Пособие по физике "Квантовая физика"

«Квантовая физика»

Пособие .

Содержание

• Световые кванты
• Атомная физика
• Физика атомного ядра
• Глоссарий

Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются:

• квантово-механические системы
• квантово-полевые системы,
• законы их движения.

Разделы квантовой физики

• квантовая механика;
• квантовая теория поля — и её применения:

1 ядерная физика

2 физика элементарных частиц

3 физика высоких энергий;

Квантовая механика

• Квантовая механика  — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения

Квантовая теория поля

Квантовая теория поля (КТП)  — раздел физики , изучающий поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы — квантовых полей; является теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений.

Именно на квантовой теории поля базируется вся физика элементарных частиц и физика конденсированного состояния

Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц  — раздел физики, изучающий структуру и свойства элементарных частиц и их взаимодействия.

• Элементарная частица  —первичные, далее неразложимые частицы, из которых, состоит вся материя.

Фундаментальные взаимодействия качественно различающиеся типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел.  

Фундаментальные взаимодействия

гравитационное

электромагнитное

сильное

слабое

Гравитационное взаимодействие описывается:

• В приближении малых скоростей и слабого взаимодействия теорией тяготения Ньютона;
• в общем случае описывается общей теорией относительности Эйнштейна.

Гравитационное взаимодействие В рамках классической механики

В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m 1 и m 2, разделёнными расстоянием R ,

пропорциональна обеим массам

и обратно пропорциональна

квадрату расстояния

Общая теория относительности Эйнштейна

В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны

пространства-времени с присутствующей

в нём материей

Электромагнитное взаимодействие

Электромагнитное взаимодействие существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. С современной точки зрения электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а только посредством электромагнитного поля.

С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Сам фотон электрическим зарядом не обладает, а значит не может непосредственно взаимодействовать с другими фотонами

Отличие электромагнитного взаимодействия (Э.В) от других видов взаимодействия:

• от слабого и сильного отличается своим дальнодействующим характером — сила взаимодействия между двумя зарядами спадает только как вторая степень расстояния.
• Э.В намного сильнее гравитационного , и единственная причина, по которой электромагнитное взаимодействие не проявляется с большой силой на космических масштабах — электрическая нейтральность материи, то есть наличие в каждой области Вселенной с высокой степенью точности равных количеств положительных и отрицательных зарядов

Сильное взаимодействие

Сильное взаимодействие действует:

• в атомных ядер , между нуклонами в ядрах между кварками в адронах .
• в атомных ядер ,
• между нуклонами в ядрах
• между кварками в адронах .

Слабое взаимодействие

• Слабое взаимодействие , или слабое ядерное взаимодействие. Оно ответственно, в частности, за бета-распад ядра.

Это взаимодействие называется слабым, поскольку два других взаимодействия, значимые для ядерной физики (сильное и электромагнитное), характеризуются значительно большей интенсивностью. Однако оно значительно сильнее четвертого из фундаментальных взаимодействий, гравитационного.

Световые кванты

• Тепловое излучение .
• Постоянная Планка .
• Фотоэффект .
• Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта .
• Фотоны .
• Примеры решения задач
• Решение задач

Тепловое излучение

Тела , нагретые до достаточно высоких температур ,светятся.

Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым излучением

Характеристика теплового излучения

• Тепловое излучения , совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т.е за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К.
• Тепловое излучения обладает сплошным спектрам, положения максимума которого зависит от температуры:

1) При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые волны ) электромагнитные волны,

2) При низких -преимущественно длинные (инфракрасные).

.

Характеристика теплового излучения

• Тепловое излучения – практически единственный вид излучения, который может быть равновесным , т.е тело в единицу времени будет поглощать столько же энергии, сколько и излучать
• Количественной характеристикой тепловой светимости служит спектральная плотность энергетической светимости (R) .
• спектральная плотность энергетической светимости - энергетическая светимость

тела для данных длин волн

(λ + dλ) при данной температуре

(T + dT):  Rλ,T  = f(λ, T).  

