus ng quantum mechanics.

Ang modernong atomic physics ay nagsisiyasat din ng isang espesyal na uri ng mga atomo na tinatawag na mesoatoms. Ang isang mesoatom ay nagmumula sa isang ordinaryong atom bilang isang resulta ng pagpapalit ng isa sa mga electron ng isang muon (μ-), isang antieson (π-, K-), isang antiproton, o isang hyperon na may negatibong charge (tingnan ang Hadrons, Leptons). Mayroon ding mga anomalyang "hydrogen" atoms - positronium, muonium, kung saan ang papel ng isang proton ay ginagampanan ng mga positron o mga antimuon na may positibong charge (μ +). Ang lahat ng mga atom na ito ay hindi matatag; ang kanilang buhay ay nalilimitahan ng tagal ng buhay ng mga particle na nabanggit sa itaas o ng e+ e- at pp-annihilation na mga proseso. Ang mga mesoatom ay nabuo sa proseso ng pagbabawas ng bilis ng mga particle - bilang isang resulta ng pagkuha ng mga negatibong sisingilin na mga particle ng Coulomb field ng atomic nuclei o sa panahon ng pagkuha ng mga atomic electron ng mga positron at antimuon. Ang mga eksperimento sa iba't ibang mga anomalyang atomo ay may malaking interes kapwa para sa pag-aaral ng mga katangian ng bagay at para sa pag-aaral ng nuclei at elementarya na mga particle.

Atomic physics

sangay ng pisika na nag-aaral sa istruktura at estado ng mga atomo. A. f. nagmula sa huling bahagi ng ika-19 at unang bahagi ng ika-20 siglo. Sa 10s. ika-20 siglo Napag-alaman na ang atom ay binubuo ng isang nucleus at mga electron na konektado ng mga puwersang elektrikal. Sa unang yugto ng pag-unlad A. f. sakop din ang mga isyung may kaugnayan sa istruktura ng atomic nucleus. Noong 30s. ito ay lumabas na ang likas na katangian ng mga pakikipag-ugnayan na nagaganap sa atomic nucleus ay iba kaysa sa panlabas na shell ng atom, at sa 40s. Ang nuclear physics ay lumitaw bilang isang malayang larangan ng agham. Noong 50s. elementarya particle physics, o high-energy physics, umikot mula dito.

Prehistory ng atomic physics: ang doktrina ng mga atomo noong ika-17-19 na siglo. Ang ideya ng pagkakaroon ng mga atomo bilang hindi mahahati na mga particle ng bagay ay lumitaw noong unang panahon; Ang mga ideya ng atomismo ay unang ipinahayag ng mga sinaunang Greek thinker na Democritus at Epicurus. Noong ika-17 siglo sila ay muling binuhay ng pilosopong Pranses na si P. Gassendi at ang botika ng Ingles na si R. Boyle.

Ang mga ideya tungkol sa mga atomo na nanaig noong ika-17 at ika-18 na siglo ay hindi gaanong natukoy. Ang mga atomo ay itinuturing na ganap na hindi mahahati at hindi nababago na mga solidong partikulo, iba't ibang uri na naiiba sa bawat isa sa laki at hugis. Ang mga kumbinasyon ng mga atomo sa isang pagkakasunud-sunod o iba pang bumubuo ng iba't ibang mga katawan, ang mga paggalaw ng mga atomo ay tumutukoy sa lahat ng mga phenomena na nagaganap sa bagay. I. Newton, M. V. Lomonosov at ilang iba pang mga siyentipiko ay naniniwala na ang mga atomo ay maaaring mag-interlock sa mas kumplikadong mga particle - "corpuscles". Gayunpaman, ang mga atom ay hindi itinalaga ng mga tiyak na kemikal at pisikal na katangian. Ang Atomistics ay mayroon pa ring abstract, natural-pilosopiko na katangian.

Sa pagtatapos ng ika-18 - simula ng ika-19 na siglo. bilang isang resulta ng mabilis na pag-unlad ng kimika, ang batayan para sa dami ng pag-unlad ng atomic science ay nilikha. Ang Ingles na siyentipiko na si J. Dalton sa unang pagkakataon (1803) ay nagsimulang isaalang-alang ang atom bilang ang pinakamaliit na particle ng isang elemento ng kemikal, na naiiba sa mga atomo ng iba pang mga elemento sa masa nito. Ayon kay Dalton, ang pangunahing katangian ng isang atom ay ang atomic mass nito. Ang mga kemikal na compound ay isang koleksyon ng mga "composite atoms" na naglalaman ng ilang (katangian para sa isang partikular na kumplikadong substance) na bilang ng mga atom ng bawat elemento. Ang lahat ng mga reaksiyong kemikal ay muling pagsasaayos ng mga atomo sa mga bagong kumplikadong particle. Batay sa mga probisyong ito, binalangkas ni Dalton ang kanyang batas ng maramihang ratios (tingnan ang. Batas ng maramihang ratios). Ang mga pag-aaral ng mga Italyano na siyentipiko na si A. Avogadro (1811) at, sa partikular, si S. Cannizzaro (1858) ay gumuhit ng malinaw na linya sa pagitan ng atom at ng molekula. Noong ika-19 na siglo kasama ang mga kemikal na katangian ng mga atomo, ang kanilang mga optical na katangian ay pinag-aralan. Napag-alaman na ang bawat elemento ay may katangiang optical spectrum; natuklasan ang spectral analysis (German physicists na sina G. Kirchhoff at R. Bunsen, 1860).

Kaya, ang atom ay lumitaw bilang isang qualitatively natatanging particle ng bagay, na nailalarawan sa pamamagitan ng mahigpit na tinukoy na pisikal at kemikal na mga katangian. Ngunit ang mga katangian ng atom ay itinuturing na walang hanggan at hindi maipaliwanag. Ito ay pinaniniwalaan na ang bilang ng mga uri ng mga atomo (mga elemento ng kemikal) ay random at walang koneksyon sa pagitan nila. Gayunpaman, unti-unting naging malinaw na may mga grupo ng mga elemento na may parehong mga katangian ng kemikal - ang parehong maximum na valency, at katulad na mga batas ng pagbabago (kapag lumipat mula sa isang grupo patungo sa isa pa) ng mga pisikal na katangian - punto ng pagkatunaw, compressibility, atbp. Sa 1869, natuklasan ni D. I. Mendeleev ang periodic system of elements (Tingnan ang Periodic system of elements). Ipinakita niya na habang ang atomic mass ng mga elemento ay tumataas, ang kanilang kemikal at pisikal na mga katangian ay umuulit nang pana-panahon ( kanin. isa at 2 ).

Pinatunayan ng periodic system ang pagkakaroon ng koneksyon sa pagitan ng iba't ibang uri ng atoms. Ang konklusyon ay ang atom ay may isang kumplikadong istraktura na nagbabago sa atomic mass. Ang problema sa pagbubunyag ng istruktura ng atom ay naging pinakamahalaga sa kimika at pisika (para sa higit pang mga detalye, tingnan ang Atomismo).

Ang paglitaw ng atomic physics. Ang pinakamahalagang pag-unlad sa agham, kung saan nagmula ang atomic physics, ay ang mga pagtuklas ng electron at radioactivity. Kapag pinag-aaralan ang pagpasa ng electric current sa pamamagitan ng napakabihirang mga gas, natuklasan ang mga ray na ibinubuga ng cathode ng isang discharge tube (cathode rays) at pagkakaroon ng pag-aari ng pagpapalihis sa mga transverse electric at magnetic field. Lumalabas na ang mga sinag na ito ay binubuo ng mabilis na paglipad ng mga particle na may negatibong sisingilin na tinatawag na mga electron. Noong 1897, sinukat ng English physicist na si J. J. Thomson ang ratio ng singil e ng mga particle na ito sa kanilang masa m. Ang mga metal ay natagpuan din na naglalabas ng mga electron kapag pinainit nang malakas o naiilaw ng maikling wavelength na ilaw (tingnan ang Thermionic emission, Photoelectron emission). Mula dito ay napagpasyahan na ang mga electron ay bahagi ng anumang mga atomo. Sumunod pa rito na ang mga neutral na atomo ay dapat ding maglaman ng mga particle na may positibong sisingilin. Ang mga positibong sisingilin na mga atomo - mga ion - ay talagang natuklasan sa pag-aaral ng mga paglabas ng kuryente sa mga rarefied na gas. Ang ideya ng isang atom bilang isang sistema ng mga sisingilin na particle ay ipinaliwanag, ayon sa teorya ng Dutch physicist na si H. Lorenz, isang , ang mismong posibilidad ng radiation ng isang atom ng liwanag (electromagnetic waves): ang electromagnetic radiation ay nangyayari kapag ang mga intraatomic charge ay nagbabago; ito ay nakumpirma sa pamamagitan ng pag-aaral ng epekto ng magnetic field sa atomic spectra (tingnan ang Zeeman phenomenon). Ito ay naka-out na ang ratio ng singil ng intraatomic electron sa kanilang masa e/m, natagpuan ni Lorentz sa kanyang teorya ng Zeeman phenomenon ay eksaktong katumbas ng halaga e/m para sa mga libreng electron na nakuha sa mga eksperimento ni Thomson. Ang teorya ng mga electron at ang pang-eksperimentong kumpirmasyon nito ay nagbigay ng hindi mapag-aalinlanganang patunay ng pagiging kumplikado ng atom.

Ang ideya ng indivisibility at intransmutability ng atom ay sa wakas ay pinabulaanan ng mga gawa ng mga Pranses na siyentipiko na sina M. Sklodowska-Curie at P. Curie. . Bilang resulta ng pag-aaral ng radioactivity, ito ay itinatag (F. Soddy) , na ang mga atom ay sumasailalim sa mga pagbabagong-anyo ng dalawang uri. Ang pagkakaroon ng pagbuga ng α-particle (isang helium ion na may positibong singil na 2 e), ang isang atom ng isang radioactive na elemento ng kemikal ay nagiging isang atom ng isa pang elemento na matatagpuan sa 2 mga cell sa kaliwa sa periodic system, halimbawa, isang polonium atom sa isang lead atom. Ang paglabas ng β-particle (electron) na may negatibong singil - e, ang isang atom ng isang radioactive chemical element ay nagiging isang atom ng isang elemento na matatagpuan sa 1 cell sa kanan, halimbawa, isang bismuth atom sa isang polonium atom. Ang masa ng isang atom na nabuo bilang isang resulta ng naturang mga pagbabagong-anyo kung minsan ay naging iba sa atomic na bigat ng elemento kung saan nahulog ang cell nito. Mula dito sumunod ang pagkakaroon ng mga varieties ng mga atomo ng parehong elemento ng kemikal na may iba't ibang masa; ang mga uri na ito ay tinawag na isotopes (i.e., sumasakop sa parehong lugar sa periodic table). Kaya, ang mga ideya tungkol sa ganap na pagkakakilanlan ng lahat ng mga atomo ng isang naibigay na elemento ng kemikal ay naging mali.

Ang mga resulta ng pag-aaral ng mga katangian ng elektron at radyaktibidad ay naging posible upang bumuo ng mga tiyak na modelo ng atom. Sa modelong iminungkahi ni Thomson noong 1903, ang atom ay kinakatawan bilang isang positibong sisingilin na globo, kung saan ang mga negatibong electron, na hindi gaanong sukat (kumpara sa atom), ay pinagsalubungan ( kanin. 3 ).

Ang mga ito ay gaganapin sa atom dahil sa ang katunayan na ang mga kaakit-akit na puwersa ng kanilang ibinahagi na positibong singil ay balanse ng mga puwersa ng kanilang kapwa pagtanggi. Ang modelong Thomson ay nagbigay ng isang kilalang paliwanag para sa posibilidad ng paglabas, pagkalat, at pagsipsip ng liwanag ng isang atom. Kapag ang mga electron ay inilipat mula sa posisyon ng ekwilibriyo, isang "nababanat" na puwersa ang lumitaw, na nagsisikap na ibalik ang balanse; ang puwersang ito ay proporsyonal sa displacement ng electron mula sa posisyon ng equilibrium at, samakatuwid, sa dipole moment (Tingnan ang Dipole moment) atom. Sa ilalim ng pagkilos ng mga puwersang de-kuryente ng insidente ng electromagnetic wave, ang mga electron sa atom ay nag-oscillate na may parehong dalas ng electric intensity sa light wave; ang mga oscillating electron, naman, ay naglalabas ng liwanag ng parehong frequency. Ito ay kung paano nakakalat ang mga electromagnetic wave ng mga atomo ng bagay. Sa pamamagitan ng antas ng pagpapalambing ng light beam sa kapal ng sangkap, maaari mong malaman ang kabuuang bilang ng mga scattering electron, at pag-alam sa bilang ng mga atom sa bawat unit volume, maaari mong matukoy ang bilang ng mga electron sa bawat atom.

