分散と粒子の経験の要素。 ラザフォードのアルファ粒子散乱実験 (簡単に)

導入

原子はもともと分割できないと考えられていましたが、複雑な系です。 それらは陽子と中性子の巨大な原子核を持ち、その周りを電子が空いた空間を移動します。 原子は非常に小さく、その寸法は約 10 –10 –10 –9 m ですが、原子核の寸法はさらに約 100,000 分の 1 (10 –15 –10 –14 m) です。 したがって、原子は非常に高倍率の画像で (たとえば、電界放出プロジェクターを使用して) 間接的にのみ「見る」ことができます。 しかし、この場合でも原子を詳しく見ることはできません。 それらの内部構造に関する私たちの知識は膨大な実験データに基づいており、間接的ではありますが説得力を持って上記を裏付けています。 原子の構造に関する考え方は 20 世紀に根本的に変わりました。 新しい理論的アイデアと実験データの影響を受けています。 原子核の内部構造の説明にはまだ未解決の疑問があり、集中的な研究が行われています。 以下のセクションでは、原子全体の構造に関する考え方の発展の歴史を概説します。 これらの考え方は主に独立して発展したものであるため、別の記事で原子核の構造 (原子核の構造) を取り上げます。 原子の外殻を研究するのに必要なエネルギーは比較的小さく、熱エネルギーまたは化学エネルギー程度です。 このため、電子は原子核が発見されるずっと前に実験的に発見されました。 原子核は、その小さいサイズにもかかわらず、非常に強く結合しているため、原子間に働く力よりも何百万倍も強い力を借りないと破壊したり研究したりすることができません。 原子核の内部構造の理解における急速な進歩は、粒子加速器の出現によって初めて始まりました。 サイズと結合エネルギーにおけるこの大きな違いにより、原子全体の構造を原子核の構造とは別に考えることが可能になります。 原子の大きさとそれが占める空の空間を知るために、直径 1 mm の水滴を構成する原子を考えてみましょう。 この滴を頭の中で地球の大きさに拡大すると、水分子に含まれる水素原子と酸素原子の直径は 1 ～ 2 m になります。各原子の質量の大部分はその中心である直径に集中しています。そのうちのわずか0.01mmでした。

主要部分

私。 原子の構造に関する考え方の進化

原子の複雑な構造の発見は、現代物理学の発展において最も重要な段階です。 原子システムの説明を可能にする原子構造の定量的理論を作成する過程で、量子力学によって記述される微粒子の特性についての新しいアイデアが形成されました。

上で述べたように、原子は物質の分割できない最小の粒子であるという考えは、古代に生まれました（デモクリトス、エピクロス、ルクレティウス）。 中世では、原子の教義は唯物論的であるため、認められませんでした。 18世紀初頭までに。 原子理論の人気が高まっています。 この頃までに、フランスの化学者 A. ラヴォアジエ (1743–1794)、ロシアの偉大な科学者 M.V. ロモノーソフとイギリスの化学者で物理学者の D. ダルトン (1766 ～ 1844 年) は、原子の存在が現実であることを証明しました。 しかし、この時点では、原子は分割できないと考えられていたため、原子の内部構造の問題さえ生じませんでした。

原子理論の発展において重要な役割を果たしたのは、傑出したロシアの化学者D.I. です。 メンデレーエフは 1869 年に元素の周期系を開発し、そこで初めて原子の統一された性質の問題が科学的根拠に基づいて提起されました。 19世紀後半。 電子はあらゆる物質の主要部分の 1 つであることが実験的に証明されています。 これらの結論と多数の実験データは、20 世紀初頭の事実につながりました。 原子の構造の問題が深刻に生じました。

メンデレーエフの周期系で明確に表現されている、すべての化学元素間の自然なつながりの存在は、すべての原子の構造が共通の特性に基づいていること、つまり、それらがすべて互いに密接に関連していることを示唆しています。

ただし、19世紀末まで。 化学では、原子は単純な物質の最小の粒子であり、物質の分割可能性の最終限界であるという形而上学的な信念が広まっていました。 すべての化学変化では分子のみが破壊され、再び作成されますが、原子は変化せず、より小さな部分に分割することはできません。

長い間、原子の構造に関するさまざまな仮説は実験データによって確認されませんでした。 ほんの19世紀末のこと。 原子の構造の複雑さと、特定の条件下で一部の原子が他の原子に変換される可能性を示す発見がなされました。 これらの発見に基づいて、原子の構造に関する理論が急速に発展し始めました。

原子の複雑な構造の最初の間接的な証拠は、高度に希薄化されたガス中での放電中に発生する陰極線の研究から得られました。 これらの光線の特性を研究した結果、これらの光線はマイナスの電荷を帯び、光速に近い速度で飛行する小さな粒子の流れであるという結論に至りました。 特別な技術を使用して、陰極粒子の質量とその電荷の大きさを決定することができ、それらが管内に残っているガスの性質や電極の材質のどちらにも依存しないことを確認することができました。または他の実験条件で作られています。 さらに、カソード粒子は帯電状態でのみ知られており、その電荷を剥がして電気的に中性の粒子に変換することはできません。つまり、電荷がその性質の本質です。 電子と呼ばれるこれらの粒子は、1897 年に英国の物理学者 J. トムソンによって発見されました。

