Водород

ЛЕКЦИЯ

ТЕОРИЯ АТОМА ВОДОРОДА. РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ,

План лекции:

1.Теория атома водорода. Открытие электрона. Модели атома Томсона и Резерфорда. Постулаты Бора при квантовых переходах. Квантовая теория строения атома водорода. Магнитный момент электрона в атоме. Строение электронных оболочек атомов. Магнитный момент атома. Многоэлектронные атомы. Явления магнитного резонанса. Принцип Паули. Распределение электронов по энергетическим уровням. Периодическая система элементов Менделеева.

2.Рентгеновское излучение и его свойства. Оптические и рентгеновские спектры. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рентгенодиагностика и рентгенотерапия. Биологическое действие рентгеновского излучения.

1.Теория атома водорода. Открытие электрона. Модели атома Томсона и Резерфорда. Постулаты Бора при квантовых переходах. Принцип Паули. Периодическая система элементов Менделеева.

Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах вещества («атомос» — неразложимый) возникло еще в античные времена.

Большую роль в развитии атомистической теории сыграл Д. И. Менделеев, разработавший в 1869 г. Периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Во второй половине XIX в. экспериментально было доказано, что электрон является одной из основных составных частей любого вещества. Эти выводы, а также многочисленные экспериментальные данные привели к тому, что в начале XX в. серьезно встал вопрос о строении атома.

Первая попытка создания на основе накопленных экспериментальных данных модели атома принадлежит Томсону (1903). Согласно этой модели, атом представляет собой непрерывно заряженный положительным зарядом шар радиусом порядка 10-10 м, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны; суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом в целом нейтрален. Через несколько лет было доказано, что представление о непрерывно распределенном внутри атома положительном заряде ошибочно.

Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели, вокруг положительного ядра, имеющего заряд Z·e (Z ‒ порядковый номер элемента в системе Менделеева, е ‒ элементарный заряд), размер 10-15 - 10-14 м и массу, практически равную массе атома. Вокруг ядра по орбитам с диаметрами порядка 10-10 м движутся (чтобы не упасть на ядро изза кулоновского притяжения) электроны, образуя электронную оболочку

(обусловленная кулоновским притяжением) направлена к одной точке – одному из фокусов эллипса, в котором находится ядро. Эксцентриситет эллиптической орбиты (степень её вытянутости) оказывается, также квантуется, т.е. может быть не любым, а только определённым. Установлено, что n-й круговой орбите соответствует (n-1) эллиптических орбит. Поэтому пришлось ввести второе квантовое число – орбитальное l.

2)вращающийся вокруг ядра электрон можно рассматривать как микроток, протекающий по замкнутому контуру. Но любой циркулярный ток имеет свое магнитное поле. Взаимодействие магнитных полей данного электрона и других электронов атома приводит к постоянному вращению (прецессии) магнитного поля данного электрона. Причём направление и модуль скорости прецессии магнитного поля электрона также квантуются. В

связи с чем, ввели магнитное квантовое число – m.

3)электроны представляют собой объекты, вращающиеся не только вокруг ядра, но и вокруг своей оси. Поэтому каждый электрон характеризуется некоторым моментом импульса, который в случае элементарных частиц называют спином. Оказалось, что все электроны имеют одинаковый по модулю спин, но направление спина вдоль собственной оси вращения электрона возможно двоякое: либо «вверх», либо «вниз», т.е. спин также квантован. В связи с этим ввели четвёртое квантовое число – спиновое S, которое может принимать только два противоположных по знаку значения:

Итак, состояние электрона, входящего в состав некоторого атома, характеризуют четыре квантовые числа: n, l, m и s. Электрон может находится только в состояниях, определённых квантовыми числами. Эти состояния стационарны. Любое изменение состояния происходит с изменением хотя бы одного квантового числа. Если атом принимает энергию (например, поглощает свет) или отдаёт её (например, испускает свет), то хотя бы один из его электронов меняет набор квантовых чисел, а сам атом переходит из одного энергетического состояния в другое.

