1.Микромир – это мир на уровне элементарных частиц, рассматривает объекты, имеющие размеры 10^-10 м. и меньше. Специфичность явлений, происходящих в микромире, заключается в невозможности органов чувств (главным образом, зрения) получить информацию о происходящих процессах. Для описания явлений микромира необходимы новые подходы и методы, опирающиеся на экспериментально измеряемые величины.

 Атомы – электронейтральные квантовые системы с характерными размерами порядка 10^-10 м. Каждый атом содержит в себе ядро, в котором сосредоточен положительный заряд атома и сконцентрирована практически вся (более 99.9%) масса атома. Отрицательный заряд распределён между электронами, их число равно числу положительно заряженных ядерных частиц (протонов) в ядре. При приложении к атому определённой энергии, называемой энергией ионизации, один из электронов покидает атом. Оставшаяся положительно заряженная часть называется ионом, а данный процесс − ионизацией. Обратный процесс называется рекомбинацией и сопровождается испусканием фотона с энергией, соответствующей разнице в энергиях атома до и после рекомбинации. Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, в центре которого находился объект с размерами примерно 10^-15 − 10^-14 м., содержащий почти всю массу атома. Этот объект получил название атомного ядра.

Планетарная модель атома Резерфорда В соответствии с моделью Резерфорда атом водорода состоит из массивного ядра в центре и вращающегося вокруг него электрона. Классический радиус электрона составляет м. Радиус орбиты электрона примерно равен . Радиус орбиты электрона больше его собственного радиуса в  раз (восемнадцать тысяч раз).

в экспериментах было замечено, что линии в спектрах расположены не беспорядочно, а сериями. Расстояние между линиями в серии закономерно уменьшается по мере перехода от длинных волн к коротким. Бальмер установил, что длины волн серии в видимой части спектра водорода могут быть представлены формулой:

постоянная Р и д б е р г а. Она равна

       Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий:

Обобщенная формула Й. Бальмера:

       где m = 1, 2, 3,… n = m + 1, m + 2, m + 3,….

Комбинацио́нный при́нцип Ри́тца — основной закон спектроскопии. Согласно этому принципу всё многообразие спектральных линий какого-либо элемента может быть представлено через комбинации термов. Спектроскопическое волновое число каждой спектральной линии можно выразить через разность двух термов:

Если зафиксировать  и перебирать все возможные значения , то получится набор линий, именуемый спектральной серией. Из комбинационного принципа следует, что разность волновых чисел двух спектральных линий одной и той же серии атома даёт волновое число спектральной линии какой-то другой серии того же атома.

Спектра́льный терм — состояние электронной подсистемы, определяющее энергетический уровень. Иногда под словом терм понимают собственно энергию данного уровня.Термы атома принято обозначать заглавными буквами S, P, D, F…, соответствующими значению квантового числа орбитального момента L=0, 1, 2, 3…

2. Первая модель атома была предложена Дж. Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с постоянной плотностью. Простейший атом - атом водорода - представляет собой положительно заряженную сферу радиусом около  см, внутри которой находится электрон. В невозбужденном атоме электрон покоится в центре сферы. У более сложных атомов в положительно заряженной сфере находится несколько электронов, так что атом подобен кексу, в котором роль изюминок играют электроны. Модель Томсона способна объяснить излучение атомом электромагнитных волн определенной частоты колеблющимися электронами, выведенными из положения равновесия. Но эта модель не объясняет излучение большого числа спектральных линий и не позволяет объяснить спектральные закономерности.Также модель Томсона не дает возможности понять, что определяет размеры атомов. Главный факт, заставивший отказаться от модели Томсона, состоял в том, что она оказалась в полном противоречии с опытами по исследованию распределения положительного заряда в атоме.

Электромагни́тное излуче́ние — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля. Электромагнитное излучение подразделяется на: радиоволны (начиная со сверхдлинных),терагерцовое излучение, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение и жесткое (гамма-излучение). Электромагнитное излучение способно распространяться практически во всех средах. В вакууме электромагнитное излучение распространяется без затуханий на сколь угодно большие расстояния, но в ряде случаев достаточно хорошо распространяется и в пространстве, заполненном веществом (несколько изменяя при этом свое поведение). Основными характеристиками электромагнитного излучения принято считать частоту, длину волны и поляризацию.

3.

