Урок № 111 Повторення розділу 5 «Квантова фізика»
§ 35 - 42
Фізика і астрономія (рівень стандарту, за навчальною програмою авторського колективу під керівництвом Ляшенка О. І.): підруч. для 11 кл. закладів загальної середньої освіти / Т. М. Засєкіна, Д. О. Засєкін. — К. : УОВЦ «Оріон», 2019. — 272 с. : іл.
На відміну від зрозумілого уявлення про те, що поглинання й випромінювання світлових хвиль відбувається неперервно, Планк припустив, що тіло випромінює світло окремими порціями, які він назвав квантами1 енергії. Енергія кванта пропорційна частоті випромінювання, E = hν. Коефіцієнт пропорційності h дістав назву сталої Планка.
Для виходу із ситуації, коли одні експерименти доводять, що світло поводить себе як хвиля, а інші — як потік частинок, данський фізик Нільс Бор (1885–1962) запропонував принцип доповнюваності, згідно з яким для пояснення природи світла потрібно використовувати й корпускулярні, й хвильові властивості світла — як два складники його природи, що доповнюють один одного. Хвильові й квантові властивості світла не можна протиставляти. Властивості неперервності, характерні для електромагнітного поля світлової хвилі, не виключають властивостей дискретності, характерних для квантів світла — фотонів.
Мінімальну порцію (квант) світлової енергії, яка локалізована в частинці, Альберт Ейнштейн називав фотоном.
Фотоефект — це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, в результаті якого енергія фотонів передається електронам речовини й останні переходять у новий енергетичний стан.
Кількість електронів, що вилітають з поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, (а отже, і фотострум насичення) пропорційна його інтенсивності.
-максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно залежить від частоти опромінення й не залежить від його інтенсивності.
Червона межа фотоефекту визначається лише матеріалом освітлюваного катода й не залежить від його освітленості.
Нільс Бор доповнив планетарну модель атома такими постулатами:
1. Атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних, або квантових, станах, кожному з яких відповідає певна енергія En. У стаціонарному стані електрон рухається по коловій орбіті радіусом r й атом енергію не випромінює (у Нільса Бора йшлося про радіус орбіти електрона, зараз ми говоримо про орбіталі електронів).
2. Перехід атома з одного стаціонарного стану в інший супроводжується випромінюванням або поглинанням фотонів,
Спектральний склад випромінювання різних речовин досить різноманітний. Проте всі спектри можна поділити на три групи: лінійчаті, смугасті та неперервні. Лінійчатий спектр — це оптичне випромінювання поодиноких збуджених атомів, яке виникає завдяки квантовим переходам між електронними рівнями енергії (атомні спектри). Лінійчаті спектри випромінюють усі речовини в газоподібному атомарному (але не молекулярному) стані, причому кожний хімічний елемент дає свій лінійчатий спектр, який не збігається зі спектрами інших елементів Головна властивість лінійчатих спектрів полягає в тому, що довжини хвиль (або частоти) лінійчатого спектра якої-небудь речовини залежать лише від властивостей атомів цієї речовини й зовсім не залежать від способу збудження світіння атомів.
Смугастий спектр має вигляд кольорових смуг, розділених темними проміжками (молекулярні спектри). Утворення молекули з атомів змінює енергетичні рівні зовнішніх електронів, оскільки в молекулі вони взаємодіють один з одним. До того ж, виникають додаткові рівні, що відповідають коливанням атомів й обертанню молекули як цілого. Енергетичні рівні коливального та обертального рухів також квантовані. Таким чином, кожний атомний рівень розчіплюється на низку близьких рівнів. У результаті переходів між цими рівнями й виникає сукупність ліній, що утворює смугу. У неперервному спектрі немає темних проміжків, і на екрані спектрального апарата можна побачити суцільну різнокольорову смугу. Це означає, що в спектрі наявні всі довжини хвиль. Неперервний спектр випромінюють розжарені тверді тіла й розігріті рідини, які перебувають за даної температури у стані термодинамічної рівноваги з випромінюванням. Гази під високим тиском теж можуть випромінювати неперервний спектр. Ця обставина свідчить про те, що існування неперервного спектра зумовлено не тільки властивостями окремих випромінюючих атомів, а й значно залежить від взаємодії атомів між собою.
