Massen til kjernen er alltid mindre enn summen. Masse og energi

I 1932 etter oppdagelsen av protonet og nøytronet av forskerne D.D. Ivanenko (USSR) og W. Heisenberg (Tyskland) la frem en proton-nøytron-modell av atomkjernen.

I følge denne modellen:
- kjernene til alle kjemiske grunnstoffer består av nukleoner: protoner og nøytroner
- kjernefysisk ladning skyldes kun protoner
- antall protoner i kjernen er lik grunnstoffets atomnummer
- antall nøytroner er lik forskjellen mellom massetallet og antall protoner (N=A-Z)

Symbol for kjernen til et atom i et kjemisk element:

X – symbol for kjemisk element

A er massetallet, som viser:
- massen til kjernen i hele atommasseenheter (amu)
(1 amu = 1/12 massen til et karbonatom)
- antall nukleoner i kjernen
- (A = N + Z), hvor N er antall nøytroner i kjernen til et atom

Z er ladenummeret, som viser:
- kjerneladning i elementære elektriske ladninger (e.e.c.)
(1 e.e.z. = elektronladning = 1,6 x 10 -19 C)
- antall protoner
- antall elektroner i et atom
- serienummer i det periodiske systemet

Massen til kjernen er alltid mindre enn summen av hvilemassene til de frie protonene og nøytronene som utgjør den.
Dette forklares med at protoner og nøytroner i kjernen er veldig sterkt tiltrukket av hverandre. Å skille dem krever mye arbeid. Derfor er den totale hvileenergien til kjernen ikke lik hvileenergien til dens bestanddeler. Det er mindre av mengden arbeid som kreves for å overvinne kjernefysiske gravitasjonskrefter.
Forskjellen mellom massen til kjernen og summen av massene av protoner og nøytroner kalles massedefekten.

BINDENDE ENERGI AV ATOMKJERNER

Bindingsenergi er energien som tilsvarer arbeidet som må gjøres for å splitte en kjerne i frie nukleoner.

E-tilkobling = - A

I følge bevaringsloven er bindingsenergien samtidig lik energien som frigjøres under dannelsen av en kjerne fra individuelle frie nukleoner.

Spesifikk bindingsenergi

Dette er bindingsenergien per nukleon.

Bortsett fra de letteste kjernene, er den spesifikke bindingsenergien omtrent konstant og lik 8 MeV/nukleon. Den maksimale spesifikke bindingsenergien (8,6 MeV/nukleon) finnes i grunnstoffer med massetall fra 50 til 60. Kjernene til disse grunnstoffene er de mest stabile.

Ettersom kjernene blir overbelastet med nøytroner, avtar den spesifikke bindingsenergien.
For grunnstoffer på slutten av det periodiske systemet er det lik 7,6 MeV/nukleon (for eksempel for uran).

Frigjøring av energi som et resultat av kjernefysisk fisjon eller fusjon

For å splitte en kjerne må det brukes en viss mengde energi for å overvinne atomkrefter.
For å syntetisere en kjerne fra individuelle partikler, er det nødvendig å overvinne Coulomb frastøtende krefter (for dette må energi brukes for å akselerere disse partiklene til høye hastigheter).
Det vil si at for å utføre kjernefysisk fisjon eller kjernefysisk syntese, må det brukes noe energi.

Når en kjerne er smeltet sammen på korte avstander, begynner kjernekrefter å virke på nukleonene, som får dem til å bevege seg med akselerasjon.
Akselererte nukleoner sender ut gammastråler, som har en energi lik bindingsenergien.

Ved utgangen av en kjernefysisk fisjon eller fusjonsreaksjon frigjøres energi.

Det er fornuftig å utføre kjernefysisk fisjon eller kjernefysisk syntese hvis den resulterende, dvs. energien som frigjøres som følge av fisjon eller fusjon vil være større enn energien som brukes.
I følge grafen kan en energigevinst oppnås enten ved fisjon (splitting) av tunge kjerner, eller ved fusjon av lette kjerner, som er det som gjøres i praksis.

MASSEDEFEKT

Målinger av massene til kjernene viser at massen til kjernen (Mn) alltid er mindre enn summen av hvilemassene til de frie nøytronene og protonene som utgjør den.

Under kjernefysisk fisjon: massen til kjernen er alltid mindre enn summen av hvilemassene til de frie partiklene som dannes.

Under kjernefysisk syntese: massen til den resulterende kjernen er alltid mindre enn summen av hvilemassene til de frie partiklene som dannet den.

Massedefekten er et mål på bindingsenergien til en atomkjerne.

Massedefekten er lik forskjellen mellom den totale massen av alle nukleoner i kjernen i fri tilstand og massen til kjernen:

der Mya er massen til kjernen (fra oppslagsboken)
Z – antall protoner i kjernen
mp – hvilemasse av et fritt proton (fra oppslagsboken)
N – antall nøytroner i kjernen
mn - hvilemasse til et fritt nøytron (fra oppslagsboken)

En reduksjon i masse under dannelsen av en kjerne betyr at energien til systemet av nukleoner avtar.