Ang paglikha ni Rutherford ng planetaryong modelo ng atom. Ang modelo ng atom ni Thomson ay naging hindi kasiya-siya. Sa batayan nito, hindi posible na ipaliwanag ang ganap na hindi inaasahang resulta ng mga eksperimento ng English physicist na si E. Rutherford at ng kanyang mga collaborator na sina H. Geiger at E. Marsden sa pagkalat ng mga α-particle ng mga atomo. Sa mga eksperimentong ito, ang mga mabilis na α-particle ay ginamit para sa direktang probing ng mga atomo. Sa pagdaan sa materya, ang mga α-particle ay bumabangga sa mga atomo. Sa bawat banggaan, ang α-particle, na lumilipad sa electric field ng atom, ay nagbabago sa direksyon ng paggalaw - nakakaranas ito ng scattering. Sa napakaraming nakakalat na mga kaganapan, ang mga paglihis ng mga α-particle (scattering angle) ay napakaliit. Samakatuwid, sa panahon ng pagpasa ng isang sinag ng α-particle sa isang manipis na layer ng bagay, isang bahagyang paglabo ng sinag lamang ang naganap. Gayunpaman, ang isang napakaliit na proporsyon ng mga α-particle ay pinalihis sa pamamagitan ng mga anggulo na higit sa 90°. Hindi maipaliwanag ang resultang ito batay sa modelong Thomson, dahil ang electric field sa isang "solid" na atom ay hindi sapat na malakas upang ilihis ang isang mabilis at napakalaking α-particle sa isang malaking anggulo. Upang ipaliwanag ang mga resulta ng mga eksperimento sa scattering ng α-particle, iminungkahi ni Rutherford ang isang panimula na bagong modelo ng atom, na nakapagpapaalaala sa istruktura ng solar system at tinawag na planetary one. Mayroon itong sumusunod na anyo. Sa gitna ng atom ay isang positibong sisingilin na nucleus, ang mga sukat nito (Atomic Physics10 -12 cm) ay napakaliit kumpara sa laki ng isang atom (Atomic Physics10 -8 cm), at ang masa ay halos katumbas ng masa ng atom. Ang mga electron ay gumagalaw sa paligid ng nucleus, tulad ng mga planeta sa paligid ng araw; ang bilang ng mga electron sa isang uncharged (neutral) na atom ay ganoon na ang kabuuang negatibong singil ay binabayaran (neutralize) ang positibong singil ng nucleus. Ang mga electron ay dapat gumalaw sa paligid ng nucleus, kung hindi ay mahuhulog sila dito sa ilalim ng impluwensya ng mga kaakit-akit na pwersa. Ang pagkakaiba sa pagitan ng atom at ng planetary system ay na sa huli, ang mga puwersa ng gravitational ay kumikilos, at sa atom, ang mga puwersang elektrikal (Coulomb). Malapit sa nucleus, na maaaring ituring bilang isang point positive charge, mayroong napakalakas na electric field. Samakatuwid, ang paglipad malapit sa nucleus, ang mga positibong sisingilin na α-particle (helium nuclei) ay nakakaranas ng isang malakas na pagpapalihis (tingnan ang Fig. kanin. 4 ). Nang maglaon ay nalaman (G. Moseley) na ang singil ng nucleus ay tumataas mula sa isang kemikal na elemento patungo sa isa pa sa pamamagitan ng isang elementarya na yunit ng singil na katumbas ng singil ng elektron (ngunit may positibong tanda). Ayon sa numero, ang singil ng nucleus ng isang atom, na ipinahayag sa mga yunit ng elementarya na singil e, ay katumbas ng ordinal na numero ng kaukulang elemento sa periodic system.

Upang subukan ang planetary model, kinakalkula ni Rutherford at ng kanyang collaborator na si Charles Darwin ang angular distribution ng α-particles na nakakalat ng isang point nucleus, ang sentro ng Coulomb forces. Ang resulta na nakuha ay napatunayan ng eksperimental sa pamamagitan ng pagsukat ng bilang ng mga α-particle na nakakalat sa iba't ibang anggulo. Ang mga resulta ng eksperimento ay eksaktong tumugma sa mga teoretikal na kalkulasyon, kaya napakatalino na nagpapatunay sa planetaryong modelo ng atom ni Rutherford.

Gayunpaman, ang planetaryong modelo ng atom ay dumaan sa mga pangunahing paghihirap. Ayon sa classical electrodynamics, ang isang charged particle na gumagalaw nang may acceleration ay patuloy na nagpapalabas ng electromagnetic energy. Samakatuwid, ang mga electron, na gumagalaw sa paligid ng nucleus, ibig sabihin, pinabilis, ay kailangang patuloy na mawalan ng enerhiya sa radiation. Ngunit sa parehong oras, sa isang maliit na bahagi ng isang segundo, mawawala ang lahat ng kanilang kinetic energy at mahuhulog sa core. Ang isa pang kahirapan, na nauugnay din sa radiation, ay ang mga sumusunod: kung tatanggapin natin (alinsunod sa classical electrodynamics) na ang dalas ng liwanag na ibinubuga ng isang electron ay katumbas ng dalas ng mga oscillations ng isang electron sa isang atom (i.e., ang numero ng mga rebolusyon na ginagawa nito sa orbit nito sa isang segundo) o may marami nito, kung gayon ang ibinubuga na liwanag, habang ang electron ay lumalapit sa nucleus, ay kailangang patuloy na baguhin ang dalas nito, at ang spectrum ng liwanag na ibinubuga nito ay dapat na tuluy-tuloy. . Ngunit ito ay taliwas sa karanasan. Ang isang atom ay nagpapalabas ng mga magaan na alon ng mahusay na tinukoy na mga frequency, tipikal para sa isang partikular na elemento ng kemikal, at nailalarawan sa pamamagitan ng isang spectrum na binubuo ng magkahiwalay na mga spectral na linya - isang line spectrum. Ang isang bilang ng mga regularidad ay eksperimento na itinatag sa line spectra ng mga elemento, ang una ay natuklasan ng Swiss scientist na si I. Balmer (1885) sa spectrum ng hydrogen. Ang pinaka-pangkalahatang pattern - ang kumbinasyon na prinsipyo - ay natagpuan ng Austrian scientist na si W. Ritz (1908). Ang prinsipyong ito ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod: para sa mga atomo ng bawat elemento, ang isa ay makakahanap ng pagkakasunod-sunod ng mga numero T 1 ,T 2 ,T 3 ,... - tinatawag na. parang multo mga tuntunin tulad na ang dalas v ang bawat parang multo na linya ng isang naibigay na elemento ay ipinahayag bilang pagkakaiba ng dalawang termino: v = T k - T i . Para sa isang hydrogen atom, ang termino T n = R/n 2 , saan n- isang integer na kumukuha ng halaga n= 1, 2, 3,..., a R- tinatawag na. Rydberg constant (tingnan ang Rydberg constant).

Kaya, sa loob ng balangkas ng modelo ng atom ni Rutherford, ang katatagan ng atom na may paggalang sa radiation at ang line spectra ng radiation nito ay hindi maipaliwanag. Sa batayan nito, ang mga batas ng thermal radiation at ang mga batas ng photoelectric phenomena na lumitaw kapag ang radiation ay nakikipag-ugnayan sa bagay ay hindi maipaliwanag. Ito ay naging posible na ipaliwanag ang mga batas na ito sa batayan ng ganap na bagong - quantum - mga konsepto, na unang ipinakilala ng German physicist na si M. Planck (1900). Upang makuha ang batas ng pamamahagi ng enerhiya sa spectrum ng thermal radiation - ang radiation ng mga pinainit na katawan - Iminungkahi ni Planck na ang mga atomo ng bagay ay naglalabas ng electromagnetic energy (liwanag) sa anyo ng magkahiwalay na mga bahagi - light quanta, ang enerhiya na kung saan ay proporsyonal sa v(dalas ng radiation): E = hv saan h- isang pare-parehong katangian ng quantum theory at tinatawag na Planck constant (Tingnan ang Planck constant). Noong 1905, nagbigay si A. Einstein ng quantum explanation ng photoelectric phenomena, ayon sa kung saan ang quantum energy hv napupunta upang kunin ang isang electron mula sa metal - work function R - at upang makipag-usap sa kanya kinetic energy T kamag-anak; hv = R+ Tkin. Kasabay nito, ipinakilala ni Einstein ang konsepto ng light quanta bilang isang espesyal na uri ng mga particle; ang mga particle na ito pagkatapos ay tumanggap ng pangalang Photon ov.

Ito ay naging posible upang malutas ang mga kontradiksyon ng modelo ni Rutherford sa pamamagitan lamang ng pag-abandona sa isang bilang ng mga karaniwang ideya ng klasikal na pisika. Ang pinakamahalagang hakbang sa pagbuo ng teorya ng atom ay ginawa ng Danish physicist na si N. Bohr (1913).

Ang mga postula ni Bohr at ang modelo ng Bohr ng atom. Sa batayan ng quantum theory ng atom, naglagay si Bohr ng 2 postulate na nagpapakilala sa mga katangian ng atom na hindi umaangkop sa balangkas ng klasikal na pisika. Ang mga postulate ng Bohr na ito ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod:

1. Pagkakaroon ng mga nakatigil na estado. Ang atom ay hindi nagra-radiate at stable lamang sa ilang nakatigil (time-invariant) na mga estado na tumutugma sa isang discrete (discontinuous) serye ng "pinahihintulutan" na mga halaga ng enerhiya E 1 , E 2 , E 3 , E 4 ,... Ang anumang pagbabago sa enerhiya ay nauugnay sa isang quantum (tulad ng pagtalon) na paglipat mula sa isang nakatigil na estado patungo sa isa pa.

2. Kondisyon ng mga frequency ng radiation (mga quantum transition na may radiation). Sa paglipat mula sa isang nakatigil na estado na may enerhiya E ako sa isa pang may enerhiya E k isang atom ay naglalabas o sumisipsip ng liwanag ng isang tiyak na dalas v sa anyo ng radiation quantum (photon) hv, ayon sa ratio hv=E i - E k . Kapag inilabas, ang isang atom ay pumasa mula sa isang estado ng mas mataas na enerhiya E i sa isang estado ng mas mababang enerhiya E k , sa pagsipsip, sa kabaligtaran, mula sa isang estado na may mas mababang enerhiya E k sa isang mas mataas na estado ng enerhiya E ako.

Ang mga postulate ni Bohr ay agad na ginagawang posible na maunawaan ang pisikal na kahulugan ng prinsipyo ng kumbinasyon ng Ritz (tingnan sa itaas); paghahambing ng ratio hv = E i - E k at v = T k - T i nagpapakita na ang mga spectral na termino ay tumutugma sa mga nakatigil na estado, at ang enerhiya ng huli ay dapat na katumbas (hanggang sa isang pare-parehong termino) E ako = -hT i , E k = -hT k .

Kapag ang liwanag ay ibinubuga o hinihigop, ang enerhiya ng atom ay nagbabago, ang pagbabagong ito ay katumbas ng enerhiya ng inilabas o hinihigop na photon, ibig sabihin, ang batas ng konserbasyon ng enerhiya ay nagaganap. Ang line spectrum ng isang atom ay ang resulta ng discreteness ng mga posibleng halaga ng enerhiya nito.

Inilapat ni Bohr ang mga klasikal (Newtonian) na mekanika upang matukoy ang mga pinahihintulutang halaga ng enerhiya ng isang atom - ang quantization ng enerhiya nito - at upang mahanap ang mga katangian ng kaukulang mga nakatigil na estado. "Kung nais nating gumawa ng isang visual na representasyon ng mga nakatigil na estado sa pangkalahatan, wala tayong ibang paraan, kahit ngayon, maliban sa mga ordinaryong mekaniko," isinulat ni Bohr noong 1913 ("Tatlong artikulo sa spectra at ang istraktura ng mga atomo", M. -L., 1923, p. 22). Para sa pinakasimpleng atom - isang hydrogen atom, na binubuo ng isang nucleus na may singil + e(proton) at isang elektron na may singil - e, Itinuring ni Bohr ang paggalaw ng isang electron sa paligid ng nucleus sa mga pabilog na orbit. Paghahambing ng enerhiya ng isang atom E may spectral terms T n \u003d R / n 2 para sa hydrogen atom, na natagpuan na may mahusay na katumpakan mula sa mga frequency ng mga spectral na linya nito, nakuha niya ang posibleng mga halaga ng enerhiya ng atom. E n= -hT n \u003d -hR / n 2(saan n= 1, 2, 3,...). Tumutugma sila sa mga pabilog na orbit ng radius a n \u003d a 0 n 2, saan a 0 = 0.53 10 -8 cm - Bohr radius - ang radius ng pinakamaliit na circular orbit (sa n= 1). Kinakalkula ni Bohr ang mga frequency ng rebolusyon v electron sa paligid ng nucleus sa mga pabilog na orbit depende sa enerhiya ng electron. Ito ay lumabas na ang mga frequency ng liwanag na ibinubuga ng atom ay hindi nag-tutugma sa mga frequency ng rebolusyon v n , gaya ng hinihingi ng classical electrodynamics, ngunit proporsyonal, ayon sa kaugnayan hv=E i - E k , ang pagkakaiba ng enerhiya ng isang electron sa dalawang posibleng orbit.

