коллоквиум

Существенную роль в создании классической модели атома сыграли опыты Резерфорда по рассеянию частиц. Он исследовал рассеяние -частиц на Ме фольгах.

Ядерная модель атома Резерфорда. Согласно этой модели атом состоит из положительного ядра, имеющего заряд Zе (Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е - элементарный заряд), размер 10-5 -10-4 А (1А= 10-10 м) и массу практически равную массе атома. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то вокруг ядра должно вращаться Z электронов, суммарный заряд которых - Zе. Размеры атома определяются размерами внешних орбит электронов. Масса электронов составляет очень малую долю массы ядра. Итак, ядро атома занимает ничтожную часть объема атома и в нем сосредоточена практически вся (» 99,95%) масса атома. Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в атоме обращаются вокруг атомного ядра. Радиус круговой орбиты самого далекого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель атома была названа планетарной моделью. Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц. Так как большая часть пространства в атоме между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, быстро заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов. При столкновениях с отдельными электронами быстрые заряженные частицы испытывают рассеяние на очень большие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда быстрая заряженная частица пролетает на очень близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием силы электрического поля атомного ядра может произойти рассеяние заряженной частицы на

любой угол до 180°.Результаты опытов по рассеиванию - частиц свидетельствуют в пользу ядерной модели Резерфорда. Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра, описывая замкнутые траектории. Но тогда электрон будет двигаться с ускорением, т.к. согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны. Этот процесс должен сопровождаться потерей энергии и электрон в конечном итоге должен упасть на ядро.

г). Почему теннисный мяч имеет точно определенные координаты и скорость, а положение и скорость электрона в атоме невозможно одновременно точно измерить?

Принцип неопределённости Гейзенберга:

. Оно отражает тот факт, что в природе в принципе не существует состояний частиц с точно определенными значениями обеих

переменных ( координата и импульс). Согласно принципа неопределённости Гейзенберга , нельзя вводить понятие траектории электрона в атоме, так как невозможно одновременно точно определить координаты и скорость электрона в атоме. Если мы устанавливаем точное положение электрона, то лишаем себя возможности

определить скорость, и наоборот. За неопределенностью координаты частицы скрывается не то, что мы не знаем ее точного значения, а то, что само понятие

«координаты» при столь малых значениях начинает терять свой физический смысл, становится бессмысленным.

2. Сколько тепла выделяется при образовании одного грамма 4Не из, дейтерия -Н? Какая масса каменного угля с теплотворной способностью 30кДж/г эквивалентна этому теплу?

3. Фотон с энергией 0.46 МэВ рассеялся под углом 120 градусов на покоившемся свободном электроне. Найдите: а) энергию рассеянного кванта; б) относительное изменение частоты фотона; в) энергию,переданную электрону отдачи (поглощенную покоившимся электроном).

Билет 28-9?????

а). Каков физический смысл спектральной плотности энергетической светимости (излучательности) тела? В каких единицах она измеряется?

Количественной характеристикой теплового излучения служит спектральная плотность энергетической светимости (излучательности) тела - мощность излучения с единицы площади поверхности тела в интервале частот единичной ширины:

, где - энергия электромагнитного излучения, испускаемого за единицу времени (мощность излучения) с единицы площади поверхности тела

в интервале частот от .Единица спектральной плотности энергетической

светимости Джоуль на метр в квадрате в секунду (Дж/м ×с).

б). В чем состоит суть явления фотоэффекта? Какие виды фотоэффекта вы знаете'?

Суть фотоэффекта состоит в способности атомов к ионизации под действием света. Если атомы (напpимеp, газа) подвергнуть облучению светом, то свет будет поглощаться атомами. Естественно допустить, что при определенных условиях поглощение будет столь велико, что внешние (валентные) электроны будут отрываться от атомов. Фотоэффект – это испускание электронов под действием света.

Внешний фотоэффект- это выбивание электронов из металла падающим светом или другим электромагнитным излучением. Это явление обладает рядом свойств: 1.Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света.

2. Максимальная кинетическая энергия электронов, покинувших металл в результате фотоэффекта, определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. 3.Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – наименьшая частота падающего света, при которой возможен фотоэффект.

4.Фототок устанавливается очень быстро за время .

Внутренний фотоэффект - вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и в диэлектриках. Под действием света часть электронов из валентной энергетической зоны переходит в область проводимости. Концентрация носителей тока внутри вещества увеличивается, - возникает фотопроводимость, т.е. повышение электропроводности тела под действием света.

Вентильный: возникновение ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла ( при отсутствии внешнего эл-го поля).

При освещении границы двух полупроводников с разным типом проводимости (р- п перехода) в области р-пперехода возможно возникновение фото-эдс.

в). Объясните, почему Нильсу Бору для создания теории атома водорода понадобилось выдвигать два постулата. В чем состоит смысл постулатов Бора?