Шрёдингер и Гейзенберг развили теорию Бора и создали квантовую механику, которая в настоящее время и является наиболее совершенной теорией атома.

Энергия электрона зависит в основном от чисел и l и изменяется сильнее

сувеличением главного квантового числа, чем с увеличением l. Поэтому, как правило, состояние с большим n обладает, независимо от значения l, большей энергией. Если атом находится в невозбужденном состоянии, то все электроны должны располагаться на самых низких доступных для них энергетических уровнях. Объяснение возможных конфигураций электронов в атоме сформулировал В. Паули (Нобелевская премия, 1945 г.):

в квантовой системе в одном и том же квантовом состоянии не могут одновременно находиться две тождественные частицы с полуцелым спином. Следовательно, в сложном атоме в каждом из возможных квантовых состояний может находиться не более одного электрона. Два электрона в одном и том же атоме не могут иметь одинакового набора квантовых чисел n,

l, m и s. Принцип Паули составляет основу понимания не только структуры атомов и молекул, но и природы химической связи и многих других явлений.

Квантовая модель (теория) атома позволила истолковать периодическую систему химических элементов. Теория связывает наиболее важные физические и химические свойства атомов со структурой электронной оболочки, и основой истолкования служит так называемый принцип построения. Согласно этому принципу, электронная оболочка любого атома получается из электронной оболочки предыдущего атома путём добавления к ней дополнительного электрона. Электронные оболочки имеют определённую структуру и состоят из электронных слоёв. Основой слоистой модели является главное квантовое число n. Электроны с одинаковым n принадлежат к одинаковым электронным слоям. В ближайшем к ядру электронном слое находятся электроны с n=1, на следующем слое находятся электроны с n=2 и т.д. В одном и том же слое может быть несколько электронов, но не сколько угодно. Их число ограничивается принципом Паули. Согласно этому принципу, в атоме не может быть двух электронов с одинаковыми четырьмя (n, l, m, s) квантовыми числами. Если подсчитать возможности, относящиеся к данному квантовому числу n, то окажется, что число их равно 2 n2. Так, в 1- м слое может находится максимально 2 электрона, во 2-м – 8, в 3-м – 18, в 4-м

– 32 и т.д. В начале нового периода системы элементов всегда появляется новый электронный слой, и элементы, у которых количество и расположение наружных электронов совпадает, проявляют сходные химические свойства. Таковы, например, щелочные металлы (Li, Na, K, Rb и т.п.), у которых один электрон во внешнем электронном слое, и щёлочноземельные металлы (Ве, Мg, Ca, Sr, Ba, Ra), у которых два электрона в наружном слое. Химические свойства атома определяются, в основном, электронами его наружного слоя. Эти электроны называют валентными. Они определяют также и спектр излучения атома в оптическом диапазоне.

Явления магнитного резонанса.

Работа квантовых преобразователей магнитных величин основывается на использовании явления магнитного резонанса. Магнитный резонанс обусловлен взаимодействием микрочастиц (ядер, электронов, атомов, молекул), обладающих магнитным моментом и моментом количества движения (спином), с внешним магнитным полем. В результате этого взаимодействия наблюдается избирательное поглощение или излучение веществом электромагнитных волн определенной длины. Энергетическое состояние микрочастиц, находящихся в магнитном поле, в соответствии с законами квантовой механики, носит дискретный характер и зависит от ориентации их магнитных моментов относительно внешнего поля. Изменение ориентации магнитного момента и, в результате этого, изменение энергетического состояния микрочастицы может происходить скачкообразно.

С расщеплением энергетических уровней в магнитном поле, обусловленным наличием у электронов, а также у ядерных частиц магнитных моментов, связано явление магнитного резонанса, играющего большую роль в современных методах исследования строения и свойств вещества.

3. Рентгеновское излучение и его свойства.