Massen til kjernen m i er alltid mindre enn summen av massene til partiklene som er inkludert i den. Dette skyldes det faktum at når nukleoner kombineres til en kjerne, frigjøres bindingsenergien til nukleoner med hverandre. Hvileenergien til en partikkel er relatert til dens masse ved forholdet E 0 =mc 2. Følgelig er energien til en kjerne i hvile mindre enn den totale energien til samvirkende nukleoner i hvile med mengden
E St = c2 (-mi).
Denne verdien er bindingsenergi av nukleoner i kjernen Det er lik arbeidet som må gjøres for å skille nukleonene som danner kjernen og fjerne dem fra hverandre på slike avstander at de praktisk talt ikke samhandler med hverandre.
Omfanget
Δ=-n i
kalt kjernemassedefekt.Massedefekten er relatert til bindingsenergien ved relasjonen
Δ=E St/c 2.
La oss beregne bindingsenergien til nukleoner i 2 He 4-kjernen, som inneholder 2 protoner og 2 nøytroner.
Massen til 2 He 4-atomet er 4,00260 amu. som tilsvarer 3728,0 MeV Massen til 1 H 1 atomet er 1,00815 amu. Nøytronmassen er 939,57 MeV. Ved å erstatte disse mengdene i formelen ovenfor får vi
E lys =(2*938,7+2*939,5)-3728,0=24,8 MeV.
Beregnet per nukleon er bindingsenergien til en heliumkjerne 7,1 MeV Til sammenligning påpeker vi at bindingsenergien til valenselektroner i atomer har en verdi 10 6 mindre (ca. 10 eV). omtrent samme verdi, som helium.
De sterkest bundne nukleonene er i kjerner med massetall i størrelsesorden 50-60 (dvs. for elementer fra Cr til Zn når bindingsenergien til disse kjernene 8,7 MeV/kjerne Med økende A, den spesifikke bindingsenergien gradvis avtar; for det tyngste naturlige grunnstoffet, uran, er det 7,5 MeV/nukleon.
Denne avhengigheten av den spesifikke energien til massetallet gjør to prosesser energisk mulig:
1) oppdeling av tunge kjerner i flere lettere kjerner
2) fusjon (syntese) av lette kjerner til en.
Begge prosessene er ledsaget av frigjøring av en enorm mengde energi. For eksempel, når deuterium og tritiumkjerner smelter sammen, frigjøres 17,6 MeV energi, og når karbondioksid CO 2 dannes fra C- og O 2-atomer, energi i størrelsesorden. på 5 MeV er utgitt.
Kjerner med et massenummer A fra 50 til 60 er energimessig gunstigere I denne forbindelse oppstår spørsmålet: hvorfor er kjerner med andre verdier av A stabile For å dele en tung kjerne må passere gjennom en serie mellomtilstander, hvis energi overstiger energien til grunntilstanden til kjernen. Følgelig krever prosessen med kjernefysisk fisjon ekstra energi (aktiveringsenergi), som deretter går tilbake, og legger til energien som frigjøres under fisjon. på grunn av en endring i bindingsenergi Under normale forhold har kjernen ingen steder å hente energi fra aktivering, som et resultat av at tunge kjerner ikke gjennomgår spontan fisjon.
Prosessen med fisjon av uran- eller plutoniumkjerner under påvirkning av nøytroner fanget av kjernene ligger til grunn for driften av atomreaktorer og en konvensjonell atombombe.
Når det gjelder lette kjerner, for at de skal smelte sammen til en kjerne, må de nærme seg hverandre på svært nær avstand (10 -15 m) En slik tilnærming av kjerner forhindres av Coulomb-frastøtingen mellom dem kjerner må bevege seg med enorme hastigheter tilsvarende temperaturer i størrelsesorden flere hundre millioner Kelvin.
Av denne grunn kalles prosessen med syntese av lette kjerner termonukleær reaksjon
Slike reaksjoner forekommer i dypet av solen og andre stjerner. Under jordiske forhold har det så langt blitt utført ukontrollerte termonukleære reaksjoner under eksplosjonen av hydrogenbomber fusjon.

For å bryte en kjerne i separate (frie) nukleoner som ikke samhandler med hverandre, er det nødvendig å gjøre arbeid for å overvinne kjernekrefter, det vil si å gi en viss energi til kjernen. Tvert imot, når frie nukleoner kombineres til en kjerne, frigjøres den samme energien (i henhold til loven om bevaring av energi).

Minimumsenergien som kreves for å splitte en kjerne i individuelle nukleoner kalles den nukleære bindingsenergien

Hvordan kan man bestemme verdien av bindingsenergien til en kjerne?

Den enkleste måten å finne denne energien på er basert på anvendelsen av loven om forholdet mellom masse og energi, oppdaget av den tyske forskeren Albert Einstein i 1905.

Albert Einstein (1879-1955)
Tysk teoretisk fysiker, en av grunnleggerne av moderne fysikk. Oppdaget loven om forholdet mellom masse og energi, skapte de spesielle og generelle relativitetsteoriene

I henhold til denne loven er det et direkte proporsjonalt forhold mellom massen m til et partikkelsystem og resten av energien, dvs. den indre energien E 0 til dette systemet:

hvor c er lysets hastighet i vakuum.

Hvis hvileenergien til et system av partikler som et resultat av noen prosesser endres med verdien ΔE 0 1, vil dette innebære en tilsvarende endring i massen til dette systemet med verdien Δm, og forholdet mellom disse mengdene vil bli uttrykt av likestillingen:

ΔE 0 = Δmс 2.

Når frie nukleoner smelter sammen til en kjerne, som et resultat av frigjøring av energi (som blir båret bort av fotonene som sendes ut under denne prosessen), bør massen til nukleonene også avta. Med andre ord, massen til en kjerne er alltid mindre enn summen av massene til nukleonene den består av.

Mangelen på kjernefysisk masse Δm sammenlignet med den totale massen av dens konstituerende nukleoner kan skrives som følger:

Δm = (Zm p + Nm n) - Mi,

der M i er massen til kjernen, Z og N er antall protoner og nøytroner i kjernen, og m p og m n er massene til det frie protonet og nøytronet.

Mengden Δm kalles massedefekten. Tilstedeværelsen av en massedefekt bekreftes av en rekke eksperimenter.

La oss for eksempel beregne bindingsenergien ΔE 0 til kjernen til et deuterium (tungt hydrogen) atom, bestående av ett proton og ett nøytron. Med andre ord, la oss beregne energien som kreves for å dele en kjerne i et proton og et nøytron.

For å gjøre dette bestemmer vi først massedefekten Δm til denne kjernen, ved å ta de omtrentlige verdiene av massene av nukleoner og massen til kjernen til deuteriumatomet fra de tilsvarende tabellene. I følge tabelldataene er protonmassen omtrent 1,0073 a. e.m., nøytronmasse - 1,0087 a. e.m., massen til deuteriumkjernen er 2,0141 f.m. a.m. Så, Δm = (1.0073 a.u.m. + 1.0087 a.u.m.) - 2.0141 a.u. e.m. = 0,0019 a. spise.

For å få bindingsenergien i joule må massedefekten uttrykkes i kilo.

Med tanke på at 1a. e.m. = 1,6605 10 -27 kg, vi får:

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

Ved å erstatte denne verdien av massedefekten med formelen for bindingsenergi får vi:

Energien som frigjøres eller absorberes under eventuelle kjernereaksjoner kan beregnes hvis massene av interagerende kjerner og partikler dannet som et resultat av denne interaksjonen er kjent.

Spørsmål

Hva er bindingsenergien til en kjerne?
Skriv ned formelen for å bestemme massedefekten til en hvilken som helst kjerne.
Skriv ned formelen for å beregne bindingsenergien til en kjerne.

1 Den greske bokstaven Δ («delta») betegner vanligvis en endring i den fysiske mengden hvis symbol innledes med denne bokstaven.

Atomkjerner er sterkt bundne systemer av et stort antall nukleoner. For å splitte kjernen fullstendig i dens komponentdeler og fjerne dem i store avstander fra hverandre, er det nødvendig å bruke en viss mengde arbeid A. Bindingsenergi er energien lik arbeidet som må gjøres for å splitte kjernen til fri. nukleoner E-bindinger = - A I følge bevaringsloven er bindingsenergien samtidig lik energien som frigjøres under dannelsen av en kjerne fra individuelle frie nukleoner. Spesifikk bindingsenergi er bindingsenergien per nukleon.

MASSEFFEKT Målinger av atommasser viser at atommassen (Nm) alltid er mindre enn summen av hvilemassene til de frie nøytronene og protonene som utgjør den. Under kjernefysisk fisjon: massen til kjernen er alltid mindre enn summen av hvilemassene til de frie partiklene som dannes. Under kjernefysisk syntese: massen til den resulterende kjernen er alltid mindre enn summen av hvilemassene til de frie partiklene som dannet den.

Massedefekten er et mål på bindingsenergien til en atomkjerne. Massedefekten er lik forskjellen mellom den totale massen av alle nukleoner i kjernen i fri tilstand og massen til kjernen:

der Мa er massen til kjernen (fra oppslagsboken) Z er antall protoner i kjernen mp er hvilemassen til et fritt proton (fra oppslagsboken) N er antall nøytroner i kjernen mn er hvilemasse av et fritt nøytron (fra oppslagsboken) En reduksjon i masse under dannelsen av en kjerne betyr at når dette reduserer energien til nukleonsystemet.

Atomkjerne- den sentrale delen av atomet, der hoveddelen av massen er konsentrert (mer enn 99,9%). Kjernen er positivt ladet ladningen til kjernen bestemmes av det kjemiske elementet som atomet tilhører. Dimensjonene til kjernene til forskjellige atomer er flere femtometer, som er mer enn 10 tusen ganger mindre enn størrelsen på selve atomet.

Kjernefysikk studerer atomkjerner.

Atomkjernen består av nukleoner – positivt ladede protoner og nøytrale nøytroner, som er forbundet med hverandre gjennom sterk interaksjon. Protonet og nøytronet har sitt eget vinkelmoment (spinn) lik [sn 1] og et tilhørende magnetisk moment.

Atomkjernen, betraktet som en klasse av partikler med et visst antall protoner og nøytroner, kalles vanligvis nuklid.

Antall protoner i en kjerne kalles ladningstallet - dette tallet er lik atomnummeret til grunnstoffet som atomet tilhører, i det periodiske systemet. Antall protoner i kjernen bestemmer strukturen til elektronskallet til et nøytralt atom og dermed de kjemiske egenskapene til det tilsvarende elementet. Antall nøytroner i en kjerne kalles dens isotopisk tall. Kjerner med samme antall protoner og forskjellig antall nøytroner kalles isotoper. Kjerner med samme antall nøytroner, men forskjellig antall protoner kalles isotoner. Begrepene isotop og isoton brukes også for å referere til atomer som inneholder disse kjernene, samt for å karakterisere ikke-kjemiske varianter av et enkelt kjemisk element. Det totale antallet nukleoner i en kjerne kalles dens massetall () og er omtrent lik den gjennomsnittlige massen til et atom vist i det periodiske systemet. Nuklider med samme massetall, men forskjellig proton-nøytronsammensetning kalles vanligvis isobarer.

Som ethvert kvantesystem kan kjerner være i en metastabil eksitert tilstand, og i noen tilfeller beregnes levetiden til en slik tilstand i år. Slike eksiterte tilstander av kjerner kalles nukleære isomerer.

22. Kontakt mellom to metaller. Termoelektriske fenomener. Termoelektriske fenomener

et sett med fysiske fenomener forårsaket av forholdet mellom termiske og elektriske prosesser i metaller og halvledere. T. I. er Seebeck-, Peltier- og Thomson-effektene. Seebeck-effekt består i at i en lukket krets som består av forskjellige ledere, oppstår det en emf (termokraft) dersom kontaktpunktene holdes ved forskjellige temperaturer. I det enkleste tilfellet, når en elektrisk krets består av to forskjellige ledere, kalles det Termoelement ohm , eller termoelement (se Termoelement). Størrelsen på termokraften avhenger bare av temperaturen på den varme T 1 og kaldt T 2 kontakter og fra materialet til lederne. I et lite temperaturområde, termokraft E kan betraktes som proporsjonal med forskjellen ( T 1 – T 2), altså E= α (T 1 –T 2). Koeffisient α kalles den termoelektriske evnen til paret (termokraft, termokraftkoeffisient eller spesifikk termokraft). Det bestemmes av materialene til lederne, men avhenger også av temperaturområdet; i noen tilfeller skifter α fortegn med en endring i temperaturen. Tabellen viser verdiene til a for noen metaller og legeringer i forhold til Pb for temperaturområdet 0-100 °C (positivt fortegn α tilordnet de metallene som strømmen flyter gjennom det oppvarmede krysset). Tallene gitt i tabellen er imidlertid vilkårlige, siden materialets termokraft er følsom for mikroskopiske mengder urenheter (noen ganger utover følsomheten til kjemisk analyse), for orienteringen av krystallkorn, og termisk eller til og med kaldbehandling av materialet . Metoden for å avvise materialer basert på sammensetning er basert på denne egenskapen til termokraft. Av samme grunn kan termokraft oppstå i en krets som består av samme materiale i nærvær av temperaturforskjeller, hvis forskjellige deler av kretsen har vært utsatt for forskjellige teknologiske operasjoner. På den annen side endres ikke emf til et termoelement når et hvilket som helst antall andre materialer kobles i serie i kretsen, hvis de ekstra kontaktpunktene som vises i dette tilfellet opprettholdes ved samme temperatur.

Hvis metaller bringes i kontakt (kontakt skapes mellom dem), kan ledningselektroner bevege seg fra en leder til en annen ved kontaktpunktet. Arbeidsfunksjonen avtar med økende Fermi-energi. For å forstå fenomenene i metall-metall-overgangen er det nødvendig å ta hensyn til at Fermi-energien avhenger av konsentrasjonen av frie elektroner i ledningsbåndet - jo høyere elektronkonsentrasjon, jo høyere Fermi-energi. Dette betyr at når en overgang dannes ved metall-metall-grensesnittet, er konsentrasjonen av frie elektroner på forskjellige sider av grensen forskjellig - den er høyere på metallsiden (1) med høyere Fermi-energi. Endringen i elektronkonsentrasjon fra til skjer i et bestemt område nær grensesnittet mellom metaller, som kalles overgangslaget (Figur 8.7.3). Endringen i elektrisk feltpotensial ved overgangen er vist i figur 8.7.4. Under dannelsen av overgangen endres Fermi-energiene i metallene ved grensen. Et metall med høyere Fermi-energi blir positivt ladet og dermed øker arbeidsfunksjonen til det metallet

21. Iboende og urenhetsledningsevne til halvledere. P-type og n-type ledningsevne. P-n kontakt av to halvledere. I indre halvledere er antallet elektroner og hull som oppstår når bindinger brytes det samme, dvs. Konduktiviteten til iboende halvledere leveres likt av frie elektroner og hull. Konduktivitet av urenhetshalvledere Hvis en urenhet med en valens som er større enn den til den opprinnelige halvlederen introduseres i en halvleder, dannes en donorhalvleder (For eksempel når femverdig arsen introduseres i en silisiumkrystall. En av de fem valenselektronene. arsen forblir fritt). I en donorhalvleder er elektroner de fleste ladningsbærere og hull er minoritetsladningsbærere. Slike halvledere kalles n-type halvledere, og ledningsevnen er elektronisk. (For eksempel når du introduserer trivalent indium i en silisiumkrystall. Hvert indiumatom mangler ett elektron for å danne en parelektronbinding med et av de nærliggende silisiumatomene. Hver av disse ufylte bindingene er et hull). I akseptorhalvledere er hull de fleste ladningsbærere og elektroner er minoritetsladningsbærere. Slike halvledere kalles p-type halvledere, og konduktiviteten er hull. Femverdige urenhetsatomer kalles givere: de øker antallet frie elektroner. Hvert atom av en slik urenhet legger til ett ekstra elektron. I dette tilfellet dannes det ingen ekstra hull. Et urenhetsatom i strukturen til en halvleder blir til et stasjonært positivt ladet ion. Konduktiviteten til halvlederen vil nå hovedsakelig bestemmes av antall frie urenhetselektroner. Generelt kalles denne typen ledningsevne ledningsevne n– type, og selve halvlederen er en halvleder n-type Når en trivalent urenhet introduseres, viser en av halvlederens valensbindinger seg å være ufylt, noe som tilsvarer dannelsen av et hull og et stasjonært negativt ladet urenhet. Dermed øker hullkonsentrasjonen i dette tilfellet. Urenheter av denne typen kalles akseptere og, og konduktivitet på grunn av introduksjonen av en akseptorurenhet kalles konduktivitet R-type. Denne typen halvleder kalles en halvleder R-type.

