Масата на ядрото винаги е по-малка от сумата. Маса и енергия

През 1932г след откриването на протона и неутрона от учените Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Хайзенберг (Германия) предлагат протонно-неутронен модел на атомното ядро.

Според този модел:
- ядрата на всички химични елементи се състоят от нуклони: протони и неутрони
- ядреният заряд се дължи само на протоните
- броят на протоните в ядрото е равен на атомния номер на елемента
- броят на неутроните е равен на разликата между масовото число и броя на протоните (N=A-Z)

Символ за ядрото на атом на химичен елемент:

X – символ на химичен елемент

А е масовото число, което показва:
- маса на ядрото в цели атомни единици за маса (amu)
(1 amu = 1/12 масата на въглероден атом)
- брой нуклони в ядрото
- (A = N + Z), където N е броят на неутроните в ядрото на атома

Z е номерът на таксата, който показва:
- ядрен заряд в елементарни електрически заряди (e.e.c.)
(1 e.e.z. = електронен заряд = 1,6 x 10 -19 C)
- брой протони
- брой електрони в атома
- пореден номер в периодичната таблица

Масата на ядрото винаги е по-малка от сумата на масите на покой на свободните протони и неутрони, които го изграждат.
Това се обяснява с факта, че протоните и неутроните в ядрото са много силно привлечени един към друг. Разделянето им изисква много работа. Следователно общата енергия на покой на ядрото не е равна на енергията на покой на съставните му частици. Това е по-малко от количеството работа, необходимо за преодоляване на ядрените гравитационни сили.
Разликата между масата на ядрото и сумата от масите на протоните и неутроните се нарича дефект на масата.

ЕНЕРГИЯ НА СВЪРЗВАНЕ НА АТОМНИ ЯДРА

Атомните ядра са силно свързани системи от голям брой нуклони.
За пълното разделяне на ядрото на неговите съставни части и отстраняването им на големи разстояния една от друга е необходимо да се изразходва определено количество работа А.

Енергията на свързване е енергията, равна на работата, която трябва да се извърши, за да се раздели ядрото на свободни нуклони.

E връзка = - A

Съгласно закона за запазване, енергията на свързване е едновременно равна на енергията, която се отделя при образуването на ядро от отделни свободни нуклони.

Специфична енергия на свързване

Това е енергията на свързване на нуклон.

С изключение на най-леките ядра, специфичната енергия на свързване е приблизително постоянна и равна на 8 MeV/нуклон. Максималната специфична енергия на свързване (8,6 MeV/нуклон) се намира в елементи с масови числа от 50 до 60. Ядрата на тези елементи са най-стабилни.

Тъй като ядрата са претоварени с неутрони, специфичната енергия на свързване намалява.
За елементите в края на периодичната таблица е равно на 7,6 MeV/нуклон (например за урана).

Освобождаване на енергия в резултат на ядрено делене или синтез

За да се раздели ядрото, трябва да се изразходва определено количество енергия за преодоляване на ядрените сили.
За да се синтезира ядро от отделни частици, е необходимо да се преодолеят силите на отблъскване на Кулон (за това трябва да се изразходва енергия за ускоряване на тези частици до високи скорости).
Тоест, за да се извърши ядрен разпад или ядрен синтез, трябва да се изразходва известна енергия.

Когато едно ядро се слее на къси разстояния, ядрените сили започват да действат върху нуклоните, което ги кара да се движат с ускорение.
Ускорените нуклони излъчват гама лъчи, които имат енергия, равна на енергията на свързване.

На изхода от реакция на ядрено делене или синтез се освобождава енергия.

Има смисъл да се извършва ядрен делене или ядрен синтез, ако полученото, т.е. енергията, освободена в резултат на делене или синтез, ще бъде по-голяма от изразходваната енергия.
Според графиката печалба в енергия може да се получи или чрез делене (разделяне) на тежки ядра, или чрез сливане на леки ядра, което се прави на практика.

МАСОВ ДЕФЕКТ

Измерванията на ядрените маси показват, че ядрената маса (Nm) винаги е по-малка от сумата на останалите маси на свободните неутрони и протони, които я съставят.

По време на ядрено делене: масата на ядрото винаги е по-малка от сумата на масите на покой на образуваните свободни частици.

По време на ядрен синтез: масата на полученото ядро винаги е по-малка от сумата на останалите маси на свободните частици, които са го образували.

Дефектът на масата е мярка за енергията на свързване на атомно ядро.

Дефектът на масата е равен на разликата между общата маса на всички нуклони на ядрото в свободно състояние и масата на ядрото:

където Mya е масата на ядрото (от справочника)
Z – брой протони в ядрото
mp – маса на покой на свободен протон (от справочника)
N – брой неутрони в ядрото
mn – маса на покой на свободен неутрон (от справочника)

Намаляването на масата по време на образуването на ядро означава, че енергията на нуклонната система намалява.