х

1.2. Закон Кирхгофа

Поток энергии , испускаемый единицей поверхности излучающего тела в единицу времени во всех направлениях называется энергетической светимостью тела (R) [ R ] = Вт/м 2 .

(1.2.1)

.

, Т - спектральная плотность энергетической светимости или лучеиспускательная способность тела.

Таким образом,

- есть функция ω и T

соответственно и

;

х

Энергетическая светимость:

(1.2.2)

или

поглощательная способность тела .

Для тела, полностью поглощающего излучения всех частот

- абсолютно черное тело.

и меньше единицы - серое тело.

Реальное тело всегда отражает часть энергии падающего на него излучения

абсолютно черное тело

Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель.

Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но если полость нагрета до определенной температуры T , и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела

• Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но если полость нагрета до определенной температуры T , и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела
• Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но если полость нагрета до определенной температуры T , и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела
• Абсолютно чёрных тел в природе не существует, поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но если полость нагрета до определенной температуры T , и внутри установилось тепловое равновесие, то собственное излучение полости, выходящее через отверстие, будет излучением абсолютно черного тела

Спектры излучения

Типы спектров:

непрерывные

Основная проблема – понять наблюдаемое распределение излучения испускаемого черным тел по длинам волн .

Излучение абсолютно черного тела.

Непрерывный спектр.

Закон Стефана-Больцмана

• 1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан и Людвиг Больцман (теоретически для АЧТ) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

где                                                                                                                                               

Закон Вина

• Согласно закону Вина , длина волны λmax, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т:  

где

- постоянная Вина

Закон Релея - Джинса

В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась Планк

к нулю.

Эти результаты противоречили закону сохранения энергии, и получили название « ультрафиолетовой катастрофы», .

Рэлей - Джинс

ультрафиолетовая катастрофа

.

Планк

Вин

Постоянная Планка

Постоянная Планка — основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии электромагнитного излучения с его частотой.

h - постоянная Планка .

Формула Планка для теплового излучения

Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела , которое было получено Максом Планком для равновесной плотности излучения u (ω, T ). Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея — Джинса удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн.

Для вывода формулы Планк сделал предположение о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением:

Фотоэффект.

Фотоэффект   — это испускание электронов веществом под действием света ( любого электромагнитного излучения)

Фотоэффект

Внешний

Внутренний

Вентильный

Внешний фотоэффект

• Внешним фотоэффектом ( фотоэлектронной эмиссией ) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений.

Законы внешнего фотоэффекта

• Закон Столетова : при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения): и
• Максимальная начальная скорость фотоэлектронов

не зависит от интенсивности падающего

света, а определяется только его частотой.

• Для каждого фотокатода существует

красная граница фотоэффекта, то есть

минимальная частота электромагнитного

излучения при которой фотоэффект ещё

возможен .

Внутренний фотоэффект

• Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твердых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Данный фотоэффект проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к

возникновению

фотопроводимости

или вентильного

фотоэффекта

Анимация фотоэффекта

• Флеш

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект  — явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т. е. все большее число фотоэлектронов достигает

анода. Пологий характер кривых

показывает, что электроны вылетают

из катода с различными скоростями.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями , то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций

Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта :

Фотоны

Фотон  — элементарная частица, квант электромагнитного излучения.

фотон

безмассовая частица

двигается со скоростью света

заряд равен нулю

обладает корпускулярно-волновым дуализмом

находиться в двух спиновых состояниях с проекцией

спина на направление движения ± 1.

Тестовые задания

1 Абсолютно черное тело полностью поглощает падающие на него:

1) радиоактивное излучение

  2) ультрафиолетовое излучение

  3) видимый свет

4) все электромагнитное излучение

2 Температура абсолютно черного тела увеличилась в два раза. Его энергетическая светимость изменилась:

  1) В 2 раза

  2) В 4 раза

  3) В 16 раз

  4) В 8 раз

Тестовые задания

3 Температура тела возросла в 2 раза, энергетическая светимость увеличилась в:

  1) 2

  2) 4

  3) 6

  4) 8

  5) 16

3 Тепловым излучением называют…

1) электромагнитные волны, испускаемые всеми телами;

2) электромагнитные волны, испускаемые черными телами;

3) электромагнитные волны, испускаемые телами с температурой выше 0 ̊̊С .

