Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.

Спектр излучения (или поглощения) - это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы. Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.
№2 Лабораторная работа. «Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока с использованием амперметра и вольтметра».

Цель работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивления источника тока с использованием амперметра и вольтметра.

Необходимое оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода.

Билет 24. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.

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 - постоянная Планка, равная , v - 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.
Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 51.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода - это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия

электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

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.
№2 Задача на применение закона сохранения импульса.

Тепловоз массой 130 т приближается со скоростью 2 м/с к неподвижному составу массой 1170 т. С какой скоростью будет двигаться состав после сцепки с тепловозом?

Типы оптических спектров.
Поглощение и испускание света
атомами. Происхождение линейчатых
спектров
Мирозданье постигая, все познай, не
отбирая:
Что - внутри, во внешнем сыщешь.
Так примите ж без оглядки
Мира внятные загадки.
Гете

Дисперсия света - это
зависимости показателя
преломления вещества и
скорости света в нем от
частоты световой волны.
Белый свет - это сложный свет, он состоит из
простых лучей, которые при прохождении через
призму отклоняются, но не разлагаются, и только
в совокупности монохроматические лучи дают
ощущение белого света.

линза
щель
Спектральные приборы - приборы,
хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра.
призма

Сплошной спектр
Раскаленные
твердые тела
Раскаленные
жидкости
Газы под высоким
давлением
Основную роль в излучении играет
возбужде-ние атомов и молекул при
хаотическом
дви-жении
этих
частиц,
обусловленное высокой температурой.

Линейчатый спектр
спектр, состоящий из отдельных резко очерченных цветных линий,
отделенных друг от друга широкими темными промежутками.
Вещество излучает свет только вполне
определенных длин волн. Каждая из
линий имеет конечную ширину.
Спектры получаются от светящихся атомарных газов или паров.
натрий
Линейчатые спектры различных химических элементов отличаются цветом,
положением и числом отдельных светящихся линий.

Полосатый спектр
состоит из отдельных полос, разделенных темными промежутками.
Каждая полоса представляет собой
совокупность большого числа очень
тесно расположенных линий.
Излучаются отдельными возбужденными молекулами (молекулярный газ).
Излучение вызвано как электронными
переходами в атомах, так и колебательными движениями самих атомов в
молекуле.

Полосатый спектр
Сплошной спектр
Линейчатый спектр
Спектр испускания
получают при разложении света, излученного
самосветящимися телами.

Спектр поглощения
получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество,
атомы и молекулы которого находятся в невозбужденном состоянии.
поглощения
Na
испускания
Na
H
H

Закон обратимости спектральных
линий:
линии поглощения соответствуют
линиям испускания, т.е. атомы
менее нагретого вещества
поглощают из сплошного спектра
как раз те частоты, которые они в
других условиях испускают.
Густав Роберт Кирхгоф
12. 03. 1824 - 17. 10. 1887

10.

Спектр атомов каждого химического элемента уникален.

11.

Спектральный анализ - это метод исследования химического
состава различных веществ по их
спектрам.
Анализ, проводимый по спектрам
испускания, называют эмиссионным.
Г. Кирхгоф
Анализ проводимый по спектрам
поглощения называют абсорбционным спектральным анализом.
В. Бунзен

12.

Эмиссионный анализ:
1. Каждый элемент имеет свой спектр,
который не зависит от способов возбуждения.
2. Интенсивность спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.
Выполнение анализа:
1. Заставить атомы этого вещества излучать свет с линейчатым спектром.
2. Разложить этот свет в спектр и определить длины волн наблюдаемых
в нем линий.

13.

Применение спектрального анализа
металлургия
машиностроение
Атомная промышленность
геология
археология
криминалистика

14.

Как объяснить, почему
атомы каждого химического элемента имеют
свой строго индивидуальный набор спектральных
линий?
Почему совпадают
линии излучения и
поглощения в спектре
данного элементы?
Чем обусловлены
различия в спектрах
атомов разных
элементов?

15.

Постулат стационарных состояний:
атомная система может находиться
только в особых стационарных
(квантовых) состояниях, каждому из
которых соответствует определенная
энергия, находясь на которых атом
не излучает и не поглощает энергии.
Правило частот: при переходе атома
из одного стационарного состояния в
другое излучается или поглощается
квант энергии.

