рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Атомная физика

Атомная физика - раздел Биология, Квантовая физика как новый этап изучения природы Атомная Физика. Английский Физик Эрнест Резерфорд Исследовал Рассеяние А-Част...

Атомная физика. Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал рассеяние а-частиц десять тысяч раз меньшее по разме-веществом и открыл в 1911 г. атомное ядро - массивное образование. Не сразу ученые пришли к правильным представле¬ниям о строении атома. Первая модель атома была предложена ан¬глийским физиком Дж. Дж. Томсоном, открывшим электрон.

По мысли Томсона, положительный за¬ряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с по¬стоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представ¬ляет собой положительно заряжен¬ный шар радиусом около 10~8 см, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов в положи¬тельно заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изю¬минок играют электроны. Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распре¬деления положительного заряда в атоме.

Эти опыты, произведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании строе¬ния атома. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса ато¬ма. В целом атом нейтрален. Поэто¬му число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно порядко¬вому номеру элемента в периодиче¬ской системе.

Ясно, что покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются во¬круг Солнца. Такой характер дви¬жения электронов определяется дей¬ствием кулоновских сил со стороны ядра. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один элек¬трон. Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это ядро было на¬звано протоном и стало рассматри¬ваться как элементарная частица.

Размер атома — это радиус орбиты его электрона. Простая и наглядная планетар¬ная модель атома имеет прямое экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно -необходимой для объяснения опытов по рассеива¬нию ос-частиц. Но на основе этой модели нельзя объяснить факт су¬ществования атома, его устойчи¬вость. Ведь движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам элек¬тродинамики Максвелла должен из¬лучать электромагнитные волны частотой, равной частоте его обра¬щения вокруг ядра. Излучение со¬провождается потерей энергии.

Те¬ряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно тому как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях ат¬мосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике Ньютона и электродинамике Мак¬свелла, электрон за ничтожно малое время (порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен пре¬кратить свое существование.

В действительности ничего подоб¬ного не происходит. Атомы устой¬чивы и в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго, совершенно не излучая элек¬тромагнитные волны. Не согласующийся с опытом вы¬вод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излу¬чение—это результат применения законов классической физики к яв¬лениям, происходящим внутри атома. Отсюда следует, что к явлениям атомных масштабов законы класси¬ческой физики неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращают¬ся вокруг ядра, подобно тому как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить устойчивость атомов. V. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА. Выход из крайне затруднитель¬ного положения в теории атома был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальней¬шего развития квантовых представ¬лений о процессах в природе. Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу “как высшую музы¬кальность в области мысли”, всегда его поражавшую.

Основываясь на разрозненных опытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции пра¬вильно предугадал существо дела. Последователь¬ной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде постулатов сфор¬мулировал основные положения но¬вой теории. Причем и законы клас¬сической физики не отвергались им безоговорочно. Новые постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые клас¬сической физикой движения. Успех теории Бора был тем не менее поразительным, и всем ученым стало ясно, что Бор нашел правиль¬ный путь развития теории.

Этот путь привел впоследствии к созданию стройной теории движения микро¬частиц—квантовой механики. Первый постулат Бора гласит: атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия ; в стационарном состоя¬нии атом не излучает. Этот постулат противоречит клас¬сической механике, согласно которой энергия движущихся электронов мо¬жет быть любой.

Противоречит он и электродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренного движения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при пе¬реходе атома из стационарного со¬стояния с большей энергией в ста¬ционарное состояние с меньшей энер¬гией Энергия излученного фото¬на равна разности энергий стацио¬нарных состояний: При поглощении света атом пере¬ходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Второй постулат также противо¬речит электродинамике Максвелла, так как согласно этому постулату частота излучения света свидетель¬ствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома. Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной системы—атома водорода. Основная задача состояла в нахож¬дении частот электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на основе второго постулата, если располагать прави¬лом определения стационарных зна¬чений энергии атома.

Это правило (так называемое правило квантова¬ния) Бору опять-таки пришлось по¬стулировать. Используя законы механики Ньюто¬на и правило квантования, отми¬рающее возможные стационарное состояния, Бор смог вычислить До¬пустимые радиусы орбит электрона и энергии стационарных состояний. Минимальный радиус орбиты опре¬деляет размеры атома. Второй постулат Бора позволяет вычислить по известным значениям энергий стационарных состояний частоты излучений атома водорода.

Теория Бора приводит к количест¬венному согласию с экспериментом для значений этих частот. Все час¬тоты излучений атома водорода со¬ставляют ряд серий, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из энергетических со¬стояний со всех верхних энергети¬ческих состояний (состояний с боль¬шей энергией). Поглощение света — процесс, обратный излуче¬нию. Атом, поглощая свет, пере¬ходит из низших энергетических состояний в высшие.

При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрел¬ками изображены переходы атома из одних состояний в другие с погло¬щением света. На основе двух постулатов и пра¬вила квантования Бор определил ра¬диус атома водорода и энергии ста¬ционарных состояний атома. Это позволило вычислить частоты из¬лучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных волн. VI. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водо¬рода, .для которого оказалось воз¬можным построить количественную теорию спектра. Однако построить количествен¬ную теорию для следующего за во¬дородом атома гелия на основе боровских представлений не удалось.

Относительно атома гелия и более сложных атомов теория Бора по¬зволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключе¬ния. Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной стороны, при построении теории атома водо¬рода использовались обычные за¬коны механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с дру¬гой — вводились квантовые посту¬латы, никак не связанные с меха¬никой Ньютона и электродинамикой Максвелла.

Введение в физику кван¬товых представлений требовало ра¬дикальной перестройки как механи¬ки, так и электродинамики. Эта пере¬стройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века, когда были созданы новые физические тео¬рии: квантовая механика и кван¬товая электродинамика. Постулаты Бора оказались совер¬шенно правильными.

Но они вы¬ступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий. Правило же квантова¬ния Бора, как выяснилось, приме¬нимо далеко не всегда. Представление об определенных орбитах, по которым движется элек¬трон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона в атоме имеет очень мало общего с движением планет по ор¬битам. Если бы атом водорода в наинизшем энергетическом состоя¬нии можно было бы сфотографиро¬вать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако с переменной плотностью.

Большую часть времени электрон проводит на определенном расстоянии от ядра. В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных оболочек атомов. Но количественная теория оказывается весьма сложной, и мы ее касаться не будем. С ка¬чественным описанием электронных оболочек атомов вы знакомились в курсе химии.

VII. ЛАЗЕРЫ В 1917 г. Эйнштейн предсказал воз¬можность так называемого индуци¬рованного (вынужденного) излуче¬ния света атомами. Под индуци¬рованным излучением понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возник¬шая при индуцированном излучении световая волна не отличается от вол¬ны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке квантовой теории вы¬нужденное излучение означает пере¬ход атома из высшего энергетиче¬ского состояния в низшее, но не само¬произвольно, как при обычном излу¬чении, а под влиянием внешнего воз¬действия.

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность использования явления вынужденного излучения для уси¬ления электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Ба¬сов и А. М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцирован¬ного излучения для создания микро¬волнового генератора радиоволн с длиной волны ==1,27 см. За раз¬работку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М. Прохорову была в 1959 г. присуждена Ленинская премия.

В 1963 г. Н. Г. Басов, А. М. Про¬хоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. в CШA был создан первый лазер — квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с другими источниками света: 1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли, дает пятно диаметром 3 км. 2. Свет лазера обладает исклю¬чительной монохроматичностью.

В отличие от обычных источников све¬та, атомы которых излучают свет не¬зависимо друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза волны не испытывает нерегулярных изменений. 3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В уз¬ком интервале спектра кратковре¬менно (в течение промежутка време¬ни продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеров достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощ¬ность излучения Солнца равна толь¬ко 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему спектру.

На узкий же интер¬вал =10~6 см (ширина спектраль¬ной линии лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. На¬пряженность электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером, превышает напряженность поля внутри атома.

В обычных условиях большинство ато¬мов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому при низ¬ких температурах вещества не све¬тятся. При прохождении электромаг¬нитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет по¬глощенной энергии волны часть ато¬мов возбуждается, т. е. переходит в высшее энергетическое состояние. Сущест¬вуют различные методы получения среды с возбужденными состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется специальная мощная лампа.