4) механические волны, испускаемые всеми телами;

5) механические волны, испускаемые телами с температурой выше 0 ̊̊С .

Тестовые задания

5 Поток излучения, испускаемый с единицы площади поверхности тела, называют…

1) энергетической светимостью;

2) монохроматическим коэффициентом поглощения;

3) спектральной плотностью энергетической светимости;

4) коэффициентом поглощения.

6Тело коэффициент поглощения которого меньше единицы и независим от длины волны света, падающего на него, называют…

1)серым;

2)цветным;

3)черным;

4)белым

Тестовые задания

7 Гипотезу о том, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями, выдвинул:

1) М.Фарадей;

2) Д.Джоуль;

3)М.Планк;

4)А.Эйнштейн;

5) Д. Максвелл.

8 Энергия фотонов при уменьшении длины световой волны в 2 раза

1) уменьшается в 2 раза;

2) увеличивается в 2 раза;

3)уменьшается в 4 раза ;

4) увеличивается в4 раза;

5) не изменяется.

9 Энергия кванта пропорциональна:

1) скорости кванта;

2) времени излучения;

3) длине волны;

4)частоте колебаний;

5) мощности излучения;

Ответы:1)4;2)3;3)5;4)3;5)1;6)1;7)3;8)2;9)4.

Пример решения задач 1

• Сколько фотонов попадает за 1с в глаза человека, если глаз воспринимает свет с длиной волны 0,5мкм при мощности светового потока

Дано: Решение:

t=1c; Полная энергия фотона, попавшего в глаз, равна

Энергия одного фотона:

Пример решения задач 2

Длинноволновая (красная) граница фотоэффекта для меди282нм. НАЙТИ РАБОТУ ВЫХОДА ЭЛЕКТРОНОВ ИЗ меди (В Эв).

Дано: Решение:

Пример решения задач 3

Какое запирающее напряжение надо подать на вакуумный фотоэлемент ,чтобы электроны, вырванные ультрафиолетовым светом с длиной волны100 нм из вольфрамового катода, не могли создать ток в цепи?

Дано: Решение:

Задачи:

на «3» балла;

на «4» балла;

на «5» балла.

Задачи на «3» балла.

1 Определить энергию, массу и импульс фотона с  = 0,016  10–10 м.

2 Какую энергию должен иметь фотон, чтобы его масса была равна массе покоя электрона?

3 Излучение состоит из фотонов с энергией 6,4  10-19 Дж. Найти частоту колебаний и длину волны в вакууме для этого излучения.

4 Сколько фотонов зеленого излучения с длиной волны  = 520 нм в вакууме будут иметь энергию 10-3 Дж?

Задачи на «4» балла

1 Какую максимальную скорость могут получить вылетевшие из калия электроны при облучении его фиолетовым светом с длиной волны 0,42мкм? Работа выхода электронов для калия равна 2 эВ.

Ответ: 580 км/с .

2 Какой длины волны следует направить лучи на поверхность цинка, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была равна 2000тн/с? Красная граница фотоэффекта для цинка равна 0,35мкм.

Ответ: 83нм .

Задачи на «5» баллов

1 Пучок лазерного излучения с длиной волны 0,33мкмиспользуется для нагревания 1 кг воды с удельной теплоемкостью 4200Дж/кг К. За какое время вода нагреется на 10 ̊С, если лазер ежесекундно испускает 10 ²º фотонов и все они поглощаются водой?

Ответ: 700 с

2 Источник монохроматического света мощностью 64 Вт испускает ежесекундно 10 ²º фотонов, вызывающих фотоэффект на пластины с работой выхода электронов, равной1,6 эВ. До какого потенциала зарядится пластина при длительном освещении?

Ответ: 2.4 В .

