Дифракція

Довжина хвилі рентгенівських променів одного порядку із характерними сталими ґратки кристалічних речовин. Тому атоми кристалів утворюють природні дифракційні ґратки для рентгенівських променів. Розсіяння рентгенівського випромінювання на цих ґратках використовується для визначення кристалічної структури речовин. Саме таким методом, в 1953 р. була розшифрована структура ДНК.

Опромінення

Рентгенівські промені мають велику енергію — десятки й сотні кілоелектронвольт. Незважаючи на те, що вони слабо взаємодіють із речовиною, така взаємодія все ж існує, й при поглинанні вивільняється велика кількість енергії, що може призвести до безповоротних пошкоджень у клітині живого організму. Тому рентгенівські промені небезпечні й робота з ними вимагає особливої уваги.

Доза опромінення вимірюється у берах — біологічних еквівалентах рентгена.

Постулати Бора

Атомна модель Бора

Постулати Бора — сформульовані датським фізиком Нільсом Бором основні положення будови атома, що враховують квантованийхарактер енергії, випромінюваної електронами.

Історичні відомості

На початку 20-го століття експерименти Ернеста Резерфорда показали, що атоми складаються з розпорошеної хмари електронів, яка оточує мале позитивно заряджене ядро. Отримавши ці експериментальні дані було абсолютно природно Резерфордові розглядати планетарну модель атома (моделі Резерфорда 1911 року) з електронами, що рухаються по орбіті навколо ядра, подібного до Сонця.

Планетарна модель атома Резерфорда, багато пояснила в будові атома, але одразу після її створення виникли труднощі: ядро заряджено позитивно, а електрони - негативно. Між ними існує кулонівська сила притягання. Для того, щоб електрони не впали на ядро, вони мусять рухатись навколо нього з доцентровим прискоренням. З теорії Максвела випливає, що якщо заряд рухається з прискоренням, то при цьому має випромінюватись електромагнітна хвиля, а розрахунки показують, що за час   c електрон, рухаючись по спіралі, мусить припинити свій рух.

Дослідні ж дані показували, що за нормальних умов атом не випромінює енергію і існує як завгодно довго.

Щоб подолати цю суперечність, Нільс Бор запропонував у 1913 році свою модель, яка нині має назву "Атомна модель Бора". Він стверджував, що можливими є лише певно не дуже велика кількість станів, у яких можуть перебувати електрони. Відповідно, енергія, що вивільнюється чи поглинається, є лише результатом переходу електрона з одного стану в інший.

Формулювання

1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових станах, кожному з яких відповідає певна енергія E_n. У стаціонарному стані атом енергію не випромінює.

2. Радіуси r_n стаціонарних станів задовольняють умову:

,

де n = 1,2,3,...,m - маса електрона,   - зведена стала Планка.

3. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням чи поглинанням фотонів, енергію яких hν визначають за формулою:

,

де k і n - цілі числа (номери стаціонарних станів), якщо E_k > E_n фотон з частотою ν_kn випромінюється, якщо E_k < E_n - поглинається.

Поглинаючи світло, атом переходить із стаціонарного стану з меншою енергією в стаціонарний стан з більшою енергією. Усі стаціонарні стани, крім одного, є умовно стаціонарними. Нескінченно довго кожен атом може знаходитись лише в стаціонарному стані з мінімальним запасом енергії. Цей стан атома називається основним, всі інші - збудженими.

