1932. aastal pärast prootoni ja neutroni avastamist teadlaste poolt D.D. Ivanenko (NSVL) ja W. Heisenberg (Saksamaa) esitasid aatomituuma prooton-neutron mudeli.
Selle mudeli järgi:
- kõigi keemiliste elementide tuumad koosnevad nukleonitest: prootonitest ja neutronitest
- tuumalaeng on tingitud ainult prootonitest
- prootonite arv tuumas on võrdne elemendi aatomnumbriga
- neutronite arv võrdub massiarvu ja prootonite arvu vahega (N=A-Z)
Keemilise elemendi aatomi tuuma sümbol:
X – keemilise elemendi sümbol
A on massiarv, mis näitab:
- tuuma mass tervete aatommassi ühikutes (amu)
(1 amu = 1/12 süsinikuaatomi massist)
- nukleonite arv tuumas
- (A = N + Z), kus N on neutronite arv aatomi tuumas
Z on laengu number, mis näitab:
- tuumalaeng elementaarsetes elektrilaengutes (e.e.c.)
(1 e.e.z. = elektronide laeng = 1,6 x 10 -19 C)
- prootonite arv
- elektronide arv aatomis
- seerianumber perioodilisuse tabelis
Tuuma mass on alati väiksem kui seda moodustavate vabade prootonite ja neutronite ülejäänud masside summa.
Seda seletatakse sellega, et tuumas olevad prootonid ja neutronid tõmbuvad üksteise poole väga tugevalt. Nende eraldamine nõuab palju tööd. Seetõttu ei ole tuuma kogu puhkeenergia võrdne selle koostises olevate osakeste puhkeenergiaga. See on väiksem kui palju tööd, mis on vajalik tuuma gravitatsioonijõudude ületamiseks.
Tuuma massi erinevust prootonite ja neutronite masside summa vahel nimetatakse massidefektiks.
Aatomituumade siduv energia
Aatomituumad on suure hulga nukleonide tugevalt seotud süsteemid.
Tuuma täielikuks jagamiseks selle komponentideks ja nende eemaldamiseks üksteisest suurel kaugusel on vaja kulutada teatud hulk tööd A.
Sidumisenergia on energia, mis on võrdne tööga, mis tuleb teha tuuma jagamiseks vabadeks nukleoniteks.
E ühendus = - A
Jäävuse seaduse järgi on sidumisenergia samaaegselt võrdne energiaga, mis vabaneb tuuma moodustumisel üksikutest vabadest nukleonitest.
Spetsiifiline sidumisenergia
See on sidumisenergia nukleoni kohta.
Peale kõige kergemate tuumade on spetsiifiline sidumisenergia ligikaudu konstantne ja võrdne 8 MeV/nukleoni kohta. Maksimaalne spetsiifiline sidumisenergia (8,6 MeV/nukleon) on leitud elementidel massinumbritega 50 kuni 60. Nende elementide tuumad on kõige stabiilsemad.
Kuna tuumad on neutronitega ülekoormatud, väheneb spetsiifiline sidumisenergia.
Perioodilise tabeli lõpus olevate elementide puhul võrdub see 7,6 MeV/nukleoni kohta (näiteks uraani puhul).
Energia eraldumine tuuma lõhustumise või termotuumasünteesi tagajärjel
Tuuma lõhenemiseks tuleb tuumajõudude ületamiseks kulutada teatud hulk energiat.
Üksikutest osakestest tuuma sünteesimiseks on vaja ületada Coulombi tõukejõud (selleks tuleb kulutada energiat nende osakeste kiirendamiseks suurtele kiirustele).
See tähendab, et tuuma lõhustumise või tuumasünteesi läbiviimiseks tuleb kulutada teatud energiat.
Kui tuum sulatatakse lühikestel vahemaadel, hakkavad nukleonidele mõjuma tuumajõud, mis panevad need kiirendusega liikuma.
Kiirendatud nukleonid kiirgavad gammakiirgust, mille energia on võrdne sidumisenergiaga.
Tuuma lõhustumise või termotuumareaktsiooni väljumisel vabaneb energia.
Tuuma lõhustumist või tuumasünteesi on mõttekas läbi viia siis, kui sellest tulenev, s.o. lõhustumise või termotuumasünteesi tulemusena vabanev energia on suurem kui kulutatud energia.
Graafiku järgi saab energia juurdekasvu kas raskete tuumade lõhustumisel (lõhenemisel) või kergete tuumade liitmisel, mida praktikas tehaksegi.
MASSILINE DEFEKTS
Tuumamasside mõõtmised näitavad, et tuumamass (Nm) on alati väiksem kui seda moodustavate vabade neutronite ja prootonite ülejäänud masside summa.
Tuuma lõhustumise ajal: tuuma mass on alati väiksem kui moodustunud vabade osakeste ülejäänud masside summa.
Tuumasünteesi käigus: tekkiva tuuma mass on alati väiksem kui selle moodustanud vabade osakeste ülejäänud masside summa.
Massi defekt on aatomituuma sidumisenergia mõõt.
Massi defekt võrdub kõigi vabas olekus oleva tuuma nukleonite kogumassi ja tuuma massi vahega:
kus Mya on tuuma mass (teatmeraamatust)
Z – prootonite arv tuumas
mp – vaba prootoni puhkemass (teatmeraamatust)
N – neutronite arv tuumas
mn – vaba neutroni puhkemass (teatmeraamatust)
Massi vähenemine tuuma moodustumisel tähendab nukleonsüsteemi energia vähenemist.
Tuuma mass m i on alati väiksem kui selles sisalduvate osakeste masside summa. See on tingitud asjaolust, et kui nukleonid ühinevad tuumaks, eraldub nukleonide sidumisenergia üksteisega. Osakese puhkeenergia on seotud tema massiga seosega E 0 =mc 2. Järelikult on tuuma puhkeenergia energia summa võrra väiksem kui vastastikmõjus olevate nukleonide koguenergia puhkeolekus.E St = c 2 (-m i).