原子の構造の研究は、電子の流れとしての陰極線の性質が最終的に確立され、電子の電荷と質量が決定された後、1897 年から 1898 年に実際に始まりました。 トムソンは原子の最初のモデルを提案し、原子を正の電荷を持った物質の塊として表現し、その中に非常に多くの電子が散在し、電気的に中性の地層に変えました。 このモデルでは、外部の影響の影響下で電子が振動する、つまり加速された速度で移動できると想定されました。 これにより、物質の原子による光の放出と放射性物質の原子によるガンマ線の放出に関する質問に答えることが可能になったと思われます。

トムソンの原子モデルでは、原子内部に正に帯電した粒子が存在することを想定していませんでした。 しかし、それでは放射性物質による正に帯電したアルファ粒子の放出をどのように説明できるのでしょうか? トムソンの原子モデルは、他のいくつかの質問には答えていません。

1911 年、英国の物理学者 E. ラザフォードは、ガスやその他の物質中のアルファ粒子の動きを研究しているときに、原子の正に帯電した部分を発見しました。 さらに徹底的な研究により、平行光線がガスの層や薄い金属板を通過すると、もはや平行光線は現れず、やや発散した光線が現れることがわかりました。つまり、アルファ粒子は散乱する、つまり、元の経路から逸脱します。 偏向角は小さいですが、非常に強く偏向する少数の粒子 (数千個に 1 個程度) が常に存在します。 一部のパーティクルは、まるで突き抜けられない障壁に遭遇したかのように投げ返されます。 これらは電子ではありません。その質量はアルファ粒子の質量よりもはるかに小さいです。 アルファ粒子の質量と同じオーダーの質量を持つ正の粒子と衝突すると、たわみが発生することがあります。 これらの考察に基づいて、ラザフォードは原子の構造を示す次の図を提案しました。

原子の中心には正に帯電した原子核があり、その周りを電子がさまざまな軌道で回転します。 それらの回転中に生じる遠心力は、原子核と電子の間の引力によってバランスがとれ、その結果、電子は原子核から一定の距離に留まります。 電子の質量は無視できるため、原子のほぼ全質量が原子核に集中します。 原子核と電子の割合は比較的少なく、原子系が占める全空間のほんの一部に過ぎません。

ラザフォードによって提案された原子の構造図、または彼らが通常言うところの原子の惑星モデルは、アルファ粒子の偏向現象を簡単に説明します。 実際、原子核と電子のサイズは、原子全体のサイズ（核から最も遠い電子の軌道によって決まります）に比べて非常に小さいため、ほとんどのアルファ粒子は、目立った偏向を起こすことなく原子の中を飛行します。 アルファ粒子が原子核に非常に接近した場合にのみ、電気的反発によりアルファ粒子が元の経路から大きく逸脱します。 このように、アルファ粒子の散乱の研究は、原子の核理論の基礎を築きました。

II. ボーアの公準

原子の惑星モデルにより、物質のアルファ粒子の散乱に関する実験結果を説明することが可能になりましたが、原子の安定性を正当化する際に根本的な困難が生じました。 質的に新しい原子の量子理論を構築する最初の試みは、1913 年にニールス ボーアによって行われました。 彼は、線スペクトルの経験則、原子のラザフォード核模型、光の放出と吸収の量子的性質を 1 つの全体に結び付けるという目標を設定しました。 ボーアはラザフォードの核モデルに理論を基礎としました。 彼は、電子が原子核の周りを円軌道で移動していると示唆しました。 円運動は、一定速度であっても加速度が生じます。 この加速された電荷の移動は交流に相当し、空間に交流電磁場を生成します。 このフィールドを作成するにはエネルギーが消費されます。 場のエネルギーは、電子と原子核のクーロン相互作用のエネルギーによって生成されます。 その結果、電子はらせん状に移動して原子核に落ちなければなりません。 しかし、経験上、原子は非常に安定した構造であることがわかっています。 このことから、マクスウェルの方程式に基づく古典的な電気力学の結果は原子内プロセスには適用できないことがわかります。 新しいパターンを見つける必要があります。 ボーアは、原子の理論を次の仮定に基づいています。

ボーアの最初の公準(定常状態の仮定): 原子には、エネルギーを放出しない定常 (時間とともに変化しない) 状態が存在します。 原子の定常状態は、電子が移動する定常軌道に対応します。 静止軌道における電子の運動には電磁波の放出は伴いません。この公準は古典理論と矛盾します。 原子の静止状態では、円軌道を運動する電子は角運動量の離散量子値を持たなければなりません。

ボーアの第 2 公準(周波数規則): 電子がある静止軌道から別の静止軌道に移動するとき、エネルギーを持った 1 つの光子が放出 (吸収) されます。

対応する定常状態のエネルギーの差に等しい（En と Em はそれぞれ、放射/吸収前後の原子の定常状態のエネルギー）。静止軌道番号 m から静止軌道番号 m への電子の遷移 nエネルギーのある状態からの原子の遷移に対応する エムエネルギーEnを持った状態になります（図1）。