Теорія бору про будову атома Нільс Бор (1885-1962) - датський фізик, один із творців сучасної фізики. Засновник і керівник Інституту теоретичної фізики в Копенгагені (Інститут Нільса Бора); творець світової наукової школи; іноземний член АН СРСР (1929), в 1943-45 працював в США). Фізики всього світу визнавали його авторитет. «Що нового сказав Бор?» - Запитували в лабораторіях Європи, Азії, Америки. На наукові наради до Бору приїжджали видатні фізики всіх країн. Бували там і наші вчені. На зустрічах сперечалися, не рахуючись ні з віком, ні зі званнями. Сам Бор ніколи не наполягав у своїх поглядах, якщо їх переконливо спростовували. Істина і улюблена наука були для нього найважливіше. Відкриття Нільса Бора отримали світове визнання. Але він був відомий у всіх країнах ще і як борець за мир, за мирне використання атомної енергії.Під час війни він відмовився брати участь у створенні атомної бомби. І після її закінчення він багато разів закликав уряди всіх країн заборонити атомну зброю. Теорія Бора про будову атома була розроблена в 1913 р. Згідно цієї теорії атом складається з знаходиться в центрі важкого напівжирного зарядженого атома, в якому зосереджена майже вся маса атома і електронів - планет, що обертаються навколо ядра. Виведений впливом будь-яких зовнішніх причин зі стану рівноваги, електрон починає коливатися біля положення рівноваги, випромінюючи при цьому електромагнітну хвилю цілком певної частоти. Поступово, у міру того як його кінетична енергія буде переходити в енергію випромінювання, амплітуда коливань електрона буде зменшуватися, поки, зрештою, не звернутися в нуль, і електрон не повернеться знову у вихідне положення рівноваги. Таким чином, можна було б одночасно пояснити і наявність у спектрі монохроматичних ліній і стійкість атомної системи. Але планетна модель атома не допускала такого пояснення, тому що в цій моделі припускали, що електрони обертаються, подібно до планет, за кеплерових орбітах навколо центрального ядра і мають частку звернення, що залежить від їх кінетичної енергії і змінюється разом з нею. Тому якщо класична теорія випромінювання застосовна до внутріатомних електронам, то електрони-планети повинні поступово втрачати енергію, випромінюючи хвилі безупинно мінливі частоти, і врешті-решт впасти на ядро ​​і нейтралізувати його. Таким чином, в рамках класичної теорії планетарна модель не дозволяла пояснити ні монохроматичне характер спектральних ліній, ні стійкості, атомної системи. Такі були труднощі, з якими зіткнувся Нільс Бор на початку своїх досліджень. Заслуга Бора полягає в тому, що він ясно зрозумів, що потрібно зберегти планетну модель атома, ввівши в неї фундаментальні ідеї квантової теорії. Відповідно до цього серед нескінченної кількості всіляких рухів, що допускаються класичною механікою, тільки деякі квантові руху виявляються стійкими і зазвичай здійснюються в природі. Узагальнення цієї умови на випадок періодичного руху, що визначається більш ніж одним параметром, до того часу, коли Бор написав свої перші роботи, ще не було відомо. Бор припустив, що рух атомних систем повинно бути квантовим, тобто має підкорятися деяким умовам, або правилами квантування. Якщо атом ізольований і утворює замкнуту систему. То кожне з цих стаціонарних станів характеризується деяким квантовим значенням енергії. Таким чином, кожен вид атома характеризується послідовністю квантових значень енергії, відповідних можливим різним стаціонарним станам. Інакше кажучи, атому кожного елемента відповідає послідовність чисел, що визначають енергію різних станів, в яких цей атом може перебувати. Отримана картина виявляє, що перехід атома з одного стаціонарного стану в інший зі зміною енергії супроводжується випромінюванням. Бор припустив, що кожна спектральна лінія відповідає миттєвому переходу атома з одного квантового стану в інший, що характеризується меншим значенням енергії. Надлишок енергії несеться випромінюванням. При цьому в квантовій теорії слід вважати, що енергія випромінюється у вигляді окремих квантів, або фотонів. Таким чином, при переході атома з одного стаціонарного стану в інший він випускає фотон, енергія якого дорівнює різниці енергій початкового і кінцевого стану атома.