Согласно постулатам Бора электрон может находиться на нескольких определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует определенная энергия. При переходе электрона с ближней на дальнюю орбиту атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру, атомная система излучает квант энергии.

Спектры

Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.
Формула (1) даёт качественное представление о том, почему атомные спектры испускания и поглощения являются линейчатыми. В самом деле, атом может излучать волны лишь тех частот, которые соответствуют разностям значений энергии E 1 , E 2 , . . . , E n , . . Вот поэтому спектр излучения атомов состоит из отдельно расположенных резких ярких линий. Вместе с тем, атом может поглотить не любой фотон, а только тот, энергия hν которого в точности равна разности E n − E k каких-то двух разрешённых значений энергии E n и E k . Переходя в состояние с более высокой энергией E n , атомы поглощают ровно те самые фотоны, которые способны излучить при обратном переходе в исходное состояние E k . Попросту говоря, атомы забирают из непрерывного спектра те линии, которые сами же и излучают; вот почему тёмные линии спектра поглощения холодного атомарного газа находятся как раз в тех местах, где расположены яркие линии спектра испускания этого же газа в нагретом состоянии.

Сплошной спектр спектр испускания водорода спектр поглощения водорода

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

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок α-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые а-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10 -10 м, как предполагали ранее, а сосре-доточен в центральной части атома - атомном ядре. При прохождении около ядра а-частица, имею-щая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро - отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10 -15 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

h - постоянная Планка.

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

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию а-частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок а-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство а-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые а-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние а-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10^~10м, как предполагали ранее, а сосре-доточен в центральной части атома - атомном ядре. При прохождении около ядра а-частица, имею-щая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро - отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объясне-ния опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^~15 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен по-добно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд, должен за счет кулонов-ских сил притяжения упасть на ядро, а атом - это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Ни лье Бор.

В основу своей теории Бор положил два постулата. Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определенная энергия.

Второй постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: , где

h - постоянная Планка.

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

В науке очень долго считалось, что Атом – это наименьшая, НЕДЕЛИМАЯ частиц вещества.