любой атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки. Размеры ядра составляют менее 10–12 см, размеры же самого атома, определяемые электронной оболочкой, по- рядка 10^ –8 см, т.е. в десятки тысяч раз больше размеров ядра. При этом практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Если все это так, то атом должен быть в высокой степени прозрачным для пронизывающих его частиц. Экспериментальное доказательство изложенной модели атома было дано Резерфордом (1911) с помощью рассеяния альфа-частиц (ядер атомов Не) тонкой металлической фольгой. Было обнаружено, что подавляющее число а-частиц рассеивалось на небольшие углы (не больше 3°). Вместе с тем наблюдались также отдельные а-частицы, рассеянные на большие утлы. Относительно последних Резерфорд сделал вывод, что такие частицы появляются в результате единичного акта их взаимодействия с ядром

атома. Исходя из предположений, что взаимодействие указанных а-частиц с ядром является кулоновским, а заряд и масса ядра локализованы в очень малой области атома, Резерфорд разработал количественную теорию рассеяния а-частиц и вывел формулу для распределения рассеянных а-частиц в зависимости от угла отклонения θ. В своих рассуждениях Резерфорд принимал во внимание рассеяние а-частиц только на ядрах, поскольку заметного отклонения а-частиц электронами не может быть из-за того, что масса электронов на четыре порядка меньше массы а-частиц. Когда а-частица пролетает вблизи ядра, ее траектория представляет собой гиперболу.

Для угла θ было получено выражение tg θ/2=qq0 /2bK, где q и q0 – заряды налетающей частицы и ядра,

b – прицельный параметр, т.е. расстояние от ядра до первоначального направления движения налетающей частицы, когда она находится вдали от ядра, K – кинетическая энергия частицы.

1. 2.

Из закона сохранения энергии следует, что модуль импульса рассеянной частицы остается таким же, как и до рассеяния, поскольку ядро, на котором происходит рассеяние, мы считаем неподвижным (из-за большой массы). Отсюда модуль приращения импульса рассеянной частицы(рис 2 б): (1)|p|=2p0sin(θ/2). из рис. 2а следует, что (2)|p|=F_ndt=(qq₀/r²)cosαdt

где Fn – проекция кулоновской силы на направление |p|действующей на налетающую частицу (q) со стороны ядра (q0). Перепишем интеграл в иной форме, учитывая, что углы α, φ, θ связаны соотношением

α + φ = (π – θ)/2, откуда α=π/2 – θ/2 – φ, Тогда cosα = sin(φ + θ/2) и интеграл после замены dt = dφ/Ф можно представить в виде: (3)|p|= ; момент М=bp, поэтому r²Ф=bню₀

Теперь проинтегрируем по φ от 0 до π – θ, получим:

(4) )|p|= qq₀/bню_{0 *} 2cos(θ/2) подставим 4 в 1 и получим tg θ/2=qq0 /2bK

4. . Следствия из опытов Резерфорда.

Из опытов Резерфорда следует несколько важнейших выводов.

Во-первых то, что модель, предложенная Томпсоном несостоятельна.Во-вторых то что в атоме есть массивное образование- ядро, несущее весь положительный заряд и практически всю массу атома, а электроны вращаются вокруг него.

Но в тоже время из законов классической электродинамики Максвелла следует что электроны, вращаясь вокруг ядра с постоянным ускорением должны постоянно излучать электромагнитные волны и вследствии этого терять свою энергию и в конце концов "упасть" на ядро. Эта теория была названа теорией "Тепловой смерти вселенной".Само собой что эта теория несостоятельна и ничего подобного в реальности не происходит.Учёные были поставлены в тупик,на основе известных законов и теорий нельзя было обьяснить экспирементальные факты.И тогда физик Нильс Бор выдвинул свои знаменитые постулаты

Определение заряда ядра по методу Чедвика

Идея опыта Чедвика заключается в следующем. Рассеивающая фольга име­ет вид кольца АА^/ (рис. 61); препарат R и экран S из ZnS устанавливаются на одинаковом расстоянии r от AA'. Измеряется число а-частиц, рассеянных на один определенный угол θ), выбранный (для упрощения расчета) так, чтобы он был вдвое больше угла между осью RS и направлением лучей, идущих от R к фольге. Располагая внутри кольца между R и S экран, непрозрачный для а-частиц, можно было считать одни только рассеянные а-частицы; наоборот, закрывая экраном кольцо АА' можно было считать число частиц N в па­дающем пучке. Так как это число слишком велико для того, чтобы можно было непосредственно подсчитывать сцинтилля­ции первичных a-частиц на экране (например, для того, чтобы число сцинтилляций от рассеянных а-частиц составляло 30 в минуту, N должно быть равно 20 000 в минуту), то перед S рас­полагался вращающийся диск с узким вырезом, при помощи которого число сцинтилляций можно было произвольно умень­шать в любое число раз.