図1。 ボーアの公準の説明へ

рEn>Em 光子放出が発生します (エネルギーが高い状態からエネルギーが低い状態への原子の遷移、つまり、原子核からより遠い軌道からより近い軌道への電子の遷移)。<Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот 量子は遷移し、原子の線スペクトルを決定します。 ボーアの理論は、実験的に観察された水素の線スペクトルを見事に説明しました。 水素原子理論の成功は、200 年以上にわたって無条件に有効であり続けてきた古典力学の基本原理を放棄するという代償を払って達成されました。 したがって、ボーアの公準、特に最初の公準 (定常状態の存在に関する) の妥当性を直接実験的に証明することは、非常に重要でした。 2 番目の公準は、エネルギー保存則と光子の存在に関する仮説の結果として考えることができます。 ドイツの物理学者 D. フランクと G. ヘルツは、遅延ポテンシャル法 (1913 年) を使用して電子とガス原子の衝突を研究し、定常状態の存在と原子エネルギー値の離散性を実験的に確認しました。 水素原子に関するボーアの概念は疑いなく成功し、スペクトルの定量理論を構築できることが判明したにもかかわらず、水素の隣のヘリウム原子についてはボーアの概念に基づいて同様の理論を作成することはできませんでした。アイデア。 ヘリウム原子やより複雑な原子に関しては、ボーアの理論では定性的な (非常に重要ではあるが) 結論しか引き出すことができませんでした。 電子がボーア原子内を移動する特定の軌道というアイデアは、非常に条件付きであることが判明しました。 実際、原子内の電子の動きは、軌道上の惑星の動きとほとんど共通点がありません。 現在、量子力学の助けを借りて、あらゆる元素の原子の構造と特性に関する多くの疑問に答えることが可能です。

Ⅲ． 原子核の構造

原子核の構造

核子レベル

ラザフォードが原子の深さで原子核を「発見」してから約 20 年後、中性子が発見されました。中性子は、水素原子の原子核とすべての性質が同じ粒子ですが、電荷を持たない陽子です。 中性子は原子核の内部を調べるのに非常に便利であることが判明しました。 原子核は電気的に中性であるため、原子核の電場は原子核を反発しません。したがって、遅い中性子であっても、核力が発現し始める距離では原子核に容易に近づくことができます。 中性子の発見後、ミクロ世界の物理学は飛躍的に進歩しました。

中性子の発見直後、二人の理論物理学者、ドイツのヴェルナー・ハイゼンベルクとソ連のドミトリー・イヴァネンコは、原子核は中性子と陽子から構成されているという仮説を立てました。 原子核の構造に関する現代の理解はそれに基づいています。

陽子と中性子は核子という言葉で結合されます。 陽子は、最も軽い化学元素である水素の原子核である素粒子です。 原子核内の陽子の数は周期表の元素の原子番号に等しく、Z (中性子の数 - N) と呼ばれます。 陽子は正の電荷を持ち、絶対値が素電荷に等しい。 電子の約 1836 倍重いです。 陽子は、電荷 Q = + 2/3 の 2 つのアップクォークと、Q = – 1/3 の 1 つの d クォークで構成されており、これらはグルーオン場によって結合されています。 最終的な寸法は 10 ～ 15 メートル程度ですが、固体の球体としては想像できませんが、むしろ境界がぼやけていて、生成および消滅した仮想粒子からなる雲に似ています。

中性子の電荷は0、質量は約940MeVです。 中性子は 1 つの u クォークと 2 つの d クォークで構成されます。 この粒子は安定な原子核の組成内でのみ安定であり、自由中性子は電子、陽子、反電子ニュートリノに崩壊します。 中性子の半減期（元の中性子の数の半分が崩壊するまでにかかる時間）は約 12 分です。 物質中では、中性子は原子核による強い吸収により、自由な形で存在できる時間はさらに短くなります。 陽子と同様に、中性子は電磁相互作用を含むあらゆるタイプの相互作用に関与します。一般的に中性であり、その複雑な内部構造により、その中に電流が存在します。

原子核では、核子は特別な種類の力、つまり核によって束縛されています。 それらの特徴の 1 つは作用時間が短いことです。10 ～ 15 m 以下の距離では他の力を上回り、その結果、核子は同様に帯電した陽子の静電反発力の影響で飛び散ることがありません。 。 遠距離では、核力は急速にゼロに減少します。

核力の作用メカニズムは、電磁力と同じ原理、つまり相互作用する物体と仮想粒子の交換に基づいています。

量子論における仮想粒子は、対応する現実の粒子と同じ量子数 (スピン、電荷、バリオン電荷など) を持ちますが、エネルギー、運動量、質量の間の通常の関係が成立しない粒子です。

IV. ラザフォードの実験

磁場では、放射線束はアルファ線、ベータ線、ガンマ線の 3 つの成分に分解されます。

放射能の現象は原子の複雑な構造を示した

結論

結論として、物理学のさらなる発展により、この概念には多くの誤りが明らかになりましたが、ラザフォード＝ボーアの概念はすでに絶対的な真実の粒子以上のものであるという結論に達しました。 絶対的に正しい知識のさらに大部分は、原子の量子力学理論に含まれています。

原子が固体で分割できない物質の構造単位であるという古典物理学の考え方が否定されたため、原子の複雑な構造の発見は物理学における主要な出来事でした。

レーザー

放射線の量子理論に基づいて、電波の量子発生装置と可視光の量子発生装置 (レーザー) が構築されました。 レーザーは、非常に高出力のコヒーレント放射を生成します。 レーザー放射は、宇宙での通信、情報の記録と保存 (レーザー ディスク)、医療における溶接など、科学技術のさまざまな分野で非常に広く使用されています。

