Шпаргалка по "Физике"

Рисунок 6.1.2.Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп

От  радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

 

Этот  результат был совершенно неожиданным  даже для Резерфорда. Его представления  находилbcm в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рисунок 6.1.3.Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)

Таким образом, опыты Резерфорда привели  к выводу, что в центре атома  находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный  заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в  состав атома. Впоследствии удалось  установить, что если заряд электрона  принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного  элемента в таблице Менделеева.

 

Радикальные выводы о строении атома, следовавшие  из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не был исключением и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только в 1911 г. через два года после  выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о  движении микрочастиц, Резерфорд предложил  планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается  положительно заряженное ядро, в котором  сосредоточена почти вся масса  атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием  кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны (рис. 6.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны  не могут, так как они упали  бы на ядро.

Рисунок 6.1.4.Планетарная модель атома  Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

 

24. Постулаты Бора:

• Атом может находиться только в особенных стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

• Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам, для которых момент импульса квантуется: , где — натуральные числа, а — постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний.
• При переходе электрона с орбиты (энергетический уровень) на орбиту излучается или поглощается квант энергии , где   — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается.

 

Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома. В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда.

25. Лазеры и их применение:

Лазеры - это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне, действие которых основано на индуцированном (вызванном полем световой волны) излучении квантовых систем - атомов, ионов, молекул, находящихся в состояниях, существенно отличных от термодинамического равновесия. Лазеры, как и мазеры, генераторы и усилители СВЧ диапазона, называют еще квантовыми генераторами (усилителями), поскольку поведение участвующих в их работе частиц описывается законами квантовой механики. Принципиальным отличием лазеров от всех других источников света (тепловых, газоразрядных и др.), представляющих собой по сути дела источники оптического шума, является высокая степень когерентности лазерного излучения. С созданием лазеров в оптическом диапазоне появились источники излучения, аналогичные привычным в радиодиапазоне генераторам когерентных сигналов, способные успешно использоваться для целей связи и передачи информации, а по многим своим свойствам - направленности излучения, полосе передаваемых частот, низкому уровню шумов, концентрации энергии во времени и т.д. - превосходящие классические устройства радиодиапазона.

Отметим, что высокая степень когерентности  достигается за счет того, что лазерное излучение получается именно за счет индуцированных полем световой волны  переходов с одного (верхнего) уровня квантовой системы на другой (нижний), при которых излучение каждой микрочастицы когерентно с вызвавшей  его волной, а следовательно, излучение всех частиц когерентно между собой. Во всех других источниках света излучение рождается за счет спонтанных, случайных и некорелированных между собой переходов микрочастиц, и поэтому его когерентность крайне низка.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРОВ

Появление лазеров сразу оказало и продолжает оказывать влияние на различные  области науки и техники, где  стало возможным применение лазеров  для решения конкретных научных  и технических задач. Проведенные  исследования подтвердили возможность  значительного улучшения многих оптических приборов и систем при  использовании в качестве источника  света лазеров и привели к  созданию принципиально новых устройств (усилители яркости, квантовые гирометры, быстродействующие оптические схемы и др.). На глазах одного поколения произошло формирование новых научных и технических направлений - голографии, нелинейной и интегральной оптики, лазерных технологий, лазерной химии, использование лазеров для управляемого термоядерного синтеза и других задач энергетики.

Высокая монохроматичность и когерентность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в спектроскопии, иницировании химических реакций, в разделении изотопов, в системах измерения линейных и угловых скоростей, во всех приложениях, основанных на использовании интерференции, в системах связи и светолокации. Особо следует, очевидно, выделить применение лазеров в голографии.

Высокая плотность энергии и мощность лазерных пучков, возможность фокусировки  лазерного излучения в пятно  малых размеров используются в лазерных системах термоядерного синтеза, в  таких технологических процессах, как лазерная резка, сварка, сверление, поверхностное закаливание и  размерная обработка различных  деталей. Эти же свойства и направленность лазерного излучения обеспечивают успешное применение лазеров в военной  технике.

Направленность  лазерного излучения, его малая  расходимость применяются при провешивании направлений (в строительстве, геодезии, картографии), для целенаведения и целеуказания, в локации, в том числе и для измерения расстояний до искусственных спутников Земли, в системах связи через космос и подводной связи.

С созданием  лазеров произошел колоссальный прогресс в развитии нелинейной оптики, исследовании и использовании таких  явлений, как генерация гармоник, самофокусировка световых пучков, многофотонного поглощения, различных типов рассеивания  света, вызванных полем лазерного  излучения.

Лазеры  успешно используются в медицине [6]: в хирургии (в том числе хирургии глаза) и терапии различных заболеваний, в биологии, где фокусировка в  малое пятно позволяет действовать  на отдельные клетки или даже на их части.

Большинство из перечисленных выше областей применения лазеров представляет собой самостоятельные  и обширные разделы науки или  техники и требует, естественно, самостоятельного рассмотрения. Цель приведенного здесь краткого и неполного  перечня применений лазеров - проиллюстрировать  то громадное влияние, которое оказало  появление лазеров на развитие науки  и техники, на жизнь современного общества.

 

26. Строение атома:

Атом (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Атом  состоит из атомного ядра и электронов. Если число протонов в ядре совпадает  с числом электронов, то атом в целом  оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым  положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9%) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой  при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число  протонов Z соответствует порядковому  номеру атома в в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы

27. Изотопы.

Изотопы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия (например, дейтерий, актинон).

 

Пример  изотопов: 16/8O, 17/8O, 18/8O — три стабильных изотопа кислорода.

 

28. Энергия связи. Ядерные силы.

Ядерные силы

  Протоны, имеющиеся в ядре, отталкиваются друг от друга кулоновскими силами. Однако это не приводит к разрушению ядер. Очевидно, между нуклонами в ядре действуют силы притяжения неэлектрической природы. Эти силы получили название ядерных. Взаимодействие нуклонов получило название сильного взаимодействия.

Свойства  ядерных сил:

• зарядовая независимость;
• короткодействующий характер (ядерные силы действуют на расстояниях, не превышающих 2·10-15 м);
• насыщаемость (ядерные силы удерживают друг возле друга не больше определенного числа нуклонов).

Энергия связи ядра

Энергия, которую надо затратить, чтобы, преодолев ядерные силы, расщепить  ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи атомного ядра. Как  следует из закона сохранения энергии, если ядро образуется из отдельных  нуклонов, то энергия связи ядра в момент его формирования выделяется в виде излучения.

 Из  закона взаимосвязи массы и  энергии следует, что 

 

Есв=Dm·c2, где Dm-дефект массы ядра.

 

Dm=Z·mp+(A-Z)·m_n-Mя

 

Итак, формула, по которой можно вычислить  энергию связи, имеет вид:

 

Есв=(Z·m_p+(A-Z)·m_n-Mя)·c²

 

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи:    dЕ=DЕ/А