Модель атома Томсона. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома, в которой атом представлен в виде миниатюрной Солнечной системы

Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома, в которой атом представлен в виде миниатюрной Солнечной системы. Согласно этой модели, весь положительный заряд и почти вся масса атома (99,4%) сосредоточены в атомном ядре. Размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером атома. Вокруг ядра по замкнутым эллиптическим орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Постулаты Бора

· Атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн.

· Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний.

Теория водородоподобных ионов

где

— длина волны света, испускаемого в вакуум;

— постоянная Ридберга для данного химического элемента;

— порядковый номер элемента в периодической таблице, то есть, количество протонов в атомных ядрах данного элемента;

и — целые числа, такие, что .

Классическая модель

Электрон согласно модели Н. Бора в атоме водорода вращается вокруг ядра, не излучая энергию, если на его орбите укладывается целое число длин волн де Бройля λ

nλ = 2πr_n, n = 1, 2, 3,...

Разным разрешённым орбитам π соответствуют разные энергии электронов E_n

n = 1, 2, 3,...

Радиус первой боровской орбиты атома водорода r₁ ≈ 0.53·10^-8 см. Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур.

Французский ученый Луи де Бройль, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Итак, согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной сторо­ны, корпускулярные характеристики — энергия Е и импульс p, а с другой — волновые характеристики — частота n и длина волны l. Количественные соотношения, связыва­ющие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как для фотонов:

Смелость гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что соотношение постулировалось не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности для таких, которые обладают массой покоя. Таким образом, любой частице, обладающей импульсом, сопоставляют волновой процесс с длиной волны, определяемой по формуле де Бройля:

Волны де Бройля – волны, связанные с любой движущейся материальной частицей. Любая движущаяся частица (например, электрон) ведёт себя не только как локализованный в пространстве перемещающийся объект - корпускула, но и как волна, причём длина этой волны даётся формулой λ = h/р, где h = 6.6·10^-34 Дж^.сек – постоянная Планка, а р – импульс частицы. Если частица имеет массу m и скорость v << с (с – скорость света), то импульс частицы р = mv и дебройлевская длина волны связаны соотношением λ = h/mv.

Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (например,координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля).

Волновая функция (или вектор состояния) – комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе, принципиально достижимые в микромире. Так с её помощью можно рассчитать все измеряемые физические характеристики системы, вероятность пребывания её в определенном месте пространства и эволюцию во времени

Уравнение Шредингера. Зависимое от времени уравнение (общий случай)

где — гамильтониан.

(18)

Выражение называют условием нормировки.

где Y ^* - комплексно - сопряженная волновая функция.

Статистический смысл

Детальный анализ квантовой механики показал, что квантовая механика вместе с волнами де Бройля - это обычная статистическая физика микромира с функциями распределения физических величин для микрочастиц, но с применением хорошо развитого спектрального метода Фурье

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА, фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит.

В квантовой механике доказывается, что уравнению Шредингера удовлетворяют собственные функции, определяемые набором трёх квантовых чисел: главного n, орбитального l и магнитного m.

Главное квантовое число n характеризует расстояние электрона от ядра – радиус орбиты.

Орбитальное квантовое число l = 0, 1, 2,... n –1 характеризует эллиптичность орбиты электрона и определяет момент импульса электрона

При́нцип Па́ули (принцип запрета) — один из фундаментальных принципов квантовой механики, согласно которому два и более тождественных фермиона (частиц с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии.

Спин электрона. электрон имеет собственный момент импульса, или спин, т.е. его можно представить себе вращающимся вокруг собственной оси одновременно с вращением по орбите вокруг ядра, аналогично вращению Земли при ее движении вокруг Солнца.

Процесс испускания фотона воз­бужденным атомом (возбужденной мик­росистемой) без каких-либо внешних воздействий называется спонтанным (или самопроизвольным) излучением

Если на атом, находя­щийся в возбужденном состоянии 2, дей­ствует внешнее излучение с частотой, удовлетворяющей условию hn=E ₂ -E ₁, то возникает вынужденный переход в основное состояние 1 с из­лучением фотона той же энергии hn=E ₂ -Е ₁.При подобном пе­реходе происходит излучение атомом фотона дополнительно к тому фотону, под действием которого произошел переход. Возникающее в результате таких перехо­дов излучение называется вынужденным излучением.

Поглощением света называется явление потери энергии световой волной, проходящей через вещество.

Оптический квантовый генератор - прибор, в котором осуществляется генерация электромагнитных волн оптического диапазона за счет использования явления индуцированного излучения.

