
- •1. Механическое движение. Виды механического движения. Система отсчёта. Скорость. Сложение скоростей в классической и релятивистской механике.
- •Виды механического движения
- •2. Электрическая ёмкость. Конденсаторы. Энергия конденсатора. Применение конденсаторов.
- •2. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд. Виды газового разряда, применение. Электрический ток в газах.
- •1. Масса и её измерение. Сила, сложение сил. Второй закон Ньютона. Третий закон Ньютона.
- •2. Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Закон Фарадея. Техническое применение электролиза.
- •2. Получение копий с предметов при помощи электролиза (гальвано¬пластика).
- •3. Рафинирование (очистка) металлов.
- •1. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение в природе и технике. Значение работ к.Э.Циолковского для космонавтики.
- •2. Электрический ток в полупроводниках: зависимость сопротивления от внешних условий. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
- •1. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Свободное падение тел. Вес тела. Невесомость.
- •2. Полупроводниковый диод, р-п - переход и его свойства. Применение полупроводниковых приборов.
- •1. Силы упругости. Закон Гука. Деформации, виды упругих деформаций.
- •2. Магнитное поле. Магнитная индукция, линии магнитной индукции. Сила Ампера. Сила Лоренца.
- •1. Работа. Механическая энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии.
- •2. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
- •1. Механические колебания. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс. Превращение энергии при механических колебаниях.
- •2. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
- •1. Распространение колебаний в упругой среде. Поперечные и продольные волны. Скорость волны. Длина волны.
- •2. Термоядерная реакция. Перспективы и проблемы развития ядерной энергетики. Борьба России за устранение угрозы ядерной войны.
- •1. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Изопроцессы. Использование свойств газов в технике
- •2. Электромагнитные волны и их свойства. Принцип радиосвязи. Модуляция, детектирование. Изобретение радио, современные средства связи.
- •1. Температура и её измерение. Абсолютная температура. Температура - мера средней кинетической энергии движения молекул.
- •1. Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Адиабатный процесс.
- •2. Вынужденные электромагнитные колебания. Генератор переменного тока. Трансформатор. Производство и передача электроэнергии, энергосбережение в быту и на производстве.
- •1. Тепловые двигатели. Кпд тепловых двигателей. Тепловые двигатели и экология.
- •2. Дисперсия света. Спектроскоп, спектрограф.
- •1. Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.
- •2. Спектр электромагнитных излучений. Виды излучений, их практическое применение.
- •1. Электрическое поле. Напряжённость электрического поля. Графическое представление электрических полей.
- •2. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение и его применение.
- •1. Непрерывный и линейчатый спектры. Спектр испускания и поглощения. Спектральный анализ и его применение.
- •2. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний.
- •1. Квантовые свойства света. Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике.
- •2. Линзы. Оптическая сила линзы. Формула тонкой линзы. Построение изображения в тонкой линзе.
- •1. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.
- •2. Звуковые волны. Скорость звука. Громкость, высота тона. Ультразвук, применение.
- •1. Состав ядра атома. Изотопы. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра атома.
- •2. Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики и их применение
- •1. Цепная ядерная реакция и условия её существования. Ядерный реактор.
- •2. Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха и её измерение.
- •1. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений, методы их регистрации. Биологическое действие ионизирующих излучений.
- •2. Кристаллические и аморфные тела. Анизотропия кристаллов.
1. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора.
Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома
Первая попытка создания модели атома на основе накопленных экспериментальных данных принадлежит Дж. Томсону (1903 г.). Он считал, что атом представляет собой электронейтральную систему шарообразной формы радиусом примерно равным 10–10 м. Положительный заряд атома равномерно распределен по всему объему шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (рис. 9.1.1). Для объяснения линейчатых спектров испускания атомов Томсон пытался определить расположение электронов в атоме и рассчитать частоты их колебаний около положений равновесия. Однако эти попытки не увенчались успехом. Через несколько лет в опытах великого английского физика Э. Резерфорда было доказано, что модель Томсона неверна.
1
Рисунок 9.1.1. Модель атома Дж. Томсона.
Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 107 м/с, но она все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Схема опыта Резерфорда представлена на рис. 9.1.2.
2
Рисунок 9.1.2. Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп.
От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°. Этот результат был совершенно неожиданным даже для Резерфорда.
Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу по закону Кулона, возросла бы в n2 раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 9.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.
3
Рисунок 9.1.3. Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b).
Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10–14–10–15 м. Это ядро занимает только 10–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 1015 г/см3. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.
Радикальные выводы о строении атома, следовавшие из опытов Резерфорда, заставляли многих ученых сомневаться в их справедливости. Не исключением был и сам Резерфорд, опубликовавший результаты своих исследований только через два года (в 1911 г.) после выполнения первых экспериментов. Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны (рис. 9.1.4). Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро.
4
Рисунок 9.1.4. Планетарная модель атома Резерфорда. Показаны круговые орбиты четырех электронов.
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, несомненно явилась крупным шагом в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц. Однако она оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, то есть его устойчивость. По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.
Постулаты Бора — основные допущения, сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.
Постулаты
Модель атома Бора
• Электрон в атоме, не теряя энергии, двигается по определённым дискретным круговым орбитам для которых момент импульса квантуется: , где n — натуральные числа, а — постоянная Планка. Пребывание электрона на орбите определяет энергию этих стационарных состояний.
• При переходе электрона с орбиты на орбиту излучается или поглощается квант энергии hν = En − Em, где En;Em — энергетические уровни, между которыми осуществляется переход. При переходе с верхнего уровня на нижний энергия излучается, при переходе с нижнего на верхний — поглощается.
Используя данные постулаты и законы классической механики, Бор предложил модель атома, ныне именуемую Боровской моделью атома[1]. В дальнейшем Зоммерфельд расширил теорию Бора на случай эллиптических орбит. Её называют моделью Бора-Зоммерфельда.