スペクトル

ボーアの理論により、線スペクトルの存在を説明できるようになりました。
式 (1) は、原子の発光スペクトルと吸収スペクトルが並ぶ理由を定性的に示しています。 実際、原子はエネルギー値の違いに対応する周波数の波のみを放射できます。 E1、E2、. 。 。 、エン、。 。 原子の発光スペクトルが、別々に配置された鋭い輝線で構成されているのはこのためです。 同時に、原子は光子を吸収できませんが、エネルギーのある光子だけを吸収できます。 うーんこれは差に正確に等しい えん − Ekいくつかの 2 つの許容エネルギー値 えんそして Ek。 より高いエネルギー状態への移行 えん、原子は、元の状態への逆遷移中に放出できる光子とまったく同じ光子を吸収します。 Ek。 簡単に言うと、原子は連続スペクトルから自身が発する線を取り出します。 これが、冷たい原子ガスの吸収スペクトルの暗線が、加熱された状態の同じガスの発光スペクトルの輝線が位置する場所と正確に位置する理由です。

連続スペクトル 水素放出スペクトル 水素吸収スペクトル

ギリシャ語から翻訳された「原子」という言葉は「分割できない」という意味です。 20 世紀初頭までの長い間、原子とは物質の分割できない最小の粒子を意味していました。 20世紀初頭までに。 科学は、原子の複雑な構造を示す多くの事実を蓄積してきました。

原子の構造の研究における大きな進歩は、物質の薄い層を通過するときのアルファ粒子の散乱に関する英国の科学者アーネスト・ラザフォードの実験で達成されました。 これらの実験では、放射性物質によって放出されるα粒子の細いビームが薄い金箔に向けられました。 スクリーンはフォイルの後ろに配置され、高速粒子の衝撃下で発光することができます。 ほとんどのα粒子は箔を通過した後に直線伝播から外れて散乱し、一部のα粒子は一般に弾き返されることがわかった。 ラザフォードは、α粒子の散乱を、これまで想定されていたように、正電荷が半径10 -10 mの球内に均一に分布しているのではなく、原子の中心部分、つまり原子核に集中しているという事実によって説明しました。 プラスの電荷を持ったα粒子は原子核の近くを通過すると反発され、原子核に当たると逆方向に弾き返されます。 同じ電荷を持つ粒子はこのように動作するため、原子の中心には正に帯電した部分があり、そこに原子のかなりの質量が集中しています。 計算の結果、実験を説明するには原子核の半径を約 10 -15 m とする必要があることがわかりました。

ラザフォードは、原子は惑星系のような構造をしていると示唆した。 ラザフォードの原子構造モデルの本質は次のとおりです: 原子の中心には正に帯電した原子核があり、その中にすべての質量が集中しています; 電子は原子核の周りを遠方の円軌道で回転します (惑星のように)太陽の周り）。 原子核の電荷は、周期表の化学元素の番号と一致します。

h はプランク定数です。

1. ギリシャ語から翻訳された「原子」という言葉は、「分割できない」という意味です。 20 世紀初頭までの長い間、原子とは物質の分割できない最小の粒子を意味していました。 20世紀初頭までに。 科学は、原子の複雑な構造を示す多くの事実を蓄積してきました。

原子の構造の研究における大きな進歩は、物質の薄い層を通過する際のアルファ粒子の散乱に関する英国の科学者アーネスト・ラザフォードの実験で達成されました。 これらの実験では、放射性物質によって放出されるアルファ粒子の細いビームが薄い金箔に向けられました。 スクリーンはフォイルの後ろに配置され、高速粒子の衝撃下で発光することができます。 α粒子の大部分は、箔を通過した後、直線伝播から外れ、散乱し、一部のα粒子は一般に投げ返されることが判明した。 ラザフォードは、アルファ粒子の散乱を、これまで想定されていたように、正電荷が半径10^~10mの球内に均一に分布しているのではなく、原子の中心部、つまり原子核に集中しているという事実によって説明した。 プラスの電荷を持ったα粒子は原子核の近くを通過すると反発され、原子核に当たると逆方向に弾き返されます。 同じ電荷を持つ粒子はこのように動作するため、原子の中心には正に帯電した部分があり、そこに原子のかなりの質量が集中しています。 計算の結果、実験を説明するには原子核の半径を約10^~15mとする必要があることが分かりました。

ラザフォードは、原子は惑星系のような構造をしていると示唆した。 ラザフォードの原子構造モデルの本質は次のとおりです: 原子の中心には正に帯電した原子核があり、その中にすべての質量が集中しています; 電子は原子核の周りを遠方の円軌道で回転します (惑星のように)太陽の周り）。 原子核の電荷は、周期表の化学元素の番号と一致します。

原子の構造に関するラザフォードの惑星モデルでは、多くのよく知られた事実を説明できませんでした。電荷を持った電子はクーロン引力によって原子核に落ちなければなりません。原子は安定した系です。 円軌道を移動して原子核に近づくとき、原子内の電子は考えられるすべての周波数の電磁波を放射する必要があります。つまり、放射された光は連続スペクトルを持っている必要がありますが、実際の結果は異なります。原子の電子は光を放射します。それは線スペクトルを持っています。 デンマークの物理学者ニーリエ・ボーアは、原子構造の惑星核モデルの矛盾を解決しようとした最初の人物です。

