Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Строение атома и элементы квантовой физики. Учебное пособие
.pdf
Содержание
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологическая академия
А. Б. КОЛПАЧЕВ
О. В. КОЛПАЧЕВА
СТРОЕНИЕ АТОМА
И ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону–Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2024
Содержание
2
УДК 539.1(075.8)+530.145 (075.8)
ББК 22.383я73+22.314 я73
К615
Печатается по решению кафедры физико-математических основ
инженерного образования Института компьютерных технологий
и информационной безопасности Южного федерального университета
(протокол № 11 от 17июня 2024 г.)
Рецензенты:
зав. кафедрой электротехники и электроники Донского государственного
технического университета, доктор физико-математических наук,
профессор А. А. Лаврентьев
профессор кафедры математики и физики Таганрогского института
имени А. П. Чехова (филиала) Ростовского государственного
экономического университета (РИНХ), кандидат технических наук,
доцент С. Н. Кихтенко
Колпачев, А. Б.
К615 Строение атома и элементы квантовой физики : учебное пособие /
А. Б. Колпачев, О. В. Колпачева ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального
университета, 2024. – 98 с.
ISBN 978-5-9275-4821-7
Пособие содержит изложение разделов курса физики, касающихся
строения атома, радиоактивности и предпосылок создания квантовой механики.
Предназначено для студентов ЮФУ, обучающихся по направлениям
«Приборостроение», «Электронная техника, радиотехника и связь», «Электроника и наноэлектроника».
УДК 539.1(075.8)+530.145 (075.8)
ББК 22.383я73+22.314 я73
ISBN 978-5-9275-4821-7
© Южный федеральный университет, 2024
© Колпачев А. Б., Колпачева О. В., 2024
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2024
Содержание
3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………...
5
1. РАДИОАКТИВНОСТЬ …………………………………………………
6
1.1. Открытие радиоактивности …………………………………………
6
1.2. Исследование ионизации газов радиоактивным излучением ……..
9
1.3. Открытие новых радиоактивных элементов ……………………….
15
1.4. Исследование состава радиоактивного излучения, α-, β-, γ-лучи …...
17
1.5. Радиоактивные превращения химических элементов распада …...
21
1.6. Закон радиоактивного распада ……………………………………...
24
2. СТРОЕНИЕ АТОМА …………………………………………………...
27
2.1. Ранние модели атома ………………………………………………...
28
2.2. Применение рассеяния микрочастиц для исследования структуры
вещества …………………………………………………………………...
31
2.3. Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц ………………………..
33
2.4. Квантование действия ……………………………………………….
39
2.5. Боровская теория атома водорода. Правило квантования орбит.
Постулаты Бора …………………………………………………………...
47
2.6. Квантование энергии в атоме водорода …………………………….
50
2.7. Характеристические оптические спектры излучения и поглощения
56
2.8. Спектральные серии и спектральные формулы ……………………
59
2.9. Объяснение спектральных формул …………………………………
61
2.10. Опыт Франка и Герца ………………………………………………
64
2.11. Как устроен атом? …………………………………………………..
67
3. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ …………………………………
69
3.1. Недостатки теории атома водорода Н. Бора ……………………….
69
3.2. Попытки объяснения квантования с точки зрения волновой теории. Гипотеза де Бройля ………………………………………………….
70
3.3. Длина волны де Бройля и характеристики микрочастицы ………..
72
3.4. Доказательство того, что наличие у частиц волновых свойств не
противоречит законам физики …………………………………………...
77
3.5. Длина волны де Бройля ……………………………………………...
81
Содержание
4
3.6. Экспериментальные подтверждения гипотезы де Бройля ………...
83
3.7. Применение принципа корпускулярно-волнового дуализма для
описания поведения частиц ……………………………………………...
88
3.8. Соотношения неопределенностей …………………………………..
89
3.9. Принцип дополнительности ………………………………………...
93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………….
95
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………...
96
Содержание
5
ВВЕДЕНИЕ
Развитие физики всегда связано с появлением и развитием новых
технологий. С одной стороны, появление новых физических знаний приводит к обновлению технологий, а с другой, применение новейших технологий приводит к существенному расширению арсенала экспериментальных методов исследования природы, что влечет за собой открытие новых
важных закономерностей и физических законов. Развитие электродинамики и открытие электромагнитных волн привели к утверждению волновой
теории света. В то же время использование новейших на тот момент методов измерений и исследование с помощью этих методов закономерностей
теплового излучения, открытие фотоэлектрического эффекта сформировали квантовые представления о свете, концепцию корпускулярно-волнового дуализма света.
Повышенный интерес к изучению процессов взаимодействия электромагнитных полей и излучения с веществом привел к открытию электронов, рентгеновских лучей, радиоактивности. Исследования радиоактивных веществ и взаимодействия радиоактивного излучения с веществом
потребовали создания новых экспериментальных методов наблюдения и
регистрации этих излучений. Такие методы были созданы, и это дало возможность исследовать строение вещества гораздо более детально, чем это
было возможно ранее. Появились первые модели устройства атома, представления о превращении в процессах радиоактивного распада одних атомов в другие, представления о расположении атомов в кристаллах.
