Онлайн

Наглядная физика. Квантовая физика

ИНТЕРАКТИВНЫЕ МОДЕЛИ 

1. Фотоэлектрический эффект
2. Изучение закономерностей внешнего фотоэффекта
3. Давление света. Измерение светового давления
4. Опыт Резерфорда
5. Ядерная модель атома (модель Резерфорда)
6. Ядерная модель атома (модель Бора)
7. Ядерная модель атома (квантовая модель)
8. Модель атома водорода
9. Излучение и поглощение света атомами
10. Лазер
11. Наблюдение треков в камере Вильсона
12. Устройство и действие счетчика ионизирующих частиц
13. Протонно-нейтронная модель строения атома
14. Ядерные реакции
15. Радиоактивное излучение (в магнитном поле)
16. Радиоактивное излучение (поглощение)
17. Цепные ядерные реакции
18. Процесс деления ядер на основе капельной модели ядра
19. Ядерный реактор
20. Взаимодействие элементарных частиц.

Ядерная модель атома (модель Бора) 

model YadernayaModel02Полная энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергии:

image05 005 

Знак «минус» показывает, что полная энергия отрицательна и, следовательно, рассматриваемая система является связанной.

Подробнее

Для ее разрушения необходимо затратить энергию. Заметим, что формула (5) позволяет определить энергию одного электрона без учета остальных электронов. Полную энергию атома нельзя получить сложением этих значений, т.к. электроны отталкиваются друг от друга, причем расстояние между электронами все время меняется.

Энергия связи электрона определяется как минимальная энергия, которая требуется для полного удаления электрона из атома, т. е. для ионизации атома.
Экспериментальным путем было найдено, что для атома водорода энергия связи равна E=13,6 эВ. Подставляя это значение в уравнение (5) для E, можно найти радиус ближайшей к ядру орбиты
r1 = 0,53∙10-10 м.
Эта величина называется боровским радиусом и обозначается r1. Ее значение хорошо совпадает со значениями, полученными другими экспериментальными методами. В этой модели массивное ядро атома неподвижно, а электроны движутся вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам.

Ядерная модель атома (квантовая модель) 

model YadernayaModel03Несмотря на определенные успехи в объяснении строения атома, достигнутые в рамках планетарной модели и классической теории, перед физиками встал ряд непреодолимых противоречий. Эта модель атома имеет существенные недостатки. Движущийся ускоренно электрический заряд должен излучать электромагнитные волны.
Подробнее
Из-за этого электрон будет непрерывно терять энергию и довольно быстро упадет на ядро.
Итак, согласно законам классической электродинамики:
1) заряженная частица, движущаяся с ускорением, должна непрерывно излучать электромагнитную энергию;
2) частота этого излучения должна быть равна частоте изменения вектора ускорения, т. е. частоте обращения частицы вокруг ядра.
Следовательно, в соответствии с этой моделью полная энергия атома должна уменьшаться (становясь все более отрицательной), тогда как частота вращения должна непрерывно увеличиваться. Простой расчет показывает, что при этих условиях за ничтожное время (τ≈10–8 с) электрон упадет на ядро и атом прекратит свое существование.
Кроме того, если данная модель верна, то оптический спектр водорода (как и спектры других элементов) должен быть непрерывным, а эксперименты показывают, что спектры атомов дискретны.
Оба заключения находятся в полном противоречии с экспериментальными данными, согласно которым атом является очень устойчивой системой, а оптические спектры газов имеют вовсе не непрерывное распределение по частоте, а характеризуются набором дискретных частот, т. е. имеют линейчатую структуру.
Все эти факты привели к тому, что модель Резерфорда была заменена моделью Бора.

Модель атома водорода

model vodorodРассмотрим, ядерную модель простейшего атома – атома водорода. Для простоты предположим, что электрон (массой m и зарядом –e) движется равномерно по круговой орбите вокруг расположенного в центре протона (с зарядом +e).
 
