Атомизм - учение о гетерогенном (дискретном) строении вещества: мир состоит из мельчайших элементарных частиц. Начало – Древняя Греция (5 – 3 вв. до н.э.)- Демокрит, Эпикур («атом» – т.е. «неделимый » ). античных времен до 19 века предположения об атомном строении вещества – гипотезы, накопление фактов, обобщений, сведений о простых элементах (H, Fe, Cu). В 17 в. - Р.Бойль («дым, - как и все тела – падает »)положил атомистику в основу своих химических представлений и объяснил все химические изменения соединением и разъединением атомов.
1869 г. – Дм.И.Менделеев – Периодический Закон Менделеева : Периодическая зависимость химических свойств элементов от их атомного веса – от заряда атомных ядер. Классификация элементов по универсальной системе. Предугадывание ядерной физики – благодаря этой системе позднее открывались новые элементы (в т.ч. – искусственные), новые свойства (в т.ч. – делимость ядер).
Конец XIX - начало ХХ века - Атомная физика - 1897 г. - открытие электрона (термин: «электрон»), измерение удельного заряда ( - 1,7588 1011 Кл/кг) - Опыт Дж.Дж. Томсона : прохождение катодных лучей через систему параллельных металлических пластин (электрическое поле), и катущек (магнитное поле). Выводы: Скорость частиц ниже скорости света, есть масса. Отношение заряда к массе для катодных лучей не зависят от материала источника.
Результаты: Минимальный заряд - е = 1,6 ∙ 10-19 Кл ( заряд электрона ). Масса электрона – 1/ 1840 от массы атома водорода. Вывод: внутри атома есть электрические заряды
Естественная радиоактивность 1896 г. – открытие радиоактивности (А. Беккерель) - урановая соль на закрытой фотопластинке 1903 г. - А.Беккерель и М.Кюри – Нобелевская премия за открытие самопроизвольного распада атомов с испусканием заряженных частиц.
Естественная радиоактивность Термин: «радиоактивность ». Выводы: В природе есть нестабильные вещества, из атомов которых вылетают заряженные частицы В результате - образуются новые вещества (новые элементы) 1898 г. – М.Кюри – Торий, Полоний, Радий. В результате – образуются заряженные атомы (ионы) – легкие и тяжелые В результате – первое воздействие радиоактивности на человека: 0,1 г Ро из 1 т руды!, А.Беккерель – ожог от пробирки с радием в кармане, М.Кюри – лучевой рак крови; В результате – модель ядра и атома
Модели атомов
Модель Ж. Перрена (1901)
Модель Х. Нагаока (1904)
В 1903 году Дж. Дж. Томсон, предложил модель атома: сфера, равномерно заполненная положительным электричеством, внутри которой находятся электроны. Суммарный заряд сферы равен заряду электронов. Атом в целом нейтрален. Теория такого атома давала, что спектр должен быть сложным, но никоим образом не линейчатым, что противоречило экспериментам.
.
В 1903 г. доказал, что альфа-лучи состоят из положительно заряженных частиц. Предсказал существование трансурановых элементов. В 1908 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Резерфорд Эрнест (1871–1937) – английский физик, основоположник ядерной физики. Его исследования посвящены атомной и ядерной физике, радиоактивности. В 1899 г. открыл альфа - и бета-лучи. Вместе с Ф. Содди в 1903 г. разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. 14
Зондировать атом альфа–частицами. Альфа-частицы возникают при распаде радия. Масса альфа-частицы в 8000 раз больше массы электрона. Электрический заряд альфа-частицы в 2 раза больше заряда электрона. Скорость альфа-частицы около 15 000 км/с. Альфа-частица является ядром атома гелия.
Обнаружилось, что некоторые α-частицы отклонялись на большие углы, до 180º. Резерфорд понял, что такое отклонение возможно лишь при встрече с положительно заряженной частицей большой массы. Малая вероятность отклонения на большие углы говорила о том, что эта положительная частица имеет малые размеры, порядка 10 –14 м. Электроны, по Резерфорду, движутся вокруг ядра. Оказалось, что радиус ядра R (10 14 ÷ 10 15 )м и зависит от числа нуклонов в ядре.