Масата на ядрото m i винаги е по-малка от сумата от масите на включените в него частици. Това се дължи на факта, че когато нуклоните се комбинират в ядро, се освобождава енергията на свързване на нуклоните един с друг. Енергията на покой на една частица е свързана с нейната маса чрез съотношението E 0 =mc 2. Следователно енергията на ядрото в покой е по-малка от общата енергия на взаимодействащите нуклони в покой с количеството
E St = c 2 (-m i).
Тази стойност е енергия на свързване на нуклоните в ядротоТя е равна на работата, която трябва да се извърши, за да се разделят нуклоните, образуващи ядрото, и да се отстранят един от друг на такива разстояния, че те практически не взаимодействат помежду си.
величина
Δ=-n i
Наречен дефект на основната маса.Дефектът на масата е свързан с енергията на свързване чрез връзката
Δ=E St/c 2.
Нека изчислим енергията на свързване на нуклоните в ядрото 2 He 4, което съдържа 2 протона и 2 неутрона.
Масата на атома 2 He 4 е 4,00260 amu. което съответства на 3728,0 MeV, масата на 1 H 1 атом е 1,00815 amu. Масата на неутрона е 939,57 MeV. Замествайки тези количества в горната формула, получаваме
E светлина =(2*938.7+2*939.5)-3728.0=24.8 MeV.
Изчислено за нуклон, енергията на свързване на ядрото на хелия е 7,1 MeV приблизително същата стойност, като хелий.
Най-силно свързаните нуклони са в ядрата с масови числа от порядъка на 50-60 (т.е. за елементите от Cr до Zn) Енергията на свързване на тези ядра достига постепенно 8,7 MeV/нуклон намалява; за най-тежкия природен елемент, урана, е 7,5 MeV/нуклон.
Тази зависимост на специфичната енергия от масовото число прави два процеса енергийно възможни:
1) разделяне на тежки ядра на няколко по-леки ядра
2) сливане (синтез) на леки ядра в едно.
И двата процеса са придружени от освобождаване на огромно количество енергия, например, когато ядрата на деутерий и тритий се отделят 17,6 MeV енергия, а когато се образува въглероден диоксид CO 2 от атоми С и О 2, енергия от порядъка. от 5 MeV се освобождава.
Ядрата с масово число от 50 до 60 са енергийно по-благоприятни: защо ядрата с други стойности на A са стабилни? За да се раздели тежко ядро, то трябва да премине през поредица от междинни състояния, чиято енергия надвишава енергията на основното състояние на ядрото. Следователно процесът на ядрено делене изисква допълнителна енергия (енергия на активиране), която след това се връща обратно, добавяйки към енергията, освободена по време на деленето. поради промяна в енергията на свързване, ядрото няма откъде да получи енергия от активиране, в резултат на което тежките ядра не претърпяват спонтанно делене на активираща енергия.
Процесът на делене на уранови или плутониеви ядра под въздействието на неутрони, уловени от ядрата, е в основата на работата на ядрените реактори и конвенционалната атомна бомба.
Що се отнася до леките ядра, за да се слеят в едно ядро, те трябва да се приближат едно до друго на много близко разстояние (10 -15 m) от кулоновото отблъскване между тях ядрата трябва да се движат с огромни скорости, съответстващи на температури от порядъка на няколкостотин милиона Келвина.
Поради тази причина се нарича процесът на синтез на леки ядра термоядрена реакция
Такива реакции се случват в дълбините на Слънцето и на други звезди. Досега се провеждат неконтролирани термоядрени реакции по време на експлозия на водородни бомби синтез.

За да се раздели ядрото на отделни (свободни) нуклони, които не взаимодействат помежду си, е необходимо да се извърши работа за преодоляване на ядрените сили, тоест да се придаде определена енергия на ядрото. Напротив, когато свободните нуклони се комбинират в ядро, се освобождава същата енергия (според закона за запазване на енергията).

Минималната енергия, необходима за разделянето на ядрото на отделни нуклони, се нарича ядрена енергия на свързване

Как може да се определи стойността на енергията на свързване на ядрото?

Най-простият начин за намиране на тази енергия се основава на прилагането на закона за връзката между маса и енергия, открит от немския учен Алберт Айнщайн през 1905 г.

Алберт Айнщайн (1879-1955)
Немски физик-теоретик, един от основателите на съвременната физика. Открива закона за връзката между масата и енергията, създава специалната и общата теория на относителността

Съгласно този закон има пряка пропорционална връзка между масата m на система от частици и останалата енергия, т.е. вътрешната енергия E 0 на тази система:

където c е скоростта на светлината във вакуум.

Ако енергията на покой на система от частици в резултат на някакви процеси се промени със стойността ΔE 0 1, тогава това ще доведе до съответната промяна в масата на тази система със стойността Δm и връзката между тези количества ще бъде изразена по равенството:

ΔE 0 = Δmс 2.

По този начин, когато свободните нуклони се сливат в ядро, в резултат на освобождаването на енергия (която се отнася от фотоните, излъчени по време на този процес), масата на нуклоните също трябва да намалее. С други думи, масата на ядрото винаги е по-малка от сумата на масите на нуклоните, от които то се състои.

Липсата на ядрена маса Δm в сравнение с общата маса на съставните й нуклони може да бъде записана по следния начин:

Δm = (Zm p + Nm n) - M i,

където M i е масата на ядрото, Z и N са броят на протоните и неутроните в ядрото, а m p и m n са масите на свободния протон и неутрон.