Атомная физика

• Строение атома .
• Опыты Резерфорда .
• Квантовые постулаты Бора .
• Модель атома водорода Бора .
• Трудности теории Бора .
• Гипотеза де Бройля .
• Корпускулярно-волновой дуализм .
• Дифракция электронов .
• Пример решения задач.
• Решение задач

Строение атома

• Атом  — микроскопическая электронейтральная частица вещества, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
• Атом состоит из атомного

ядра и окружающего его

электронного облака

Модель атома Томсона .

Согласно этой модели атом представлял собой положительное ядро, на поверхности которого располагались постоянно колеблющиеся электроны

Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость.

Модель Томсона была

окончательно опровергнута

Резерфордом после проведённого

им знаменитого опыта по

рассеиванию альфа-частиц

Цель эксперимента Э.Резерфорда

• Цель эксперимента Э.Резерфорда: проверить гипотезу Дж. Томсона на опыте. Э.Резерфорд решил проник внутрь атома с помощью - частиц, которые имели положительный заряд, массу почти в 7300 раз большую чем масса электрона и очень большую скорость (около 10000км/c).
• Цель эксперимента Э.Резерфорда: проверить гипотезу Дж. Томсона на опыте. Э.Резерфорд решил проник внутрь атома с помощью - частиц, которые имели положительный заряд, массу почти в 7300 раз большую чем масса электрона и очень большую скорость (около 10000км/c).

• С точки зрения Резерфорда - частицы должны были легко "пробить" атом, похожий на пудинг и тем самым доказать справедливость модели атома Томсона.
• Если бы атом был устроен так, как предполагал Дж.Томсон, то Э.Резерфорд увидел бы следующую картину: a- частицы легко "пробивают" атом

и отклоняются от первоначального

направления на небольшие углы.

Установка Э.Резерфорда  

• - частиц (красные линии) направлялись на очень

тонкую золотую фольгу (Ф).

• - частицы после

прохождения фольги

попадали на экран (Э), на

котором фиксировались

вспышки.

• М - микроскоп,

в который наблюдались

вспышки

Ход эксперимента

• Наблюдения рассеянных -частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами к первоначальному направлению пучка.
• Было обнаружено, что большинство -частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие -частицы испытывали отклонение на углы, близкие к 180°

Эксперимент

• флеш

Результат эксперимента

• Результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить -частицы назад.
• Расчет показал, что такое отклонение -частиц возможно только при условии концентрации заряда и

массы атома в очень маленьком объеме.

• Эти соображения привели Резерфорда к

выводу, что атом почти пустой, и весь его

положительный заряд сосредоточен в

малом объеме. Эту часть атома Резерфорд

назвал атомным ядром.

Выводы из опыта Резерфорда

• В центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает.

• Это ядро занимает только часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы.
• Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка
• Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома.

Планетарная модель атома Резерфорда

Согласно этой модели:

• в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома;
• вокруг ядра подобно планетам вращаются электроны;
• заряд ядра равен номеру элемента

в таблице Менделеева;

• у нейтрального атома

число электронов равно

числу протонов в ядре.

Трудности модели атома Резерфорда

• Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, оказалась неспособной объяснить факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость.
• По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро.
• То, что этого не происходит в

устойчивых состояниях атома,

показывает, что внутренние

процессы в атоме не подчиняются

классическим законам.

Следующий шаг в развитии представлений об устройстве атома в 1913 году сделал датский физик Н. Бор .

Проанализировав всю совокупность опытных фактов, Бор пришел к выводу, что при описании поведения

атомных систем следует

отказаться от многих

Представлений

классической

физики.

Первый постулат Бора ( постулат стационарных состояний )

• Атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия W n . В стационарных состояниях атом не излучает

Энергетические уровни

• Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней , каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию.
• Всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии W n  
• При W n  ≥ 0 электрон удаляется от ядра (ионизация). Величина | W 1 | называется энергией ионизации .

• Состояние с энергией W 1 называется основным состоянием атома.

Второй постулат Бора ( правило частот ):

• при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией W n в другое стационарное состояние с энергией W k излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

Противоречие постулатов Бора тот Электродинамики Максвелла

• Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, так как частота излучения определяется только изменением энергии атома и никак не зависит от характера движения электрона

• Теория Бора при описании поведения атомных систем не отвергла полностью законы классической физики. В ней сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра. Классическая ядерная модель атома

Резерфорда в теории Бора была дополнена идеей о квантовании электронных орбит.

Поэтому теорию Бора

иногда иногда

называют

полуклассической

Атом водорода по Бору

• Согласно первоначальной модели атома по Бору, стационарными в нем являются лишь такие состояния, в которых для движущихся по круговым орбитам электронов выполняется условие:

Где – масса электрона, – его скорость, r – радиус круговой

орбиты, h – постоянная Планка, n – положительное целое число.

• Считая, что движение электрона по круговой орбите в атоме водорода происходит под действием кулоновской силы притяжения

между электроном и положительно заряженным ядром,

Бор получил выражения для радиусов орбит,

• соответствующих стационарным состояниям атома

водорода, а также и энергий этих состояний

• Частоты спектральных линий атома водорода, соответствующие переходам между стационарными состояниями, по теории, разработанной Бором, должны определяться из формулы:

где m и n – номера орбит электронов.

• Поэтому в спектре водорода будут наблюдаться линии с частотами

• Серия спектральных линий , возникающих при переходах атомов водорода из возбужденных состояний в основное состояние, называется серией Лаймана.
• Все спектральные линии этой серии лежат ультрафиолетовой области.

Переходам в первое возбужденное состояние из более высоких возбужденных состояний соответствует серия Бальмера в видимой области спектра

Спектр атома водорода

Трудности теории Бора

• В теории Бора сохранились представления об орбитальном движении электронов в кулоновском поле ядра.
• Классическая ядерная модель атома Резерфорда была дополнена в теории Бора идеей о квантовании электронных орбит.
• Поэтому теорию Бора иногда называют полуклассической .

Гипотеза де Бройля

• Каждая материальная частица обладает волновыми свойствами, причем соотношения, связывающие волновые и корпускулярные характеристики частицы остаются такими же, как и в случае электромагнитного излучения.
• С каждым микрообъектом связаны, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p , а с другой стороны, волновые характеристики – частота

и длина волны λ.

Корпускулярные и волновые характеристики микрообъектов связаны такими же количественными соотношениями, как и у фотона

• Любой частице, обладающей импульсом, сопоставлялся волновой процесс с длиной волны λ =  h  /  p . Для частиц, имеющих массу
• В нерелятивистском приближении (υ c )

Корпускулярно-волновой дуализм

•   Корпускулярно-волновой дуализм – свойство любой микрочастицы обнаруживать признаки частицы (корпускулы) и волны. Наиболее ярко корпускулярно-волновой дуализм проявляется у элементарных частиц.
• Электрон, нейтрон, фотон в одних условиях ведут себя как хорошо локализованные в пространстве материальные объекты (частицы), двигающиеся с определёнными энергиями и импульсами по классическим траекториям, а в других – как волны, что проявляется в их способности к интерференции и дифракции

• Дуализм электронов, которые мы привыкли считать частицами, проявляется в том, что при отражении от поверхности монокристалла наблюдается дифракционная картина, что является проявлением волновых свойств электронов. Количественная связь между корпускулярными и волновыми характеристиками электрона та же, что и для фотона:

(р – импульс электрона, а – его длина волны де Бройля).

Дифракция электронов.

• В 1928 году английский физик Г. Томсон получил новое подтверждение гипотезы де Бройля. В своих экспериментах он наблюдал дифракционную картину, возникающую при прохождении пучка электронов через тонкую поликристаллическую фольгу из золота .

Упрощенная схема опытов Г. Томсона по дифракции электронов .

K – накаливаемый катод, A – анод, Ф – фольга из золота

Результат эксперимента

• На установленной за фольгой фотопластинке отчетливо наблюдались концентрические светлые и темные кольца, радиусы которых изменялись с изменением скорости электронов (т. е. длины волны) согласно де Бройлю.