Звідси випливає правило Бора: частота спектральної лінії, що відповідає переходу атома з деякого стану А у стан В, дорівнює різниці енергії атома в станах А і В, поділеній на постійну Планка h. Згідно з цим правилом частот спектральні терми атома рівні енергій стаціонарних станів цього атома, поділом на постійну Планка. Бор поставив свою теорію про будову атома на двох основних положеннях: 1. Атом має послідовністю стаціонарних станів, що відповідають рухам, що задовольняє умовам квантування Планка, і тільки ці стани можуть бути фізично реалізовані: де - випроменена (поглинена) енергія, - номери квантових станів. У спектроскопії і називаються термами. 2. Спектральне випромінювання може випускати лише при переході атома з одного стаціонарного стану в інший, причому частота цього випромінювання визначається вищевказаним правилом частот. Правило квантування моменту імпульсу: Далі, виходячи з міркувань класичної фізики про круговому русі електрона навколо нерухомого ядра по стаціонарній орбіті під дією кулонівської сили тяжіння, Бором були отримані вирази для радіусів стаціонарних орбіт і енергії електрона на цих орбітах: м - борівський радіус. Це означало, що кожна яскрава кольорова лінія (тобто кожна окрема довжина хвилі) відповідає світлу, що випромінюється електронами, коли вони переходять з одного дозволеної орбіти на іншу орбіту з більш низькою енергією. Теорія Бора при описі поведінки атомних систем не відкинула повністю закони класичної фізики. У ній збереглися уявлення про орбітальному русі електронів в кулонівському полі ядра.Класична ядерна модель атома Резерфорда в теорії Бора була доповнена ідеєю про квантуванні електронних орбіт. Тому теорію Бора іноді називають Напівкласична. Також Бор пояснив не тільки спектр найпростішого з атомів - водню, а й гелію, в тому числі, і ионизованного, показав, як врахувати вплив содвіженія ядра, передбачив структуру заповнення електронних оболонок, що дозволило зрозуміти фізично природу періодичності хімічних властивостей елементів - періодичну таблицю Менделєєва . Хоча модель Бора здавалася дивною і трохи містичною, вона дозволяла вирішити проблеми, давно бентежить фізиків. Зокрема, вона давала ключ до поділу спектрів елементів. Коли світло від світиться елемента (наприклад, нагрітого газу, що складається з атомів водню) проходить через призму, він дає не безперервний включає всі кольори спектр, а послідовність дискретних яскравих ліній, розділених більш широкими темними областями. Модель. Постулати Бора Теорія Бора, опублікована в 1913 р., принесла йому популярність, його модель атома стала відома як атом Бора. Отже, можна зробити висновок, що теорія Бора про будову атома: - Пояснила дискретність енергетичних станів водневоподібних атомів. - Підійшла до пояснення внутріатомних процесів з принципово нових позицій, стала першою полуквантовой теорією атома. - Евристичне значення теорії полягає в сміливому припущенні про існування стаціонарних станів і стрибкоподібних переходів між ними. Ці положення пізніше були поширені і на інші мікросистеми. Також слід сказати про недоліки теорії Бора про будову атома: - Не змогла пояснити інтенсивність спектральних ліній. - Справедлива тільки для водневоподібних атомів і не працює для атомів, наступних за ним в таблиці Менделєєва. - Теорія Бора логічно суперечлива: чи не є ні класичної, ні квантової. У системі двох рівнянь, що лежать в її основі, одне - рівняння руху електрона - класичне, інше - рівняння квантування орбіт - квантове. Нільс Бор був нагороджений в 1922 р. Нобелівською премією з фізики «за заслуги в дослідженні будови атомів

Досліди Резерфорда

Одночасно з моделлю Томсона японський фізик Хантаро Нагаока розробив іншу модель, з умовною назвою «сатурніанський атом». У ній припускалось, що електрони по спільній орбіті (як по «кільцю Сатурна») рухаються навколо позитивно зарядженого ядра. Здійснити вибір між цими двома моделями атома дозволили результати дослідів, проведених в Англії, в лабораторії Ернеста Резерфорда його учнями Ернестом Марсденом і Гансом Гейгером.  На металеву фольгу F, розташовану в центрі вакуумної камери К, спрямовували потік α-частинок (ядер гелію), які вилітали з радіоактивного препарату R; через мікроскоп М спостерігали (за спалахами світла на екрані S з сірчистого цинку) їх розсіювання фольгою.  Мікроскоп разом з екраном обертали навколо осі, що проходила через центр камери; це дозволяло реєструвати α-частинки, розсіювані під різними кутами. Було виявлено, що більшість частинок проходять крізь фольгу майже безперешкодно, але невелика кількість частинок відкидається майже назад, відхиляючись ядром. Експерименти переконливо довели недостовірність моделі Томсона та існування ядер в атомах. Таким чином, було обґрунтовано ядерну модель атома (атом Резерфорда).