Upang mahanap ang kaugnayan sa pagitan ng dalas ng orbit ng isang electron at ng dalas ng radiation, ginawa ni Bohr ang pagpapalagay na ang mga resulta ng quantum at klasikal na mga teorya ay dapat mag-tutugma sa mababang mga frequency ng radiation (para sa mahabang wavelength; nagaganap ang ganoong pagkakataon para sa thermal radiation, ang mga batas. na kung saan ay hinango ni Planck). Siya equated para sa malaki n dalas ng paglipat v = (E n+1 - E n)/ h dalas ng sirkulasyon v n sa orbit na may ibinigay n at kinakalkula ang halaga ng pare-pareho ng Rydberg R, na kasabay ng mahusay na katumpakan sa halaga R, natagpuan mula sa karanasan, na nagpatunay sa palagay ni Bohr. Nagtagumpay din si Bohr hindi lamang sa pagpapaliwanag ng spectrum ng hydrogen, ngunit nakakumbinsi rin na nagpapakita na ang ilan sa mga spectral na linya na iniuugnay sa hydrogen ay nabibilang sa helium. Ang pag-aakala ni Bohr na ang mga resulta ng quantum at klasikal na mga teorya ay dapat magkasabay sa limitadong kaso ng mababang mga frequency ng radiation ay kumakatawan sa orihinal na anyo ng tinatawag na. ang prinsipyo ng pagsang-ayon. Nang maglaon, matagumpay itong inilapat ni Bohr upang mahanap ang mga intensidad ng mga linya ng spectrum. Tulad ng ipinakita ng pag-unlad ng modernong pisika, ang prinsipyo ng pagsusulatan ay naging napaka-pangkalahatan (tingnan ang prinsipyo ng Korespondensiya) .

Sa teorya ng atom ni Bohr, ang quantization ng enerhiya, i.e., paghahanap ng mga posibleng halaga nito, ay naging isang espesyal na kaso ng pangkalahatang pamamaraan para sa paghahanap ng "pinapayagan" na mga orbit. Ayon sa quantum theory, ang mga naturang orbit ay ang mga kung saan ang angular momentum ng isang electron sa isang atom ay katumbas ng isang integer multiple. h/2π. Ang bawat pinahihintulutang orbit ay tumutugma sa isang tiyak na posibleng halaga ng enerhiya ng isang atom (tingnan ang Atom).

Ang mga pangunahing probisyon ng quantum theory ng atom - ang 2 postulate ni Bohr - ay komprehensibong nakumpirma sa eksperimentong paraan. Ang partikular na malinaw na kumpirmasyon ay ibinigay ng mga eksperimento ng German physicist na sina J. Frank at G. Hertz (1913-16). Ang kakanyahan ng mga karanasang ito ay ang mga sumusunod. Ang isang stream ng mga electron na ang enerhiya ay maaaring kontrolin ay pumapasok sa isang sisidlan na naglalaman ng mercury vapor. Ang mga electron ay binibigyan ng enerhiya, na unti-unting tumataas. Habang tumataas ang enerhiya ng mga electron, tumataas ang kasalukuyang nasa galvanometer na kasama sa electrical circuit; kapag ang enerhiya ng elektron ay naging katumbas ng ilang mga halaga (4.9; 6.7; 10.4 ev), ang kasalukuyang bumababa nang husto ( kanin. 5 ). Kasabay nito, makikita na ang singaw ng mercury ay naglalabas ng mga sinag ng ultraviolet ng isang tiyak na dalas.

Ang mga katotohanang ipinakita ay nagbibigay-daan lamang sa isang interpretasyon. Hangga't ang enerhiya ng elektron ay mas mababa sa 4.9 ev, ang mga electron ay hindi nawawalan ng enerhiya kapag bumabangga sa mga mercury atoms - ang mga banggaan ay likas na nababanat. Kapag ang enerhiya ay naging katumbas ng isang tiyak na halaga, lalo na 4.9 ev, Inilipat ng mga electron ang kanilang enerhiya sa mga mercury atoms, na pagkatapos ay naglalabas nito sa anyo ng ultraviolet light quanta. Ang pagkalkula ay nagpapakita na ang enerhiya ng mga photon na ito ay katumbas ng eksaktong enerhiya na nawala ng mga electron. Pinatunayan ng mga eksperimentong ito na ang panloob na enerhiya ng isang atom ay maaari lamang magkaroon ng ilang mga discrete value, na ang atom ay sumisipsip ng enerhiya mula sa labas at naglalabas nito nang sabay-sabay sa buong quanta, at na, sa wakas, ang dalas ng liwanag na ibinubuga ng atom ay tumutugma sa ang enerhiya na nawala ng atom.

Ang karagdagang pag-unlad ng A. f. nagpakita ng bisa ng mga postulate ni Bohr hindi lamang para sa mga atomo, kundi pati na rin para sa iba pang mga mikroskopikong sistema - para sa mga molekula at para sa atomic nuclei. Ang mga postulate na ito ay dapat ituring bilang matatag na itinatag na mga eksperimentong batas ng quantum. Binubuo nila ang bahaging iyon ng teorya ni Bohr, na hindi lamang napanatili sa panahon ng karagdagang pag-unlad ng teoryang quantum, ngunit natanggap din ang pagpapatibay nito. Ang sitwasyon ay naiiba sa modelo ng atom ni Bohr, na batay sa pagsasaalang-alang ng paggalaw ng mga electron sa isang atom ayon sa mga batas ng klasikal na mekanika na may pagpapataw ng karagdagang mga kondisyon ng quantization. Ang diskarte na ito ay naging posible upang makakuha ng ilang mahahalagang resulta, ngunit hindi pare-pareho: ang mga quantum postulate ay artipisyal na nakakabit sa mga batas ng klasikal na mekanika. Ang isang pare-parehong teorya ay nilikha noong 20s. ika-20 siglo Quantum mechanics. Ang paglikha nito ay inihanda sa pamamagitan ng karagdagang pag-unlad ng mga representasyon ng modelo ng teorya ni Bohr, kung saan naging malinaw ang mga kalakasan at kahinaan nito.

Pag-unlad ng teorya ng modelo ng Bohr atom. Ang isang napakahalagang resulta ng teorya ni Bohr ay ang pagpapaliwanag ng spectrum ng hydrogen atom. Ang isang karagdagang hakbang sa pagbuo ng teorya ng atomic spectra ay ginawa ng German physicist na si A. Sommerfeld. Ang pagkakaroon ng pagbuo ng mga tuntunin ng quantization nang mas detalyado, batay sa isang mas kumplikadong larawan ng paggalaw ng mga electron sa isang atom (kasama ang mga elliptical orbit) at isinasaalang-alang ang screening ng isang panlabas (tinatawag na valence) na electron sa larangan ng nucleus at panloob na mga electron, nagawa niyang ipaliwanag ang isang bilang ng mga regularidad sa spectra ng mga alkali metal.

Ang teorya ng atom ni Bohr ay nagbigay din ng liwanag sa istraktura ng tinatawag na. katangian spectra ng x-ray. Ang X-ray spectra ng mga atomo, gayundin ang kanilang optical spectra, ay may discrete line structure na katangian ng isang partikular na elemento (kaya ang pangalan). Sa pagsisiyasat sa katangian ng X-ray spectra ng iba't ibang elemento, natuklasan ng English physicist na si G. Moseley ang sumusunod na pattern: ang mga square root ng mga frequency ng mga ibinubugang linya ay pare-parehong tumataas mula sa elemento patungo sa elemento sa buong sistema ng periodic Mendeleev sa proporsyon sa atomic number ng ang elemento. Ito ay kagiliw-giliw na ang batas ni Moseley ay ganap na nakumpirma ang kawastuhan ni Mendeleev, na sa ilang mga kaso ay lumabag sa prinsipyo ng paglalagay ng mga elemento sa talahanayan ayon sa pagtaas ng atomic na timbang at inilalagay ang ilang mas mabibigat na elemento sa unahan ng mas magaan.

Sa batayan ng teorya ni Bohr, posible na magbigay ng paliwanag sa periodicity ng mga katangian ng mga atomo. Sa isang kumplikadong atom, ang mga shell ng elektron ay nabuo, na sunud-sunod na napuno, simula sa pinakaloob, na may ilang mga bilang ng mga electron (ang pisikal na dahilan para sa pagbuo ng mga shell ay naging malinaw lamang batay sa prinsipyo ng Pauli, tingnan sa ibaba). Ang istraktura ng mga panlabas na shell ng elektron ay pana-panahong paulit-ulit, na nagiging sanhi ng panaka-nakang pag-uulit ng kemikal at maraming pisikal na katangian ng mga elemento na matatagpuan sa parehong grupo ng periodic system. Sa batayan ng teorya ni Bohr, ipinaliwanag ng German chemist na si W. Kossel (1916) ang pakikipag-ugnayan ng kemikal sa tinatawag na. mga molekulang heteropolar.

Gayunpaman, hindi lahat ng mga katanungan ng teorya ng atom ay maipaliwanag sa batayan ng mga modelong representasyon ng teorya ni Bohr. Hindi nito nakayanan ang maraming mga problema ng teorya ng spectra, pinapayagan nitong makuha lamang ang tamang mga halaga ng mga frequency ng mga spectral na linya ng hydrogen atom at hydrogen-like atoms, habang ang intensity ng mga linyang ito ay nanatiling hindi maipaliwanag; Kinailangan ni Bohr na ilapat ang prinsipyo ng pagsusulatan upang ipaliwanag ang mga intensidad.

Sa paglipat sa pagpapaliwanag ng mga galaw ng mga electron sa mga atomo na mas kumplikado kaysa sa hydrogen atom, ang teorya ng modelo ni Bohr ay nasa isang hindi pagkakasundo. Mayroon nang isang helium atom, kung saan 2 electron ang gumagalaw sa paligid ng nucleus, ay hindi nagbigay ng sarili sa teoretikal na interpretasyon batay dito. Ang mga paghihirap sa kasong ito ay hindi limitado sa dami ng mga pagkakaiba sa karanasan. Ang teorya ay naging walang kapangyarihan sa paglutas ng problema tulad ng kumbinasyon ng mga atomo sa isang molekula. Bakit nagsasama-sama ang 2 neutral na hydrogen atoms upang makabuo ng hydrogen molecule? Paano ipaliwanag ang likas na katangian ng valency sa pangkalahatan? Ano ang nagbubuklod sa mga atomo ng isang solid? Ang mga tanong na ito ay nanatiling walang kasagutan. Sa loob ng balangkas ng modelong Bohr, imposibleng makahanap ng isang diskarte sa kanilang solusyon.

Quantum mechanical theory ng atom. Ang mga limitasyon ng modelo ng atom ni Bohr ay nag-ugat sa mga limitasyon ng mga klasikal na ideya tungkol sa paggalaw ng mga microparticle. Naging malinaw na para sa karagdagang pag-unlad ng teorya ng atom, kinakailangan na muling isaalang-alang ang mga pangunahing ideya tungkol sa paggalaw at pakikipag-ugnayan ng mga microparticle. Ang hindi kasiya-siyang katangian ng isang modelo batay sa mga klasikal na mekanika na may pagdaragdag ng mga kondisyon ng quantization ay malinaw na naunawaan ni Bohr mismo, na ang mga pananaw ay nagbigay ng malaking impluwensya sa karagdagang pag-unlad ng mga algebraic function. Ang simula ng isang bagong yugto sa pagbuo ng A. f. ay ang ideyang ipinahayag ng Pranses na pisisista na si L. de Broglie (1924) tungkol sa dalawahang katangian ng paggalaw ng mga micro-object, partikular na ang electron (tingnan ang De Broglie waves). Ang ideyang ito ay naging panimulang punto ng quantum mechanics (tingnan ang Quantum Mechanics), na nilikha noong 1925–26 ng mga gawa nina W. Heisenberg at M. Born (Germany), E. Schrödinger (Austria), at P. Dirac (England), at binuo batay sa modernong quantum mechanical theory ng atom.

Ang mga ideya ng quantum mechanics tungkol sa paggalaw ng isang electron (microarticles sa pangkalahatan) ay radikal na naiiba mula sa mga klasiko. Ayon sa quantum mechanics, ang isang electron ay hindi gumagalaw sa isang trajectory (orbit), tulad ng isang solidong bola; Ang paggalaw ng isang electron ay mayroon ding ilang mga tampok na katangian ng pagpapalaganap ng mga alon. Sa isang banda, ang isang electron ay palaging kumikilos (halimbawa, sa mga banggaan) bilang isang solong kabuuan, bilang isang particle na may hindi mahahati na singil at masa; sa parehong oras, ang mga electron na may isang tiyak na enerhiya at momentum ay nagpapalaganap tulad ng isang eroplano na alon na may isang tiyak na dalas (at isang tiyak na haba ng daluyong). Enerhiya ng elektron E kung paano nauugnay ang mga particle sa dalas v ratio ng alon ng elektron: E=hv, at ang momentum nito R - na may wavelength λ ratio: p = h/λ.

Ang mga matatag na galaw ng isang electron sa isang atom, gaya ng ipinakita ni Schrödinger (1926), ay sa ilang aspeto ay kahalintulad sa mga tumatayong alon (Tingnan ang mga tumatayong alon) , na ang mga amplitude ay naiiba sa iba't ibang mga punto. Kasabay nito, sa atom, tulad ng sa isang oscillatory system, ang ilang "napiling" paggalaw lamang ang posible na may ilang mga halaga ng enerhiya, angular momentum at projection ng momentum ng elektron sa atom. Ang bawat nakatigil na estado ng isang atom ay inilalarawan gamit ang ilang function ng wave (Tingnan ang Wave function) , na isang solusyon ng isang wave equation ng isang espesyal na uri - ang Schrödinger equation; wave function ay tumutugma sa "electron cloud", na nagpapakilala (sa karaniwan) sa pamamahagi ng density ng electron charge sa atom (tingnan ang Atom , doon sa kanin. 3 ipinapakita ang mga projection ng "electron clouds" ng hydrogen atom). Noong 20-30s. Ang mga tinatayang pamamaraan ay binuo para sa pagkalkula ng pamamahagi ng density ng singil ng elektron sa mga kumplikadong atomo, lalo na ang pamamaraang Thomas-Fermi (1926, 1928). Ang halagang ito at ang nauugnay na halaga ng tinatawag na. atomic factor (Tingnan ang atomic factor) mahalaga sa pag-aaral ng mga banggaan ng elektron sa mga atomo, pati na rin ang kanilang pagkalat ng mga x-ray.