Картина дифракции электронов на поликристаллическом образце при длительной экспозиции (a) и при короткой экспозиции (b). В случае (b) видны точки попадания отдельных электронов на фотопластинку

Выводы из эксперимента

• Таким образом, было экспериментально доказано, что волновые свойства присущи не только большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности.
• Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что это универсальное явление природы, общее свойство материи.

Тест: Строение атома 1 Принятая в настоящий момент в науке модель структуры атома обоснована опытами по...

А) растворению и плавлению твердых тел;

Б) ионизации газа;

В) химическому получению новых веществ;

Г) рассеянию альфа-частиц.

2 В опыте Резерфорда альфа-частицы рассеиваются...

А) электростатическим полем ядра атома;

Б) электронной оболочкой атомов мишени;

В) гравитационным полем ядра атома;

Г) поверхностью мишени

3. На рисунке показаны траектории a-частиц при рассеянии их на атоме, состоящем из тяжелого положительно заряженного ядра Z + и легкого облака электронов е –. Какая из траекторий является правильной?

А) Только 1

Б) Только 2

В) И 1, и 2

Г) Ни 1, ни 2

4. В опытах Резерфорда по рассеянию a-частиц при их прохождении через золотую фольгу было обнаружено, что только одна из примерно 8000 частиц отклоняется на углы, большие 90°. Какое объяснение дал Резерфорд этому экспериментальному факту?

А) Масса a-частиц в несколько тысяч раз

меньше массы ядра золота;

Б) Скорость a-частиц в тысячи раз меньше

скорости электронов в атоме;

В) Площадь сечения ядра на несколько

порядков меньше площади сечения атома;

Г) Подавляющее большинство a-частиц

поглощается фольгой.

Решим задачу

Рассчитать, на какое наименьшее расстояние α-частица, имеющая скорость 1,9·107м/с, может приблизиться к ядру атома золота, двигаясь по прямой, проходящей через центр ядра. Масса α-частицы 6,6·10-27кг, заряд α-частицы

3,2·10-19Кл, заряд ядра золота

1,3·10-17Кл .

Пример решение задач

При переходе атома водорода из четвертого энергетического состояния во второе излучаются фотоны с энергией 2,55эВ (зеленая линия водородного спектра). Определить длину волны этой линии спектра.

Дано: Решение :

Пример решение задач

Во сколько раз изменится энергия атома водорода при переходе атома из первого энергетического состояния во второе?

Дано: Решение:

Ответ :увеличивается в 9 раз;

уменьшится в 4 раза .

Задачи:

на «3» балла;

на «4» балла;

на «5» балов.

Задачи на «3» балла.

1 Найти длину волны де Бройля для электрона, движущегося по первой боровской орбите в атоме водорода.

2 Сколько квантов различных энергий могут испускать атомы водорода, если их электроны находятся на третьей боровской орбите?

3 Как изменилась кинетическая энергия электрона в атоме при излучении фотона с длиной волны ?

Ответ:

Задачи на «4» балла.

1 Найти энергию ионизации атома водорода (т. е. минимальную энергию, необходимую, чтобы оторвать электрон от атома).

2 Энергия атома водорода в нормальном состоянии .Определить энергию кванта, поглощенного атомом водорода, если электрон перешел с первого энергетического уровня на третий. Энергия электрона на n- й орбите стационарного состояния атома водорода:

Ответ: 12,02 эВ

Задачи на «5» баллов

1 Наименьший радиус орбиты электрона в невозбужденном атоме водорода

Определить радиус орбиты электрона в атоме водорода, когда электрон находится на третьем энергетическом уровне

Ответ:

2 Найти период T обращения электрона на первой Боровский орбите атома водорода и его угловую скорость.

