Основное состояние атома (молекулы) – состояние с минимальной энергией.
В основном состоянии электрон находится ближе всего к ядру и его энергия связи с ядром максимальна по модулю.
Все состояния, кроме одного, являются стационарными условно, и только в одном – основном, в котором электрон обладает минимальным запасом энергии – атом может находиться сколь угодно долго, а остальные состояния называются возбужденными.
Возбужденные состояния атома – состояния с n > 1
Чем больше главное квантовое число n, тем дальше от ядра находится электрон, тем выше его энергетический уровень.
Энергетические уровни атома принято изображать горизонтальными линиями, перпендикулярными оси энергий.
При n ® ∞ электрон удаляется от ядра на бесконечно большое расстояние, а его энергия связи с ядром стремиться к нулю. Это значит, что при Е = 0 электрон уже не связан с ядром, становясь свободной частицей.
Свободные состояния электрона – энергетические состояния с положительной энрегией электрона.
В свободном состоянии скорость электрона и его кинетическая энергия может быть любой.
Энергетический спектр свободных состояний непрерывен.
Двигаясь по орбите вокруг ядра, электрон связан с атомом, или, как говорят, находится в связанном состоянии.
Связанные состояния электрона - энергетические состояния с отрицательной энергией электрона.
Энергетический спектр связанных состояний дискретен.
Для вырывания электрона из атома требуется дополнительная энергия для преодоления кулоновского притяжения электрона к ядру
Энергия ионизации – минимальная энергия, которую нужно затратить для перевода электрона из основного состояния атома в свободное состояние
I1= │E1│
Если энергия фотона недостаточна для ионизации атома hυ < I1, электрон, находящийся на первой боровской орбите (в основном состоянии с энергией Е1), под действием фотона может перескочить на другую орбиту, соответствующую возбужденному состоянию с энергией Em.
Согласно закону сохранения энергии этот переход электрона возможен, если частота υm поглощаемого фотона удовлетворяет соотношению.
hυm = Em – E1
Второй постулат Бора
Излучение света атомом происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией Ek в стационарное состояние с меньшей энергией En
При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения.
Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний:
hυkm = Ek – En .
При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.
Подставляя значения энергии атома в начальном и конечном состояниях:
υkm = ( - ) , где n = 1, 2, 3, ...; k > n
Все возможные частоты, определяемые этим выражением, дают спектр атома водорода, хорошо согласующийся с экспериментальными данными
Спектр составляют ряд серий излучения, каждая из которых образуется при переходах атома в одно из фиксированных нижних энергетических состояний n из всех возможных энергетических состояний k ( k > n )
Переходы в первое возбужденное состояние (n = 2)с верхних уровней образуют серию Бальмера, наблюдаемую в видимом спектре.
Спектр поглощения вещества определяется в результате сравнения спектра излучения, падающего на вещество, со спектром излучения, прошедшего через него.
Атом вещества поглощает излучение той же частоты , которую излучает.
Опыт Франка и Герца
В1913г. исследовались столкновения электронов с атомами ртути.
УТОЧНИК ГРАФИК
В стеклянной трубке находились пары ртути. Электроны, вылетевшие из катода , нагреваемого электрическим током, ускоряются электрическим полем между катодом и сеткой. Их кинетическая энергия при достижения сетки равна работе электрического поля eU (e-заряд электрона, U- ускоряющее напряжение).
Между сеткой и анодом электроны тормозятся электрическим полем, созданным батареей G2.
Напряжение между сеткой и анодом 0.5В.
Пока напряжение между сеткой и катодом не превосходит 4.9В, возрастание напряжения сопровождается увеличением силы тока в цепи.
Резкое уменьшение силы тока в цепи анода при достижении напряжения 4.9В, между катодом и сеткой заставляет сделать вывод о том , что электроны, обладающие кинетической энергией 4.9В, полностью теряют ее в результате столкновений с атомами ртути.
Исходя из этих результатов можно сделать вывод, что разность энергий первого возбужденного стационарного состояния атома ртути Е2 и основного стационарного состояния Е1: Е2-Е1=4.9В
Наблюдения показали, что пока напряжение между катодом и сеткой меньше 4.9В пары ртути не излучают, а при достижении указанного напряжения пары испускают ультрафиолетовое излучение с указанной частотой.
Таким образом опыты Франка и Герца явились экспериментальным подтверждением правильности основных положений теории Бора
Атомарная модель материального тела
Определение атома
Простые и сложные вещества
Нуклоны. Протон и нейтрон.
Протонно-нейтронная модель ядра
Сильное взаимодействие нуклонов в ядре
Комптоновская длина волны
Состав и размер ядер
Четные и нечетные ядра. Их устойчивость
Оценка размеров ядра
Модель материально точки не применима для пространственных масштабов, соизмеримых с размерами тела или меньших.
Моделью материального тела является совокупность движущихся и взаимодействующих между собой атомом (молекул)
Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопилось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.
Атом – наименьшая частица химического элемента, являющаяся носителем его свойств.
Все вещества по составу можно разделить на два класса: простые и сложные.
Простые вещества состоят из атомов одного и того же химического элемента, сложные – из атомов различных элементов.
Заряд ядра атома – главная характеристика химического элемента.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов(нейтральные адроны).
Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра, получили название – нуклоны (лат. nucleus – ядро)
Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — называются нуклонами.
Опыты Резерфорда (1910 г.) показали, что атомное ядро, находящееся в центре атома, в 10000 раз меньше размера электронной оболочки и сосредотачивает до 99.9% массы атома.
Изучение состава ядра проводилось с помощью бомбардировки его α-частицами, выбивающими из ядра частицы входящие в его состав.
Первой такой частицей, открытой Резерфордом в 1919 г. был протон (греч. protos – первый, первичный).
Протон имеет положительный заряд, равный заряду электрона е = 1.6*10-19Кл, и массу покоя примерно равную 1 а.е.м.
Протоны встречаются в земных условиях в свободном состоянии как ядра атомов водорода.
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик установил, что при облучении ядер атома бериллия α-частицами из ядра вылетают нейтральные частицы массой, близкой к массе протона.
Эта частица была названа нейтроном (лат.neutron – ни тот ни другой, или нейтральный)
Масса покоя свободного нейтрона очень незначительно превосходит массу протона.
В свободном виде в земных условиях нейтрон практически не встречается из-за неустойчивости - самопроизвольно распадается: среднее время жизни близко к 15,3 мин.
По современным представлениям протон и нейтрон являются двумя разными состояниями одной и той же частицы – нуклона (лат.nucleus – ядро)
Протон – нуклон в заряженном состоянии, нейтрон – в нейтральном.
Обозначение - .
Нижний индекс – заряд частицы, кратный заряду протона +e (или зарядовое число Z), верхний – число нуклонов, которое содержит частица (или массовое число А).
Подобно электрону, протон и нейтрон имеют спиновой момент импульса, равный ћ/2.
Протон и нейтрон обладают полуцелым спином (в единицах ћ)
Предложена в 1932 г. российским физиком Д.Д.Иваненко и В.Гейзенбергом.
Ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов.
Вследствие электронейтральности атома число Z протонов я ядре (зарядовое число), имеющих заряд +Ze, равно числу электронов с полным зарядом –Ze, движущихся вокруг ядра. При этом в ядре различных изотопов может находится различное число нейтронов.
Сильное взаимодействие нуклонов
Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия, существующего между ними. Наличие такого взаимодействия было подтверждено в 1919 г. опытами Резерфорда.
В этих опытах бомбардировке α-частицами подвергались ядра легких атомов, с малым Z. При бомбардировке ядер атома водорода (протонов) α-частицы испытывали кулоновское отталкивание от протона, находясь от него на расстоянии превышающем 3 фм (1 фм = 10-15м) На меньших расстояниях наблюдалось притяжение α-частиц к протону, обусловленное сильным взаимодействием нуклонов друг с другом.
Нейтрон начинает притягиваться к протону на расстоянии меньше 2 фм. Но на расстоянии меньше 0.4 фм начинают действовать мощные силы взаимного отталкивания.
Притяжение между протоном и нейтроном теоретически объясняется их постоянным обменом друг с другом виртуальной (экспериментально не наблюдаемой при таком взаимодействии) частицей – π+-мезоном.
Взаимодействие путем обмена виртуальными частицами не имеет простого объяснения. Согласно законам сохранения импульса и энергии свободный протон или нейтрон не могут испустить частицу без поступления энергии извне. Для такого испускания необходима энергия не меньше DЕ = m0c (m0 – масса покоя частицы)
Однако, соотношение неопределенностей Гейзенберга DЕDt ≥ ћ допускает нарушение закона сохранения энергии в течении малого промежутка времени Dt = ћ/(m0c2), необходимого для испускания частицы, называемой виртуальной.
За это время виртуальная частица не может уйти дальше, чем на расстояние:
R = сDt =
Эту длину называют комптоновской длиной волны частицы (Артур Комптон – американский физик)
Комптоновская длина волны частицы – пространственный масштаб существования виртуальной частицы.
Комптоновская длина волны определяет радиус действия того или иного вида взаимодействия.
Электромагнитные взаимодействия заряженных частиц осуществляются обменом фотонами. Для фотона m0 = 0, поэтому радиус действия электромагнитных сил R®¥, т.е. эти силы являются дальнодействующими.
Зная радиус действия ядерных сил Rя ≈ 10-15м, можно оценить массу виртуальной частицы – переносчика сильного взаимодействия:
m0 = ≈ 3*10-28 кг
что очень близко к массе элементарной частицы π+-мезона, открытого в 1947 г.
Сильное взаимодействие не зависит от заряда частицы: оно связывает между собой заряженные нуклоны, нейтральные, а так же заряженные и нейтральные частицы.
Зарядовая симметрия сильного взаимодействия – независимость сил, взаимодействие между нуклонами от их электрических зарядов.
Взаимодействие протонов происходит в результате обмена виртуальными нейтральными π0-мезонами(пионами) Процесс обмена нуклонов виртуальными частицами изображают на диаграммах Феймана (Р.Фейман – американский физик), на которых реальной частице соответствует прямая линия, а виртуальной – волнистая.
Ядерные силы взаимодействия зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. При антипараллельных спинах энергия взаимодействия нуклонов оказывается меньше, чем при параллельных.
Парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра энергетически выгодно.
Состав и размер ядра
Ядро, состоящее из одних протонов, неустойчиво из-за кулоновского отталкивания протонов. Нейтроны, входящие в состав ядра, стабилизируют его. Силы их ядерного притяжения между собой и к протонам препятствуют кулоновскому отталкиванию протонов.
Энергия ядер, как и атомов, квантуется, т.е. ядра обладают дискретным набором энергетических состояний.
В случае нечетного числа протонов или нейтронов в ядре неспаренный нуклон может занять лишь следующий, более высокий энергетический уровень. Обладая большей энергией, ядра с нечетными Z и N (нечетно-нечетные ядра) оказываются менее стабильными.
Существует всего четыре стабильных нечетно-нечетных ядра , для которых Z = N, а нечетно-четных стабильных ядер не существует вообще.
Нечетно-четные ядра – ядра, состоящие из нечетного(четного) числа протонов и четного(нечетного) числа нейтронов.
Наиболее стабильными являются четно-четные ядра, состоящие из четного числа протонов и нейтронов.
Особой устойчивостью среди четно-четных ядер отличаются «магические» ядра – у которых число Z протонов или N нейтронов равно одному из чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа называются «магическими» Они отражают периодичность заполнения нуклонами энергетических оболочек ядра.
Максимальной устойчивостью и поэтому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра, у которых магическим является как число протонов так и число нейтронов. Например, .
У магических ядер энергия связи нуклона аномально велика по сравнению с его энергией связи в ядрах с соседними массовыми числами.
Предполагая, что нуклоны плотно упакованы в ядре с массовым числом А, можно оценить радиус R. Условно принимая радиус нуклона r0, можно считать что объем ядра складывается из объема отдельных нуклонов:
πR3 = ( πr03) A
Следовательно, радиус ядра равен:
R = r0A1/3 .
Эксперимент показывает, что r0 = 1.2 фм
Плотность ядерного вещества очень большая:
ρ = (порядка 1017 кг/м3)
Из ядерного вещества состоят нейтронный звезды – гигантские ядра, удерживаемые гравитационным притяжением.
См.выше. «Нуклонная модель ядра» (уч.10кл.стр.211)
Протон (ядро атома водорода) обладает положительным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз больше массы электрона.
Нейтрон — электрически нейтральная частица с массой примерно равной 1839 масс электрона.
Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу электронов в его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze.
Зарядовое число – равно числу протонов в ядре. Обозначается Z
Зарядовое число ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Менделеева.
Полный заряд ядра равен +Ze
Суммарный заряд электронов в атоме равен -Ze
В целом атом электронейтрален. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов.
Электрический заряд атома ядра q равен произведению элементарного электрического заряда e на порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева:
q = Z e
Масса атома складывается из массы ядра и электронов.
Почти вся масса атома сосредоточена в ядре из-за крайне малой массы электронов.
Масса ядра примерно в 2000 раз превосходит массу электронов.
Массовое число равно суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в ядре:
A = Z + N
Число нейтронов в ядре одного и того же элемента может быть разным
N = A – Z
Изотоп – разновидность одного и того же химического элемента, атом которого содержит одинаковое число протонов в ядре и разное число нейтронов.
Атомы с одинаковым зарядом ядра, но различными массами, называются изотопами. Изотопы различаются своими спектрами.
Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов (N)
Слева вверху от символа химического элемента указывается массовое число А, а внизу – зарядовое число Z
Условное обозначение позволяет легко определить состав ядра и число электронов в атоме.
Ядро атома обозначается тем же символом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например, ), из которых верхний обозначает массовое, а нижний - зарядовое число.
Дефект масс – разность суммарной массы отдельных частиц, входящих в состав атома (ядра), и полной массы атома (ядра)
∆m = m∑ - m
Дефект массы характеризует уменьшение массы ядра, образующегося при объединении нуклонов, по сравнению с суммарной этих нуклонов до объединения.
Уменьшение массы ядра сопровождается уменьшением его энергии
∆E = ∆mc2
Уменьшение энергии при образовании атома из нуклонов и электронов происходит в результате выделения энергии при объединении в ядро протонов и нейтронов, а так же вследствие излучения энергии при присоединении электронов к ядру.
Атомная единица массы (а.е.м.) – средняя масса нуклона в атоме углерода
1 а.е.м. = =1,66*10-27 кг
(в атоме углерода содержится 12 нуклонов)
Относительная атомная масса Mr - число атомных единиц массы, содержащихся в массе атома.
Относительная атомная масса почти совпадает с числом нуклонов в его ядре
Mr ≈ A
Разница объясняется различием средней массы нуклонов в ядрах разных атомов.
Энергия связи атомных ядер
Дефект массы
Удельная энергия связи
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54