Положительный заряд сосредоточен в малой части атома – ядре; Практически вся масса атома сосредоточена в этом ядре; Отклонения альфа-частиц на большие углы происходят в результате столкновения альфа – частиц с ядром одного из атомов; Теоретические расчеты позволили оценить размеры ядер атомов – порядка 10 - 14 м, тогда как размеры атома в 10 000 раз больше.
Недостатки атома Резерфорда Эта модель не согласуется с наблюдаемой стабильностью атомов. По законам классической электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, а поэтому терять свою энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него. Эта модель не объясняет наблюдаемые на опыте оптические спектры атомов. Оптические спектры атомов не непрерывны, как это следует из теории Резерфорда, а состоят из узких спектральных линий, т.е. атомы излучают и поглощают электромагнитные волны лишь определенных частот, характерных для данного химического элемента.
БОР Нильс Хендрик Давид (1885–1962) датский физик-теоретик, один из создателей современной физики. Сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов. Создал первую квантовую модель атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Элементарная теория Бора
Постулаты Бора Электроны движутся только по определенным (стационарным) орбитам. При этом не происходит излучения энергии. Условие для стационарных орбит: из всех орбит электрона возможны только те, для которых момент импульса электрона, равен целому кратному постоянной Планка: n = 1, 2, 3,… главное квантовое число. m e v r = nħ
Излучение или поглощение энергии в виде кванта энергии h происходит лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний, между которыми совершается квантовый скачок электрона: hv = E m – E n - Правило частот Бора m, n – номера состояний. Е n E m Поглощение энергии Е n E m Излучение энергии
Уравнение движения электрона = > Радиус стационарных орбит: m e υr = nħ
Радиус первой орбиты водородного атома называют Боровским радиусом: При n =1, Z = 1 для водорода имеем: = 0,529·10 –10 м. Å=
Внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона и потенциальной энергией взаимодействия электрона с ядром: Энергия электрона может принимать только дискретные значения, т.к. n = 1, 2, 3,… Отсюда
При переходе электрона в атоме водорода из состояния n в состояние k излучается фотон с энергией : и частота излучения, Мы получили обобщенную формулу Бальмера, которая хорошо согласуется с экспериментом, где постоянная Ридберга
Швейцарский физик Й. Бальмер в 1885 году установил, что длины волн серии в видимой части спектра водорода могут быть представлены формулой ( формула Бальмера ) : 0 = const, n = 3, 4, 5,… R = 1, 09·10 7 м -1 – постоянная Ридберга, n = 3, 4, 5,… В физике постоянной Ридберга называют и другую величину равную R = R · с. R = 3,29·10 15 c -1 или
Дальнейшие исследования показали, что в спектре водорода имеется еще несколько серий : Серия Лаймона n = 2, 3, 4,… Серия Пашена n = 4, 5, 6,… Серия Брэкета n = 5, 6, 7,… Серия Пфунда n = 6, 7, 8,…
Обобщенная формула Й. Бальмера где k = 1, 2, 3,…, n = k + 1, k + 2,…. или
У спехом теории Бора явилось: вычисление постоянной Ридберга для водородоподобных систем объяснение структуры их линейчатых спектров.
Бор теоретически вычислил отношение массы протона к массе электрона m p / m e = 1847, это находится в соответствии с экспериментом. Все это было важным подтверждением основных идей, содержащихся в теории Бора. Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913 – 1925 г.г.) были сделаны важные открытия, навсегда вошедшие в сокровищницу мировой науки.
Опыт Франка и Герца Существование дискретных энергетических уровней атома и доказательство правильности теории Бора подтверждается опытом Франка и Герца. Немецкие ученые Джеймс Франк и Густав Герц, за экспериментальные исследования дискретности энергетического уровня получили Нобелевскую премию в 1925 г.