Sa batayan ng quantum mechanics, posible na wastong kalkulahin ang mga enerhiya ng mga electron sa mga kumplikadong atomo sa pamamagitan ng paglutas ng Schrödinger equation. Ang tinatayang mga pamamaraan para sa naturang mga kalkulasyon ay binuo noong 1928 ni D. Hartree (England) at noong 1930 ng V. A. Fok (USSR). Ang mga pag-aaral ng atomic spectra ay ganap na nakumpirma ang quantum mechanical theory ng atom. Ito ay lumabas na ang estado ng isang elektron sa isang atom ay mahalagang nakasalalay sa kanyang Spin a - sariling mekanikal na sandali ng momentum. Ang isang paliwanag ay ibinigay para sa pagkilos ng mga panlabas na electric at magnetic field sa atom (tingnan ang Stark phenomenon (Tingnan ang Stark effect), Zeeman phenomenon). Ang isang mahalagang pangkalahatang prinsipyo na may kaugnayan sa pag-ikot ng elektron ay natuklasan ng Swiss physicist na si W. Pauli (1925) (tingnan ang prinsipyo ng Pauli), ayon sa prinsipyong ito, isang elektron lamang ang maaaring nasa bawat elektronikong estado sa isang atom; kung ang estado na ito ay inookupahan na ng ilang elektron, kung gayon ang susunod na elektron, na pumapasok sa komposisyon ng atom, ay mapipilitang sakupin ang isa pang estado. Sa batayan ng prinsipyo ng Pauli, ang mga numero ng pagpuno ng mga shell ng elektron sa mga kumplikadong atom ay sa wakas ay naitatag, na tumutukoy sa periodicity ng mga katangian ng mga elemento. Batay sa quantum mechanics, ibinigay ng mga German physicist na sina W. Geytler at F. London (1927) ang teorya ng tinatawag na. homeopolar na kemikal na bono ng dalawang magkaparehong atomo (halimbawa, mga atomo ng hydrogen sa molekulang H 2), na hindi maipaliwanag sa loob ng balangkas ng modelong Bohr ng atom.

Mahahalagang aplikasyon ng quantum mechanics noong 30s. at nang maglaon ay may mga pag-aaral ng nakagapos na mga atomo na bumubuo sa isang molekula o kristal. Ang mga estado ng isang atom na bahagi ng isang molekula ay mahalagang naiiba mula sa mga estado ng isang libreng atom. Ang atom ay sumasailalim din sa mga makabuluhang pagbabago sa isang kristal sa ilalim ng pagkilos ng isang intracrystalline na patlang, na ang teorya ay unang binuo ni H. Bethe (1929). Ang pagsisiyasat sa mga pagbabagong ito, maaaring maitatag ng isa ang likas na katangian ng pakikipag-ugnayan ng atom sa kapaligiran nito. Ang pinakamalaking pang-eksperimentong tagumpay sa lugar na ito ay A. f. ay ang pagtuklas ni E. K. Zavoisky noong 1944 ng electron paramagnetic resonance (Tingnan ang Electron paramagnetic resonance) , na naging posible na pag-aralan ang iba't ibang mga bono ng mga atomo sa kapaligiran.

Modernong atomic physics. Ang mga pangunahing seksyon ng modernong A. f. ay ang teorya ng atom, atomic (optical) spectroscopy, X-ray spectroscopy, radio spectroscopy (iniimbestigahan din nito ang rotational level ng mga molecule), at ang physics ng atomic at ion collisions. Ang iba't ibang mga seksyon ng spectroscopy ay sumasaklaw sa iba't ibang mga saklaw ng mga frequency ng radiation at, nang naaayon, iba't ibang mga hanay ng mga enerhiya ng photon. Habang ang X-ray spectroscopy ay pinag-aaralan ang radiation ng mga atom na may photon energies hanggang sa daan-daang libong electron. ev, Ang radio spectroscopy ay tumatalakay sa napakaliit na quanta - hanggang quanta na mas mababa sa 10 -6 ev.

Ang pinakamahalagang gawain ng A. f. - detalyadong kahulugan ng lahat ng katangian ng estado ng isang atom. Pinag-uusapan natin ang tungkol sa pagtukoy ng mga posibleng halaga ng enerhiya ng isang atom - ang mga antas ng enerhiya nito, ang mga halaga ng mga sandali ng momentum at iba pang mga dami na nagpapakilala sa estado ng atom. Pinag-aaralan ang mga fine at hyperfine na istruktura ng mga antas ng enerhiya (tingnan ang Atomic Spectra) , mga pagbabago sa mga antas ng enerhiya sa ilalim ng impluwensya ng mga electric at magnetic field - parehong panlabas, macroscopic, at panloob, mikroskopiko. Napakahalaga ng isang katangian ng mga estado ng atom bilang ang buhay ng isang elektron sa antas ng enerhiya. Sa wakas, maraming pansin ang binabayaran sa mekanismo ng paggulo ng atomic spectra.

Ang mga lugar ng phenomena na pinag-aralan ng iba't ibang seksyon ng AF ay nagsasapawan. Ang X-ray spectroscopy sa pamamagitan ng pagsukat ng emission at absorption ng X-rays ay ginagawang posible na matukoy pangunahin ang mga nagbubuklod na energies ng mga panloob na electron na may nucleus ng isang atom (enerhiya ng ionization), ang pamamahagi ng electric field sa loob ng atom. Pinag-aaralan ng optical spectroscopy ang mga hanay ng mga spectral na linya na ibinubuga ng mga atom, tinutukoy ang mga katangian ng mga antas ng enerhiya ng atom, ang intensity ng mga spectral na linya at ang tagal ng atom sa mga excited na estado na nauugnay sa kanila, ang pinong istraktura ng mga antas ng enerhiya, ang kanilang pag-aalis at paghahati sa mga electric at magnetic field. Detalyadong sinisiyasat ng radio spectroscopy ang lapad at hugis ng mga spectral na linya, ang kanilang hyperfine na istraktura, paglilipat at paghahati sa isang magnetic field, at, sa pangkalahatan, mga intra-atomic na proseso na dulot ng napakahina na mga interaksyon at impluwensya ng medium.

Ang pagsusuri sa mga resulta ng mga banggaan ng mabilis na mga electron at mga ion na may mga atomo ay ginagawang posible na makakuha ng impormasyon tungkol sa pamamahagi ng density ng singil ng elektron ("electron cloud") sa loob ng atom, tungkol sa mga energies ng paggulo ng atom, at mga enerhiya ng ionization.

Ang mga resulta ng isang detalyadong pag-aaral ng istraktura ng mga atomo ay natagpuan ang pinakamalawak na aplikasyon hindi lamang sa maraming sangay ng pisika, kundi pati na rin sa kimika, astrophysics at iba pang larangan ng agham. Batay sa pag-aaral ng pagpapalawak at paglilipat ng mga parang multo na linya, maaaring hatulan ng isa ang lokal (lokal) na mga patlang sa daluyan (likido, kristal) na nagdudulot ng mga pagbabagong ito, at ang estado ng daluyan na ito (temperatura, density, atbp.). Ang pag-alam sa pamamahagi ng density ng singil ng elektron sa isang atom at ang mga pagbabago nito sa panahon ng mga panlabas na pakikipag-ugnayan ay ginagawang posible upang mahulaan ang uri ng mga bono ng kemikal na maaaring mabuo ng isang atom, ang pag-uugali ng isang ion sa isang kristal na sala-sala. Ang impormasyon tungkol sa istruktura at katangian ng mga antas ng enerhiya ng mga atom at ion ay napakahalaga para sa mga quantum electronics device.

2 1. Panimula 1.1. Ang paksa ng atomic physics, ang maikling kasaysayan ng pag-unlad, mga layunin at layunin 1.2. Mga pangunahing kahulugan. Electron, proton, neutron, atom, ion, molecule, nuclide, atomic nucleus, chemical element, isotopes 1.3. Mga katangian ng nuklear at shell ng atom 1.4. Mga yunit ng pagsukat ng mga pisikal na dami sa atomic physics. Electron-volt. Nunal, Avogadro's constant, atomic mass unit, relative atomic mass. Mga timbangan ng enerhiya, haba, frequency, masa sa atomic at nuclear physics 1.5. Classical, relativistic at quantum physics. Momentum at enerhiya 1.6. Photon. Photon energy scale (electromagnetic radiation scale)

3 Physics of the atom Ang atomic physics (physics ng atom at atomic phenomena) ay isang sangay ng physics na nag-aaral sa istruktura at katangian ng mga atom, gayundin ang mga elementarya na proseso kung saan nakikibahagi ang mga atom. Ang mga bagay ng pag-aaral ng atomic physics ay pareho atomic at molecules, atomic at molecular ions, exotic atoms at iba pang microparticle Sa mga phenomena na pinag-aralan sa loob ng framework ng atomic physics, ang electromagnetic interactions ay gumaganap ng pangunahing papel. semiconductors at nanomaterials) Ang teoretikal na batayan ng atomic physics mismo ay quantum theory at quantum electrodynamics Doon ay walang malinaw na hangganan sa pagitan ng atomic physics at iba pang sangay ng physics, at alinsunod sa internasyonal na klasipikasyon, atomic physics ay kasama sa larangan ng atomic, molecular physics at optika

4 Isang maikling kasaysayan ng pag-unlad ng atomic physics Ang konsepto ng "atom" ay ginamit ng mga sinaunang Greek scientist (ika-5 - 2nd siglo BC) upang tukuyin ang pinakamaliit, hindi mahahati na mga particle na bumubuo sa lahat ng bagay na umiiral sa mundo. Eksperimental na pagkumpirma ng Ang mga ideyang atomistiko ay nakuha noong ika-19 na siglo sa kemikal at pisikal na pananaliksik Ang ideya na ang isang atom ay binubuo ng positibo at negatibong mga bahagi ay napatunayan noong ikalawang kalahati ng ika-19 na siglo. Noong 1897, si J.J. Natuklasan ni Thomson ang electron, at sa lalong madaling panahon napatunayan na ito ay isang mahalagang bahagi ng lahat ng mga atom. at, medyo mamaya, elementarya particle physics

5 Isang maikling kasaysayan ng pag-unlad ng atomic physics Ang mga pundasyon ng modernong atomic physics ay inilatag sa simula ng ika-20 siglo, nang si N. Bohr ay nagbigay ng mga paliwanag ng isang bilang ng mga pinakamahalagang katangian ng atom (1913) at naglagay ng dalawang " quantum" postulates Ayon sa una sa kanila, may mga espesyal na (nakatigil) na estado ng atom kung saan ang huli ay hindi nagpapalabas ng enerhiya, kahit na ang mga sisingilin na particle (mga electron) na kasama sa komposisyon nito ay gumagawa ng pinabilis na paggalaw Ayon sa pangalawang postulate , ang Ang radiation ng isang atom ay nangyayari sa panahon ng paglipat mula sa isang nakatigil na estado patungo sa isa pa, at ang dalas ng ν ng radiation na ito ay tinutukoy mula sa kondisyong h = E – E (ang tuntunin ng dalas ng Bohr), kung saan ang h ay ang pare-pareho ng Planck, ang E at E ay ang mga halaga. ng enerhiya ng atom sa una at huling mga estado. Ang unang postulate ay sumasalamin sa katotohanan ng katatagan ng atom, ang pangalawang discreteness ng mga frequency sa atomic spectra

6 Isang maikling kasaysayan ng pag-unlad ng atomic physics Ang teorya ni Bohr, na napatunayang hindi ganap na maipaliwanag ang mga katangian ng mga atomo at molekula, ay pinalitan ng isang pare-parehong teoryang quantum na nilikha noong 1920s at 1930s (W. Heisenberg, E. Schrödinger, P. Dirac) Gayunpaman, ang mga postulate ni Bohr ay nagpapanatili pa rin ng kanilang kahalagahan at isang mahalagang bahagi ng mga pundasyon ng pisika ng microscopic phenomena. Sa loob ng balangkas ng modernong quantum theory, ang pinaka kumpletong paliwanag ng mga katangian ng atom ay ibinigay: ang mga prinsipyo ng pagbuo ng optical at X-ray spectra, ang pag-uugali ng mga atom sa magnetic (Zeeman effect) at electric (Stark effect), ang periodic system ng mga elemento at ang likas na katangian ng chemical bond ay theoretically substantiated, ang mga pamamaraan ay binuo para sa pagkalkula ng electronic structure ng atoms, molecules at solids (ang Hartree-Fock self-consistent field method), ang mga bagong device ay nilikha para sa pag-aaral ng istraktura at mga katangian ng matter (electron microscope) Development ng mga ideya ng quantum theory (gi ang spin hypothesis, ang Pauli principle, atbp.), sa turn, ay batay sa eksperimental na pananaliksik sa larangan ng atomic physics (line spectra ng mga atomo, ang photoelectric effect, ang fine at hyperfine na istraktura ng spectral lines, ang mga eksperimento ni Frank at Hertz, Davisson at Germer, Stern at Gerlach, ang epekto ng Compton, ang pagtuklas ng deuterium at iba pang isotopes, ang epekto ng Auger, atbp.)