ボーアは彼の理論を 2 つの公準に基づいています。 最初の仮定: 原子系は特別な静止状態または量子状態にのみ存在し、それぞれが独自のエネルギーを持ちます。 定常状態では原子は放出されず、これは、電子 (たとえば、水素原子の場合) がいくつかの明確に定義された軌道に位置できることを意味します。 各電子軌道は非常に特定のエネルギーに対応します。

2 番目の仮定: ある定常状態から別の定常状態への移行中に、電磁放射線の量子が放出または吸収されます。 光子のエネルギーは、次の 2 つの状態の原子のエネルギーの差に等しくなります。

h はプランク定数です。

電子が近くの軌道から遠くの軌道に移動すると、原子系はエネルギー量子を吸収します。 電子が原子核に対して遠い軌道から近い軌道に移動すると、原子系はエネルギー量子を放出します。

科学では、非常に長い間、原子は物質の最小の不可分な粒子であると信じられていました。

1. これらの考えを最初に破ったのはトムソンでした。彼は、原子は「カップケーキの中のレーズンのように」電子が散在している一種のポジティブな物質であると信じていました。 この理論の重要性は、原子がもはや分割できないものとして認識されなくなったことです。
2. ラザフォードはアルファ粒子の散乱に関する実験を実施しました。 重元素（金箔）には放射性物質が照射されました。 ラザフォードは光る円が見えることを期待していましたが、彼は光る輪を見ました。
ラザフォードの説明: 原子の中心にはすべての正電荷が含まれており、電子はアルファ粒子の流れに影響を与えません。
3. BORUによる水素原子の惑星模型	エネルギーの一部（目に見える）を放出することにより、原子は独自の波長のセット、つまりスペクトルのみを与えます。 スペクトルの種類: 1. 放射 (放出) スペクトル: (加熱された状態の物体によって提供される) a) 固体 - 固体、液体、または高密度気体のすべての原子を示します。 b) 線付き - 原子を気体状態で与える 1. 吸収スペクトル: 光が物質を通過すると、その物質は加熱された状態で発する波を正確に吸収します (連続スペクトルに暗い縞が現れます)。 スペクトル分析物質の発光または吸収スペクトルから化学組成を決定する方法です。 この方法は、各化学元素が独自の波長セットを持っているという事実に基づいています。 スペクトル分析の応用:犯罪学、医学、天体物理学。 分光器は、スペクトル分析を実行するための装置です。 分光器は、スペクトルを観察するだけでなく、スペクトルの写真を撮ることもできるという点で分光器とは異なります。 チケットNo.21 1. 物理現象の研究への熱力学的アプローチ。 内部エネルギーとそれを変える方法。 熱力学の第一法則。 熱力学第一法則の等温、等容性、断熱過程への適用。 2. 原子核の構造のモデル。 核戦力。 原子核の核子モデル。 核結合エネルギー。 核反応。 1. 各物体は非常に特殊な構造を持っており、無秩序に動き、相互作用する粒子で構成されているため、どの物体も内部エネルギーを持っています。 内部エネルギーは、身体自身の状態を特徴付ける量、つまりシステムの微粒子の混沌とし​​た（熱）運動のエネルギーです。 (分子、原子、電子、原子核など) とこれらの粒子の相互作用エネルギー。 単原子理想気体の内部エネルギーは、式 U = 3/2 t/M RT によって決定されます。 物体の内部エネルギーは、他の物体との相互作用の結果としてのみ変化します。 内部エネルギーを変化させるには、熱伝達と機械的仕事 (たとえば、摩擦または圧縮時の加熱、膨張時の冷却) の 2 つの方法があります。 熱伝達とは、仕事を行わずに内部エネルギーが変化することです。エネルギーは、より加熱された物体からより加熱されていない物体に伝達されます。 熱伝達には次の 3 つのタイプがあります。 熱伝導率 (相互作用する物体または同じ物体の一部の無秩序に移動する粒子間でのエネルギーの直接交換)。 対流（液体または気体の流れによるエネルギーの伝達）と放射（電磁波によるエネルギーの伝達）です。 熱伝達中に伝達されるエネルギーの尺度は熱量 (Q) です。 これらの方法はエネルギー保存の法則に定量的に組み合わされており、熱プロセスでは次のように解釈されます。閉じたシステムの内部エネルギーの変化は、システムに伝達される熱量と外部エネルギーの仕事の合計に等しいです。システムに対して実行される力。 ここで、 は内部エネルギーの変化、Q はシステムに伝達される熱量、A は外部力の仕事です。 システム自体が作業を行う場合、従来は A* と指定されます。 次に、熱力学の第一法則と呼ばれる熱過程のエネルギー保存則は次のように書くことができます。 システムに伝達される熱量は、システムによる仕事の実行とその内部エネルギーの変化に使用されます。 等圧加熱中、ガスは外力に作用します。ここで、V1 と V2 はガスの初期体積と最終体積です。 プロセスが等圧でない場合、仕事量は、依存性 p(V) とガスの初期および最終体積 V を表す線の間に囲まれた ABCD 図の面積によって決定できます。 熱力学の第一法則を理想気体で起こる等過程に適用することを考えてみましょう。 等温プロセスでは、温度は一定であるため、内部エネルギーは変化しません。 その場合、熱力学第 1 法則の方程式は次の形式になります。つまり、システムに伝達された熱量は等温膨張中に仕事を行うために移動し、そのため温度は変化しません。 等圧過程では、ガスが膨張し、ガスに伝達された熱量がガスの内部エネルギーを増加させて仕事を実行します。 等容性プロセス中、気体はその体積を変化させないため、気体によって仕事は行われません。つまり、A = 0、第 1 法則の方程式は次の形式になります。つまり、伝達された熱量は内部熱量を増加させます。ガスのエネルギー。 断熱は、環境との熱交換なしで起こるプロセスです。 Q = 0 であるため、気体が膨張すると内部エネルギーが減少するため、気体は冷却されます。断熱過程を示す曲線は断熱と呼ばれます。 2. 原子核の構成。 核戦力。 原子核の質量欠損と結合エネルギー。 核反応。 核エネルギー。 あらゆる物質の原子核は陽子と中性子で構成されています。 (陽子と中性子の一般名は核子です。)陽子の数は原子核の電荷に等しく、周期表の元素番号と一致します。 陽子と中性子の数の合計は質量数に等しくなります。 たとえば、酸素原子の原子核は 8 個の陽子と 16 - 8 = 8 個の中性子で構成されます。 原子核は 92 個の陽子と 235 - 92 = 143 個の中性子で構成されています。 原子核内で陽子と中性子を保持する力はと呼ばれます 核戦力。 これは最も強力なタイプのインタラクションです。 1932 年、英国の物理学者ジェームス チャドウィックは、電荷がゼロで単位質量を持つ粒子を発見しました。 これらの粒子は中性子と呼ばれました。 中性子は n と呼ばれます。中性子の発見後、1932 年に物理学者の D. D. イヴァネンコと W. ハイゼンベルクは、原子核の陽子 - 中性子モデルを提唱しました。 このモデルによれば、あらゆる物質の原子核は陽子と中性子から構成されます。 (陽子と中性子の一般名は核子です。)陽子の数は原子核の電荷に等しく、周期表の元素番号と一致します。 陽子と中性子の数の合計は質量数に等しくなります。 たとえば、酸素原子の原子核は 8 個の陽子と 16 - 8 = 8 個の中性子で構成されます。 原子核は 92 個の陽子と 235 - 92 = 143 個の中性子で構成されています。 周期表の同じ位置を占めているが、原子量が異なる化学物質は、同位体と呼ばれます。 同位体原子核は中性子の数が異なります。 たとえば、水素には 3 つの同位体があります。プロチウム - 原子核は陽子 1 つから構成され、重水素 - 原子核は陽子 1 つと中性子 1 つから構成され、三重水素 - 原子核は陽子 1 つと中性子 2 つから構成されます。 原子核の質量と核子の質量を比較すると、重い元素の原子核の質量は原子核内の陽子と中性子の質量の合計より大きく、軽い元素の場合は原子核の質量より大きいことがわかります。は原子核内の陽子と中性子の質量の合計より小さい。 したがって、原子核の質量と陽子と中性子の質量の合計との間には、質量欠陥と呼ばれる質量差が存在します。 M = Mn - (Mp + Mn)。 質量とエネルギーの間には関係があるため、重い原子核の分裂中および軽い原子核の合成中には、質量欠陥により存在するエネルギーが放出されなければなりません。このエネルギーは原子核の結合エネルギーと呼ばれます。 このエネルギーの放出は核反応中に発生する可能性があります。 核反応は、原子核の電荷とその質量を変化させるプロセスであり、原子核と他の原子核または素粒子との相互作用中に発生します。 核反応が起こると、電荷と質量数の保存則が満たされます。つまり、核反応に入る原子核と粒子の電荷 (質量数) の合計は、原子核と粒子の電荷 (質量数) の合計に等しくなります。反応の最終生成物（核と粒子）。 核分裂連鎖反応は、反応を引き起こす粒子が反応生成物として形成される核反応です。 チェーン展開の必須条件