Зонная теория твердых тел позволила с единой точки зрения истолковать существование металлов, диэлектриков и полупроводников, объясняя различие в их электрических свойствах, во-первых, неодинаковым заполнением электронами разрешенных зон и, во-вторых, шириной запрещенных зон.

Степень заполнения электронами энергетических уровней в зоне определяется заполнением соответствующих атомных уровней. Если при этом какой-то энергетический уровень полностью заполнен, то образующаяся энергетическая зона также заполнена целиком.

Проводимость полупроводников, вызванная электронами примесных атомов, называется примесной проводимостью. Примесная проводимость возникнет, если заменить некоторые атомы германия или кремния атомами другого вещества, но с пятью валентными электронами, например мышьяка Аs или сурьмы Sb (рис. 26.8). Тогда четыре электрона сурьмы пойдут на ковалентные связи с соседними атомами, а пятый электрон окажется слабо связанным с атомом и легко может стать свободным.

• Собственная проводимость полупроводников.

Под действием внешних факторов некоторые валентные электроны атомов приобретает энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей.

Выход из ковалентной связи электрона на энергетической диаграмме соответствует переходу из валентной зоны в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой ≈ дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом

Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА р-n ПЕРЕХОДА

В общем виде вольт-амперная характеристика р-n перехода представляется экспоненциальной зависимостью

где I ₀ - обратный ток. Этот ток имеет небольшие величины (мкА или нА), но довольно сильно увеличивается при повыше­нии температуры.

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n -перехода.

Плоскостные p-n -переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.

Полупроводниковый триод, называемый также транзистором, представляет собой пластинку, состоящую из полупроводников двух различных проводимостей, которые образуют три зоны. Крайние зоны обладают проводимостью одного рода, а средняя зона - проводимостью другого рода.

Полупроводниковые триоды (транзисторы) служат для преобразования электрических сигналов и, в частности для усиления сигналов по мощности. Усилительные свойства транзисторов обусловлены наличием в них двух p - n - переходов, создаваемых в монокристаллической пластинке полупроводника.

АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ. Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10^–15–10^–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме.

Энергия связи атомного ядра Е_св характеризует интенсивность взаимодействия нуклонов в ядре и равна той максимальной энергии, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные невзаимодействующие нуклоны без сообщения им кинетической энергии. У каждого ядра своя энергия связи. Чем больше эта энергия, тем более устойчиво атомное ядро. Точные измерения масс ядра показывают, что масса покоя ядра m_я всегда меньше суммы масс покоя, составляющих его протонов и нейтронов. Эту разность масс называют дефектом массы:

Радиоактивность — это природное явление когда происходит самопроизвольный распад ядер атомов, при котором возникают излучения. Эти излучения имеют большую энергию и способны ионизировать в той или иной степени любое вещество, например:

Основные типы радиоактивных излучений: альфа, бета, нейтронные (группа корпускулярных излучений), рентгеновские и гамма-излучения (группа волновых).

Закон радиоактивного распада — физический закон, описывающий зависимость интенсивности радиоактивного распада от времени и количества радиоактивных атомов в образце

Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность при всех исследованиях уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии.

Скорость превращения всё время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению.

Ядерные реакции, превращения атомных ядер при взаимодействии с другими ядрами, элементарными частицами или γ-квантами. Такое определение разграничивает собственно ядерные реакции и процессы самопроизвольного превращения ядер при радиоактивном распаде хотя в обоих случаях речь идет об образовании новых ядер.

В основе теории деления тяжелых ядер лежит капельная модель ядра, согласно которой ядро представляет собой как бы каплю заряженной жидкости. Как в капле обычной жидкости, поверхность ядра может колебаться. Ядро делится в том случае, если действие сил отталкивания между протонами превосходит силы притяжения между нуклонами. В тяжелых ядрах это возможно из-за большого числа протонов и больших размеров ядра.

Цепна́я я́дерная реа́кция — последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производствомэлектрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии.

Обычно для получения ядерной энергии используют цепную ядерную реакцию деления ядер урана-235или плутония. Ядра делятся при попадании в них нейтрона, при этом получаются новые нейтроны и осколки деления. Нейтроны деления и осколки деления обладают большой кинетической энергией. В результате столкновений осколков с другими атомами эта кинетическая энергия быстро преобразуется в тепло.

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерными реакциями.

Основной трудностью является поддержание условий, необходимых для получения самоподдерживающейся термоядерной реакции. Для такой реакции необходимо, чтобы скорость выделения энергии в системе, где происходит реакция, была не меньше, чем скорость отвода энергии от системы. При температурах порядка 10⁸ К термоядерные реакции в дейтериевой плазме обладают заметной интенсивностью и сопровождаются выделением большой энергии.

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Поиск по сайту: