Опыты Резерфорда
Масса электронов в несколько
тысяч раз меньше массы атомов. Так как
атом в целом нейтрален, то, следовательно,
основная масса атома приходится на его
положительно заряженную часть.
Для экспериментального исследования
распределения положительного заряда,
а значит, и массы внутри атома Резерфорд
предложил в 1906 г. применить зондирование
атома с помощью α-частиц. Эти частицы возникают
при распаде радия и некоторых других
элементов. Их масса примерно в 8000 раз
больше массы электрона, а положительный
заряд равен по модулю удвоенному заряду
электрона. Это не что иное, как полностью
ионизированные атомы гелия. Скорость α-частиц очень велика: она составляет
1/15 скорости света.
Этими частицами Резерфорд
бомбардировал атомы тяжелых элементов.
Электроны вследствие своей малой массы
не могут заметно изменить траекторию α-частицы, подобно тому как камушек
в несколько десятков граммов при столкновении
с автомобилем не в состоянии заметно
изменить его скорость. Рассеяние (изменение
направления движения) α-частиц может вызвать только
положительно заряженная часть атома.
Таким образом, по рассеянию α-частиц можно определить характер
распределения положительного заряда
и массы внутри атома. Схема опытов Резерфорда
показана на рисунке 1.
Радиоактивный препарат, например радий,
помещался внутри свинцового цилиндра
1, вдоль которого был высверлен узкий
канал. Пучок α-частиц из канала
падал на тонкую фольгу 2 из исследуемого
материала (золото, медь и пр.). После рассеяния α-частицы попадали на
полупрозрачный экран 3, покрытый сульфидом
цинка. Столкновение каждой частицы с
экраном сопровождалось вспышкой света
(сцинтилляцией), которую можно было наблюдать
в микроскоп 4. Весь прибор размещался
в сосуде, из которого был откачан воздух.
При хорошем вакууме внутри прибора в
отсутствие фольги на экране возникал
светлый кружок, состоящий из сцинтилляций,
вызванных тонким пучком α-частиц. Но когда
на пути пучка помещали фольгу, α-частицы из-за
рассеяния распределялись на экране по
кружку большей площади. Модифицируя экспериментальную
установку, Резерфорд попытался обнаружить
отклонение α-частиц на большие
углы. Совершенно неожиданно оказалось,
что небольшое число α-частиц (примерно
одна из двух тысяч) отклонилось на углы,
большие 90°. Позднее Резерфорд признался,
что, предложив своим ученикам эксперимент
по наблюдению рассеяния α-частиц на большие
углы, он сам не верил в положительный
результат. «Это почти столь же невероятно,
— говорил Резерфорд, — как если бы вы
выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок
тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы
к вам и нанес вам удар». В самом деле, предвидеть
этот результат на основе модели Томсона
было нельзя. При распределении по всему
атому положительный заряд не может создать
достаточно интенсивное электрическое
поле, способное отбросить а-частицу назад.
Максимальная сила отталкивания определяется
по закону Кулона
a(1+e2/2)
где qα — заряд α-частицы; q — положительный
заряд атома; r — его радиус; k — коэффициент
пропорциональности. Напряженность электрического
поля равномерно заряженного шара максимальна
на поверхности шара и убывает до нуля
по мере приближения к центру. Поэтому,
чем меньше радиус r, тем больше сила, отталкивающаяα-частицы.
F=k|qα||q|r2 , (1)
Определение размеров атомного ядра.
Резерфорд понял, что α-частица могла
быть отброшена назад лишь в том случае,
если положительный заряд атома и его
масса сконцентрированы в очень малой
области пространства. Так Резерфорд пришел
к идее атомного ядра — тела малых размеров,
в котором сконцентрированы почти вся
масса и весь положительный заряд атома.
Планетарная модель
атома Резерфорда
Планетарная модель
атома Резерфорда была дальше развита
и уточнена выдающимся датским ученым
Нильсом Бором в 1913 году. Эта модель позволяла
определить характер движения электронов
вокруг ядра, вид орбит.
Взаимодействующих
ядер с частицами или друг с другом, в результате
которых происходит искуственне превращения
одного химического элемента в другой,
называется ядерными реакциями.
Изучая природу радиоактивного
излучения, английский физик Э.Резерфорд
встанрвив, что оно неоднородно: под действием
электрического поля подидяються на три
пучка, один из которых изменяет своего
первоначального положения, направления,
следовательно, не несет электрического
заряда, - j-проминення (электрические волны)
, а два других отклоняются в противоположные
стороны от зарядов электрического поля.
Это - aпроминня (электрические волны, а
два инших отклоняются) в противоположные
стороны до зарядов электрического поля.
Это - a - излучения (ядра элемента гелия),
и - b - излучения (поток электронов). Изучение
радиоактивности подтвердило сложность
строения атома.
6. клетка любого
организма - целостная живая система.
Вана состоит из трех неразрывно связанных
между собой частей: оболочки, цитоплазмы
и ядра. Клеточная оболочка осуществляет
непосредственное взаимодействие с внешней
средой и взаимодействие с внешним сердовища
и взаимодействие с соседними клетками.
