Физика атома

Для изучения атома и атомного ядра используются специальные методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Принцип действия приборов для регистрации элементарных частиц

В основе методов обнаружения и изучения характеристик частиц – ионизирующее и фотохимическое действия частиц, отклонение частиц в магнитном поле. Регистрирующий прибор — это сложная макроскопическая система, которая находится в неустойчивом состоянии. При движении частицы в ней начинается процесс перехода в устойчивое состояние. Этот процесс позволяет регистрировать частицу.

Выбор регистрирующего устройства определяется целью эксперимента и условиями его проведения.

Метод сцинтилляций (сцинтилляционные счетчики частиц). В основе метода – способность частиц вызывать вспышки на экране, покрытом слоем специального вещества. Этот метод дает возможность счета частиц и позволяет фиксировать их распределение по энергиям.

Газоразрядный счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера применяется для регистрации электронов и ​\( \gamma \)​-квантов.

Счетчик состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой металлической нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, аргоном. Действие счетчика основано на ударной ионизации. Заряженная частица, влетая в счетчик, ионизирует молекулы газа, создавая положительные ионы и электроны. Электрическое поле между анодом и катодом ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Скорость электронов, движущихся к аноду, возрастает, и они, взаимодействуя с молекулами газа, создают лавину ионов. Ток через счетчик резко возрастает. На нагрузочном резисторе ​\( R \)​ образуется импульс напряжения, который подается в регистрирующее устройство.

Для того чтобы счетчик мог регистрировать частицу, лавинный разряд необходимо погасить. Это происходит автоматически: в момент появления импульса тока падение напряжения на нагрузочном резисторе ​\( R \)​ велико, напряжение между анодом и катодом резко уменьшается, и разряд прекращается.

Камера Вильсона

Принцип действия камеры Вильсона основан на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек жидкости. Эти ионы создает вдоль своей траектории движущаяся заряженная частица. Видимый след из капелек жидкости, который оставляет заряженная частица, называется трек.

Камера Вильсона представляет собой герметически закрытый сосуд, заполненный парами воды или спирта, близкими к насыщению. При резком опускании поршня, вызванном уменьшением давления под ним, пар в камере адиабатно расширяется, охлаждается и становится перенасыщенным. Это — неустойчивое состояние пара: он легко конденсируется, если в сосуде появляются центры конденсации. Центрами конденсации становятся ионы, которые образует в рабочем пространстве камеры пролетевшая частица.

Затем камера возвращается в исходное состояние, и ионы удаляются электрическим полем. Если поместить камеру Вильсона в однородное магнитное поле, то в результате действия силы Лоренца треки частиц искривляются. Это позволяет определить удельный заряд частицы (по радиусу кривизны трека и скорости частицы). Если удельный заряд частицы известен, то по радиусу кривизны трека можно определить энергию и скорость частицы.

Пузырьковая камера

В 1952 г. американский ученый Д. Глейзер предложил использовать для обнаружения треков частиц перегретую жидкость. В такой жидкости на ионах (центрах парообразования), образующихся при движении быстрой заряженной частицы, появляются пузырьки пара, дающие видимый трек. Это устройство получило название «пузырьковая камера».

В исходном состоянии жидкость в камере находится под высоким давлением при температуре выше температуры кипения при атмосферном давлении. При резком понижении давления жидкость оказывается перегретой и будет находиться в неустойчивом состоянии. Заряженные частицы, пролетающие в это время, вызывают появление треков, состоящих из пузырьков пара. В качестве жидкости используются жидкий водород и пропан.

Преимущество пузырьковой камеры перед камерой Вильсона – большая плотность рабочего вещества. Пробеги частиц вследствие этого оказываются достаточно короткими. Это позволяет регистрировать частицы с большой энергией и наблюдать серию последовательных превращений частицы и вызываемые ею реакции.

Метод толстослойных фотоэмульсий основан на фотохимическом действии быстрых заряженных частиц, проходящих через фотоэмульсию. Толщина слоя фотоэмульсии составляет от 0,5 до 1 мм. Быстрая заряженная частица ионизирует атомы фотоэмульсии и оставляет скрытое изображение. После обработки это изображение становится видимым и может изучаться.

