Елемент на дисперсия и опит с частици. Експериментът на Ръдърфорд за разсейване на алфа частици (накратко)

Въведение

Атомите, първоначално смятани за неделими, са сложни системи. Те имат масивно ядро от протони и неутрони, около които се движат електрони в празно пространство. Атомите са много малки - размерите им са около 10 –10 –10 –9 m, а размерите на ядрото все още са около 100 000 пъти по-малки (10 –15 –10 –14 m). Следователно атомите могат да се „видят“ само индиректно, в изображение с много голямо увеличение (например, използвайки проектор с полеви емисии). Но дори и в този случай атомите не могат да се видят в детайли. Познанията ни за тяхната вътрешна структура се основават на огромно количество експериментални данни, които косвено, но убедително подкрепят горното. Представите за структурата на атома се променят коренно през 20 век. повлиян от нови теоретични идеи и експериментални данни. Все още има нерешени въпроси в описанието на вътрешната структура на атомното ядро, които са обект на интензивни изследвания. Следващите раздели очертават историята на развитието на идеите за структурата на атома като цяло; Отделна статия е посветена на структурата на ядрото (СТРУКТУРА НА АТОМНОТО ЯДРО), тъй като тези идеи се развиват до голяма степен независимо. Енергията, необходима за изследване на външните обвивки на атома, е относително малка, от порядъка на топлинна или химическа енергия. Поради тази причина електроните са открити експериментално много преди откриването на ядрото. Ядрото, въпреки малкия си размер, е много силно свързано, така че може да бъде унищожено и изследвано само с помощта на сили, милиони пъти по-интензивни от силите, действащи между атомите. Бързият напредък в разбирането на вътрешната структура на ядрото започна едва с появата на ускорителите на частици. Именно тази огромна разлика в размера и енергията на свързване ни позволява да разглеждаме структурата на атома като цяло отделно от структурата на ядрото. За да получите представа за размера на атома и празното пространство, което заема, помислете за атомите, които образуват капка вода с диаметър 1 mm. Ако умствено увеличите тази капка до размера на Земята, тогава водородните и кислородните атоми, включени във водната молекула, ще имат диаметър 1–2 м. По-голямата част от масата на всеки атом е концентрирана в ядрото му, диаметърът от които е само 0,01 mm.

Главна част

аз Еволюция на представите за структурата на атомите

Откриването на сложната структура на атома е най-важният етап в развитието на съвременната физика. В процеса на създаване на количествена теория за структурата на атома, която направи възможно обяснението на атомните системи, се формираха нови идеи за свойствата на микрочастиците, които се описват от квантовата механика.

Идеята за атомите като неделими най-малки частици от вещества, както беше отбелязано по-горе, възниква в древни времена (Демокрит, Епикур, Лукреций). През Средновековието учението за атомите, тъй като е материалистично, не получава признание. До началото на 18в. атомната теория набира все по-голяма популярност. По това време работите на френския химик А. Лавоазие (1743–1794), великия руски учен М.В. Ломоносов и английският химик и физик Д. Далтън (1766–1844) доказаха реалността на съществуването на атомите. По това време обаче въпросът за вътрешната структура на атомите дори не е възникнал, тъй като атомите се считат за неделими.

Голяма роля в развитието на атомната теория изигра изключителният руски химик Д.И. Менделеев, който през 1869 г. разработва периодичната система от елементи, в която за първи път на научна основа е поставен въпросът за единната природа на атомите. През втората половина на 19в. Експериментално е доказано, че електронът е една от основните части на всяко вещество. Тези заключения, както и множество експериментални данни, доведоха до факта, че в началото на 20 век. Сериозно възникна въпросът за структурата на атома.

Наличието на естествена връзка между всички химични елементи, ясно изразена в периодичната система на Менделеев, предполага, че структурата на всички атоми се основава на общо свойство: всички те са тясно свързани помежду си.

Въпреки това до края на 19в. В химията господства метафизичното убеждение, че атомът е най-малката частица от простата материя, крайната граница на делимостта на материята. По време на всички химически трансформации само молекулите се унищожават и създават отново, докато атомите остават непроменени и не могат да бъдат разделени на по-малки части.

Дълго време различни предположения за структурата на атома не бяха потвърдени от никакви експериментални данни. Едва в края на 19в. бяха направени открития, които показаха сложността на структурата на атома и възможността за трансформиране на едни атоми в други при определени условия. Въз основа на тези открития учението за структурата на атома започва да се развива бързо.

Първото косвено доказателство за сложната структура на атомите е получено при изследване на катодни лъчи, генерирани по време на електрически разряд в силно разредени газове. Изследването на свойствата на тези лъчи доведе до заключението, че те представляват поток от малки частици, носещи отрицателен електрически заряд и летящи със скорост, близка до скоростта на светлината. С помощта на специални техники беше възможно да се определи масата на катодните частици и големината на техния заряд и да се установи, че те не зависят нито от естеството на газа, оставащ в тръбата, нито от веществото, от което са направени електродите или при други експериментални условия. Освен това, катодните частици са известни само в заредено състояние и не могат да бъдат лишени от зарядите си и превърнати в електрически неутрални частици: електрическият заряд е същността на тяхната природа. Тези частици, наречени електрони, са открити през 1897 г. от английския физик Дж. Томсън.