20. Båndteori om faste stoffer. Metaller, dielektriske og halvledere.

Båndteori om faste stoffer- kvantemekanisk teori om elektronbevegelse i et fast stoff.

I følge kvantemekanikken kan frie elektroner ha hvilken som helst energi - energispekteret deres er kontinuerlig. Elektroner som tilhører isolerte atomer har visse diskrete energiverdier. I et fast stoff er energispekteret til elektroner betydelig forskjellig, det består av separate tillatte energisoner, atskilt av soner med forbudte energier.

Dielektrisk(isolator) - et stoff som praktisk talt ikke leder elektrisk strøm. Konsentrasjonen av frie ladningsbærere i dielektrikumet overstiger ikke 10 8 cm −3. Hovedegenskapen til et dielektrikum er dets evne til å polarisere i et eksternt elektrisk felt. Fra synspunktet til båndteorien om faste stoffer er et dielektrikum et stoff med et båndgap større enn 3 eV. Halvledere - en halvleder skiller seg fra et dielektrikum bare ved at bredden Δ av båndgapet som skiller valensbåndet fra ledningsbåndet er mye mindre (ti titalls ganger). På T= 0, er valensbåndet i en halvleder, som i et dielektrikum, fullstendig fylt, og strømmen kan ikke flyte gjennom prøven. Men på grunn av at energien Δ er liten, selv med en liten økning i temperaturen, kan noen elektroner bevege seg inn i ledningsbåndet (fig. 3). Da vil elektrisk strøm i stoffet bli mulig, og gjennom to "kanaler" samtidig.

For det første, i ledningsbåndet, beveger elektroner seg energi i det elektriske feltet til høyere energinivåer. For det andre kommer bidraget til den elektriske strømmen fra... tomme nivåer igjen i valensbåndet av elektroner som har gått til ledningsbåndet. Faktisk lar Pauli-prinsippet ethvert elektron okkupere et ledig nivå i valensbåndet. Men etter å ha okkupert dette nivået, lar det sitt eget nivå være fritt osv. Hvis du ikke følger elektronenes bevegelse gjennom nivåene i valensbåndet, men selve bevegelsen til de tomme nivåene, så viser det seg at disse nivåene, som har det vitenskapelige navnet hull, også bli nåværende transportører. Antall hull er åpenbart lik antall elektroner som har gått inn i ledningsbåndet (det s.k. ledningselektroner), men hull har en positiv ladning fordi et hull er et manglende elektron.

Metaller - Elektroner i metaller "glemmer" til slutt deres atomære opprinnelse, nivåene deres danner en veldig bred sone. Det fylles alltid bare delvis (antall elektroner er mindre enn antall nivåer) og kan derfor kalles ledningsbåndet (fig. 6). Det er klart det i metaller kan strømmen flyte selv ved null temperatur. Ved å bruke kvantemekanikk kan det dessuten bevises at i ideelt metall(hvis gitteret ikke har noen defekter) kl T= 0 strøm må flyte uten motstand [2]!

Dessverre er det ingen ideelle krystaller, og null temperatur kan ikke oppnås. I virkeligheten mister elektroner energi ved å samhandle med vibrerende gitteratomer, så Motstanden til ekte metall øker med temperaturen(i motsetning til halvledermotstand). Men det viktigste er at ved enhver temperatur er den elektriske ledningsevnen til et metall betydelig høyere enn den elektriske ledningsevnen til en halvleder fordi metallet inneholder mange flere elektroner som er i stand til å lede elektrisk strøm.

19. Molekyl. Kjemiske bindinger. Molekylspektra. Absorpsjon av lys. Spontan og stimulert emisjon. Optiske kvantegeneratorer.

Molekyl- en elektrisk nøytral partikkel dannet av to eller flere atomer forbundet med kovalente bindinger, den minste partikkelen av et kjemisk stoff.

Kjemisk forbindelse er interaksjonen mellom to atomer utført ved å utveksle elektroner. Når en kjemisk binding dannes, har atomer en tendens til å erverve et stabilt ytre skall med åtte elektroner (eller to elektroner), tilsvarende strukturen til atomet til den nærmeste inerte gassen. Følgende typer kjemiske bindinger skilles ut: kovalent(polar og ikke-polar; utveksling og donor-akseptor), ionisk, hydrogen Og metall.

MOLEKYLÆRE SPEKTRA- absorpsjon, emisjon eller spredningsspektra som oppstår under kvanteoverganger av molekyler fra samme energi. sier til en annen. M. s. bestemt av sammensetningen av molekylet, dets struktur, kjemikaliets natur. kommunikasjon og samhandling med eksterne felt (og derfor med atomene og molekylene som omgir det). Naib. karakteristiske er M. s. sjeldne molekylære gasser, når det ikke er noen utvidelse av spektrallinjer ved trykk: et slikt spektrum består av smale linjer med en Doppler-bredde. ABSORPSJON SVETA- reduksjon i optisk intensitet. stråling når den passerer gjennom en celle. miljø på grunn av interaksjon med det, som et resultat av at lysenergi omdannes til andre typer energi eller til optisk energi. stråling av annen spektral sammensetning. Grunnleggende P.s lov om intensitet Jeg lysstråle som passerer gjennom et lag av absorberende middels tykt l med intensiteten til den innfallende strålen Jeg 0, er Bouguers lov koeffisient uavhengig av lysintensitet. kalt absorpsjonsindeks, og er som regel forskjellig for forskjellige bølgelengder. Denne loven ble eksperimentelt etablert av P. Bouguer (P. Bouguer, 1729) og deretter teoretisk utledet av I. Lambert (J. N. Lambert, 1760) under svært enkle antagelser. når Når den passerer gjennom et hvilket som helst lag av materie, reduseres intensiteten av lysstrømmen med en viss brøkdel, avhengig av tykkelsen på laget l, dvs. dI/l =