1.Первым, кто нарушил эти представления был Томсон: он считал, что атом – это некая положительная субстанция, в которую «как изюминки в кекс» вкраплены электроны. Важность этой теории – то, что атом перестали признавать неделимым
2. Резерфорд поставил опыт по рассеиванию альфа-частиц. Радиоактивным веществом бомбардировались тяжелые элементы (золотая фольга). Резерфорд ожидал увидеть светящиеся круги, а увидел светящиеся кольца.
Объяснение Резерфорда: в центре атома находится весь положительный заряд, а электроны ни оказывают никакого влияния на поток альфа-частиц.
3. Планетарная модель атома водорода по БОРУ	Излучая порцию энергии (видимой) атом дает только ему присущий набор длин волн – спектр. Виды спектров: 1. Спектр излучения (испускания): (дают тела в нагретом состоянии) а) Сплошной – дают все атомы в твердом, жидком состоянии или плотные газы б) Линейчатый – дают атомы в газообразном состоянии 1. Спектр поглощения: если через вещество пропустить свет, то это вещество будет поглощать именно те волны, которые излучает в нагретом состоянии (на сплошном спектре появляются темные полоски) Спектральный анализ – это метод определения химического состава вещества по его спектру излучения или поглощения. Метод основан на том, что каждому химическому элементу присущ свой набор длин волн. Применение спектрального анализа: в криминалистике, медицине, в астрофизике. Спектрограф – это прибор, для проведения спектрального анализа. Спектроскоп отличается от спектрографа тем, что с помощью него можно не просто наблюдать за спектрами, но и сделать фотографический снимок спектра. Билет №21 1. Термодинамический подход к изучению физических явлений. Внутренняя энергия и способы ее изменения. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изотермическому, изохорному и адиабатному процессам. 2. Модели строение атомного ядра; ядерные силы; нуклонная модель ядра; энергия связи ядра; ядерные реакции. 1. Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия - это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U = 3/2 т/М RT. Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении). Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q). Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой. , где - изменение внутренней энергии, Q - количество теплоты, переданное системе, А - работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А*. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: , т.е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии. При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами , где V1 и V2 - начальный и конечный объемы газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и начальным и конечным объемами газа V Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом. В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется. В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: . При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа. Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой. 2. Состав ядра атома. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра атома. Ядерные реакции. Ядерная энергетика. Ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов - нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов. Силы, которые удерживают протоны и нейтроны в ядре – называются ядерными силами . Это самый сильный вид взаимодействия. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами. Обозначается нейтрон п. После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели, ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов - нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов. Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протии - ядро состоит из одного протона, дейтерий - ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий - ядро состоит из одного протона и двух нейтронов. Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Мn - (Мp + Мn). Цепная реакция деления - это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k - коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235U. При наличии определенных критических параметров (критическая масса - 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова. Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией. Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Мn - (Мp + Мn). Так как между массой и энергией существует связь , то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра. Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях. Ядерная реакция - это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Цепная реакция деления - это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235 U. При наличии определенных критических параметров (критическая масса - 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова. Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией. Это перспективные направления ядерной энергетики. Так как данную энергию можно применять в мирных целях. Примером тому служат Атомные электростанции. Морские корабли, ледоколы, работающие за счет ядерных установок. Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок α - частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых α-частиц. Было обнаружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α-частицы вообще отбрасываются назад.. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева. Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом - это устойчивая система. При движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор. В основу своей теории Бор положил два постулата. Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает. Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определенная энергия.Второй постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения . Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: , , где - постоянная Планка. При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру и томная система излучает квант энергии. Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров. Билет № 24 1. Какое строение имеет ядро атома? Какими особенностями обладают ядерные силы? Дайте определение дефекта массы и энергии связи ядра атома. Приведите примеры ядерных реакций. В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома Согласно этой модели: - ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов - заряд ядра обусловлен только протонами - число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента - число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z) Условное обозначение ядра атома химического элемента: X – символ химического элемента А – массовое число, которое показывает: - массу ядра в целых атомных единицах массы (а.е.м.) (1 а.е.м. = 1/12 массы атома углерода) - число нуклонов в ядре (A = N + Z) , где N – число нейтронов в ядре атома Z – зарядовое число, которое показывает: - заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.) (1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10 -19 Кл) - число протонов - число электронов в атоме - порядковый номер в таблице Менделеева Ядерные силы - силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре. Свойства: 1.На расстояниях порядка 10 -13 см сильные взаимодействия соответствуют притяжению, при уменьшении расстояния – отталкиванию. 2.Независимы от наличия электрического заряда (свойство зарядовой независимости). Одинаковая сила действует и на протон и на нейтрон. 3.Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения). 4.Короткодействующие: быстро убывают, начиная с r ≈ 2,2 . 10 -15 м. Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи . Энергия связи очень велика. При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при сжигании двух вагонов каменного угля. Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих. Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс. Формула для вычисления энергии связи: - дефект массы. m p – масса покоя протона; m n – масса покоя нейтрона. М я - масса ядра атома. В атомной физике массу удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м.=1,67·10 -27 кг . Коэффициент связи энергии и массы (равный с 2): с 2 = 931,5 МэВ/а·е·м . Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом . Символическая запись: А + а = В + b. При написании ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов). Примеры: Энергетический выход ядерной реакции - разность между суммарной энергией связи частиц, участвующих в реакции и продуктов реакции. Реакции, происходящие с выделением энергии, наз. экзотермическими, с поглощением - эндотермическими. Эрнест Резерфорд – это один из основателей фундаментального учения о внутреннем строении атома. Родился ученый в Англии, в семье эмигрантов из Шотландии. Резерфорд был четвертым ребенком в своей семье, при этом оказался самым талантливым. Особый вклад ему удалось внести в теорию строения атома.

Пламя излучает свет. Стекло поглощает ультрафиолетовые лучи. Обычные фразы, привычные понятия. Однако здесь термины "излучает", "поглощает" описывают только внешне, легко наблюдя, физика этих процессов непосредственно связана со строением атомов и молекул вещества.

Атом – квантовая система, его внутренняя энергия – это, в основном, энергия взаимодействия электронов с ядром; эта энергия согласно квантовым законам, может иметь только вполне определенные для кванта и состояния атомов значения. Таким образом, энергия атома не может меняться непрерывно, а только скачками – порциями, равными разности каких-либо двух разрешенных значений энергии.