Таким путем Чедвик нашел следующие значения Z для платины, серебра и меди: Pl(78)— 77,4; Ag(47)— 46,3; Cu(29) —29,Зг Числа, стоящие в скобках после химических символов эле­ментов, означают номер места соответствующего элемента в пе­риодической системе Менделеева (атомный номер). Таким об­разом, опыты Чедвика показывают, что число элементарных положительных зарядов ядра равно атомному номеру соответствующего элемента. Это правило, подтвержденное другими исследователями для целого ряда элементов, сводит задачу об определении заряда ядра к точной фиксации атомных номеров всех элементов.

5. Изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через золотую фольгу, Резерфорд пришел к выводу, что весь положительный заряд атомов сосредоточен в их центре в очень массивном и компактном ядре. А отрицательно заряженные частицы (электроны) обращаются вокруг этого ядра. Эта модель коренным образом отличалась от широко распространенной в то время модели атома Томсона, в которой положительный заряд равномерно заполнял весь объем атома, а электроны были вкраплены в него. Несколько позже модель Резерфорда получила название планетарной модели атома (она действительно похожа на Солнечную систему: тяжелое ядро - Солнце, а обращающиеся вокруг него электроны - планеты).

Альфа-частицы испускались источником, помещенным внутри свинцовой полости. Все альфа-частицы, кроме движущихся вдоль канала, поглощались свинцом. Узкий пучок альфа-частиц попадал на фольгу из золота перпендикулярно к ее поверхности; альфа-частицы, прошедшие сквозь фольгу и рассеянные ею, вызывали вспышки (сцинтилляции) на экране, покрытым веществом, способным светиться при попадании частиц. В пространстве между фольгой и экраном обеспечивается достаточный вакуум, чтобы не происходило рассеяние альфа-частиц в воздухе. Конструкция прибора позволила наблюдать альфа-частицы, рассеянные под углом до 150 градусов.

Столкновениями или ударом называют любые кратковременные взаимодействия частиц (тел). После столкновения частицы в конечном состоянии могут  отличаться по своим внутренним свойствам от частиц в начальном состоянии. В связи с этим различают упругие и неупругие столкновения. Выделяют три вида столкновения частиц: абсолютно неупругое, абсолютно упругое и промежуточный случай - неупругое.

В результате абсолютно неупругого столкновения обе частицы "слипаются" и далее движутся как единое целое. Пусть две частицы, массы которых и  имеют в K-системе до столкновения скорости и . После столкновения образуется частица с массой , что прямо следует из аддитивности массы в ньютоновой механике. Скорость образовавшейся частицы можно найти сразу из закона сохранения импульса:

 В результате абсолютно упругого столкновения внутренняя энергия частиц не меняется, а поэтому не меняется и кинетическая энергия системы. Рассмотрим два частных случая: центральное и нецентральное упругие столкновения.

При центральном столкновении обе частицы до и после столкновения движутся по одной и той же прямой, так как у обеих частиц скорости направлены вдоль прямой, соединяющей их центры масс. Нецентральное столкновение возникает, когда при столкновении скорость хотя бы одной из частиц не лежит на прямой, соединяющей их центры масс. Например, когда одна из частиц покоится до столкновения. Неупругое столкновение - это такое столкновение, в результате которого внутренняя энергия разлетающихся частиц или же одной из них изменяется, а, следовательно, изменяется и суммарная кинетическая энергия системы. Соответствующее приращение кинетической энергии системы можно обозначить через Q. В зависимости от знака Q неупругое столкновение называют экзоэнергетическим () или эндоэнергетическим (). В первом случае кинетическая энергия системы увеличивается, во втором - уменьшается. При упругом столкновении .

Эффективные сечения реакций В физике микромира характеристиками вероятности процессов взаимодействия частиц и ядер являются дифференциальное и полное эффективные сечения реакций.     Рассмотрим поток частиц А, падающих на мишень и вступающих во взаимодействие с частицами мишени В. Результатом реакции может быть как появление частиц А и В с другими кинематическими характеристиками, так и возникновение новых частиц.     Дифференциальное эффективное сечение реакции в системе покоя мишени определяется как

(3.1)

Здесь  -угол рассеяния, dN()/d - число частиц, вылетевших под этим углом в единицу времени ( в секунду) в единичном телесном угле . I - величина потока частиц А, падающих на мишень. n - полное число частиц В в мишени, находящихся в пучке.     Полное (или интегральное) эффективное сечение реакции является интегралом от (3.1) по углу рассеяния:

.

(3.2)

    Размерность эффективного сечения реакции - см². Поскольку эффективные сечения процессов микромира в единицах см2 представляют собой очень малые величины, они измеряются, как правило, в единицах 1 барн =  1 б =10^-24 см².