Изследването на структурата на атома практически започва през 1897–1898 г., след като окончателно е установена природата на катодните лъчи като поток от електрони и са определени зарядът и масата на електрона. Томсън предложи първия модел на атома, представяйки атома като струпване на материя с положителен електрически заряд, в който има толкова много електрони, че го превръща в електрически неутрална формация. В този модел се предполагаше, че под въздействието на външни въздействия електроните могат да осцилират, т.е. да се движат с ускорена скорост. Изглежда, че това направи възможно да се отговори на въпроси относно излъчването на светлина от атоми на материята и гама лъчи от атоми на радиоактивни вещества.

Моделът на атома на Томсън не предполага положително заредени частици вътре в атома. Но как тогава можем да обясним излъчването на положително заредени алфа частици от радиоактивни вещества? Атомният модел на Томсън не отговори на някои други въпроси.

През 1911 г. английският физик Е. Ръдърфорд, докато изучава движението на алфа частици в газове и други вещества, открива положително заредена част от атома. Допълнителни по-задълбочени изследвания показват, че когато лъч от успоредни лъчи преминава през слоеве газ или тънка метална плоча, вече не се появяват успоредни лъчи, а донякъде разминаващи се: алфа частиците се разпръскват, т.е. те се отклоняват от първоначалния път. Ъглите на отклонение са малки, но винаги има малък брой частици (около една на няколко хиляди), които се отклоняват много силно. Някои частици се изхвърлят обратно, сякаш са се натъкнали на непроницаема бариера. Това не са електрони - тяхната маса е много по-малка от масата на алфа частиците. Отклонение може да възникне при сблъсък с положителни частици, чиято маса е от същия порядък като масата на алфа частиците. Въз основа на тези съображения Ръдърфорд предложи следната схема на структурата на атома.

В центъра на атома има положително заредено ядро, около което се въртят електрони в различни орбити. Центробежната сила, възникваща при тяхното въртене, се балансира от привличането между ядрото и електроните, в резултат на което те остават на определени разстояния от ядрото. Тъй като масата на електрона е незначителна, почти цялата маса на атома е концентрирана в неговото ядро. Делът на ядрото и електроните, чийто брой е относително малък, представлява само незначителна част от общото пространство, заемано от атомната система.

Схемата на структурата на атома, предложена от Ръдърфорд, или, както обикновено се казва, планетарният модел на атома, лесно обяснява феномена на отклонение на алфа частиците. Наистина размерът на ядрото и електроните е изключително малък в сравнение с размера на целия атом, който се определя от орбитите на най-отдалечените от ядрото електрони, така че повечето алфа частици летят през атомите без забележимо отклонение. Само в случаите, когато алфа-частицата се приближи много близо до ядрото, електрическото отблъскване я кара да се отклони рязко от първоначалния си път. По този начин изследването на разсейването на алфа частици постави основата на ядрената теория на атома.

II. Постулатите на Бор

Планетарният модел на атома даде възможност да се обяснят резултатите от експериментите върху разсейването на алфа-частиците на материята, но възникнаха фундаментални трудности при обосноваването на стабилността на атомите. Първият опит за изграждане на качествено нова – квантова – теория на атома е направен през 1913 г. от Нилс Бор. Той си постави за цел да свърже в едно цяло емпиричните закони на линейните спектри, ядрения модел на атома на Ръдърфорд и квантовата природа на излъчването и поглъщането на светлината. Бор основава своята теория върху ядрения модел на Ръдърфорд. Той предположи, че електроните се движат около ядрото по кръгови орбити. Кръговото движение, дори при постоянна скорост, има ускорение. Това ускорено движение на заряда е еквивалентно на променлив ток, който създава променливо електромагнитно поле в пространството. За създаването на това поле се изразходва енергия. Енергията на полето може да се създаде поради енергията на кулоновото взаимодействие на електрона с ядрото. В резултат на това електронът трябва да се движи по спирала и да падне върху ядрото. Опитът обаче показва, че атомите са много стабилни образувания. От това следва, че резултатите от класическата електродинамика, основана на уравненията на Максуел, не са приложими за вътрешноатомни процеси. Необходимо е да се намерят нови модели. Бор основава своята теория за атома на следните постулати.

Първият постулат на Бор(постулат за стационарни състояния): в атома има стационарни (непроменливи с времето) състояния, в които той не излъчва енергия. Стационарните състояния на атома съответстват на стационарни орбити, по които се движат електрони. Движението на електрони в стационарни орбити не е придружено от излъчване на електромагнитни вълни.Този постулат е в противоречие с класическата теория. В стационарно състояние на атом електронът, движещ се в кръгова орбита, трябва да има дискретни квантови стойности на ъглов момент.

Вторият постулат на Бор(честотно правило): когато един електрон се движи от една стационарна орбита в друга, един фотон с енергия се излъчва (поглъща се)

равна на разликата между енергиите на съответните стационарни състояния (En и Em са съответно енергиите на стационарните състояния на атома преди и след излъчване/поглъщане).Преходът на електрон от стационарна орбита номер m към стационарна орбита номер нсъответства на прехода на атом от състояние с енергия Емв състояние с енергия En (фиг. 1).