See väärtus on nukleonide sidumisenergia tuumas See on võrdne tööga, mida tuleb teha tuuma moodustavate nukleonide eraldamiseks ja nende üksteisest eemaldamiseks sellisel kaugusel, et nad praktiliselt ei interakteeru.
Suurusjärk
Δ=-n i
helistas põhimassi defekt.Massidefekt on seotud seoseenergiaga
Δ=E St/c 2.
Arvutame välja nukleonide sidumisenergia 2 He 4 tuumas, mis sisaldab 2 prootonit ja 2 neutronit.
2 He 4 aatomi mass on 4,00260 amu. mis vastab 3728,0 MeV.1 H 1 aatomi mass on 1,00815 amu. Neutroni mass on 939,57 MeV. Asendades need kogused ülaltoodud valemiga, saame
E tuli =(2*938,7+2*939,5)-3728,0=24,8 MeV.
Ühe nukleoni kohta arvutatuna on heeliumi tuuma sidumisenergia 7,1 MeV Võrdluseks toome välja, et valentselektronide sidumisenergia aatomites on 10 6 võrra väiksem (umbes 10 eV) Teiste tuumade puhul on sidumisenergia ligikaudu sama väärtus, nagu heelium.
Kõige tugevamalt seotud nukleonid on tuumades massiarvuga suurusjärgus 50-60 (st elementide puhul Cr-st Zn-ni).Nende tuumade sidumisenergia ulatub 8,7 MeV/nukleoni kohta. A suurenedes erisidumisenergia järk-järgult väheneb; raskeima loodusliku elemendi uraani puhul on see 7,5 MeV nukleoni kohta.
See erienergia sõltuvus massiarvust muudab energeetiliselt võimalikuks kaks protsessi:
1) raskete tuumade jagunemine mitmeks kergemaks tuumaks
2) kergete tuumade liitmine (süntees) üheks.
Mõlema protsessiga kaasneb tohutu energiahulk, näiteks deuteeriumi ja triitiumi tuumade ühinemisel eraldub 17,6 MeV energiat ning süsinikdioksiidi CO 2 moodustumisel C ja O 2 aatomitest on energia suurusjärku. vabaneb 5 MeV. Erinevus on ilmne.
Energeetiliselt on soodsamad tuumad massiarvuga A vahemikus 50 kuni 60. Sellega seoses tekib küsimus: miks on teiste A väärtustega tuumad stabiilsed? Vastus on järgmine. Raske tuuma eraldamiseks peavad läbima rea vaheolekuid, mille energia ületab tuuma põhioleku energiat.Järelikult nõuab tuuma lõhustumise protsess lisaenergiat (aktivatsioonienergia), mis seejärel naaseb, lisades lõhustumisel vabanevale energiale, mis on tingitud tuumast. sidumisenergia muutus.Tavatingimustes ei ole tuumal energiaaktivatsiooni kusagilt saada, mille tulemusena ei toimu rasketes tuumades spontaanset lõhustumist Aktiveerimisenergiat saab edasi anda kinnipüütud või lisaneutron.
Tuumareaktorite ja tavapärase aatomipommi töö aluseks on uraani või plutooniumi tuumade lõhustumise protsess tuumade poolt hõivatud neutronite mõjul.
Mis puutub kergetesse tuumadesse, siis selleks, et nad ühineksid üheks tuumaks, peavad nad lähenema üksteisele väga lähedalt (10 -15 m) Sellist tuumade lähenemist takistab nendevaheline Coulombi tõrjumine. Sellest tõrjumisest ülesaamiseks tuleb tuumad peavad liikuma tohutu kiirusega, mis vastab mitmesaja miljoni Kelvini suurusjärgustele temperatuuridele.
Sel põhjusel nimetatakse kergete tuumade sünteesi protsessi termotuumareaktsioon
Sellised reaktsioonid toimuvad Päikese ja teiste tähtede sügavustes Maapealsetes tingimustes on seni vesinikupommide plahvatuse käigus toimunud kontrollimatud termotuumareaktsioonid. Mitmete riikide teadlased töötavad järjekindlalt selle nimel, et leida viise kontrollitava termotuumaenergia teostamiseks. sulandumine.
Tuuma purustamiseks eraldiseisvateks (vabadeks) nukleoniteks, mis omavahel ei interakteeru, on vaja teha tööd tuumajõudude ületamiseks ehk anda tuumale teatud energia. Vastupidi, vabade nukleonide ühinemisel tuumaks vabaneb sama energia (vastavalt energia jäävuse seadusele).
- Minimaalset energiat, mis on vajalik tuuma jagamiseks üksikuteks nukleoniteks, nimetatakse tuuma sidumisenergiaks
Kuidas saab määrata tuuma sidumisenergia väärtust?
Lihtsaim viis selle energia leidmiseks põhineb massi ja energia vahekorra seaduse rakendamisel, mille avastas saksa teadlane Albert Einstein 1905. aastal.
Albert Einstein (1879-1955)
Saksa teoreetiline füüsik, üks kaasaegse füüsika rajajaid. Avastas massi ja energia vahekorra seaduse, lõi eri- ja üldrelatiivsusteooriad
Selle seaduse kohaselt on osakeste süsteemi massi m ja ülejäänud energia vahel otsene proportsionaalne seos, st selle süsteemi siseenergia E 0:
kus c on valguse kiirus vaakumis.
Kui osakeste süsteemi puhkeenergia mis tahes protsesside tulemusena muutub väärtusega ΔE 0 1, toob see kaasa selle süsteemi massi vastava muutuse väärtuse Δm võrra ja väljendatakse nende suuruste suhet. võrdsuse järgi:
ΔE 0 = Δmс 2.
Seega, kui vabad nukleonid ühinevad tuumaks, peaks energia vabanemise tulemusena (mida selle protsessi käigus eralduvad footonid ära kannavad), vähenema ka nukleonite mass. Teisisõnu, tuuma mass on alati väiksem kui nende nukleonide masside summa, millest see koosneb.