Prosessen med emisjon av en elektromagnetisk bølge fra et atom kan være av to typer: spontan og tvungen. Ved spontan emisjon beveger et atom seg fra et høyere energinivå til et lavere spontant, uten ytre påvirkninger på atomet. Spontan emisjon av et atom skyldes kun ustabiliteten til dets øvre (eksiterte) tilstand, som et resultat av at atomet før eller siden blir frigjort fra eksitasjonsenergi ved å sende ut et foton. Ulike atomer avgir spontant, d.v.s. uavhengig av hverandre, og genererer fotoner som forplanter seg i forskjellige retninger, har forskjellige faser og polarisasjonsretninger. Derfor er spontan utslipp usammenhengende. Stråling kan også oppstå hvis en elektromagnetisk bølge med en frekvens ν virker på et eksitert atom, og tilfredsstiller forholdet hν=Em-En, der Em og En er energiene til atomets kvantetilstander (frekvensen ν kalles resonant) . Den resulterende strålingen stimuleres. Hver handling av stimulert emisjon involverer to fotoner. En av dem, som forplanter seg fra en ekstern kilde (en ekstern kilde for det aktuelle atomet kan også være et naboatom), påvirker atomet, som et resultat av at et foton sendes ut. Begge fotonene har samme retning for forplantning og polarisering, samt samme frekvenser og faser. Det vil si at stimulert utslipp alltid er koherent med den som tvinger. Optiske kvantegeneratorer (OQGs) eller lasere er de eneste

kilder til kraftig monokromatisk lys. Prinsippet om lysforsterkning med

bruk av atomsystemer ble først foreslått i 1940 av V.A. Produsent.

Imidlertid begrunnelse for muligheten for å lage et optisk kvante

generator ble gitt først i 1958 av C. Townes og A. Shavlov basert på

prestasjoner i utviklingen av kvanteenheter i radioområdet. Først

optisk kvantegenerator ble realisert i I960 Det var en laser med

rubinkrystall som virkestoff. Skaper en inversjon

befolkningen i den ble utført ved metoden for tre-nivå pumping,

vanligvis brukt i paramagnetiske kvanteforsterkere.

18. Kvanteteori om elektrisk ledningsevne.

Kvanteteori om elektrisk ledningsevne av metaller - teori om elektrisk ledningsevne, basert på kvantemekanikk og kvantestatistikk fra Fermi - Dirac, - revurderte spørsmålet om den elektriske ledningsevnen til metaller, vurdert i klassisk fysikk. Beregning av metallers elektriske ledningsevne, utført på grunnlag av denne teorien, fører til et uttrykk for den spesifikke elektriske ledningsevnen til metallet, som i utseende ligner den klassiske formelen (103.2) for g, men har et helt annet fysisk innhold. Her P - konsentrasjon av ledningselektroner i metallet, b l Fс er den gjennomsnittlige frie banen til et elektron som har Fermi-energi, b u F ñ - gjennomsnittshastigheten for termisk bevegelse til et slikt elektron.

Konklusjonene som er oppnådd på grunnlag av formel (238.1) er helt i samsvar med eksperimentelle data. Spesielt kvanteteorien om elektrisk ledningsevne til metaller forklarer avhengigheten av spesifikk ledningsevne på temperatur: g ~ 1/T(Klassisk teori gir det g ~1/), så vel som unormalt store verdier (i størrelsesorden hundrevis av gitterperioder) av den gjennomsnittlige frie banen til elektroner i metallet.

17. Varmekapasitet til faste stoffer. Som en modell av et fast legeme, la oss se på et riktig konstruert krystallgitter, ved hvilke noder partikler (atomer, ioner, molekyler), tatt som materielle punkter, svinger rundt deres likevektsposisjoner - gitternoder - i tre gjensidig vinkelrette retninger . Dermed er hver partikkel som utgjør krystallgitteret tildelt tre vibrasjonsgrader av frihet, som hver, i henhold til loven om likefordeling av energi blant frihetsgrader, har energien kT.

Den indre energien til en mol av et fast stoff

Hvor N EN - Avogadros konstant; N EN k= R (R - molar gasskonstant). Molar varmekapasitet til et fast stoff

dvs. molar (atomær) varmekapasitet kjemisk enkle legemer i krystallinsk

Varmekapasitet, mengden varme som forbrukes for å endre temperaturen med 1°C. I henhold til en strengere definisjon, Varmekapasitet- termodynamisk mengde bestemt av uttrykket:

hvor Δ Q- mengden varme som tilføres systemet og forårsaker at temperaturen endres av Delta T. Finitt forskjellsforhold Δ Q/ΔТ kalles gjennomsnitt Varmekapasitet, forholdet mellom uendelig små mengder d Q/dT- sant Varmekapasitet. Siden d Q er ikke en fullstendig differensial av tilstandsfunksjonen, da Varmekapasitet avhenger av overgangsveien mellom to tilstander i systemet. Skille Varmekapasitet systemet som helhet (J/K), spesifikt Varmekapasitet[J/(g K)], molar Varmekapasitet[J/(mol K)]. Alle formlene nedenfor bruker molare mengder Varmekapasitet.