Фиг. 1. Към обяснение на постулатите на Бор

рEn>Em фотонна емисия (преход на атом от състояние с по-висока енергия към състояние с по-ниска енергия, т.е. преход на електрон от орбита, по-отдалечена от ядрото, към по-близка), при En<Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот квантови преходи и определя линейния спектър на атома. Теорията на Бор брилянтно обяснява експериментално наблюдавания линеен спектър на водорода. Успехите на теорията на водородния атом са постигнати с цената на изоставяне на основните принципи на класическата механика, която остава безусловно валидна повече от 200 години. Ето защо прякото експериментално доказателство за валидността на постулатите на Бор, особено на първия – за съществуването на стационарни състояния – беше от голямо значение. Вторият постулат може да се разглежда като следствие от закона за запазване на енергията и хипотезата за съществуването на фотоните. Германските физици Д. Франк и Г. Херц, изучавайки сблъсъка на електрони с газови атоми с помощта на метода на забавящия потенциал (1913 г.), експериментално потвърдиха съществуването на стационарни състояния и дискретността на стойностите на атомната енергия. Въпреки несъмнения успех на концепцията на Бор по отношение на водородния атом, за който се оказа възможно да се изгради количествена теория на спектъра, не беше възможно да се създаде подобна теория за атома на хелий до водорода на базата на от идеите на Бор. По отношение на атома на хелия и по-сложните атоми, теорията на Бор ни позволи да направим само качествени (макар и много важни) заключения. Идеята за определени орбити, по които се движи електрон в атом на Бор, се оказа много условна. Всъщност движението на електроните в атома няма много общо с движението на планетите в орбита. Понастоящем с помощта на квантовата механика е възможно да се отговори на много въпроси относно структурата и свойствата на атомите на всеки елемент.

III. Строеж на атомното ядро

Строеж на атомното ядро

Нуклонно ниво

Около 20 години след като Ръдърфорд "откри" ядрото си в дълбините на атома, беше открит неутронът - частица във всичките си свойства, същата като ядрото на водороден атом - протон, но само без електрически заряд. Неутронът се оказва изключително удобен за изследване на вътрешността на ядрата. Тъй като е електрически неутрален, електрическото поле на ядрото не го отблъсква - съответно дори бавните неутрони могат лесно да се доближат до ядрото на разстояния, на които ядрените сили започват да се проявяват. След откриването на неутрона физиката на микросвета се придвижи напред със скокове и граници.

Скоро след откриването на неутрона двама физици теоретични - германецът Вернер Хайзенберг и съветският Дмитрий Иваненко - изказват хипотезата, че атомното ядро се състои от неутрони и протони. На него се основава съвременното разбиране за структурата на ядрото.

Протоните и неутроните се комбинират с думата нуклон. Протоните са елементарни частици, които са ядрата на атомите на най-лекия химичен елемент – водорода. Броят на протоните в ядрото е равен на атомния номер на елемента в периодичната таблица и се обозначава с Z (броят на неутроните - N). Протонът има положителен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на елементарния електрически заряд. Той е приблизително 1836 пъти по-тежък от електрон. Протонът се състои от два up-кварка със заряд Q = + 2/3 и един d-кварк с Q = – 1/3, свързани с глуонно поле. Има крайни размери от порядъка на 10-15 m, въпреки че не може да се представи като плътна топка, по-скоро прилича на облак с размита граница, състоящ се от създадени и унищожени виртуални частици.

Електрическият заряд на неутрона е 0, масата му е приблизително 940 MeV. Неутронът се състои от един u-кварк и два d-кварка. Тази частица е стабилна само в състава на стабилни атомни ядра; свободният неутрон се разпада на електрон, протон и електронно антинеутрино. Времето на полуразпад на един неутрон (времето, необходимо за разпадане на половината от първоначалния брой неутрони) е приблизително 12 минути. В материята неутроните съществуват в свободна форма още по-малко време поради силното им поглъщане от ядрата. Подобно на протона, неутронът участва във всички видове взаимодействия, включително електромагнитни: с обща неутралност, поради сложната си вътрешна структура, в него съществуват електрически токове.

В ядрото нуклоните са свързани с особен вид сила - ядрена. Една от характерните им особености е краткодействието: на разстояния от порядъка на 10-15 m или по-малко те превишават всички други сили, в резултат на което нуклоните не се разлитат под въздействието на електростатично отблъскване на еднакво заредени протони. . На големи разстояния ядрените сили много бързо намаляват до нула.

Механизмът на действие на ядрените сили се основава на същия принцип като електромагнитните сили - на обмена на взаимодействащи обекти с виртуални частици.

Виртуалните частици в квантовата теория са частици, които имат същите квантови числа (спин, електрически и барионни заряди и т.н.) като съответните реални частици, но за които обичайната връзка между енергия, импулс и маса не е валидна.

IV. Експериментите на Ръдърфорд

В магнитно поле поток от радиоактивно лъчение се разпада на 3 компонента: алфа лъчи, бета лъчи и гама лъчи.

Явлението радиоактивност показва сложната структура на атома

Заключение

В заключение стигаме до заключението, че концепцията на Ръдърфорд-Бор вече е повече от частици абсолютна истина, въпреки че по-нататъшното развитие на физиката разкри много грешки в тази концепция. Още по-голяма част от абсолютно правилните знания се съдържат в квантово-механичната теория на атома.

Откриването на сложната структура на атома беше голямо събитие във физиката, тъй като идеите на класическата физика за атомите като твърди и неделими структурни единици на материята бяха опровергани

Лазери

Въз основа на квантовата теория на радиацията са изградени квантови генератори на радиовълни и квантови генератори на видима светлина - лазери. Лазерите произвеждат кохерентно лъчение с много висока мощност. Лазерното лъчение се използва много широко в различни области на науката и технологиите, например за комуникация в космоса, за записване и съхраняване на информация (лазерни дискове) и заваряване, в медицината.

Спектри

Теорията на Бор направи възможно да се обясни съществуването на линейни спектри.
Формула (1) дава качествена представа за това защо атомните емисионни и абсорбционни спектри са подредени. Всъщност един атом може да излъчва вълни само с тези честоти, които съответстват на разликите в енергийните стойности E 1 , E 2 , . . . , E n ,. . Ето защо емисионният спектър на атомите се състои от отделно разположени остри ярки линии. В същото време атомът може да абсорбира не всеки фотон, а само един с енергия hνкоето е точно равно на разликата E n − E kнякои две разрешени енергийни стойности E nИ E k. Преминаване към по-високо енергийно състояние E n, атомите абсорбират точно същите фотони, които са способни да излъчват по време на обратния преход към първоначалното състояние E k. Просто казано, атомите вземат от непрекъснатия спектър онези линии, които самите те излъчват; Ето защо тъмните линии на спектъра на поглъщане на студен атомен газ се намират точно там, където се намират светлите линии на спектъра на излъчване на същия газ в нагрято състояние.

Непрекъснат спектър, спектър на емисии на водород, спектър на абсорбция на водород

Думата "атом" в превод от гръцки означава "неделим". Дълго време, до началото на 20-ти век, атомът означаваше най-малките неделими частици материя. До началото на 20в. Науката е натрупала много факти, които показват сложната структура на атомите.

Голям напредък в изучаването на структурата на атомите беше постигнат в експериментите на английския учен Ърнест Ръдърфорд върху разсейването на алфа-частици при преминаване през тънки слоеве материя. В тези експерименти тесен лъч от α частици, излъчен от радиоактивно вещество, беше насочен към тънко златно фолио. Зад фолиото е поставен екран, способен да свети под въздействието на бързи частици. Установено е, че повечето α-частици се отклоняват от праволинейно разпространение след преминаване през фолиото, т.е. те се разпръскват, а някои α-частици обикновено се изхвърлят обратно. Ръдърфорд обяснява разсейването на α-частиците с факта, че положителният заряд не е равномерно разпределен в топка с радиус 10 -10 m, както се предполагаше по-рано, а е концентриран в централната част на атома - атомното ядро. При преминаване близо до ядрото a-частица с положителен заряд се отблъсква от него, а когато се удари в ядрото, се изхвърля обратно в обратната посока. Така се държат частици, които имат еднакъв заряд, следователно има централна положително заредена част от атома, в която е концентрирана значителна маса от атома. Изчисленията показаха, че за обяснение на експериментите е необходимо радиусът на атомното ядро да бъде приблизително 10-15 m.

Ръдърфорд предполага, че атомът е структуриран като планетарна система. Същността на модела на Ръдърфорд за структурата на атома е следната: в центъра на атома има положително заредено ядро, в което е концентрирана цялата маса; електроните се въртят около ядрото по кръгови орбити на големи разстояния (както планетите около Слънцето). Зарядът на ядрото съвпада с номера на химичния елемент в периодичната таблица.

h е константата на Планк.

1. Думата "атом" в превод от гръцки означава "неделим". Дълго време, до началото на 20-ти век, атомът означаваше най-малките неделими частици материя. До началото на 20в. Науката е натрупала много факти, които показват сложната структура на атомите.

Голям напредък в изучаването на структурата на атомите е постигнат в експериментите на английския учен Ърнест Ръдърфорд върху разсейването на алфа-частици при преминаване през тънки слоеве материя. В тези експерименти тесен лъч от алфа частици, излъчван от радиоактивно вещество, беше насочен към тънко златно фолио. Зад фолиото е поставен екран, способен да свети под въздействието на бързи частици. Установено е, че по-голямата част от α-частиците се отклоняват от праволинейно разпространение след преминаване през фолиото, т.е. те се разпръскват, а някои α-частици обикновено се изхвърлят обратно. Ръдърфорд обяснява разсейването на алфа частиците с факта, че положителният заряд не е равномерно разпределен в топка с радиус 10^~10 m, както се предполагаше по-рано, а е концентриран в централната част на атома - атомното ядро. При преминаване близо до ядрото a-частица с положителен заряд се отблъсква от него, а когато се удари в ядрото, се изхвърля обратно в обратната посока. Така се държат частици, които имат еднакъв заряд, следователно има централна положително заредена част от атома, в която е концентрирана значителна маса от атома. Изчисленията показаха, че за да се обяснят експериментите, е необходимо радиусът на атомното ядро да бъде приблизително 10^~15 m.

Планетарният модел на Ръдърфорд за структурата на атома не може да обясни редица добре известни факти: електрон със заряд трябва да падне върху ядрото поради силите на привличане на Кулон, а атомът е стабилна система; Когато се движи по кръгова орбита, приближавайки се до ядрото, електронът в атома трябва да излъчва електромагнитни вълни с всички възможни честоти, т.е. излъчваната светлина трябва да има непрекъснат спектър, но на практика резултатът е различен: електроните на атомите излъчват светлина който има линеен спектър. Датският физик Нилиер Бор е първият, който се опитва да разреши противоречията в планетарния ядрен модел на структурата на атома.

Бор основава своята теория на два постулата. Първият постулат: една атомна система може да бъде само в специални стационарни или квантови състояния, всяко от които има своя собствена енергия; в стационарно състояние атомът не излъчва.Това означава, че един електрон (например във водороден атом) може да бъде разположен в няколко добре дефинирани орбити. Всяка електронна орбита съответства на много специфична енергия.

Вторият постулат: по време на прехода от едно стационарно състояние към друго се излъчва или поглъща квант електромагнитно излъчване. Енергията на фотона е равна на разликата между енергиите на атома в две състояния: , където

h е константата на Планк.

