52. Закономірність в атомних спектрах. Моделі атома Томсона і Резерфорда.

А́томні спе́ктри — оптичні спектри, що утворюються при випромінюванні атомарної пари або газу. На відміну від суцільних спектрів твердих та рідких тіл і смугастих молекулярних спектрів атомні спектри складаються з окремих ліній, тобто є лінійчатими.

Випромінювання атомів зумовлене переходами атомів із стану з більшою енергією E2 у стан з меншою енергією E1.

Частота випромінювання ν визначається з формули

hν = E2 — E1,

де h — стала Планка.

Спектральні лінії об'єднуються в спектральні серії. Найпростіший за будовою атом водню має кілька серій, в яких положення ліній добре визначається формулою Бальмера. В атомні спектри багатоелектронних атомів теж вдається згрупувати лінії в серії, але з більш складною закономірністю, ніж формула Бальмера.

Атомні спектри виникають при нагріванні газу або при електричному розряді всіх видів (дуга, іскра та ін.) через гази. В першому випадку причиною збудження атомів є зіткнення їх з іншими атомами, в другому — з електронами.

Теорія атомних спектрів є основою спектрального аналізу.

Відкриття складної будови атома - найважливіший етап становлення сучасної фізики, який позначився на ньому її наступному розвитку. У процесі створення теорії будови атома, яка пояснила атомні спектри, відкрито нові закони руху мікрочастинок - закони квантової механіки.

Не відразу вчені дійшли правильного розуміння будови атома. Після перших експериментів можна було робити висновки про складну будову атома і наявність в його структурі електричних зарядів. Ці результати отримано М. Фарадеєм 1833 року під час вивчення законів електролізу. 1897 року Дж. Томсон у результаті експериментів з вивчення електричного розряду в розріджених газах явища фотоефекту відкрив електрон. Він виміряв важливу характеристику цієї частинки - питомий заряд - e/m = 1,76·10-11 Кл/кг. Американський фізик Міллікен 1909 року дуже точно виміряв заряд електрона. Він виявився однаковим у всіх електронів і дорівнює:

e = – 1,6·10-19 Кл.

Маса електрона є приблизно в 2000 разів меншою за масу одного з найлегших атомів - атома водню - і дорівнює me = 9,1·10-31 кг. Виходячи з цих даних, Томсон запропонував модель атома, згідно якою атом є зарядженою кулею радіусом R 10 -8 см, всередині якої знаходяться електрони. Більш складні атоми в додатно зарядженій кулі мають декілька електронів. Таким чином, атом подібний пиріжка, роль родзинок при цьому відіграють електрони.

Однак модель атома Томсона виявилась повністю відмінною від моделі, яку запропонував Резерфорд у результаті своїх досліджень. Резерфорд 1906 року запропонував модель, згідно з якою будова атома дуже схожа на будову сонячної системи. Щоб перевірити правильність своєї теорії, він провів низку дослідів, які називають дослідами Резерфорда (рис. 7.7). Він зондував атоми золота швидкорухомими ядрами гелію (a частинками).

Навпроти отвору в свинцевому контейнері на екрані, покритому ZnSO4, можна було помітити світлову пляму. Резерфорд помістив на шляху рухомих ядер тонку золоту пластинку (фольгу), і помітив, що лише незначна частина ядер відхиляється на значні кути і дуже мало ядер відбивались назад. Узагальнивши результати дослідів, Резерфорд зробив висновки:

- в цілому атом порожній. Майже вся його маса сконцентрована в ядрі діаметром d ~ 10-15 м.

- тядро несе в собі заряд q+, величина якого за модулем дорівнює заряду електрона, помноженому на порядковий номер цього елемента в таблиці Менделєєва.

- оскільки атом електрично нейтральний, то позитивний заряд ядра компенсує заряд електронів, які мають рухатись навколо ядра, подібно до планет навколо Сонця. Кількість електронів дорівнює порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва. Таку модель атома Резерфорд назвав планетарною моделлю атома.

