атомная физика что такое

Физика атомного ядра

Радиоактивность. Альфа-распад. Бета-распад. Гамма-излучение

Радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений.

Явление естественной радиоактивности открыл в 1896 году французский физик А. Беккерель. Проводя опыты с солями урана, он заметил, что они самопроизвольно испускают лучи неизвестной природы, которые проходят через бумагу, дерево, металлические пластины и делают воздух проводником электричества.

Радиоактивность данного химического элемента не зависит от того, является ли химический элемент чистым или входит в состав какоголибо химического соединения. Радиоактивность не зависит от внешних условий: температуры, освещения, давления. Это означает, что радиоактивность представляет собой внутреннее свойство атомов радиоактивного элемента.

Виды радиоактивных излучений

Излучение радиоактивных веществ имеет сложный характер и состоит из трех видов излучений. Если радиоактивное излучение пропустить через электрическое и магнитное поля, то оно распадается на три части, две из них отклоняются в противоположные стороны, а третий не отклоняется.

При одинаковой энергии частиц разные виды излучений неодинаково взаимодействуют с веществом.

Радиоактивный распад – самопроизвольный распад атомов радиоактивного вещества, в результате которого ядра одних химических элементов превращаются в ядра других химических элементов.

Распадающееся ядро Х называется материнским ядром, ядро продукта распада Y – дочерним ядром.

Правила радиоактивного смещения

Это правила, позволяющие установить, какое ядро возникает в результате распада данного материнского ядра.

​ \( \gamma \) ​-излучение сопровождает ​ \( \alpha \) ​- и ​ \( \beta \) ​-распады, а также возникает при ядерных реакциях, торможении частиц, их распаде и т. д.

Биологическое действие радиоактивных излучений

Методы защиты от внешнего радиоактивного облучения:

Методы защиты от внутреннего радиоактивного облучения:

В дозиметрии различают поглощенную и эквивалентную дозы.

Поглощенная доза равна энергии радиоактивного излучения, поглощенного единицей массы вещества.

Обозначение – ​ \( D \) ​, единица измерения в СИ – грей (Гр).

где ​ \( E \) ​ – энергия излучения; ​ \( m \) ​ – масса вещества.

Для характеристики биологического воздействия на организм используется коэффициент качества излучения ​ \( (k) \) ​, или коэффициент относительной биологической активности.

​ \( k \) ​ = 1 для ​ \( \gamma \) ​-квантов, ​ \( k \) ​ = 3 для тепловых нейтронов, ​ \( k \) ​ = 10 для нейтронов с энергией порядка 0,5 МэВ.

Эквивалентная доза равна произведению коэффициента качества излучения и поглощенной дозы.

Обозначение – ​ \( H \) ​, единица измерения в СИ – зиверт (Зв).

1 зиверт – это эквивалентная доза, при которой поглощенная доза равна 1 Гр при коэффициенте качества, равном 1.

Естественный фон составляет 2 мЗв за год.

Предельно допустимая доза – 5 мЗв за год.

При дозе 0,5 Зв наступает острое лучевое поражение организма.

Допустимая доза облучения за среднее время жизни человека (70 лет) составляет 0,35 Зв.

Закон радиоактивного распада

Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.

Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.

В начальный момент времени ​ \( t \) ​ = 0, число атомных ядер ​ \( N_0 \) ​.

Через промежуток времени, равный периоду полураспада ​ \( t=T_ <1>\) ​, число атомных ядер ​ \( N=\frac <2>\) ​.

где ​ \( N \) ​ – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени ​ \( t \) ​; ​ \( N_0 \) ​ – начальное число атомных ядер; ​ \( T_ <1>\) ​ – период полураспада.

На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.

Нуклонная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра

Элементарные частицы:

Нуклон – это частица, входящая в состав атомного ядра.

Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.

Массовое число – это число, которое определяет количество протонов и нейтронов в ядре и равно округленному до целого значению массы атомного ядра в а.е.м.

Обозначение – ​ \( A \) ​, единица измерения – 1 атомная единица массы (а.е.м.).

Массовое число равно сумме количества протонов и нейтронов в ядре:

где ​ \( A \) ​ – массовое число; ​ \( Z \) ​ – количество протонов в ядре; ​ \( N \) ​ – количество нейтронов в ядре.

Зарядовое число – это число, которое показывает количество протонов в ядре.

Зарядовое число равно сумме зарядов протонов, входящих в состав ядра, выраженной в элементарных электрических зарядах.

Элементарный электрический заряд равен заряду электрона:

​ \( Z \) ​ – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Если некоторый химический элемент обозначить ​ \( <>^A_ZX \) ​, это означает, что в его ядре ​ \( Z \) ​ – протонов и ​ \( N=A-Z \) ​ – нейтронов.

Измерения массы атомов показали, что практически все химические элементы имеют изотопы.

Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но отличающиеся количеством нейтронов в ядре.

Изотопы водорода: водород имеет два стабильных изотопа – водород ​ \( <>^1_1H \) ​, дейтерий ​ \( <>^2_1H \) ​ и один радиоактивный изотоп тритий ​ \( <>^3_1H \) ​.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.

Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.

Свойства ядерных сил:

Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.

Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:

где ​ \( M \) ​ – масса ядра.

Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:

где ​ \( \Delta m \) ​ – дефект масс.

Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:

где ​ \( \Delta E_ <св>\) ​ – энергия связи, ​ \( c \) ​ – скорость света.

Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Энергетический эквивалент 1 а.е.м.

Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:

В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:

где ​ \( A \) ​ – массовое число.

Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом ​ \( A \) ​ ≈ 100). У тяжелых ядер (​ \( A \) ​ ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением ​ \( Z \) ​ кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.

Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия, α-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.

Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 105 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют ​ \( \alpha \) ​-частицы (максимально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда α-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Наиболее распространенный вид ядерной реакции:

где ​ \( X \) ​ и ​ \( Y \) ​ – исходное и конечное ядра; ​ \( a \) ​ и ​ \( b \) ​ – бомбардирующая и испускающая частицы.

Эндотермическая реакция – это реакция с поглощением энергии:

Экзотермическая реакция – это реакция с выделением энергии:

При ядерных реакциях выполняются следующие законы.

Примеры ядерных реакций

Изотоп фосфора оказался радиоактивным: его ядро распадается с испусканием позитрона и нейтрино:

Классификация ядерных реакций

Ядерные реакции классифицируются:

Деление ядер – это деление атомного ядра урана на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Механизм деления ядер (капельная модель)

В тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка X и Y.

Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты.

В 1939 году было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием 2–3 нейтронов:

Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 4–9 новых нейтронов и т. д., процесс может продолжаться самостоятельно, вовлекая все большее число новых ядер.

Условия протекания цепной ядерной реакции:

Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной ядерной реакции, называется критической массой.

Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции, называются ядерными реакторами.

Основные элементы ядерного реактора:

Термоядерный синтез

График зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа показывает, что кроме реакции деления тяжелых ядер с выделением энергии идут реакции синтеза легких ядер.

Синтез ядер – это слияние ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии.

Для осуществления реакции синтеза легких ядер требуются высокие энергии сливающихся частиц, так как необходимо преодолеть кулоновское отталкивание. Этого можно достичь за счет высокой температуры вещества.

Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (порядка 10 7 К и выше).

В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд.

При термоядерном синтезе энергетический выход на единицу массы топлива оказывается выше, чем при реакции деления тяжелых ядер урана.

Пример реакции синтеза:

Синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – происходит при температуре около 5·10 7 К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется 4,2·10 11 Дж – такая же энергия выделяется при сгорании 10 т дизельного топлива.

Термоядерный синтез может стать одним из возможных альтернативных источников энергии. Поиск таких источников энергии важен, так как запасы нефти и газа на Земле ограничены.

В настоящее время ведется испытание установок для осуществления управляемых термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4·10 11 т, чему соответствует энергетический запас 10 17 МВт·год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии дейтерия, содержащегося в обычной воде.

Источник

Атомная физика что такое

Ключевые слова конспекта «Атомная физика (физика атома)»: планетарная модель атома Резерфорда, постулаты Бора, постоянная Планка, формула Бальмера, серия Бальмера, Лаймана, Пашена.
Раздел ЕГЭ по физике: 5.2. Физика атома.

Планетарная модель атома Резерфорда

Резерфорд, изучая рассеяние быстрых альфа-частиц при прохождении их через тонкую золотую фольгу, обнаружил, что все альфа-частицы рассеиваются на всевозможные углы, вплоть до углов, близких к 180°.