Когато един електрон се премести от близка орбита към по-далечна, атомната система поглъща количество енергия. Когато един електрон се движи от по-далечна орбита към по-близка спрямо ядрото, атомната система излъчва енергиен квант.

В науката много дълго време се смяташе, че атомът е най-малката, НЕДЕЛИМА частица материя.

1. Първият, който наруши тези идеи, беше Томсън: той вярваше, че атомът е вид положителна субстанция, в която електроните са разпръснати „като стафиди в кексче“. Важността на тази теория е, че атомът вече не се признава за неделим
2. Ръдърфорд провежда експеримент върху разсейването на алфа частици. Тежките елементи (златно фолио) бяха бомбардирани с радиоактивен материал. Ръдърфорд очакваше да види светещи кръгове, но видя светещи пръстени.
Обяснението на Ръдърфорд: Центърът на атома съдържа целия положителен заряд и електроните нямат ефект върху потока от алфа частици.
3. Планетарен модел на водородния атом по BORU	Излъчвайки част от енергия (видима), атомът дава само свой собствен набор от дължини на вълните - спектър. Видове спектри: 1. Радиационен (емисионен) спектър: (осигурен от тела в нагрято състояние) а) Твърди - дават всички атоми в твърди, течни или плътни газове б) Облицовани - дават атоми в газообразно състояние 1. Абсорбционен спектър: ако светлината премине през вещество, то това вещество ще абсорбира точно тези вълни, които излъчва в нагрято състояние (тъмни ивици се появяват на непрекъснатия спектър) Спектрален анализе метод за определяне на химичния състав на вещество от неговия емисионен или абсорбционен спектър. Методът се основава на факта, че всеки химичен елемент има свой собствен набор от дължини на вълните. Приложение на спектралния анализ:по криминология, медицина, астрофизика. Спектрографът е устройство за извършване на спектрален анализ. Спектроскопът се различава от спектрографа по това, че може да се използва не само за наблюдение на спектри, но и за правене на снимка на спектъра. Билет №21 1. Термодинамичен подход към изучаването на физичните явления. Вътрешна енергия и начини за нейната промяна. Първи закон на термодинамиката. Приложение на първия закон на термодинамиката към изотермични, изохорни и адиабатни процеси. 2. Модели на структурата на атомното ядро; ядрени сили; нуклонен модел на ядрото; ядрена свързваща енергия; ядрени реакции. 1. Всяко тяло има много специфична структура, състои се от частици, които се движат хаотично и взаимодействат помежду си, следователно всяко тяло има вътрешна енергия. Вътрешната енергия е величина, характеризираща собственото състояние на тялото, т.е. енергията на хаотичното (топлинно) движение на микрочастиците на системата (молекули, атоми, електрони, ядра и др.) и енергията на взаимодействие на тези частици. Вътрешната енергия на едноатомен идеален газ се определя по формулата U = 3/2 t/M RT. Вътрешната енергия на тялото може да се промени само в резултат на взаимодействието му с други тела. Има два начина за промяна на вътрешната енергия: пренос на топлина и механична работа (например нагряване по време на триене или компресия, охлаждане по време на разширение). Преносът на топлина е промяна на вътрешната енергия без извършване на работа: енергията се прехвърля от по-нагрети тела към по-малко нагрети. Топлообменът е три вида: топлопроводимост (директен обмен на енергия между хаотично движещи се частици на взаимодействащи тела или части от едно и също тяло); конвекция (пренос на енергия чрез потоци течност или газ) и радиация (пренос на енергия чрез електромагнитни вълни). Мярката за пренесена енергия по време на пренос на топлина е количеството топлина (Q). Тези методи са количествено обединени в закона за запазване на енергията, който за топлинните процеси гласи следното: промяната във вътрешната енергия на затворена система е равна на сумата от количеството топлина, предадена на системата, и работата на външните сили, действащи върху системата. , където е промяната във вътрешната енергия, Q е количеството топлина, предадено на системата, A е работата на външните сили. Ако самата система върши работата, тогава тя е условно обозначена с A. Тогава законът за запазване на енергията при топлинните процеси, който се нарича първи закон на термодинамиката, може да се напише по следния начин: , т.е. количеството топлина, прехвърлено към системата, отива за извършване на работа от системата и промяна на нейната вътрешна енергия. По време на изобарно нагряване газът извършва работа върху външни сили, където V1 и V2 са началният и крайният обем на газа. Ако процесът не е изобарен, количеството работа може да се определи от площта на фигурата ABCD, затворена между линията, изразяваща зависимостта p(V) и началния и крайния обем на газа V Нека разгледаме приложението на първия закон на термодинамиката към изопроцеси, протичащи с идеален газ. При изотермичен процес температурата е постоянна, следователно вътрешната енергия не се променя. Тогава уравнението на първия закон на термодинамиката ще приеме формата: , т.е. количеството топлина, предадено на системата, отива за извършване на работа по време на изотермично разширение, поради което температурата не се променя. При изобарен процес газът се разширява и количеството топлина, предадено на газа, отива за увеличаване на вътрешната му енергия и за извършване на работа: . По време на изохоричен процес газът не променя обема си, следователно не извършва работа от него, т.е. A = 0, а уравнението на първия закон има формата , т.е. прехвърленото количество топлина отива за увеличаване на вътрешния енергия на газа. Адиабатът е процес, който протича без топлообмен с околната среда. Q = 0, следователно, когато газът се разширява, той извършва работа, като намалява вътрешната си енергия, следователно газът се охлажда Кривата, изобразяваща адиабатичния процес, се нарича адиабатична. 2. Състав на ядрото на атома. Ядрени сили. Дефект на масата и енергия на свързване на атомното ядро. Ядрени реакции. Ядрена енергия. Ядрото на атома на всяко вещество се състои от протони и неутрони. (Общото наименование на протоните и неутроните е нуклони.) Броят на протоните е равен на заряда на ядрото и съвпада с номера на елемента в периодичната таблица. Сумата от броя на протоните и неутроните е равна на масовото число. Например ядрото на кислородния атом се състои от 8 протона и 16 - 8 = 8 неутрона. Ядрото на атома се състои от 92 протона и 235 - 92 = 143 неутрона. Наричат се силите, които задържат протоните и неутроните в ядрото ядрени сили*. Това е най-мощният тип взаимодействие. През 1932 г. английският физик Джеймс Чадуик открива частици с нулев електрически заряд и единица маса. Тези частици бяха наречени неутрони. Неутронът се обозначава с n. След откриването на неутрона физиците Д. Д. Иваненко и В. Хайзенберг през 1932 г. представят протонно-неутронния модел на атомното ядро. Според този модел ядрото на атома на всяко вещество се състои от протони и неутрони. (Общото наименование на протоните и неутроните е нуклони.) Броят на протоните е равен на заряда на ядрото и съвпада с номера на елемента в периодичната таблица. Сумата от броя на протоните и неутроните е равна на масовото число. Например ядрото на кислородния атом се състои от 8 протона и 16 - 8 = 8 неутрона. Ядрото на атома се състои от 92 протона и 235 - 92 = 143 неутрона. Химическите вещества, които заемат едно и също място в периодичната таблица, но имат различна атомна маса, се наричат изотопи. Изотопните ядра се различават по броя на неутроните. Например, водородът има три изотопа: протий - ядрото се състои от един протон, деутерий - ядрото се състои от един протон и един неутрон, тритий - ядрото се състои от един протон и два неутрона. Ако сравним масите на ядрата с масите на нуклоните, се оказва, че масата на ядрото на тежките елементи е по-голяма от сумата на масите на протоните и неутроните в ядрото, а за леките елементи масата на ядрото е по-малка от сумата на масите на протоните и неутроните в ядрото. Следователно има масова разлика между масата на ядрото и сумата от масите на протоните и неутроните, наречена дефект на масата. M = Mn-(Mp + Mn). Тъй като има връзка между масата и енергията, тогава по време на деленето на тежките ядра и по време на синтеза на леките ядра трябва да се освободи енергия, която съществува поради дефект на масата, и тази енергия се нарича енергия на свързване на атомното ядро. Освобождаването на тази енергия може да се случи по време на ядрени реакции. Ядрената реакция е процес на промяна на заряда на ядрото и неговата маса, който възниква по време на взаимодействието на ядрото с други ядра или елементарни частици. Когато протичат ядрени реакции, законите за запазване на електрическите заряди и масовите числа са изпълнени: сумата от зарядите (масовите числа) на ядрата и частиците, влизащи в ядрена реакция, е равна на сумата от зарядите (масовите числа) на крайни продукти (ядра и частици) от реакцията. Верижната реакция на делене е ядрена реакция, при която частиците, причиняващи реакцията, се образуват като продукти на реакцията. Необходимо условие за развитие на веригата