Tuumamassi Δm puudumise võrreldes seda moodustavate nukleonide kogumassiga saab kirjutada järgmiselt:
Δm = (Zm p + Nm n) – M i,
kus M i on tuuma mass, Z ja N on prootonite ja neutronite arv tuumas ning m p ja m n on vaba prootoni ja neutroni mass.
Suurust Δm nimetatakse massidefektiks. Massivea olemasolu kinnitavad arvukad katsed.
Arvutame näiteks ühest prootonist ja ühest neutronist koosneva deuteeriumi (raske vesiniku) aatomi tuuma sidumisenergia ΔE 0. Teisisõnu, arvutame välja energia, mis on vajalik tuuma jagamiseks prootoniks ja neutroniks.
Selleks määrame esmalt selle tuuma massidefekti Δm, võttes vastavatest tabelitest nukleonide masside ja deuteeriumi aatomi tuuma massi ligikaudsed väärtused. Tabeliandmete järgi on prootonite mass ligikaudu 1,0073 a. e.m., neutronite mass - 1,0087 a. e.m., deuteeriumi tuuma mass on 2,0141 a.m. a.m. Niisiis, Δm = (1,0073 a.u.m. + 1,0087 a.u.m.) - 2,0141 a.u. e.m = 0,0019 a. sööma.
Sidumisenergia saamiseks džaulides tuleb massidefekti väljendada kilogrammides.
Arvestades, et 1 a. e.m = 1,6605 10 -27 kg, saame:
Δm = 1,6605 10 -27 kg 0,0019 = 0,0032 10 -27 kg.
Asendades selle massidefekti väärtuse sidumisenergia valemiga, saame:
Mis tahes tuumareaktsiooni käigus vabanenud või neeldunud energiat saab arvutada, kui on teada interakteeruvate tuumade ja selle interaktsiooni tulemusena tekkinud osakeste massid.
Küsimused
- Mis on tuuma sidumisenergia?
- Kirjutage üles valem mis tahes tuuma massidefekti määramiseks.
- Kirjutage üles valem tuuma sidumisenergia arvutamiseks.
1 Kreeka täht Δ ("delta") tähistab tavaliselt füüsikalise suuruse muutumist, mille sümbolile eelneb see täht.
Aatomituumad on suure hulga nukleonide tugevalt seotud süsteemid. Tuuma täielikuks jagamiseks komponentideks ja nende eemaldamiseks üksteisest suurel kaugusel on vaja kulutada teatud hulk tööd A. Sidumisenergia on energia, mis on võrdne tööga, mis tuleb teha tuuma jagamiseks vabaks osaks. nukleonid.E sidemed = - A Jäävuse seaduse järgi on sidumisenergia samaaegselt võrdne energiaga, mis vabaneb tuuma moodustumisel üksikutest vabadest nukleonitest. Spetsiifiline sidumisenergia on sidumisenergia nukleoni kohta.
MASSILINE DEFEKTS Tuumamasside mõõtmised näitavad, et tuumamass (Nm) on alati väiksem kui seda moodustavate vabade neutronite ja prootonite ülejäänud masside summa. Tuuma lõhustumise ajal: tuuma mass on alati väiksem kui moodustunud vabade osakeste ülejäänud masside summa. Tuumasünteesi käigus: tekkiva tuuma mass on alati väiksem kui selle moodustanud vabade osakeste ülejäänud masside summa.
Massi defekt on aatomituuma sidumisenergia mõõt. Massi defekt võrdub kõigi vabas olekus oleva tuuma nukleonite kogumassi ja tuuma massi vahega:
kus Мa on tuuma mass (teateraamatust) Z on prootonite arv tuumas mp on vaba prootoni ülejäänud mass (teatmeraamatust) N on neutronite arv tuumas mn on vaba neutroni puhkemass (teatmeraamatust) Massi vähenemine tuuma moodustumise ajal tähendab seda, et kui see vähendab nukleonisüsteemi energiat.
Aatomituum- aatomi keskosa, kuhu on koondunud suurem osa selle massist (üle 99,9%). Tuum on positiivselt laetud, tuuma laengu määrab keemiline element, millesse aatom kuulub. Erinevate aatomite tuumade mõõtmed on mitu femtomeetrit, mis on rohkem kui 10 tuhat korda väiksem kui aatomi enda suurus.
Tuumafüüsika uurib aatomituumi.
Aatomituum koosneb nukleonitest – positiivselt laetud prootonitest ja neutraalsetest neutronitest, mis on omavahel seotud tugeva vastasmõju kaudu. Prootonil ja neutronil on oma nurkimment (spin) võrdne [sn 1] ja sellega seotud magnetmoment.
Aatomituuma, mida peetakse osakeste klassiks, millel on teatud arv prootoneid ja neutroneid, nimetatakse tavaliselt nukliid.
Prootonite arvu tuumas nimetatakse selle laengunumbriks – see arv võrdub perioodilisuse tabelis selle elemendi aatomnumbriga, millesse aatom kuulub. Prootonite arv tuumas määrab neutraalse aatomi elektronkihi struktuuri ja seega ka vastava elemendi keemilised omadused. Neutronite arvu tuumas nimetatakse selle neutronite arvuks isotoopnumber. Tuumasid, millel on sama arv prootoneid ja erinev arv neutroneid, nimetatakse isotoopideks. Tuumasid, millel on sama arv neutroneid, kuid erinev arv prootoneid, nimetatakse isotoonideks. Mõisteid isotoop ja isotoon kasutatakse ka neid tuumasid sisaldavate aatomite tähistamiseks, samuti ühe keemilise elemendi mittekeemiliste variantide iseloomustamiseks. Nukleonide koguarvu tuumas nimetatakse selle massiarvuks () ja see on ligikaudu võrdne perioodilisuse tabelis näidatud aatomi keskmise massiga. Sama massiarvuga, kuid erineva prooton-neutron koostisega nukliide nimetatakse tavaliselt isobaarideks.
Nagu iga kvantsüsteem, võivad tuumad olla metastabiilses ergastatud olekus ja mõnel juhul arvutatakse sellise oleku eluiga aastates. Selliseid tuumade ergastatud olekuid nimetatakse tuumaisomeerideks.