Ядерная модель атома (по Резерфорду): тяжелое положительное ядро, содержащее почти всю массу атома и заряд Z•e, е — заряд электрона, имеет радиус порядка 10 –15 м. Вокруг него движутся электроны в пределах объема радиусом 10 –10 м. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов в электронной оболочке атома, следовательно, атом электрически нейтрален.

Противоречия модели атома (по Резерфорду)

Оставаясь в рамках классической механики, Резерфорд не смог разрешить данные противоречия.

Постулаты Бора

h • v_mn = Е_m – Е_n.

m • υ_n • r_n = n • ħ,

где n — номер стационарной орбиты, ħ = h/2p = 1,05 • 10 –34 Дж•с — постоянная Планка (аш (h) с чертой).

Боровская модель атома водорода. Серия Бальмера.
Спектры испускания и спектры поглощения

Атом с одним вращающимся вокруг ядра электроном называется водородоподобным атомом.

Боровская модель атома водорода описывает атом водорода и водородоподобные атомы.

Энергетический уровень — энергия, которой обладает электрон в атоме, находящемся в определенном стационарном состоянии.

Основное состояние атома — состояние с минимальной энергией.

где k = 9•10 9 Н•м 2 /Кл 2 ; m = 9,1 • 10 –31 кг — масса электрона; е = –1,6 • 10 –19 Кл — заряд электрона; h = 6,62 • 10 –34 (Дж•с) — постоянная Планка.

Возбужденные состояния атома водорода — это состояния с номером п > 1, где п — главное квантовое число. Чем больше квантовое число п, тем дальше от ядра находится электрон, тем выше его энергетический уровень. Энергетический спектр атома водорода можно рассчитать:

Энергетический спектр водородоподобного атома рассчитывают с учетом Z —зарядового числа химического элемента:

Линейчатый спектр — спектр излучения, состоящий из отдельных узких спектральных линий различной интенсивности. Излучение, которое испускают атомы, образует линейчатый спектр.

Линейчатый спектр включает в себя резко очерченные цветные линии, которые обязательно отделяются друг от друга широкими темными промежутками. Расположение спектральных линий строго упорядочено и индивидуально для каждого вещества.

Формула, позволяющая найти частоты или длины волн, соответствующие линиям водородного спектра:

Атом испускает квант энергии, если m > n — все возможные частоты, вычисленные по данной формуле, дают спектр излучения атома водорода.

Атом поглощает квант энергии, если m

Конспект урока по физике для класса «Атомная физика (физика атома)». Выберите дальнейшее действие:

Источник

Атомная физика

Атомная физика возникла на границе XIX и XX века на основе множественных изучений принципов построения газообразных веществ, открытия радиоактивного излучения и электрона. Опыты, проводимые вначале XX столетия, установили, что атом является структурой из положительного заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Атомная физика начала собственное формирование в связи с рождением квантовой механики, которая объяснила состав атома.

На начальной стадии формирования атомная физика работала прежде всего над установлением построения атома, а также изучением атомных свойств. Научные опыты британского физика новозеландского происхождения Эрнеста Резерфорда по рассеянию микроэлементов, которые он осуществил 1911 года, доказали существование в атомах положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов вокруг него. На базе данных опытов Эрнест Резерфорд разработал планетарную модель атома.

Применяя данную концепцию, датский физик-теоретик и общественный деятель, один из создателей современной физики Нильс Хенрик Давид Бор 1913 года предусмотрел, что электрон имеет возможность вращаться не произвольно, а на чётко конкретных орбитах, не изменяя собственной энергии сколько угодно длительное время.

Атом является цельной структурой альфа-частиц, которые заряжены электрически. По этой причине особенности атома формируются чаще всего электромагнитными связями меж частицами, которые функционируют на дальности ориентировочно 10-8 сантиметров и энергией примерно 1 электронвольта.

Дальнейшие исследования свойств электронов и атомов закончились созданием квантовой механики, возникшей в начале XX века, и описывающей физические процессы, в которых действие сравнимо по величине с постоянной константой Планка.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Квантовая механика является теоретическим продлением атомной физики и осуществляет миссию многофункционального «экспериментального полигона» практически для каждой научной области деятельности. Заключения и концепции квантовой механики, чаще всего нет возможности скоординировать с настоящей ежедневной практикой.