7 Isang maikling kasaysayan ng pag-unlad ng atomic physics Sa ikalawang ikatlong bahagi ng ika-20 siglo, sa loob ng balangkas ng atomic physics at batay sa mga ideya ng quantum theory, ang mga bagong eksperimentong pamamaraan ng pisikal na pananaliksik ay binuo: electron paramagnetic resonance (EPR), Nalikha na ang photoelectron spectroscopy (PES), electron impact spectroscopy (ESI), mga device para sa kanilang pagpapatupad (maser, laser, atbp.). Nakatanggap ang mga pangunahing prinsipyo ng quantum theory (interference of quantum states, Lamb shift of levels, atbp.) direktang pang-eksperimentong kumpirmasyon, mga bagong pamamaraan para sa pagkalkula ng elektronikong istraktura ng bagay (density functional theory), at hinulaang bagong pisikal na phenomena (superradiance) Ang mga pamamaraan ay binuo para sa mga eksperimentong pag-aaral ng mga proseso na nagaganap sa mga solong atomo, ions at electron na hawak ng electric at magnetic field. ng isang espesyal na pagsasaayos (atomic at ion "traps")

8 Isang maikling kasaysayan ng pag-unlad ng atomic physics Ang mga bagong resulta sa larangan ng atomic physics sa huling ikatlong bahagi ng ika-20 siglo at simula ng ika-21 siglo ay pangunahing nauugnay sa paggamit ng mga pagsukat ng laser na may mga solong atomo at molekula, matukoy ang mga katangian ng lubos na nasasabik na mga estado ng mga atom, pag-aralan ang dinamika ng mga prosesong intraatomic at intramolecular na tumatagal ng hanggang ilang femtosecond (10–15 s) ), pati na rin ang paglamig ng mga indibidwal na atom sa ultralow na temperatura. Ang atomic physics ay nauugnay sa mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ng computer at naglalayong bumuo ng mahusay na mga pamamaraan at paraan ika-struktura at katangian ng multielectron atomic system, na isinasaalang-alang ang electron correlation energy, relativistic quantum mechanical at quantum electrodynamic corrections

9 Atomic physics Ang pananaliksik sa larangan ng atomic physics ay nakahanap ng maraming siyentipiko at praktikal na mga aplikasyon Para sa mga layuning pang-industriya, upang matukoy ang elementong komposisyon ng isang sangkap, ang mga pamamaraan ng atomic spectral analysis ay ginagamit, kabilang ang EPR, FES at SEA Upang malutas ang geological, biological at mga problemang medikal, mga pamamaraan ng remote at lokal na laser spectral atomic analysis, ang laser isotope separation ay isinasagawa para sa mga layuning pang-industriya at teknikal. interstellar medium, ang pag-aaral ng Rydberg atoms), metrology (atomic clock) at iba pang larangan ng agham at teknolohiya

10 Mga layunin at layunin ng kurso ng atomic physics Ang pangunahing layunin ng disiplina na "Physics of the atom and atomic phenomena", bilang bahagi ng kurso ng pangkalahatang pisika, ay upang bumuo ng pangunahing kaalaman sa physics ng microscopic phenomena sa atomic- antas ng molekular at ang kakayahang magamit ang mga ito upang malutas ang mga inilapat na problema Upang makamit ang layuning ito ang mga sumusunod na gawain ay nalutas: – pagsusuri ng pagbuo ng atomistic at pagbuo ng mga konseptong quantum; – pag-aaral ng pinakamahalagang eksperimentong katotohanan ng atomic physics at ang kanilang pagkakaugnay; - pagbubunyag ng mga detalye ng micro-phenomena at ang pagkabigo ng klasikal na teorya na ipaliwanag ang mga ito; – pag-aaral ng mga batayan ng quantum mechanics at mga pamamaraan para sa paglutas ng mga problema sa quantum mechanical; – sistematikong pag-aaral at pagpapaliwanag batay sa quantum theory ng istraktura at katangian ng mga atomo at molekula, ang kanilang pag-uugali sa mga panlabas na larangan at sa pakikipag-ugnayan sa isa’t isa

12 Electron Ang electron ay isang stable elementary particle na may negatibong electric charge Ang absolute value ng electron charge ay katumbas ng elementary charge q e = –e –1.610 –19 C Ang mass ng electron m e = m –31 kg Ang spin ng electron ay ½ Ang magnetic moment ng electron ay humigit-kumulang katumbas ng Bohr magneton μ e – μ B - -4 eV / T Ang simbolo e o e ay ginagamit upang italaga ang isang electron - Ang mga electron ay bumubuo sa mga electron shell ng lahat ng atoms at ions ang electron ay may antiparticle positron (e +)

15 Ang Proton Proton ay isang stable elementary particle na may positibong electric charge Ang singil ng proton ay katumbas ng elementary charge q p = e –19 C Ang mass ng proton m p 1836m e –27 kg Ang spin ng proton ay ½ Ang magnetic sandali ng proton μ p –8 eV/T Ang proton ay may antiparticle antiproton (p-)

16 Pagwawasak ng isang antiproton Isang antiproton (asul na track) ay bumangga sa isang proton sa isang bubble chamber na nagreresulta sa apat na positibong pions (pulang track) at apat na negatibong pions (berdeng track) Ang dilaw na track ay kabilang sa isang muon, na ipinanganak bilang isang resulta ng pion decay

17 Neutron Neutron elementary particle na may zero electrical charge Ang buhay ng isang neutron sa isang libreng estado ay humigit-kumulang 886 s Ang masa ng isang neutron m n 1839m e –27 kg Ang spin ng isang neutron ay ½ Sa kabila ng kawalan ng electric charge, ang neutron may magnetic moment μ n – –8 eV/T Neutron na tinutukoy ng simbolo n o n 0 Neutron ay may antiparticle antineutron Ang mga proton at neutron ay pinagsama ng karaniwang pangalan na nucleon Ang atomic nuclei ay binubuo ng mga proton at neutron

18 Neutron Dahil ang mga neutron ay walang electrical charge, hindi sila nag-iiwan ng mga track sa mga particle detector chamber Ang mga neutron ay maaari pa ring matukoy sa pamamagitan ng kanilang pakikipag-ugnayan sa iba pang mga charged na particle Ang may kulay na imahe ay nagpapakita ng mga particle track sa isang cloud chamber na puno ng pinaghalong hydrogen gas, ethyl alcohol at tubig Ang neutron beam ay tumagos sa silid mula sa ibaba at nagiging sanhi ng pagbabago ng oxygen at carbon atoms na bahagi ng mga molekula ng ethyl alcohol

19 Atom Ang atom ay isang microparticle na binubuo ng isang atomic nucleus at ang mga nakapaligid na electron nito (electron shell) Ang isang positively charged na nucleus ay humahawak ng mga electron na may negatibong charge sa pamamagitan ng mga puwersa ng electric attraction ang electron charge ay katumbas ng e, at kapag ang bilang ng mga electron sa Ang shell ay katumbas ng bilang ng mga proton sa nucleus, ang kabuuang singil ng kuryente ng atom ay zero. ), gayunpaman, dahil sa katotohanan na ang masa ng proton (pati na rin ang neutron) ay halos 2 libong beses na mas malaki kaysa sa ang masa ng elektron, halos ang buong masa ng atom () ay puro sa nucleus

20 Gold atom Au Imahe ng isang gintong atom na nakuha gamit ang isang transmission electron microscope Mga oras ng pag-magnify sa laki na 35 mm

22 Silicon atoms Si May kulay na imahe ng mga silicon na atom na nakuha gamit ang transmission electron microscope. Ang unit cell ng crystal ay ipinapakita. Nakikita rin ang mga bono sa pagitan ng mga atomo. Mga oras ng pag-magnify sa laki na 35 mm

24 Uranium atoms U Isang may kulay na imahe ng uranium atoms ang nakuha gamit ang transmission electron microscope. Ang maliliit na regular na tuldok ay mga indibidwal na atomo, ang mas malalaking pormasyon ay mga kumpol na binubuo ng 2–20 atoms Ang field of view ay humigit-kumulang 100 Å. Magnification hanggang sa sukat na 35 mm

25 Uranyl microcrystals UO 2 2+ May kulay na imahe ng uranyl microcrystals na nakuha gamit ang transmission electron microscope Ang bawat speck ay kumakatawan sa isang solong uranium atom Mga beses ng magnification sa laki na 35 mm

27 Chemical element, nuclide, isotopes Ang mga atom na may tiyak na bilang ng mga proton Z sa nucleus ay nabibilang sa parehong elemento ng kemikal. Ang bilang na Z ay tinatawag na atomic number ng isang kemikal na elemento. Ang isang hanay ng mga atomo na may tiyak na bilang ng mga proton Z at mga neutron N sa nucleus ay tinatawag na nuclide. Ang mga nuclides ay tinutukoy sa pamamagitan ng pagdaragdag sa pangalan ng elemento ng halaga ng mass number A, katumbas ng kabuuan ng Z + N (halimbawa, oxygen-16, uranium-235), o sa pamamagitan ng paglalagay ng numero A malapit sa simbolo ng ang elemento (16 O, 235 U). Ang mga nuclides ng parehong elemento ay tinatawag na isotopes. Ang masa ng pinakamagaan na atom ng hydrogen atom, na binubuo ng isang proton at isang electron, ay katumbas ng m H 1.67 10 –27 kg. Ang masa ng natitirang mga atom ay humigit-kumulang A beses na mas malaki kaysa sa m H. Mayroong 90 elemento ng kemikal at higit sa 300 iba't ibang mga nuclide sa kalikasan; 270 sa kanila ay stable, ang iba ay radioactive. Tungkol sa mga radioactive nuclides na nakuha nang artipisyal.

31 Ion Ang proseso ng pag-alis o pag-attach ng mga electron sa isang atom ay tinatawag na ionization Kung ang bilang ng mga electron sa shell ay mas mababa sa Z, ang isang positibong atomic ion ay nakuha, kung higit sa Z ang negatibo Kaya, ang isang ion ay isang electrically charged atom. (o molekula) na nabuo sa detatsment o pagkakabit ng isa o higit pang mga electron sa isang neutral na atom (o molekula)

32 Ion Ang mga ions na may positibong charge ay tinatawag na mga cation, mga anion na may negatibong charge. Ang mga ions ay tinutukoy ng isang kemikal na simbolo na may index na nagpapahiwatig ng multiplicity (ang halaga ng singil sa mga yunit ng elementarya na singil) at ang tanda ng ion: H -, Na +, UO 2 2+ Ang mga ion ay maaaring parehong matatag na pormasyon (karaniwan ay sa mga solusyon o kristal), kaya at hindi matatag (sa mga gas sa ilalim ng normal na mga kondisyon) ang mga atomic cation ay maaaring makuha hanggang sa isang singil na +(Z - 1). Kaya, halimbawa, ang U 90+ at U 91+ ay nakuha sa mga ion accelerators. Ang mga atomic anion na may singil na 2 o higit pa ay hindi umiiral sa libreng estado.

34 Molecule Ang molekula ay ang pinakamaliit na stable na particle ng isang substance, na binubuo ng higit sa isang atom. Ang molekula ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na komposisyon ng atomic nuclei, ang bilang ng mga electron at isang spatial na istraktura. Ang mga formula ng kemikal ay ginagamit upang ipahiwatig ang quantitative at husay na komposisyon ng mga molekula: O 2 (molekula ng oxygen), H 2 O (molekula ng tubig), CH 4 (molekula ng methane), C 6 H 6 (molekula ng benzene), C 60 (molekula ng fulllerene)

39 Molekyul ng DNA Ang isang may kulay na imahe ng molekula ng DNA ay nakuha gamit ang isang transmission electron microscope Sa isang mataas na vacuum chamber, ang isang sample ng DNA ay pinahiran ng manipis na layer ng platinum Metallic coating na nagbibigay ng contrast image sa isang electron microscope

40 Mga katangian ng nuklear at shell ng atom Mga katangian ng nuklear ng shell Natutukoy sa pamamagitan ng komposisyon ng nucleus: radyaktibidad, kakayahang lumahok sa mga reaksyong nuklear, atbp. Natutukoy ng istraktura ng shell ng elektron: kemikal, pisikal (electrical, magnetic, optical, atbp. .) 42 Enerhiya Ang yunit ng enerhiya sa The SI ay ang joule (J), gayunpaman, para sa mga halaga ng enerhiya ng mga bagay at phenomena ng atomic physics, ang nasabing yunit ay bihirang ginagamit. Ang mas karaniwang ginagamit ay isang off- system unit ng enerhiya na tinatawag na electron volt (eV, eV) na dumadaan sa isang accelerating potential difference na 1 volt: 1 eV = J –6 eV) na mga unit ng electron-volt, pati na rin ang ilang iba pa: rydberg (Rydberg, Ry), hartree (hartree, Ha, o atomic unit, a. e.) Ang Rydberg ay numerong katumbas ng enerhiya ng ionization ng isang hydrogen atom mula sa ground state sa approximation ng isang infinite mass ng nucleus: 1 Ry eV Hartree ay katumbas ng absolute value ng potential energy ng isang electron sa ground state ng hydrogen atom sa approximation ng isang infinite masa ng nucleus: 1 Ha = 2 Ry eV Ang mga enerhiya ng mga estado ng mga atomic system, pati na rin ang mga paglipat sa pagitan ng mga estado ay maaaring masukat sa ibang mga yunit

43 Mass Ang yunit ng masa sa SI ay ang kilo (kg), gayunpaman, upang sukatin ang masa ng mga bagay ng atomic physics, ginagamit ang isang off-system unit ng pagsukat, na tinatawag na atomic mass unit (amu). Ang atomic mass unit ay katumbas ng 1/12 ng masa ng isang unbound, unexcited carbon-12 atom (12 C): 1 a. e. m kg 1 a. e. m. ay humigit-kumulang katumbas ng masa ng isang proton o neutron Relative atomic mass ay ang masa ng isang atom, na ipinahayag sa a. e.m. Ang pare-parehong N A ni Avogadro ay isang pisikal na pare-pareho ayon sa bilang na katumbas ng bilang ng mga atom sa 12 g ng purong carbon-12 isotope: N A mol –1 Mole (isang yunit ng dami ng isang substance sa SI) ayon sa kahulugan ay naglalaman ng N A structural elements (atoms , mga molekula, mga ion).