До складу ядра атома входять частинки двох видів — протони та нейтрони. Протон (позначається р) — стабільна елементарна частинка. З одного протона складається ядро атома Гідрогену. Протон має елементарний позитивний заряд е = 1,6 · 10–19 Кл. Нейтрон (позначається n) — електрично нейтральна частинка. Нейтрон — стабільна частинка лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон — нестабільна частинка, яка розпадається на інші частинки. Нейтрони та протони як складові частини атомного ядра мають спільну назву — нуклони .
Енергія зв’язку ядра Езв визначається роботою, яку потрібно виконати, щоб розділити ядро на окремі частинки й віддалити їх одну від одної на таку відстань, на якій їхньою взаємодією можна нехтувати.
Питомою енергією зв’язку називають енергію зв’язку, яка припадає на один нуклон.
Радіоактивність — це спонтанне перетворення нестійких ізотопів хімічного елемента в ізотопи іншого хімічного елемента, яке супроводжується випусканням певних частинок.
Дослідження методом відхилення в магнітному полі, проведені Марією Склодовською-Кюрі, а згодом й Ернестом Резерфордом, показали, що радіоактивне випромінювання має різний електричний заряд: α-частинки — позитивний, β-частинки — негативний і γ-промені — електрично нейтральні
Основою їх практичного використання є такі їхні властивості:
а) будь-який радіоактивний ізотоп є «міченим» атомом відповідного елемента, тобто атомом, який за фізичними й хімічними властивостями не відрізняється від звичайного атома, однак поведінку якого можна спостерігати за його радіоактивним випромінюванням;
б) будь-яке радіоактивне випромінювання має певну проникну здатність, тобто властивість поширюватись і поглинатись у даному середовищі певним чином;
в) радіоактивні випромінювання йонізують речовину;
г) під дією нейтронів та інших випромінювань великої енергії в речовині утворюється наведена радіоактивність.
Ядерні реакції — процес перетворення атомних ядер унаслідок їх взаємодії з елементарними частинками або з іншими ядрами.
Розрізняють такі типи ядерних реакцій:
1. Реакція захоплення. Ядро поглинає бомбардуючу частинку й перетворюється на нове, масивніше ядро.. Зазвичай у реакціях такого типу нове ядро утворюється в збудженому стані та, випромінивши один або кілька γ-квантів, переходить у нормальний (основний) стан.
2. Поглинання ядром бомбардуючої частинки та випускання новоутвореним ядром однієї або кількох частинок. Прикладом такої реакції може бути реакція. Тут Дейтрон поглинається ядром Берилію, а проміжне ядро, що утворилось, випромінює нейтрон і перетворюється на ядро атома Бору.
3. Поділ ядра. Під дією бомбардування ядер частинками великих енергій можливе розщеплення ядра на кілька частин. Так, наприклад, ядро атома Бору внаслідок бомбардування протонами достатньо великої енергії може розпастись на три α-частинки. Ця реакція відбувається у два етапи. Спочатку вилітає одна α-частинка , але ядро Берилію виявляється сильнозбудженим і розпадається ще на дві α-частинки: . Якщо частинка високої енергії влучає в ядро масивного елемента, останнє може розпастись на велику кількість частинок або на уламки приблизно однакової маси. 4. Реакція синтезу. Це реакція злиття (синтезу) легких атомних ядер у більш важке. Синтез можливий лише за дуже високих температур — порядку 108 K і вищих (тому їх ще називають термоядерними реакціями). Наприклад, синтез Гелію з Дейтерію і Тритію,
Енергетичний вихід ядерної реакції Евих — це енергія, яка виділяється як продукт реакції (або затрачається для здійснення реакції). Вона дорівнює різниці енергій спокою всіх ядер і частинок до та після реакції.
За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: за масою. Легкі частинки — лептони (до них належить електрон), найважчі — адрони (до них належать протони та нейтрони), й особлива частинка — фотон — частинка без маси, яка здатна існувати лише в русі зі швидкістю світла; за видом взаємодії. Для гравітаційної — гравітони1 , для електромагнітної взаємодії — фотони, сильну взаємодію зумовлено глюонами, слабку — векторними бозонами.