Величината Δm се нарича дефект на масата. Наличието на масов дефект се потвърждава от множество експерименти.

Нека изчислим, например, енергията на свързване ΔE 0 на ядрото на атом на деутерий (тежък водород), състоящ се от един протон и един неутрон. С други думи, нека изчислим енергията, необходима за разделянето на ядрото на протон и неутрон.

За да направим това, първо определяме дефекта на масата Δm на това ядро, като вземаме приблизителните стойности на масите на нуклоните и масата на ядрото на атома на деутерия от съответните таблици. Според табличните данни масата на протона е приблизително 1,0073 a. e.m., неутронна маса - 1.0087 a. е.м., масата на ядрото на деутерия е 2,0141 а.м. сутринта И така, Δm = (1,0073 a.u.m. + 1,0087 a.u.m.) - 2,0141 a.u.m. e.m. = 0,0019 а. Яжте.

За да се получи енергията на свързване в джаули, дефектът на масата трябва да бъде изразен в килограми.

Като се има предвид, че 1 а. e.m. = 1,6605 10 -27 kg, получаваме:

Δm = 1,6605 10 -27 kg 0,0019 = 0,0032 10 -27 kg.

Замествайки тази стойност на масовия дефект във формулата за енергия на свързване, получаваме:

Енергията, освободена или погълната по време на всякакви ядрени реакции, може да бъде изчислена, ако са известни масите на взаимодействащите ядра и частици, образувани в резултат на това взаимодействие.

Въпроси

Каква е енергията на свързване на ядрото?
Запишете формулата за определяне на дефекта на масата на всяко ядро.
Запишете формулата за изчисляване на енергията на свързване на ядрото.

1 Гръцката буква Δ („делта“) обикновено означава промяна във физическата величина, чийто символ е предшестван от тази буква.

Атомните ядра са силно свързани системи от голям брой нуклони. За да се раздели напълно ядрото на неговите съставни части и да се отстранят на големи разстояния една от друга, е необходимо да се изразходва определено количество работа А. Енергията на свързване е енергията, равна на работата, която трябва да се извърши, за да се раздели ядрото на свободни нуклони E връзки = - A Съгласно закона за запазване енергията на свързване е едновременно равна на енергията, която се отделя при образуването на ядро от отделни свободни нуклони. Специфична енергия на свързванее енергията на свързване на нуклон.

МАСОВ ДЕФЕКТИзмерванията на ядрените маси показват, че ядрената маса (Nm) винаги е по-малка от сумата на останалите маси на свободните неутрони и протони, които я съставят. По време на ядрено делене: масата на ядрото винаги е по-малка от сумата на масите на покой на образуваните свободни частици. По време на ядрен синтез: масата на полученото ядро винаги е по-малка от сумата на останалите маси на свободните частици, които са го образували.

Дефектът на масата е мярка за енергията на свързване на атомно ядро. Дефектът на масата е равен на разликата между общата маса на всички нуклони на ядрото в свободно състояние и масата на ядрото:

където Мa е масата на ядрото (от справочника) Z е броят на протоните в ядрото mp е масата на покой на свободен протон (от справочника) N е броят на неутроните в ядрото mn е маса на покой на свободен неутрон (от справочника) Намаляването на масата по време на образуването на ядро означава, че когато това намалява енергията на нуклонната система.

Атомно ядро- централната част на атома, в която е концентрирана по-голямата част от неговата маса (повече от 99,9%). Ядрото е положително заредено; зарядът на ядрото се определя от химичния елемент, към който принадлежи атомът. Размерите на ядрата на различни атоми са няколко фемтометри, което е повече от 10 хиляди пъти по-малко от размера на самия атом.

Ядрената физика изучава атомните ядра.

Атомното ядро се състои от нуклони - положително заредени протони и неутрални неутрони, които са свързани помежду си чрез силно взаимодействие. Протонът и неутронът имат свой собствен ъглов момент (спин), равен на [sn 1] и свързан магнитен момент.

Атомното ядро, разглеждано като клас частици с определен брой протони и неутрони, обикновено се нарича нуклид.

Броят на протоните в едно ядро се нарича неговото зарядно число - това число е равно на атомния номер на елемента, към който принадлежи атомът, в периодичната таблица. Броят на протоните в ядрото определя структурата на електронната обвивка на неутрален атом и по този начин химичните свойства на съответния елемент. Броят на неутроните в едно ядро се нарича негов изотопно число. Ядра с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат изотопи. Ядра с еднакъв брой неутрони, но различен брой протони се наричат изотони. Термините изотоп и изотон също се използват за означаване на атоми, съдържащи тези ядра, както и за характеризиране на нехимични разновидности на един химичен елемент. Общият брой нуклони в едно ядро се нарича неговото масово число () и е приблизително равен на средната маса на атом, показана в периодичната таблица. Нуклиди с еднакво масово число, но различен протонно-неутронен състав обикновено се наричат изобари.

Като всяка квантова система, ядрата могат да бъдат в метастабилно възбудено състояние и в някои случаи животът на такова състояние се изчислява в години. Такива възбудени състояния на ядрата се наричат ядрени изомери.

22. Контакт на два метала. Термоелектрични явления. Термоелектрични явления

набор от физични явления, причинени от връзката между топлинни и електрически процеси в метали и полупроводници. Т. И. са ефектите на Зеебек, Пелтие и Томсън. Ефект на Seebeck се състои в това, че в затворена верига, състояща се от различни проводници, възниква емф (термоедс), ако точките на контакт се поддържат при различни температури. В най-простия случай, когато една електрическа верига се състои от два различни проводника, тя се нарича Термодвойкаом , или термодвойка (виж Термодвойка). Големината на термоенергията зависи само от температурата на горещото T 1 и студено T 2 контакта и от материала на проводниците. В малък температурен диапазон, термомощност дможе да се счита за пропорционална на разликата ( T 1 – T 2), т.е д= α (T 1 –T 2). Коефициент α се нарича термоелектрическа способност на двойката (термоефективност, коефициент на термоефективност или специфична термоефективност). Определя се от материалите на проводниците, но зависи и от температурния диапазон; в някои случаи α променя знака при промяна на температурата. Таблицата показва стойностите на a за някои метали и сплави по отношение на Pb за температурния диапазон 0-100 °C (положителен знак α приписани на онези метали, към които тече ток през нагрятия преход). Въпреки това, цифрите, дадени в таблицата, са произволни, тъй като термосилата на материала е чувствителна към микроскопични количества примеси (понякога отвъд чувствителността на химическия анализ), към ориентацията на кристалните зърна и термична или дори студена обработка на материала . Методът за отхвърляне на материали въз основа на състава се основава на това свойство на термоелектричеството. По същата причина може да възникне термоенергия във верига, състояща се от един и същи материал, при наличие на температурни разлики, ако различни участъци от веригата са били подложени на различни технологични операции. От друга страна, ЕДС на термодвойка не се променя, когато произволен брой други материали са свързани последователно във веригата, ако допълнителните контактни точки, които се появяват в този случай, се поддържат при същата температура.

Ако металите са в контакт (между тях се създава контакт), тогава електроните на проводимостта могат да се преместят от един проводник в друг в точката на контакт. Работната функция намалява с увеличаване на енергията на Ферми. За да се разберат явленията при прехода метал-метал, е необходимо да се вземе предвид, че енергията на Ферми зависи от концентрацията на свободни електрони в зоната на проводимост - колкото по-висока е концентрацията на електрони, толкова по-висока е енергията на Ферми. Това означава, че когато се формира преход на границата метал-метал, концентрацията на свободни електрони от различните страни на границата е различна - тя е по-висока от страната на метала (1) с по-висока енергия на Ферми. Промяната в концентрацията на електрони от на възниква в определена област близо до границата между металите, която се нарича преходен слой (Фигура 8.7.3). Промяната в потенциала на електрическото поле при прехода е показана на фигура 8.7.4. По време на формирането на прехода енергиите на Ферми в металите на границата се променят. Металът с по-висока енергия на Ферми става положително зареден и следователно работната функция на този метал се увеличава

21.Собствена и примесна проводимост на полупроводниците. P-тип и n-тип проводимост. P-n контакт на два полупроводника. В присъщите полупроводници броят на електроните и дупките, появяващи се при разкъсване на връзки, е еднакъв, т.е. Проводимостта на собствените полупроводници се осигурява еднакво от свободни електрони и дупки. Проводимост на примесни полупроводници. Ако в полупроводник се въведе примес с валентност, по-голяма от тази на естествения полупроводник, се образува донорен полупроводник (Например, когато петвалентен арсен се въведе в силициев кристал. Един от петте валентни електрона. арсенът остава свободен). В донорния полупроводник електроните са основните носители на заряд, а дупките са малцинствените носители на заряд. Такива полупроводници се наричат полупроводници от n-тип, а проводимостта е електронна, ако в полупроводника се въведе примес с валентност, по-ниска от тази на естествения полупроводник, се образува акцепторен полупроводник. (Например, при въвеждане на тривалентен индий в силициев кристал. На всеки индиев атом липсва един електрон, за да образува двойка електронна връзка с един от съседните силициеви атоми. Всяка от тези незапълнени връзки е дупка). В акцепторните полупроводници дупките са основните носители на заряд, а електроните са малцинствените носители на заряд. Такива полупроводници се наричат p-тип полупроводници, а проводимостта е дупка. Петвалентните примесни атоми се наричат дарители:те увеличават броя на свободните електрони. Всеки атом от такъв примес добавя един допълнителен електрон. В този случай не се образуват допълнителни дупки. Примесният атом в структурата на полупроводника се превръща в неподвижен положително зареден йон. Проводимостта на полупроводника сега ще се определя главно от броя на свободните примесни електрони. Най-общо този тип проводимост се нарича проводимост н-тип, а самият полупроводник е полупроводник н-тип.При въвеждане на тривалентен примес една от валентните връзки на полупроводника се оказва незапълнена, което е еквивалентно на образуването на дупка и стационарен отрицателно зареден примесен йон. Така в този случай концентрацията на дупки се увеличава. Примесите от този тип се наричат акцептории, и проводимостта, дължаща се на въвеждането на акцепторен примес, се нарича проводимост Р-Тип. Този тип полупроводник се нарича полупроводник Р-Тип.

20. Лентова теория на твърдите тела. Метали, диелектрици и полупроводници.

Лентова теория на твърдите тела- квантово-механична теория за движението на електрони в твърдо тяло.

Според квантовата механика свободните електрони могат да имат всякаква енергия – енергийният им спектър е непрекъснат. Електроните, принадлежащи на изолирани атоми, имат определени дискретни енергийни стойности. В твърдото тяло енергийният спектър на електроните е значително различен, той се състои от отделни разрешени енергийни зони, разделени от зони на забранени енергии.

Диелектрик(изолатор) - вещество, което практически не провежда електрически ток. Концентрацията на свободните носители на заряд в диелектрика не надвишава 10 8 cm −3. Основното свойство на диелектрика е способността му да се поляризира във външно електрическо поле. От гледна точка на лентовата теория на твърдите тела, диелектрикът е вещество със забранена зона по-голяма от 3 eV. Полупроводници - полупроводникът се различава от диелектрика само по това, че ширината Δ на забранената зона, разделяща валентната зона от проводимата зона, е много по-малка (десетки пъти). При T= 0, валентната зона в полупроводника, както в диелектрика, е напълно запълнена и токът не може да тече през пробата. Но поради факта, че енергията Δ е малка, дори при леко повишаване на температурата, някои електрони могат да се преместят в зоната на проводимост (фиг. 3). Тогава електрическият ток в веществото ще стане възможен и то през два „канала“ наведнъж.

Първо, в зоната на проводимост електроните, придобивайки енергия в електрическото поле, преминават към по-високи енергийни нива. Второ, приносът към електрическия ток идва от... празни нива, оставени във валентната лента от електрони, които са отишли в проводимата зона. Всъщност принципът на Паули позволява на всеки електрон да заеме празно ниво във валентната лента. Но след като е заел това ниво, той оставя собственото си ниво свободно и т.н. Ако не следвате движението на електроните през нивата във валентната лента, а движението на самите празни нива, тогава се оказва, че тези нива, които имат научно наименование дупки, също стават токоносители. Броят на дупките очевидно е равен на броя на електроните, които са отишли в зоната на проводимост (т.нар. електрони на проводимост), но дупките имат положителен заряд, защото дупката е липсващ електрон.

Метали - Електроните в металите най-накрая "забравят" своя атомен произход, техните нива образуват една много широка зона. Тя винаги е запълнена само частично (броят на електроните е по-малък от броя на нивата) и затова може да се нарече зона на проводимост (фиг. 6). Това е ясно в металите токът може да тече дори при нулева температура. Освен това с помощта на квантовата механика може да се докаже, че в идеален метал(чиято решетка няма дефекти) при T= 0 токът трябва да тече без съпротивление [2]!

За съжаление няма идеални кристали и не може да се постигне нулева температура. В действителност електроните губят енергия, като взаимодействат с вибриращи атоми на решетката, така че Съпротивлението на истинския метал се увеличава с температурата(за разлика от съпротивлението на полупроводниците). Но най-важното е, че при всяка температура електрическата проводимост на метала е значително по-висока от електрическата проводимост на полупроводника, тъй като металът съдържа много повече електрони, способни да провеждат електрически ток.

19. Молекула. Химически връзки. Молекулярни спектри. Поглъщане на светлина. Спонтанно и стимулирано излъчване. Оптични квантови генератори.

Молекула- електрически неутрална частица, образувана от два или повече атома, свързани с ковалентни връзки, най-малката частица от химическо вещество.

Химическа връзкае взаимодействието на два атома, осъществявано чрез обмен на електрони. Когато се образува химическа връзка, атомите са склонни да придобият стабилна осемелектронна (или двуелектронна) външна обвивка, съответстваща на структурата на атома на най-близкия инертен газ. Разграничават се следните видове химични връзки: ковалентен(полярни и неполярни; обменни и донорно-акцепторни), йонни, водородИ метал.

МОЛЕКУЛНИ СПЕКТРИ- спектри на абсорбция, излъчване или разсейване, възникващи по време на квантови преходи на молекули от една и съща енергия. държави към друг. Г-ца. определя се от състава на молекулата, нейната структура, природата на химичното вещество. комуникация и взаимодействие с външни полета (и, следователно, с атомите и молекулите около него). Наиб. характерни са M. s. разредени молекулни газове, когато няма разширяване на спектралните линии от налягане: такъв спектър се състои от тесни линии с доплерова ширина. АБСОРБЦИЯ СВЕТА- намаляване на оптичния интензитет. радиация при преминаване през клетка. среда поради взаимодействие с нея, в резултат на което светлинната енергия се преобразува в други видове енергия или в оптична енергия. излъчване с друг спектрален състав. Основен Законът на П. за интензитета азлъч светлина, преминаващ през слой от абсорбираща средна дебелина л синтензитет на падащия лъч аз 0, е коефициентът на закона на Бугер, независим от интензитета на светлината. Наречен индекс на поглъщане и, като правило, е различен за различните дължини на вълната. Този закон е експериментално установен от П. Бугер (P. Bouguer, 1729) и впоследствие теоретично изведен от И. Ламберт (J. N. Lambert, 1760) при много прости предположения, че. когато При преминаване през който и да е слой материя, интензитетът на светлинния поток намалява с определена част, в зависимост само от дебелината на слоя л, т.е. dI/l =