44 Haba Ang SI unit ng haba ay ang metro (m). Ang 1 metro ay katumbas ng distansyang dinadaanan ng liwanag sa isang vacuum sa pagitan ng oras na katumbas ng 1/segundo. Maliban sa mga sukat ng mga wavelength ng electromagnetic radiation sa hanay ng radyo, ang naturang yunit ng haba ay bihirang ginagamit sa atomic physics, at sa halip, upang sukatin ang mga linear na sukat, pati na rin ang mga wavelength, ang mga submultiple unit ng isang metro ay ginagamit: centimeter ( cm, 1 cm \u003d 10 -2 m), milimetro ( mm, 1 mm = 10–3 m), micrometer (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanometer (nm, 1 nm = 10–9 m), picometer (pm, 1 pm = 10–12 m ) at iba pa, pati na rin ang mga off-system unit: angstrom (Å, 1 Å = 0.1 nm = 10–10 m), boron (o Bohr radius) (1 boron Å)

45 Oras Ang SI unit ng oras ay ang pangalawang (mga). atomic time standard: isang segundo (o atomic second) ay katumbas ng mga panahon ng electromagnetic radiation na naaayon sa paglipat ng enerhiya sa pagitan ng dalawang antas ng hyperfine na istraktura ng ground state ng isotope 133 Cs (cesium-133) Ang tagal ng mabilis na proseso sa atomic physics ay karaniwang sinusukat sa fractional units ng isang segundo: nano-, pico- o femtoseconds (ns, ps, fs, 1 fs = 10 -15 s)

46 Mga timbangan ng pisikal na dami sa atomic at nuclear physics Ang mga phenomena ng atomic physics ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga dimensyon mula 10–12 m (inner subshells ng mabibigat na atoms) hanggang sa tenths ng isang nanometer (mga laki ng atoms at maliliit na molekula), energies mula 10–6 eV (hyperfine na istraktura ng mga antas) hanggang 10 5 eV (binding energies ng mga electron ng mga panloob na subshell), mga beses mula sa sampu-sampung femtosecond (tagal ng ultrashort laser pulses) hanggang libu-libong segundo (lifetime ng metastable na estado ng mga atom) Ang mga karaniwang sukat ng mga molekula ay 0.1 –1 nm. Ang internuclear na distansya ng pinakamaliit na molekula (H 2) ay nm. Ang mga macromolecule ng DNA at maraming polymer ay maaaring magkaroon ng macroscopic na sukat. Kaya, ang haba ng isang nakabukas na DNA helix ay maaaring umabot ng ilang sentimetro na may lapad na humigit-kumulang 2 nm.

47 Photon Ang photon, o isang quantum ng electromagnetic radiation (field), ay isang walang massless elementary particle na walang electric charge. iikot sa mga direksyon na patayo sa direksyon ng pagpapalaganap ng photon ay tinutukoy ang estado ng polarization nito γ

11.1. Rutherford modelo ng atom

Hanggang 1911, walang tamang ideya tungkol sa istruktura ng atom. Noong 1911, pinag-aralan ni Rutherford at ng kanyang mga katuwang ang pagkalat ng -particle kapag dumadaan sa manipis na mga layer ng metal (-particle ay naglalabas ng mga radioactive na elemento. Ang mga ito ay nuclei ng helium atoms na may singil na 2 e at isang masa na humigit-kumulang 4 na beses na mas malaki kaysa sa masa ng isang hydrogen atom. Ang bilis nilang umabot  10 7 MS). Ito ay natagpuan na sa pag-iilaw ng isang sheet ng ginto na may kapal 6 µm isa lamang sa 8000 -particle ang nakaranas ng makabuluhang paglihis mula sa unang direksyon ng paggalaw. Ang resulta ay hindi inaasahan para sa oras na iyon, na parang, kapag nagpapaputok ng mga brick sa isang brick wall na ilang libong brick ang kapal, halos lahat ng brick ay dadaan sa dingding at iilan lamang ang tumalbog sa dingding.

Batay sa kanyang pananaliksik, iminungkahi ni Rutherford ang isang nuklear na modelo ng atom. Ayon sa modelong ito, ang isang atom ay binubuo ng isang positibong nucleus na may singil Ze (Z- ang serial number ng elemento sa periodic table, e- elementarya na singil), laki 10 -5 -10 -4 A (1A \u003d 10 -10 m) at isang masa na halos katumbas ng masa ng isang atom. Ang mga electron ay gumagalaw sa paligid ng nucleus sa mga saradong orbit, na bumubuo ng electron shell ng atom. Dahil neutral ang mga atomo, dapat umikot sa paligid ng nucleus Z mga electron na ang kabuuang singil ay Z e. Ang mga sukat ng isang atom ay tinutukoy ng mga sukat

mga panlabas na orbit ng mga electron at nasa pagkakasunud-sunod ng mga yunit ng A.

Ang masa ng mga electron ay isang napakaliit na bahagi ng masa ng nucleus (0.054% para sa hydrogen, mas mababa sa 0.03% para sa iba pang mga elemento). Ang konsepto ng "laki ng elektron" ay hindi maaaring mabuo nang tuluy-tuloy, bagaman r o 10 -3 A ay tinatawag na classical radius ng electron.

Kaya, ang nucleus ng isang atom ay sumasakop sa isang hindi gaanong mahalagang bahagi ng dami ng atom at halos ang buong ( 99.95%) na masa ng atom ay puro dito. Kung ang nuclei ng mga atom ay matatagpuan malapit sa isa't isa, kung gayon ang globo ay magkakaroon ng radius na  200 m at hindi  6400 km (density ng substance ng atomic nuclei  1.810 17 kg / m 3). Samakatuwid, mula sa punto ng view ng atomistic na mga ideya, anumang medium ay dapat isaalang-alang bilang isang vacuum kung saan ang atomic nuclei at mga electron ay interspersed (o, sa madaling salita, bilang isang vacuum bahagyang spoiled sa pamamagitan ng atomic nuclei at mga electron interspersed sa loob nito).

Ang mga resulta ng mga eksperimento sa scattering ng -particle ay nagpapatunay na pabor sa nuclear model ng atom. Gayunpaman, ang modelong nuklear ay naging salungat sa mga batas ng klasikal na mekanika at electrodynamics. Ipakita natin.

Ipagpalagay natin na ang isang elektron ay gumagalaw sa paligid ng nucleus sa isang pabilog na orbit ng radius r. Sa kasong ito, ang puwersa ng Coulomb ng interaksyon sa pagitan ng electron at ng nucleus ay nagbibigay sa electron ng normal (centripetal) acceleration, na tinutukoy mula sa pangalawang batas ni Newton.

Para sa r = 1A, mula sa (1) nakita namin iyon a n  10 22 MS 2 . Ayon sa klasikal na electrodynamics, ang mabilis na gumagalaw na mga electron ay dapat magpalabas ng mga electromagnetic wave (tingnan ang talata 2.4.) at, bilang resulta, mawalan ng enerhiya. Bilang isang resulta, ang mga electron ay lalapit sa nucleus at kalaunan ay mahuhulog dito, na salungat sa katotohanan.

Ang paraan sa labas ng hindi pagkakasundo na lumikha nito ay natagpuan noong 1913 ni Niels Bohr, na bumuo ng 2 postulate na sumasalungat sa mga klasikal na ideya.

11.2. Ang mga postula ni Bohr

1. Ang unang postulate ay ang mga sumusunod:

Mayroon lamang ilang nakatigil na estado ng atom, kung saan hindi ito nagpapalabas ng enerhiya. Ang mga nakatigil na estadong ito ay tumutugma sa mahusay na tinukoy (nakatigil) na mga orbit kung saan gumagalaw ang mga electron. Kapag gumagalaw sa mga nakatigil na orbit, ang mga electron, sa kabila ng kanilang acceleration, ay hindi nagpapalabas ng mga electromagnetic wave.

Sa nakatigil na estado ng atom, ang electron ay dapat na may discrete (quantized) na mga halaga ng angular momentum

L n = si mr v = n, n = 1, 2, ... (2)

Dito m, v ay ang masa at bilis ng elektron, r ay ang radius ng orbit nito. Isinasaalang-alang ang (1) at (2), nakita natin ang radii ng mga nakatigil na orbit ng mga electron

. (3)

Para sa isang hydrogen atom ( Z=1 ) ang radius ng unang electron orbit sa n = 1 , na tinatawag na unang Bohr radius (a), katumbas

r 1 \u003d a \u003d 0.528 A. (4)

ang panloob na enerhiya ng isang atom ay ang kabuuan ng kinetic energy ng electron ( T = mv 2 /2 ) at potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnayan ng isang electron sa isang nucleus ( U =- Ze 2 /(4  0 r)),

(5)

kapag nagmula sa formula (5), formula (1) ay isinasaalang-alang. Ang pagpapalit sa (5) ng quantum radii ng mga orbit ng mga electron (3), nakuha natin na ang enerhiya ng atom (na katumbas ng enerhiya ng electron, dahil ang nucleus ng atom ay hindi gumagalaw) ay maaari lamang tumagal ng mga sumusunod pinapayagan ang mga discrete (quantum) na halaga

kung saan ang minus sign ay nangangahulugan na ang electron ay nasa bound state. (Sa atomic physics, ang enerhiya ay sinusukat sa electron volts, 1 eV = 1.6 10 -19 J).

2. Ang pangalawang postulate ay nagtatatag ng:

Sa panahon ng paglipat ng isang atom (elektron) mula sa isang nakatigil na estado patungo sa isa pa, ang isang photon na may enerhiya ay inilalabas o hinihigop.

saan E n , E m- mga enerhiya ng isang atom (electron) sa mga nakatigil na estado n at m, na tinutukoy ayon sa (6).

Batay sa kanyang mga postulates, si Bohr ay lumikha ng isang semiclassical na teorya ng pinakasimpleng hydrogen-like atom at ipinaliwanag ang line spectrum ng hydrogen atom. Kabilang sa mga hydrogen-like atom ang isang hydrogen atom (z=1), isang helium ion He + (z=2), isang lithium ion Li ++ ( Z=3 ) at iba pa. Karaniwan para sa kanila na sa paligid ng nucleus na may singil = Ze isang electron lang ang umiikot.

11.3. Line spectrum ng isang hydrogen atom

Ang emission spectrum ng atomic hydrogen ay binubuo ng mga indibidwal na spectral lines, na nakaayos sa isang tiyak na pagkakasunud-sunod. Noong 1885, itinatag ni Balmer na ang mga wavelength (o mga frequency) ng mga linyang ito ay maaaring katawanin ng isang formula. Sa katunayan, mula sa (7), isinasaalang-alang ang (6), para sa hydrogen ( Z = 1), kasunod nito

saan R = 2,07  10 16 kasama -1 - Rydberg pare-pareho

Isinasaalang-alang na 1/ = v/s = /2s at gamit ang (8), makikita natin

, (9)

saan R =1,0974  10 7 m -1 ay tinatawag ding Rydberg constant.

Sa fig. Ang 1 ay nagpapakita ng diagram ng mga antas ng enerhiya ng hydrogen atom, na kinakalkula ayon sa (6) sa z=1.

0 n = 

Kapag ang isang electron ay pumasa mula sa mas mataas na antas ng enerhiya sa antas n = 1, ang ultraviolet radiation o radiation ng Lyman series (SL) ay nangyayari. Kapag ang mga electron ay pumunta sa antas n = 2 nagaganap ang nakikitang radiation o radiation ng Balmer series (SB). Kapag ang mga electron ay lumipat mula sa mas mataas na antas patungo sa antas n = 3 lumalabas ang infrared radiation, o radiation ng Paschen series (SP), atbp.