Создание новых теорий, объясняющих вновь полученные экспериментальные данные, привело к существенным изменениям в понимании
строения материи, к созданию нового метода описания действительности
– квантовой механики. В нашем пособии мы рассмотрим, фундаментальные физические явления, приведшие к формированию квантовых идей.
1. Радиоактивность
6
1. РАДИОАКТИВНОСТЬ
Наше пособие посвящено рассмотрению строения атомов, а также
возникновению и формированию представлений о квантовой природе этого строения и свойств атомов. Но исследование атомов было бы невозможно без открытий важнейших физических явлений, совершенных в
конце XIX и начале XX вв. Без этих открытий не только понимание
свойств атомов, но и само экспериментальное исследование атомов было
бы невозможно. К таким явлениям относятся радиоактивность, открытие
рентгеновского излучения, открытие электрона как отдельной частицы,
обладающей наименьшим возможным электрическим зарядом, исследование свойств тепловых и характеристических спектров испускания и поглощения. Все вышеуказанные явления мы более или менее подробно обсуждали в учебных пособиях, выпущенных ранее [1], кроме явления радиоактивности. В то же время именно благодаря исследованию именно
этого явления физикам удалось не только существенно расширить свои
знания об окружающем мире, но и найти такие инструменты, которые
позволили исследовать строение атома. Поэтому начнем с рассмотрения
этого важнейшего физического явления радиоактивности. Само название
«радиоактивность» происходит от двух латинских слов «radus» – луч и
«activius» – действенный и было предложено выдающейся исследовательницей этого явления Марией Склодовской–Кюри.
1.1. Открытие радиоактивности
Непосредственным толчком к открытию радиоактивности можно
считать дискуссию, которая развернулась в 1895 г. вокруг открытия
В. К. Рентгеном X - лучей, или, как их принято называть в России, рентгеновского излучения [2]. Рентген считал, что открытое им излучение возникает в результате столкновения катодных лучей (потока электронов) со
стенкой стеклянной трубки. Электроны резко замедляются и, двигаясь с
очень большим по величине ускорением, испускают электромагнитные
волны. Однако первоначально, возможно в связи с тем, что природа катодных лучей еще не была хорошо изучена, выдвигались и альтернатив-
1.1. Открытие радиоактивности
7
ные предположения относительно природы рентгеновского излучения.
В частности, А. Пуанкаре выдвинул предположение, что возникновение
X-лучей связано с явлением флюоресценции и, возможно, всегда возникает в люминесцирующих веществах [2].
Что такое люминесценция и флюоресценция? Термин люминесцен-
ция означает свечение вещества в результате поглощения этим веществом энергии, чаще всего также в виде излучения. Так, например, на
циферблат часов наносят краску, которая светится в темноте после того,
как часы освещались дневным светом. При этом спектральный состав поглощаемого и испускаемого излучений существенно различается. Флюоресценция – это также свечение вещества после поглощения им энергии.
Отличие состоит в том, что это свечение прекращается очень быстро после «выключения» источника поглощаемого излучения. Можно сказать,
что это очень быстрое переизлучение поглощенной энергии в другом частотном диапазоне. Таким образом, предположение Пуанкаре состояло в
том, что некоторые люминесцирующие вещества могут излучать поглощенную ими ранее энергию в виде рентгеновского излучения. При этом
им не требуется облучение именно катодными лучами, как это было в
экспериментах Рентгена.
Проверить эту гипотезу взялся Антуан Анри Беккерель (1852–1908).
Он много и плодотворно работал с различными люминесцирующими веществами и был потомственным физиком. Его дед, Антуан Сезар Беккерель, изучал термоэлектричество и флуоресценцию, его отец, Александр
Эдмон Беккерель – автор основополагающих трудов по фосфоресценции,
также одному из видов люминесценции. Беккерель пытался найти свечение не в видимом, а в рентгеновском диапазоне, поэтому он освещал ярким солнечным светом различные люминесцирующие вещества, а затем
размещал рядом с ними фотопластинку, завернутую в плотную непрозрачную бумагу. Было известно, что рентгеновские лучи легко проникают
через такую преграду и поэтому они должны оставить следы на фотопластинке. После проявления фотопластинка должна почернеть в том месте,
где на нее попадали рентгеновские лучи. Первые результаты он получил,
используя пластинку из флюоресцирующего сернистого цинка. Гораздо
более яркую засветку фотопластинки он получил при помощи пластинки
двойного сульфата уранила калия – минерала, содержащего уран. Эта пла-
1. Радиоактивность
8
стинка была сложной неправильной формы, и засветка фотопластинки в
точности повторяла форму пластинки из двойного сульфата уранила калия. Казалось, предположения А. Пуанкаре блестяще подтверждаются,
флюоресцирующие вещества испускают в результате люминесценции невидимые лучи, проникающие через непрозрачную бумагу.
