Фізика атома

Розділ 6. ФІЗИКА АТОМА ТА АТОМНОГО ЯДРА. 

 

 

Постулати Бора:

1.В атомі, електрони можуть знаходитись лише на певних, енергетично дозволених рівнях.

2. Перебуваючи на енергетично дозволеному рівні, електрон не випромінює світло.

3. При поглинанні зовнішньої енергії, електрон переходить на більш високий енергетичний рівень, а при падінні з цього рівня – випромінює відповідний квант світлової енергії.

Досліджуючи закономірності хімічних властивостей атомів, вчені з’ясували, що ці закономірності можна описати на основі чотирьох квантових величин, які прийнято називати квантовими числами:

1) головне квантове число n,

2) орбітальне квантове число ℓ,

3) магнітне квантове число m,

4) спінове квантове число s.

        Головне квантове число (позн. n), це таке ціле додатне число (n=1;2;3…) яке характеризує енергетичні параметри електрона і яке дорівнює порядковому номеру того енергетично дозволеного рівня на якому знаходиться даний електрон.

Орбітальне квантове число (позн. ℓ), це таке ціле не від’ємне число (ℓ=0;1;2;…) яке характеризує величину орбітального моменту імпульсу електрона. Для заданого енергетичного рівня (для заданого числа n) орбітальне квантове число може набувати всіх цілих значень від 0 до (n-1).

Магнітне квантове число (позн. m), це таке ціле число (m=0;±1;±2;…), яке характеризує просторову орієнтацію вектора орбітального моменту імпульсу електрона. Для заданого квантового числа ℓ, магнітне квантове число може набувати всіх цілих значень з інтервалу ( -ℓ; +ℓ).

Спінове квантове число (позн. s), це таке напівціле число (s= ±1/2), яке характеризує величину та знак власного моменту імпульсу (спіну) електрона. Спінове квантове число може мати лише два значення: s = +1/2 ; s = -1/2 .

Принцип Паулі – це закон в якому стверджується: в атомі не може бути двох електронів з однаковим набором квантових чисел.

Принцип мінімуму (принцип енергетичної доцільності), це закон, в якому стверджується: в атомі речовини, електрон завжди прагне зайняти таке місце, де кількість зосередженої в ньому енергії буде мінімально можливою.

Принцип Паулі та принцип мінімуму є тими базовими законами, які пояснюють порядок розташування електронів в атомі, а відповідно і періодичність його хімічних властивостей.

        Радіоактивність, це явище, суть якого полягає в тому, що енергетично не стабільні атомні ядра, спонтанно випромінюючи певні мікрочастинки перетворюються на інші атомні ядра.

Періодом напіврозпаду радіоактивної речовини називають той проміжок часу, на протязі якого розпадається половина наявних атомів даної речовини.

В 1932 році, було запропоновано протонно-нейтронну модель атомного ядра. Згідно з цією моделлю, атомні ядра складаються з протонів та нейтронів. При цьому, кількість протонів дорівнює зарядовому числу ядра, а кількість нейтронів – різниці між масовим та зарядовим числом. Іншими словами: Np = Z;  Nn = M-Z. Наприклад, ядро урану 238U+92  складається з 92 протонів та 146 нейтронів.

         Ізотопами називають такі різновидності хімічно однакових атомів, в ядрах яких міститься однакова кількість протонів але різна кількість нейтронів.

         Ядерні сили, це такі сили, які діють в атомному ядрі і які обумовлені тим, що нуклони атомного ядра постійно обмінюються π-мезонами. Ядерні сили, це сили надзвичайно потужні, зарядово не залежні та короткодіючі. Ядерні сили є одним з проявів так званих сильних взаємодій.

Нуклонами називають ті протони та нейтрони які входять до складу атомного ядра. π-мезонами (піонами) називають ті елементарні частинки, які забезпечують міжнуклонні взаємодії та є носіями ядерних сил. π-мезони поділяються на π+, π та π0 – мезони.