В трубке, заполненной парами ртути при давлении р 1 мм рт. ст., три электрода, катод – сетка – анод. Электроны ускорялись разностью потенциалов U между катодом и сеткой. Между сеткой и анодом тормозящее поле ( 0,5В)
Зависимость тока через гальванометр ( Г) от разности потенциалов между катодом и сеткой ( U ): U = 4,86 – соответствует 1-му потенциалу возбуждения
Такой ход кривой объясняется тем, что вследствие дискретности энергетических уровней атомы ртути могут воспринимать энергию бомбардирующих электронов только порциями : либо Е 1, Е 2, Е 3 … - энергии 1-го, 2-го и т.д. стационарных состояний. при увеличении U вплоть до 4,86В ток I возрастает монотонно, при U = 4,86 В ток максимален, затем резко уменьшается и возрастает вновь. дальнейшие максимумы тока наблюдаются при U = 2·4. 86 B, 3 ·4.86 B...
При U< 4,86В энергия электронов меньше Δ Е 1 ; соударения между электронами и атомами ртути носят упругий характер. При U =4,86В энергия электрона становится достаточной, чтобы вызвать неупругий удар, при котором электрон отдает атому ртути энергию Δ Е 1 и продолжает двигаться с меньшей скоростью; число электронов, достигающих А, резко уменьшается и ток падает атом ртути переходит в возбужденное состояние. При U, кратном 4,86 В электроны могут испытывать с атомами ртути 2, 3, … неупругих соударения, теряя при этом полностью свою энергию. анодный ток каждый раз резко уменьшается.
Атомы ртути, получившие при соударении с электронами энергию Δ Е 1 и перешедшие в возбужденное состояние, спустя время ~ 10 -8 с должны вернуться в основное состояние, излучая, согласно второму постулату Бора фотон с частотой (правило частот): При этом длина волны светового кванта: - что соответствует ультрафиолетовому излучению. Опыт действительно обнаруживает ультрафиолетовую линию с
Таким образом, опыты Франка и Герца экспериментально подтвердили не только первый, но и второй постулат Бора. Эти опыты сыграли огромное значение в развитии атомной физики.
Однако наряду с успехами в теории Бора с самого начала обнаружились существенные недостатки. Внутренняя противоречивость теории : механическое соединение классической физики с квантовыми постулатами. Теория не могла объяснить вопрос об интенсивностях спектральных линий. Серьезной неудачей являлась абсолютная невозможность применить теорию для объяснения спектров гелия ( He ) (два электрона на орбите, и уже теория Бора не справляется).
Стало ясно, что теория Бора является лишь переходным этапом на пути создания более общей и правильной теории. Такой теорией и являлась квантовая (волновая) механика. Дальнейшее развитие квантовой механики привело к отказу от механической картины движения электрона в поле ядра.
Де Бройль первым понял, что если волны могут вести себя как частицы, то и частицы могут вести себя как волны. Он применил теорию Эйнштейна - Бора о дуализме волна-частица к материальным объектам. По аналогии с соотношением между длиной волны света и энергией фотона де Бройль высказал гипотезу о существовании соотношения между длиной волны и импульсом частицы (массы, умноженной на скорость частицы). Импульс непосредственно связан с кинетической энергией. Таким образом, быстрый электрон соответствует волне с более высокой частотой (более короткой длиной волны), чем медленный электрон.
Его движение не может быть описано определенной траекторией, траектория размывается, появляется «полоса неопределенности», в которой находится ē. Чем точнее мы будем стараться определить местонахождения электрона, тем менее точно будем знать о его скорости. Второй закон квантовой механики звучит так: «Невозможно одновременно с любой заданной точностью определить координаты и импульс (скорость) движущегося электрона»
В 1926 г. Э. Шредингер предложил для описания движения электрона в атоме волновое уравнение, получившее название уравнения Шредингера. Решением уравнения Шредингера является волновая функция ψ, называемая также орбиталью. Волновая функция может иметь как действительные, так и мнимые решения. Поэтому физический смысл имеет только квадрат модуля волновой функции |ψ| 2, который характеризует вероятность нахождения электрона в данном объеме пространства. Термином орбиталь обозначают также область пространства, в которой наиболее вероятно нахождение электрона. Орбиталь может быть представлена, в частности, с помощью так называемых граничных поверхностей, т.е. пространственных фигур, внутри которых вероятность нахождения электрона составляет 95 %. Решение уравнения Шредингера определяется набором четырех чисел, получивших название квантовых чисел.
s - подоболочка названа по «резкой» s - линии – sharp; p - по «главной» p - линии – principal; d - по «диффузной» d - линии – diffuse; f - по «фундаментальной» f -линии – fundamental Экспериментально было установлено, что s - линия не расщепляется р - линия расщепляется на 3 d - линия – на 5 f - линия – на 7 если атомы элементов помещены во внешнее магнитное поле
В кольцегранных моделях пары электронов с различными знаками спин обозначаются парами колец, располагаемыми симметрично, относительно ядра атома. Разные цвета колец обозначают различную ориентацию электронов (их вектора спин) относительно ядра молекула С H 3 OH
Выводы: В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам электроны Основная масса атома сосредоточена в ядре m ядра = 99,4 % массы атома D атома = 10 -10 м D ядра ~ 10 -14 – 10 -15 м Атом электрически нейтрален – абсолютное значение суммарного отрицательного заряда электронов равно положительному значению заряда ядра. Сумму количества протонов (Z) и числа нейтронов (N) в ядре называют массовым числом A A = Z + N Планетарная модель атома
Радиоактивность - явление самопроизвольного превращения неустойчивых ядер в устойчивые, сопровождающееся испусканием частиц и излучением энергии. Открытие - 1896 год
Беккерель обнаружил, что излучение урановых солей ионизирует воздух, подобно рентгеновским лучам, и разряжает электроскоп. Испробовав различные химические соединения урана, он установил очень важный факт: интенсивность излучения определяется только количеством урана в препарате и совершенно не зависит от того, в какие соединения он входит. Следовательно, это свойство присуще не соединениям, а химическому элементу урану, его атомам.
Через два года Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри открыли радиоактивность тория и выделили из солей урана полоний и радий, радиоактивность которых оказалась в миллионы раз сильнее радиоактивности урана.
Радий имеет относительную атомную массу, равную 226, и занимает в таблице Д. И. Менделеева клетку под номером 88. До открытия Кюри эта клетка пустовала. По своим химическим свойствам радий принадлежит к щелочно-земельным элементам.
Поло́ний (лат. Polonium ; обозначается символом Po ) — химический элемент с атомным номером 84 в периодической системе, радиоактивный полуметалл серебристо-белого цвета. Не имеет стабильных изотопов.
Ра́дий — элемент главной подгруппы второй группы, седьмого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 88. Обозначается символом Ra (лат. Radium ). Простое вещество радий (CAS-номер: 7440-14-4) — блестящий щёлочноземельный металл серебристо-белого цвета, быстро тускнеющий на воздухе. Обладает высокой химической активностью. Радиоактивен; наиболее устойчив нуклид 226 Ra (период полураспада около 1600 лет).
Впоследствии было установлено, что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Естественная радиоактивность; Искусственная радиоактивность. Свойства радиоактивных излучений Ионизируют воздух; Действуют на фотопластинку; Вызывают свечение некоторых веществ; Проникают через тонкие металлические пластинки; Интенсивность излучения пропорциональна концентрации вещества; Интенсивность излучения не зависит от внешних факторов (давление, температура, освещенность, электрические разряды).
Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц является также одежда человека. Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа-частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно. Бета-излучение — поток бета-частиц, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50 % бета-частиц.. Поэтому внешнее бета-облучение представляет серьезную опасность лишь при попадании радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма. Так, после Чернобыльской аварии наблюдались бета-ожоги ног за 50—100 км от АЭС.
Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже альфа-распад. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Для ослабления его энергии в два раза необходим слой вещества (слой половинного ослабления) толщиной: воды — 23 см, стали — около 3, бетона — 10, дерева — 30 см. Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении. Хорошей защитой от гамма-излучений являются тяжелые металлы, например свинец, который для этих целей используется наиболее часто.
1) α -распад. α -частица – ядро атома гелия 2 4 Не. Правило смещения : Элемент смещается на две клетки к началу периодической системы. Ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает на 4 а.е.м.. 2) β -распад. β -лучи – поток электронов; нейтрон распадается на протон, электрон, антинейтрино. Правило смещения : элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы. Ядро теряет электрон. Заряд ядра увеличивается на 1е, масса почти не изменяется. 3) γ -лучи. Электромагнитные волны.