Ответ: ,

Физика атомного ядра

• Методы регистрации элементарных частиц .
• Радиоактивные превращения .
• Закон радиоактивного распада.
• Протон-нейтронная модель строения атомного ядра.
• Энергия связи нуклонов в ядре.
• Деление и синтез ядер.
• Ядерная энергетика.
• Пример решения задач
• Решение задач

Атомное ядро

Протоны

Нейтроны

Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке атома и отвечает порядковому номеру этого элемента в Периодической системе.

• Протон - ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный абсолютной величине заряда электрона и спин (собственный механический момент импульса, величина любой проекции которого может быть равна ±(h/2 π )/2.).
• Нейтрон - электронейтральная частица c таким же как у протона спином
• Изотопы - ядра, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

• Для обозначения конкретного ядра используют запись , где X - символ элемента, A - массовое число, равное общему числу протонов и нейтронов ядра, Z - атомный номер элемента в таблице Менделеева, равный числу протонов в ядре

Методы регистрации элементарных частиц - методы, основанные на свойстве радиоактивных излучений и частиц производить ионизацию атомов

Сцинтилляционный

метод

Фотографические

эмульсии

Пузырьковая камера

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц

Ионизационная

камера

Камера Вильсона

Счётчик Гейгера

Газоразрядный счётчик Гейгера

В газоразрядном счетчике имеются катод в виде цилиндра и анод в виде тонкой проволоки по оси цилиндра. Пространство между катодом и анодом заполняется специальной смесью газов. Между катодом и анодом прикладывается напряжение.

Применение :

Счётчик Гейгера применяется в основном для регистрации фотонов и y- квантов.

Счётчик регистрирует почти все падающие в него электроны.

Регистрация сложных частиц затруднена

R

+

К усилителю

-

Стеклянная трубка

Анод

Катод

Вильсон Чарлз Томсон Рис

• Вильсон- английский физик, член Лондонского королевского общества. Изобрёл в 1912 г прибор для наблюдения и фотографирования следов заряжённых частиц, впоследствии названную камерой Вильсона (Нобелевская премия, 1927).

Камера Вильсона

• Камеру Вильсона можно назвать “ окном ” в микромир. Она представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спиртами близкими к насыщению.

Стеклянная

пластина

поршень

вентиль

Если частицы проникают в камеру, то на её пути возникают капельки

воды. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы- трек. По длине трека можно определить энергию частицы, а по числу капелек на единицу длины оценивается её скорость. Трек имеет кривизну.

Пузырьковая камера

• При понижении давления жидкость в камере переходит в перегретое состояние.

поршень

Траектории заряжённых частиц

• Пролёт частицы вызывает образование цепочки капель, которые можно сфотографировать.

Фотографические

эмульсии

Фотоэмульсия имеет

большую плотность,

поэтому треки

получаются

короткими .

Заряжённые частицы создают скрытые изображения следа движения.

По длине и толщине трека можно оценить энергию и массу частицы.

Сцинтилляционный метод

• В этом методе (Резерфорда) для регистрации используются кристаллы. Прибор состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя и электронной системы.

nv

7

5

1

2

e

3

nv

4

6

Ионизационная камера

• В ионизационной камере между двумя электродами находится воздух при атмосферном давлении. Между электродами подаётся постоянное напряжение. Сила тока в камере пропорциональна количеству ионов.

Радиоактивные превращения.

РАДИОАКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ – природные или искусственные превращения ядер одних атомов в ядра других атомов.

Видами радиоактивных

превращений

Альфа- распад

Бета -распад

Гама - распад

Альфа-распад

• Ядро испускает -частицу, которая представляет собой ядро атома гелия 4Не и состоит из двух протонов и двух нейтронов. При - распаде массовое число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра - на 2
• Альфа-частица - устойчивая система из двух нейтронов и двух протонов

(ядро атома гелия).

Бета- распад

• В неустойчивом ядре нейтрон превращается в протон, при этом ядро испускает электрон ( -частицу) и антинейтрино:
• При -распаде массовое число изотопа не изменяется, поскольку общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд ядра увеличивается на 1

Гама -распад

• Возбужденное ядро испускает электромагнитное излучение с очень малой длиной волны и очень высокой частотой ( - излучение), при этом энергия ядра уменьшается, массовое число и заряд ядра остаются неизменными

• Альфа-излучение — один из видов ионизирующих излучений; представляет

собой поток быстро движущихся,

обладающих значительной энергией, положительно заряженных частиц (альфа-частиц).