Планетарная модель атома

Английский ученый Томсон в 1903 году предложил первую модель атома.

Положительный заряд атома занимает весь объем атома и распределен в этом атоме с постоянной плотностью, а внутри него находятся электроны.

Модель атома Томсона сравнивают с «булочкой с изюмом», в которой роль изюминок играют электроны.

Атом водорода, согласно этой модели, представляет собой положительно заряженный шар радиусом 10^-8 м, внутри которого находится электрон. У более сложных атомов внутри положительно заряженного шара находятся несколько электронов.

Модель атома Томсона не получила экспериментального подтверждения.

Опыт Резерфорда по рассеянию ​\( \alpha \)​-частиц

В начале ХХ века английский ученый Э. Резерфорд исследовал прохождение узкого пучка ​\( \alpha \)​-частиц через золотую фольгу толщиной около 4 · 10^-7 м.

Для изучения строения атома Резерфорд предложил зондирование атома с помощью \( \alpha \)-частиц, которые испускались радиоактивным элементом 1, помещенным внутри свинцового цилиндра, поглощающего все \( \alpha \)-частицы, кроме тех, которые проходили через узкий канал 2. Узкий пучок \( \alpha \)-частиц попадал на фольгу из золота 3. Рассеянные после взаимодействия с золотом \( \alpha \)-частицы регистрировались визуально с помощью светочувствительного экрана и микроскопа 4.

В результате опыта было обнаружено, что, хотя большая часть \( \alpha \)-частиц проходила сквозь тонкий слой вещества, почти не отклоняясь от первоначального направления, очень небольшая доля этих частиц отклонялась на большие углы. Это возможно только под действием большой кулоновской силы, которая является результатом лобового столкновения положительно заряженной \( \alpha \)-частицы с положительным зарядом в атоме. Размеры этого заряда очень малы. Резерфорд назвал его «ядро атома» и в 1911 году предложил планетарную модель атома.

Планетарная модель атома

Резерфорд предположил, что атом представляет собой миниатюрную планетарную систему, в которой действуют электрические силы притяжения. В центре каждого атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра по эллиптическим орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны.

В ядре сосредоточена практически вся масса атома, но оно занимает ничтожно малую часть его объема. Электронная оболочка занимает большую часть объема атома, но ее масса мала.

В целом атом нейтрален, т. к. суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду атомного ядра.

Планетарная модель атома Резерфорда не смогла объяснить ряд важнейших свойств атомов. В частности, атом, согласно классической механике, должен излучать электромагнитные волны, т. к. электроны движутся с ускорением (центростремительным). Это должно приводить к уменьшению энергии атома, а следовательно, к падению электрона на ядро. Однако атомы обычно не излучают электромагнитные волны и устойчивы.

Постулаты Бора

Датский ученый Н. Бор, развивая идеи Резерфорда, в 1913 году утверждал, что законы движения микрочастиц сильно отличаются от законов движения в макромире. По его мнению, законы микромира – квантовые законы, которые в то время еще не были установлены наукой. Н. Бор положил в основу своей теории следующие постулаты.

Постулаты Бора

Постулат стационарных состояний:
атом может находиться лишь в определенных стационарных состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях атом не излучает энергию.

Условие квантования круговых орбит:
каждому стационарному состоянию соответствует строго определенная энергия. Двигаясь по круговым орбитам, электроны обладают квантованными значениями момента импульса:

где ​\( n \)​ = 1; 2; 3… – номер стационарной орбиты, ​\( r \)​ – радиус стационарной орбиты, ​\( h \)​ – постоянная Планка.

Правило частот:
излучение или поглощение энергии атомом происходит при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия излученного или поглощенного кванта электромагнитного излучения при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией ​\( E_m \)​ в другое стационарное состояние с энергией \( E_n \) равна разности энергий атома в этих состояниях:

где ​\( m \)​ и ​\( n \)​ – номера стационарных состояний.

Говорят, что энергия атома квантуется, а при переходе с одной стационарной орбиты на другую атом теряет или поглощает квант энергии. Поэтому теория атома Бора была названа квантовой теорией.

Стационарное состояние с минимальным запасом энергии называется основным состоянием, а все остальные стационарные состояния называются возбужденными состояниями.

