Лекция 14 Строение вещества.

§14-1 Теория атома Бора.

Изучая прохождение а-частиц (ядер атомов гелия) через тонкую золотую фольгу, анг­лийский ученый Э.Резерфорд обнаружил, что большинство этих частиц свободно прохо-дит через многочис-ленные слои атомов, и вещество в этих экспериментах ведет себя как крупное сито.свободно пропускающее довольно тяжелые заряженные частицы. Для объяс-нения полу­ченных результатов Резерфорд разработал так называемую планетарную модель атома, где основная масса сосредоточена в ядре, размеры которого крайне малы,а электро-ны, входящие в состав атома, вращаются вокруг этого ядра. Планетарная модель хорошо объясняла пове­дение а- частиц, но противоречила выводам классической физики: двигаясь с ускорением лю­бая заряженная частица должна излучать электромагнитные волны. Энергия электрона в этом случае должна быстро уменьшаться,и он должен упасть на ядро.

Датский физик Н.Бор сумел разрешить это противоречие, сформулировав три постулата, которые легли в основу боровской теории строения атома. Эти постулаты гласили:

1.в атоме существуют стационарные орбиты, на которых электрон не излучает и не пог-лощает энергии,

2.радиус стационарных орбит дискретен; его значения должны удовле­творять условиямквантования момента импульса электрона:

m v r = n , где n - целое число,

3.при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон ис­пускает или поглощаетквант энергии, причем величина кванта в точ­ности равна разности энергий этих уровней:

hn = E₁ – Е₂.

Из этих постулатов видно,что фактически Бором были введены новые - квантовые предста­вления о свойствах электрона в атоме. Покажем,что в этих предположениях энергия элек-тро­на также становится дискретной (квантуется).

Пусть Ze - заряд ядра атома, вокруг которого вращается один электрон массы m. Ради­ус орбиты обозначим г, а скорость электрона на орбите - v. Тогда уравнение движения элект­рона можно записать в следующем виде:

,

где сила, стоящая в правой части этого уравнения, представляет собой кулоновскую силу вза­имодействия двух зарядов: е и Ze, a величина v² /r характеризует центростремительное уско­рение электрона. Сокращая знаменатели обеих частей этого уравнения и используя выраже­ние второго постулата Бора, получаем систему из двух уравнений, где неизвестными являют­ся скорость v и радиус орбиты r :

.

Деля почленно одно уравнение на другое, получаем: v = .Подставим выражение

для скорости во второе уравнение нашей системы и найдем выражение для радиуса орбиты:

r = .

Общая энергия электрона на орбите складывается из его кинетической энергии и потен-ци­альной энергии его взаимодействия с зарядом ядра:

Wo = Т _кин + U_пот ,

или .

Знак минус отражает тот факт,что заряд электрона - отрицательный. Подставляя в это вы­ражение полученные ранее значения скорости и радиуса, находим:

W₀ = ,

где называют постоянной Ридберга .

Таким образом общая энергия электрона в атоме оказывается отрицательной, и онаувеличи­вается с ростом n.

Частота излучения, которое соответствует переходу с орбиты номера n на орбиту с номером m, равна:

n = .

Если атомы являются изолированными и не участвуют в других взаимодействиях, то допус­каемые частоты образуют набор отдельных спектральных линий, соответствующих различ­ным значениям чисел n и m. Обычно такое состояние атомов наблюдается в газах. Каждому химическому элементу соответствуют свои спектральные линии - на этом основан спектр­альный анализ, позволяющий по наблюдаемому набору линий установить химичес-кий сос­тав исследуемого объекта. При исследовании спектров испускания наблюдаются узкие све­тящиеся линии, а если свет проходит через холодный газ, то наблюдаются темные линии на тех местах, которые соответствуют положению линий излучения горячим газом. Эти темные линии называются спектрами поглощения.

При очень низких температурах электроны в атомах стремятся занять орбиты с наи­меньшими значениями энергии, но при конечных температурах за счет энергии теплового движения атомов электроны могут приобретать дополнительную энергию и переходить на более высоколежащие орбиты, степень заселенности которых определяется распределением Больцмана: чем выше значения энергии, тем меньшее количество электронов занимают дан­ный уровень. Поэтому в обычном состоянии атомы больше поглощают электромагнитные волны ( набор разрешенных частот может лежать в любом диапазоне), чем излучают. Для того, чтобы процесс излучения преобладал над процессом поглощения, атому необходимо сообщать энергию. Приобретая эту энергию, атомы переходят в возбужденное состояние, но оно является энергетически невыгодным, и обычно через очень короткий промежуток време­ни электроны возбужденного атома переходят на орбиты с меньшей энергией. Процесс пере­хода является случайным, поэтому значение начальной фазы и направления колебаний век­торов электрического и магнитного полей изменяются от одного атома к дру-гому хаотичес­ким образом. Получающееся электромагнитное излучение является некоге-рентным. Однако существует возможность своебразной синхронизации процессов излуче-ния. Использование такой возможности определяет принцип действия генераторов корот-коволнового излучения - мазеров и лазеров.

§ 14 - 2 Принцип действия лазера.

Как уже отмечалось, кроме случайных переходов электронов в атоме с одной орбиты на другую, существуют еще и вынужденные переходы, происходящие под действием внешнего переменного поля. В этом случае фаза и направление световых колебаний жестко связы­ваются с аналогичными параметрами вынуждающего излучения. Если в качестве та-кого из­лучения можно бы было использовать один или несколько квантов, то возникающее вторич­ное излучение носило бы когерентный характер. Для достижения этого необходимо, чтобы один и тот же квант вынуждающего излучения инициировал излучение большого количес­тва возбужденных атомов, которые ждали бы такого внешнего воздействия, т.е.их время жизни в возбужденном состоянии было бы значительно больше, чем у обычных атомов.Это значит, что атомы, как принято говорить, должны находится вметастабильном состоянии.

Такое метастабильное состояние обычно получается в атомах примеси, находящихся в окружении "чужих" атомов. Причины такой метастабильности суть прямое следствие квантовомеханических расчетов, которые в нашем курсе не проводятся. Длительность пре-быва­ния атома в метастабильном состоянии в несколько тысяч раз превышает их время жизни в обычном возбужденном состоянии. Для того, чтобы процессы излучения прева­лировали над процессами поглощения, требуется создатьинверсию заселенно­сти атомных уровней, т.е.добиться того, чтобы число атомов с энергией Е₂ было больше.чем число атомов с энергией е₁ (Е₂ >E₁). Такая инверсионная заселен­ность достигается с помощью внешнего воздействия: это либо сильный некоге­рентный свет, как в рубиновом лазере, либо газовый разряд - в газовых лазерах, где энергия передается путем ионизации при столк-новениях. Схема получения когерентного излучения в газовом лазере, работающего на сме-

Рис.62. Схема действия гелиево-неонового лазера.

си гелия и неона показана на рис.62. Смесь гелия и неона помещена в газоразрядную трубку. Атомы гелия испытывают возбуж-дения в газовом разряде и перехо­дят в мета- стабильное состояние. При их столкнове-ниях с атомами неона, последние также переходят в возбужденное метастабильное состояние. Трубка помещена между двумя плос­кими параллельными зеркалами так, что случайно излученный квант многократно отража­ется от зеркал и проходит через всю трубку по ее длине. Такой квант могут излучать лишь атомы неона. Проходя мимо метастабильно возбужденных атомов неона,

этот квант вызы­вает у них вынужденное излучение. Это когерентное излучение, в свою очередь, многократ­но отражаясь от зеркал, вызывает новые вынужденные переходы и т. д. Процесс развивается лавинообразно.Для того, чтобы получившийся когерентный свет мог выйти наружу, одно из зеркал делается полупрозрачным. Для лучшей фокусировки луча зеркала делаются немного вогнутыми. Кроме того, для улучшения условий возбуждения зеркала размещаются так, чтобы между ними укладывалось целое число световых волн. Когерентный свет образуется при переходе с уровня Е₂ на уровень E₁ . Накопления атомов в состоянии с е₁ не происходит, т. к. вступает в действие механизм передачи энер­гии от этих атомов стенкам труб-ки путем уп­ругих столкновении, если диаметр трубки не слишком велик. Торцевые стенки трубки име­ют важную конструктивную особенность. Ес­ли сделать их перпендикулярными лучу, то при каждом прохождении луча света на гра­нице раздела теряется примерно 8-10% ин­тенсивности падающего света. При многократном про-хождении мощность потерь во много раз может превысить мощность выходящего луча.