39. アルファ粒子散乱の実験。

蓄積された実験データに基づいて原子のモデルを作成する最初の試み (1903 年) は、J. トムソンによるものでした。 彼は、原子は半径約 10 ～ 10 m の電気的に中性な球系であり、原子の正電荷は球の体積全体に均一に分布し、負に帯電した電子はその内部に存在すると考えました (図 6.1)。 .1）。 原子の線発光スペクトルを説明するために、トムソンは原子内の電子の位置を決定し、平衡位置付近での電子の振動周波数を計算しようとしました。 しかし、これらの試みは失敗に終わりました。 数年後、英国の偉大な物理学者 E. ラザフォードの実験で、トムソンのモデルが間違っていることが証明されました。

図6.1.1。

J. トムソンの原子モデル

原子の内部構造を研究するための最初の直接実験は、1909 年から 1911 年に E. ラザフォードと彼の共同研究者 E. マースデンおよび H. ガイガーによって実行されました。 ラザフォードは、ラジウムや他のいくつかの元素の放射性崩壊中に発生するα粒子を使用した原子探査の使用を提案しました。 アルファ粒子の質量は電子の質量の約 7300 倍で、正電荷は素電荷の 2 倍に等しい。 ラザフォード博士は実験で、運動エネルギーが約 5 MeV の α 粒子を使用しました (このような粒子の速度は約 107 m/s と非常に高速ですが、それでも光の速度よりはかなり遅いです)。 α粒子は完全にイオン化したヘリウム原子です。 それらは 1899 年に放射能現象の研究中にラザフォードによって発見されました。 ラザフォードは、これらの粒子を重元素（金、銀、銅など）の原子に衝突させました。 原子を構成する電子は質量が小さいため、α 粒子の軌道を大きく変えることはできません。 散乱、つまりα粒子の運動方向の変化は、原子の重い正に帯電した部分によってのみ引き起こされます。 ラザフォードの実験の図を図に示します。 6.1.2.