Рентгеновские лучи X-лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны от 10-12 дo 10-8 м, т.е. от 0,01 A дo 100 A, и занимают на шкале электромагнитных волн участок между ɣ- и ультрафиолетовым излучением. Рентгеновское излучение (Х-лучи) открыты в 1895 г. К. Рентгеном, который в 1901 г. стал первым Нобелевским лауреатом по физике.

Законы распространения рентгеновых лучей подобны законам распространения света. Как световое излучение, рентгеновы лучи при взаимодействии со средой частично поглощаются, частично отражаются и рассеиваются. Но так как длина волны рентгеновых лучей мала, а энергия квантов велика, то они обладают еще другими свойствами:

1) проникают через среды различной плотности — картон, дерево, ткани организма животного и т. д. Проникающая способность рентгеновых лучей тем больше, чем короче длина волны и, следовательно, больше энергия квантов. Глубина проникновения рентгеновых лучей в ту или иную среду, или степень ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через слой того или другого материала, зависит не только от коротковолновости или энергии квантов, но и от свойств материала: чем плотнее среда, тем больше в ней поглощаются рентгеновы лучи. Например, слой воды толщиной 35 см ослабляет интенсивность потока рентгеновых лучей, генерированных при напряжении 200 кв, в такой же степени, как слой железа 4,75 см или бетона толщиной 17,23 см;

2) вызывают свечение — люминесценцию некоторых химических соединений. Одни вещества светятся в момент действия рентгеновых лучей, такое свечение называется флуоресценцией. Другие вещества продолжают светиться некоторое время после того, как рентгеновы лучи прекратили действие, это свечение называется фосфоресценцией;

3) подобно видимому свету, вызывают изменения в галоидных соединениях серебра, входящих в состав фотоэмульсий. Иначе говоря, вызывают фотохимические реакции;

4)вызывают ионизацию нейтральных атомов и молекул. В результате ионизации образуются положительно и отрицательно заряженные частицы — ионы. Ионизированная среда становится проводником электрического тока. Это свойство используют для измерения интенсивности лучей с помощью так называемой ионизационной камеры.

5)Оказывают биологическое действие на живые клетки. Различают два основных механизма такого воздействия.

Первый механизм имеет чисто электрохимическую природу. Дело в том, что человеческий организм состоит, в основном, из воды ( 75%). Поэтому, при прохождении через организм, рентгеновское излучение взаимодействием преимущественно именно с молекулами воды. В результате этого взаимодействия молекулы разделяются на ионы OH- и H+, называемые свободными радикалами. Эти ионы имеют чрезвычайно высокую химическую активность и немедленно вступают в химическую реакцию с другими

молекулами организма, в результате которых образуются ядовитые вещества, происходит интоксикация организма. Её наиболее явным симптомом является рвота. Второй механизм имеет биологическую основу и состоит в воздействии рентгеновского излучения на функцию деления биоклетки, подавляя или стимулируя её. Именно поэтому рентгеновское излучение очень опасно для маленьких детей и беременных женщин. Излучение воздействует в первую очередь на такие органы как щитовидная железа (thyroid gland), костный мозг (marrow) репродуцирующий кровь, половые органы, хрусталик глаза и т.п. В зависимости от дозы излучения, поглощённого органом, процесс деления его клеток может быть либо ускорен, либо замедлен. В первом случае облучение может стимулировать развитие раковой опухали, во втором – замедление процесса роста органа. Рентгеновское излучение обладает также большой проникающей способностью. Оно может проникать как сквозь прозрачные (для видимого излучения), так и сквозь непрозрачные предметы. По мере распространения рентгеновского излучения в веществе его интенсивность I уменьшается (в результате поглощения и рассеяния на частицах вещества) согласно закону Бугера:

Естественными источниками рентгеновского излучения являются некоторые радиоактивные изотопы (например, 55Fe). Искусственными источниками мощного рентгеновского излучения являются рентгеновские трубки (рис. 32.1).

