Контрольная работа на тему физика атомного ядра

Ответы на вопросы по заказу заданий по физике:

Сколько стоит помощь?

• Цена зависит от объёма, сложности и срочности. Присылайте любые задания по любым предметам - я изучу и оценю.

Какой срок выполнения?

• Мне и моей команде под силу выполнить как срочный заказ, так и сложный заказ. Стандартный срок выполнения – от 1 до 3 дней. Мы всегда стараемся выполнять любые работы и задания раньше срока.

Если требуется доработка, это бесплатно?

• Доработка бесплатна. Срок выполнения от 1 до 2 дней.

Могу ли я не платить, если меня не устроит стоимость?

• Оценка стоимости бесплатна.

Каким способом можно оплатить?

• Можно оплатить любым способом: картой Visa / MasterCard, с баланса мобильного, google pay, apple pay, qiwi и т.д.

Какие у вас гарантии?

• Если работу не зачли, и мы не смогли её исправить – верну полную стоимость заказа.

В какое время я вам могу написать и прислать задание на выполнение?

• Присылайте в любое время! Я стараюсь быть всегда онлайн.

Содержание:

1. Ответы на вопросы по заказу заданий по физике:
2. Атомное ядро
3. Ядерные силы и энергия связи атомных ядер
4. Радиоактивность
5. История развития учения о строении атома. Ядерная модель атома
6. Квантовые постулаты Н.Бора
7. Поглощение и излучение света атомом. Оптические спектры
8. Спектральный анализ и его применение
9. Рентгеновское излучение
10. Квантовые генераторы. Лазеры и их применение

Атомное ядро

Открытие в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем естественной радиоактивности солей урана и дальнейшее исследование данного явления П. Кюри и М. Склодовской-Кюри положило начало развитию ядерной физики.

Для ядерной физики характерны расстояния, соизмеримые с размером ядра ) и энергии от мегаэлектрон-вольт (МэВ) до гигаэлектрон-вольт (ГэВ).

Опыты Э. Резерфорда, обосновавшие ядерную модель атома, показали, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, которое имеет положительный заряд. Дальнейшие его исследования взаимодействия альфа-частиц с атомами азота привели к открытию протона - второй элементарной частицы, открытой после электрона. Со временем выяснилось, что в составе атомного ядра имеется еще одна элементарная частица - нейтрон.

Протон (от греч, protos - первый) - элементарная частица, которая образует ядро атома Гидрогена и имеет положительный заряд, равный заряду электрона.

Изучение свойств протона показало, что он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона его масса Поскольку в ядерной физике принято пользоваться атомной единицей массы (а. е. м.) и ее энергетическим эквивалентом - электронвольтом (эВ), то масса покоя протона равна соответственно

• Изотопы (от греч. isos - одинаковый и topos - место) - разновидность одного и того же химического элемента, отличающегося атомными массами.

Открытие в начале XX в. изотопов установило, что их атомные массы кратны массе ядра Гидрогена. В этой связи Э. Резерфорд предположил, что ядра всех химических элементов состоят из протонов. Протонно-электронная модель атома хорошо согласовалась с экспериментальными данными, касающимися свойств Гидрогена. Однако ученые столкнулись с рядом трудностей при объяснении строения ядер более тяжелых химических элементов. Поэтому Э. Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании других элементарных частиц - нейтронов, которые входят в состав ядра, но не обладают электрическим зарядом.

Нейтрон (ат лат. neutron - не принадлежащий ни к тому ни к другому), т. е. такой, что не имеет электрического заряда.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик, исследуя свойства излучения, возникающего во время бомбардирования бериллия альфа-частицами, установил, что это поток нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Измерения показали, что масса покоя нейтрона Украинский ученый Д.Д. Иваненко (родился в г. Полтаве) и немецкий физик В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра. Они высказали предположение, что атомное ядро образуют нуклоны - протоны и нейтроны, которые группируются внутри него, образуя ядерные оболочки. Каждый нуклон, находясь в такой оболочке, пребывает в некотором квантовом состоянии. Его характеризуют энергия и набор квантовых величин (спин, орбитальный момент, четность состояния), которые однозначно его определяют.

В современной физике протоны и нейтроны, находящиеся ядре, называются нуклонами (от лат. nukleus - ядро).

В соответствии с данной моделью общее количество нуклонов, т. е. сумма протонов и нейтронов, равно массовому числу количество протонов соответствует заряду ядра а количество нейтронов В ядерной физике изотоп любого химического элемента принято обозначать соответствующим символом, указывая при этом его массовое число (слева вверху) и зарядовое число (слева снизу), т. е. в виде Например, самый легкий изотоп Гидрогена - Протий, ядро которого состоит из одного протона, обозначается альфа-частицу, представляющую собой ядро атома Гелия, обозначают и т. д. Заполнение ядерных оболочек подчиняется определенной закономерности - принципу Паули: два одинаковых нуклона не могут одновременно пребывать в одном и том же квантовом состоянии, т. е. характеризоваться одним и тем же набором квантовых величин. Поэтому существует ряд чисел - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, называемых магическими, которые определяют максимальное количество нуклонов в заполненных ядерных оболочках.

Принцип Паули вначале был предложен для объяснения закономерностей заполнения электронных орбит в атоме, а затем перенесен на формирование ядерных оболочек.

Переход ядра из одного состояния в другое, например из стабильного в возбужденное или наоборот, объясняется оболочечной моделью ядра как квантовый переход нуклона из одной оболочки в другую. Каждый раз, когда количество протонов или нейтронов в данной оболочке достигает магического числа, происходит скачкообразное изменение величин, характеризующих свойства ядра. Этим, в частности, объясняется существование периодичности в свойствах химических элементов, отраженное Периодической системой элементов Д.И. Менделеева.

Принцип Паули раскрывает физическую сущность периодического закона Д.И. Менделеева.

Оболочечная модель атомного ядра является одной из самых продуктивных в ядерной физике, в частности при объяснении периодичности свойств химических элементов и механизма ядерных реакций. Однако она не единственная и также имеет свои ограничения, поскольку не в состоянии объяснить все типы взаимодействия нуклонов в ядре и истолковать свойства тяжелых ядер. Поэтому существуют и другие модели атомных ядер, например капельная, в представлении которой атомное ядро - это капля особой квантовой жидкости, задающая свойства ядра.

Ядерные силы и энергия связи атомных ядер

Нуклоны в ядре удерживаются в связанном состоянии благодаря ядерным силам, являющимся проявлением одного из четырех фундаментальных взаимодействий - сильного взаимодействия. По своей природе они краткодействующие но очень интенсивные. В самом ядре они приблизительно в 100 раз сильнее кулоновского взаимодействия двух протонов и в раз превышают силу их гравитационного взаимодействия. Однако за пределами атомного ядра они настолько малы, что их действием можно пренебречь.

Ядерные силы действуют между всеми нуклонами, независимо от наличия у них электрического заряда. Благодаря этому в атомном ядре удерживаются электрически нейтральные нейтроны и не разлетаются одноименно заряженные протоны. Экспериментальные исследования сил ядерного взаимодействия протон-протонных, протон-нейтронных и нейтрон-нейтронных пар показали, что во всех этих случаях они одинаковые и не зависят от вида нуклона.

Ядерные силы - краткодействующие, поскольку проявляют себя на расстояниях в пределах размеров атомного ядра .

• В 1935 г. японский физик X. Юкава высказал предположение, что природа ядерных сил проявляется в обменном их характере. Т. е. наличие ядерных сил обусловливает частица ненулевой массы, которой обмениваются нуклоны между собой во время их взаимодействия в ядре.
• Позднее, в 1947 г. такая частица была экспериментально обнаружена и названа пи-мезоном.

Было выявлено, что в зависимости от типа взаимодействующей пары нуклонов (протон-протон, нейтрон-нейтрон, протон-нейтрон, нейтрон-протон) существует три вида пи-мезонов - положительный отрицательный и нейтральный Два первых имеют массу покоя, равную 274 массам электрона приблизительно эквивалентную 140 МэВ; масса покоя нейтрального пи-мезона равна 264 что соответствует приблизительно 135 МэВ.

Пи-мезоны иногда называют пионами.

Пи-мезоны - это кванты ядерного поля, подобно фотонам, которые являются квантами электромагнитного поля.

Пи-мезоны не являются частицами, входящими в состав протонов и нейтронов. Они лишь проявляют себя в ядерном взаимодействии как обменные частицы, благодаря которым осуществляется сильное взаимодействие в атомном ядре. Сильное взаимодействие является причиной объединения нуклонов в атомное ядро. Связанное состояние нуклонов в ядре характеризуется энергией связи, необходимой для того, чтобы удерживать протоны и нейтроны в таком состоянии.

Энергия связи - это та минимальная энергия, которую необходимо израсходовать, чтобы разъединить ядро на отдельные нуклоны, которые его составляют.

Если сравнить массу атомных ядер с суммой масс нуклонов, составляющих его по отдельности, то выяснится, что они отличаются между собой: масса ядра всегда меньше суммарно массы свободных нуклонов. т. е. если сложить массу всех протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, и сравнит ее с массой самого ядра то возникнет дефект масс

Точные измерения масс атомных ядер показали, что .

Причина его возникновения состоит в том, что для образования ядра из отдельных свободных протонов и нейтронов необходимо выполнить работу, которая расходуется на их объединение. Она равна энергии связи, которая, учитывавает формулу взаимосвязи массы и энергии, характеризуется дефектом масс

Отношение называется удельной энергией связи.

Естественно, что энергия связи ядер у разных атомов не одинакова. Если воспользоваться понятием удельной энергии связи, т. е. разделить ее на количество нуклонов в ядре, то можно убедиться в существовании определенной ее зависимости от массового числа (рис. 5.15).

Рис. 5.15. Зависимость удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа

Как видно из графика, сначала кривая резко возрастает и достигает максимума у изотопов химических элементов с массовым числом от 50 до 60 (Феррум и близкие к нему элементы). Далее, с возрастанием массового числа, кривая начинает плавно снижаться, достигая у Данный вид кривой обусловлен закономерностями заполнения ядерных оболочек протонами и нейтронами согласно принципу Паули. Однако оболочечная модель ядра нс смогла объяснить закономерности образования всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева. В частности, она оказалась беспомощной в отношении тяжелых элементов трансурановой группы и далее, где существенно проявляются силы кулоновского взаимодействия протонов.

Радиоактивность

Закон радиоактивного распада

Изучение свойств различных изотопов показало, что в природе существуют стабильные и нестабильные ядра химических элементов. Данное их качество обусловлено значением энергии связи ядер и соотношением у них числа протонов и нейтронов. Например, среди изотопов легких элементов стабильными являются те, что имеют приблизительно одинаковое количество протонов и нейтронов.

Если в ядре преобладают протоны, то на его стабильность влияет также энергия кулоновского взаимодействия.

Ядра тяжелых элементов, как правило, нестабильны, поскольку у них значительно преобладают нейтроны, а их излишек ведет к возрастанию энергии ядра (ведь ), которую оно пытается высвободить. Поэтому ядра отдельных изотопов могут самопроизвольно превращаться в другие химические элементы в результате излучения микрочастиц либо путем деления на более устойчивые образования. Такая их способность к самопроизвольным преобразованиям называется радиоактивностью.

Радиоактивность - от лат. radio - излучаю, activus -деятельный.

Радиоактивность бывает естественной, которая наблюдается при обычных условиях в природе, и искусственной, когда радиоактивные превращения происходят в результате внешнего воздействия, например при бомбардировке ядер стабильных изотопов протонами, нейтронами, другими частицами или ядрами химических элементов. С физической точки зрения принципиального отличия между ними не существует — механизм радиоактивных превращений у них одинаковый.

Обозначения микрочастиц:

• - альфа-частица
• - нейтрон
• - протон
• - электрон
• - позитрон

Естественную радиоактивность солей урана впервые наблюдал А. Беккерель, а затем изучали М. Склодовская-Кюри и П. Кюри. Искусственную радиоактивность впервые получили в 1934 г. французские физики Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они облучали альфа-частицами ядра изотопа алюминия в результате чего получили нестабильный изотоп Фосфора который вследствие радиоактивного превращения испускал элементарную частицу, названную позитроном

Позитрон - это элементарная частица, имеющая массу электрона и равный ему заряд, но противоположный по знаку.

Наиболее распространенными радиоактивными превращениями являются альфа-распад, бета-распад и спонтанное деление ядер.

Альфа-распад - это превращение нестабильного изотопа в иной химический элемент, сопровождающееся испусканием альфа-частицы. Например, в результате альфа-распада происходит превращение радия в радон:

Во время альфа-распада ядра его зарядовое число уменьшается на 2, а массовое число - на 4, т. е. при образовании нового элемента выполняется правило смещения. Энергия, выделяемая за счет альфа-распада, распределяется между альфа-частицей и ядром созданного нового элемента. Данное превращение может сопровождаться также гамма-излучением.

Бета-распад - это превращение нейтрона в протон или протона в нейтрон, которое происходит в ядре и сопровождается образованием нового химического элемента. Существует две разновидности бета-распада:

1) -распад, в результате которого высвобождается позитрон и образуется ядро элемента, количество протонов которого на 1 больше. Например: Простейшим видом -распада является распад свободного нейтрона, сопровождаемый испусканием элементарной частицы, названной антинейтрино: 2) -распад, в результате которого высвобождается позитрон и образуется ядро элемента, количество протонов которого на 1 меньше. Например:

Микрочастицу, которая сопровождает -распад с высвобождением позитрона, назвали нейтрино (обозначается ). Существует также антинейтрино (обозначается ), которая сопровождает электронный -распад.

У тяжелых элементов при определенных условиях может произойти спонтанное деление ядер на несколько более легких ядер-осколков. Впервые данный вид радиоактивности выявили у ядер Урана которые без какого-либо внешнего вмешательства делятся на более стойкие изотопы, как правило, средней части Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Например, ядро Урана может разделиться на два неодинаковых осколка - ядро Бария ( = 56) и ядро Криптона ( = 36), которые разлетаются в разные стороны, обладая значительной кинетической энергией.

Самопроизвольное деление ядер Урана открыли в 1940 русские ученые Г.М. Флеров и К.А. Петржак.

Поскольку радиоактивные ядра все время распадаются, то их количество постоянно изменяется. Время жизни радиоактивных изотопов характеризуется периодом полураспада Это такое время, за которое количество ядер радиоактивного изотопа уменьшается в 2 раза (рис. 5.16). Объясним физический смысл данной величины детальнее. Если в начальный момент времени ( = 0) было радиоактивных ядер, то за период полураспада их количество уменьшится в 2 раза и будет равно еще через такое же время их уже будет и т. д. Т. е. за периодов полураспада останется только ядер:

Рис. 5.16. Изменение количества ядер радиоактивного элемента со временем

Данное математическое выражение отражает закон радиоактивного распада.

Период полураспада Урана равен 4,5 млрд лет, Радия -1600 лет, Полония - лишь 3 мин.

Радиоактивные вещества отличаются между собой периодом полураспада: одни из них распадаются быстрее, другие - медленнее. Поэтому период полураспада характеризует такое свойство как активность радионуклида. Данная величина указывает на интенсивность радиоактивных превращений, т. е. на количество радиоактивных распадов атомных ядер, происходящих за 1 с. Она прямо пропорциональна числу атомных ядер и обратно пропорциональна периоду полураспада, если он значительно больше времени наблюдения: Величина называется постоянной распада радионуклида, а обратная ей величина является временем жизни радионуклида. Она показывает, на протяжении какого времени количество ядер радионуклида уменьшится в 1,44 раза. Активность радионуклида в измеряется в беккерелях (Бк). 1 беккерель равен активности такого радионуклида, у которого за 1 с происходит один распад. На практике иногда используют также единицу активности, которая называется кюри (Ки):

История развития учения о строении атома. Ядерная модель атома

В конце XIX и в начале XX в. в физике было получено несколько весомых опытных фактов, привернувших внимание ученых к микромиру. Это открытие рентгеновского излучения (1895 г., В.К. Рентген, И. Пулюй), радиоактивности (1896 г., А. Беккерель), электрона (1897 г., Дж. Дж. Томсон). Они вызвали сомнения ученых относительно неделимости атома, противоречили сложившимся классическим представлениям о строении вещества, побуждали к углублению понимания явлений, происходящих в микромире. Как следствие, в науке появилась новая область физического знания - атомная физика, которая изучает строение и свойства атомов, элементарные процессы на атомном уровне.

Для атомной физики характерны расстояния, соизмеримые с размерами атома и энергия порядка Дж (несколько эВ).

В 1897 г. английский физик Дж.Дж. Томсон экспериментально открыл электрон как частицу, входящую в состав атома и носителя наименьшего электрического заряда. Он предположил, что атом - это положительно заряженный шар, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны. Равномерность их распределения в объеме шара и равенство положительного и отрицательного зарядов обусловливают электрическую нейтральность атома.

Модель атома Томсона называют «пудинговой» - по аналогии с традиционным британским пирогом с изюмом.

Однако такая модель атома имела свои ограничения и не согласовалась с экспериментальными фактами, полученными в то время физиками. Предложить более правдоподобную модель атома удалось лишь после опытов Э. Резерфорда и формулирования Н. Бором квантовых постулатов. В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд, исследуя со своими сотрудниками прохождение альфа-частицами тонких металлических пластин, установил, что данные заряженные частицы рассеиваются определенным образом (рис. 5.1). Узкий пучок быстрых альфа-частиц 1 направлялся на тонкую золотую или платиновую пластинку 2, за которой находился экран 3, обладающий свойством фиксировать их попадание на экран вспышками. При помощи специального оптического устройства 4 можно было наблюдать и измерять угол отклонения альфа-частиц.

Рис. 5.1. Схема опыта Э. Резерфорда

Альфа-частица - это положительно заряженная частица, заряд которой равен двум зарядам электрона, а масса в четыре раза больше массы атома Гидрогена.

Большинство частиц имело почти прямолинейную траекторию (угол отклонения составлял 1-2°). Однако незначительная их часть отклонялась на большие углы; были зафиксированы даже такие альфа-частицы, которые после рассеивания изменяли направление движения на противоположное ( > 90°).

Чтобы объяснить полученные результаты, Э. Резерфорд предположил, что атом является сложным образованием, похожим на Солнечную систему: внутри которого находится положительно заряженное ядро, вокруг него вращаются электроны (рис. 5.2). Произведенные им расчеты показали, что в ядре сосредоточена практически вся масса атома, однако его размеры намного меньше самого атома. Измерения показали, что линейные размеры атома составляют м, а радиус его ядра равен приблизительно м.

Рис. 52. Ядерная модель атома

Таким образом, на основании полученных экспериментальных данных Э. Резерфорд предложил ядерную модель атома, которая согласовалась с результатами его опытов и позволила объяснить много других явлений, связанных со строением атома. Действительно, быстрые альфа-частицы легко преодолевают пространство электронных оболочек атомов, не испытывая с их стороны значительного воздействия, и поэтому они почти не отклоняются от прямолинейной траектории движения. Вместе с тем, когда они пролетают достаточно близко от положительно заряженного ядра, кулоновское взаимодействие между ядром и частицами вынуждает их искривлять траекторию и отклоняться на определенный угол (рис. 5.3).

Рис. 53. Траектория альфа-частиц

Благодаря законам электромагнитного взаимодействия Э. Резерфорд вывел формулу, позволяющую вычислить число альфа-частиц, рассеянных на угол в зависимости от их энергии и химической природы исследуемого образца. Позже эта теоретически выведенная формула получила экспериментальное подтверждение, вследствие чего окончательно утвердила в физике ядерную модель атома.

Квантовые постулаты Н.Бора

Триумф классической физики в объяснении сложного строения микромира, приведший Э. Резерфорда к ядерной модели атома, длился недолго. При первой же попытке применить законы классической механики и электродинамики к описанию простейшего атома Гидрогена ученые встретились с трудностями, которые поначалу казались непреодолимыми.

Как известно, атом Гидрогена является устойчивым образованием, состоящим из ядра-протона и одного электрона, который вращается вокруг него под действием кулоновской силы взаимодействия (рис. 5.4). Если считать орбиту электрона окружностью, то получим

Рис. 5.4. Модель атома Гидрогена

Из теории электродинамики Дж. Максвел ла известно, что движущийся с ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны и постепенно будет терять энергию. Т. е. со временем он упадет на ядро, и атом прекратит свое существование как целостная система «ядро-электрон». Следовательно, исходя из классических представлений, атомы не могут быть устойчивыми образованиями и все время должны излучать сплошной спектр электромагнитных волн. На самом же деле такой вывод противоречит практике, ведь реально они «живут» длительное время и излучают энергию лишь при определенных условиях.

Учитывая размер атома м и скорость электрона м/с, а его ускорение м/с2.

Данное противоречие между классической теорией и практикой устранил в 1913 г. известный датский ученый Нильс Бор, сформулировав квантовые постулаты: 1) атомы находятся в определенных стационарных состояниях, в которых они не излучают электромагнитные волны; 2) при переходе атома из одного стационарного состояния, характеризующегося энергией в другое с энергий он излучает либо поглощает квант, равный:

Таким образом, квантовые постулаты Н. Бора окончательно устранили трудности классической физики относительно строения вещества. Они связали между собой ядерную модель атома Э. Резерфорда, построенную на классической физической теории, и квантовый характер изменений состояния атома, подтвержденных экспериментально. Их значение в развитии современной физики проявилось позже, во время становления квантовой механики, в основу которой положена идея квантования некоторых физических величин.

Первый постулат Бора опровергающий фундаментальные положения классической физики, был экспериментально подтвержден в 1913 г. опытами Д. Франка и Г. Герца. Они исследовали зависимость силы тока от напряжения паров ртути, находящихся в стеклянной колбе (рис. 5.5). Электроны с катода под действием электрического поля устремляются к сетке и аноду . Между сеткой и анодом существует незначительное напряжение (0,5 ), задерживающее медленные электроны, не давая им достичь анода.

Рис. 5.6. Зависимость силы тока от напряжения в опыте Франка и Герца

Результаты исследования зависимости силы тока цепи анода от напряжения показали, данная зависимость имеет нелинейный сложный характер (рис. 5.6). Существование максимумов тока при напряжении и может быть объяснено лишь одной причиной - существованием в атомах ртути стационарных состояний. Действительно, при напряжении электроны, вылетающие с катода, сталкиваясь с атомами ртути, практически не изменяют свою энергию и поэтому легко преодолевают тормозящее напряжение между сеткой и анодом. При достижении напряжения происходит их неупругое столкновение и электроны теряют энергию, возбуждая тем самым атомы ртути; их энергии недостаточно для преодоления тормозящего напряжения и сила тока в цепи анода в таком случае резко падает. Во время дальнейшего возрастания напряжения между катодом и сеткой сила анодного тока вновь растет, достигая максимума при Следовательно, энергия атомов ртути изменяется на значения, кратные энергии

Электрон-вольт (эВ) - это энергия, которую приобретает электрон под действием напряжения :

В возбужденном состоянии атомы могут находиться довольно короткий промежуток времени после чего они самопроизвольно возвращаются в основное состояние, излучая квант света частотой В опытах Франка и Герца при напряжении наблюдалось ультрафиолетовое свечение паров ртути, что подтверждало справедливость квантовых постулатов Бора.

Поглощение и излучение света атомом. Оптические спектры

Электромагнитное излучение любой природы характеризуется диапазоном частот, в пределах которых оно проявляет определенные свои свойства. В оптическом диапазоне, в зависимости от характера распространения электромагнитных волн, выделяют спектры излучения, спектры поглощения, спектры рассеивания и спектры отражения. Оптические спектры излучения наблюдаются у источников света, испускающих волны в результате возбуждения вещества под действием внешнего фактора. Например, раскаленная вольфрамовая нить электрической лампы излучает свет благодаря протеканию по ней электрического тока. Последние три вида спектра наблюдаются во время прохождения излучения через вещество, в результате которого происходит поглощение, рассеивание или отражение света, в зависимости от длины волны или частоты

Оптические спектры поглощения, рассеивания и отражения характеризуют свойства вещества.

Рис. 5.7. Виды оптических спектров

Оптические спектры наблюдают визуально при помощи спектральных приборов и фиксируют, как правило, фотографическим способом либо фотоэлементами. Они могут быть (рис. 5.7):

• а) сплошными - охватывающие широкий диапазон длин волн;
• б) линейчатыми поглощения - состоящие из отдельных спектральных линий определенной длины волны ;
• в) линейчатым и излучения - набором отдельных спектральных линий, которые излучаются атомами определенного химического элемента.

Сплошной оптический спектр можно получить при условии термодинамического равновесия вещества и излучения при данной температуре. Однако в реальных условиях достичь такого состояния практически невозможно. Поэтому чаще всего одновременно наблюдают различные виды спектра. Например, обычно в спектроскопе солнечный свет имеет вид сплошного спектра с темными линиями поглощения. Механизм образования сплошных оптических спектров объясняется на основе классической теории Дж. Максвелла. В ее толковании поглощенное электромагнитное излучение возбуждает в веществе волны, частота которых соответствует частоте падающего света.

В соответствии с классической теорией монохроматический свет возбуждает волны той частоты, что и падающий свет, а естественный свет образует сплошной спектр излучения.

Однако классическая физика не смогла объяснить образование спектров излучения и поглощения света атомами и молекулами. Их природу можно понять лишь на основе квантовых постулатов Н. Бора, благодаря интерпретации квантовых переходов между уровнями энергии в атомах и молекулах. Для наглядного представления состояний атома используют энергетические диаграммы, на которых уровни энергии обозначают горизонтальными линиями (рис. 5.8). Достаточно долго атом может находиться лишь в основном стационарном состоянии, характеризуемом минимальной энергией Остальные состояния атома или молекулы будут стационарными лишь условно, поэтому их называют возбужденными состояниями. Например, если невозбужденный атом поглощает квант то может произойти его переход в условно стабильное, возбужденное состояние но со временем, излучая квант частотой атом может перейти в более стабильное состояние Следует отметить, что излучение происходит при квантовом переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и наоборот, поглощение энергии атомом сопровождается его переходом из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией.

Переход атома из одного энергетического состояния в другое скачком, удовлетворяя условию второго постулата Бора, называется квантовым переходом.

Молекулярные спектры представляют собой совокупность полос, по набору которых можно получить информацию о составе и структуре молекулы, состоянии ее электронных оболочек. Поэтому их широко используют в химии, в спектральном анализе веществ.

Спектральный анализ и его применение

Изучение атомных и молекулярных спектров излучения и поглощения положено в основу специальных методов исследования состава и строения вещества - спектрального анализа. Он основывается на количественных и качественных методах исследования спектров электромагнитных излучений при помощи специальных приборов - спектрометров.

Метод определения качественного состава и количественного содержания веществ на основе их спектра называется спектральным анализом.

Принцип действия этих приборов основывается на их способности выделять в пространстве и времени из всего светового потока отдельные участки излучения, которые можно фиксировать фотографическим способом или измерять различные их характеристики - изменение светового потока, длину волны спектральной линии и т. д. (рис. 5.9).

Поэтому главный их элемент - селективное устройство (дисперсионная призма, дифракционная решетка, интерферометр и пр.), при помощи которого выделяется часть спектра в определенном интервале длин волн. Для изучения спектров поглощения световой поток от источника направляется на исследуемый объект после прохождения которого он попадает на селективное устройство

Выделенная определенным способом часть спектра фиксируется устройствами отображения (сканирующие экраны, фотоэлементы, фотопленки и пр.). Затем стандартные характеристики излучения сравниваются с полученным спектром и, в зависимости от избранного метода спектроскопии, на основе их анализа делаются выводы относительно исследуемых спектров поглощения.

Рис. 5.9. Схема спектрометра

Каждый химический элемент обладает особым набором спектральных линий, присущим лишь ему одному.

На основании атомного спектрального анализа определяют элементный состав образца, сравнивая его спектр со спектральными линиями химических элементов, приведенных в специальных таблицах и атласах. Для получения спектра излучения исследуемое вещество необходимо, как правило, перевести в газообразное состояние, а его атомы - в возбужденное состояние. Проще всего это можно сделать путем нагревания исследуемого образца, например, поместив его в пламя.

Если исследуемое вещество пребывает в газообразном состоянии, то для получения его линейчатого спектра применяют искровой разряд: подавая высокое напряжение на электроды, в газовой среде возникает электрический разряд, в столбе которого атомы вещества возбуждаются. Для спектрального анализа твердых тел часто применяют дуговой разряд: исследуемый образец в плазме электрической дуги превращается в пар при высокой температуре.

При высоких температурах атомы переходят в возбужденное состояние в котором они могут находиться недолго (рис. 5.10). Со временем они возвращаются в свое стабильное состояние излучая при этом световой квант определенной частоты:

Каждый химический элемент обладает своим, присущим только ему набором спектральных линий, так называемым атомным спектром. На основании линий атомного спектра образца при помощи специальных таблиц, в которых содержатся серии длин волн спектров излучения различных веществ, определяют химический состав исследуемого образца.

В основе молекулярного спектрального анализа лежит сравнение полученного спектра образца со спектрами отдельных веществ. Молекулярные спектры схожи с атомными. Они тоже линейчатые, однако имеют свои особенности - спектральных линий больше и они образуют достаточно широкие полосы. Это объясняется тем, что энергетические уровни атомов, составляющих молекулу, расщепляются, ведь их энергия обусловлена двумя факторами - собственными колебаниями атомов в молекуле и их вращением.

Линейчатый атомный и полосатый молекулярный спектры отображают возможные электронные переходы с одного энергетического уровня на другие.

Спектр молекулы является ее однозначной характеристикой. Благодаря этому производят идентификацию веществ. Их количественное содержание определяют по интенсивности излучения полосатого спектра, в частности применение современных фотоэлектрических приборов вместе с вычислительной техникой дает возможность определить содержание вещества в очень малых дозах - до 1 мкг и меньше. Поэтому данный метод нашел широкое применение в науке и технике, в частности в металлургии на основании его контролируют содержание примесей в сплавах, чтобы получать материалы с заданными свойствами.