39. Експеримент за разсейване на алфа частици.

Първият опит за създаване на модел на атома въз основа на натрупаните експериментални данни (1903 г.) принадлежи на Дж. Томсън. Той вярва, че атомът е електрически неутрална сферична система с радиус приблизително 10–10 м. Положителният заряд на атома е равномерно разпределен в целия обем на топката, а отрицателно заредените електрони са разположени вътре в него (фиг. 6.1). .1). За да обясни линейните емисионни спектри на атомите, Томсън се опита да определи местоположението на електроните в атома и да изчисли честотите на техните вибрации около равновесните позиции. Тези опити обаче бяха неуспешни. Няколко години по-късно в експериментите на великия английски физик Е. Ръдърфорд се доказва, че моделът на Томсън е неправилен.

Фигура 6.1.1.

Моделът на атома на Дж. Томсън

Първите директни експерименти за изследване на вътрешната структура на атомите са извършени от Е. Ръдърфорд и неговите сътрудници Е. Марсден и Х. Гайгер през 1909-1911 г. Ръдърфорд предложи да се използва атомно сондиране с помощта на α-частици, които възникват по време на радиоактивния разпад на радий и някои други елементи. Масата на алфа частиците е приблизително 7300 пъти по-голяма от масата на електрона, а положителният заряд е равен на удвоения елементарен заряд. В експериментите си Ръдърфорд използва α-частици с кинетична енергия около 5 MeV (скоростта на такива частици е много висока - около 107 m/s, но все пак значително по-малка от скоростта на светлината). α частиците са напълно йонизирани хелиеви атоми. Те са открити от Ръдърфорд през 1899 г., докато изучават явлението радиоактивност. Ръдърфорд бомбардира атоми на тежки елементи (злато, сребро, мед и др.) с тези частици. Електроните, които изграждат атомите, поради ниската си маса не могат да променят забележимо траекторията на α частицата. Разсейването, тоест промяната в посоката на движение на α-частиците, може да бъде причинено само от тежката, положително заредена част на атома. Диаграмата на експеримента на Ръдърфорд е показана на фиг. 6.1.2.

Фигура 6.1.2.

