Постулаты Бора.

Тратя энергию на излучение, электрон должен упасть на ядро за время . При этом спектр испускания сплошной, чего в реальности не наблюдается.

Выход из этих противоречий нашёл Нильс Бор.

1. Атомная система может находиться только в особых стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определённая энергия . В стационарном состоянии атом не излучает.

2. При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух стационарных состояниях.

Энергия и радиусы орбит стационарных состояний.

(1)

(2) – правило квантования Бора.

; (3)

Из (1) и (3): ; (4)

- радиус первой Боровской орбиты.

- потенциальная энергия взаимодействия электрона с ядром.

(5)

Из (4) и (5): - энергия стационарного состояния.

По второму постулату:

- постоянная Ридберга.

Экспериментальные доказательства существования стационарных состояний.

Опыты Франка и Герца 1913 г.

Е₁- создаёт ускоряющее поле, Е₂ – создаёт слабое запирающее поле, которое препятствует попаданию медленных электронов на анод.

АВ, СД – упругие столкновения электронов с атомами.

ВС, ДЕ – не упругие столкновения (электрон теряет энергию).

При - свечение .

Физика атомного ядра.

Явление радиоактивности -излучения.

1896 г.

• Беккерель

• Кюри

• Резерфорд

Гамма лучи

• сильно напоминают рентгеновские, но обладают большей проникающей способностью.

• электромагнитные волны ; .

Бета лучи

• состоят из электронов

• скорость распространения близка к с, но сильно варьируется

• сильно отклоняются электрическим и магнитным полем

• хорошая проникающая способность

Альфа лучи

• ядра

• заряд равен двум зарядам электрона

• скорость медленнее бета лучей

• слабо отклоняются электрическим и магнитным полем

• плохая проникающая способность

Причина возникновения излучений - спонтанный распад ядер.

Правило смещения:

- распад

- распад

1 а.е.м.=

Закон радиоактивного распада.

Период полураспада - время, за которое распадается ровно половина от первоначального количества ядер.

Изотопы.

Изотопы- ядра одного элемента с разным числом нейтронов в ядре.

Водород, тритий, дейтерий.

Методы наблюдения и регистрации частиц.

1. Счётчик Гейгера (основан на ударной лавинной ионизации, только регистрирует)

2. Камера Вильсона

3. Пузырьковая камера

4. Сцинтилляционный счетчик

5. Метод толстослойных фотоэмульсий

Метод фотоэмульсий – приложить образец к фотопластинке, и после проявки по толщине и длине следа частицы на ней возможно определить количество и распределение того или иного радиоактивного вещества в образце. Сцинтилляционный счетчик – прибор, в котором можно наблюдать превращение кинетической энергии быстрой частицы в энергию световой вспышки, которая, в свою очередь, инициирует фотоэффект (импульс электрического тока), который усиливается и регистрируется. Камера Вильсона – стеклянная камера с воздухом и пересыщенными парами спирта. При движении частицы через камеру она ионизирует молекулы, вокруг которых тут же начинается конденсация. Цепочка капель, образовавшихся в результате, образует трек частицы. Пузырьковая камера работает на тех же принципах, но в качестве регистратора служит жидкость, близкая к температуре кипения. Газоразрядный счетчик (счетчик Гейгера) – цилиндр, заполненный разреженным газом и натянутой нитью из проводника. Частица вызывает ионизацию газа, ионы под действием электрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя по пути другие атомы. Возникает коронный разряд, импульс которого регистрируется.

Строение ядра.

Ядро состоит из нуклонов:

• протоны

• нейтроны

Заряд ядра равен сумме зарядов протонов входящих в него

; - массовое число, -число протонов, - число нейтронов.

Очень сильное взаимодействие

Энергия связи. Цепные ядерные реакции.

Энергия связи – энергия необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны или энергия выделяющаяся при синтезе ядра из нуклонов.

,

Энергия выделяется если , т.е. , .

- дефект масс.

- у средних ядер максимально

Выгодно расщеплять тяжёлые и синтезировать лёгкие ядра.

Деление ядер урана.

1938 г. - Ган, Штрасман (нем.)

1939 г. – Фриш, Маер (дат.) – объяснение.

на один нуклон.

3 г. урана = 3 т. угля.

Цепные ядерные реакции.

1942- Ферми (США)

1946- Курчатов (СССР)

Условия протекания цепных ядерных реакций.

• ядерное горючее

• коэффициент размножения нейтронов = 1. Если k>1 то ядерный взрыв.

• критическая масса урана 50 кг, плутония 9 кг.

• наличие замедлителя (вода, графит) и отражателя нейтронов (бериллий, графит)

Природный уран 1 атом (делится быстрыми и тепловыми нейтронами), 140 атомов (делится быстрыми нейтронами).

Термоядерные реакции.

Нужна высокая температура для преодоления кулоновского отталкивания.

3,5 МэВ на один нуклон.

Ядерный реактор.

Ядерные реакторы бывают двух видов – на медленных и быстрых нейтронах. Большинство выделяющихся при делении нейтронов имеют энергию порядка 1-2 МэВ, и скорости около 10⁷м/с. Такие нейтроны называются быстрыми, и одинаково эффективно поглощаются как ураном-235, так и ураном-238, а т.к. тяжелого изотопа больше, а он не делится, то цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростям около 2*10³м/с, называют тепловыми. Такие нейтроны активнее, чем быстрые, поглощаются ураном-235. Таким образом, для осуществления управляемой ядерной реакции, необходимо замедлить нейтроны до тепловых скоростей. Наиболее распространенными замедлителями в реакторах являются графит, обычная и тяжелая вода. Для того, чтобы коэффициент деления поддерживался на уровне единицы, используются поглотители и отражатели. Поглотителями являются стержни из кадмия и бора, захватывающие тепловые нейтроны, отражателем – бериллий.

Если в качестве горючего использовать уран, обогащенный изотопом с массой 235, то реактор может работать и без замедлителя на быстрых нейтронах. В таком реакторе большинство нейтронов поглощаются ураном-238, который в результате двух бета-распадов становится плутонием-239, также являющимся ядерным топливом и исходным материалом для ядерного оружия . Таким образом, реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но и размножителем горючего для реактора. Недостаток – необходимость обогащения урана легким изотопом. Энергия в ядерных реакциях выделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединения легких. Для соединения ядер необходимо преодолеть кулоновскую силу отталкивания, что возможно при температуре плазмы около 107–108 К. Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития или . При синтезе 1 грамма гелия выделяется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тонн дизельного топлива. Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании ее до соответствующей температуры путем пропускания через нее электрического тока или с помощью лазера.