Планетарна модель атома багато пояснила в будові атома, але одразу після її створення виникли труднощі: ядро заряджено позитивно, а електрони - негативно. Між ними існує кулонівська сила притягання. Для того, щоб електрони не впали на ядро, вони мусять рухатись навколо нього з доцентровим прискоренням. З теорії Максвелла випливає, що якщо заряд рухається з прискоренням, то при цьому має випромінюватись електромагнітна хвиля, а розрахунки показують, що за час Dt 10 -8 c електрон, рухаючись по спіралі мусить припинити свій рух.

52. Постулати Бора. Досліди Франка і Герца

Постулати Бора — сформульовані данським фізиком Нільсом Бором основні положення будови атома, що враховують квантований характер енергії, випромінюваної електронами.

На початку 20-го століття експерименти Ернеста Резерфорда показали, що атоми складаються з розпорошеної хмари електронів, яка оточує мале позитивно заряджене ядро. Отримавши ці експериментальні дані було абсолютно природно Резерфордові розглядати планетарну модель атома (моделі Резерфорда 1911 року) з електронами, що рухаються по орбіті навколо ядра, подібного до Сонця.

Планетарна модель атома Резерфорда, багато пояснила в будові атома, але одразу після її створення виникли труднощі: ядро заряджено позитивно, а електрони - негативно. Між ними існує кулонівська сила притягання. Для того, щоб електрони не впали на ядро, вони мусять рухатись навколо нього з доцентровим прискоренням. З теорії Максвела випливає, що якщо заряд рухається з прискоренням, то при цьому має випромінюватись електромагнітна хвиля, а розрахунки показують, що за час електрон, рухаючись по спіралі, мусить припинити свій рух.

Дослідні ж дані показували, що за нормальних умов атом не випромінює енергію і існує як завгодно довго.

Щоб подолати цю суперечність, Нільс Бор запропонував у 1913 році свою модель, яка нині має назву "Атомна модель Бора". Він стверджував, що можливими є лише певно не дуже велика кількість станів, у яких можуть перебувати електрони. Відповідно, енергія, що вивільнюється чи поглинається, є лише результатом переходу електрона з одного стану в інший.

Дослід Франка-Герца - експеримент, поставлений у 1913-1914 роках Джеймсом Франком та Густавом Людвігом Герцом, з непружного розсіяння електронів на атомах. Експеримент підтвердив припущення моделі будови атома Нільса Бора. Франк і Герц були нагороджені Нобелівською премією з фізики за 1925 рік.

52. Правила квантування колових орбіт. Елементарна боровська теорія водневого атома.

52. Склад і характеристики атомного ядра. Маса і енергія зв'язку ядра.

52. Моделі атомного ядра. Ядерні сили.

Багаточастинкового квантова система з сильним взаємодією, якоює Я. а., з теоретичної точки зору об'єкт виключно складний.

Труднощі пов'язані не тільки з кількісно точними обчисленнями фізичнихвеличин, які характеризують ядро, але навіть з якісним розумінням основнихвластивостей ядерних станів, спектру енергетичних рівнів, механізмуядерних реакцій. Важкі ядра містять багато нуклонів, але все-таки їх числоне настільки велика, щоб можна було з упевненістю скористатися методамистатистичної фізики, як це робиться в теорії конденсованих середовищ. Доматематичним труднощів теорії додається недостатня визначеністьвихідних даних про ядерні сили. Оскільки межнуклонное взаємодіязводиться до обміну мезонами, пояснення властивостей ядра в кінцевому рахунку повинноспиратися на релятивістську квантову теорію елементарних часток, якасама по собі в сучасному її стані не вільна від внутрішніхпротиріч і не може вважатися завершеною. Хоча порівняно невеликів середньому швидкості нуклонів в ядрі (0,1 с) кілька спрощують теорію,дозволяючи будувати її в першому наближенні на основі нерелятівістскойквантової механіки, ядерна завдання багатьох тел залишається поки що однією зфундаментальних проблем фізики. З усіх цих причин до цих пір, виходячи з

«Перших принципів», розглядалася тільки структура найпростіших ядер --Дейтрон і трехнуклонних ядер 3H і 3He. Структуру більш складних ядернамагаються зрозуміти за допомогою ядерних моделей, в яких ядро гіпотетичноуподібнюється який-небудь більш простий і краще вивченої фізичній системі.

оболонкових модель.

Її прообразом є багато електронної атом. Відповідно до цієї моделі, коженнуклон знаходиться в ядрі в певному індивідуальному квантовому стані,характеризується енергією, моментом обертання j його проекцією m на одну зкоординатних осей і орбітальним моментом обертання l = j ± 1/2 [парністьстану нуклона P = (-1) l]. Енергія рівня не залежить від проекціїмоменту обертання на зовнішню вісь. Тому у відповідності з принципом Пауліна кожному енергетичному рівні з моментами j, l може знаходитися (2j + 1)тотожних нуклонів (протонів та нейтронів), що утворюють «оболонку» (j,l). Повний момент обертання заповненої оболонки дорівнює нулю. Тому якщоядро складений тільки з заповнених протонних і нейтронних оболонок, тойого спін буде також дорівнює нулю. Кожного разу, коли кількість протонів абонейтронів досягає магічного числа, що відповідає заповнення черговийоболонки, виникає можливість стрибкоподібного зміни деякиххарактеризують ядро величин (зокрема, енергії зв'язку). Це створюєподобу періодичності у властивостях ядер залежно від A і Z, аналогічноїперіодичному закону для атомів. В обох випадках причиною фізичноїперіодичності є принцип Паулі, який забороняє двом тотожнимФерміон (частинки з напівцілим спинами) перебувати в одному і тому жстані. Однак оболонкових структура у ядер виявляється значнослабкіше, ніж в атомах. Відбувається це головним чином тому, що в ядрахіндивідуальні квантові стану частинок ( «орбіти») обурюютьсявзаємодією ( «зіткненнями») їх один з одним набагато сильніше, ніж уатомах. Більше того, відомо, що велика кількість ядерних станів зовсім несхоже на сукупність рухомих в ядрі незалежно один від одного нуклонів,тобто не може бути пояснено в рамках оболонкової моделі. Наявність такихколективних станів вказує на те, що уявлення про індивідуальнінуклони орбітах є скоріше методичним базисом теорії, зручним дляопису деяких станів ядра, ніж фізичної реальністю.

У зв'язку з цим в оболонкову модель вводиться поняття квазічастинка --елементарних збуджень середовища, ефективно провідних себе в багатьохвідносинах подібно часткам. При цьому Я. а. розглядається як квантоварідина, точніше як фермі-рідина кінцевих розмірів. Ядро в основномустан розглядається як вироджених ферми-газ квазічастинка, якіефективно не взаємодіють один з одним, оскільки будь-який актзіткнення, що змінює індивідуальні стану квазічастинка, забороненийпринципом Паулі. У збудженому стані ядра, коли 1 або 2 квазічастинказнаходяться на більш високих індивідуальних енергетичних рівнях, цічастинки, звільнивши орбіти, що займалися ними раніше всередині ферми-сфери, можутьвзаємодіяти як один з одним, так і з утворилася діркою в нижнійоболонці. У результаті взаємодії з зовнішньої квазічастинкою можевідбуватися перехід квазічастинка із заповнених станів в незаповнені,внаслідок чого стара дірка зникає, а нова з'являється; це еквівалентнодірки переходу з одного стану в інший. Т. о., Згідно оболонковоїмоделі, що грунтується на теорії квантової фермі-рідини, спектр нижніхзбуджених станів ядер визначається рухом 1-2 квазічастинка позафермі-сфери і взаємодією їх один з одним і з дірками всередині ферми -сфери. Цим самим пояснення структури многонуклонного ядра при невеликихенергіях порушення фактично зводиться до квантової проблеми 2-4взаємодіючих тіл (квазічастинка - дірка або 2 квазічастинка - 2 дірки).

52. Р адіоактивність. Ядерні реакції.

24.