Атомы возбуждают¬ся за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для ра¬боты лазера недостаточно. Каким бы мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет боль¬ше числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и вызывает индуцированные пере¬ходы с верхнего уровня на нижний. В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы рабочего вещества возбуж¬даются электрическим разрядом. Применяются и полупроводнико¬вые лазеры непрерывного действия.

Они созданы впервые в нашей стра¬не. В них энергия для излучения заимствуется от электрического тока. Созданы очень мощные газоди¬намические лазеры непрерывного действия на сотни киловатт. В этих лазерах “перенаселенность” верхних энергетических уровней создается при расширении и адиабатном ох¬лаждении сверхзвуковых газовых по¬токов, нагретых до нескольких тысяч кельвин. VIII. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Когда греческий философ Демок¬рит назвал простейшие нерасчлени¬мые далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “недели¬мый”), то ему, вероятно, все пред¬ставлялось в принципе не очень сложным.

Различные предметы, рас¬тения, животные построены из неде¬лимых, неизменных частиц. Превра¬щения, наблюдаемые в мире,— это простая перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих атомов, которые остаются не¬изменными. Но в конце XIX века было откры¬то сложное строение атомов и был выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атом¬ного ядра. Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными сущностями, ос¬новными кирпичиками мироздания.

Ситуация привле¬кательной ясности длилась недолго. Все оказалось намного сложнее: как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове элемен¬тарная заключается двоякий смысл. С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся, прос¬тейший. С другой стороны, под эле¬ментарным понимается нечто фун¬даментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сей¬час и называют субатомные частицы элементарными). Считать известные сейчас эле¬ментарные частицы подобными не¬изменным атомам Демокрита ме¬шает следующий простой факт. Ни одна из частиц не бессмертна.

Боль¬шинство частиц, называемых сей¬час элементарными, не могут про¬жить более двух миллионных до¬лей секунды, даже в отсутствие какого-либо воздействия извне.

Сво¬бодный нейтрон (нейтрон, находя¬щийся вне атомного ядра) живет в среднем 15 мин. Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неиз¬менность, если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишено электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, рав¬на нулю). Но у электронов и протонов име¬ются опаснейшие собратья — позит¬роны и антипротоны, при столкно¬вении с которыми происходит взаим¬ное уничтожение этих частиц и об¬разование новых. Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это то время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и погло¬титься бумагой.

Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гиб¬нут при столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются крайне редко. Все элементарные частицы пре¬вращаются друг в друга, и эти взаимные превращения — главный факт их существования. Превращения элементарных час¬тиц ученые наблюдали при столкно¬вениях частиц высоких энергий.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались не¬состоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже да¬лее неделимы, но они неисчерпаемы по своим свойствам. Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естествен¬ное желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один спо¬соб. Это тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что находится внутри пласт¬массовой игрушки,— сильный удар. По современным представ¬лениям элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя.

Однако неделимость эле¬ментарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя струк¬тура. В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые сейчас эле¬ментарными, полностью оправды¬вают это название.

Основание для сомнений простое: этих частиц очень много. Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сей¬час составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому очередному триумфу нача¬ла примешиваться доля беспокой¬ства. Триумфы стали следовать буквально друг за другом. Была открыта группа так назы¬ваемых “странных” частиц: К-ме-зонов и гиперонов с массами, пре¬вышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных “очарованны¬ми”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с време¬нем жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их число перевалило за двести.

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Квантовая физика как новый этап изучения природы

Многократно про¬веренные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забасто¬вали”, когда их попытались приме¬нить к проблеме излучения… II. Возникновение квантовой теории Электродинамика Максвелла приводила к… Энергия Е каждой порции прямо пропорцио¬нальна частоте v излучения: E=hv. Коэффициент пропорциональности h получил…

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Атомная физика

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Возникновение квантовой теории
Возникновение квантовой теории. Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному вы¬воду, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромаг¬нитных волн,

Световые кванты
Световые кванты. Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света. В развитии представле

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги