Некоторые вопросы по курсу физики

Выделение общего сведен к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой - общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным концепциям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время. Эти понятия широко используются не только в естествознании, но и во многих гуманитарных сферах, например, в искусстве, в экономике, не говоря уже о философии. Окружающий нас мир. всё существующее вокруг нас и обнаруживаемое нами посредством ощущений представляет собой материю. Материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая... отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Кто знает, может быть, данное определение не является исчерпывающим - это покажет дальнейшее развитие науки. В классическом представлении в естествознании различают два вида материи: вещество и поле. В современном представлении к этим двум следует добавить третий вид материи - физический вакуум. Некоторые ученые в духе концепции корпускулярно-волнового дуализма объединяют вещество и поле в единый тип реальности, которая действует на наши органы чувств и взаимодействует сама с собой, проявляясь в одних условиях как вещество (физические тела, молекулы, атомы, частицы), а в других - как поле (свет, радиация, гравитация, радиоволны). Однако такое объединение в большей степени касается не макро-, а микромира, многие свойства которого носят квантово-механический характер.

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступают материальная частица малых размеров - корпускула, часто называемая материальной точкой, и физическое тело, или просто тело как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Вряд ли вызывает сомнение существование этих вещественных образований в различных конкретных формах: песчинка, камень, капля воды и т.п. Что касается проблемы делимости вещества или дилеммы "атомизм - безграничная делимость" то она в значительной степени решена физиками и химиками только в начале нашего столетия, когда было экспериментально подтверждено существование атомов и молекул - мельчайших частиц химического элемента и химических соединений.

Идеальными и предельно абстрактными физическими образами реально существующих частиц и тел в классической механике служат материальная точка и абсолютно твердое тело как система материа. [ьных точек.

Повседневный опыт показывает, что тела действуют друг на друга, что приводит к всевозможным изменениям и движениям. Взаимодействие тел в макромире происходит под действием силы тяготения или электромагнитных сил. В классической механике понятие силы считается фундаментальным. Сила - физическая мера взаимодействия тел и причина изменения их механического движения, т. е. их перемещения друг относительно друга.

18. Гипотеза тепловой смерти Вселенной

Тепловая смерть Вселенной (Т.С.В.) - это вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы. Такое состояние соответствовало бы Т.С.В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т.С.В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.

Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о Т.С.В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии.

Наблюдения показывают. что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к Т.С.В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.

Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине XIX века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций.

Угроза тепловой смерти Вселенной, как мы уже говорили ранее, была высказана в середине XIX в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть - это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих. Развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом. Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:

Энергия мира постоянна

Энтропия мира стремится к максимуму.

Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.

19.Электромагнитные волны. Шкала электромагнитных волн

Электромагнитные волн ы, электромагнитные колебания,распространяющиеся в

пространстве с конечной скоростью. Существование Э. в. было предсказано М. Фарадеем в 1832. Дж. Максвелл в 1865 теоретически показал, что электромагнитные колебания не остаются локализованными в пространстве, а распространяются в вакууме со скоростью света с во все стороны от источника. Из того обстоятельства, что скорость распространения Э. в. в вакууме равна скорости света, Максвелл сделал вывод, что свет представляет собой Э. в. В 1888 максвелловская теория Э. в. получила подтверждение в опытах Г. Герца, что сыграло решающую роль для её утверждения.

Теория Максвелла позволила единым образом подойти к описанию радиоволн, света, рентгеновских лучей и I амма-излучения. Оказалось, что это не излучения различной природы, а Э. в. с различной длиной волны. Частота \у колебаний электрического Е и магнитного Н полей связана с длиной волны 1 соотношением: 1= 2рсЛу. Радиоволны, рентгеновские лучи и g-излyчeниe находят своё место в единой шкале Э. в. (рис.), причём между соседними диапазонами шкалы Э. в. нет резкой границы.

Особенности Э. в., законы их возбуждения и распространения описываются Максвелла уравнениями. Если в какой-то области пространства существуют электрические заряды е и токи I, то изменение их со временем ? приводит к излучению Э. в. На скорость распространения Э. в. существенно влияет среда, в которой они распространяются. Э. в. могут испытывать преломление, в реальных средах имеет место дисперсия волн, вблизи неоднородностей наблюдаются дифракция волн, интерференция волн (прямой и отражённой), полное внутреннее отражение и другие явления, свойственные волнам любой природы. Пространств, распределение электромагнитных полей, временные зависимости Е (/) и Н (/), определяющие тип волн (плоские, сферические и др.), вид поляризации (см. Поляризация волн) и другие особенности Э. в. задаются, с одной стороны, характером источника излучения, и с другой -- свойствами среды, в которой они распространяются. В случае однородной и изотропной среды, вдали от зарядов и токов, создающих электромагнитное поле, уравнения Максвелла, приводят к волновым уравнениям:

; '

описывающим распространение плоских монохроматических Э. в.:

Е = E0 cos (kr -- wt + j)

Н = H0 cos (kr -- wt + j).

Здесь е -- диэлектрическая проницаемость, mN -- магнитная проницаемость среды, Ео и Но -- амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w -- частота этих колебаний, j -- произвольный сдвиг фазы, к -- волновой вектор, г -- радиус-вектор точки; N2 -- Лапласа оператор.

20.Электромагнитные волны. Природа света

Первые теории о природе света - корпускулярная и волновая -появились в середине 17 века.

Согласно корпускулярной теории (или теории истечения) свет представляет собой поток частиц (корпускул), которые испускаются источником света.

Эти частицы движутся в пространстве и взаимодействуют с веществом по законам механики. Эта теория хорошо объясняла законы прямолинейного распространения света, его отражения и преломления. Основоположником данной теории является Ньютон.

Рис.1

А - исходный волновой фронт

В - новый волновой фронт

Согласно волновой теории свет представляет собой упругие продольные волны в особой среде, заполняющей все пространство - светоносном эфире. Распространение этих волн описывается принципом Гюйгенса.

Каждая точка эфира, до которой дошел волновой процесс, является источником элементарных вторичных сферических волн, огибающая которых образует новый фронт колебаний эфира (см. рис. 1).

Гипотеза о волновой природе света высказана Гуком, а развитие она получила в работах Гюйгенса, Френеля, Юнга.

Понятие упругого эфира привело к неразрешимым противоречиям. Например, явление поляризации света показало. что световые волны поперечны. Упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, где имеет место деформация сдвига. Поэтому эфир должен быть твердой средой, но в то же время не препятствовать движению космических объектов. Экзотичность свойств упругого эфира являлась существенным недостатком первоначальной волновой теории.

Противоречия волновой теории были разрешены в 1865 году Максвеллом, который пришел к выводу, что свет - электромагнитная волна. Одним из аргументов в пользу данного утверждения является совпадение скорости электромагнитных волн, теоретически вычисленных Максвеллом, со скоростью света, определенной экспериментально (в опытах Ремера и Фуко).

Согласно современным представлениям, свет имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних явлениях свет обнаруживает свойства волн, а в других - свойства частиц. Волновые и квантовые свойства дополняют друг друга.

волновые явления квантовые явления

интерференция фотоэффект

дифракция давление света

поляризация линейчатость спектров испускания и поглощения

дисперсия

В настоящее время установлено, что корпускулярно - волновая двойственность свойств присуща также любой элементарной частице вещества. Например, обнаружена дифракция электронов, нейтронов.

Корпускулярно-волновой дуализм является проявлением двух форм существования материи - вещества и поля.

21. Корпускулярно-волновой дуализм света (вещества)

Французский ученый Луи де Бройль (1892--1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Итак, согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики -- энергия Е и импульс p, а с другой --волновые характеристики -- частота n и длина волны l. Количественные соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

(213.1)

Смелость гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что соотношение (213.1) постулировалось не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности для таких, которые обладают массой покоя. Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля:

(213.2)

Это соотношение справедливо для любой частицы с импульсом р.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально. В 1927 г. американские физики К. Дэвиссон (1881--1958) и Л. Джермер (1896--1971) обнаружили, что пучок электронов, рассеивающийся от естественной дифракционной решетки -- кристалла никеля, -- дает отчетливую дифракционную картину. Дифракционные максимумы соответствовали формуле Вульфа -- Брэггов (182.1), а брэгговская длина волны оказалась в точности равной длине волны, вычисленной по формуле (213.2). В дальнейшем формула де Бройля была подтверждена опытами П. С. Тартаковского и Г. Томсона, наблюдавших дифракционную картину при прохождении пучка быстрых электронов (энергия »50 кэВ) через металлическую фольгу (толщиной »1 мкм).

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи не только потоку большой совокупности электронов, но и каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. российскому физику В.А. Фабриканту (р. 1907). Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других (промежуток времени между двумя электронами в 104 раз больше времени прохождения электроном прибора), возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов, в десятки миллионов раз более интенсивных. Следовательно, волновые свойства частиц не являются свойством их коллектива, а присущи каждой частице в отдельности.

Впоследствии дифракционные явления обнаружили также для нейтронов, протонов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать движение микрочастиц в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля (213.2). Открытие волновых свойств микрочастиц привело к появлению и развитию новых методов исследования структуры веществ, таких, как электронография и нейтронография, а также к возникновению новой отрасли науки -- электронной оптики.

Экспериментальное доказательство наличия волновых свойств микрочастиц привело к выводу о том, что перед нами универсальное явление, общее свойство материи. Но тогда волновые свойства должны быть присущи и макроскопическим телам. Почему же они не обнаружены экспериментально? Например, частице массой 1 г, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с l = 6,62?10-31 м. Такая длина волны лежит за пределами доступной наблюдению области (периодических структур с периодом d»10-31 м не существует). Поэтому считается, что макроскопические тела проявляют только одну сторону своих свойств -- корпускулярную -- и не проявляют волновую.

Представление о двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества углубляется еще тем, что на частицы вещества переносится связь между полной энергией частицы e и частотой n волн де Бройля

22.Гипотеза квантов и законы фотоэффекта

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями -- квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h=6,63.10-34 Дж.с--постоянная Планка-- частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым А.Г. Столетовым. Фотоэффект -- это явление испускания электронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.

1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.

3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.

В 1905 г. для объяснения явления фотоэффекта А. Эйнштейн использовал квантовые представления о свете, введенные в 1900 г. Планком, и применил их к поглощению света веществом. Монохроматическое световое излучение, падающее на металл, состоит из фотонов. Фотон -- это элементарная частица, обладающая энергией .

Электроны поверхностного слоя металла поглощают энергию этих фотонов, при этом один электрон поглощает целиком энергию одного или нескольких фотонов.

Если энергия фотона W0 равна или превышает работу выхода, то электрон вылетает из металла. При этом часть энергии фотона тратится на совершение работы выхода Ав, а остальная часть переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона:

-- уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Оно представляет собой закон сохранения энергии в применении к фотоэффекту. Это уравнение записано для однофотонного фотоэффекта, когда речь идет о вырывании электрона, не связанного с атомом (молекулой).

На основе квантовых представлений о свете можно объяснить законы фотоэффекта.

Известно, что интенсивность света

где W -- энергия падающего света, S -- площадь поверхности, на которую падает свет, t -- время. Согласно квантовой теории, эта энергия переносится фотонами. Следовательно,

где Nf -- число фотонов, падающих на вещество. Очевидно, что число электронов Ne, вырванных из вещества, пропорционально числу фотонов, падающих на вещество, т.е. а следовательно, Таким образом, мы объяснили первый закон фотоэффекта.

Из уравнения Эйнштейна следует, что

и

Отсюда видно, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты падающего света, а красная граница фотоэффекта -- от рода вещества катода (второй и третий законы фотоэффекта).

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами. Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

23.Понятие физического поля и типы физических полей

Поля физические, особая форма материи; физическая система, обладающая бесконечно большим числом степеней свободы. Примерами П. ф. могут служить электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантованные) поля, соответствующие различным частицам.

Впервые (30-е гг. 19 в.) понятие поля (электрического и магнитного) было введено М. Фарадеем. Концепция поля была принята им как альтернатива теории дальнодействия, т. е. взаимодействия частиц на расстоянии без какого-либо промежуточного агента (так интерпретировалось, например, электростатическое взаимодействие заряженных частиц по закону Кулона или гравитационное взаимодействие тел по закону всемирного тяготения Ньютона). Концепция поля явилась возрождением теории близкодействия, основоположником которой был Р. Декарт (1-я половина 17 в.). В 60-х гг. 19 в. Дж. К. Максвелл развил идею Фарадея об электромагнитном поле и сформулировал математически его законы (см. Максвелла уравнения).

Согласно концепции поля, частицы, участвующие в каком-либо взаимодействии (например, электромагнитном или гравитационном), создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние -- поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на др. частицы, помещаемые в какую-либо точку этого пространства. Первоначально выдвигалась механистическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды -- «эфира». Однако наделение «эфира» свойствами упругой среды оказалось в резком противоречии с результатами проведённых позднее опытов. С точки зрения современных представлений, такая механистическая интерпретация поля вообще бессмысленна, поскольку сами упругие свойства макроскопических тел полностью объясняются электромагнитными взаимодействиями частиц, из которых состоят эти тела. Теория относительности, отвергнув концепцию «эфира» как особой упругой среды, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию П. ф. как первичной физической реальности. Действительно, согласно теории относительности, скорость распространения любого взаимодействия не может превышать скорости света в вакууме. Поэтому в системе взаимодействующих частиц сила, действующая в данный момент времени на какую-либо частицу системы, не определяется расположением др. частиц в этот же момент времени, т. е. изменение положения одной частицы сказывается на др. частице не сразу, а через определённый промежуток времени. Т. о., взаимодействие частиц, относительная скорость которых сравнима со скоростью света, можно описывать только через создаваемые ими поля. Изменение состояния (или положения) одной из частиц приводит к изменению создаваемого ею поля, которое отражается на др. частице лишь через конечный промежуток времени, необходимый для распространения этого изменения до частицы.

П. ф. не только осуществляют взаимодействие между частицами; могут существовать и проявляться свободные П. ф. независимо от создавших их частиц (например, электромагнитные волны). Поэтому ясно, что П. ф. следует рассматривать как особую форму материи.

Каждому типу взаимодействий в природе отвечают определённые П. ф. Описание П. ф. в классической (не квантовой) теории поля производится с помощью одной или нескольких (непрерывных) функций поля, зависящих от координаты точки (х, у, г), в которой рассматривается поле, и от времени (?). Так, электромагнитное поле может быть полностью описано с помощью четырёх функций: скалярного потенциала )(х, у, г, 1) и вектор-потенциала А (х, у. г, (), которые вместе составляют единый четырёхмерный вектор в пространстве-времени. Напряжённости электрического и магнитного полей выражаются через производные этих функций.

24.Открытие электрона. Модель атома Бора. Постулаты Бора

На протяжении всей второй половины XIX века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, в котором они наблюдались, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом, в которую с двух сторон было впаяно по электроду: с одной стороны катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи; с другой -- анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на катодно-анодную пару высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться, причем при низких напряжениях свечение наблюдалось лишь в области катода, а при повышении напряжения -- внутри всей трубки; однако при откачивании газа из трубки, начиная с какого-то момента, свечение исчезало уже в области катода, сохраняясь около анода. Это свечение ученые и приписали катодным лучам.

К концу 1880-х годов дискуссия о природе катодных лучей приняла острый полемический характер. Подавляющее большинство видных ученых немецкой школы придерживалось мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. В Англии же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа. У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Сторонники молекулярной гипотезы справедливо указывали на тот факт, что катодные лучи отклоняются под воздействием магнитного поля, в то время как на световые лучи магнитное поле никак не воздействует. Следовательно, они состоят из заряженных частиц. С другой стороны, сторонники корпускулярной гипотезы никак не могли объяснить ряда явлений, в частности обнаруженного в 1892 году эффекта практически беспрепятственного прохождения катодных лучей через тон кую алюминиевую фольгу.

Наконец в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель электрона. В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно-лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими

внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.

Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что: (1) катодные лучи отклоняются в магнитном поле в отсутствие электрического; (2) катодные лучи отклоняются в электрическом поле в отсутствие магнитного; и (3) при одновременном действии электрического и магнитного полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, то есть действие двух полей взаимно уравновешивается.

Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, Томсон смог определить скорость движения катодных лучей. Оказалось, что они движутся значительно медленнее скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами, поскольку любое электромагнитное излучение, включая сам свет, распространяется со скоростью света .

Постулаты Бора -- основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.

Первый постулат Бора: атомная система может находится только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарном состоянии атом не излучает.

Постулат находится в противоречии с классической механикой (Энергия движущихся электронов может быть любой), с электродинамикой Максвелла, т.к. допускает возможность ускоренного движения без излучения электромагнитных волн

Второй постулат Бора: излучение света происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией, при излучении - из стационарного с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией.

Второй постулат противоречит электродинамике Максвелла, т.к. частота излученного света свидетельствует не об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

Поглощение света - процесс, обратный излучению.

Атом, поглощая свет, переходит из низших энергетический состояний в высшие. При этом он поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из высших энергетических состояний в низшие.

Модель атома водорода по Бору

Бор рассматривал простейшие круговые орбиты.



- потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром в абсолютной системе единиц. e - модуль заряда электрона, r - расстояние от электрона до ядра.

Произвольная постоянная, с точностью до которой определяется потенциальная энергия, принята равной нулю.

Wp<0, так как взаимодействующие частицы имеют заряды противоположных знаков.

E=Eкин+Wp - полная энергия атома.

- центростремительное ускорение по второму закону Ньютона сообщает электрону на орбите кулоновская сила.

Правило квантования

Из первого постулата Бора энергия может принимать только определенное значение En.

Электрон движется по круговой орбите, то mvr - момент импульса в механике

Постоянная Планка

Бор предположил, что произведение модуля импульса на радиус орбиты кратно постоянной Планка.

Радиусы орбит

Радиусы боровских орбит меняются дискретно с изменением числа n.

Значения электронных орбит определяют:

Наименьший радиус орбиты:



Размеры атома определяются квантовыми законами (радиус пропорционален квадрату постоянной Планка). Классическая теория не может объяснить, почему атом имеет размеры порядка 10-8см.

Энергия стационарных состояний

- дискретные (прерывистые) значения энергий стационарных состояний атома (энергетические уровни).

Низшее энергетическое состояние

Атом может находится сколь угодно долго.

Чтобы ионизировать атом водорода, ему нужно сообщить энергию 13,53 эВ - энергия ионизации.

Возбуждающий атом: n=2, 3, 4, …

ф = 10-8с - время жизни в возбужденном состоянии. За время ф электрон успевает совершить около ста миллионов оборотов вокруг ядра.

Излучение света

Возможные частоты излучения атома водорода:

- постоянная Ридберга R = 109737,316 см-1.

Теория Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений частот, излучаемых атомом водорода. Все частоты излучений атома водорода образуют ряд серий, каждому из которых соответствует определенное значение числа n и различные значения k > n.

Спектральные серии водорода

Серия Лаймана - открыл в 1906 г. Теодор Лайман.

Данная серия образуется при переходах электронов с возбуждённых энергетических уровней на первый в спектре излучения и с первого уровня на все остальные при поглощении.

Серия Бальмера - открыл в 1885 г. Иоганн Бальмер. Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на второй в спектре излучения и со второго уровня на все вышележащие уровни при поглощении.

Серия Пашена - открыл в 1908 г. Фридрих Пашен.

Данная серия образуется при переходах электронов с возбужденных энергетических уровней на третий в спектре излучения и с третьего уровня на все вышележащие уровни при поглощении.



• Теория Бора построила количественную теорию спектра атома водорода.

• Относительно атомов гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь качественные (хотя и очень важные) заключения, но не удалось построить количественную теорию.

• Квантовая механика и квантовая электродинамика

25.Открытие нейтрона

Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 г. В.А. Амбарцумян и Д.Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы.

В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это -- гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что т амма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса оп (он). В том же 1932 г. Д.Д. Иваненко[4] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Основные характеристики

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном. Строение и распад Кварковая структура нейтрона считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (и) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона -- следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни. Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона). Другие свойства

Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной -12, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Нейтрон -- единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие -- искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.

26. Радиоактивные превращения элементов

физика механика термодинамика ядерный

Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении а- частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение Ь-частиц доказывается химическими опытами. Если Ь-частицы испускаются ядрами, то Ь- радиоактивность должна приводить к изменению химической природы атома. В самом деле, Ь-электрон уносит из ядра единицу отрицательного заряда, т. е. увеличивает положительный заряд ядра на единицу. Ядро будет удерживать вокруг себя уже не Ъ, а 2+1 электронов; радиоактивный атом превратится в атом следующего по порядку элемента периодической системы. И действительно, химические исследования обнаружили, что в веществах, испускающих Ь-излучение, накапливаются атомы элемента с порядковым номером, на одну единицу превышающим порядковый номер Ь-излучателя. Испускание а-частиц также изменяет заряд ядра и потому также должно приводить к изменению химической природы радиоактивного атома. Это предсказание полностью подтверждается опытами

Итак, испуская а- и Ь-излучение, атомы радиоактивного элемента изменяются, превращаясь в атомы нового элемента.

В этом смысле испускание радиоактивных излучений называют радиоактивным распадом. Различают а-распад -- испускание а-частиц, и Ь-распад -- испускание Ь-частиц. Так как а-частица уносит положительный заряд в две единицы и массу в четыре единицы, то в результате а-распада радиоактивный элемент превращается в другой элемент, порядковый номер которого на две единицы меньше, а массовое число на четыре единицы меньше. Масса Ь-частицы ничтожно мала по сравнению с атомной единицей массы; поэтому испускание Ь-частицы не изменяет массового числа ядра. Следовательно, в результате Ь-распада радиоактивный элемент превращается в элемент с порядковым номером, на единицу большим и с тем же массовым числом.

Эти правила, указывающие смещение элемента в периодической системе, вызванное распадом, называются правилами смещения.

Радиоактивный распад вызывает непрерывное уменьшение числа атомов радиоактивного элемента. В случае урана, тория и радия скорость распада настолько мала, что уменьшение числа атомов этих элементов неощутимо даже за промежуток времени в несколько лет. Существует, однако, большое число быстрораспадающихся радиоактивных элементов. Рассмотрим, например, Ь-радиоактивный изотоп висмута с массовым числом 210, так называемый 11аЬ (радий Е). ЯаЕ выделяется из радия, в котором присутствует в крайне малых количествах. Ничтожные по массе количества ЯаЕ легко обнаруживаются по интенсивному Ь-изл учению. Измеряя периодически с помощью газоразрядного счетчика число Ь-частиц, испускаемых препаратом ЯаЕ в единицу времени, мы обнаружим, что это число постепенно уменьшается. График спадания активности со временем приведен на рис. 388. Как видно из графика, по истечении 5 суток активность 11аЕ равна 1/2начальной. через 10 суток -- 1/4 начальной, через 15 суток -- 1/8 начальной и т. д. За каждые 5 суток активность уменьшается вдвое. Но для того, чтобы уменьшить активность вдвое, достаточно разделить препарат пополам. Следовательно, число атомов ЯаЕ уменьшается вдвое за каждые 5 суток. Интервал времени, в течение которого распадается половина атомов радиоактивного вещества, носит название периода полураспада. Таким образом, вещество, распад которого изображен на рис. 388, имеет период полураспада 5 суток. Пусть в начальный момент (1=0) число атомов радиоактивного вещества равно N0. Период полураспада этого вещества обозначим Т. По истечении п периодов полураспада, т. е. в момент 1г=пТ, число нераспавшихся атомов равно, очевидно, а-распад ядра 2389211 приводит, согласно правилам смещения, к образованию ядра с зарядом 92--2=90 и массовым числом 238--4=234, т. е. изотопа тория 23490Т11. Этот изотоп тория, называемый иначе ГГХ1 (уран-икс-один), также оказывается радиоактивным веществом испускающим Ь-частицы. Продуктом Ь-распада 23490ТЬ оказывается 23491Ра -- изотоп элемента протактиния с атомной массой 234, называемый иначе 11X2. Этот изотоп опять-таки радиоактивен и т. д. Цепочка последовательных продуктов распада урана, так называемое радиоактивное семейство урана, изображена на рис. 389. Только после 14 следующих друг за другом распадов атом урана превращается в нерадиоактивный или, как говорят, стабильный изотоп свинца 20682РЬ. Распад урана приводит в конечном счете к накоплению свинца. И действительно, урановые руды всегда содержат свинец. В урановых рудах накапливаются, конечно, и все промежуточные продукт],[ цепи распада урана. Радий является пятым продуктом в этой цепи. ЯаЕ, о котором шла речь выше,-- седьмой продукт в цепи распада радия. Первым потомком радия является Ил -- радиоактивный инертный газ радон (называемый иногда эманацией радия).

Размещено на Allbest.ru

...