Схема на експеримента на Ръдърфорд за разсейване на α-частици. K – оловен контейнер с радиоактивно вещество, E – екран, покрит с цинков сулфид, F – златно фолио, M – микроскоп)

От радиоактивен източник, затворен в оловен контейнер, алфа частиците се насочват върху тънко метално фолио. Разпръснатите частици падаха върху екран, покрит със слой от кристали от цинков сулфид, способни да светят, когато бъдат ударени от бързо заредени частици. Сцинтилации (светкавици) на екрана се наблюдават с око с помощта на микроскоп. Наблюденията на разпръснати α частици в експеримента на Ръдърфорд могат да се извършват под различни ъгли φ спрямо първоначалната посока на лъча. Установено е, че повечето α частици преминават през тънък слой метал с малко или никакво отклонение. Но малка част от частиците се отклоняват под значителни ъгли, надвишаващи 30°. Много редки алфа частици (около една на десет хиляди) са били отклонени под ъгли, близки до 180°.

Този резултат беше напълно неочакван дори за Ръдърфорд. Неговите идеи бяха в рязко противоречие с модела на Томсън за атома, според който положителният заряд е разпределен в целия обем на атома. При такова разпределение положителният заряд не може да създаде силно електрическо поле, което да изхвърли α частици обратно. Електрическото поле на еднакво заредена топка е максимално на нейната повърхност и намалява до нула, когато се приближи до центъра на топката. Ако радиусът на топката, в която е концентриран целият положителен заряд на атома, намалее с n пъти, тогава максималната отблъскваща сила, действаща върху α-частицата, ще се увеличи с n2 пъти според закона на Кулон. Следователно, за достатъчно голяма стойност на n, алфа частиците могат да претърпят разсейване на големи ъгли до 180°. Тези съображения доведоха Ръдърфорд до заключението, че атомът е почти празен и целият му положителен заряд е концентриран в малък обем. Ръдърфорд нарича тази част от атома атомно ядро. Така възниква ядреният модел на атома. Ориз. 6.1.3 илюстрира разсейването на α частица в атом на Томсън и в атом на Ръдърфорд.

Ърнест Ръдърфорд (1871-1937).

Английски физик, основател на ядрената физика, член на Лондонското кралско общество (1903 г., президент през 1925-1930 г.) и на повечето академии по света. Роден в Брайтуотър (Нова Зеландия). През 1899г открива алфа и бета лъчи през 1900 г - продукт на разпадане на радий (еманация) и въвежда понятието полуживот. Заедно с Ф. Соди през 1902 - 1903г. развива теорията за радиоактивния разпад и установява закона за радиоактивните трансформации. През 1903г доказа, че алфа лъчите се състоят от положително заредени частици (Нобелова награда за химия, 1908 г.).

През 1908г заедно с Г. Гайгер проектира устройство за записване на отделни заредени частици (брояч на Гайгер). Инсталиран през 1911 г законът за разсейване на алфа-частици от атоми на различни елементи (формула на Ръдърфорд), което направи възможно създаването през 1911 г. на нов модел на атома - планетарен (модел на Ръдърфорд).

Той изложи идеята за изкуствена трансформация на атомните ядра (1914 г.). През 1919г извършва първата изкуствена ядрена реакция, превръщайки азота в кислород, като по този начин поставя основите на общата ядрена физика, открива протона. През 1920г предсказа съществуването на неутрона и деутрона. Заедно с М. Олифант той го доказва експериментално през 1933г. валидност на закона за връзката между маса и енергия при ядрени реакции. През 1934г проведе реакцията на синтез на дейтрони с образуването на тритий.

Първите експерименти за изследване на структурата на атома са предприети от Ърнест Ръдърфорд през 1911 г. Те стават възможни благодарение на откриването на явлението радиоактивност, при което в резултат на естествения радиоактивен разпад на тежки елементи се отделят тежки елементи - частици. Оказа се, че тези частици имат положителен заряд, равен на заряда на два електрона, тяхната маса е приблизително 4 пъти по-голяма от масата на водороден атом, т. те са йони на хелиевия атом (). Енергията на частиците варира от eV за уран до eV за торий. Скоростта на частиците е m/s, така че с тях може да се „прострелва” тънко метално фолио. Информацията за разсейването на частиците е показана на фиг. 1.

Изследванията показват, че малък брой частици се отклоняват значително от първоначалната посока на движение. В някои случаи ъгълът на разсейване е близо до 180 градуса. Въз основа на получените данни Е. Ръдърфорд направи изводи, които формират основата планетарен модел на атома:

Има ядро, в което е концентрирана почти цялата маса на атома и целият му положителен заряд, а размерите на ядрото са много по-малки от размерите на самия атом;

Електроните, които изграждат атома, се движат около ядрото по кръгови орбити.

Въз основа на тези две предпоставки и приемайки, че взаимодействието между падаща частица и положително заредено ядро се определя от кулонови сили, Ръдърфорд установява, че атомните ядра имат размери ()m, т.е. те са () пъти по-малки от размера на атомите.

Моделът на атома, предложен от Ръдърфорд, наподобява слънчевата система, т.е. в центъра на атома има ядро („Слънце“), а електроните – „планети“ – се движат по орбити около него. Ето защо се нарича моделът на Ръдърфорд планетарен атомен модел.

Този модел беше стъпка напред към съвременното разбиране за структурата на атома. Основната концепция атомно ядро, в който целият положителен заряд на атома и почти цялата му маса са концентрирани,е запазила значението си и до днес.

Предположението обаче, че електроните се движат по кръгови орбити несъвместиминито със законите на класическата електродинамика, нито с линейния характер на емисионните спектри на атомните газове.

Нека илюстрираме казаното за планетарния модел на Ръдърфорд с примера на водородния атом, който се състои от масивно ядро (протон) и електрон, движещ се около него по кръгова орбита. Тъй като орбиталният радиус m (първа орбита на Бор) и скорост на електрона m/s, неговото нормално ускорение . Електрон, който се движи с ускорение по кръгова орбита, е двуизмерен осцилатор. Следователно, според класическата електродинамика, той трябва да излъчва енергия под формата на електромагнитна вълна. В резултат на това електронът неизбежно ще се приближи до ядрото за време s. В действителност обаче водородният атом е стабилна и „дълготрайна“ електромеханична система.

Опитите на Ръдърфорд върху разсейването на алфа частици Ядрен модел на атома.

Известно е, че думата "атом" в превод от гръцки означава "неделим". Английският физик Дж. Томсън разработи (в края на 19 век) първия "модел на атома", според който атомът е положително заредена сфера, в която се носят електрони. Моделът, предложен от Томсън, се нуждаеше от експериментална проверка, тъй като явленията на радиоактивността и фотоелектричния ефект не могат да бъдат обяснени с помощта на атомния модел на Томсън. Затова през 1911 г. Ърнест Ръдърфорд провежда серия от експерименти за изследване на състава и структурата на атомите. В тези експерименти тесен лъч а -частици, излъчени от радиоактивно вещество, бяха насочени върху тънко златно фолио. Зад него имаше екран, способен да свети под въздействието на бързи частици. Установено е, че мнозинството са а - частиците се отклоняват от линейното разпространение след преминаване през фолиото, т.е. разпръскват се и някои а -частиците се изхвърлят обратно 180 0 .

Траектории А-частици, летящи на различни разстояния от ядрото

Лазери

Излъчване и поглъщане на светлина от атоми

Според постулатите на Бор един електрон може да бъде в няколко специфични орбити. Всяка електронна орбита отговаря на определена енергия. Когато един електрон се движи от близка към далечна орбита, атомната система абсорбира количество енергия. Когато един електрон се движи от по-далечна орбита към по-близка спрямо ядрото, атомната система излъчва енергиен квант.

Спектри

Непрекъснат спектър

Изводи от експеримента на Ръдърфорд за разсейване на алфа частици: 1. Има атомно ядро, т.е. малко тяло, в което е концентрирана почти цялата маса на атома и целият положителен заряд. 2. Почти цялата маса на атома е съсредоточена в ядрото. 3. Отрицателните частици – електроните – се въртят около ядрото по затворени орбити. 4. Отрицателният заряд на всички електрони е разпределен в целия обем на атома. Ядрен модел на атом:

Слайд 9от презентацията "Опитът на Ръдърфорд, модел на атома". Размерът на архива с презентацията е 174 KB.

Физика 9 клас

резюме на други презентации

„Структура на атома на елемента“ - Кой е открил явлението радиоактивност. Структура. Атомът е "неделим". Ръдърфорд провежда редица експерименти за изследване на структурата и състава на атомите. Томсън предлага един от първите модели на структурата на атома през 1903 г. Анри Бекерел открива явлението радиоактивност. Частицата предизвика светкавица на екрана. Две събития в края на 19 век доведоха до идеята за сложна атомна структура. Структурата на атома. Планетарен (ядрен) модел.

"Облачна камера" - Предназначение на устройството. Принцип на робота. Подобрение. Капацитет. Изобретател на устройството. Значение. Камера. Уилсън. Камера на Уилсън. устройство.

“Безопасност на ядрената енергия” - Из историята на ядрената енергетика. Реакция на разпадане на уранови ядра. Схема на работа на кипящ ядрен реактор. Безопасност. Диаграма на кипящ ядрен реактор. Атомните електроцентрали имат повече възможности за производство на енергия. Атомни електроцентрали. Вредата от ядрената енергия. Атомни електроцентрали на картата на Русия. Ядрен реактор. Ядрената енергия. Термоядрен синтез. Ползите и вредите от ядрената енергия. Ядрени ледоразбивачи.

“Физика “Движение”” - Взаимодействие на телата. Механика. Закон за запазване в механиката. Структурата на атома. Инерция и маса на телата. Скорост при неравномерно движение. Как се променят координатите. Движение при праволинейно равномерно ускорено движение. Основи на динамиката. Работа на силата. 2-ри закон на Нютон. Свободно падане на тела. Основи на физиката. Изучаване на свойствата на материята. вектор. 3-ти закон на Нютон. Период и честота на обращение. Ускорение. Физиката е точна наука.

„Трептения на математическо махало“ - План на урока. Практическо използване на трептенията на махалото. Галилео Галилей (1564-1642). Хюйгенс Кристиан (1629 – 1695). Всяко тяло може да извършва колебателни движения. Експериментът е проведен в тесен кръг. Илюстрация на механични вибрации на примера на махало на Фуко. Стара сграда на университета в Пиза. Истинското махало може да се счита за математическо, ако дължината на конеца е много по-голяма от размера на тялото, окачено върху него.

„Първа космическа скорост“ - Решаване на проблеми. Ускоряване на свободното падане. Скоростта, която трябва да се придаде на тялото, за да стане то сателит. Въведение в изкуствените спътници. Първа евакуационна скорост. Условия, при които едно тяло се превръща в изкуствен интелект. Изкуствени спътници на Земята. Определете първата евакуационна скорост за изстрелване на сателит. Реши задачата. Революцията на планетите около Слънцето.