Постулаты
Бора — основные допущения,
сформулированные Нильсом Бором в 1913 году для объяснения закономерности линейчатого спектра атома водорода и водородоподобных ионов (формула Бальмера-Ридберга) и квантового характера испускания
и поглощения света. Бор исходил из планетарной модели атома Резерфорда.
Постулаты[править | править вики-текст]
Модель атома Бора
Атом и атомные системы
могут длительно пребывать только в особенных
стационарных или квантовых состояниях,
каждому из которых отвечает определенная
энергия. В стационарном состоянии атом
не излучает электромагнитных волн.
Излучение света происходит
при переходе электрона из стационарного
состояния с большей энергией в стационарное
состояние с меньшей энергией. Энергия
излученного фотона равна разности энергий
стационарных состояний.
Для получения энергетических
уровней в атоме водорода в рамках модели
Бора записывается второй закон Ньютона для движения электрона по круговой
орбите в полекулоновской силы от притяжения
где m — масса электрона, e — его заряд, Z — количество протонов в ядре
(атомный номер) и k — кулоновская константа, зависящая
от выбора системы единиц. Это соотношение
позволяет выразить скорость электрона
через радиус его орбиты:
Энергия электрона
равна сумме кинетической энергии движения и его потенциальной энергии:
Используя правило
квантования Бора, можно записать:
откуда радиус орбиты
выражается через квантовое число n. Подстановка радиуса
в выражение для энергии даёт:
≈ 13,6 эВ
называется постоянной Ридберга. Она равна энергии связи электрона
в атоме водорода в основном состоянии,
т.е. минимальной энергии, необходимой
для ионизации атома водорода в низшем
(стабильном) энергетическом состоянии.
Спектры излучения и поглощения |
|
|
На рисунке показано, как происходит
излучение атомом света
|
Свет,
излучаемый источником, обычно имеет сложный
состав.
Совокупность частот или длин волн, излучаемых
данным веществом, называют спектром излучения.
|
На
рисунке показаны (стрелками) переходы
электронов с более
высоких энергетических уровней в атоме
на более низкие: при этом атом
излучает энергию. При обратных переходах электронов
атом поглощает свет.
Подробно
об излучении атома будет рассказано в
одной из следующих тем. |
Виды спектров излучения
Линейчатый .
В таком спектре присутствуют только некоторые
частоты.
Каждый атом излучает строго определенный
набор частот.
|
Спектр излучения натрия
|
Полосатый
Состоит
из отдельных цветных полос, разделенных
темными промежутками. Эти полосы представляют
собой совокупность большого числа близко
расположенных линий, сливающихся между
собой.
|
|
Непрерывный или сплошной
В
нем представлены все частоты (длины волн). |
Солнечный спектр
|
Вид спектра зависит от свойств излучающих атомов,
а также от характера взаимодействия их
друг с другом.
В
1815 г. немецкий физик Йозеф Фраунгофер,
исследуя солнечный спектр, обнаружил
на фоне сплошного спектра излучения темные
линии. Аналогичные линии были обнаружены
им при наблюдении спектров Венеры, Сириуса
идругих светил.
Объяснение наличия темных линий в наблюдаемых
спектрах дал в 1859 г. немецкий физик Густав
Кирхгоф: вещества способны не только
излучать, но и поглощать свет.
Спектром поглощения называют набор частот или длин волн,
поглощаемых данным веществом.
Атомы
химических элементов поглощают только
те волны, которые способны сами излучать. |
| |
|
|
|
Спектры излучения и поглощения
— зависимость показателя
поглощения вещества от длины
волны (или частоты,
волнового числа, энергии кванта и т. п.)
излучения. Он связан с энергетическими
переходами в веществе. Для различных
веществ спектры поглощения различны[1].
Исторически первые наблюдения линейчатых оптических
спектров поглощения в спектре Солнца проделал
в 1802 году Волластон,
но не придал открытию значения, поэтому
эти линии были названы «фраунгоферовыми»
в честь другого учёного Фраунгофера,
который детально изучил их в 1814—1815 гг
Спектры Излучения
Непрерывный
(сплошной) спектрдают тела, находящиеся
в твердом состоянии, а также сильно сжатые
газы, нагретые до высокой температуры.
Характер спектра объясняется сильным
взаимодействием отдельных атомов и молекул.
Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном
атомарном (но не молекулярном) состоянии
(свечение паров вещества в пламени или
свечение газового разряда). В этом случае
атомы практически не взаимодействуют
друг с другом, а изолированные атомы излучают
строго определенные длины волн, характерные
для каждого химического элемента.
При увеличении плотности атомарного
газа отдельные спектральные линии расширяются,
и при сильном сжатии газа, когда взаимодействие
атомов становится существенным, эти линии
перекрывают друг друга, образуя сплошной
спектр.
