Ћекции.ќрг


ѕоиск:




 атегории:

јстрономи€
Ѕиологи€
√еографи€
ƒругие €зыки
»нтернет
»нформатика
»стори€
 ультура
Ћитература
Ћогика
ћатематика
ћедицина
ћеханика
ќхрана труда
ѕедагогика
ѕолитика
ѕраво
ѕсихологи€
–елиги€
–иторика
—оциологи€
—порт
—троительство
“ехнологи€
“ранспорт
‘изика
‘илософи€
‘инансы
’ими€
Ёкологи€
Ёкономика
Ёлектроника

 

 

 

 


‘изика атома




“епловое излучение. ќдним из экспериментальных фактов, не получивших объ€снени€ в конце XIX в., были спектры нагретых тел (спектром называют зависимость интенсивности излучени€ от длины волны или частоты излучени€). »злучени€ окружающих нас тел мы обычно не замечаем изза его слабой интенсивности. — ростом температуры средн€€ длина волны излучени€ уменьшаетс€, а его энерги€ становитс€ больше. Ќапример, приблизившись к огню или печке, мы ощущаем тепло. ѕри нагревании тела (например, железо в печи) раскал€ютс€ и начинают светитьс€. ¬ этом случае

максимум интенсивности излучени€ смещаетс€ к более высоким частотам. “ела, которые поглощают всю падающую на них энергию, называютс€ абсолютно черными. »з исследований зависимости интенсивности излучени€ от длины волны дл€ абсолютно черных тел был установлен закон смеще-

ни€ ¬ина30(рис. 4.1):

λT = b, b = 2.90 Ј 10Ц3м Ј  , (4.1.1)

где длина волны l, соответствующа€ максимальному значению интенсивности черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре . “еории, предложенные ¬ином (1896), –елеем (1900) и усовершенствованные ƒжинсом, не согласовывались с экспериментальными данными во всей области частот. ќни удачно описывали лишь часть спектра излучени€ с небольшими длинами волн (начальный участок спектра на рис. 4.1).

–ис. 4.1. «ависимость излучательной способности черного тела от длины волны

30«акон распределени€ энергии в спектре равновесного излучени€ (излучени€ абсолютно черного тела) в зависимости от температуры теоретически был выведен в 1893 г. ¬. ¬ином (1864Ц1928).

ќписать спектр излучени€ абсолютно черного тела, включа€ законы ¬ина и –еле€Цƒжинса, смог немецкий физик ѕланк31. ќказалось, однако, что дл€ вывода этой формулы необходимо прин€ть гипотезу, коренным образом противоречащую всей системе представлений классической физики,

что энерги€ микроскопических систем (атомов и молекул) может принимать только определенные, дискретные значени€. “аким образом:

E= hν, (4.1.2)

где ν Ц частота излучени€, h Ц константа, ныне известна€ под названием посто€нной ѕланка. Ёту гипотезу часто называют гипотезой квантов ѕланка (квант означает Ђопределенное количествої, Ђпорци€ї). — помощью своей гипотезы о существовании квантов или дискретных порций энергии он получил формулу, описывающую спектральную плотность энергетической светимости черного тела. —пектральна€ плотность энергетической светимости r (λ, T) Ц это энерги€, излучаема€ единицей площади поверхности тела за единицу времени по всем направлени€м в единичном интервале длин волн излучени€.

ѕланк вычислил посто€нную величину h, современное значение которой равно

h = (6.62176 ± 0.000036) Ј 10Ц34ƒж Ј с. (4.1.3)

ѕризнание новизны в данной гипотезе пришло в 1905 г., когда физики, и в первую очередь Ёйнштейн32, ввели пон€тие Ђпол€ї. Ёйнштейн выдвинул гипотезу о том, что свет не только испускаетс€ и поглощаетс€ квантами, но распростра-

 

 

31 ћакс ѕланк (1858Ц1947) Ц немецкий физик-теоретик, член корреспондент Ќемецкой академии наук, основатель квантовой теории.

32 ј. Ёйнштейн (1879Ц1955) один из величайших физиков всех времен, Ќобелевский лауреат, член множества академий разных

стран мира. »м был объ€снен фотоэффект, за что был удостоен Ќобелевской премии в 1921 г. ќн дал интерпретацию броуновскому движению частиц, заложив основы статистической физики. »м разработана специальна€ и обща€ теори€ относительности, теори€ возникновени€ лазерного излучени€.