Рис.63. Конструкция выходных окон лазе- ра.

Чтобы этого не происходило, торцевые сто-роны трубки делаются наклонными так , что угол наклона (см. рис.63) равен углу Брюс-тера. Как мы знаем, при падении света под углом Брюстера на прозрачную границу в отра­женном свете полностью отсутствует поляризация, лежащая в плоскости падения. Другими словами, это значит, что поляриза-

ция в плоскости падения целиком проходит через границу раздела вакуум - диэлектрик.

Лазеры ( название состоит из первых букв английского light amplification by stimu­lated emission of radiation) находят очень широкое применение в современной науке и технике. Их применяют при изготовлении деталей современной электроники, для сварки тка­ней в медицине, термообработке деталей в машиностроении, передаче информации и т.п. С лазерами связываются определенные надежды в получении управляемой реакции ядерного синтеза.

§ 14 - 3 Строение ядра атома.

Согласно современным представлениям в состав ядра атома входят протоны и нейтроны. Размеры ядра очень малы – всего10^-'⁵ м. Частицы удерживаются в столь малых размерах с помощью особыхядерных сил. Эти силы характеризуются тем, что они дей-ствуют только на очень малых расстояниях. Кроме того, они сильно зависят от расстояния (не менее.чем 1/г³) и обладают свойством насыщения. Теория ядерных сил не может быть изложена в рамках настоящего курса ввиду отсутствия соответствующей математической базы, но некоторые представления о природе ядерных сил можно получить из гипотезы японского физика Х.Юкавы, который в 1935 году предположил, что нейтроны и протоны удерживаются благо­даря тому, что они обмениваются друг с другом некими частицами, масса которых примерно равна 300 массам электрона. Эти частицы получили названиемезонов ( для теории Юкавы - это так называемый минус p - мезон). Суть взаимодействия сводится к тому, что нейтрон ис­пускает p -мезон и превращается в протон, тогда как протон в ядре тут же захватывает по­лучившийся мезон и превращается в нейтрон. В настоящее время идея Юкавы получила разразвитие в рамках другой теории - так называемой теорииглюонов ( от английского слова glue - клей), однако изложение основ этой теории невоз-можно в курсе общей физики.

Число протонов в атоме определяет его как химический элемент, тогда как число ней­тронов в атоме может меняться - при этом образуются разныеизотопы. У каждого элемента периодической таблицы может быть несколько изотопов. Например, существуют три изото­па водорода:протий, дейтерий и тритий.

Массы нейтрона и протона измерены достаточно точно. При этом было замечено.что суммарная масса всех протонов и нейтронов.входящих в состав ядра атома, никогда не рав­няется массе данного химического элемента - масса ядра меньше суммарной массы всех ней­тронов и протонов. Это явление получило название дефекта масс. Сущность этого дефекта в том, что часть массы как бы превращается в энергию связи протонов и нейтронов в ядре( для численной оценки используется знаменитая формула Е = m с²). Чтобы атом снова распался на составные части.ему нужно сообщить энергию. Для большинства элемен-тов средней час­ти таблицы Менделеева величина энергии, необходимой для"разбиения" атома на составляющие, очень велика, но к концу таблицы энергия связи уменьшается, и может случится, что сообщение ядру сравнительно небольшой энергии окажется дос-таточным для преодоления притяжения протонов и нейтронов. Переносчиком такой "затра-вочной" энергии обычно слу­жат свободные нейтроны.При распаде ядер тяжелых элементов энергия связи выделяется в виде большого количества тепла.

