Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

При прохождении около ядра α-частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома.

Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10-15м.

Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле:

R ≈ 1.2*10-15A м.

По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА(уч.10кл.стр.211-215,уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома Томпсона

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома

Планетарная модель и устойчивость атома

Постулаты Бора (см.ниже)

Явление радиоактивности дало основание предположить, что в состав атома входят отрицательные и положительно заряженные частицы, а в целом атом электронейтрален.

Опираясь на эти и некоторые другие факты, английский физик Джозеф Джон Томсон в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома:

Атом представляет собой шар, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри этого шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов.

Для экспериментальной проверки модели атома Томпсона действительно ли положительный заряд распределен по всему объему атома с постоянной плотностью в 1911 г. Резерфорд с сотрудниками провел ряд опытов по исследованию состава и строения атома. (см.выше «Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц»)

Опыты Резерфорда позволяют оценить максимальный размер R атомного ядра.

При центральном столкновении α-частицы (с зарядом +2e) с ядром (заряд +Ze), она останавливается кулоновскими силами отталкивания на расстоянии r от центра ядра (r > R).

В точке остановки кинетическая энергия Ek α-частицы переходит в потенциальную:

Ek = k , где k = 9*109Н*м2/Кл2

Следовательно, размер атомного ядра определиться соотношением:

R <

Линейный размер ядра по крайней мере в 10000 раз меньше размера атома.

Из опытов Резерфорда непосредственно следует планетарная модель атома.

В центре атома расположено положительно заряженное ядра, вокруг которого вращаются под действием кулоновских сил притяжения электроны.

Атом электрически нейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Размер атома определяется радиусом орбиты валентного электрона.

Атомы устойчивы и в состоянии с минимальной энергией могут существовать неограниченно долго.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить устойчивость атомов:

1. Электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, теряя энергию на электромагнитное излучение при движении с ускорением по круговой орбите;

2. При движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА-БОРА. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА(уч.11кл.стр.330-336)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше)

Планетарная модель атома Резерфорда и устойчивость атома.

Первый постулат Бора

Правило квантования орбит Бора

Энергетический спектр атома.

Энергетические уровни

Основное состояние атома

Свободное и связанное состояния электрона

Ионизация атома (энергетические перехода электрона)

Второй постулат Бора

Спектры излучения и поглощения атома

Опыт Франка и Герца УТОЧНИТЬ

Первая модель строения атома принадлежит Томсону.

Он предположил, что атом это положительно заряженный шар, внутри которого расположены вкрапления отрицательно заряженных электронов.

Резерфорд провел опыт по облучению быстрыми альфа-частицами металлической пластинки.

При этом наблюдалось, что часть из них немного отклоняются от прямолинейного распространения, а некоторая доля – на углы более 20.

Это было объяснено тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Радиус атомного ядра имеет размеры порядка 10-15 м.

(См.выше «Планетарная модель атома»)

Также Резерфорд предложил т.н. планетарную модель атома, по которой электроны вращаются вокруг атома как планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты равен радиусу атома.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система;

при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям, приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращает своё существование. В действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности же он линейчатый.

Для устранения указанных недостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классических представлений. В 1913 г., разрабатывая теорию атома водорода, он постулировал ряда принципов, которые получили на­звание постулатов Бора.

В основу своей теории Бор положил два посту­лата:

Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает (хотя происходит ускоренное движение)

В устойчивом атоме электрон может двигаться только по особым, стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии.

Правило квантования орбит Бора:

На длине окружности каждой стационарной орбиты укладывается целое число n,( называемое главным квантовым числом), длин волн де Бройля (λБ = ), соответствующих движению электрона

= n

где n = 1, 2, 3, ... главное квантовое число

Целое число волн, укладывающихся на стационарной орбите, необходимо из соображений симметрии для плавного замыкания гармонической кривой.

Правило квантования орбит Бора учитывает волновые свойства электрона.

На стационарной орбите момент импульса электрона квантуется (кратен постоянной Планка ћ)

mevr = nћ

где ћ = h/2π = 1.05*10-34Дж*с – постоянная Планка (аш перечеркнутое)

n = 1, 2, 3, ...

На электрон, вращающийся вокруг ядра, действует кулоновская сила Fk = ke2/r2, сообщающая электрону центростремительное ускорение an = v2/r.

По второму закону Ньютона:

me = k

Радиусы стационарных орбит находим из выражений me = k ; mevr = nћ :

 rn = n2 . где n = 1, 2, 3, ...

Радиусы стационарных орбит квантуются, т.е. имеют дискретные значения, пропорциональные квадрату главного квантового числа.

Атом имеет минимальный размер, когда n = 1

Скорость движения электрона по n-й орбите:

vn = k , где n = 1, 2, 3, ...

Это означает, что электрон может находиться на нескольких вполне определенных орбитах.

Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Энергетический спектр атома водорода

Энергия электрона в атоме складывается из его кинетической энергии и потенциальной кулоновской энергии взаимодействия с ядром:

E = -

Нуль потенциальной энергии электрона выбран на бесконечном расстоянии от ядра.

Знак минус соответствует энергии притяжения отрицательного и положительного зарядов.

Подставляя в последнее выражение значения радиусов стационарных орбит и скорости движения по ним электрона получаем возможную величину энергии электрона в атоме:

 En = - , где n = 1, 2, 3, ...

Энергия электрона в атоме принимает не любые, а дискретные значения, т.е. квантуется.

Энергетический уровень – энергия, которой обладает атомный электрон в определенном стационарном состоянии.

Состояние атома с n=1 называют основным состоянием

Основное состояние атома (молекулы) – состояние с минимальной энергией.

В основном состоянии электрон находится ближе всего к ядру и его энергия связи с ядром максимальна по модулю.

Все состояния, кроме одного, являются стационарными условно, и только в одном – основном, в котором электрон обладает минимальным запасом энергии – атом может находиться сколь угодно долго, а остальные состояния называются возбужденными.

Возбужденные состояния атома – состояния с n > 1

Чем больше главное квантовое число n, тем дальше от ядра находится электрон, тем выше его энергетический уровень.

Энергетические уровни атома принято изображать горизонтальными линиями, перпендикулярными оси энергий.

При n ® ∞ электрон удаляется от ядра на бесконечно большое расстояние, а его энергия связи с ядром стремиться к нулю. Это значит, что при Е = 0 электрон уже не связан с ядром, становясь свободной частицей.

Свободные состояния электрона – энергетические состояния с положительной энрегией электрона.

В свободном состоянии скорость электрона и его кинетическая энергия может быть любой.

Энергетический спектр свободных состояний непрерывен.

Двигаясь по орбите вокруг ядра, электрон связан с атомом, или, как говорят, находится в связанном состоянии.

Связанные состояния электрона - энергетические состояния с отрицательной энергией электрона.

Энергетический спектр связанных состояний дискретен.

Для вырывания электрона из атома требуется дополнительная энергия для преодоления кулоновского притяжения электрона к ядру

Энергия ионизации – минимальная энергия, которую нужно затратить для перевода электрона из основного состояния атома в свободное состояние

I1= │E1│

Если энергия фотона недостаточна для ионизации атома hυ < I1, электрон, находящийся на первой боровской орбите (в основном состоянии с энергией Е1), под действием фотона может перескочить на другую орбиту, соответствующую возбужденному состоянию с энергией Em.

Согласно закону сохранения энергии этот переход электрона возможен, если частота υm поглощаемого фотона удовлетворяет соотношению.

hυm = Em – E1

Второй постулат Бора

Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En

При переходе из одного ста­ционарного состояния в другое испускается или по­глощается квант электромагнитного излучения.

Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:

 hυkm = Ek – En .

При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Подставляя значения энергии атома в начальном и конечном состояниях:

υkm = ( - ) , где n = 1, 2, 3, ...; k > n

Все возможные частоты, определяемые этим выражением, дают спектр атома водорода, хорошо согласующийся с экспериментальными данными

Спектр составляют ряд серий излучения, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из фиксированных нижних энергетических состояний n из всех возможных энергетических состояний k ( k > n )

Переходы в первое возбужденное состояние (n = 2)с верхних уровней образуют серию Бальмера, наблюдаемую в видимом спектре.

Спектр поглощения вещества определяется в результате сравнения спектра излучения, падающего на вещество, со спектром излучения, прошедшего через него.

Атом вещества поглощает излучение той же частоты , которую излучает.

Опыт Франка и Герца

В1913г. исследовались столкновения электронов с атомами ртути.

УТОЧНИК ГРАФИК

В стеклянной трубке находились пары ртути. Электроны, вылетевшие из катода , нагреваемого электрическим током, ускоряются электрическим полем между катодом и сеткой. Их кинетическая энергия при достижения сетки равна работе электрического поля eU (e-заряд электрона, U- ускоряющее напряжение).

Между сеткой и анодом электроны тормозятся электрическим полем, созданным батареей G2.

Напряжение между сеткой и анодом 0.5В.

Пока напряжение между сеткой и катодом не превосходит 4.9В, возрастание напряжения сопровождается увеличением силы тока в цепи.

Резкое уменьшение силы тока в цепи анода при достижении напряжения 4.9В, между катодом и сеткой заставляет сделать вывод о том , что электроны, обладающие кинетической энергией 4.9В, полностью теряют ее в результате столкновений с атомами ртути.