н€етс€ также квантами. “аким образом, возникла иде€, что свет можно представить в виде частиц Ц квантов света Ц фотонов. ќткрытие фотоэффекта33, и объ€снение его Ёйнштейном послужило одним из важных доказательств того, что при взаимодействии с атомом свет может рассматриватьс€ как

частица:

mV 2

 

= h n - A вых, (4.1.4)

где A выхЦ работа выхода электрона (или энерги€, необходима€ дл€ отрыва его от поверхности металла), ħν Ц энерги€

mV 2

фотона,

2

Ц кинетическа€ энерги€ электронов.

 

 

а б

–ис. 4.2. ”становка дл€ исследовани€ фото(а) и комптон(б) эффектов

Ќа рис. 4.2, а приведена установка, на которой выполн€лись исследовани€ фотоэффекта. —уть эксперимента заключалась в том, что при попадании на катод световых лучей между катодом и анодом возникал ток.  огда освещение катода светом прекращалось, ток пропадал. ≈сли разность потенциалов между анодом и катодом уменьшать, то это также приведет к прекращению тока в цепи. “аким образом, оказа-

 

33 ‘отоэффект был открыт в 1887 г. √. √ерцем. ѕервые детальные исследовани€ фотоэффекта в 1888 г. выполнены профессором ћосковского университета ј.√. —толетовым (1839Ц1896).

лось, что существует некотора€ порогова€ энерги€ фотона, выше которой он способен отрывать электроны от поверхности металла.

 орпускул€рна€ теори€ света была подтверждена позже и другими экспериментами. —реди них экспериментально установленный эффект  омптона34Ц рассе€ние фотона на свободном электроне, когда часть энергии падающего фото-

на передаетс€ свободному электрону, а энерги€ самого фотона при этом уменьшаетс€ (рис. 4.2, б). ¬ этих экспериментах было показано, что фотон ведет себ€ как частица, выбива€ из вещества отдельные электроны.

¬ этих и других экспериментах было установлено удивительное свойство природы Ц в одних случа€х свет следует рассматривать как волну, в других Ц как частицу. ѕричем оба подхода объ€сн€ют большой класс экспериментальных данных и поэтому правомерны.

 

 

–ис. 4.3. –азличные термокарты

 

34  омптон (1892Ц1962) занималс€ изучением рассе€ни€ коротковолнового света (рентгеновского излучени€) в веществе. »м был открыт эффект рассе€ни€ фотонов на свободных электронах в 1923 г., за который в 1927 г. он получил Ќобелевскую премию.

—уществуют устройства Ц тепловизоры, позвол€ющие по зарегистрированной интенсивности теплового излучени€ оценить температуру излучающего тела. — их помощью можно, например, определить температуру тела человека, распределение температуры на лице. ќни используютс€ в медицинских диагностических цел€х, в различных исследовани€х, св€занных с психологией. »нформацию представл€ют в виде карт: каждому интервалу поверхностной температуры соответствует определенный цвет и оттенок (рис. 4.3).

ћодели атома. ≈ще в V веке до н.э. ƒемокрит высказал идею о существовании мельчайших неделимых частиц, которые он назвал атомами. Ѕолее двух тыс€ч лет понадобилось человечеству, чтобы установить существование структуры атома, составными част€ми которого €вл€ютс€ более мелкие частицы. ¬ 1897 г. перва€ така€ частица Ц электрон Ц была открыта английским ученым ƒжозефом ƒжоном “омсоном.

ќ сложной структуре атома свидетельствовали и эксперименты, выполненные ј. Ѕеккерелем35, который, работа€ с сол€ми урана, обнаружил невидимое излучение, названное им Ђурановыми лучамиї. ¬ 1900 году –езерфорду36удалось доказать, что в составе этих лучей есть отрицательно зар€женные частицы, названные им β - частицами, которые, как оказалось позднее, €вл€ютс€ электронами.

 

35 јнри Ѕеккерель (1852Ц1908) Ц французский физик, лауреат Ќобелевской премии по физике, один из первооткрывателей радиоактивности.

22 Ёрнест –езерфорд (1871Ц1937) Ц английский физик, уроженец

Ќовой «еландии, один из создателей учени€ о радиоактивности и строении атома, основатель научной школы, член всех академий наук мира, иностранный член јЌ ———–, лауреат Ќобелевской премии по химии (1908), член (в 1925Ц1930 президент) Ћондонского  оролевского общества, директор  авендишской лаборатории (с 1919). ќткрыл (1899) α -лучи, β -лучи и установил их природу. —оздал (1903, совместно с ‘редериком —одди) теорию радиоактивности. ѕредложил (1911) планетарную модель атома. ќсуществил (1919) первую искусственную €дерную реакцию. ќткрыл протон и предсказал (1921) существование нейтрона.