Процесът на излъчване на електромагнитна вълна от атом може да бъде два вида: спонтанен и принуден. При спонтанно излъчване атомът преминава от по-високо енергийно ниво към по-ниско спонтанно, без външни влияния върху атома. Спонтанното излъчване на атом се дължи само на нестабилността на неговото горно (възбудено) състояние, в резултат на което атомът рано или късно се освобождава от енергията на възбуждане чрез излъчване на фотон. Различни атоми излъчват спонтанно, т.е. независимо един от друг и генерират фотони, които се разпространяват в различни посоки, имат различни фази и посоки на поляризация. Следователно спонтанното излъчване е некохерентно. Излъчването може да възникне и ако електромагнитна вълна с честота ν въздейства върху възбуден атом, удовлетворявайки съотношението hν=Em-En, където Em и En са енергиите на квантовите състояния на атома (честотата ν се нарича резонансна) . Полученото излъчване се стимулира. Всеки акт на стимулирано излъчване включва два фотона. Един от тях, разпространявайки се от външен източник (външен източник за въпросния атом може да бъде и съседен атом), въздейства на атома, в резултат на което се излъчва фотон. И двата фотона имат една и съща посока на разпространение и поляризация, както и еднакви честоти и фази. Тоест, стимулираната емисия винаги е кохерентна с форсиращата. Оптичните квантови генератори (OQG) или лазерите са единствените

източници на мощна монохроматична светлина. Принципът на усилване на светлината с

използването на атомни системи е предложено за първи път през 1940 г. от V.A. производител.

Въпреки това, обосновка за възможността за създаване на оптичен квант

генератор е даден едва през 1958 г. от C. Townes и A. Shavlov въз основа на

постижения в разработването на квантови устройства в радиообхвата. Първо

оптичен квантов генератор е реализиран през 1960 г. Това е лазер с

рубинен кристал като работно вещество. Създаване на инверсия

населението в него се извършва по метода на тристепенно изпомпване,

обикновено се използва в парамагнитни квантови усилватели.

18. Квантова теория на електропроводимостта.

Квантова теория за електропроводимостта на металите - теория на електрическата проводимост, базирана на квантовата механика и квантовата статистика на Ферми - Дирак, -преразглежда въпроса за електропроводимостта на металите, разглеждан в класическата физика. Изчисляването на електропроводимостта на металите, извършено въз основа на тази теория, води до израз за специфичната електропроводимост на метала, който на външен вид прилича на класическата формула (103.2) за ж, но има съвсем различно физическо съдържание. Тук П -концентрация на електрони на проводимост в метала, b л Ес е средният свободен път на електрон с енергия на Ферми, b u Е ñ - средната скорост на топлинно движение на такъв електрон.

Изводите, получени на базата на формула (238.1), напълно съответстват на експерименталните данни. Квантовата теория за електрическата проводимост на металите, по-специално, обяснява зависимостта на специфичната проводимост от температурата: ж ~ 1/T(класическата теория дава това ж ~1/), както и аномално големи стойности (от порядъка на стотици периоди на решетка) на средния свободен път на електроните в метала.

17. Топлинен капацитет на твърдите тела. Като модел на твърдо тяло нека разгледаме правилно изградена кристална решетка, в чиито възли частици (атоми, йони, молекули), взети като материални точки, осцилират около своите равновесни позиции - възли на решетката - в три взаимно перпендикулярни посоки . Така на всяка частица, съставляваща кристалната решетка, се приписват три вибрационни степени на свобода, всяка от които, съгласно закона за равномерно разпределение на енергията между степени на свобода, има енергията kT.

Вътрешна енергия на мол твърдо тяло

Където н А - константа на Авогадро; н А к= Р (Р - моларна газова константа). Моларен топлинен капацитет на твърдо тяло

моларен (атомен) топлинен капацитет химически прости телав кристален

Топлинен капацитет, количеството топлина, изразходвано за промяна на температурата с 1°C. Според една по-строга дефиниция, топлинен капацитет- термодинамично количество, определено от израза:

където Δ Q- количеството топлина, предадено на системата и което води до промяна на нейната температура с Delta; Коефициент на крайна разлика Δ Q/ΔТ се нарича средно топлинен капацитет, отношението на безкрайно малките величини d Q/dT- вярно топлинен капацитет. От г Qтогава не е пълен диференциал на държавната функция топлинен капацитетзависи от преходния път между две състояния на системата. Разграничете топлинен капацитетсистема като цяло (J/K), специф топлинен капацитет[J/(g K)], моларен топлинен капацитет[J/(mol K)]. Всички формули по-долу използват моларни количества топлинен капацитет.

16. Израждане на система от частици.