Исходя из этих результатов можно сделать вывод, что разность энергий первого возбужденного стационарного состояния атома ртути Е2 и основного стационарного состояния Е1: Е2-Е1=4.9В

Наблюдения показали, что пока напряжение между катодом и сеткой меньше 4.9В пары ртути не излучают, а при достижении указанного напряжения пары испускают ультрафиолетовое излучение с указанной частотой.

Таким образом опыты Франка и Герца явились экспериментальным подтверждением правильности основных положений теории Бора

НУКЛОННАЯ МОДЕЛЬ ЯДРА (уч.10кл.стр.211,уч.11кл.стр.347)

Атомарная модель материального тела

Определение атома

Простые и сложные вещества

Нуклоны. Протон и нейтрон.

Протонно-нейтронная модель ядра

Сильное взаимодействие нуклонов в ядре

Комптоновская длина волны

Состав и размер ядер

Четные и нечетные ядра. Их устойчивость

Оценка размеров ядра

Модель материально точки не применима для пространственных масштабов, соизмеримых с размерами тела или меньших.

Моделью материального тела является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой атомом (молекул)

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Все вещества по составу можно разделить на два класса: простые и сложные.

Простые вещества состоят из атомов одного и того же химического элемента, сложные – из атомов различных элементов.

Заряд ядра атома – главная характеристика химического элемента.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов(нейтральные адроны).

Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, получили название – нуклоны (лат. nucleus – ядро)

Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — назы­ваются нуклонами.

Опыты Резерфорда (1910 г.) показали, что атомное ядро, находящееся в центре атома, в 10000 раз меньше размера электронной оболочки и сосредотачивает до 99.9% массы атома.

Изучение состава ядра проводилось с помощью бомбардировки его α-частицами, выбивающими из ядра частицы входящие в его состав.

Первой такой частицей, открытой Резерфордом в 1919 г. был протон (греч. protos – первый, первичный).

Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона е = 1.6*10-19Кл, и массу покоя примерно равную 1 а.е.м.

Протоны встречаются в земных условиях в свободном состоянии как ядра атомов водорода.

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик установил, что при облучении ядер атома бериллия α-частицами из ядра вылетают нейтральные частицы массой, близкой к массе протона.

Эта частица была названа нейтроном (лат.neutron – ни тот ни другой, или нейтральный)

Масса покоя свободного нейтрона очень незначительно превосходит массу протона.

В свободном виде в земных условиях нейтрон практически не встречается из-за неустойчивости - самопроизвольно распадается: среднее время жизни близко к 15,3 мин.

По современным представлениям протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы – нуклона (лат.nucleus – ядро)

Протон – нуклон в заряженном состоянии, нейтрон – в нейтральном.

Обозначение - .

Нижний индекс – заряд частицы, кратный заряду протона +e (или зарядовое число Z), верхний – число нуклонов, которое содержит частица (или массовое число А).

Подобно электрону, протон и нейтрон имеют спиновой момент импульса, равный ћ/2.

Протон и нейтрон обладают полуцелым спином (в единицах ћ)

Протонно-нейтронная модель ядра

Предложена в 1932 г. российским физиком Д.Д.Иваненко и В.Гейзенбергом.

Ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов.

Вследствие электронейтральности атома число Z протонов я ядре (зарядовое число), имеющих заряд +Ze, равно числу электронов с полным зарядом –Ze, движущихся вокруг ядра. При этом в ядре различных изотопов может находится различное число нейтронов.

Сильное взаимодействие нуклонов

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия, существующего между ними. Наличие такого взаимодействия было подтверждено в 1919 г. опытами Резерфорда.

В этих опытах бомбардировке α-частицами подвергались ядра легких атомов, с малым Z. При бомбардировке ядер атома водорода (протонов) α-частицы испытывали кулоновское отталкивание от протона, находясь от него на расстоянии превышающем 3 фм (1 фм = 10-15м) На меньших расстояниях наблюдалось притяжение α-частиц к протону, обусловленное сильным взаимодействием нуклонов друг с другом.

Нейтрон начинает притягиваться к протону на расстоянии меньше 2 фм. Но на расстоянии меньше 0.4 фм начинают действовать мощные силы взаимного отталкивания.

Притяжение между протоном и нейтроном теоретически объясняется их постоянным обменом друг с другом виртуальной (экспериментально не наблюдаемой при таком взаимодействии) частицей – π+-мезоном.

Взаимодействие путем обмена виртуальными частицами не имеет простого объяснения. Согласно законам сохранения импульса и энергии свободный протон или нейтрон не могут испустить частицу без поступления энергии извне. Для такого испускания необходима энергия не меньше DЕ = m0c (m0 – масса покоя частицы)

Однако, соотношение неопределенностей Гейзенберга DЕDt ≥ ћ допускает нарушение закона сохранения энергии в течении малого промежутка времени Dt = ћ/(m0c2), необходимого для испускания частицы, называемой виртуальной.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49