 

 

ƒругой вид частиц, входивших в состав урановых лучей, был им назван α -частицами.  ак показали исследовани€, эти частицы имели положительный зар€д и массу, в ~7500 раз больше массы электрона. ¬ результате этих открытий стало €сно, что атом имеет сложную структуру Ц из него вылетают и легкие, и т€желые частицы.

—реди создаваемых в это врем€ моделей атома наибольшую попул€рность приобрела модель “омсона, получивша€ название Ђпудинг с изюмомї, представленна€ на рис. 4.4. —огласно этой модели атом представл€ет собой положительно зар€женный шар, внутри которого (как изюм в пудинге) располагаютс€ электроны. ѕри попытке согласовать модель с данными спектроскопии и периодической таблицей ћенделеева, “омсон был вынужден включить в состав модели около тыс€чи электронов. ќни располагались по концентрическим кольцам и имели каждый свою частоту колебаний.

“аким образом, модель “омсона оказалась очень сложна и имела большое количество параметров.   тому же она не объ€сн€ла целый р€д экспериментальных результатов. ѕри этом она сыграла важную роль в формировании современных представлений об атоме.

 

–ис. 4.4. ћодель “омсона

ƒальнейшее развитие представлений о внутренней структуре атома было сделано –езерфордом и его учениками.

ѕланетарна€ модель атома. –езерфорд со своими учениками √. √ейгером и Ё. ћарсденом начали исследовани€ внутренней структуры атома с использованием α -частиц.

ћетод заключалс€ в измерении зависимости числа частиц, рассе€нных атомами золотой фольги (золота€ фольга легко расплющивалась, что позвол€ло сделать ее очень тонкой,

~0.4 мкм) под различными углами (рис. 4.5, а). ¬ случае правильности модели “омсона эти углы не должны быть большими, так как электроны, располагающиес€ внутри атома много легче α -частиц. ¬ экспериментах частицы после рассеивани€ в золотой фольге попадали на экран, покрытый зернистым цинком. ѕри ударе α -частиц об экран можно было наблюдать, рассматрива€ его в микроскоп, слабые вспышки (сцинтилл€ции). ћикроскоп с экраном поворачивались вокруг вертикальной оси, что позвол€ло измерить их число под разными углами. ¬ результате экспериментов, выполненных в конце 1910 г., оказалось, что большинство частиц рассеивались под малыми углами (1Ц2º). Ќебольша€ часть частиц рассеивалась на углы > 2º, а одна из 20 000 частиц на углы 90º и более (рис. 4.5, б). Ёто сильно противоречило модели “омсона, согласно которой атом представл€лс€ рыхлым и не мог быть причиной отклонени€ частиц назад.

ѕо мнению –езерфорда, такое могло наблюдатьс€ только в случае, если положительно зар€женные α-частицы сталкиваютс€ с массивным €дром, имеющим маленькие размеры по сравнению с размерами атома. —корее всего, атом напоминает —олнечную систему, где вместо —олнца располагаетс€ €д-

ро, а вместо планет Ц электроны. –азмеры €дра по оценкам –езерфорда составл€ли около 10Ц14Ц10Ц15м. ќказалось, что атом, в основном, пустой. –азмеры €дра в 10 000Ц100 000 раз меньше размеров атома.

–езерфорд предложил планетарную модель атома (рис.

4.5, в), положени€ которой заключались в следующем:

а) атом пустой и состоит из расположенных в его центре €дра и вращающихс€ вокруг него электронов;

б) размеры €дра в дес€тки тыс€ч раз меньше размеров атома, а его масса составл€ет более 99.9% массы атома;

в) атом нейтрален, зар€д его €дра составл€ет +Zе, а вокруг него вращаетс€ Z электронов.

ћодель оказалась простой и из€щной. ќна объ€снила рассе€ние частиц на большие углы и назад.

 

а б

в

–ис. 4.5. —хема опытов –езерфорда: а) рассе€ние α -частицы на золотой фольге; б) редкие рассе€ни€ под большими углами;

в) планетарна€ модель атома –езерфорда

ћодель атома Ѕора. –азвитию представлений об атоме, помимо экспериментов и модели атома, предложенной –езерфордом, способствовал анализ спектров излучени€, которые испускают разреженные газы (их линейчатый или дискретный характер).

»звестно, что нагретые тела излучают свет с непрерывным спектром, когда зависимость интенсивности излучени€ от частоты описываетс€ непрерывной функцией. ѕредполагалось, что это излучение обусловлено колебани€ми атомов и молекул, которые завис€т в основном от взаимодействи€ каждого атома или молекулы со своими сосед€ми. –азреженные газы можно также Ђзаставитьї испускать свет. ƒл€ этого их необходимо возбудить, например, с использованием напр€жени€ приложенного таким образом, чтобы разреженный

 

газ оказалс€ между электродами. Ѕыло обнаружено, что спектр излучени€ разреженных газов €вл€етс€ не непрерывным, а дискретным. “ак как возбужденные газы испускают свет только определенных длин волн, в спектроскопе или спектрометре наблюдаетс€ не непрерывный, а линейчатый спектр.  аждое вещество обладает своим, характерным только дл€ него спектром испускани€ (набором частот, на которых происходит поглощение или испускание света данным видом атомов или молекул). —пектр служит своего рода Ђотпечатком пальцевї, позвол€ющим идентифицировать состав

вещества37.

¬одород представл€ет собой простейший атом: вокруг €дра обращаетс€ только один электрон. ” атома водорода самый простой спектр. Ќа рис. 4.6 представлен линейчатый спектр атома водорода.

–ис. 4.6. Ћинейчатый спектр атомарного водорода

Ѕыли обнаружены серии линий Ѕальмера, Ћаймена, ѕашена, которые позже были объединены шведским ученым –идбергом.

¬ 1913 году Ќильс Ѕор38 показал, что несовпадение с

экспериментом выводов, основанных на модели –езерфорда, возникло не потому, что планетарна€ модель строени€ атома неверна. ќн предположил, что в микромире физические величины принимают дискретные значени€, т.е. квантуютс€ (таким образом, законы микромира Ц это квантовые законы). ¬ основу своей теории Ѕор положил следующие постулаты.

 

 

37 Ќа этой идее действует и развиваетс€ цела€ область науки Ц спектрометри€, занимающа€с€ исследованием вещества по их спектрам. Ётот метод используетс€ и при изучении состава звезд, комет и других космических объектов.

38ƒатский физик Ќильс Ѕор (1885Ц1962) Ц лауреат Ќобелевской премии по физике 1922 г., присужденной за создание квантовой теории строени€ атома, автор теории составного €дра.

1. ¬ атоме существуют стационарные (не измен€ющиес€ со временем) состо€ни€, характеризующиес€ определенными дискретными (квантовыми) значени€ми энергии, наход€сь в которых атом не излучает энергию.

—тационарным состо€ни€м атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутс€ электроны. ƒвижение электронов по стационарным орбитам не сопровождаетс€ излучением.

2. ¬ стационарном состо€нии атома электрон, двига€сь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантованные значени€ момента импульса, удовлетвор€ющие уравнению

mevnrn= nħ, n = 1,2,3,Е, (4.1.5)

где n Ц квантовое число орбиты или главное квантовое число, vn Ц скорость электрона, наход€щегос€ на n -й орбите атома, rn Ц радиус n -й орбиты.

3. ѕри переходе электрона с одной орбиты на другую излучаетс€ (поглощаетс€) один фотон с энергией, равной разности энергий соответствующих стационарных состо€ний:

ħν = EnЦ Em, (4.1.6)

где n и m Ц целые квантовые числа, характеризующие соответствующие энергетические уровни электрона.

ћодель Ѕора прекрасно объ€снила серии линий спектра атома водорода (рис. 4.7). Ќедостатком этой теории €вл€етс€ тот факт, что она оказалась справедлива только дл€ атома водорода и водородоподобных ионов, а спектры более сложных атомов (например, гели€) и молекул она не объ€сн€ла. Ќе получили объ€снени€ и межатомные св€зи в молекулах, твердых телах и жидкост€х.   тому же в ней существует внутренн€€ противоречивость, поскольку совмещались методы расчета, основанные на законах классической механики и электродинамики, с квантовыми представлени€ми, введенными в классическую теорию как постулаты. Ќе обеспечивала она и учет проблемы корпускул€рно-волнового дуализма.

–ис. 4.7. ќбъ€снение серий линий Ћаймана, Ѕальмера, ѕашена и др. на основе модели Ѕора.

 





ѕоделитьс€ с друзь€ми:


ƒата добавлени€: 2015-02-12; ћы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 2455 | Ќарушение авторских прав


ѕоиск на сайте:

Ћучшие изречени€:

—тремитесь не к успеху, а к ценност€м, которые он дает © јльберт Ёйнштейн
==> читать все изречени€...

1834 - | 1748 -


© 2015-2024 lektsii.org -  онтакты - ѕоследнее добавление

√ен: 0.044 с.