Основы атомной физики

Для того, чтобы понять, что изучает атомная физика надо уяснить основные положения, которые применяются физиками при проведении опытов.

Знания построения атома предоставят возможность гораздо правильнее воспринять термин «радиоактивность». Атомное ядро складывается из нейтронов и протонов, объединяющиеся всеобщим названием – нуклоны.

В нейтральном веществе количество протонов в ядре соответствует количеству существующих электронов в оболочке. Атомный номер сравнивают с показателем всех нуклонов, находящихся в ядре и заряде атома.

Атомы с однородной структурой химического элемента имеют аналогичную массу атома, которая примерно в 1840 раз превышает массу непосредственно электрона. Так как масса электрона очень мала, то этой массой пренебрегают, атомная масса считается равной массе ядра.

На современном этапе физики рассматривают несколько типов радиоактивных трансформаций ядер, сопровождающиеся различными типами ионизирующих излучений:

Следует заметить, что деление атомов тяжёлых химических элементов довольно непростой процесс, характерный исключительно для атомных ядер со значительной массой, таких элементов как 239Pu, 235U и прочие. В итоге деятельности методик атомной физики возникают ядра лёгких элементов со значительным энергетическим потенциалом, а также чрезмерным числом нейтронов.

Термоядерные реакции в атомной физике

Не считая стабильных естественных превращений, в атомной физике есть возможность искусственной трансформации веществ (изотопов трития и водорода дейтерия) в ядра более тяжёлых химических элементов. Данные явления используются при разрыве термоядерной бомбы, когда цель спускового инструмента с большой температурой состоит в придании значительной кинетической энергии лёгким элементам структуры.

По прошествии функции запуска плутониевого запала образовываются требуемые условия неконтролируемой термоядерной реакции, сопровождаемой выделением огромных энергетических потоков гамма-лучей. Большая плотность ионизации у этих частиц минимальна, масса и заряд отсутствуют, поэтому протяженность пробега у них очень значительная и имеет возможность доходить в воздухе до значительных расстояний, которые исчисляются несколькими сотнями метров. Исследование скорости и интенсивности радиоактивности ядер позволило учёным указать на весомую закономерность.

Построение современной атомной физики

Формирование теорий нынешней атомной физики вначале XX века предшествовали открытия электрона и радиоактивного излучения, во всех отношениях опровергшие принципы о нераздельности атома. Ключевой сенсацией в атомной физике было открытие британского физика новозеландского происхождения Эрнеста Резерфорда, в соответствии с которым атомные элементы имеют небольшие сравнительно с иными химическими частицами величины.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Но соответственно с теоретическими знаниями традиционной электродинамики данный тип атома был бы неустойчивым, поскольку электроны беспрерывно испускали бы огромную электромагнитную энергию и рухнули бы на ядро за мизерный промежуток времени.

1913 года, датский физик-теоретик и общественный деятель Нильс Хенрик Давид Бор презентовал научному миру теорию устойчивого атома, основывающуюся на эмпирически рассчитанных им квантовых утверждениях:

Теория атома Нильса Бора дала объяснения не исключительно устойчивости атома, а также линейности атомных явлений, которые наблюдались в оптических и рентгеновских методиках. Для более скрупулёзной формулировки всевозможных дискретных величин энергетической интенсивности атома водорода, Нильс Бор применил описания перемещений электрона, а также расчёты его мощности традиционными формулами электродинамики. 1925 года в данную гипотезу была включена очередная физическая величина – спин электрона, к которому непосредственно относят магнитный момент электрона.

Начиная с 30-х годов XX столетия выяснилось, что в атомной физике функционирует не электромагнитное излучение, а особенный вид действия – большое притяжение. Впоследствии физика ядра атома отделилась в независимый раздел науки – ядерную физику. Начиная с 50-х годов прошлого века появилось новое направление – физика элементарных частиц и плазмы.

Нынешняя атомная физика заключается из теоретических и испытательных методик изучения важнейших атомных спектров в рентгеновской и оптической форме. Атомная физика предоставляет возможность извлекать действительные формулировки энергий постоянных состояний, принципов передвижения и иных свойств структуры атомных частиц, а также исследует инструменты их внутренних явлений.

Источник