Резерфорд создал планетарную модель атома , в которой он объяснял основные

закономерности рассеяния заряженных частиц Результаты опытов по рассеиванию - частиц свидетельствуют в пользу ядерной модели Резерфорда. Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не могла находиться в

устойчивом состоянии, Резерфорду пришлось отказаться от статической модели атома и предположить, что электроны движутся вокруг ядра, описывая замкнутые траектории. Но тогда электрон будет двигаться с ускорением, т.к. согласно классической электродинамике, он должен непрерывно излучать электромагнитные (световые) волны. Этот процесс должен сопровождаться потерей энергии и электрон в конечном итоге должен упасть на ядро. Именно эти противоречия привели Нильса Бора к тому, чтобы создать два постулата: Первый постулат Бора(постулат стационарных состояний) гласит: атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

- радиус n-ой стационарной орбиты, n - главное квантовое число.

Второй постулат Бора (правило частот) формулируется следующим образом: при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний: hνnm = En – Em, где h – постоянная Планка.Отсюда можно выразить частоту излучения: v = (En - Em)/ h

г). Как, исходя из соотношения неопределенностей, объяснить наличие естественной ширины спектральных линий?

Среднее время жизни электрона в возбужденном нестабильном состоянии

. Эта ширина называется естественной шириной спектральной линии и не может быть уменьшена ни одним спектрографом, даже если его разрешающая способность идеальна.

2. Вычислить с помощью табличных значений масс нуклидов энергию на один

нуклон, которая выделяется при протекании реакции . Сравнить полученную величину с энергией на один нуклон, освобождающейся при делении ядра 235U.

3. Используя теорию Бора, определить изменение орбитального механического момента электрона припереходе его из возбужденного состояния (п=2) в основное с испусканием фотона с длиной волны0.121мкм.

Билет 29

а). Что такое абсолютно черное тело? Что может служить моделью абсолютно черного тела? Какие объекты, существующие в природе, вы можете привести как пример тел, наиболее близких по своимсвойствам к абсолютно черному телу? Почему эти тела обладают такими свойствами?

Тела, для которых поглощательная способность равна единице для всех частот и температур, называют абсолютно черными. В природе абсолютно черных тел (АЧТ) нет. Есть тела, достаточно близкие к ним в определенном диапазоне частот. Для видимого света это сажа и черный бархат. Высокие поглощающие свойства у этих материалов объясняются их пористостью, благодаря чему свет, попавший на них, испытывает несколько отражений, прежде чем выходит из толщи материала.

На принципе многократного отражения основано устройство тела, наиболее приближающегося по своим свойствам к АЧТ. Оно изготовляется в виде почти замкнутой полости, снабженной небольшим отверстием. Излучение, проникающее через отверстие, падает на стенки полости, частично поглощается ими, частично рассеивается или отражается и вновь попадает на стенки. Благодаря малым размерам отверстия, луч должен претерпеть много отражений, прежде чем он сможет выйти наружу. Повторные поглощения на стенках приводят к тому, что практически все излучение любой частоты поглощается такой полостью

б). Если попытаться явление фотоэффекта объяснить исходя из волновых свойств света, то какими тогда должны были бы быть законы фотоэффекта?

Фотоэффект можно объяснить исходя из волновых свойств света: Амплитуду вынужденных колебаний свободного электрона

(масса m и заряд e) в переменном электрическом поле с амплитудой

уйти за его пределы. Тогда у фотоэффекта должны быть следующие свойства: 1.электроны не должны покидать металл до тех пор, пока амплитуда их колебаний не превысит некоторого порогового значения;

2.энергия выбитых электронов должна возрастать пропорционально (энергия колебаний пропорциональна квадрату их амплитуды)

3.если , а увеличивается частота электромагнитной волны, то число испускаемых электронов должно уменьшаться.

в). Почему не испускают свет молекулы кислорода в окружающем нас воздухе?

г). Что из себя представляет оптический резонатор? Почему он необходим . для получения генерации света в лазерах?

Одно из зеркал имеет коэффициент отражения близкий к единице, второе является частично прозрачным. Наличие частично прозрачного зеркала позволяет определенной доли излучения (лазерное излучение) выходить из резонатора. Другая часть излучения вновь отражается и проходит через активную среду.

Для получения генерации света в лазерах необходим оптический резонатор, он обеспечивает обратную связь между источниками света или, другими словами, обеспечивает вынужденное испускание излучения.

2. Определить с помошыо табличных значений масс нуклидов энергию следующих реакций: a)7Li(p,n)7Be; б) 9Ве(п, гамма-квант)10Ве.

3. Потенциал ионизации водородного атома равен I3.6B. Исходя из этого,

определить, сколько линий серии Бальмера попадают в видимую часть спектра (границами видимой части спектра считать 350нм и 750нм).