2. Атом как квантовая система
Атом (от греч. atomos - неделимый), наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Каждому химическому элементу соответствует совокупность определенных атомов. Связываясь друг с другом, атомы одного или разных элементов образуют более сложные частицы, например молекулы. Все многообразие химических веществ (твердых, жидких и газообразных) обусловлено различными сочетаниями атомов между собой. Атомы могут существовать и в свободном состоянии.
Квантовые состояния атома. Благодаря малым размерам и большой массе ядро атома можно приближенно считать точечным и покоящимся в центре масс атома, и рассматривать атом, как систему электронов, движущихся вокруг неподвижного центра - ядра. Полная энергия такой системыЕ равна сумме кинетических энергий Т всех электронов и потенциальной энергии U, которая складывается из энергии притяжения электронов ядром и энергии взаимного отталкивания электронов друг от друга. Атом подчиняется законам квантовой механики; его основная характеристика как квантовой системы - полная энергияЕ - может принимать лишь одно из значений дискретного ряда Е1< Е2< Е3<...; промежут. значениями энергии атом обладать не может. Каждому из "разрешенных" значенийЕ соответствует одно или несколько стационарных (с не изменяющейся во времени энергией) состояний атома Энергия Е может изменяться только скачкообразно - путем квантового перехода атома из одного стационарного состояния в другое. Методами квантовой механики можно точно рассчитатьЕдля одноэлектронных атомов - водорода и водородоподобных: Е= —hcRZ2/n2, где h - постоянная Планка, с-скорость света, целое число п= 1, 2, 3, ... определяет дискретные значения энергии и наз. главным квантовым числом; R-постоянная Ридберга (hcR = 13,6 эВ). При использовании СИ формула для выражения дискретных уровней энергии одноэлектронных атомов записывается в виде:
где
те-масса
электрона,
-электрическая
постоянная,
БИЛЕТ 24
1. Элементарные частицы
Элементарные частицы – первичные, неразложимые частицы, из которых, как предполагается, состоит вся материя. В современной физике этот термин обычно употребляется не в своем точном значении, а в менее строгом – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, удовлетворяющих условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, за исключением протона. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электроны, фотоны, пи-мезоны, мюоны, тяжелые лептоны, нейтрино трех типов, странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым очарованием, «очарованные» частицы, промежуточные векторные бозоны и т. п. – всего их несколько сотен, в основном нестабильных. Их число продолжает расти по мере расширения наших знаний. Большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку являются составными системами.
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона, в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.
Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 г. американский физик Гелл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом.