Сопромат
Электротехника
Курсовая
Типовой
Фото
Энергетика
Геометрия
Физика

Лекции

Математика
Искусство
Контрольная

Курс

Примеры
Архитектура
На главную

Атомная и ядерная физика начало

Опыт Резерфорда


Изображение атомов углерода на поверхности графита, полученное с помощью туннельного микроскопа.
Оранжевые линии - изображение электронных орбит, черные области - положение ядер атомов графита.

Явления,  свидетельствующие о сложной структуре атома
Слово "атом" означает "неделимый". В течение длительного времени атом считался наименьшей частице вещества. Но в начале 19 века наука открыла явление, обнаруживающие сложность строения  и свойств "неделимой" частицы. Название же "атом" сохранилось в естествознании для описания химического состава молекул.
Какие же явления разрушили представления о "неделимости" атома?
 

Изучение электропроводности металлов и газов, электролиза, термоэлектронной эмиссии привело к открытию отрицательно заряженной элементарной частицы электрона, входящей в состав любого атома. Поскольку в обычных условиях атомы являются электронейтральными, то естественно предположить, что в их состав входят и какие-то положительно заряженные частицы.

 

В 1896 году французский ученый Беккерель обнаружил явление естественной радиоактивности солей урана. Это явление исследовали Пьер и Мария Кюри, доказав, что из атомов вылетают и электроны, и положительно заряженные частицы (впоследствии названные a-частицами).

 

Изучение спектров излучения  водорода показало, что все спектральные линии образуют определенные серии. Длины волн l спектральных линий водорода подчиняются закономерности, выражаемой простой формулой

1/l =R·(1/m2-1/n2) (1), 

где R -константа, называемая постоянной Ридберга ( R=1.097·107 м-1),
m,n- целые числа, причем "m " изменяется от серии к серии, а "n" -от линии к линии.

Например, для серии Бальмера, расположенной в видимой части спектра и состоящей из 25 спектральных линий, число m=2, а n=3,4,5,...27. Формула (1) запишется так: 

1/l =R·(1/22-1/n2).

Ясно, что возможность описания всех спектральных линий излучения атомарного водорода одной простой формулой не могла быть случайностью. Закономерности в спектре излучения атома обусловлены особенностями структуры атома водорода.

Опыты Резерфорда


Изображение атомов солнечной батареи, полученное с помощью туннельного микроскопа.

В 1913 г. английский физик Резерфорд проделал классические опыты по рассеянию  a-частиц тонкими слоями различных веществ. a-частицы, испускаемые радиоактивными веществами, являются подходящими пробными зарядами для исследования внутриатомных электрических полей. Они представляют собой полностью ионизированные атомы гелия, имеют положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду (q = 3.2·10-19 Кл), массу m = 6.67·10-27кг, обладают высокой энергией (а значит и скоростью), достаточной для проникновения в атомы вещества.

Схема опытов Резерфорда и его учеников Гейгера и Марсдена изображена на рис.1.Внутри герметичной камеры, в которой был создан высокий вакуум, находился свинцовый контейнер с радиоактивным элементом, испускавшим a-частицы. Узкий пучок частиц падал перпендикулярно на поверхность металлической (золотой) фольги, толщиной около 1 мкм (10-6м). Регистрация частиц производилась по вспышкам света (сцинтилляциям), вызываемыми ими на экране, покрытом люминофором. Экран был укреплен перед объективом на корпусе микроскопа, с помощью которого визуально наблюдали сцинтилляции и подсчитывали их число. Так определяли количество частиц, движущихся по данному направлению после их взаимодействия с атомами вещества. Микроскоп вместе с экраном мог вращаться вокруг вертикальной оси, походящей через центр камеры, для регистрации рассеянных атомами фольги  частиц.

(рис.1)

На рисунке: 1- атом золота, 2- a-частицы

Результаты опытов Резерфорда:
1.большинство частиц проходит через атомы вещества. не рассеиваясь (как через "пустоту");
2.с увеличением угла рассеяния число отклонившихся от первоначального направления частиц резко уменьшается;
3.имеются отдельные частицы, отбрасываемые атомами назад, против их первоначального движения (как мяч от стенки).

Резерфорд вывел формулу, по которой можно рассчитать количество a-частиц, рассеянных под определенными углами. В эту формулу входит характеристический параметр "d ", являющийся поперечным размером образований, отклоняющих  частицы.
Для совпадения расчетов с результатами опытов это параметр должен быть порядка 10-13 см. Атомы имеют диаметр 10-8 см, т.е. на пять порядков выше. Следовательно, в атоме имеется область занимающая ничтожно малую часть атома, которая и отклоняет частицы на большие углы вплоть до 1800.

№ 1.4.4.

Определить длину волны λ, соответствующую переходу между двумя расщепленными подуровнями атома, помещенного в магнитное поле индукцией В=0,8 Тл. g – фактор принять равным 2.

Решение

Разность энергий подуровней определяется выражением:

, (1)

где g – множитель Ланде, μб - магнетон Бора, В – индукция магнитного поля.

С другой стороны, частота перехода ν между расщепленными подуровнями, а также длина волны определятся соотношением:

. (2)

Приравнивая правые части (1) и (2), получим:

. (3)

Отсюда

. (4)

Подставляя в (4) численные значения, получим:

.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

Свободный протон находится в постоянном магнитном поле (В0 = 1 Тл). Определить частоту ν0 переменного магнитного поля, при которой происходит резонансное поглощение энергии протоном. G-фактор принять равным 5,58.

При какой частоте ν0 переменного магнитного поля будет наблюдаться ЯМР ядер 19Р (I = 1/2; μ1 = 2,63 μN), если магнитная индукция В0 постоянного поля равна 2,35 Тл?

Для проведения анализа свободных радикалов имеется два ЭПР-спектрометра. Один из них обеспечивает индукцию постоянного магнитного поля В = 0,5 Тл, другой – 1,43 Тл. В какой из них следует поместить исследуемый образец, если длина волны резонансного поглощения λ = 1,5 см? Фактор g принять равным 2.

При исследовании объекта на свободные радикалы с помощью ЭПР-спектрометра индукция постоянного магнитного поля может устанавливаться в диапазоне значений от 0,2 до 1,2 Тл. В каких диапазонах значений лежат длины волн электромагнитного излучения, соответствующие разрешенным переходам между подуровнями энергии атома?

При условиях предыдущей задачи определить расстояние между подуровнями атома.

Справочник

Энергосбережение
Информатика
Расчет электроцепи
Атомная энергетика