22. Kahe metalli kokkupuude. Termoelektrilised nähtused. Termoelektrilised nähtused
füüsikaliste nähtuste kogum, mis on põhjustatud metallide ja pooljuhtide soojus- ja elektriprotsesside vahelisest seosest. T. I. on Seebecki, Peltieri ja Thomsoni efektid. Seebecki efekt seisneb selles, et erinevatest juhtidest koosnevas suletud vooluringis tekib emf (termoemf), kui kontaktpunkte hoitakse erinevatel temperatuuridel. Lihtsamal juhul, kui elektriahel koosneb kahest erinevast juhist, nimetatakse seda Termopaar ohm , või termopaar (vt Termopaar). Termovõimsuse suurus sõltub ainult kuuma temperatuurist T 1 ja külm T 2 kontakti ja juhtmete materjalist. Väikeses temperatuurivahemikus termovõimsus E võib pidada proportsionaalseks erinevusega ( T 1 – T 2), see tähendab E= α (T 1 –T 2). Koefitsient α nimetatakse paari termoelektriliseks võimeks (soojusvõimsus, termovõimsuse koefitsient või erisoojusvõimsus). Selle määravad juhtmete materjalid, kuid see sõltub ka temperatuurivahemikust; mõnel juhul muudab α temperatuuri muutusega märki. Tabelis on mõnede metallide ja sulamite a väärtused Pb suhtes temperatuurivahemikus 0-100 °C (positiivne märk α määratud nendele metallidele, mille külge vool läbib kuumutatud ristmikku). Tabelis toodud arvud on aga meelevaldsed, kuna materjali termovõimsus on tundlik lisandite mikroskoopiliste koguste suhtes (mõnikord üle keemilise analüüsi tundlikkuse), kristalliterade orientatsiooni ning materjali termilise või isegi külmtöötluse suhtes. . Kompositsioonil põhinev materjalide tagasilükkamise meetod põhineb sellel termojõu omadusel. Samal põhjusel võib termovõimsus tekkida samast materjalist ahelas temperatuurierinevuse korral, kui ahela erinevatele lõikudele on tehtud erinevad tehnoloogilised toimingud. Teisest küljest ei muutu termopaari emf, kui ahelasse on järjestikku ühendatud suvaline hulk muid materjale, kui sel juhul tekkivaid täiendavaid kontaktpunkte hoitakse samal temperatuuril.
Kui metallid kokku puutuda (nende vahel tekib kontakt), siis juhtivuselektronid võivad kokkupuutepunktis liikuda ühest juhist teise. Tööfunktsioon väheneb Fermi energia suurenemisega. Metall-metall üleminekul toimuvate nähtuste mõistmiseks on vaja arvestada, et Fermi energia sõltub vabade elektronide kontsentratsioonist juhtivusribas – mida suurem on elektronide kontsentratsioon, seda suurem on Fermi energia. See tähendab, et kui metall-metall liidesel tekib üleminek, on vabade elektronide kontsentratsioon piiri erinevatel külgedel erinev - see on kõrgem metalli poolel (1), millel on suurem Fermi energia. Elektronide kontsentratsiooni muutus alates kuni toimub teatud metallidevahelise liidese lähedal asuvas piirkonnas, mida nimetatakse üleminekukihiks (joonis 8.7.3). Elektrivälja potentsiaali muutus üleminekul on näidatud joonisel 8.7.4. Ülemineku tekkimise ajal muutuvad piiril olevates metallides Fermi energiad. Suurema Fermi energiaga metall saab positiivselt laetud ja seega suureneb selle metalli tööfunktsioon
21. Pooljuhtide sisemine ja lisandite juhtivus. P-tüüpi ja n-tüüpi juhtivus. Kahe pooljuhi P-n kontakt. Sisemistes pooljuhtides on sidemete katkemisel tekkivate elektronide ja aukude arv sama, s.t. Sisemiste pooljuhtide juhtivuse tagavad võrdselt vabad elektronid ja augud. Lisandiga pooljuhtide juhtivus. Kui pooljuhti sisestatakse lisand, mille valents on suurem kui natiivsel pooljuhil, moodustub doonorpooljuht. (Näiteks viietavalentse arseeni sisestamisel ränikristalli. Üks viiest valentselektronist arseen jääb vabaks). Doonorpooljuhis on elektronid enamuslaengukandjad ja augud vähemuslaengukandjad. Selliseid pooljuhte nimetatakse n-tüüpi pooljuhtideks ja juhtivus on elektrooniline Kui pooljuhti sisestatakse lisandi, mille valents on väiksem kui natiivsel pooljuhil, tekib aktseptorpooljuht. (Näiteks kolmevalentse indiumi sisseviimisel ränikristalli. Igal indiumiaatomil puudub üks elektron, et moodustada elektronpaar side mõne naaberräni aatomiga. Kõik need täitmata sidemed on auk). Aktseptorpooljuhtides on enamuslaengukandjad augud ja vähemuslaengukandjad elektronid. Selliseid pooljuhte nimetatakse p-tüüpi pooljuhtideks ja juhtivus on auk. Viievalentseid lisandite aatomeid nimetatakse annetajad: need suurendavad vabade elektronide arvu. Iga sellise lisandi aatom lisab ühe täiendava elektroni. Sel juhul ei teki lisaauke. Pooljuhi struktuuris olev lisandi aatom muutub statsionaarseks positiivselt laetud iooniks. Pooljuhi juhtivuse määrab nüüd peamiselt vabade lisandielektronide arv. Üldiselt nimetatakse seda tüüpi juhtivust juhtivaks n– tüüpi ja pooljuht ise on pooljuht n-tüüpi.Kolmevalentse lisandi sisseviimisel osutub üks pooljuhi valentssidemetest täitmata, mis võrdub augu ja statsionaarse negatiivse laenguga lisandiiooni tekkimisega. Seega sel juhul aukude kontsentratsioon suureneb. Seda tüüpi lisandeid nimetatakse aktsepteerijad ja ning juhtivust, mis on tingitud aktseptori lisandi sisseviimisest, nimetatakse juhtivuseks R-tüüp. Seda tüüpi pooljuhte nimetatakse pooljuhtideks R-tüüp.
