Билет № 4

1. Электронная теория электропроводимости металлов. Работа выхода электронов. Контактная разность потенциалов.

Проводимость металлов обусловлена наличием свободных электронов, которые могут свободно перемещаться между ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. В основе этих представлений такие эксперименты:

1. Рикке в 1901 г. проделал опыт- через медный, алюминиевый, медный цилиндры плотно соединялись торцами и присоединяли к источнику тока, в течении года через них пропустили заряд 3,5 МКл. Никаких химических изменений в цилиндрах не произошло, массы цилиндров не изменились. Значит, ионы не могли создавать тока в металле, перенос ионов должен сопровождаться изменением массы и химического состава вещества.

2. Мандельштам и Папалекси( Россия, 1913г), Толмен и Стюарт (1916) измерили удельный заряд частицы ( , создающей проводимость в металлах. На катушку наматывался длинный проводник, присоединенный к гальванометру. Катушку приводили во вращение, затем резко тормозили, в момент торможения стрелка гальванометра отклонялась. Было доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд приблизительно одинаковый для всех исследованных металлов. Значение удельного заряда носителей электрического тока совпало со значением этой величины для электронов, движущихся в вакууме (опыт Милликена). Таким образом, было доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

В 1900г. П. Друде создал электронную теорию проводимости металлов, которую развил Х. Лоренц. Совокупность свободных электронов можно рассматривать как некоторый идеальный электронный газ, свойства которого аналогичны свойствам обычного идеального газа.

Работа выхода электронов из металла.

Электроны проводимости, образующие «электронный газ», участвуют в тепловом движении. Эти электроны могут иногда вылететь за пределы металла, образуя над ним «электронное облако». Часть этих электронов возвращается в металл, другие электроны его покидают. Если электроны вылетели из металла, то на поверхности металла образуется положительный заряд. Поверхность металла и электронное облако образуют двойной электрический слой как в плоском конденсаторе. Между поверхностью металла и электронным облаком возникает разность потенциалов , называемая потенциальным барьером или контактной разностью на границе металл-вакуум.

Чтобы электрон, находящийся в металле, мог его покинуть, он должен преодолеть силы притяжения со стороны положительной поверхности и силы отталкивания электронного облака. Работа, которую должен выполнить для этого электрон, называется работой выхода электрона из металла. Она равна той минимальной энергии, которую нужно сообщить электрону, чтобы он мог выйти из металла в вакуум. А=е . Работу выхода принято измерять в электрон –вольтах ( эВ)

1 эВ-энергия, приобретаемая электроном, прошедшим разность потенциалов 1 В.

Работа выхода зависит от химической природы металлов и от чистоты их поверхности.

2. Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции.

В 1938-1939 гг. О.Ган и Ф.Штрассман в Германии, Э.Ферми в Италии, Ф.Жолио-Кюри во Франции обнаружили, что при облучении урана-235 и других тяжелых элементов пучком нейтронов образуются ядра элементов середины таблицы Менделеева. Объяснение этому опытному факту дали английский физик О.Фриш и австрийский физик Лизе Майтнер: поглощая нейтрон, тяжелое ядро делится на два ядра –осколка.

Физический механизм деления ядра предложил Н.Бор на основе капельной модели ядра. Тяжелое ядро-это капля положительно-заряженной жидкости. Захватив нейтрон, ядро возбуждается и начинает вытягиваться. В нем одновременно выделяются две части, между которыми образуется перемычка. Кулоновские силы отталкивания разрывают перемычку, в результате из одного ядра образуется два ядра-осколка, которые разлетаются в противоположные стороны. Деление ядра сопровождается выделением 2-4 свободных нейтронов, ß- частицами, γ- излучением, и огромным количеством теплоты. Деление всех ядер 1г. дает столько же энергии, сколько сгорание 2,5т. каменного угля.

Продукты деления урана 235 разнообразны, их массовые числа имеют предел от 70 до 160. Обычно продукты деления радиоактивны. Одна из возможных реакций деления урана-235:

+

При благоприятных условиях освободившиеся нейтроны могут попасть в другие ядра и вызвать их деление, число делящихся ядер будет быстро расти. Реакции, вызываемые частицами- продуктами самой реакции называются цепными.

Т.к. при делении одного ядра выделяется энергия порядка 200МэВ и все акты деления происходят практически мгновенно, цепная ядерная реакция носит взрывной характер.

Развитие цепной реакции зависит от коэффициента размножения нейтронов К= , где N_i- число нейтронов поколения I, а N_i-1-число нейтронов предыдущего поколения. При К=1- процесс идет с постоянной скоростью, К>1 процесс развивается лавинообразно В природном уране содержится всего 0,7% урана-235, остальное приходится на уран-238. Коэффициент размножения в природном уране меньше1, поэтому цепная реакция в природе не происходит. Чтобы получить « ядерное горючее» обогащают природный изотоп урана-235 до тех пор пока, коэффициент размножения в нем не превысит единицу. Уже при К=1,01 скорость реакции обеспечивает ядерный взрыв. Процесс обогащения является крайне сложным и дорогим. Массу вещества, при которой коэффициент размножения становится равным единице, называют критической массой. Как только масса вещества превысит критическую, произойдет ядерный взрыв.