Подробнее

В теории Бора считалось допустимым применять закон Кулона и второй закон Ньютона, что позволяет определить полную энергию системы из класического уравнения движения:
lesson06 001
Для радиусов rn круговых орбит стационарных состояний Бор предложил правило квантования
lesson06 002
где n = 1, 2, 3, ... – номер орбиты, m – масса электрона, v – скорость электрона, rn – радиус n-ой орбиты.
Состояние с наименьшей энергией, соответствующее значению n = 1, называется основным состоянием, так как в этом низшем энергетическом состоянии атом пребывает большую часть времени.
Состояния, соответствующие значениям n = 2,3,4, …, называются возбужденными состояниями, так как в любом из этих состояний атом имеет энергию большую, чем в основном состоянии.
Модель Бора не объясняет, почему в стационарном состоянии атом не излучает энергию. Это свойство принято как постулат. Кроме того, невозможно экспериментально показать, что электрон движется по круговой орбите вокруг ядра. Однако все эти трудности устраняются, если рассматривать атом водорода в рамках квантовой механики. Модель Бора является приближением к более точной, но сложной современной модели, и остается удобной механической моделью для введения понятия энергетических состояний и ряда других физических понятий. 
Для основного состояния n = 1 боровский радиус будет равен:
r1 = 0,53∙10-10 м.
Радиусы остальных стационарных орбит равны
r = n2r1
т. е. радиусы орбит для стационарных состояний также квантованы и равны соответственно r1, 4r1, 9r1, ….
lesson06 003В модели Бора физическое объяснение правила квантования не дается. Это было сделано десятилетием позже де Бройлем на основе представлений о волновых свойствах частиц. Оказалось, что орбита в атоме водорода соответствует волне, распространяющейся по окружности около ядра атома. Стационарная орбита возникает в том случае, когда волна повторяет себя после каждого оборота вокруг ядра.

Излучение и поглощение света атомами

model atomЭлектроны в атоме водорода могут иметь только дискретные значения энергии

image07 003

где n = 1, 2, 3, ... – номер энергетического уровня электрона, m – масса электрона, e – величина заряда электрона.
Подробнее
Наименьшая энергия электрона в атоме равна E1. При увеличении номера уровня его энергия увеличивается, но остаётся отрицательной.
Излучение и поглощение света атомом происходит при переходе электрона с одного уровня на другой. При переходе с нижнего уровня на верхний, энергия электрона увеличивается, он поглощает фотон. При переходе с верхнего уровня на нижний электрон испускает фотон. Частота νkn испущенного или поглощённого фотона равна (Ek – En)/h, или

lesson07 002

где R = 1,0977373∙107 м-1 – постоянная Ридберга; c – скорость света; n, k – номера энергетических уровней, между которыми переходит электрон, k = n+1, n+2, ... .

Лазер

model laserИзлучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из одного состояния в другое (с меньшей энергией), называется спонтанным излучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом излучает фотон независимо от других (возбужденных) атомов. При этом время жизни возбужденного состояния Ek тем меньше, чем больше энергия фотона, т. е. разность Ek – En.
Подробнее
В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что излучение фотона, т. е. переход электрона в атоме с более высокого энергетического уровня En на более низкий уровень Ek происходит чаще, если вблизи излучающего атома уже имеются такие же фотоны с энергией Ek – En. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным. В результате такого взаимодействия возбужденного атома с уже имеющимися фотонами появляется еще один, совершенно одинаковый с ними по энергии и направлению движения фотон, т. е. индуцированное излучение монохроматично и когерентно.
Упрощенная схема устройства работы твердотельного лазера. Цилиндрический стержень из активной среды, его торцы строго параллельны, на них нанесен слой серебра. Одна зеркальная поверхность частично прозрачна. Стержень помещен внутри импульсной спиральной лампы, являющейся источником возбуждающего излучения. Атомы среды, поглощая излучение лампы (определенной частоты), содержащееся в спектре излучения лампы, переходят с основного уровня E0 на второй возбужденный уровень Ef. Время жизни атомов на втором возбужденном уровне мало. Большая часть возбужденных атомов совершает переходы на первый возбужденный уровень E1. Этот уровень является метастабильным, т. е. в этом состоянии атомы находятся дольше, чем в обычном возбужденном состоянии.
Вспышка мощной лампы-вспышки создает населенность метастабильного уровня E1, которая больше, чем населенность основного уровня E0. Процесс создания инверсной населенности называют накачкой, а используемую для этого лампу называют лампой накачки. Затем – переход на средний уровень. Достаточно одному атому среды совершить спонтанный переход с метастабильного уровня E1 на основной уровень E0 с испусканием фотона, как возникает лавина фотонов, вызванная индуцированным излучением. Если направление движения первичного фотона строго перпендикулярно плоскости зеркал резонатора, то первичные и вторичные фотоны отражаются от первого зеркала и летят через кристалл до второго зеркала. На своем пути они вызывают вынужденное излучение у новых атомов хрома, и процесс продолжается.
Основными особенностями лазерного излучения являются его когерентность, возможность получения световых пучков с очень малой расходимостью, а также потоков излучения с очень большой мощностью.