^{ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА.}

1. Опыт Резерфорда.

До конца 19 века атом считали неделимым. В 1896 году французский физик Беккерель открыл радиоактивность — самопроизвольное излучение некоторыми веществами

, - лучей — это породило сомнение в неделимости атома. Через год английский физик Томсон открыл электрон и создал собственную модель строения атома. По мысли Томсона, положительный заряд атома располагался равномерно по всему объему атома, внутри которого находились электроны, так что атом был подобен кексу, роль изюминок в котором выполняют электроны.

Данная модель атома просуществовала около 10 лет, но в 1906 году Резерфорд проделал свой знаменитый опыт и доказал несостоятельность этой модели. Резерфорд бомбардировал альфа-частицами золотую фольгу. Частицы, проходя сквозь фольгу, рассеивались и на экране, покрытом люминофором (специальный химический состав, светящийся под действием заряженных частиц), наблюдалось светящееся пятно. Чтобы понять суть опыта надо знать, что альфа-частица – это ядро атома гелия, тяжелая положительная частица, масса которой в 8 тыс. раз больше массы электрона, а скорость - частицы очень велика: она составляет 1/15 скорости света.

На рисунке под цифрой 1 – источник  – частиц (крупинка радия внутри свинцового цилиндра), 2 – золотая фольга, 3 – экран, покрытый люминофором, 4 – микроскоп.

Итак, тяжелая положительная частица, летящая с огромной скоростью, пролетает сквозь тонкую пластину золота и испытывает рассеяние (отклонение). Электроны в атоме не могли заметно изменить траекторию - частицы, подобно тому, как камушек при столкновении не может изменить траекторию автомобиля. Изменение направления - частицы может вызвать только положительно заряженная часть атома. Резерфорд сделал вывод: поскольку тяжелые альфа- частицы в атоме что-то рассеивает (причём одна двухтысячная даже отскакивает назад), то внутри атома должно быть тяжелое положительное образование, которое Резерфорд назвал ядром см. рисунок 5.

Выводы Резерфорда: Атом пустотел. Ядро находится в центре атома и занимает ничтожно малую его часть, но в нём сосредоточена практически вся масса атома. Атом нейтрален число электронов в атоме, как и заряд ядра равно порядковому номеру элемента в периодической системе. Этот опыт опроверг модель атома Томсона. Резерфорд построил свою модель, названную планетарной – в центре атома положительное ядро, а вокруг него вращаются электроны, подобно планетам вокруг Солнца. Электроны в атоме покоиться не могут, т.к. они упали бы на ядро, поэтому они движутся вокруг ядра. Это походило на солнечную систему: электроны обращаются вокруг, ядра подобно планетам вокруг солнца.

В опрос: На рисунке изображены схемы четырех атомов. Черными точками обозначены электроны. Атому В соответствует схема:

Эта модель имела недостатки: движение электрона с ускорением создаёт

переменное магнитное поле, а согласно теории Максвелла => излучение электромагнитной волны с частотой = частоте вращения электрона => потеря энергии атомом = > радиус орбиты электрона должен уменьшаться и электрон неизбежно упадёт на ядро, и атом прекратит свое существование, а на самом деле атом устойчив.

2. Постулаты Н. Бора.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие потери энергии на излучение – это результат применения законов классической физики к явлениям внутри атома => к таким явлениям законы классической физики неприменимы.

Выход из этого затруднительного положения был найден в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором. Последовательной теории Бор не разработал, но в виде постулатов сформулировал основные положения этой теории:

Первый постулат гласит:

Существуют особые, стационарные состояния атома, находясь в которых, атом не излучает и не поглощает энергию, при этом электроны в атоме движутся с ускорением. Каждому стационарному состоянию соответствуют определённая энергия Е_n.

Второй постулат гласит:

Излучение и поглощение электромагнитных волн происходит при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией Е_n в состояние с энергией Е_m.

Излучается или поглощается квант, частота которого определяется уравнением:

h = Е_n  Е_m , где h – постоянная Планка, h = 6,6310^-34 Джс.

Для наглядного представления изобразим каждое стационарное состояние атома горизонтальной линией, называемой энергетическим уровнем. Переходы атома из одного состояния в другое изображаются вертикальными линиями между соответствующими уровнями. Чем выше линия, тем больше энергия данного уровня. Излучение энергии происходит при переходе атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. Поглощая, атом переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией.

Теория Бора объяснила происхождение линейчатых спектров: набор энергий на энергетических уровнях у разных атомов (химических элементов) различен набор излучаемых энергий различен разный набор цветных линий в спектре излучения.

Вопрос: Сколько фотонов различной частоты могут

испускать атомы водорода, находившиеся во втором

возбужденном состоянии Е₂ , согласно постулатам Бора?

3. Квантовые генераторы.

В 1955 году появилась новая отрасль физики — Квантовая электроника, развитие, которой привело к созданию квантовых генераторов — лазеров. Квантовый генератор представляет собой источник когерентного электромагнитного излучения со строго определённой частотой и высокой направленностью. Лазер излучает в видимой и инфракрасной области. Первые квантовые генераторы были созданы советскими физиками Н.Г. Басовым и A.M. Прохоровым и американским физиком Ч. Таунсом. Все они в 1963 г. были удостоены Нобелевской премии. Рассмотрим в качестве примера "Рубиновый лазер", созданный в 1960 году. Он состоит из искусственного рубинового стержня, торцы которого строго параллельны, гладко отполированы и покрыты серебром, причём левый торец делается непрозрачным, а правый - полупрозрачным. Световое излучение лазера создаётся атомами хрома, для возбуждения которых служит лампа подкачки - мощная импульсная газоразрядная трубка, спирально закрученная вокруг стержня. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме. Существуют газовые и полупроводниковые лазеры непрерывного действия.

Свойства лазерного излучения:

1. Излучение имеет очень малый угол расхождения.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью.

3. Лазерный луч – очень мощный источник света.

Лазерный луч используется для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков. Лазеры используются для записи и хранения информации (лазерные диски). Огромная мощность лазерного луча используется для испарения металлов в вакууме, для сварки и т.д. С помощью лазерного луча проводят хирургические операции.

4.Экспериментальные методы регистрации заряженных частиц.

а) Спинтарископ.

Э то цилиндрический прибор (1). В цилиндр помещают иглу (4), на конце которой нанесена крупинка радиоактивного препарата. Дно цилиндра (3) покрыто люминофором. В верхней части цилиндра лупа (2) и по вспышкам на экране можно судить о присутствии частицы.

б ) Счётчик Гейгера.

Н

2

есмотря на напряжение между цилиндром-катодом и нитью-анодом (1500 В), тока в цепи нет т.к. цепь разомкнута — колба заполнена нейтральным газом. Влетающая частица вдоль траектории ионизирует содержимое, и эти ионы и электроны замыкают цепь. Идёт ток, который можно зафиксировать (например, подать ток на динамик и услышать звук). Сопротивление R огромно и гасит разряд т. к. на нём падает большое напряжение и ток прекращается. Счётчик готов к регистрации следующей частицы.

в) Камера Вильсона (1911г.) За создание камеры Чарльз Вильсон получил Нобелевскую премию. Камеру назвали окном в микромир - это цилиндр с поршнем, заполненный парами спирта. В цилиндр помещают иглу (см. рис.1), на конце которой нанесена крупинка радиоактивного препарата. При движение поршня вниз пары охлаждаются и становятся пересыщенными — готовыми сконденсироваться. Камера очищена от пыли и нет центров конденсации, но ионы тоже могут стать центрами конденсации и, и на ионах конденсируется жидкость: образуется туманный след — трек. По виду трека можно судить о массе частицы (по ширине трека), о скорости и энергии (по длине трека), а в магнитном поле можно узнать заряд частицы. На рисунке 2 вправо идет след электрона, влево две положительные частицы: протон и -частица, следы указывают на явное различие частиц по массе и заряду.

У камеры был недостаток: тяжелые частицы с большой энергией пролетают сквозь камеру и вылетают из нее, поэтому их энергию узнать невозможно.

г) Пузырьковая камера.

В 1952 г американский ученый Д. Глейзер предложил для регистрации тяжелых частиц с большой энергией сделать практически такую же камеру, но заполнить жидкостью, т.к. при движении частицы испытывали большое сопротивление и теряли больше энергии. Если жидкость заключить в замкнутый сосуд с поршнем и при помощи поршня создать повышенное давление, а затем резким перемещением поршня уменьшить давление в жидкости, то при соответствующей температуре жидкость может оказаться в перегретом состоянии (чем меньше давление, тем ниже точка кипения). Если через такую жидкость пролетит заряженная частица, то она ионизирует содержимое и вдоль её траектории на ионах жидкость закипит, поскольку образовавшееся в жидкости ионы служат центрами парообразования. Трек в пузырьковой камере представляет собой след из пузырьков пара  трек.

д) Фотоэмульсии.

Для регистрации частиц и получения их следов служит также метод толстослойных фотопластинок. Он основан на том, что пролетающие сквозь фотоэмульсию частица ионизирует зёрна бромистого серебра, разлагая молекулу на ионы, поэтому оставленный частицами след после проявления фотопластинки становятся видимыми и его можно изучать.