Полосатые спектры дают газы, молекулы которых
слабо связаны друг с другом. При этом
спектр состоит из отдельных полос, разделенных
темными промежутками. Каждая полоса представляет
собой совокупность большого числа очень
тесно расположенных линий, обусловленных
взаимодействием атомов в молекуле.
СОСТАВ И СТРОЕНИЕ
АТОМНЫХ ЯДЕР
Атом
состоит из ядра и окружающего его электронного
"облака". Находящиеся в электронном
облаке электроны несут отрицательный электрический заряд.Протоны, входящие в состав
ядра, несут положительный заряд.
В
любом атоме число протонов в ядре в точности
равно числу электронов в электронном
облаке, поэтому атом в целом – нейтральная
частица, не несущая заряда.
Атом
может потерять один или несколько электронов
или наоборот – захватить чужие электроны.
В этом случае атом приобретает положительный
или отрицательный заряд и называется ионом.
Практически
вся масса атома сосредоточена в его ядре,
так как масса электрона составляет всего
лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность
вещества в ядре фантастически велика
– порядка 1013 - 1014 г/см3. Спичечный коробок, наполненный
веществом такой плотности, весил бы 2,5
миллиарда тонн!
Внешние
размеры атома – это размеры гораздо менее
плотного электронного облака, которое
примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.
Кроме
протонов, в состав ядра большинства атомов
входят нейтроны, не несущие никакого заряда. Масса нейтрона
практически не отличается от массы протона.
Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).
Электроны,
протоны и нейтроны являются главными
"строительными деталями" атомов
и называются субатомными частицами. Их
заряды и массы в кг и в специальных “атомных”
единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице
2-1.
Изото́пы
(от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер)
какого-либо химического
элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый)
номер, но при этом разные массовые числа.
Название связано с тем, что все изотопы
одного атома помещаются в одно и то же
место (в одну клетку) таблицы
Менделеева. Химические
свойства атома зависят от строения электронной
оболочки, которая, в свою очередь, определяется
в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём),
и почти не зависят от его массового
числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют
одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь
числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается
символом химического элемента, к которому
он относится, с добавлением верхнего
левого индекса, означающего массовое
число (например, 12C, 222Rn). Можно также написать название элемента
с добавлением через дефис массового числа
(например, углерод-12, радон-222). Некоторые
изотопы имеют традиционные собственные
названия (например, дейтерий, актинон).
Пример изотопов: 168O, 178O, 188O — три стабильных изотопа кислорода.
Изобары −
атомные ядра, имеющие одинаковое
массовое число A и разные числа нейтронов
N и протонов Z.
A = N + Z.
Ядра-изобары образуются в результате
β+-распада
радиоактивных ядер. Пример:
69Se |
β+ |
69As |
β+ |
69Ge |
β+ |
69Ga |
→ |
→ |
→ |
Естественная радиоактивность
по естественным радиоактивным излучениям
изучается естественная радиоактивность
горных пород, по искусственным радиоактивным
излучениям — характер и интенсивность
взаимодействия нейтронного излучения
и гамма-излучения с горными породами,
их способность сорбировать из активированного
раствора ионы радиоактивных изотопов
или других элементов с аномальными ядерными
свойствами.
СВОЙСТВА
РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Радиоактивные изотопы отличаются
от стабильных тем, что в их атомах происходят
ядерные превращения, в результате которых
освобождается энергия в виде излучений,
и возникают другие элементы. Вследствие
радиоактивного распада количество радиоактивных
атомов данного вещества постепенно убывает.
Радиоактивный распад происходит с постоянной,
присущей каждому изотопу скоростью. Это
объясняется тем, что в единицу времени
распадается определенная доля его атомов.
Интенсивность радиоактивного распада
выражают в периоде полураспада, т. е. в
величине промежутка времени, в течение
которого начальное количество радиоактивного
вещества уменьшится в 2 раза. Каждый радиоактивный
изотоп имеет свой период полураспада.
У одних он очень короток, например у F20
только 10,7 секунды, у J131— 8,1 дня; их называют
короткоживущими изотопами. У других изотопов
период полураспада очень велик, например
у Со60— 5,3 года, у Sr90 —28 лет, у Ra226 — 1590 лет;
их называют долгоживущими. Ускорить или
замедлить радиоактивный распад обычными
средствами нельзя.
Для гигиенических целей знание периода
полураспада радиоактивного изотопа имеет
большое значение. Так, например, если
спецодежда или рабочая поверхность загрязнены
короткоживущими изотопами, то обезвреживание
их не вызывает затруднения, так как начальная
величина загрязнения вскоре значительно
снизится в результате распада.
Кроме периода полураспада, радиоактивные
изотопы отличаются характером и энергией
излучения (табл. 18). Они испускают три
основных вида излучений: альфа (а), бета
(Р) и гамма (у)излучение. Общим свойством
этих радиоактивных излучений является
то, что, проникая в какуюнибудь среду,
они вызывают на своем пути ионизацию
атомов и молекул, составляющих вещество
среды, вследствие чего они получили общее
название ионизирующих излучений.