Израждането в квантовата механика се състои във факта, че определено количество f, описващ физическа система (атом, молекула и т.н.) има едно и също значение за различни състояния на системата. Броят на такива различни състояния, които съответстват на една и съща стойност f, се нарича кратност на V. на дадено количество. ДЕГЕНЕРАЦИЯ вквантова теория – съществуването на разн. състояния на квантова система, в която има определени физически състояния. величина Априема същите стойности. Операторът, съответстващ на такава стойност, има набор от линейно независими собствени функции, съответстващи на една собствена функция. значение А. Номер ДА СЕНаречен множественост на израждането на правилното. стойности А, може да бъде краен или безкраен; кможе да приеме дискретна или непрекъсната серия от стойности. С безкрайна множественост (континуум правомощия) са изродени, например правилни. стойности на енергийния оператор на свободната частица във всички възможни посоки на импулса (Tи -маса и енергия на частицата).

15. Принципът на идентичността на частиците. Фермиони и бозони. Функции на разпределение за бозони и фермиони.

Фермиони и бозони. Функции на разпределение за бозони и фермиони. Бозон(от фамилията на физика Бозе) - частица с цяла стойност на спина. Терминът е въведен от физика Пол Дирак. Бозоните, за разлика от фермионите, се подчиняват на статистиката на Бозе-Айнщайн, която позволява неограничен брой идентични частици да съществуват в едно квантово състояние. Системи от много бозони се описват чрез вълнови функции, които са симетрични по отношение на пермутациите на частиците. Има елементарни и съставни бозони.

Елементарните бозони са кванти на калибровъчни полета, с помощта на които се осъществява взаимодействието на елементарни фермиони (лептони и кварки) в Стандартния модел. Тези калибровъчни бозони включват:

фотон (електромагнитно взаимодействие),

глуон (силно взаимодействие)

W ± и Z бозони (слабо взаимодействие).

Фермион- частица (или квазичастица) с полуцяла спинова стойност. Те получиха името си в чест на физика Енрико Ферми.

Примери за фермиони: кварки (те образуват протони и неутрони, които също са фермиони), лептони (електрони, мюони, тау лептони, неутрино), дупки (квазичастици в полупроводник).

Фермионите се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак: не повече от една частица може да съществува в едно квантово състояние (принцип на Паули). Принципът на изключване на Паули е отговорен за стабилността на електронните обвивки на атомите, което прави възможно съществуването на сложни химични елементи. Освен това позволява съществуването на изродена материя под високо налягане (неутронни звезди). Вълновата функция на система от еднакви фермиони е антисиметрична по отношение на пермутацията на всеки два фермиона. Квантова система, състояща се от нечетен брой фермиони, сама по себе си е фермион (например ядро с нечетно масово число А; атом или йон с нечетна сума Аи брой електрони).

Функциите на разпределение за фермиони и бозони могат лесно да бъдат получени в рамките на голям каноничен ансамбъл, избирайки като подсистема множеството от всички частици, намиращи се в дадено квантово състояние L. Енергията на системата в това състояние е = Изразът за Термодинамичният потенциал има формата

pl = -APpE exp[(ts-el)^A/(AG)]

За фермиони = 0, 1; Ето защо

PL = -kT In ] . (3.1)

За бозони N^ = 0, 1, 2, ... Намирайки сумата на безкрайна геометрична прогресия, получаваме

fy = W In ] . (3.2)

и c< 0 Средние числа заполнения (или функции распределения) получаются с помощью термодинамического равенства

<"А>- f(ex) = Следователно, използвайки (3.1) и (3.2), имаме

KeA> = exp[(eA-fi)/(H")riT-(3-3>

Знакът плюс се отнася за фермиони, знакът минус за бозони. Химичният потенциал /1 се определя от условието за нормализиране на функциите на разпределение:

$expL(eA-»i)V)J + 1 = N" (3"4)

където N е общият брой частици в системата. Чрез въвеждане на плътността на състоянията p(e), можем да пренапишем равенството (3.4) във формата

N = Jde р(е) f(e). (3,5)

Изследвайки състава на материята, учените стигнаха до извода, че цялата материя се състои от молекули и атоми. Дълго време атомът (преведен от гръцки като „неделим“) се смяташе за най-малката структурна единица на материята. По-нататъшни изследвания обаче показват, че атомът има сложна структура и на свой ред включва по-малки частици.

От какво се състои един атом?

През 1911 г. ученият Ръдърфорд предполага, че атомът има централна част с положителен заряд. Така за първи път се появява концепцията за атомното ядро.

Според схемата на Ръдърфорд, наречена планетарен модел, атомът се състои от ядро и елементарни частици с отрицателен заряд - електрони, които се движат около ядрото, както планетите обикалят около Слънцето.

През 1932 г. друг учен, Чадуик, открива неутрона, частица, която няма електрически заряд.

Според съвременните представи ядрото съответства на планетарния модел, предложен от Ръдърфорд. Ядрото носи по-голямата част от атомната маса. Има и положителен заряд. Атомното ядро съдържа протони – положително заредени частици и неутрони – частици, които не носят заряд. Протоните и неутроните се наричат нуклони. По орбита около ядрото се движат отрицателно заредени частици - електрони.