20. Tahkete ainete ribateooria. Metallid, dielektrikud ja pooljuhid.
Tahkete ainete ribateooria- kvantmehaaniline teooria elektronide liikumisest tahkis.
Kvantmehaanika järgi võib vabadel elektronidel olla igasugune energia – nende energiaspekter on pidev. Eraldatud aatomitesse kuuluvatel elektronidel on teatud diskreetsed energiaväärtused. Tahkis on elektronide energiaspekter oluliselt erinev, see koosneb eraldi lubatud energiatsoonidest, mida eraldavad keelatud energiate tsoonid.
Dielektriline(isolaator) - aine, mis praktiliselt ei juhi elektrivoolu. Vabade laengukandjate kontsentratsioon dielektrikus ei ületa 10 8 cm −3 . Dielektriku peamine omadus on selle võime polariseeruda välises elektriväljas. Tahkete ainete ribateooria seisukohalt on dielektrik aine, mille ribalaius on suurem kui 3 eV. Pooljuhid - pooljuht erineb dielektrikust ainult selle poolest, et valentsriba juhtivusribast eraldava ribalaiuse laius Δ on palju väiksem (kümneid kordi). Kell T= 0, on pooljuhi valentsriba, nagu ka dielektrikul, täielikult täidetud ja vool ei saa proovi läbida. Kuid tänu sellele, et energia Δ on väike, võivad mõned elektronid liikuda juhtivusriba isegi isegi vähese temperatuuri tõusuga (joonis 3). Siis saab aine elektrivool võimalikuks ja läbi kahe “kanali” korraga.
Esiteks, juhtivusribas liiguvad elektronid, omandades elektriväljas energiat, kõrgematele energiatasemetele. Teiseks, panus elektrivoolusse tuleb... tühjadest tasemetest, mis on jäetud valentsribale elektronide poolt, mis on läinud juhtivusribale. Tõepoolest, Pauli põhimõte võimaldab igal elektronil valentsribas hõivata vaba taseme. Kuid olles selle tasandi hõivanud, jätab ta oma taseme vabaks jne. Kui jälgida mitte elektronide liikumist läbi valentsriba tasemete, vaid tühjade tasemete endi liikumist, siis selgub, et need tasemed, mis omama teaduslikku nime augud, saavad ka praegusteks kandjateks. Aukude arv on ilmselgelt võrdne juhtivusriba läinud elektronide arvuga (nn. juhtivuselektronid), kuid aukudel on positiivne laeng, kuna auk on puuduv elektron.
Metallid - Metallides olevad elektronid “unustavad” lõpuks oma aatomi päritolu, nende tasemed moodustavad ühe väga laia tsooni. See on alati täidetud ainult osaliselt (elektronide arv on väiksem kui tasemete arv) ja seetõttu võib seda nimetada juhtivusribaks (joon. 6). Selge see metallides võib vool voolata isegi nulltemperatuuril. Lisaks saab kvantmehaanika abil tõestada, et in ideaalne metall(mille võrel puuduvad defektid) at T= 0 vool peab voolama ilma takistuseta [2]!
Kahjuks pole ideaalseid kristalle olemas ja nulltemperatuuri pole võimalik saavutada. Tegelikkuses kaotavad elektronid vibreerivate võreaatomitega suheldes energiat Pärismetalli vastupidavus suureneb temperatuuri tõustes(erinevalt pooljuhtide takistusest). Kuid kõige olulisem on see, et igal temperatuuril on metalli elektrijuhtivus oluliselt kõrgem kui pooljuhi elektrijuhtivus, kuna metallis on palju rohkem elektrivoolu juhtivaid elektrone.
19. Molekul. Keemilised sidemed. Molekulaarspektrid. Valguse neeldumine. Spontaanne ja stimuleeritud emissioon. Optilised kvantgeneraatorid.
Molekul- elektriliselt neutraalne osake, mis on moodustunud kahest või enamast kovalentsete sidemetega seotud aatomist, keemilise aine väikseim osake.
Keemiline side on kahe aatomi interaktsioon, mis toimub elektronide vahetamise teel. Keemilise sideme moodustumisel kipuvad aatomid omandama stabiilse kaheksaelektronilise (või kaheelektronilise) väliskesta, mis vastab lähima inertgaasi aatomi struktuurile. Eristatakse järgmisi keemiliste sidemete tüüpe: kovalentne(polaarne ja mittepolaarne; vahetus ja doonor-aktseptor), iooniline, vesinik Ja metallist.
