5. Образ природы в неклассическом естествознании: физика атома. Опыт э. Резерфорда. Квантовые числа, определяющие состояние электрона в атоме.

Джозеф Томсон, английский физик 1897 г. - открытие электрона.

Опыты Резерфорда 1908 г. – облучение тонких металлических пластинок a - частицами: 1/10000 часть частиц отражалась на большой угол.

- планетарная модель атома

Противоречия планетарной модели атома

1. При движении по окружности электроны по теории Максвелла будут излучать волны.

2. Спектр излучения должен быть сплошным, а на опыте он линейчатый.

3. Излучая энергию, электроны потеряют энергию и упадут на ядро.

Современная модель атома

Из решения уравнения Шредингера следует, что состояние электрона в атоме определяется четырьмя квантовыми числами:

n = 1, 2, 3, … - главное квантовое число.

Определяет энергию электрона и размеры электронного облака.

l = 0, 1, 2, …, (n –1) - орбитальное квантовое число.

m = 0, ±1, ±2, … ± l - магнитное квантовое число.

Числа l и m определяют орбитальный момент импульса электрона, конфигурацию и ориентацию электронного облака.

m_s = ± ½ - спиновое квантовое число.

Определяет собственный момент импульса электрона.

(Электронные облака (орбитали) - совокупность точек, в которых велика вероятность нахождения электрона.)

6. Образ природы в неклассическом естествознании: четыре фундаментальных взаимодействия в природе. Классификация элементарных частиц.

Сильное – взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах атомов (радиус взаимодействия ~ 10^–15 м);

Электромагнитное – взаимодействие электрических зарядов, токов, электрических и магнитных полей (радиус взаимодействия до ∞);

Слабое – взаимодействие элементарных частиц при радиоактивном распаде (радиус взаимодействия ~10^–15 м);

Гравитационное – взаимодействие всех тел (радиус взаимодействия до ∞).

Взаимодействия осуществляются посредством обмена элементарными частицами, их известно более 400.

Основные характеристики частиц

1. Масса.

В середине прошлого столетия была создана классификация элементарных частиц по массе

1. Фотоны –частицы с массой покоя, равной нулю. Участвуют в электромагнитных взаимодействиях.

2. Лептоны – легкие частицы (электрон, позитрон, нейтрино…) Участвуют во всех взаимодействиях, кроме сильного.

3. Адроны – крупные частицы, участвуют во всех видах взаимодействий:

   • Мезоны – обмен этими частицами обеспечивает сильное взаимодействие частиц ядра

   • Барионы - протон, нейтрон и гипероны.

Сверхэлементарные частицы - шесть кварков, М. Гелл-Ман и Д. Цвейг, американские физики, 1963 г.

Мезоны – 2 кварка, барионы – 3 кварка.

2. Электрический заряд: 0, +|е|, −|е|.

3. Среднее время жизни:

Стабильные частицы:

• фотон

• две разновидности нейтрино

• электрон

• протон.

Нестабильные частицы – все остальные, время жизни ~ 10^{-8 –} 10^-24 с.

4. Спин (собственный момент импульса частицы) и квантовые числа.

7. Квантовая физика в современных технологиях: ядерная энергетика. Дефект массы, энергия связи. Устойчивость ядер. Реакции деления (ядерный реактор, атомная бомба) и термоядерного синтеза.

Z – порядковый номер элемента, число протонов в ядре;

А – массовое число, общее число протонов и нейтронов (нуклонов).

Изотопы – ядра с одинаковым Z, но разным А.

Дефект массы ядра:

Энергия связи ядра - энергия, необходимая для расщепления ядра на составляющие его нуклоны:

Устойчивость ядер

Удельная энергия связи - энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра:

Чем больше удельная энергия связи, тем более устойчиво ядро.

1. Реакция деления.

а) Ядерные реакторы.

Первые реакторы – 1942 г., Э. Ферми, США и 1949 г., И.В. Курчатов, Россия.

Делящееся вещество – смесь изотопов урана U²³⁸ и U²³⁵ (или плутоний Рu²³⁹).

При попадании в ядро нейтрона оно делится, испуская два или три вторичных нейтрона. Может возникнуть цепная реакция.

В зависимости от скорости нейтроны делятся на быстрые и медленные.

Медленными нейтронами делится только изотоп урана U²³⁵. Природный уран U²³⁸ «обогащают» и используют их смесь.

Схема активного блока ядерного реактора

1 – Управляющий стержень

(поглотитель нейтронов

из бора или кадмия).

2 – Биологическая защита.

3 – Тепловая защита.

4 – Замедлитель (сам уран

и графит).

5 – Ядерное топливо.

6 – Теплоноситель.

б) Атомная бомба.

После взрыва пороха масса активного вещества становится больше критической и происходит неуправляемая цепная реакция.