6. Бальмеру удалось установить простое числовое соотношение, связывающее волновые числа линий в видимой части спектра водорода. В современной системе обозначений формула Бальмера имеет вид: Подобные цифровые закономерности, связывающие волновые числа в спектре водорода, были получены в ультрафиолетовой области Лайманом, в инфракрасной области – Пашеном, Брекеттом и Пфундом.

Первый постулат:  Атомы имеют ряд стационарных состояний соответствующих определенным значениям энергий: Е1, Е2...En. Находясь в стационарном состоянии, атом энергии не излучает и не поглощает, несмотря на движение электронов.  Второй постулат:  В стационарном состоянии атома электроны движутся по стационарным орбитам, для которых выполняется квантовое соотношение:  m•V•r = n•h/2•p, где m•V•r =L - момент импульса, n=1,2,3...,h-постоянная Планка.  Третий постулат:  Излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе его из одного стационарного состояния в другое. При этом излучается или поглощается порция энергии (квант), равная разности энергий стационарных состояний, между которыми происходит переход: ε= h• ν= Em-En 

Бо́ровская моде́ль а́тома (Моде́ль Бо́ра) — полуклассическая модель атома, предложенная Нильсом Бором За основу он взял планетарную модель атома Резерфорда. с точки зрения классической электродинамики, электрон в модели Резерфорда, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать непрерывно и очень быстро, потеряв энергию, упасть на ядро. Чтобы преодолеть эту проблему Бор ввел допущение, суть которого заключается в том, что электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, находясь на которых они не излучают, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. Причем стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка^[1]: .

Используя это допущение и законы классической механики, а именно равенство силы притяжения электрона со стороны ядра и центробежной силы, действующей на вращающийся электрон, он получил следующие значения для радиуса стационарной орбиты  и энергии  находящегося на этой орбите электрона:

Здесь  — масса электрона, Z — количество протонов в ядре,  — диэлектрическая постоянная, e — заряд электрона. Именно такое выражение для энергии можно получить, применяя уравнение Шрёдингера, решая задачу о движении электрона в центральном кулоновском поле. Радиус первой орбиты в атоме водорода R₀=5,2917720859(36)·10⁻¹¹ м^[2], ныне называется боровским радиусом, либо атомной единицей длины и широко используется в современной физике. Энергия первой орбиты  эВ представляет собой энергию ионизации атома водорода.

Доказательство существования дискретной структуры энергетических уровней атомов. Потенциальная яма в физике, ограниченная область пространства, в которой потенциальная энергия частицы меньше, чем вне её. Характеристики П. я. — ширина (расстояние, на котором проявляется действие сил притяжения) и глубина (равная разности потенциальных энергий частицы на «краю» ямы и на её «дне», соответствующем минимальной потенциальной энергии). Основное свойство П. я. — способность удерживать частицу, полная энергия E которой меньше глубины ямы V₀; такая частица внутри П. я. будет находиться в связанном состоянии. В классической механике частица с энергией E < V₀ не сможет вылететь из П. я. и будет всё время двигаться в ограниченной области пространства внутри ямы; устойчивому равновесию отвечает положение частицы на «дне» ямы (оно достигается при кинетической энергии частицы Екин = E — V = 0). Если же E > V₀, то частица преодолеет действие сил притяжения и покинет яму. Примером может служить движение упругого шарика, находящегося в поле сил земного притяжения, в чашке с пологими стенками. В квантовой механике, в отличие от классической, энергия частицы, находящейся в связанном состоянии в П. я., может принимать лишь определённые дискретные значения, т. е. существуют дискретные уровни энергии. Однако такая дискретность уровней становится заметной лишь для систем, имеющих микроскопические размеры и массы. По порядку величины расстояние ΔE между уровнями энергии для частицы массы m в «глубокой» яме ширины а определяется величиной ΔE ~/ma² ( — Планка постоянная). Наинизший (основной) уровень энергии лежит выше «дна» П. я.. В П. я. малой глубины (V_o =/ma²) связанное состояние может вообще отсутствовать (так, протон и нейтрон с параллельными спинами не образуют связанной системы, несмотря на существование сил притяжения между ними). Кроме того, согласно квантовой механике, частица, находящаяся в П. я. со «стенками» конечной толщины (типа кратера вулкана), может покинуть П. я. за счёт туннельного эффекта даже в том случае, если её энергия меньше высоты ямы. Форма П. я. и её размеры (глубина и ширина) определяются физической природой взаимодействия частиц. Понятие «П. я.» широко применяется в атомной и молекулярной физике, а также в физике твёрдого тела и атомного ядра.