MOLEKULAARSPEKTRID- neeldumis-, emissiooni- või hajuvusspektrid, mis tekivad molekulide kvantsiirde ajal samast energiast. ütleb teisele. Prl. määrab molekuli koostis, struktuur, kemikaali olemus. suhtlemine ja suhtlemine välistega väljad (ja seega ka seda ümbritsevate aatomite ja molekulidega). Naib. iseloomulikud on M. s. haruldased molekulaargaasid, kui spektrijooned rõhu mõjul ei laiene: selline spekter koosneb kitsastest Doppleri laiusega joontest. IMENDUMINE SVETA- optilise intensiivsuse vähenemine. kiirgus rakku läbimisel. keskkond sellega interaktsiooni tõttu, mille tulemusena valgusenergia muundub teist tüüpi energiaks või optiliseks energiaks. muu spektraalse koostisega kiirgus. Põhiline intensiivsust puudutav P. seadus I valguskiir, mis läbib keskmise paksusega neelavat kihti l koos langeva kiire intensiivsus I 0 on valguse intensiivsusest sõltumatu Bougueri seadus. helistas neeldumisindeks ja on reeglina erinevatel lainepikkustel erinev.Selle seaduse kehtestas eksperimentaalselt P. Bouguer (P. Bouguer, 1729) ja tuletas hiljem teoreetiliselt I. Lambert (J. N. Lambert, 1760) väga lihtsatel eeldustel, et kui Iga ainekihi läbimisel väheneb valgusvoo intensiivsus teatud osa võrra, sõltuvalt ainult kihi paksusest l, st. dI/l =
Elektromagnetlaine emissioon aatomi poolt võib olla kahte tüüpi: spontaanne ja sunnitud. Spontaanses emissioonis liigub aatom kõrgemalt energiatasemelt madalamale spontaanselt, ilma aatomit mõjutamata. Aatomi spontaanne emissioon on tingitud ainult selle ülemise (ergastatud) oleku ebastabiilsusest, mille tulemusena vabaneb aatom varem või hiljem footoni kiirgamise teel ergastusenergiast. Erinevad aatomid kiirgavad spontaanselt, s.t. üksteisest sõltumatult ja genereerivad footoneid, mis levivad erinevates suundades, millel on erinevad faasid ja polarisatsioonisuunad. Seetõttu on spontaanne emissioon ebajärjekindel. Kiirgus võib tekkida ka siis, kui ergastatud aatomile mõjub elektromagnetlaine sagedusega ν, rahuldades seost hν=Em-En, kus Em ja En on aatomi kvantolekute energiad (sagedust ν nimetatakse resonantsiks) . Saadud kiirgust stimuleeritakse. Iga stimuleeritud emissiooni toiming hõlmab kahte footonit. Üks neist, levides välisest allikast (välisallikaks kõnealuse aatomi jaoks võib olla ka naaberaatom), mõjutab aatomit, mille tulemusena kiirgub footon. Mõlemal footonil on sama levimis- ja polarisatsioonisuund, samuti samad sagedused ja faasid. See tähendab, et stimuleeritud emissioon on alati kooskõlaline sundiva emissiooniga. Ainsad on optilised kvantgeneraatorid (OQG) või laserid
võimsa monokromaatilise valguse allikad. Valguse võimendamise põhimõte koos
aatomisüsteemide kasutamise pakkus esmakordselt välja 1940. aastal V.A. Tootja.
Küll aga õigustus optilise kvanti loomise võimalusele
generaatori andsid alles 1958. aastal C. Townes ja A. Shavlov põhjal
saavutusi raadioulatuse kvantseadmete arendamisel. Esiteks
optiline kvantgeneraator realiseeriti aastal 1960. See oli laseriga
rubiinkristall tööainena. Inversiooni loomine
populatsioon selles viidi läbi kolmetasandilise pumpamise meetodil,
kasutatakse tavaliselt paramagnetilistes kvantvõimendites.
18. Elektrijuhtivuse kvantteooria.
Metallide elektrijuhtivuse kvantteooria - elektrijuhtivuse teooria, mis põhineb Fermi - Diraci kvantmehaanika ja kvantstatistika põhjal, - vaatas uuesti läbi klassikalises füüsikas käsitletud metallide elektrijuhtivuse küsimuse. Selle teooria alusel teostatud metallide elektrijuhtivuse arvutamine annab metalli erielektrijuhtivuse avaldise, mis välimuselt sarnaneb klassikalise valemiga (103.2) g, kuid sellel on täiesti erinev füüsiline sisu. Siin P - juhtivuselektronide kontsentratsioon metallis, b l Fс on Fermi energiaga elektroni keskmine vaba teekond, b u F ñ - sellise elektroni soojusliikumise keskmine kiirus.
Valemi (238.1) põhjal tehtud järeldused on täielikult kooskõlas katseandmetega. Erijuhtivuse sõltuvust temperatuurist selgitab eelkõige metallide elektrijuhtivuse kvantteooria: g ~ 1/T(Selle annab klassikaline teooria g ~1/), samuti metallis elektronide keskmise vaba tee anomaalselt suured väärtused (suurusjärgus sadu võreperioode).
17. Tahkete ainete soojusmahtuvus. Vaatleme tahke keha mudelina õigesti konstrueeritud kristallvõret, mille sõlmedes materiaalseteks punktideks võetud osakesed (aatomid, ioonid, molekulid) võnguvad ümber oma tasakaalupositsioonide – võresõlmede – kolmes üksteisega risti olevas suunas. . Seega on igale kristallvõre moodustavale osakesele määratud kolm vibratsioonilist vabadusastet, millest igaühel on energia vabadusastmete vahel võrdse jaotuse seaduse kohaselt kT.
Tahke aine mooli siseenergia
Kus N A - Avogadro konstant; N A k= R (R - gaasi molaarne konstant). Tahke aine molaarne soojusmahtuvus
st molaarne (aatomi) soojusmahtuvus keemiliselt lihtsad kehad kristalliseerunud
Soojusmahtuvus, soojushulk, mis kulub temperatuuri muutmiseks 1°C võrra. Rangema määratluse järgi soojusmahtuvus- termodünaamiline suurus, mis määratakse järgmise avaldise abil:
kus Δ K- soojushulk, mida süsteemi edastab ja mille temperatuuri Delta muudab; T. Lõpliku erinevuse suhe Δ K/ΔТ nimetatakse keskmiseks soojusmahtuvus, lõpmata väikeste suuruste suhe d Q/dT- tõsi soojusmahtuvus. Alates d K ei ole siis olekufunktsiooni täielik diferentsiaal soojusmahtuvus sõltub üleminekuteest süsteemi kahe oleku vahel. Eristama soojusmahtuvus süsteem tervikuna (J/K), spetsiifiline soojusmahtuvus[J/(g K)], molaarne soojusmahtuvus[J/(mol K)]. Kõik alltoodud valemid kasutavad molaarseid koguseid soojusmahtuvus.
16. Osakeste süsteemi taandareng.
Degeneratsioon kvantmehaanikas seisneb selles, et teatud suurus f, füüsikalist süsteemi (aatomit, molekuli jne) kirjeldav tähendus on süsteemi erinevate olekute jaoks sama. Selliste erinevate olekute arv, mis vastavad samale väärtusele f, nimetatakse antud suuruse V. kordamiseks. DEGENERATSIOON sisse kvantteooria – mitmesuguste olemasolu. kvantsüsteemi olekud, milles on teatud füüsikalised olekud. suurusjärk A võtab samu väärtusi. Sellisele väärtusele vastaval operaatoril on lineaarselt sõltumatute omafunktsioonide komplekt, mis vastab ühele omafunktsioonile. tähenduses A. Number TO helistas omandi degeneratsiooni paljusus. väärtused A, see võib olla lõplik või lõpmatu; k võib võtta diskreetse või pideva väärtuste jada. Lõpmatu paljususega (kontinuumi võimsused) on degenereerunud, näiteks õiged. vaba osakeste energia operaatori väärtused kõigis võimalikes impulsside suundades 
(T ja -osakese mass ja energia).
15. Osakeste identsuse printsiip. Fermionid ja bosonid. Bosonide ja fermioonide jaotusfunktsioonid.
Fermionid ja bosonid. Bosonide ja fermioonide jaotusfunktsioonid. Boson(füüsik Bose perekonnanimest) - täisarvulise spinni väärtusega osake. Selle termini võttis kasutusele füüsik Paul Dirac. Bosonid, erinevalt fermionidest, järgivad Bose-Einsteini statistikat, mis võimaldab ühes kvantolekus eksisteerida piiramatul arvul identsetel osakestel. Paljude bosonite süsteeme kirjeldavad lainefunktsioonid, mis on osakeste permutatsioonide suhtes sümmeetrilised. On elementaar- ja liitbosoneid.
Elementaarbosonid on gabariidiväljade kvantid, mille abil viiakse standardmudelis läbi elementaarfermioonide (leptonite ja kvarkide) interaktsioon. Need bosonid hõlmavad järgmist:
footon (elektromagnetiline interaktsioon),
gluoon (tugev interaktsioon)
W ± ja Z bosonid (nõrk vastastikmõju).
Fermion- pooltäisarvulise pöörlemisväärtusega osake (või kvaasiosake). Nad said oma nime füüsik Enrico Fermi auks.
Fermionide näited: kvargid (moodustavad prootoneid ja neutroneid, mis on ka fermionid), leptonid (elektronid, müüonid, tau leptonid, neutriinod), augud (pooljuhis olevad kvaasiosakesed).
Fermionid järgivad Fermi-Dirac statistikat: ühes kvantseisundis ei saa eksisteerida rohkem kui üks osake (Pauli põhimõte). Pauli välistusprintsiip vastutab aatomite elektronkestade stabiilsuse eest, mis teeb võimalikuks keerukate keemiliste elementide olemasolu. See võimaldab ka degenereerunud aine olemasolu kõrge rõhu all (neutrontähed). Identsete fermionide süsteemi lainefunktsioon on mis tahes kahe fermioni permutatsiooni suhtes antisümmeetriline. Paaritu arvu fermionidest koosnev kvantsüsteem on ise fermion (näiteks paaritu massiarvuga tuum A; aatom või ioon paaritu summaga A ja elektronide arv).
Fermionide ja bosonite jaotusfunktsioone saab hõlpsasti saada suure kanoonilise ansambli raames, valides alamsüsteemiks kõigi antud kvantolekus L paiknevate osakeste hulga. Süsteemi energia selles olekus on = Avaldis termodünaamilisel potentsiaalil on vorm
pl = -APPE exp[(ts-el)^A/(AG)]
Fermionide puhul = 0, 1; Sellepärast
PL = -kT In ] . (3.1)
Bosonite jaoks N^ = 0, 1, 2, ... Lõpmatu geomeetrilise progressiooni summa leidmisel saame
fy = W In ] . (3.2)
ja c< 0 Средние числа заполнения (или функции распределения) получаются с помощью термодинамического равенства
<"А>- f(ex) = Seega, kasutades (3.1) ja (3.2) saame
KeA> = exp[(eA-fi)/(H")riT- (3-3>).
Plussmärk viitab fermionidele, miinusmärk bosonidele. Keemiline potentsiaal /1 määratakse jaotusfunktsioonide normaliseerimise tingimusest:
$expL(eA-»i)V)J + 1 = N" (3"4)
kus N on osakeste koguarv süsteemis. Tuues sisse olekute tiheduse p(e), saame võrdsuse (3.4) ümber kirjutada kujule
N = Jde р(е) f(e). (3.5)
Aine koostist uurides jõudsid teadlased järeldusele, et kogu aine koosneb molekulidest ja aatomitest. Pikka aega peeti aatomit (kreeka keelest tõlgituna "jagamatu") aine väikseimaks struktuuriüksuseks. Edasised uuringud näitasid aga, et aatomil on keeruline struktuur ja see omakorda sisaldab väiksemaid osakesi.
Millest aatom koosneb?
1911. aastal väitis teadlane Rutherford, et aatomil on positiivse laenguga keskosa. Nii tekkis esmakordselt aatomituuma mõiste.
Rutherfordi planeedimudeliks nimetatud skeemi järgi koosneb aatom tuumast ja negatiivse laenguga elementaarosakestest – elektronidest, mis liiguvad ümber tuuma, nii nagu planeedid tiirlevad ümber Päikese.
1932. aastal avastas teine teadlane Chadwick neutroni, osakese, millel puudub elektrilaeng.
Kaasaegsete ideede kohaselt vastab tuum Rutherfordi pakutud planeedimudelile. Tuum kannab suuremat osa aatommassist. Sellel on ka positiivne laeng. Aatomituum sisaldab prootoneid – positiivselt laetud osakesi ja neutroneid – osakesi, mis ei kanna laengut. Prootoneid ja neutroneid nimetatakse nukleoniteks. Negatiivse laenguga osakesed – elektronid – liiguvad orbiidil ümber tuuma.
Prootonite arv tuumas on võrdne orbiidil liikuvate prootonite arvuga. Seetõttu on aatom ise osake, mis ei kanna laengut. Kui aatom saab teistelt elektrone või kaotab omad, muutub see positiivseks või negatiivseks ja seda nimetatakse iooniks.
Elektrone, prootoneid ja neutroneid nimetatakse ühiselt subatomaarseteks osakesteks.
Aatomituuma laeng
Tuuma laenguarv on Z. Selle määrab aatomituuma moodustavate prootonite arv. Selle suuruse leidmine on lihtne: lihtsalt pöörduge Mendelejevi perioodilisuse tabeli poole. Selle elemendi aatomnumber, millesse aatom kuulub, võrdub prootonite arvuga tuumas. Seega, kui keemilise elemendi hapniku aatomnumber on 8, siis on ka prootonite arv kaheksa. Kuna prootonite ja elektronide arv aatomis on sama, on seal ka kaheksa elektroni.
Neutronite arvu nimetatakse isotooparvuks ja seda tähistatakse tähega N. Nende arv võib sama keemilise elemendi aatomis varieeruda.
Prootonite ja elektronide summat tuumas nimetatakse aatomi massiarvuks ja seda tähistatakse tähega A. Seega näeb massiarvu arvutamise valem välja järgmine: A = Z + N.
Isotoobid
Kui elementidel on võrdne arv prootoneid ja elektrone, kuid erinev arv neutroneid, nimetatakse neid keemilise elemendi isotoopideks. Isotoope võib olla üks või mitu. Need paigutatakse perioodilisuse tabeli samasse lahtrisse.
Isotoobid on keemias ja füüsikas väga olulised. Näiteks vesiniku isotoop – deuteerium – annab koos hapnikuga täiesti uue aine, mida nimetatakse raskeks veeks. Sellel on tavapärasest erinev keemis- ja külmumistemperatuur. Ja deuteeriumi kombinatsioon teise vesiniku isotoobi, triitiumiga, viib termotuumasünteesi reaktsioonini ja seda saab kasutada tohutul hulgal energia tootmiseks.
Tuuma ja subatomiliste osakeste mass
Aatomite suurus ja mass on inimtaju jaoks tühised. Tuumade suurus on ligikaudu 10 -12 cm Aatomituuma massi mõõdetakse füüsikas nn aatommassi ühikutes - amu.
Ühe amu eest võtame ühe kaheteistkümnendiku süsinikuaatomi massist. Kasutades tavalisi mõõtühikuid (kilogrammid ja grammid), saab massi väljendada järgmise võrrandiga: 1 amu. = 1,660540·10 -24 g Sel viisil väljendatuna nimetatakse seda absoluutseks aatommassiks.
Hoolimata asjaolust, et aatomituum on aatomi kõige massiivsem komponent, on selle suurus ümbritseva elektronpilve suhtes äärmiselt väike.
Tuumajõud
Aatomituumad on äärmiselt stabiilsed. See tähendab, et prootoneid ja neutroneid hoiab tuumas mingi jõud. Need ei saa olla elektromagnetilised jõud, kuna prootonid on sarnaselt laetud osakesed ja on teada, et sama laenguga osakesed tõrjuvad üksteist. Gravitatsioonijõud on liiga nõrgad, et nukleone koos hoida. Järelikult hoitakse osakesi tuumas teine vastastikmõju – tuumajõud.
Tuumajõudu peetakse kõigist looduses olemasolevatest tugevaimaks. Seetõttu nimetatakse seda tüüpi interaktsiooni aatomituuma elementide vahel tugevaks. Seda esineb paljudes elementaarosakestes, nagu ka elektromagnetilisi jõude.
Tuumajõudude omadused
- Lühike tegevus. Tuumajõud, erinevalt elektromagnetilistest, ilmnevad ainult väga väikestel kaugustel, mis on võrreldavad tuuma suurusega.
- Laadimise sõltumatus. See omadus väljendub selles, et tuumajõud mõjutavad prootoneid ja neutroneid võrdselt.
- Küllastus. Tuuma nukleonid interakteeruvad ainult teatud arvu teiste nukleonidega.
Tuuma sidumisenergia
Teine asi, mis on tihedalt seotud tugeva interaktsiooni mõistega, on tuumade sidumisenergia. Tuumasideme energia viitab energiahulgale, mis on vajalik aatomituuma jagamiseks selle koostisosadeks. See võrdub energiaga, mis on vajalik üksikutest osakestest tuuma moodustamiseks.
Tuuma sidumisenergia arvutamiseks on vaja teada subatomaarsete osakeste massi. Arvutused näitavad, et tuuma mass on alati väiksem kui selle koostisosade nukleonide summa. Massi defekt on erinevus tuuma massi ning selle prootonite ja elektronide summa vahel. Massi ja energia suhet (E=mc 2) kasutades saab välja arvutada tuuma tekkimisel tekkiva energia.
Tuuma sidumisenergia tugevust saab hinnata järgmise näite põhjal: mitme grammi heeliumi moodustumisel tekib sama palju energiat kui mitme tonni kivisöe põletamisel.
Tuumareaktsioonid
Aatomite tuumad võivad suhelda teiste aatomite tuumadega. Selliseid vastastikmõjusid nimetatakse tuumareaktsioonideks. Reaktsioone on kahte tüüpi.
- Lõhustumisreaktsioonid. Need tekivad siis, kui raskemad tuumad lagunevad vastastikmõju tulemusena kergemateks.
- Sünteesireaktsioonid. Lõhustumise pöördprotsess: tuumad põrkuvad, moodustades seeläbi raskemaid elemente.
Kõikide tuumareaktsioonidega kaasneb energia vabanemine, mida hiljem kasutatakse tööstuses, sõjaväes, energiasektoris jne.
Olles tutvunud aatomituuma koostisega, võime teha järgmised järeldused.
- Aatom koosneb tuumast, mis sisaldab prootoneid ja neutroneid, ning selle ümber asuvatest elektronidest.
- Aatomi massiarv on võrdne selle tuumas olevate nukleonide summaga.
- Nukleone hoiab koos tugev vastastikmõju.
- Tohutuid jõude, mis annavad aatomituumale stabiilsuse, nimetatakse tuuma sidumisenergiateks.