Пузырьковая камера

Одной из разновидностей камеры Вильсона является изобретенная в 1952 г. пузырьковая камера. В ней вместо пересыщенного пара используется перегретая выше точки кипения жидкость (жидкий водород, пропан, ксенон). При движении в этой жидкости заряженной частицы вдоль ее траектории образуется ряд пузырьков пара.

Быстрые заряженные частицы через маленькое в стенке камеры проникают в ее рабочий объем и образуют на своем пути цепочку ионов в жидкости находящейся около температуры кипения.

В этот момент давление резко понижают и жидкость переходит в перегретое состояние. Ионы, вдоль пути частицы, обладают избыточной кинетической энергией, за счет которой температура в микроскопическом объеме вблизи каждого иона повышается, и образуются пузырьки пара вдоль траектории.

Пузырьковую камеру обычно помещают в постоянное магнитное поле.

Пузырьковая камера обладает большим быстродействием по сравнению с камерой Вильсона.

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА ПО РАССЕИВАНИЮ АЛЬФА-ЧАСТИЦ(уч.11кл.стр.328)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц

Оценка размера атомного ядра на основании опыта Резерфорда

Планетарная модель атома Резерфорда (см.ниже)

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопи­лось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения ато­мов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц при про­хождении через тонкие слои вещества.

Впервые эксперимент по изучению внутренней структуры атома осуществлен в 1910-1911 г. английским физиком Э.Резерфордом и его студентами Э.Марсденом и Х.Гейгером.

В этих опы­тах узкий пучок α-частиц (ядра атомов гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемых радиоак­тивным веществом,, пролетающими сквозь щели в свинцовых экранах, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, покрытый слоем сернистого цинка ZnS способный светиться под ударами быстрых частиц. По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенный угол.

Большинство α-частиц проходили фольгу практически беспрепятственно, отклоняясь на углы менее 1^о. Однако некоторые α-частицы резко отклонялись от первоначального направления и даже отражались назад.

Столкновение α-частицы с электроном не может существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 73000 раз меньше массы α-частицы.

Резерфорд предположил, что отражение α-частиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами с массой соизмеримой с массой α-частиц.

Малая доля частиц в общем потоке, испытывающих значительное рассеивание, была объяснена тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса.

Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положитель­ный заряд не распределен равномерно в шаре радиу­сом 10^-10м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре.

При прохождении около ядра α-частица, имеющая поло­жительный заряд, отталкивается от него, а при по­падании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует цент­ральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома.

Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^-15м.

Наиболее точные результаты получаются при изуче­нии рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле:

R ≈ 1.2*10^-15A м.

По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА(уч.10кл.стр.211-215,уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома Томпсона

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше уч.11кл.стр.329)

Планетарная модель атома

Планетарная модель и устойчивость атома

Постулаты Бора (см.ниже)

Явление радиоактивности дало основание предположить, что в состав атома входят отрицательные и положительно заряженные частицы, а в целом атом электронейтрален.

Опираясь на эти и некоторые другие факты, английский физик Джозеф Джон Томсон в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома:

Атом представляет собой шар, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд. Внутри этого шара находятся электроны. Каждый электрон может совершать колебательные движения около своего положения равновесия. Положительный заряд шара равен по модулю суммарному отрицательному заряду электронов.

Для экспериментальной проверки модели атома Томпсона действительно ли положительный заряд распределен по всему объему атома с постоянной плотностью в 1911 г. Резерфорд с сотрудниками провел ряд опытов по исследованию состава и строения атома. (см.выше «Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц»)

Опыты Резерфорда позволяют оценить максимальный размер R атомного ядра.

При центральном столкновении α-частицы (с зарядом +2e) с ядром (заряд +Ze), она останавливается кулоновскими силами отталкивания на расстоянии r от центра ядра (r > R).

В точке остановки кинетическая энергия E_k α-частицы переходит в потенциальную:

E_k = k, где k = 9*10⁹Н*м²/Кл²

Следовательно, размер атомного ядра определиться соотношением:

R <

Линейный размер ядра по крайней мере в 10000 раз меньше размера атома.

Из опытов Резерфорда непосредственно следует планетарная модель атома.