Распад тяжелых элементов,в первую очередь,таких как уран и плутоний,используется на практике для получения энергии. Выделение энергии может происходить либо за малый промежуток времени (взрыв), либо достаточно плавно( атомный котел). Это выделение энер­гии достигается путем осуществления цепной реакции деления. Наиболее известна реакция деления изотопа урана U В природном уране концентрация 235 - изотопа незначительна, поэтому добытую руду подвергают предварительному обогащению, однако даже в обога­щенном уране превалирует основной изотоп - уран-238. Деление ядер урана происходит при попадании в них нейтронов, причем разные изотопы "требуют" различных нейтронов. Так 238-изотоп делится при попадании в него быстрых нейтронов, тогда как 235 -изотоп делится под действием медленных нейтронов (термин"медленный"означает, что скорость нейтронов сравнима с скоростью теплового движения молекул).При каждом эле-ментарном акте деле­ния кроме тепловой энергии получается некоторое число (от одного до трех) нейтронов,наличие которых и обеспечивает цепной характер реакции.Для осуще-ствления цепной реакции деления урана-235 необходимо выполнение трех условий:

1.нейтроны должны быть медленными,

2-коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы,

З.масса изотопа должна быть больше критической.

Для получения медленных (тепловых) нейтронов используются замедлители (тяжелая вода или графит). Скорость размножения нейтронов регулируется путем введения специальных поглотителей (бор или кадмий). Требование критической массы связано с тем, что процесс поглощения вторичных нейтронов является случайным - нейтрон должен пролететь мимо достаточного числа делящихся атомов, прежде чем он будет поглощен. Требуемые для на-ча­ла реакции первичные нейтроны всегда присутствуют в окружающей среде как следствие природной радиоактивности, или как результат воздействия на земную атмосферу косми­ческих лучей ( космические лучи - это поток тяжелых частиц с очень большой энергией ). Кроме цепной реакции деления возможна реакция синтеза более тяжелых ядер из ядер лег­ких элементов. Выделяющееся при этом количество тепла во много раз превышает тепло, образующееся при цепной реакции деления. Для возникновения такой реакции необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что достигается сообщением ядрам высоких скоростей встречного движения. Высокие скорости, а.следовательно.и высокие энергии, достигаются тем, что атомы разогреваются до температур порядка 10 млн. градусов. В земных условиях это достижимо лишь при атомном взрыве.Реакция синтеза при этом носит неуправляемый характер.Устройство, где осуществляется реакция синтеза атомов гелия из смеси дейтерия и трития, называют водородной бомбой. Реакция синтеза сопровождается выделением большого числа нейтронов и также является цепной (пример - Солнце).

§ 14-4 Строение элементов и периодическая таблица.

Как уже отмечалось, заряд ядра атома, а.следовательно,и его положение в таблице Менделеева определяется количеством протонов. Число электронов, окружающих ядро, должно соответствовать числу протонов. Вследствие запрета Паули, электроны распола-гаются на разных энергетических уровнях. Величина энергии зависит от значения главного квантового числа n. Форма орбиты (в рамках теории Бора) определяется орбитальным квантовым чис­лом l, значения которого могут изменяться от ( n-1) до -( n-1). 0рбиты с разными l носят на­звания: s - оболочек ( l = 0 ), р- оболочек (l = 1), d- (l = 2), f- ( l = 3) и т.д. На каждой оболочке размещается 2( 2l + 1) электронов, т.е. их число равно 2 (одному значению l соответствуют два электрона с противоположными направлениями спинов), 6,10,14 и т.д. Общее число электронов в атомах, где оболочки полностью заполнены равно 2,8,18,32 и т.д. Рассматривая таблицу, можно заметить,что этим числам соответствуют ато-мы гелия, неона, аргона, крипто­на и т.д. ,т.е. атомы инертных газов. Свойства каждого элемента определяются тем, как выгод­нее ему достроить свою внешнюю оболочку до замкнутой:отдавая. или получая электроны.

Заполнение оболочек происходит постепенно при переходе от одного элемента к другому, но порядок заполнения может нарушаться для так называемых переходных эле-ментов. Электронам оказывается энергетически выгоднее занимать орбиты с большим кван-товым числом, оставляя незаполненной внутреннюю оболочку.По названию незаполнен-ной оболо­чки переходные элементы образу-ют 3d-, 4d - и 5d - группы.Отдельные группы образованы редкоземельными и трансурановыми элементами.