16. Degenerering av et system av partikler.

Degenerasjon i kvantemekanikk ligger i det faktum at en viss mengde f, som beskriver et fysisk system (atom, molekyl, etc.) har samme betydning for forskjellige tilstander i systemet. Antallet slike forskjellige tilstander som tilsvarer samme verdi f, kalles multiplisiteten av V. av en gitt mengde. DEGENERERING i kvanteteori - eksistensen av ulike. tilstander i et kvantesystem, der det er visse fysiske tilstander. omfanget EN tar de samme verdiene. Operatoren som tilsvarer en slik verdi har et sett med lineært uavhengige egenfunksjoner som tilsvarer én egenfunksjon. betydning EN. Antall TIL kalt mangfold av degenerasjon av riktig. verdier EN, det kan være endelig eller uendelig; k kan ta på seg en diskret eller kontinuerlig serie med verdier. Med uendelig mangfold (kontinuum potenser) er degenerert, for eksempel riktig. verdiene til operatøren for fri partikkelenergi i alle mulige momentumretninger (T og -masse og energi til partikkelen).

15. Prinsippet om partikkelidentitet. Fermioner og bosoner. Distribusjonsfunksjoner for bosoner og fermioner.

Fermioner og bosoner. Distribusjonsfunksjoner for bosoner og fermioner. Boson(fra etternavnet til fysikeren Bose) - en partikkel med en heltallsspinnverdi. Begrepet ble laget av fysikeren Paul Dirac. Bosoner, i motsetning til fermioner, adlyder Bose-Einstein-statistikk, som lar et ubegrenset antall identiske partikler eksistere i en kvantetilstand. Systemer av mange bosoner er beskrevet av bølgefunksjoner som er symmetriske med hensyn til partikkelpermutasjoner. Det er elementære og sammensatte bosoner.

Elementære bosoner er kvanter av målefelt, ved hjelp av hvilke samspillet mellom elementære fermioner (leptoner og kvarker) i standardmodellen utføres. Disse målebosonene inkluderer:

foton (elektromagnetisk interaksjon),

gluon (sterk interaksjon)

W ± og Z bosoner (svak interaksjon).

Fermion- en partikkel (eller kvasipartikkel) med et halvt heltalls spinnverdi. De fikk navnet sitt til ære for fysikeren Enrico Fermi.

Eksempler på fermioner: kvarker (de danner protoner og nøytroner, som også er fermioner), leptoner (elektroner, muoner, tauleptoner, nøytrinoer), hull (kvasipartikler i en halvleder).

Fermioner adlyder Fermi-Dirac-statistikk: ikke mer enn én partikkel kan eksistere i en kvantetilstand (Pauli-prinsippet). Pauli-eksklusjonsprinsippet er ansvarlig for stabiliteten til elektronskallene til atomer, noe som gjør eksistensen av komplekse kjemiske elementer mulig. Det tillater også eksistensen av degenerert materie under høyt trykk (nøytronstjerner). Bølgefunksjonen til et system med identiske fermioner er antisymmetrisk med hensyn til permutasjonen av to fermioner. Et kvantesystem som består av et oddetall fermioner er i seg selv en fermion (for eksempel en kjerne med et oddetall EN; atom eller ion med oddetall EN og antall elektroner).

Distribusjonsfunksjoner for fermioner og bosoner kan enkelt oppnås innenfor rammen av et stort kanonisk ensemble, ved å velge som delsystem settet av alle partikler som befinner seg i en gitt kvantetilstand L. Energien til systemet i denne tilstanden er = Uttrykket for termodynamisk potensial har formen

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

For fermioner = 0, 1; Derfor

PL = -kT In]. (3.1)

For bosoner N^ = 0, 1, 2, ... Ved å finne summen av en uendelig geometrisk progresjon får vi

fy = W In ] . (3.2)

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

<"А>- f(ex) = Derfor, ved å bruke (3.1) og (3.2) har vi

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

Plusstegnet refererer til fermioner, minustegnet til bosoner. Kjemisk potensial /1 bestemmes fra tilstanden for normalisering av distribusjonsfunksjoner:

$expL(eA-»i)V)J + 1 = N" (3"4)

hvor N er det totale antallet partikler i systemet. Ved å introdusere tettheten av tilstander p(e), kan vi omskrive likhet (3.4) i formen

N = Jde р(е) f(e). (3,5)

Ved å studere sammensetningen av materie kom forskerne til den konklusjon at all materie består av molekyler og atomer. I lang tid ble atomet (oversatt fra gresk som "udelelig") ansett som den minste strukturelle enheten av materie. Videre forskning viste imidlertid at atomet har en kompleks struktur og i sin tur inkluderer mindre partikler.

Hva består et atom av?

I 1911 foreslo forskeren Rutherford at atomet har en sentral del med positiv ladning. Slik oppsto begrepet atomkjernen først.

I følge Rutherfords skjema, kalt planetmodellen, består atomet av en kjerne og elementærpartikler med negativ ladning – elektroner som beveger seg rundt kjernen, akkurat som planetene går i bane rundt solen.

I 1932 oppdaget en annen forsker, Chadwick, nøytronet, en partikkel som ikke har noen elektrisk ladning.

I følge moderne ideer tilsvarer kjernen planetmodellen foreslått av Rutherford. Kjernen bærer det meste av atommassen. Den har også en positiv ladning. Atomkjernen inneholder protoner – positivt ladede partikler og nøytroner – partikler som ikke bærer en ladning. Protoner og nøytroner kalles nukleoner. Negativt ladede partikler – elektroner – beveger seg i bane rundt kjernen.

Antall protoner i kjernen er lik de som beveger seg i bane. Derfor er selve atomet en partikkel som ikke bærer en ladning. Hvis et atom får elektroner fra andre eller mister sine egne, blir det positivt eller negativt og kalles et ion.

Elektroner, protoner og nøytroner kalles samlet subatomære partikler.

Ladning av atomkjernen

Kjernen har et ladningsnummer Z. Det bestemmes av antall protoner som utgjør atomkjernen. Det er enkelt å finne ut denne mengden: bare slå til Mendeleevs periodiske system. Atomnummeret til grunnstoffet som atomet tilhører er lik antall protoner i kjernen. Således, hvis det kjemiske elementet oksygen har et atomnummer på 8, vil antallet protoner også være åtte. Siden antallet protoner og elektroner i et atom er det samme, vil det også være åtte elektroner.

Antall nøytroner kalles isotopnummeret og er betegnet med bokstaven N. Antallet deres kan variere i et atom av det samme kjemiske elementet.

Summen av protoner og elektroner i kjernen kalles massetallet til atomet og er betegnet med bokstaven A. Dermed ser formelen for beregning av massetallet slik ut: A = Z + N.

Isotoper

Når grunnstoffer har like mange protoner og elektroner, men ulikt antall nøytroner, kalles de isotoper av et kjemisk grunnstoff. Det kan være en eller flere isotoper. De er plassert i samme celle i det periodiske systemet.

Isotoper er av stor betydning i kjemi og fysikk. For eksempel gir en isotop av hydrogen – deuterium – i kombinasjon med oksygen et helt nytt stoff som kalles tungtvann. Den har et annet koke- og frysepunkt enn normalt. Og kombinasjonen av deuterium med en annen isotop av hydrogen, tritium, fører til en termonukleær fusjonsreaksjon og kan brukes til å generere enorme mengder energi.

Masse av kjernen og subatomære partikler

Størrelsen og massen til atomer er ubetydelig i menneskelig oppfatning. Størrelsen på kjernene er omtrent 10 -12 cm Massen til en atomkjerne måles i fysikk i de såkalte atommasseenheter - amu.

For en amu ta en tolvtedel av massen til et karbonatom. Ved å bruke de vanlige måleenhetene (kilogram og gram), kan massen uttrykkes med følgende ligning: 1 amu. = 1,660540·10 -24 g Uttrykt på denne måten kalles den absolutt atommasse.

Til tross for at atomkjernen er den mest massive komponenten i et atom, er størrelsen i forhold til elektronskyen som omgir den ekstremt liten.

Kjernefysiske styrker

Atomkjerner er ekstremt stabile. Dette betyr at protoner og nøytroner holdes i kjernen av en eller annen kraft. Dette kan ikke være elektromagnetiske krefter, siden protoner er likt ladede partikler, og det er kjent at partikler med samme ladning frastøter hverandre. Gravitasjonskrefter er for svake til å holde nukleoner sammen. Følgelig holdes partikler i kjernen av en annen interaksjon - kjernekrefter.

Kjernekraft regnes som den sterkeste av alle som finnes i naturen. Derfor kalles denne typen interaksjon mellom elementene i atomkjernen sterk. Det er tilstede i mange elementærpartikler, akkurat som elektromagnetiske krefter.

Kjennetegn ved kjernefysiske styrker

Kort handling. Kjernekrefter, i motsetning til elektromagnetiske, vises bare på svært små avstander, sammenlignbare med størrelsen på kjernen.
Lading uavhengighet. Denne funksjonen manifesteres i det faktum at atomkrefter virker likt på protoner og nøytroner.
Metning. Nukleonene i kjernen samhandler bare med et visst antall andre nukleoner.

Kjernefysisk bindende energi

En annen ting som er nært knyttet til begrepet sterk interaksjon er bindingsenergien til kjerner. Kjernebindingsenergi refererer til mengden energi som kreves for å splitte en atomkjerne i dens bestanddeler av nukleoner. Det tilsvarer energien som kreves for å danne en kjerne fra individuelle partikler.

For å beregne bindingsenergien til en kjerne, er det nødvendig å kjenne massen til subatomære partikler. Beregninger viser at massen til en kjerne alltid er mindre enn summen av dens konstituerende nukleoner. En massedefekt er forskjellen mellom massen til en kjerne og summen av protoner og elektroner. Ved å bruke forholdet mellom masse og energi (E = mc 2) kan man beregne energien som genereres under dannelsen av en kjerne.

Styrken til bindingsenergien til kjernen kan bedømmes ved følgende eksempel: dannelsen av flere gram helium produserer samme mengde energi som forbrenning av flere tonn kull.

Kjernefysiske reaksjoner

Atomkjernene kan samhandle med kjernene til andre atomer. Slike interaksjoner kalles kjernereaksjoner. Det er to typer reaksjoner.

Fisjonsreaksjoner. De oppstår når tyngre kjerner, som et resultat av interaksjon, forfaller til lettere.
Syntesereaksjoner. Den omvendte prosessen med fisjon: kjerner kolliderer, og danner derved tyngre elementer.

Alle kjernefysiske reaksjoner er ledsaget av frigjøring av energi, som senere brukes i industrien, militæret, energisektoren og så videre.

Etter å ha gjort oss kjent med sammensetningen av atomkjernen, kan vi trekke følgende konklusjoner.

Et atom består av en kjerne som inneholder protoner og nøytroner, og elektroner rundt den.
Massetallet til et atom er lik summen av nukleonene i kjernen.
Nukleoner holdes sammen av sterke interaksjoner.
De enorme kreftene som gir stabilitet til atomkjernen kalles nukleære bindingsenergier.