Квантовая система (атом, молекула), получая из вне порцию энергии возбуждается, т.е. переходит с одного энергетического уровня на другой более высокий. В возбужденном состоянии система не может находится сколь угодно долго; в какой-то момент происходит самопроизвольный (спонтанный) обратный переход с выделением той же энергии. Квантовые переходы могут быть излучательные и безизлучательные . В первом случае энергия поглощается или испускается в виде порции электромагнитного излучения, частота которого строго определена разностью энергий тех уровней, между которыми происходит переход. В случае безызлучательных переходов система получает или отдает энергию при взаимодействиями с другими системами (атомами, молекулами, электронами) Наличие этих двух типов переходов объясняется оптикоакустический эффект Бейнгерова .

При облучении газа, находящегося в замкнутом объеме, замодулированном потоком инфракрасного излучения в газе возникают пульсации давления (оптико-акустический эффект ). Его механизм довольно прост; поглощение инфракрасного излучения происходит с возбуждением молекул газа, обратный же переход происходит безызлучательно, т.е. энергия возбуждения молекул переходит в их кинетическую энергию, что обуславливает изменение давления.

Количественные характеристики эффекта весьма чувствительные к составу газовой смеси. Применение оптико-акустического эффекта для анализа характеризуется простотой и надежностью, высокой избирательностью и широким диапазоном концентрацией компонентов.

Оптико-акустический индикатор представляет собой неселективный приемник лучистой энергии, предназначенный для анализа газов. Промодулированный лучистый поток через флюоритовое окно попадает в камеру с исследуемым газом. Под действием потока меняется давление газа на мембрану микрофона, в результате чего в цепи микрофона возникают электрические сигналы, зависящие от состава газа.

Оптико-акустический эффект используется при измерении времен жизни возбуждения молекул, в ряде работ по определению влажности и потоков излучения. Отметим, что оптико-акустический эффект возможен также в жидкостях и твердых телах.

Атомы каждого вещества имеют свою, только им присущую структуру энергетических уровней, а следовательно, и структуру импульсных переходов, которые можно зарегистрировать оптическими методами (например, фотографически). Это обстоятельство лежит в основе спектрального анализа. Так как молекулы – тоже сугубо квантовые системы, то каждое вещество (совокупность атомов или молекул) испускает и поглощает только кванты определенных энергии или электромагнитное излучение определенных длин волн). Интенсивность тех или иных спектральных линий пропорциональна числу атомов (молекул), излучающих (или поглощающих) свет. Это соотношение составляет основу количественного спектрального анализа.

Пример применения спектрального анализа:

Концентрацию известных газов в смеси измеряют по пропусканию излучения лазерного источника с определенной длиной волны. Предварительно облучают монохроматическими излучениями с различными длинами волн каждый из содержащихся в смеси газов, концентрация которых известна, и определяют коэффициент поглощения каждого газа для каждой длины волны. Затем при этих длинах волн изменяют поглощение испытуемой смеси и, используя полученные величины коэффициента поглощения, определяют концентрацию каждого газа в смеси. При измерениях с излучением, содержанием большее число длин волн, чем находится компонентов в газовой смеси, можно обнаружить наличие неизвестных газов.

Для атомов и молекул спектры излучения будут линейчатыми и полосатыми соответственно, то же и для спектров поглощения. Чтобы получить сплошной спектр, необходимо наличие плазмы, т.е. ионизированного состояния вещества. При ионизации электроны находятся вне атома или молекулы, и, следовательно могут иметь любые, непрерывно меняющиеся, энергии. При рекомендации этих электронов и ионов получается сплошной спектр, в котором присутствуют все длины волн.

Возбуждение (повышение внутренней энергии) или ионизация атомов происходят под действием различных причин; в частности, энергия для этих процессов может быть получена при нагревании тел. Чем больше температура, тем больше энергия возбуждения и тем все более короткие волны (кванты с большей энергией) излучает нагретое тело. Поэтому при постепенном нагреве сначала появляется инфракрасное излучение (длинные волны), затем красное, к которому с ростом температуры добавляется оранжевое, желтое и т.д.; в конце концов получает свет Дальнейший нагрев приводит к появлению ультрафиолетовой компоненты.

Примеры применения:

Устройство для непрерывного измерения температуры ванны жидкого металла содержит стержень из светопроницаемого материала обладающего высокой температурой и коррозионной стойкостью. Стержень проходит сквозь стенку резервуара и внутри последнего заделывается в массу свободного от щелочей окисла с высокой температурой плавления, например окиси циркония. Конец стержня, находящийся в резервуаре, служит цветовым пирометром.

Излучательные и безызлучательныепереходы в инфракр. области часто используются для процессов и охлаждения:

Стеклоформирующий инструмент, включающий металлический корпус с покрытием, отличающийся тем, что с целью поьности и улучшения качества изделий, покрытие выполнено двухслойным, причем промежуточный слой выполнен из материала, поглощающего ближнюю инфракрасную область, например из графита, а наружный слой – из материала пропускающего в эже области спектра, например на основе прозрачной поликристаллической окиси алюминия;

Способ измерений коэффициента теплопроводности твердых тел, включающий изотермическую выдержку его охлаждение при постоянной температуре окружающей среды и регистрацию изменения температуры, отличающийся тем, что с целью измеренидности частично прозрачных материалов, образец на стадии поглощения помещают в вакуумное пространство и измеряют энергию, излучаемую поверхностью образца в спектральной области сильного поглощения.

Излучательные квантовые переходы могут происходить не только спонтанно, но, и вынуждено под действием внешнего излучения, частота которого согласована с энергией данного перехода. Излучение квантов света атомами и молекулами вещества под действием внешнего электромагнитного поля (излучения) называют вынужденным или индуцированным излучением .

Существенным отличием вынужденного излучения является то, что оно есть точная копия вынуждающего излучения. Совпадают все характеристики – частота, поляризация, направление распространения и фаза. Благодаря этому вынужденное излучение при некоторых обстоятельствах может привести к усилению внешнего излучения, прошедшего через вещество, вместо его поглощения. Поэтому иначе вынужденное излучение называют отрицательным поглощением .

Для возникновения вынужденного излучения необходимо наличие в веществе возбужденных атомов, т.е. атомов, находящихся на уровнях с большей энергией. Обычно доля таких атомов мала. Для того чтобы усилить проходящее через него излучение, нужно, чтобы доля возбужденных атомов была велика, чтобы уровни с большей энергией были "заселены" частицами гуще, чем нижние уровни. Такое состояние вещества называют состоянием с инверсией населенностей .

Открытие советскими физиками Фабрикантом, Вудынским и Бутаевой явления усиления электромагнитных волн при прохождении через среду с инверсией населенностей явилось основополагающим в деле развития оптических квантовых генераторов (лазеров ) крупнейшего изобретения века.

Стержень из вещества с искусственно создаваемой инверсией населенностей, помещенный между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачно – вот принципиальная схема простейшего лазера.

Оптический резонатор из двух зеркал необходим для создания обратной связи: часть излучения возвращается в рабочее тело, индуцируя новую лавину фотонов. Излучение лазера монохроматично и когерентно в силу свойств индуцированного излучения.

Области применения лазеров обусловлены, основными характеристиками их излучения, такими как когерентность, монохромантичность, высокая концентрация энергии в луче и малая его расходимость. Помимо ставших уже традиционными областей применения лазеров, таких как обработка сверхтвердых и тугоплавких материалов, лазерная связь и лоя медицина и получение высокотемпературной плазмы – стали определяться новые интересные сферы их использования.

Чрезвычайно перспективны разработанные в последнее время лазеры на красителях, в отличии от обычных позволяющие плавно изменят частоту излучения в широком диапазоне от инфракрасной до ультрафиолетовой области спектра. Так, например, предполагается лазерным лучом разрывать или наоборот, создавать строго определенные связи.

Ведутся работы по разделению изотопов с помощью перестраиваемых лазеров. Меняя частоту лазеров, настраивают его в резонанс с определенным квантовым переходов одного из изотопов и тем самым переводят изотоп в возбужденное состояние, в котором его можно ионизировать и, с помощью электрических реакций, отделить от других изотопов.

А вот чисто изобретательское применение лазера в качестве датчика давления:

Устройство для измерения давления с частотным выходом, содержащее упругий чувствительный элемент, заполненный газом и соединенный через разделитель с измеряемой средой, и частотомер, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерений, в нем в качестве упругого чувствительного элемента использована резонаторная ячейка газового квантового генератора.

В заключении следует отметить, что лазеры являются основным инструментом исследований в новой области физики – нелинейной оптике , которая самим своим возникновением полностью обязана мощным лазерам