Ang mga frequency o wavelength ng nagresultang radiation ay tinutukoy ng mga formula (8) o (9) na may m=1 - para sa serye ng Lyman, sa m=2 - para sa serye ng Balmer at kasama m = 3 - para sa seryeng Pashen. Ang enerhiya ng photon ay natutukoy sa pamamagitan ng formula (7), na kung saan, isinasaalang-alang ang (6), ay maaaring bawasan para sa mga atom na tulad ng hydrogen sa anyo:

eV (10)

Malaking papel ang ginampanan ng teorya ni Bohr sa paglikha ng atomic physics. Sa panahon ng pag-unlad nito (1913 - 1925) ang mga mahahalagang pagtuklas ay ginawa, halimbawa, sa larangan ng atomic spectroscopy. Gayunpaman, ang teorya ni Bohr ay nagsiwalat ng mga makabuluhang pagkukulang, halimbawa, sa tulong nito imposibleng lumikha ng isang teorya ng mga atomo na mas kumplikado kaysa sa hydrogen atom. Samakatuwid, naging malinaw na ang teorya ni Bohr ay kumakatawan sa isang transisyonal na yugto sa daan patungo sa paglikha ng isang pare-parehong teorya ng atomic at nuclear phenomena. Ang nasabing pare-parehong teorya ay quantum (wave) mechanics.

11.4 Hydrogen atom ayon sa quantum mechanics. Quantum number ng isang electron sa isang atom

Ang mga resulta na nakuha ayon sa teorya ni Bohr sa paglutas ng problema ng mga antas ng enerhiya ng isang electron sa tulad ng hydrogen na mga atom ay nakuha sa quantum mechanics nang hindi kinasasangkutan ng mga postulate ni Bohr. Ipakita natin.

Ang estado ng isang electron sa isang hydrogen-like atom ay inilalarawan ng ilang wave function  na nakakatugon sa nakatigil na Schrödinger equation [tingnan ang (9.22)]. Isinasaalang-alang na ang potensyal na enerhiya ng isang elektron

saan r - ang distansya sa pagitan ng electron at ng nucleus, nakuha namin ang equation ng Schrödinger sa anyo

(12)

Maipapayo na gamitin ang spherical coordinate system r,  ,  at maghanap ng solusyon sa equation na ito sa anyo ng mga sumusunod na eigenfunctions

(13)

saan n, l, m ay mga integer na parameter ng eigenfunctions. Kung saan n ay tinatawag na pangunahing quantum number l - orbital (azimuth) at m- magnetic quantum number.

Napatunayan na ang equation (12) ay may solusyon lamang para sa mga discrete na negatibong halaga ng enerhiya

saan n = 1, 2, 3,... pangunahing quantum number.

Ang paghahambing sa expression (6) ay nagpapakita na ang quantum mechanics ay humahantong sa parehong mga halaga ng enerhiya tulad ng nakuha sa teorya ni Bohr. Gayunpaman, sa quantum mechanics, ang mga halagang ito ay nakuha bilang resulta ng mga pangunahing probisyon ng agham na ito.

Pinapalitan sa (14) Z=1 at pagtanggap n = 1 , nakukuha natin ang halaga ng enerhiya ng ground state (i.e., ang estado na may pinakamababang enerhiya) ng hydrogen atom

eV. (15)

Sinusunod din nito mula sa solusyon (13) ng Schrödinger equation (12) na ang angular momentum ng isang electron sa isang atom ay binibilang ayon sa formula

(16)

saan l= 0, 1, 2, ... (n-1), orbital (azimuth) quantum number.

Projection ng angular momentum L elektron bawat direksyon Z ang magnetic field ay maaari lamang tumagal ng mga halaga ng integer, multiple (spatial quantization), i.e.

m ay tinatawag na magnetic quantum number. Para dito, maaaring tumagal ang magnetic quantum number sa iba't ibang halaga.

Ang espesyal na teorya ng relativity (SRT) ay batay sa dalawang postulate:

1. Ang prinsipyo ng relativity: sa anumang inertial reference frame, lahat ng pisikal na phenomena sa ilalim ng parehong mga paunang kondisyon ay nagpapatuloy sa parehong paraan, i.e. walang mga eksperimento na isinagawa sa isang saradong sistema ng mga katawan ang maaaring magbunyag kung ang katawan ay nakapahinga o gumagalaw nang pare-pareho at rectilinearly.
2. Ang prinsipyo ng patuloy na bilis ng liwanag: sa lahat ng inertial frames of reference ang bilis ng liwanag sa vacuum ay pareho at hindi nakadepende sa bilis ng gumagalaw na pinagmumulan ng liwanag.

Katumbas ng mga postulates ng SRT, ang posisyon ng SRT sa paglilimita sa likas na katangian ng bilis ng liwanag sa vacuum ay mahalaga: ang bilis ng anumang signal sa kalikasan ay hindi maaaring lumampas sa bilis ng liwanag sa vacuum: c= 3∙10 8 m/s. Kapag ang mga bagay ay gumagalaw sa bilis na maihahambing sa bilis ng liwanag, iba't ibang mga epekto ang sinusunod, na inilarawan sa ibaba.

1. Relativistic length contraction.

Ang haba ng katawan sa reference frame kung saan ito nakapahinga ay tinatawag na sarili nitong haba. L 0 . Tapos ang haba ng katawan na gumagalaw sa bilis V sa inertial reference frame ay bumababa sa direksyon ng paggalaw sa isang haba:

saan: c ay ang bilis ng liwanag sa vacuum, L Ang 0 ay ang haba ng katawan sa isang nakapirming frame ng sanggunian (ang haba ng isang katawan sa pamamahinga), L ay ang haba ng katawan sa frame of reference na gumagalaw nang may bilis V(haba ng katawan na gumagalaw nang mabilis V). Kaya, ang haba ng katawan ay kamag-anak. Ang pagbawas ng mga katawan ay kapansin-pansin lamang sa mga bilis na maihahambing sa bilis ng liwanag.

2. Relativistic na pagpapahaba ng oras ng kaganapan.

Ang tagal ng isang phenomenon na nagaganap sa isang partikular na punto sa espasyo ay ang pinakamaliit sa inertial frame of reference na iyon, kung saan nakatigil ang puntong ito. Nangangahulugan ito na ang mga orasan na gumagalaw na may kaugnayan sa isang inertial na frame ng sanggunian ay tumatakbo nang mas mabagal kaysa sa mga nakatigil na orasan at nagpapakita ng mas mahabang agwat ng oras sa pagitan ng mga kaganapan. Ang relativistic time dilation ay nagiging kapansin-pansin lamang sa mga bilis na maihahambing sa bilis ng liwanag, at ipinahayag ng formula:

Oras τ 0 , na sinusukat ng isang orasan na nagpapahinga na may kaugnayan sa katawan, ay tinatawag na tamang oras ng kaganapan.

3. Relativistic na batas ng pagdaragdag ng mga bilis.

Ang batas ng pagdaragdag ng mga bilis sa Newtonian mechanics ay sumasalungat sa mga postulate ng SRT at pinalitan ng isang bagong relativistic na batas ng pagdaragdag ng mga bilis. Kung ang dalawang katawan ay lumipat patungo sa isa't isa, kung gayon ang kanilang bilis ng paglapit ay ipinahayag ng pormula:

saan: V 1 at V 2 - bilis ng paggalaw ng mga katawan na nauugnay sa isang nakapirming frame ng sanggunian. Kung ang mga katawan ay gumagalaw sa parehong direksyon, kung gayon ang kanilang kamag-anak na bilis:

4. Relativistikong pagtaas ng masa.

Masa ng gumagalaw na katawan m mas malaki kaysa sa natitirang masa ng katawan m 0:

5. Relasyon sa pagitan ng enerhiya at masa ng katawan.

Mula sa punto ng view ng teorya ng relativity, ang masa ng isang katawan at ang enerhiya ng isang katawan ay halos magkaparehong bagay. Kaya, ang katotohanan lamang ng pagkakaroon ng isang katawan ay nangangahulugan na ang katawan ay may enerhiya. Pinakamababang Enerhiya E 0 ang katawan ay nasa inertial reference frame kung saan ito nakapahinga at tinatawag sariling enerhiya ng katawan (rest energy ng katawan):

Anumang pagbabago sa enerhiya ng katawan ay nangangahulugan ng pagbabago sa masa ng katawan at vice versa:

kung saan: ∆ E ay ang pagbabago sa enerhiya ng katawan, ∆ m ay ang kaukulang pagbabago sa masa. Kabuuang enerhiya ng katawan:

saan: m- bigat ng katawan. Kabuuang enerhiya ng katawan E proporsyonal relativistikong masa at depende sa bilis ng gumagalaw na katawan, sa ganitong kahulugan ang mga sumusunod na relasyon ay mahalaga:

Sa pamamagitan ng paraan, ang kinetic energy ng isang katawan na gumagalaw sa isang relativistic na bilis ay maaari lamang kalkulahin gamit ang formula:

Mula sa pananaw ng teorya ng relativity, ang batas ng konserbasyon ng mga rest mass ay hindi patas. Halimbawa, ang natitirang masa ng isang atomic nucleus ay mas mababa kaysa sa kabuuan ng natitirang masa ng mga particle sa nucleus. Gayunpaman, ang natitirang masa ng isang particle na may kakayahang kusang pagkabulok ay mas malaki kaysa sa kabuuan ng sarili nitong masa ng mga nasasakupan nito.

Hindi ito nangangahulugan ng paglabag sa batas ng konserbasyon ng masa. Sa teorya ng relativity, ang batas ng konserbasyon ng relativistic mass ay may bisa, dahil sa isang nakahiwalay na sistema ng mga katawan ang kabuuang enerhiya ay napanatili, at samakatuwid ang relativistic mass, na sumusunod mula sa Einstein formula, upang maaari nating pag-usapan ang tungkol sa isang batas. ng konserbasyon ng masa at enerhiya. Hindi ito nangangahulugan na ang masa ay maaaring ma-convert sa enerhiya at vice versa.

May kaugnayan sa pagitan ng kabuuang enerhiya ng katawan, enerhiya ng pahinga at momentum:

Photon at mga katangian nito

Liwanag ay isang stream ng quanta ng electromagnetic radiation na tinatawag na mga photon. Photon ay isang particle na nagdadala ng enerhiya ng liwanag. Hindi ito maaaring pahinga, ngunit palaging gumagalaw sa bilis na katumbas ng bilis ng liwanag. Ang isang photon ay may mga sumusunod na katangian:

1. Ang enerhiya ng mga photon ay katumbas ng:

saan: h= 6.63∙10 –34 J∙s = 4.14∙10 –15 eV∙s – pare-pareho ng Planck, ν ay ang dalas ng liwanag, λ ay ang wavelength ng liwanag, c ay ang bilis ng liwanag sa vacuum. Ang enerhiya ng isang photon sa Joules ay napakaliit, samakatuwid, para sa kaginhawaan ng matematika, madalas itong sinusukat sa isang off-system unit - electron volts:

1 eV = 1.6∙10 -19 J.

2. Ang isang photon ay naglalakbay sa isang vacuum sa bilis ng liwanag. c.

3. Ang isang photon ay may momentum:

4. Ang isang photon ay walang masa sa karaniwang kahulugan para sa atin (ang masa na maaaring masukat sa mga kaliskis, kinakalkula ayon sa ikalawang batas ni Newton, at iba pa), ngunit alinsunod sa teorya ng relativity ni Einstein, mayroon itong masa bilang sukatan ng enerhiya ( E = mc 2). Sa katunayan, ang anumang katawan na may ilang enerhiya ay mayroon ding masa. Kung isasaalang-alang natin na ang isang photon ay may enerhiya, kung gayon mayroon din itong masa, na maaaring matagpuan bilang:

5. Ang isang photon ay walang electric charge.

Ang liwanag ay may dalawahang katangian. Kapag lumaganap ang liwanag, lumilitaw ang mga katangian ng alon nito (interference, diffraction, polarization), at kapag nakikipag-ugnayan sa matter, corpuscular (photoelectric effect). Ang dalawahang katangian ng liwanag na ito ay tinatawag wave-particle duality.

panlabas na epekto ng photoelectric

epekto ng photoelectric- isang kababalaghan na binubuo sa hitsura ng isang photocurrent sa isang vacuum na bote kapag ang cathode ay iluminado ng monochromatic na ilaw ng isang tiyak na haba ng daluyong λ .

Kapag negatibo ang boltahe sa anode, pinapabagal ng electric field sa pagitan ng cathode at anode ang mga electron. Pagsukat sa ibinigay pagpapahinto ng boltahe kung saan nawawala ang photocurrent, posibleng matukoy ang maximum na kinetic energy ng mga photoelectron na tumatakas mula sa cathode:

Maraming mga eksperimento ang nagtatag ng mga sumusunod pangunahing batas ng photoelectric effect:

1. Ang photoelectric effect ay inertialess. Nangangahulugan ito na ang mga electron ay nagsisimulang lumipad palabas ng metal kaagad pagkatapos ng pagsisimula ng pag-iilaw sa liwanag.
2. Ang maximum na kinetic energy ng mga photoelectron ay tumataas nang linearly sa pagtaas ng dalas ng liwanag ν at hindi nakadepende sa intensity nito.
3. Para sa bawat sangkap mayroong tinatawag na epekto ng larawan ng pulang hangganan, iyon ay, ang pinakamababang dalas ν min (o ang pinakamahabang wavelength λ max) kung saan posible pa rin ang panlabas na photoelectric effect.
4. Ang bilang ng mga photoelectron na hinugot ng liwanag mula sa cathode sa 1 s ay direktang proporsyonal sa intensity ng liwanag.