Броят на протоните в ядрото е равен на тези, които се движат по орбита. Следователно самият атом е частица, която не носи заряд. Ако един атом получава електрони от други или губи своите, той става положителен или отрицателен и се нарича йон.

Електроните, протоните и неутроните се наричат заедно субатомни частици.

Заряд на атомното ядро

Ядрото има зарядно число Z. То се определя от броя на протоните, които изграждат атомното ядро. Лесно е да разберете това количество: просто се обърнете към периодичната таблица на Менделеев. Атомният номер на елемента, към който принадлежи атомът, е равен на броя на протоните в ядрото. Така, ако химичният елемент кислород има атомен номер 8, тогава броят на протоните също ще бъде осем. Тъй като броят на протоните и електроните в един атом е еднакъв, ще има и осем електрона.

Броят на неутроните се нарича изотопно число и се обозначава с буквата N. Техният брой може да варира в атом на един и същи химичен елемент.

Сумата от протони и електрони в ядрото се нарича масово число на атома и се обозначава с буквата А. Така формулата за изчисляване на масовото число изглежда така: A = Z + N.

Изотопи

Когато елементите имат еднакъв брой протони и електрони, но различен брой неутрони, те се наричат изотопи на химичен елемент. Може да има един или повече изотопи. Те са поставени в една и съща клетка на периодичната таблица.

Изотопите са от голямо значение в химията и физиката. Например, изотоп на водород - деутерий - в комбинация с кислород дава напълно ново вещество, наречено тежка вода. Има различна точка на кипене и замръзване от нормалната. А комбинацията от деутерий с друг изотоп на водорода, тритий, води до реакция на термоядрен синтез и може да се използва за генериране на огромни количества енергия.

Маса на ядрото и субатомните частици

Размерът и масата на атомите са незначителни за човешкото възприятие. Размерът на ядрата е приблизително 10 -12 см. Масата на атомното ядро се измерва във физиката в така наречените единици за атомна маса.

За едно аму вземете една дванадесета от масата на въглероден атом. Използвайки обичайните мерни единици (килограми и грамове), масата може да се изрази със следното уравнение: 1 amu. = 1,660540·10 -24 g Изразено по този начин се нарича абсолютна атомна маса.

Въпреки факта, че атомното ядро е най-масивният компонент на атома, неговият размер спрямо електронния облак около него е изключително малък.

Ядрени сили

Атомните ядра са изключително стабилни. Това означава, че протоните и неутроните се задържат в ядрото от някаква сила. Това не могат да бъдат електромагнитни сили, тъй като протоните са частици с еднакъв заряд, а е известно, че частиците с еднакъв заряд се отблъскват. Гравитационните сили са твърде слаби, за да задържат нуклоните заедно. Следователно частиците се задържат в ядрото чрез друго взаимодействие - ядрени сили.

Ядрената сила се счита за най-мощната от всички съществуващи в природата. Следователно този тип взаимодействие между елементите на атомното ядро се нарича силно. Той присъства в много елементарни частици, точно както електромагнитните сили.

Характеристики на ядрените сили

Кратко действие. Ядрените сили, за разлика от електромагнитните, се проявяват само на много малки разстояния, сравними с размера на ядрото.
Зареждайте независимост. Тази особеност се проявява във факта, че ядрените сили действат еднакво върху протоните и неутроните.
Насищане. Нуклоните на ядрото взаимодействат само с определен брой други нуклони.

Енергия на ядрено свързване

Друго нещо, тясно свързано с концепцията за силно взаимодействие, е енергията на свързване на ядрата. Енергията на ядрената връзка се отнася до количеството енергия, необходимо за разделяне на атомно ядро на съставните му нуклони. Тя се равнява на енергията, необходима за образуване на ядро от отделни частици.

За да се изчисли енергията на свързване на ядрото, е необходимо да се знае масата на субатомните частици. Изчисленията показват, че масата на ядрото винаги е по-малка от сбора на съставните му нуклони. Дефектът на масата е разликата между масата на ядрото и сумата от неговите протони и електрони. Използвайки връзката между маса и енергия (E=mc 2), може да се изчисли енергията, генерирана по време на образуването на ядрото.

За силата на свързващата енергия на едно ядро може да се съди по следния пример: образуването на няколко грама хелий произвежда същото количество енергия като изгарянето на няколко тона въглища.

Ядрени реакции

Ядрата на атомите могат да взаимодействат с ядрата на други атоми. Такива взаимодействия се наричат ядрени реакции. Има два вида реакции.

Реакции на делене. Те възникват, когато по-тежките ядра в резултат на взаимодействие се разпадат на по-леки.
Реакции на синтез. Обратният процес на делене: ядрата се сблъскват, като по този начин образуват по-тежки елементи.

Всички ядрени реакции са придружени от освобождаване на енергия, която впоследствие се използва в промишлеността, армията, енергетиката и т.н.

След като се запознахме със състава на атомното ядро, можем да направим следните изводи.

Атомът се състои от ядро, съдържащо протони и неутрони, и електрони около него.
Масовото число на атома е равно на сумата от нуклоните в неговото ядро.
Нуклоните се държат заедно чрез силни взаимодействия.
Огромните сили, които придават стабилност на атомното ядро, се наричат ядрени свързващи енергии.