Постулаты Бора

1. Атомы могут длительно пребывать только в определенных стационарных состояниях, в которых они не излучают электромагнитных волн. Каждому стационарному состоянию соответствует определенная энергия электрона Е_n. При этом должно выполняться условие:

,

где m – масса электрона, r – радиус - той орбиты, – его скорость на этой орбите, n – целое число, которое носит название главного квантового числа, , h – постоянная Планка.

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта только при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина энергии светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается скачок электрона (правило частот):

откуда испускаемая или поглощаемая атомом частота

Из правила частот следует правило обращения спектральных линий: атомы поглощают только те спектральные линии, которые они сами могут испускать.

Спектры излучения и поглощения

При нагревании до высокой температуры пары любого вещества испускают свет, узкий пучок которого разлагается призмой на несколько пучков различного света. Совокупность наблюдаемых при этом разноцветных линий, разделенных темными промежутками, называется линейчатым спектром испускания. Такой спектр характерен для газов в электрическом разряде или пламени разных горючих веществ. Солнечный свет дает спектр с непрерывным переходом одних цветов в другие. Такой спектр принято называть сплошным или непрерывным. Полосатые спектры представляют собой повторяющиеся наборы (серии) цветных полосок на темном фоне. Их дают различные молекулярные соединения. Наибольший практический интерес представляют собой линейчатые спектры испускания, характерные для каждого химического элемента. Это используется для качественного и количественного спектрального анализа.

Спектры поглощения получаются при пропускании лучей сплошного спектра (например, от раскаленного источника) через менее нагретый газ. Тогда на фоне сплошного спектра наблюдаются узкие темные полосы. Для спектров поглощения справедлив закон Кирхгофа: линии поглощения соответствуют линиям испускания. По спектру поглощения также можно судить о химическом составе поглощающего соединения. Благодаря спектральному анализу мы узнали состав Солнца (по фраунгоферовым линиям -линиям поглощения в спектре Солнца) и ряда далеких звезд.

8. Элементы ядерной физики

8.1. Состав и характеристики атомного ядра

Атомное ядро характеризуется положительным зарядом +Ze, где Z – зарядовое число, равное числу протонов в ядре (а также числу электронов в атоме). Так, атом водорода (Z=1) состоит из одного электрона и одного протона. Число Z определяет порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева и Z также называют атомным номером ядра. Кроме протонов, в состав ядра входят электрически нейтральные нейтроны. Частицы, составляющие ядро атома, (т.е. протоны и нейтроны) называются нуклонами. Сумма нейтронов и протонов называется массовым числом – А. Для обозначения ядер применяется символ (Х – химический символ элемента в таблице Менделеева).

Ядра с одинаковыми Z, но с разными А, называются изотопами. Например, водород имеет три изотопа, различающиеся числом нейтронов в ядре:

Протон: масса m_p = 1836 m_e, спин (собственный механический момент импульса) S=1/2. Т.к. масса электрона m_e = 0,511 МэВ, то m_p = 938,28 МэВ (согласно формуле Е = mс ² ).

Нейтрон – m_n = 1839 m_e , или m_n = 939,57 МэВ_, спин S=1/2.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская при этом в электрон и антинейтрино согласно реакции:

.

Период полураспада нейтрона приближенно равен 12 мин.

В первом приближении ядро можно считать шаром. Радиус ядра любого химического элемента довольно точно определяется формулой:

R = (1,3 1,7)·10^-15 A^1/3 м,

где А – массовое число. Из формулы следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов, т.е. плотность ядерного вещества для разных химических элементов одинакова.

Экспериментальные данные показывают, что большинство ядер имеет массу, меньшую, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра обусловлено тем, что при образовании ядра выделяется энергия. Введем понятие энергии связи ядра – это то количество энергии, которое необходимо затратить, чтобы разложить данное ядро на составляющие его частицы (протоны и нейтроны). Это же количество энергии должно выделиться при образовании ядра из протонов и нейтронов.

Пусть в ядре содержится Z протонов и N нейтронов. Тогда, учитывая, что энергия покоя частицы E₀=mc², энергия связи ядра рассчитывается по формуле:

Величина

называется дефектом массы ядра. Это величина прямого физического смысла не имеет, но косвенно характеризует энергию связи ядер и позволяет вычислять энергию связи.

Энергия связи , приходящаяся на один нуклон, называетсяудельной энергией связи нуклонов в ядре. Она характеризует устойчивость (прочность) ядер. Чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро. Наиболее устойчивы ядра, у которых число протонов равно одному из магических чисел (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). Особенно стабильны дважды магические ядра (), у которых число протонов и число нейтронов равны по отдельности магическим числам. Чем больше энергия связи, тем устойчивее ядро.

График зависимости удельной энергии связи от массового числа А показан на рис. 40.

40 80

А

Рис. 40. Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Наиболее устойчивые ядра с массовыми числами А из середины таблицы Менделеева (от 40 до 80) – для них . С ростом А удельная энергия связи уменьшается. Для самого тяжелого элемента урана (μ = 240 г/моль) .

Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает возможным два процесса:

1. Деление тяжелых ядер на несколько легких ядер.

2. Слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.

Оба процесса должны проходить с выделением огромной энергии. Из графика видно, что существование ядер с массовым числом 50-60 является энергетически наиболее выгодным. Почему же тогда более тяжелые ядра самопроизвольно не распадаются? Дело в том, что процесс деления тяжелых ядер на несколько больших ядер должен пройти промежуточную стадию, сопровождающуюся поглощением энергии извне, с последующим её выделением, т.е. нужна внешняя энергия и очень значительная. Без её наличия процесс деления происходить не может (энергия активации за счет нейтронов – атомная бомба, реакторы).

При слиянии легких ядер, например, двух ядер водорода в одно ядровыделяется энергия 24 МэВ. [для сравнения, при сжигании угля (химическая реакция: образование С и О углекислого газа) выделяется энергия всего в 5 эВ (!!!)]. Для осуществления реакции синтеза ядер нужны огромные энергии, поскольку ядра необходимо сдвигать на расстояние ~10^-15 м, преодолевая кулоновское отталкивание. Это возможно лишь при огромных скоростях движения ядер (что достигается при температурах Т~10⁷ К) и на Земле для этого есть только один путь – термоядерная реакция.

В 1919 году Резерфордом была осуществлена первая ядерная реакция:

,

что было доказано получением кислорода в баллоне.