• Бета -излучение - поток электронов или позитронов, возникающий при радиоактивных превращениях атомных ядер. Бета-лучи

под действием электрического и магнитного полей отклоняются от прямолинейного направления

• Гамма-излучение — коротковолновое электромагнитное косвенно-ионизирующее излучение, испускаемое при ядерных превращениях. Обладает высокой

проникающей способностью

Закон радиоактивного распада

• Основной закон радиоактивного распада состоит в том, что отношение числа распавшихся за единицу времени ядер к общему числу ядер является постоянной величиной, зависящей только от сорта ядер .
• Э Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени .
• Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т.е. период полураспада Т данного вещества

Закон радиоактивного распада

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость процесса. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад

Открытие нейтрона

• в 1932 г. Дж. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия - частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон.

Схема установки для обнаружения нейтронов

Нейтрон

• Нейтрон — элементарная частица, не имеющая заряда.
• По современным измерениям масса нейтрона

• В энергетических единицах масса нейтрона равна
• Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу

Протонн-нейтронная модель строения атомного ядра.

После того, как был открыт нейтрон.

Российский ученный Д.Д. Иваненко выдвинул свою знаменитую гипотезу о составе ядер из тяжёлых частиц – протонов и нейтронов

Энергия связи нуклонов в ядре .

• Энергия, которая требуется, чтобы разделить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи
• Зависимость энергии связи , приходящейся на один нуклон, от числа нуклонов в ядре приведена на графике

Деление ядер

• Деление – это распад (расщепление) атомного ядра на две приблизительно равные части (осколки), сопровождающийся выделением энергии и, в отдельных. случаях, испусканием одной или нескольких частиц.
• Некоторые тяжелые ядра могут делиться самопроизвольно (спонтанно), более легкие - в случае соударения с другими ядрами, обладающими большой энергией. Кроме того, тяжелые ядра, например атомов урана, способны делиться под воздействием бомбардировки нейтронами, а поскольку при

этом испускаются новые нейтроны, процесс

может стать самоподдерживающимся, т.е.

возникает цепная реакция .

Синтез ядер

• Синтез –это слияние ядер двух легких атомов с образованием нового ядра, соответствующего более тяжелому атом.
• Если это новое ядро стабильно, то при синтезе выделяется энергия, поскольку связи в нем оказываются более прочными, чем в исходных ядрах.

Ядерная энергетика

• Ядерная энергетика  — это отрасль энергетики, занимающаяся получением и использованием ядерной энергии
• Ядерная энергия — это энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях

Высвобождение ядерной энергии

Для получения ядерной энергии, используют цепную ядерную реакцию

деления ядер

урана-235 или

плутония

Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления.

Результат столкновений

• Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло

Термоядерный синтез

• Другим способом высвобождения ядерной энергии является термоядерный синтез. При этом, два ядра лёгких элементов соединяются в одно тяжёлое..

Тест: Атомное ядро. Радиоактивность

• Что представляет собой альфа-излучение ?

А. поток ядер водорода

Б. поток ядер гелия

В. поток нейтронов

• Что представляет собой гамма-излучение ?

А. поток нейтронов

Б. поток быстрых электронов

В. поток квантов излучения

• Что представляет собой бета-излучение ?

А. поток быстрых электронов

Б. поток квантов излучения

В. поток нейтронов

Тест: Атомное ядро. Радиоактивность.

• Элемент испытал A Z X альфа-распад . Какой заряд и массовое число будет у нового элемента?
• Элемент испытал A Z X гамма-распад . Какой заряд и массовое число будет у нового элемента?
• Элемент испытал A Z X бета-распад . Какой заряд и массовое число будет у нового элемента?
• Какое их трех типов излучений обладает наибольшей проникающей способностью?