• В горнодобывающей промышленности при помощи спектрального анализа определяют химический состав найденных образцов полезных ископаемых.
• На основании спектрального анализа в астрономии изучают химический состав небесных тел, находящихся далеко за пределами нашей галактики.

Рентгеновское излучение

Среди всех видов электромагнитных излучений особое место принадлежит рентгеновским лучам, длина волны которых меньше 6 нм. В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с данным излучением, в частности, когда обследуем состояние своего здоровья в специальном «рентгеновском» кабинете больницы или поликлиники.

Интересна сама история открытия рентгеновских лучей. Первые вакуумные трубки для получения -лучей (первоначально рентгеновское излучение имело такое название) были созданы известным физиком, украинцем по происхождению Иваном Пулюем, который жил и работал длительное время в Австрии.

Он впервые доказал, что излучение в вакуумных трубках, в которых течет электрический ток, имеет волновые свойства. Ученый выяснил природу лучей и изучил их основные свойства. Полученные И. Пулюем фотоснимки внутренних органов человека до сих пор приводятся как пример в учебной литературе. Однако первым об открытии нового вида электромагнитного излучения сообщил в 1895 г. немецкий физик В. Рентген. После публикаций В. Рентгена и получения им Нобелевской премии данное излучение начали называть рентгеновским.

Рис. 5.11. Устройство рентгеновской трубки

Пулюй Иван Павлович (1845-1918) - известный украинский физик и общественный деятель. Научные труды посвящены главным образом электрическому току в вакууме. Открыл Х-лучи, получившие впоследствии название рентгеновских, сделал весомый вклад в развитие электротехники.

Для получения рентгеновского излучения применяют специальные электронные приборы, называемые рентгеновскими трубками (рис. 5.11). Это стеклянный или металлический баллон, из которого откачан воздух, с вмонтированными в него двумя электродами. Один из электродов - катод подогревается спиралью, по которой течет электрический ток. При нагревании в результате термоэлектронной эмиссии из катода вылетают электроны, образуя вокруг него электронное облако. Если между катодом и другим электродом - анодом -приложить высокое напряжение, то электроны начнут ускоренно двигаться от катода к аноду. При приближении к аноду в результате резкого торможения они будут излучать лучи, получившие название рентгеновских.

Спектр частот данного излучения достаточно широк и может иметь либо фиксированную длину волны или быть сплошным. Это объясняется тем, что электроны, попадая на анод, имеют разные скорости, и поэтому излучают широкий спектр электромагнитного излучения. Увеличение ускоряющего напряжения между анодом и катодом обусловливает расширение спектра, который смещается в сторону уменьшения длины волны. При достаточно высоком напряжении электроны, попадая на анод, могут возбуждать его атомы. В таком случае начинает преобладать излучение строго определенной длины волны, создавая так называемый характеристический спектр рентгеновского излучения. Данный вид спектра позволяет изучить внутреннее строение вещества, из которого сделан анод, и определить его химический состав.

Способ измерения длины волны рентгеновского излучения предложил немецкий физик М. Лауэ в 1912 г. В его основу положено явление дифракции рентгеновских лучей во время прохождения их через кристаллические вещества. Для рентгеновского излучения они представляют собой своеобразные дифракционные решетки. Рассеивание рентгеновских лучей на таких естественных решетках ведет к созданию дифракционной картины, в которой отклонение лучей определяется формулой максимума где . - период решетки; - угол, под которым наблюдается максимум; - его порядковый номер; - длина волны. Из данной формулы, измерив угол отклонения а для первого максимума ( = 1), можно найти длину падающей волны. Рентгеновское излучение имеет большую проникающую способность, поэтому его используют в промышленности для исследования внутреннего строения вещества, а также для выявления дефектов металлических деталей.

Рентген Вильгельм Конрад (1845-1923) - известный немецкий физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии 1901 г. В 1895 г. опубликовал сообщение об открытии X-лучей, названных позже рентгеновскими. Значительная часть научных трудов посвящена исследованию рентгеновского излучения, свойствам жидкостей и газов, электромагнитных явлений.

Данное излучение оказывает сильное физиологическое действие на человеческий организм, и поэтому при длительном воздействии может вызвать тяжелые последствия. В связи с этим врачи не рекомендуют долго находиться вблизи электронных приборов, работающих при высоком напряжении (например, электронно-лучевых кинескопов телевизоров, дисплеев компьютера). Они могут быть источником рентгеновского излучения, поскольку быстрые электроны, ускоренные действием высокого напряжения (десятки тысяч вольт), попадая на экран кинескопа при резком торможении могут излучать «мягкие» рентгеновские лучи. Несмотря на то что их интенсивность небольшая, в отличие от специальных рентгеновских трубок, длительное их воздействие на организм человека может привести к негативным последствиям.

Квантовые генераторы. Лазеры и их применение

Как уже отмечалось, атом не может длительное время находиться в возбужденном состоянии - через некоторое время (приблизительно на протяжении ) он перейдет в условно стабильное или абсолютно стабильное состояние. Такой самопроизвольный его переход из одного энергетического состояния в другое сопровождается, как правило, спонтанным излучением кванта света определенной частоты. Поскольку это происходит произвольно с каждым атомом, то в обычных условиях наблюдается спонтанное излучение света атомами, являющееся в совокупности разночастотным, немонохроматическим и некогерентным по своей природе.