図6.1.2。

α粒子散乱に関するラザフォードの実験のスキーム。 K – 放射性物質が入った鉛の容器、E – 硫化亜鉛でコーティングされたスクリーン、F – 金箔、M – 顕微鏡）

鉛の容器に封入された放射線源から、アルファ粒子が薄い金属箔上に照射されました。 散乱粒子は硫化亜鉛結晶の層で覆われたスクリーン上に落ち、高速荷電粒子が当たると発光する。 画面上のシンチレーション (フラッシュ) は、顕微鏡を使用して目で観察されました。 ラザフォードの実験における散乱α粒子の観察は、ビームの元の方向に対して異なる角度 φ で実行できました。 ほとんどのα粒子は金属の薄い層をほとんど、またはまったく偏向せずに通過することが判明しました。 ただし、粒子のごく一部は 30° を超える大きな角度で偏向されます。 非常にまれなアルファ粒子 (約 1 万個に 1 個) が 180° に近い角度で偏向されました。

この結果はラザフォードにとってもまったく予想外だった。 彼の考えは、正電荷が原子の体積全体に分布するというトムソンの原子モデルと大きく矛盾していました。 このような分布では、正電荷はα粒子を押し返すような強い電場を作り出すことができません。 均一に帯電したボールの電場は、その表面で最大となり、ボールの中心に近づくにつれてゼロに減少します。 原子のすべての正電荷が集中する球の半径が n 倍に減少すると、クーロンの法則に従って、α 粒子に作用する最大反発力は n2 倍に増加します。 したがって、n の値が十分に大きい場合、アルファ粒子は最大 180° までの大きな角度で散乱を受ける可能性があります。 これらの考察により、ラザフォードは、原子はほとんど空であり、そのすべての正電荷は小さな体積に集中しているという結論に至りました。 ラザフォードは原子のこの部分を原子核と呼びました。 こうして原子の核模型が誕生しました。 米。 6.1.3 は、トムソン原子とラザフォード原子における α 粒子の散乱を示しています。

アーネスト・ラザフォード（1871-1937）。

英国の物理学者、核物理学の創始者、ロンドン王立協会（1903年、会長1925年～1930年）および世界中のほとんどの学会の会員。 ブライトウォーター（ニュージーランド）生まれ。 1899年 1900年にアルファ線とベータ線を発見 - ラジウムの崩壊生成物（放射）であり、半減期の概念が導入されました。 1902年から1903年にF.ソディと一緒に。 放射性崩壊の理論を開発し、放射性変化の法則を確立しました。 1903年 アルファ線が正に荷電した粒子で構成されていることを証明しました（1908 年ノーベル化学賞）。

1908年 彼は G. ガイガーとともに、個々の荷電粒子を記録する装置 (ガイガーカウンター) を設計しました。 1911 年に設置 さまざまな元素の原子によるアルファ粒子の散乱の法則（ラザフォードの公式）により、1911年に原子の新しいモデルである惑星（ラザフォードのモデル）を作成することが可能になりました。

彼は原子核の人為的変換のアイデアを提唱しました (1914)。 1919年 最初の人工核反応を実行し、窒素を酸素に変換し、それによって共同核物理学の基礎を築き、陽子を発見しました。 1920年 中性子と重陽子の存在を予言した。 彼は M. オリファントとともに 1933 年にそれを実験的に証明しました。 核反応における質量とエネルギーの関係の法則の妥当性。 1934年 トリチウムの形成を伴う重陽子の融合反応を実行しました。

原子の構造を研究する最初の実験は、1911 年にアーネスト・ラザフォードによって行われました。これらの実験は、重元素の自然放射性崩壊の結果として重元素が放出される、放射能現象の発見のおかげで可能になりました。 -粒子。 これらの粒子は電子 2 個の電荷に等しい正電荷を持っていることが判明しました。その質量は水素原子の質量の約 4 倍、つまり 1 倍です。 それらはヘリウム原子のイオンです ()。 粒子のエネルギーは、ウランの eV からトリウムの eV まで変化します。 粒子の速度は m/s なので、薄い金属箔を「貫通」するのに使用できます。 粒子の散乱に関する情報は図に示されています。 1.

研究によると、少数の粒子が元の移動方向から大きく逸脱していることがわかっています。 場合によっては、散乱角が 180 度に近かったこともあります。 得られたデータに基づいて、E. ラザフォードは基礎となる結論を導き出しました。 原子の惑星模型:

原子のほぼ全質量とそのすべての正電荷が集中している原子核があり、その原子核の寸法は原子自体の寸法よりもはるかに小さいです。

原子を構成する電子は原子核の周りを円軌道で運動します。

これら 2 つの前提に基づいて、入射粒子と正に帯電した原子核の間の相互作用がクーロン力によって決定されると仮定して、ラザフォードは原子核の寸法が ()m であることを確立しました。 それらは原子のサイズより () 倍小さいです。

ラザフォードによって提案された原子のモデルは太陽系に似ています。 原子の中心には原子核 (「太陽」) があり、電子 (「惑星」) がその周りの軌道を運動します。 これがラザフォードのモデルと呼ばれる理由です。 惑星原子模型.

このモデルは、原子の構造の現代的な理解への一歩となりました。 根底にあるコンセプト 原子核、 その中で 原子の正電荷全体とその質量のほぼすべてが集中しており、今日までその意味を保っています。

ただし、電子が円軌道を運動するという仮定は、 非互換古典的な電気力学の法則にも、原子ガスの発光スペクトルの線の性質にも当てはまりません。

水素原子の例を使用して、ラザフォードの惑星モデルについて述べられていることを説明しましょう。水素原子は、巨大な原子核 (陽子) とその周りを円軌道で運動する電子で構成されています。 軌道半径からして m (第一ボーア軌道) と電子速度 m/s、通常の加速度 。 円軌道上を加速して運動する電子は二次元振動子です。 したがって、古典的な電気力学によれば、電磁波の形でエネルギーを放射する必要があります。 その結果、電子は必然的に時間 s で原子核に近づくことになります。 しかし、実際には、水素原子は安定した「長寿命」の電気機械システムです。

アルファ粒子の散乱に関するラザフォードの実験、原子の核模型。

ギリシャ語から翻訳された「原子」という言葉は「不可分」を意味することが知られています。 英国の物理学者 J. トムソンは、(19 世紀後半に) 最初の「原子のモデル」を開発しました。それによると、原子は正に帯電した球体であり、その中に電子が浮遊しています。 トムソンの原子モデルでは放射能や光電効果の現象を説明できないため、トムソンが提案したモデルは実験による検証が必要でした。 そこで、1911 年にアーネスト ラザフォードは原子の組成と構造を研究するために一連の実験を実施しました。 これらの実験では、狭いビーム ある -放射性物質から放出される粒子は、薄い金箔上に向けられました。 その背後には、高速粒子の衝撃で発光するスクリーンがありました。 大多数は次のとおりであることがわかりました。 ある - 粒子はフォイルを通過した後、直線伝播から逸脱し、散乱します。 ある -パーティクルは 180 0 で投げ戻されます。

軌跡 あ- 原子核からさまざまな距離を飛んでいる粒子

レーザー

放射線の量子理論に基づいて、電波の量子発生装置と可視光の量子発生装置 (レーザー) が構築されました。 レーザーは、非常に高出力のコヒーレント放射を生成します。 レーザー放射は、宇宙での通信、情報の記録と保存 (レーザー ディスク)、医療における溶接など、科学技術のさまざまな分野で非常に広く使用されています。

原子による光の発光と吸収

ボーアの公準によれば、電子はいくつかの特定の軌道に存在する可能性があります。 各電子軌道は特定のエネルギーに対応します。 電子が近い軌道から遠い軌道に移動すると、原子系はエネルギー量子を吸収します。 電子が原子核に対して遠い軌道から近い軌道に移動すると、原子系はエネルギー量子を放出します。

スペクトル

ボーアの理論により、線スペクトルの存在を説明できるようになりました。
式 (1) は、原子の発光スペクトルと吸収スペクトルが並ぶ理由を定性的に示しています。 実際、原子はエネルギー値の違いに対応する周波数の波のみを放射できます。 E1、E2、. 。 。 、エン、。 。 原子の発光スペクトルが、別々に配置された鋭い輝線で構成されているのはこのためです。 同時に、原子は光子を吸収できませんが、エネルギーのある光子だけを吸収できます。 うーんこれは差に正確に等しい えん − Ekいくつかの 2 つの許容エネルギー値 えんそして Ek。 より高いエネルギー状態への移行 えん、原子は、元の状態への逆遷移中に放出できる光子とまったく同じ光子を吸収します。 Ek。 簡単に言うと、原子は連続スペクトルから自身が発する線を取り出します。 これが、冷たい原子ガスの吸収スペクトルの暗線が、加熱された状態の同じガスの発光スペクトルの輝線が位置する場所と正確に位置する理由です。

連続スペクトル

ラザフォードのアルファ粒子散乱実験からの結論: 1. 原子核が存在します。 原子のほぼ全質量とすべての正電荷が集中している小さな物体。 2. 原子のほぼ全質量が原子核に集中しています。 3. 負の粒子である電子は、原子核の周りを閉じた軌道で回転します。 4. すべての電子の負電荷は原子の体積全体に分布しています。 原子の核モデル:

物理9年生

「元素の原子の構造」 - 放射能という現象を発見した人。 構造。 原子は「不可分」です。 ラザフォードは、原子の構造と組成を研究するために多くの実験を実施しました。 トムソンは 1903 年に原子の構造に関する最初のモデルの 1 つを提案しました。 アンリ・ベクレルは放射能の現象を発見しました。 粒子により画面にフラッシュが発生しました。 19 世紀末の 2 つの出来事により、複雑な原子構造のアイデアが生まれました。 原子の構造。 惑星（核）モデル。

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