Рентгеновская трубка представляет собой вакуумированную стеклянную колбу с двумя электродами: анодом А и катодом К, между которыми создается высокое напряжение U (1-500 кВ). Катод представляет собой спираль, нагреваемую электрическим током. Электроны, испущенные нагретым катодом (термоэлектронная эмиссия), разгоняются электрическим полем до больших скоростей (для этого и нужно высокое напряжение) и попадают на анод трубки. При взаимодействии этих электронов с веществом

анода возникают два вида рентгеновского излучения: тормозное и характеристическое.

Врентгеновское излучение превращается примерно 1 % кинетической энергии электронов. Остальная часть энергии выделяется в виде тепла. Поэтому рабочая поверхность анода выполняется из тугоплавкого материала.

Взависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их спектры могут быть непрерывными (тормозными) или линейчатыми (характеристическими).

Тормозное рентгеновское излучение порождается в ходе торможения быстрых свободных электронов электрическими полями электронов, входящих в состав атомов вещества мишени.

Характеристическое рентгеновское излучение – электромагнитное излучение, испускаемое при переходах электронов с внешних электронных оболочек атома на внутренние (характеристический спектр).

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом Рентгеновское излучение в веществе поглощается или рассеивается.

При этом могут происходить различные процессы, которые определяются соотношением энергии рентгеновского фотона hv и энергии ионизации Аи (энергия ионизации Аи – энергия, необходимая для удаления внутренних электронов за пределы атома или молекулы).

1) Когерентное рассеяние (рассеяние длинноволнового излучения) происходит тогда, когда выполняется соотношение

hv < Аи.

Энергия фотона и атома не изменяются, то когерентное рассеяние не влияет на биологические объекты, но при создании защиты от рентгеновского излучения следует учитывать возможность изменения первичного направления пучка.

2) Фотоэффект происходит тогда, когда

hv Аи.

При этом могут быть реализованы два случая.

1.Фотон поглощается, электрон отрывается от атома (рис. 3б). Происходит ионизация. Оторвавшийся электрон приобретает кинетическую

энергию: Eк = hv – Aи. Если кинетическая энергия велика, то электрон может ионизировать соседние атомы путем соударения, образуя новые вторичные электроны.

2.Фотон поглощается, но его энергии не достаточно для отрыва электрона,

иможет происходить возбуждение атома или молекулы (рис.3в). Это часто приводит к последующему излучению фотона в области видимого излучения (рентгенолюминесценция), а в тканях – к активации молекул

ифотохимическим реакциям. Фотоэффект происходит, в основном, на

электронах внутренних оболочек атомов с высоким Z.

3) Некогерентное рассеяние (эффект Комптона, 1922 г.) происходит тогда, когда энергия фотона намного больше энергии ионизации

hv » Аи.

При этом электрон отрывается от атома (такие электроны называются электронами отдачи), приобретает некоторую кинетическую энергию Eк, энергия самого фотона уменьшается (рис. 4г):

Рентгенодиагностика и рентгенотерапия.

Большая проникающая способность рентгеновского излучения обусловила его использование в медицине и промышленности для диагностики внутренних болезней и выявления дефектов. Различают два основных метода рентгеновской диагностики: рентгенографию (radiography), в которой для детектирования рентгеновского излучения используют фотобумагу, и флюорографию или рентгеноскопию, когда для изучения рентгеновского излучения, прошедшего сквозь пациента, используют флуоресцентные экраны. При флюорографии используют более мягкое излучение, поскольку для возбуждения атомов чувствительного слоя экрана требуются менее энергичные рентгеновские фотоны, чем в случае рентгеноскопии, когда необходимо ионизировать атомы серебра в светочувствительном слое фотобумаги. Поэтому метод флюорографии является менее вредным, по сравнению с рентгенографией, и используется в медицинской практике более широко.

Биологическое действие излучения заключается в нарушении жизнедеятельности, особенно быстро размножающихся клеток.