Сумма массовых чисел до распада, равна сумме массовых чисел после распада. Сумма зарядов до распада равна сумме зарядов после распада.
1) Период полураспада – промежуток времени, в течение которого распадается половина начального числа атомов. 2) Закон радиоактивного распада N(t) = N 0 2 -t / T
1911 год, Ф.Содди Существуют ядра одного и того же химического элемента с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов – изотопы. Изотопы имеют одинаковые химические свойства (обусловлены зарядом ядра), но разные физические свойства (обусловлено массой).
Сил, действующие между нуклонами в ядре. 1) очень велики; 2) короткодействующие (имеют малый радиус действия – порядка 10 -14 – 10 -15 м; 3) обладают зарядовой независимостью.
Удивительным было постоянство, с которым радиоактивные элементы уран, торий и радий испускают излучения. На протяжении суток, месяцев и даже лет интенсивность излучения заметно не изменялась. На нее не оказывали никакого влияния такие обычные воздействия, как нагревание и увеличение давления. Химические реакции, в которые вступали радиоактивные вещества, также не влияли на интенсивность излучения.
Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения. Так, период полураспада урана U равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении нескольких лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше — он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.
После открытия радиоактивности выяснилось, что радиоактивность сопровождается выделением энергии. Пьер Кюри поместил ампулу с хлоридом радия в калориметр. В нем поглощались а-, b - и у-лучи, и за счет их энергии калориметр нагревался. Кюри определил, что радий массой 1 г выделяет за 1 ч энергию, примерно равную 582 Дж. И такая энергия выделяется непрерывно на протяжении многих лет!
Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.
Энергетическим выходом ядерной реакции называется разность энергий покоя ядер и частиц до реакции и после реакции. Согласно вышесказанному энергетический выход ядерной реакции равен также изменению кинетической энергии частиц, участвующих в реакции.
Открытие нейтрона в 1932 году (Джеймс Чедвик) можно считать началом современной ядерной физики.
Ядро урана-235 имеет форму шара. Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начнут преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. После этого оно разрывается на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.
Фундаментальный факт ядерного деления — испускание в процессе деления двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому оказалось возможным практическое использование внутриядерной энергии.
Ядерная энергия ( атомная энергия ) — энергия, содержащаяся в атомных ядрах и выделяемая при ядерных реакциях и радиоактивном распаде.
Применение ядерной энергии для преобразования ее в электрическую впервые было осуществлено в нашей стране в 1954 г. В г. Обнинске была введена в действие первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт. Энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе, использовалась для превращения воды в пар, который вращал затем связанную с генератором турбину.
Ядерные реакторы устанавливаются также на атомных подводных лодках и ледоколах
Неуправляемая цепная реакция с большим коэффициентом увеличения нейтронов осуществляется в атомной бомбе.
Для того чтобы происходило почти мгновенное выделение энергии (взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без применения замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран U или плутоний Р u.
При взрыве атомной бомбы температура достигает десятков миллионов кельвин. При такой высокой температуре очень резко повышается давление и образуется мощная взрывная волна. Одновременно возникает мощное излучение. Продукты цепной реакции при взрыве атомной бомбы сильно радиоактивны и опасны для жизни живых организмов.
Атомные бомбы применили США в конце Второй мировой войны против Японии. В 1945 г. были сброшены атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки. Это был единственный случай в истории планеты, когда атомное оружие было целенаправленно использовано на уничтожение людей.
Жертва ядерной бомбардировки Хиросимы
Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает температуру тела лишь на 0,001 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.
При большой интенсивности излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.
Механизм биологического действия излучения, поражающего объекты, еще недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток пищеварительного тракта и других органов.
Сильное влияние оказывает облучение на наследственность, поражая гены. В большинстве случаев это влияние является неблагоприятным.
Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстроразмножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление раковой опухоли у-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели более эффективны, чем рентгеновские лучи.
The end* G.K.