В центре атома расположено положительно заряженное ядра, вокруг которого вращаются под действием кулоновских сил притяжения электроны.

Атом электрически нейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Размер атома определяется радиусом орбиты валентного электрона.

Атомы устойчивы и в состоянии с минимальной энергией могут существовать неограниченно долго.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить устойчивость атомов:

1. Электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, теряя энергию на электромагнитное излучение при движении с ускорением по круговой орбите;

2. При движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

МОДЕЛЬ АТОМА РЕЗЕРФОРДА-БОРА. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА(уч.11кл.стр.330-336)

Опыт Резерфорда по рассеиванию α-частиц(см.выше)

Планетарная модель атома Резерфорда и устойчивость атома.

Первый постулат Бора

Правило квантования орбит Бора

Энергетический спектр атома.

Энергетические уровни

Основное состояние атома

Свободное и связанное состояния электрона

Ионизация атома (энергетические перехода электрона)

Второй постулат Бора

Спектры излучения и поглощения атома

Опыт Франка и Герца УТОЧНИТЬ

Первая модель строения атома принадлежит Томсону.

Он предположил, что атом это положительно заряженный шар, внутри которого расположены вкрапления отрицательно заряженных электронов.

Резерфорд провел опыт по облучению быстрыми альфа-частицами металлической пластинки.

При этом наблюдалось, что часть из них немного отклоняются от прямолинейного распространения, а некоторая доля – на углы более 2⁰.

Это было объяснено тем, что положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома.

Эта центральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Радиус атомного ядра имеет размеры порядка 10^{-15 м.}

(См.выше «Планетарная модель атома»)

Также Резерфорд предложил т.н. планетарную модель атома, по которой электроны вращаются вокруг атома как планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты равен радиусу атома.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система;

при движении по круговой ор­бите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непре­рывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейча­тый спектр.

В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительным ускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитных волн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям, приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращает своё существование. В действительности же атомы являются устойчивыми образованиями.

Известно, что заряженные частицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равной частоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральной траектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемых электромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучать электромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будет сплошным. В действительности же он линейчатый.

Для устранения указанных недостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классических представлений. В 1913 г., разрабатывая теорию атома водорода, он постулировал ряда принципов, которые получили на­звание постулатов Бора.

В основу своей теории Бор положил два посту­лата:

Первый постулат: атомная система может на­ходиться только в особых стационарных или кван­товых состояниях, каждому из которых соответ­ствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает (хотя происходит ускоренное движение)

В устойчивом атоме электрон может двигаться только по особым, стационарным орбитам, не излучая при этом электромагнитной энергии.

Правило квантования орбит Бора:

На длине окружности каждой стационарной орбиты укладывается целое число n,(называемое главным квантовым числом), длин волн де Бройля (λ _Б =), соответствующих движению электрона

= n

где n = 1, 2, 3,... главное квантовое число

Целое число волн, укладывающихся на стационарной орбите, необходимо из соображений симметрии для плавного замыкания гармонической кривой.

Правило квантования орбит Бора учитывает волновые свойства электрона.

На стационарной орбите момент импульса электрона квантуется (кратен постоянной Планка ћ)

m_evr = nћ

где ћ = h/2π = 1.05*10^-34Дж*с – постоянная Планка (аш перечеркнутое)

n = 1, 2, 3,...

На электрон, вращающийся вокруг ядра, действует кулоновская сила F_k = ke²/r², сообщающая электрону центростремительное ускорение a_n = v²/r.

По второму закону Ньютона:

m_e = k

Радиусы стационарных орбит находим из выражений m_e = k; m_evr = nћ:

r_n = n². где n = 1, 2, 3,...

Радиусы стационарных орбит квантуются, т.е. имеют дискретные значения, пропорциональные квадрату главного квантового числа.

Атом имеет минимальный размер, когда n = 1

Скорость движения электрона по n-й орбите:

v_n = k, где n = 1, 2, 3,...

Это означает, что электрон может находиться на нескольких вполне определенных орбитах.

Каждой орбите электрона со­ответствует вполне определенная энергия.

Дата добавления: 2015-11-14