Электромагнитное излучение определенной частоты (длины волны) называется монохроматическим; излучение, имеющее одинаковую фазу, называется когерентным.

В 1917 г. А. Эйнштейн предположил, что излучение при определенных условиях может быть вынужденным. В частности , если электрон в атоме переходит с одного энергетического уровня на другой под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с собственной частотой квантового перехода электрона то излучение будет индуцированным.

Индуцированное электромагнитное излучение является монохромным и когерентным.

Особенностью данного излучения является то, что оно распространяется в том же направлении, что и падающий свет, оно монохромно и когерентно с ним, т. е. не отличается от поглощенной атомом электромагнитной волны ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. Следовательно, в результате распространения электромагнитной волны в веществе может произойти когерентное усиление света за счет индуцированного излучения фотонов (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Усиление света вынужденным излучением

Такое усиление возможно лишь в том случае, если большинство атомов вещества пребывает в возбужденном метастабильном состоянии. С этой целью могут использоваться различные способы активизации атомов вещества. В частности, в кристалле рубина это достигается при помощи мощной лампы, которая вынуждает электрон осуществить квантовый переход на более высокий уровень за счет поглощения фотона. В таком состоянии атом может находиться недолго, поэтому через некоторое время он возвращается в стабильное состояние, излучая при этом световой квант с частотой падающего излучения: Данное явление, предсказанное А. Эйнштейном, положено в основу принципа действия квантовых генераторов и усилителей.

В 1954 г. русские ученые Н.Г. Басов и А.Н. Прохоров и независимо от них в 1955 г. американский физик Ч. Таунс создали первый квантовый усилитель электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн - так называемый мазер. За это открытие и фундаментальные работы в области квантовой электроники они в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. американский физик Т. Мейман создал на кристалле рубина первый квантовый генератор оптического диапазона, названный лазером.

Лазер - аббревиатура слов английского выражения «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation», что значит «усиление света при помощи вынужденного излучения».

Рубиновый лазер состоит из кристалла рубина (оксид алюминия с примесью хрома), сделанного в форме стержня 1 с плоскопараллельными торцевыми сторонами 2 (рис. 5.13). Один из торцов имеет зеркальную поверхность, а второй - полупрозрачен. Вокруг рубинового стержня размещена спиральная газоразрядная лампа 3 импульсного режима, в спектре излучения которой имеется частота, которая соответствует активации атомов рубина.

Рис. 5.13. Строение лазера

Атом хрома в кристалле рубина, поглощая квант света длиной волны возбуждается и переходит из основного, стабильного состояния на более высокий уровень с энергией (рис. 5.14). В данном состоянии он находится недолго (приблизительно ), после чего самопроизвольно переходит на метастабильный уровень в котором пребывает дольше (приблизительно ). Такая трехуровневая система активизации рубина позволяет насыщать его метастабильный энергетический уровень. Благодаря тому, что большинство атомов хрома находится в возбужденном состоянии, становится возможным усиление света за счет вынужденного электромагнитного излучения в результате квантового перехода атома с метастабильного энергетического уровня на основной с энергией

Рис 5.14. Трехуровневая система возбуждения рубинового кристалла

В усилении излучения основную роль играют волны, идущие вдоль оси стержня. Многократно отражаясь от плоскопараллельных торцов, они создают интенсивное монохромное когерентное излучение.

Лазерное излучение света обладает свойствами, выделяющими его среди других источников света. Прежде всего это узконаправленный луч с малым углом расхождения (до рад). Благодаря этому становится возможной локализация луча и его выборочное действие на освещаемую поверхность. Например, воздействуя на атомы, ионы, молекулы фотоматериалов, он вызывает фотохимические реакции, фотодиссоциацию и другие фотоэлектрические явления, используемые в лазерной химии, в технологиях записи информации на дисках, при лечении зрения и т. д.

Лазерный луч, направленный с Земли на Луну, высвечивает на ее поверхности точку диаметра 3 см.

Исключительная монохромность и когерентность лазерного излучения позволяет использовать его при создании стандартов частоты, в спектроскопии, голографии, волоконной оптике, при астрофизических исследованиях небесных тел и т. п. Например, при помощи лазерной локации удалось уточнить параметры движения Луны и Венеры, скорость движения Меркурия по орбите, наличие атмосфер у планет.

При помощи лазеров можно достичь интенсивности кратковременных импульсов которая превышает излучение Солнца в раз.

Высокая концентрация энергии лазерного луча позволяет достичь значительной интенсивности излучения, сверхвысоких температур и давлений, которые используются при сварке и плавлении металлов, при получении сверхчистых материалов, в лазерной хирургии, для термоядерного синтеза.

С появлением лазеров в физике образовались такие новые разделы, как нелинейная оптика и голография.

Возможно, вас также заинтересует:

• Решение задач по физике с примерами онлайн
• Контрольная работа по физике заказать
• Контрольная работа по физике на тему термодинамика заказать
• Помощь по физике онлайн
• Курсовая работа по физике заказать готовую онлайн
• РГР по физике расчетно графическая работа
• Задачи по физике с решением