Стационарные состояния представляют с помощью энергетической диаграммы. На ней состояния атома обозначаются горизонтальными линиями – энергетическими уровнями.

Переход атома из стационарного состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией сопровождается поглощением энергии и обозначается стрелкой, направленной вверх. Переход атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией сопровождается выделением энергии и обозначается стрелкой, направленной вниз.

Используя постулаты и планетарную модель атома, Бор разработал количественную теорию атома водорода.

Применяя классические представления о движении электрона по круговой орбите под действием кулоновской силы притяжения между ядром и электроном, он получил выражение для радиусов орбит, соответствующих стационарным состояниям атома водорода, и для энергетических уровней.

При движении по круговой орбите кулоновская сила обеспечивает электрону центростремительное ускорение:

Для водорода ​\( Z \)​ = 1; ​\( \frac{e^2}{4\pi\epsilon_0r}=mv^2 \)​ или \( \frac{e^2}{4\pi\epsilon_0v}=mvr,\,mvr=\frac{nh}{2\pi}. \)​

Скорость электрона на стационарных круговых орбитах:

где ​\( n \)​ = 1; 2; 3 … – номер стационарной круговой орбиты,

Радиус стационарных круговых орбит:

Радиус первой боровской орбиты: ​\( r_1 \)​ = 0,528·10^-10 м.

Двигаясь по каждой из разрешенных стационарных круговых орбит, электрон обладает определенным запасом кинетической и потенциальной энергий:

Полная энергия электрона на стационарной орбите равна сумме кинетической и потенциальной энергий:

Согласно постулату Бора энергия излучения: ​\( h\nu=E_m-E_n \)​,

​\( R=\frac{me^4}{8\varepsilon_0^2h^3}= \)3,29 · 10¹⁵ с^-1 – постоянная Ридберга,

Серии спектральных линий излучения, возникающих при переходе атома водорода из возбужденных состояний, принято объединять в группы.

Спектральные серии атома водорода

• Серия Лаймана
  Если атом водорода перейдет с возбужденных стационарных уровней в основное состояние, то он излучит невидимые ультрафиолетовые лучи с набором соответствующих частот:

• Серия Бальмера
  Если атом водорода перейдет с возбужденных стационарных уровней на второй уровень, то он излучит видимый свет с набором соответствующих частот:

• Серия Пашена
  Если атом водорода перейдет с возбужденных стационарных уровней на третий уровень, то он излучит невидимые инфракрасные лучи c набором соответствующих частот:

Линейчатые спектры

Спектр – это набор частот, излучаемых нагретым телом.

Виды спектров

• Непрерывные (сплошные) спектры дают нагретые тела в твердом и жидком состоянии, а также в сжатом газообразном.
• Линейчатые спектры дают раскаленные газы в атомарном состоянии под сравнительно небольшим давлением.
• Полосатые спектры дают газы в молекулярном состоянии.

Различают линейчатые спектры испускания и поглощения.

Спектры испускания дают нагретые до высокой температуры тела. Эти спектры состоят из узких линий разного цвета.

Для получения линейчатого спектра излучения вещества, находящегося в обычных условиях в твердом состоянии, его надо нагреть до высокой температуры, при которой оно перейдет в атомарное газообразное состояние.

Спектры поглощения возникают при пропускании лучей сплошного спектра через менее нагретый газ. На фоне сплошного спектра обнаруживаются узкие темные полосы.

Линейчатый спектр у каждого химического элемента свой, не совпадающий со спектром другого химического элемента.

Зная линейчатые спектры различных химических элементов, можно определить химический состав неизвестного газа. Для этого необходимо сравнить линейчатый спектр данного газа со спектрами известных элементов.

По рисунку видно, что газ состоит из магния и азота, т. к. в его спектре присутствуют только линии, принадлежащие этим газам.

Линии спектра поглощения расположены в тех местах спектра, в которых находятся линии спектра излучения того же газа.

Спектральный анализ – метод определения химического состава тел по их спектру испускания или поглощения.

Спектральный анализ основывается на двух положениях:

• каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
• интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.

Спектроскоп – прибор для разложения сложного света и наблюдения спектров.

Спектроскоп состоит из двух труб – коллиматорной (1) и зрительной (4), укрепленных на подставке (2), и стеклянной призмы под крышкой (3).

Параллельный пучок света, выходящий из коллиматора, попадает на грань стеклянной призмы. Так как показатель преломления зависит от длины волны, то пучок света, состоящий из волн с разной длиной волны, разлагается на параллельные пучки света разного цвета. Линза зрительной трубы фиксирует каждый пучок и дает разноцветные изображения щели, образуя разноцветную полоску – спектр.

Лазер

Лазер – это оптический квантовый генератор, создающий мощные, узконаправленные, когерентные пучки монохроматического излучения.

Излучение может быть спонтанным (самопроизвольным) или индуцированным (вынужденным).

Спонтанное излучение – испускание атомом фотона в результате самопроизвольного перехода электрона из возбужденного состояния в основное.

Индуцированное излучение – переход электрона из возбужденного состояния в основное под действием электромагнитного излучения.

Фотон-«катализатор» попадает в возбужденный электрон и, стимулируя его переход в основное состояние, не теряет своей энергии. В результате из атома испускаются два фотона.

Основные компоненты лазера:

• активная среда – среда, в которой создаются состояния с инверсной заселенностью, т. е. заселенностью, при которой число атомов в возбужденных состояниях больше, чем их число в основном состоянии;
• система накачки – устройство для создания инверсной заселенности уровней в активной среде;
• оптический резонатор – устройство, выделяющее в пространство избирательно направленный поток фотонов и формирующее выходящий световой пучок.

Классификация лазеров

• По типу активной среды – твердотельные, газовые, полупроводниковые, жидкостные.
• По методу накачки – оптические, тепловые, химические, электроионизационные и др.
• По режиму генерации – непрерывного действия, импульсного действия.

Устройство рубинового лазера

1 – система зеркал; состоит из двух строго параллельных друг другу плоских зеркал, расположенных возле торцов рубинового стержня. Используется для того, чтобы заставить световой пучок многократно проходить через рубиновый стержень. Одно из зеркал полностью отражает свет, а другое полупрозрачно, т. е. частично отражает, а частично пропускает свет;

2 – рубиновый стержень; представляет собой цилиндр, длина которого в 8–10 раз превышает его диаметр;

3 – газоразрядная лампа; имеет вид спирали и охватывает рубиновый стержень. Ее используют для возбуждения ионов хрома в рубине;

4 – система охлаждения; охлаждает рубиновый стержень при работе лазера;

5 – батарея конденсаторов.

Принцип работы рубинового лазера

При облучении рубина сине-зеленым светом ионы хрома возбуждаются и из основного состояния (уровень 1) переходят в возбужденное состояние (уровень 3). Через короткий промежуток времени (≈10^-8 с) большинство ионов хрома спонтанно переходят с уровня 3 на метастабильный энергетический уровень 2, в котором они могут находиться ≈10^-3 с, т. е. в 100 тысяч раз дольше, чем на обычном возбужденном уровне. Таким образом, создается «перенаселение» уровня 2, т. е. число возбужденных электронов больше числа невозбужденных электронов. Переход ионов с энергетического уровня 3 на метастабильный уровень 2 происходит без излучения света. Высвобождающаяся при таком переходе энергия передается кристаллической решетке рубина.

Под действием электромагнитных волн, облучающих рубин, или под действием фотонов, появляющихся в самом веществе при спонтанных переходах атомов на уровень 2, происходит переход ионов хрома с метастабильного уровня 2 на уровень 1, и возникает вынужденное излучение света.

Свойства лазерного излучения:

• временная и пространственная когерентность;
• строгая монохроматичность;
• большая плотность потока энергии;
• очень малое угловое расхождение в пучке.

Применение лазеров:

• передача информации; связь (особенно в космосе);
• точное определение расстояний;
• трассировка туннелей; геологические измерения;
• определение курса и скорости кораблей, самолетов, ракет;
• в голографии для получения объемных изображений предметов;
• точечная сварка при изготовлении микросхем;
• осуществление управления термоядерными реакциями;
• в хирургии для разрезания, сшивания, стерилизации живых тканей, для приваривания отслоившейся сетчатки глаза.

Основные формулы по теме «Физика атома»