Kapag nakikipag-ugnayan sa bagay, inililipat ng photon ang lahat ng enerhiya nito E = hν isang elektron. Ang bahagi ng enerhiya na ito ay maaaring mawala sa pamamagitan ng isang elektron sa banggaan sa mga atomo ng bagay. Bilang karagdagan, ang bahagi ng enerhiya ng elektron ay ginugugol sa pagtagumpayan ng potensyal na hadlang sa interface ng metal-vacuum. Upang gawin ito, dapat gawin ng elektron function ng trabaho A out, depende sa mga katangian ng materyal na cathode. Ang pinakamataas na kinetic energy na maaaring magkaroon ng photoelectron mula sa cathode, sa kasong ito, ay tinutukoy ng batas ng konserbasyon ng enerhiya:

Ang formula na ito ay tinatawag na Einstein's equation para sa panlabas na photoelectric effect. Gamit ang Einstein equation, maaaring ipaliwanag ng isa ang lahat ng regularidad ng panlabas na photoelectric effect. Para sa epekto ng larawan ng pulang hangganan, ayon sa formula ni Einstein, makukuha natin ang expression:

Ang mga postula ni Bohr

Ang unang postulate ni Bohr (stationary state postulate): ang isang atomic system ay maaari lamang sa mga espesyal na nakatigil o quantum na estado, na ang bawat isa ay tumutugma sa isang tiyak na numero n at enerhiya E n. Sa mga nakatigil na estado, ang isang atom ay hindi naglalabas o sumisipsip ng enerhiya.

Ang estado na may pinakamababang enerhiya ay itinalaga ang bilang na "1". Ang tawag dito pangunahing. Ang lahat ng iba pang mga estado ay itinalaga ng mga sequential number na "2", "3", at iba pa. Tinatawag sila nasasabik. Ang isang atom ay maaaring manatili sa kanyang ground state nang walang katiyakan. Sa nasasabik na estado, ang atom ay nabubuhay nang ilang oras (mga 10 ns) at pumasa sa ground state.

Ayon sa unang postulate ni Bohr, ang isang atom ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang sistema ng mga antas ng enerhiya, na ang bawat isa ay tumutugma sa isang tiyak na nakatigil na estado. Ang mekanikal na enerhiya ng isang elektron na gumagalaw sa isang saradong landas sa paligid ng isang positibong sisingilin na nucleus ay negatibo. Samakatuwid, ang lahat ng nakatigil na estado ay tumutugma sa mga halaga ng enerhiya E n < 0. При E n≥ 0 ang electron ay lumayo sa nucleus (nagaganap ang ionization). Halaga | E 1 | tinawag enerhiya ng ionization. Estado na may enerhiya E 1 ay tinatawag na ground state ng atom.

Ang pangalawang postulate ni Bohr (tuntunin ng dalas): sa panahon ng paglipat ng isang atom mula sa isang nakatigil na estado na may enerhiya E n sa isa pang nakatigil na estado na may enerhiya E m ang isang quantum ay ibinubuga o hinihigop, ang enerhiya nito ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng mga enerhiya ng mga nakatigil na estado:

atom ng hydrogen

Ang pinakasimpleng ng mga atomo ay ang hydrogen atom. Naglalaman ito ng isang elektron. Ang nucleus ng isang atom ay isang proton - isang positibong sisingilin na particle, ang singil nito ay katumbas ng ganap na halaga sa singil ng isang elektron. Karaniwan, ang isang electron ay nasa unang (pangunahing, hindi nasasabik) na antas ng enerhiya (isang elektron, tulad ng anumang iba pang sistema, ay may posibilidad sa isang estado na may pinakamababang enerhiya). Sa ganitong estado, ang enerhiya nito ay E 1 = -13.6 eV. Sa hydrogen atom, ang mga sumusunod na relasyon ay nasiyahan na nag-uugnay sa radius ng trajectory ng isang electron na umiikot sa paligid ng nucleus, ang bilis at enerhiya nito sa unang orbit na may katulad na mga katangian sa iba pang mga orbit:

Sa anumang orbit sa isang hydrogen atom, ang kinetic ( Upang) at potensyal ( P) ang mga electron energies ay nauugnay sa kabuuang enerhiya ( E) sa pamamagitan ng mga sumusunod na formula:

atomic nucleus

Sa kasalukuyan, matatag na itinatag na ang atomic nuclei ng iba't ibang elemento ay binubuo ng dalawang particle - mga proton at neutron, na karaniwang tinatawag na mga nucleon. Ang isang bilang ng mga notasyon ay ipinakilala upang makilala ang atomic nuclei. Ang bilang ng mga proton na bumubuo sa atomic nucleus ay tinutukoy ng simbolong Z at tinatawag na numero ng singil o numero ng atomic (ito ang serial number sa periodic table ng Mendeleev). Ang bilang ng mga neutron ay tinutukoy ng simbolong N. Ang kabuuang bilang ng mga nucleon (iyon ay, mga proton at neutron) ay tinatawag na mass number A, kung saan maaaring isulat ang sumusunod na formula:

Enerhiya ng komunikasyon. masa depekto

Ang pinakamahalagang papel sa nuclear physics ay nilalaro ng konsepto nuclear binding energy. Ang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus ay katumbas ng pinakamababang enerhiya na dapat gamitin para sa kumpletong paghahati ng nucleus sa mga indibidwal na particle. Ito ay sumusunod mula sa batas ng konserbasyon ng enerhiya na ang nagbubuklod na enerhiya ay katumbas ng enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng isang nucleus mula sa mga indibidwal na particle.

Ang nagbubuklod na enerhiya ng anumang nucleus ay maaaring matukoy sa pamamagitan ng tumpak na pagsukat ng masa nito. Ang ganitong mga sukat ay nagpapakita na ang masa ng anumang nucleus M i ay palaging mas mababa kaysa sa kabuuan ng mga masa ng mga bumubuo nito na mga proton at neutron: M ako< Zm p + N m n. Ang pagkakaiba sa pagitan ng mga masa na ito ay tinatawag masa depekto, at kinakalkula ng formula:

Ang mass defect ay maaaring matukoy gamit ang Einstein formula E = mc 2 ang enerhiya na inilabas sa panahon ng pagbuo ng isang ibinigay na nucleus, iyon ay, ang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus E St:

Ngunit mas maginhawang kalkulahin ang nagbubuklod na enerhiya gamit ang ibang formula (dito, ang mga masa ay kinukuha sa mga atomic unit, at ang nagbubuklod na enerhiya ay nakuha sa MeV):

Radioactivity. Batas ng radioactive decay

Halos 90% ng kilalang atomic nuclei ay hindi matatag. Ang isang hindi matatag na nucleus ay kusang nagbabago sa ibang nuclei na may paglabas ng mga particle. Ang pag-aari na ito ng nuclei ay tinatawag radioactivity.

Pagkabulok ng alpha. Ang alpha decay ay ang kusang pagbabagong-anyo ng isang atomic nucleus na may bilang ng mga proton Z at mga neutron N sa isa pang (anak na babae) nucleus na naglalaman ng bilang ng mga proton Z - 2 at mga neutron N - 2. Sa kasong ito, α -particle - ang nucleus ng helium atom 4 2 He. Ang pangkalahatang pamamaraan ng pagkabulok ng alpha:

Beta decay. Sa panahon ng beta decay, isang electron (0 –1 e) ang lumilipad palabas ng nucleus. Scheme ng beta decay:

Pagkabulok ng gamma. Unlike α - at β -radioactivity γ -radioactivity ng nuclei ay hindi nauugnay sa isang pagbabago sa panloob na istraktura ng nucleus at hindi sinamahan ng isang pagbabago sa singil o mass number. Tulad ng sa α - pati na rin ang β -pagkabulok, ang nucleus ng anak na babae ay maaaring nasa ilang nasasabik na estado at may labis na enerhiya. Ang paglipat ng nucleus mula sa excited na estado hanggang sa ground state ay sinamahan ng paglabas ng isa o higit pa. γ -quanta, ang enerhiya nito ay maaaring umabot sa ilang MeV.

Batas ng radioactive decay. Ang anumang sample ng radioactive na materyal ay naglalaman ng isang malaking bilang ng mga radioactive atoms. Dahil ang radioactive decay ay random at hindi nakasalalay sa mga panlabas na kondisyon, ang batas ng pagbaba ng dami N(t) hindi nabubulok hanggang sa puntong ito ng panahon t ang nuclei ay maaaring magsilbi bilang isang mahalagang istatistikal na katangian ng proseso ng radioactive decay. Ang batas ng radioactive decay ay may anyo:

Halaga T tinawag kalahating buhay, N Ang 0 ay ang paunang bilang ng radioactive nuclei sa t= 0. Ang kalahating buhay ay ang pangunahing dami na nagpapakilala sa rate ng radioactive decay. Kung mas maikli ang kalahating buhay, mas matindi ang pagkabulok.

Sa α - at β Sa radioactive decay, ang nucleus ng anak na babae ay maaaring hindi rin matatag. Samakatuwid, posible ang isang serye ng sunud-sunod na radioactive decay, na nagtatapos sa pagbuo ng stable nuclei.

Mga reaksyong nuklear

reaksyong nukleyar- ito ang proseso ng interaksyon ng isang atomic nucleus sa isa pang nucleus o elementary particle, na sinamahan ng pagbabago sa komposisyon at istraktura ng nucleus at paglabas ng pangalawang particle o γ -quanta. Bilang resulta ng mga reaksyong nuklear, maaaring mabuo ang mga bagong radioactive isotopes na hindi matatagpuan sa Earth sa mga natural na kondisyon.

Sa mga reaksyong nuklear, maraming mga batas sa konserbasyon ang natutupad: momentum, enerhiya, angular momentum, singil. Bilang karagdagan sa mga klasikal na batas sa konserbasyon na ito, ang mga reaksyong nuklear ay nananatili ang batas ng konserbasyon ng tinatawag na baryon charge(iyon ay, ang bilang ng mga nucleon - mga proton at neutron). Halimbawa, sa isang pangkalahatang reaksyon:

Ang mga sumusunod na kondisyon ay natutugunan (ang kabuuang bilang ng mga nucleon bago at pagkatapos ng reaksyon ay nananatiling hindi nagbabago):

Energy yield ng isang nuclear reaction

Ang mga reaksyong nuklear ay sinamahan ng mga pagbabagong-anyo ng enerhiya. Ang ani ng enerhiya ng isang nuclear reaction ay ang halaga:

saan: M A at M Ang B ay ang masa ng mga panimulang produkto, M C at M Ang D ay ang masa ng mga produkto ng panghuling reaksyon. Halaga Δ M tinawag masa depekto. Ang mga reaksyong nuklear ay maaaring magpatuloy sa paglabas ( Q> 0) o may pagsipsip ng enerhiya ( Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, na tinatawag na limitasyon ng reaksyon.

Upang ang isang reaksyong nuklear ay magkaroon ng isang positibong ani ng enerhiya, ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mga nucleon sa nuclei ng mga unang produkto ay dapat na mas mababa kaysa sa tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mga nucleon sa nuclei ng mga huling produkto. Nangangahulugan ito na ang halaga Δ M

Alamin ang lahat ng mga formula at batas sa pisika, at mga formula at pamamaraan sa matematika. Sa katunayan, napakasimple rin nitong gawin, mayroon lamang humigit-kumulang 200 na kinakailangang mga pormula sa pisika, at mas kaunti pa sa matematika. Sa bawat isa sa mga paksang ito mayroong humigit-kumulang isang dosenang mga karaniwang pamamaraan para sa paglutas ng mga problema ng isang pangunahing antas ng pagiging kumplikado, na maaari ding matutunan, at sa gayon, ganap na awtomatiko at walang kahirapan, lutasin ang karamihan sa digital na pagbabago sa tamang oras. Pagkatapos nito, kailangan mo lamang isipin ang pinakamahirap na gawain.

Dumalo sa lahat ng tatlong yugto ng rehearsal testing sa physics at mathematics. Ang bawat RT ay maaaring bisitahin ng dalawang beses upang malutas ang parehong mga pagpipilian. Muli, sa DT, bilang karagdagan sa kakayahang mabilis at mahusay na malutas ang mga problema, at ang kaalaman sa mga pormula at pamamaraan, kinakailangan din na maayos na makapagplano ng oras, mamahagi ng mga puwersa, at higit sa lahat ay punan nang tama ang form ng sagot. , nang hindi nalilito ang alinman sa mga bilang ng mga sagot at gawain, o ang iyong sariling apelyido. Gayundin, sa panahon ng RT, mahalagang masanay sa istilo ng pagtatanong sa mga gawain, na maaaring mukhang hindi karaniwan sa isang hindi handa na tao sa DT.

Ang matagumpay, masigasig at responsableng pagpapatupad ng tatlong puntong ito ay magbibigay-daan sa iyo na magpakita ng isang mahusay na resulta sa CT, ang maximum ng kung ano ang iyong kaya.

May nakitang error?

Kung ikaw, tulad ng sa tingin mo, ay nakakita ng isang error sa mga materyales sa pagsasanay, mangyaring isulat ang tungkol dito sa pamamagitan ng koreo. Maaari ka ring sumulat tungkol sa error sa social network (). Sa liham, ipahiwatig ang paksa (physics o matematika), ang pangalan o numero ng paksa o pagsusulit, ang bilang ng gawain, o ang lugar sa teksto (pahina) kung saan, sa iyong palagay, mayroong isang pagkakamali. Ilarawan din kung ano ang sinasabing error. Ang iyong liham ay hindi mapapansin, ang pagkakamali ay itatama, o ipapaliwanag sa iyo kung bakit ito ay hindi isang pagkakamali.