Енергією зв’язку атомного ядра називають ту мінімальну кількість енергії яку необхідно витратити на те щоб повністю розщепити дане атомне ядро на його складові нуклони

Позначається: ΔЕ

Визначальне рівняння: ΔЕ = Δmc2, де  Δm – дефект маси атомного ядра

Одиниця вимірювання: [ΔE] = Дж , (або еВ).

Дефектом маси атомного ядра називають ту різницю мас, що існує між загальною масою тих вільних нуклонів які утворюють дане атомне ядро (m2) та масою цього ядра (m1).

Позначається:  Δm

Визначальне рівняння: Δm = m2 – m1

Одиниця вимірювання: [Δm] = кг.

Електрон-вольт, це позасистемна одиниця вимірювання енергії, яка дорівнює тій енергії яку отримує електрон (е=1,6∙10-19Кл) при його переміщенні між двома точками електричного поля, напруга між якими один вольт: еВ=1,6∙10-19Дж.

         Термоядерними реакціями (реакціями термоядерного синтезу) називаються такі ядерні реакції, які відбуваються при надвисоких температурах (понад 106К) і в процесі яких, легкі атомні ядра об’єднуються у відповідні більш важкі ядра.

          Альфа-розпадом називають таке спонтанне радіоактивне перетворення атомного ядра, яке є результатом випромінюванням α-частинки (4α+2).

Бета-розпадом називають таке спонтанне радіоактивне перетворення атомного ядра, яке є результатом випромінюванням β-частинки (0β-1).

Нейтронним розпадом називають таке спонтанне радіоактивне перетворення атомного ядра, яке є результатом випромінювання нейтрона.

Тунельний ефект, це явище, суть якого полягає в тому, що з певною ймовірністю складова мікрочастинка квантової системи (наприклад атомного ядра), може вийти за межі цієї системи навіть в тому випадку, коли енергія частинки значно менша за висоту потенціального бар’єру системи.

Висотою потенціального бар’єру квантової системи називають ту мінімальну кількість енергії, яка згідно з законами класичної фізики, забезпечує вихід даної мікрочастинки за межі відповідної системи.

Радіоактивною родиною (радіоактивним рядом) називають таку послідовність взаємопов’язаних радіоактивних атомів, в якій кожний наступний атом утворюється в результаті альфа або бета розпаду попереднього атома.

         Ядерними реакціями поділу називають такі ядерні реакції при яких надмасивні атомні ядра в процесі взаємодії з сторонніми нейтронами, діляться на дві приблизно рівні частини та декілька нових нейтронів.

Ланцюговими ядерними реакціями називають такі само відновлювальні ядерні реакції поділу, продукти яких спричиняють нові цикли аналогічних реакцій.

Коефіцієнт розмноження нейтронів, це величина яка характеризує ланцюгову ядерну реакцію поділу і яка дорівнює відношенню числа результативно прореагувавших нейтронів на даному етапі ланцюгової реакції (Ni) до їх числа на попередньому етапі цієї реакції (Ni-1):  k = Ni/Ni-1 .

Атомна (ядерна) бомба, це прилад в якому енергія неконтрольованих ядерних реакцій поділу вибухоподібно перетворюється в енергію ударної хвилі, світлового випромінювання та проникаючої радіації.

Ядерний реактор, це прилад, в якому енергія контрольованих ланцюгових ядерних реакцій поділу, дозовано претворюється в теплову енергію, яка за необхідності перетворюється в механічну роботу та енергію електричного струму.

Іонізуючим випромінюванням (радіацією) називають потік таких енергійних частинок які здатні іонізувати молекули повітря.

Коефіцієнтом відносної біологічної ефективності випромінювання називають ту величину, яка показує у скільки разів біологічна дія даного виду радіації більша за біологічну дію аналогічної за енергією кількості гама-випромінювання (позначається k)

Поглинутою дозою випромінювання називають ту кількість енергії іонізуючого випромінювання що поглинається одиницею маси даного тіла.

Позначається: D

Визначальне рівняння: D = E/m

Одиниця вимірювання: [D] = Дж/кг = Гр , грей.

Еквівалентною дозою випромінювання називають ту величину яка дорівнює добутку поглинутої дози випромінювання на коефіцієнт біологічної ефективності цього випромінювання.

Позначається: De

Визначальне рівняння:  De = kD

Одиниця вимірювання: [De] = Дж/кг = Зв ,    зіверт.

Елементарна частинка – це такий мікрооб’єкт, який представляє собою певний неподільний згусток мас-енергії, що має певні корпускулярно-хвильові властивості, характеризується певним набором фізичних величин і за певних умов може перетворюватись в інші елементарні частинки та навпаки – виникати з них.

Анігіляція – це такий квантовий процес, при якому елементарна частинка та її античастинка перетворюються на кванти відповідного поля. По суті, в процесі анігіляції та прихована енергія яку називають масою спокою частинки, трансформується в ту явну енергію, яку називають енергією руху (чистою енергією, кінетичною енергією).

Гравітаційні взаємодії – це такий вид матеріального зв’язку, який існує між тими об’єктами що мають масу і носієм якого є гравітаційне поле та його неподільні кванти які називаються гравітонами.

Гравітон – це елементарна частинка, яка є неподільним квантом гравітаційного поля та носієм гравітаційних взаємодій (позначається 0g0 : τ=∞: m0=0; q=0; s=2ћ).

Електромагнітні взаємодії – це такий вид матеріального зв’язку, який існує між тими об’єктами що мають електричний заряд або магнітний момент і носієм якого є електромагнітне поле та його неподільні кванти які називаються фотонами.

Фотон – це елементарна частинка яка є неподільним квантом електромагнітного поля та носієм електромагнітних взаємодій (позначається 0γ0 : τ=∞; m0=0; q=0; s=1ћ).

Сильні взаємодії – це такий вид матеріального короткодіючого зв’язку який виникає між важкими елементарними частинками (адронами) і носієм якого, за сучасними уявленнями, є глюонне поле та його неподільні кванти які називаються глюонами.

Слабкі взаємодії – це такий вид матеріального короткодіючого зв’язку, який обумовлений тими процесами що відбуваються всередині елементарних частинок і який призводить до взаємоперетворення цих частинок.

 

Розділ 7. Теорія відносності.

 

Базові твердження часткової теорії відносності:

1.Принцип відносності: у всіх інерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.

2. Принцип постійності швидкості світла: у всіх інерціальних системах відліку, швидкість світла в вакуумі є незмінною, гранично великою та чисельно рівною 3·108м/с.

Світловий рік – це позасистемна одиниця вимірювання довжини, яка дорівнює тій відстані на яку розповсюджується світловий сигнал за один земний рік:   1 с.р = 9,46 ·1015м

         Час – це базове поняття, яке констатує той факт, що всі ті події які відбуваються в Природі мають певну тривалість та послідовність, або, як прийнято говорити, відбуваються у часі. (З іншого боку, час –це фізична величина, яка характеризує тривалість подій і яка дорівнює цій тривалості.)

Висновок 1. Тривалість однієї і тієї ж події (або абсолютно аналогічних подій) в рухомій та нерухомій системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення:  t=kt0,

де      t0 – тривалість події в нерухомій системі відліку;

t – тривалість тієї ж події в рухомій системі відліку;

k=1/(1-v2/c2)1/2– коефіцієнт відносності (релятивістський коефіцієнт).

         Простір – це базове поняття, яке констатує той факт, що всі матеріальні об’єкти Природи мають певні геометричні параметри, певне місцезнаходження, певним чином розташовані один відносно одного, або, як прийнято говорити, існують в просторі.

         Висновок 2. Довжина одного і того ж об’єкту (або абсолютно аналогічних об’єктів) в рухомій (ℓ) та нерухомій (ℓ0) системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення:   ℓ=ℓ0/k, де  k=1/(1-v2/c2)1/2– коефіцієнт відносності.

         Висновок 3. Маса одного і того ж фізичного об’єкту (або абсолютно аналогічних об’єктів) в рухомій (m) та нерухомій (m0) системах відліку є різною. При цьому виконується співвідношення: m=km0, де k=1/(1-v2/c2)1/2 – коефіцієнт відносності.

Висновок 4. (формула Ейнштейна). Будь який фізичний об’єкт масою m представляє собою згусток енергії, загальна кількість якої визначається за формулою Е=mс2, де с=3·108м/с – швидкість світла в вакуумі (стала Ейнштейна).

         Маса (в класичній, до релятивістській фізиці) – це фізична величина, яка є мірою інерціальних та гравітаційних властивостей тіла, а також, мірою кількості речовини в тілі, виміряної в кілограмах.

Позначається:  m

Визначальне рівняння:  нема

Одиниця вимірювання:  [m]=кг.

Енергія (в класичній, до релятивістській фізиці) – це фізична величина, яка характеризує здатність тіла, частинки або поля виконати роботу.

Позначається:  Е

Визначальне рівняння:  різні

Одиниця вимірювання:  [Е]=Дж.

Масенергія – це фізична величина, яка є загальною мірою руху матерії, мірою її інерціальних та гравітаційних властивостей.

Позначається:  Е

Визначальне рівняння: Е=mс2

Одиниця вимірювання:  [Е]=Дж.

Активна масенергія – це та частина масенергії, яка представляє собою енергію руху та взаємодії обособлених частинок речовини або макротіл, яка здатна до виконання тієї чи іншої роботи і яка за звичайних умов не перетворюється на пасивну масенергію. Зазвичай активну масенергію називають енергією і вимірюють в джоулях.

         Пасивна масенергія – це та частина масенергії, яка сконденсована в частинках речовини та макротілах, яка за звичайних умов не перетворюється в активну масенергію і не спричиняє виконання тієї чи іншої роботи. Зазвичай пасивну масенергію називають масою і вимірюють в кілограмах.

         Висновок 5. (Релятивістський закон додавання швидкостей). Якщо в рухомій системі відліку швидкість тіла u’, а ця система з швидкістю v рухається відносно нерухомої системи відліку, то швидкість даного тіла в нерухомій системі відліку (u) визначається за формулою  u=(u’+v)/(1+u’v/c2) .

         Ефект Доплера – це явище, суть якого полягає в тому, що частотні параметри звукових, електромагнітних та інших хвиль, певним чином залежать як від швидкості та напрямку руху джерела цих хвиль, так і від швидкості та напрямку руху того спостерігача який їх фіксує.

Червоне зміщення в спектрі галактик – це явище, суть якого полягає в тому, що в спектрі того світла яке випромінюють далекі галактики, спектральні лінії відомих атомів зміщені в сторону червоної частини спектру. Це означає, що відповідна галактика з певною швидкістю віддаляється від нашої галактики.

Базові твердження загальної теорії відносності:

1.Загальний принцип відносності: в інерціальних та неінерціальних системах відліку, всі фізичні процеси відбуваються абсолютно однаково.

2. Загальний принцип постійності швидкості світла: в інерціальних та неінерціальних системах відліку, ніякі взаємодії і ніякі інформаційні сигнали, в тому числі і гравітаційні, не можуть розповсюджуватись з швидкістю, більшою за швидкість світла в вакуумі.

3. Принцип еквівалентності: силові прояви гравітації та інерції є еквівалентними.

По суті теорія відносності доводить, що матерія, простір, час та рух, це взаємопов’язані частини єдиного цілого. Що матерія у вигляді речовини в певних співвідношеннях може перетворюватись в матерію у вигляді поля (збуреного простору) і навпаки. Що параметри матерії, простору та часу, певним чином залежать від параметрів руху. Що параметри руху, часу та простору, певним чином залежать від параметрів матерії. Що простір і час, це єдине чотиривимірне ціле простір-час.

Подобається