Однако, 1 марта 1896 г. Беккерель решил проявить фотопластинки,
лежавшие в темном шкафу вместе с препаратом урана. При этом никакого
облучения урановых препаратов он не проводил. Результаты его сильно
удивили, все фотопластинки оказались засвечены. Он перепроверил результат, и оказалось, что препараты, содержащие уран, испускают какоето излучение, проникающее сквозь непрозрачную бумагу и оказывающее
химическое воздействие на фотопластинку, подобное воздействию рентгеновских лучей. При этом облучение препаратов видимым светом никак
не влияет на наличие этого проникающего излучения. О результатах своих
исследований Беккерель незамедлительно сообщил на собрании Французской академии, а также в научных статьях.
Начиная с 1897 г., к исследованию «лучей Беккереля» или же «урановых лучей» присоединились многие физики и химики, но наиболее важных результатов наряду с Беккерелем достигли П. Кюри и М. Склодовская–Кюри, а также Э. Резерфорд, П. Вилар (Вийар) и Ф. Содди.
Итак, отметим, что Беккерель установил следующие факты, касающиеся испускания «урановых лучей». Первое: эти лучи ионизируют воздух и способны разряжать заряженный электроскоп, следовательно, могут
быть потоком заряженных частиц. Второе: они испускаются только соединениями урана либо чистым ураном и поэтому назвал их «урановыми
лучами». Третье: испускание этих лучей ураном не зависит от физического или химического состояния урана и может продолжаться многие месяцы без изменений.
Контрольные вопросы
1. Почему открытие и исследование явлений радиоактивности, рент-
геновского излучения, теплового излучения и открытие элементарной частицы электрона помогло выдвинуть первые гипотезы строения атома?
2. Какие виды излучения исследовал Беккерель?
1.2. Исследования ионизации газов радиоактивным излучением
9
3. Чем отличается люминесценция от флюоресценции?
4. Какой метод применял Беккерель, исследуя явление люминесцен-
ции, и как он обнаружил, что с соединениями урана связано некое излучение с большой проникающей способность?
5. Какой эксперимент провел Беккерель для выяснения природы
«урановых лучей»? Как он работал с препаратами урана?
6. Какие свойства «урановых лучей» были обнаружены в эксперимен-
тах Беккереля?
7. Как Беккерель установил, что «урановые лучи» ионизируют воздух?
8. Опишите схему эксперимента В. К. Рентгена, в котором он открыл
рентгеновское излучение (X-лучи), возникающее в результате резкого торможения электронов на мишени. Каков диапазон частот этого излучения?
9. Что вы знаете о практическом применении рентгеновского из-
лучения?
1.2. Исследования ионизации газов
радиоактивным излучением
Первым важным свойством «урановых лучей», обнаруженным экспе-
риментально, была ионизация окружающего воздуха или любого другого
газа. Подобным свойством также обладали так называемые «катодные лучи» (потоки электронов, вылетающие из нагретого катода электронной
лампы) и рентгеновское излучение. По этой причине все эти виды излучений называются ионизирующими.
Сначала было установлено, что, если электроскоп подвергать воздействию радиоактивного излучения, то лепестки электроскопа отклоняются.
Это указывает на появление электрического заряда. Затем удалось сравнить ионизирующее воздействие излучения, исходящего из различных
веществ, на окружающий их воздух или другой газ, заполняющий объем
вокруг излучающего вещества. Для этого были использованы более совершенные приборы, называемые электрометрами. В отличие от электроскопа, который позволяет определить наличие или отсутствие электрического заряда, электрометр позволяет измерять величину заряда. Для исследования ионизирующих свойств излучения П. и М. Кюри, Э. Резер-
1. Радиоактивность
10
форд, П. Вийар и другие исследователи использовали так называемые
квадрантные электрометры (рис. 1.1, 1.2). Впервые такую конструкцию
электрометра предложил У. Томсон (Кельвин).
Рис. 1.1. Устройство квадратного
электрометра
Рис. 1.2. Квадратный электрометр
начала ХХ в.
Рассмотрим устройство такого электрометра [3,4]. Легкий алюминиевый сектор F, соединенный с шариком электроскопа С, подвешен на тонкой проводящей упругой нити. Четыре изолированных друг от друга металлических сегмента соединены попарно по диагонали контактами 1 и 2,
а также 3 и 4. На эти пары контактов, а следовательно, и на металлические
сегменты, подается напряжение противоположного знака. Заряженный
алюминиевый сектор притягивается к одной паре сегментов и отталкивается от другой. Упругая нить препятствует повороту алюминиевого лепестка. Угол поворота лепестка определяют по отражению луча света от
небольшого зеркала M, прикрепленного к нити, как в зеркальном гальванометре. Зная величину угла поворота лепестка, коэффициент упругости
нити и величину подаваемого напряжения, можно определить величину
заряда, сообщенного электрометру. Можно также, зная величину заряда,
сообщенного электрометру, определить разность потенциалов между сек-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]