Тема: Атомная физикаТема: Атомная физика

Выполнила: Киртока ЕленаВыполнила: Киртока Елена

ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

План:План:oРазвитие теории о строении атомаМодели строения атомовОпыт РезерфордаПланетарная модель строения атомаПостулаты Бора

Развитие теории о строении атома

« делимость вещества бесконечна»

Аристотель (384–322 до н.э.)

В XVIII веке трудами А. Лавуазье, М.В. Ломоносова была доказана реальность существования неделимой частицы - атома.

Ломоносов Михаил Васильевич(19.XI.1711–15.IV.1765)

Лавуазье (Lavoisier) Антуан Лоран (26.VIII.1743–8.V.1794)

В 1833 году при исследовании явления электролиза М.Фарадей установил, что ток в растворе электролита - это упорядоченное движение заряженных частиц – ионов. Фарадей определил минимальный заряд иона, который был назван элементарным электрическим зарядом. Его приближенное значение оказалось равным e = 1,60·10–19 Кл.

Фарадей (Faraday) Майкл

(22.IX.1791–25.VIII.1867)

В 1869 году Д.И. Менделеев разработал периодическую систему элементов, в которой впервые был поставлен вопрос о единой природе атомов.

1879 год - открытие катодных лучей.

В начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в излучении атомов водорода в видимой части спектра. Впоследствии, в 1885 г., И. Бальмером были установлены математические закономерности, связывающие длины волн этих линий.

1895- открытие рентгеновских лучей.

    Некоторое время атомное ядро и электроны считались элементарными составляющими вещества. Первое указание на существование атомного ядра связано с открытием в 1898 году А.Беккерелем радиоактивности. Это произошло задолго до того, как Резерфорд экспериментально доказал его существование. Оказалось, что некоторые минералы естественного происхождения самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы. По прошествии нескольких лет было показано, что неизвестное излучение состоит из частиц трех различных видов, сильно отличающихся друг от друга: 1.Нейтрально заряженных частиц - фотонов. 2.Отрицательно заряженных частиц- электронов. 3.Положительно заряженных частиц. Вначале считалось, что обнаруженные излучения испускаются атомом, и лишь впоследствии стало ясно, что их источником является атомное ядро. Явление самопроизвольного распада атомных ядер стало называться радиоактивностью.

Беккерель (Becquerel) Антуан Анри

(15.XII.1852–25.VIII.1908)

Радиоактивность

Учеными М.Склодовская-Кюри, П.Кюри, Э.Резерфордом было обнаружено, что атомы радиоактивных веществ испускают три вида излучений различной физической природы (альфа-, бета-, гамма-).

В 1897 году Дж. Томсон открыл электрон и измерил отношение e / m заряда электрона к массе. Опыты Томсона подтвердили вывод о том, что электроны входят в состав атомов.

Таким образом, на основании всех известных к началу XX века экспериментальных фактов можно было сделать вывод о том, что атомы вещества имеют сложное внутреннее строение. Они представляют собой электронейтральные системы, причем носителями отрицательного заряда атомов являются легкие электроны, масса которых составляет лишь малую долю массы атомов. Основная часть массы атомов связана с положительным зарядом.

Перед наукой встал вопрос о внутреннем строении атомов.

Склодовская-Кюри (Sklodowska-Curie) Мария (7.XI.1867–

4.VII.1934)

Открытие радиоактивностиОткрытие радиоактивности

Катодные лучиКатодные лучи

Х – лучиХ – лучи

Модель атома ТомсонаМодель атома Томсона

Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело радиусом 10-10м с заключёнными внутри него электронами. Эта модель не объясняла дискретный характер излучения атома и его устойчивость. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.

Ранняя планетарная модель атома Ранняя планетарная модель атома НагаокиНагаоки

В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбиталям вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалосьошибочной, но некоторые важные её положения вошли в модель Резерфорда.

Хантаро Нагаока

(15. VIII.1865–11. XII.1950)

Резерфорд (Rutherford) ЭрнстРезерфорд (Rutherford) Эрнст (30.VIII.1871–19.X.1937) (30.VIII.1871–19.X.1937)

Английский физик. Один из основателей учения о радиоактивности, ядерной физики и представлений о строении атомов.

Совместно с Ф. Содди дал четкую формулировку (1903) закона радиоактивных превращений, выразив его в математической форме, и ввел понятие «период полураспада».

Изучил рассеяние α-частиц атомами различных элементов и предложил (1911) планетарную (ядерную) модель атома. Бомбардировал (1919) α-частицами атомы азота, осуществив первое искусственное превращение элементов (азота в кислород).

Предложил называть ядро атома водорода протоном.

Нобелевская премия по физике (1908).

Схема опыта РезерфордаСхема опыта Резерфорда

K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществомФ – золотая фольгаЭ – экран, покрытый сернистым цинкомM – микроскоп

Рассеяние α-частицы в атомеРассеяние α-частицы в атоме

Томсона и в атоме Резерфорда Томсона и в атоме Резерфорда Атом Томсона Атом Резерфорда

1.Большинство альфа - частиц отклоняются от прямолинейного пути на углы не более 1- 20

2. Небольшая часть альфа – частиц испытывала отклонение на значительно большие углы

3. В среднем одна из 8000 альфа- частиц рассеивается в направлении, обратном направлению первоначального движения

ПланетарнаяПланетарная модель атомамодель атомаОпираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд

предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно

заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, под действием кулоновских сил со стороны ядра вращаются электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, явилась крупным шагом вперед в развитии знаний о строении атома. Она была совершенно необходимой для объяснения опытов по рассеянию α-частиц, однако оказалась неспособной объяснить сам факт длительного существования атома, т. е. его устойчивость.

По законам классической электродинамики, движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро. То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Планетарная модель атома РезерфордаПланетарная модель атома Резерфорда . .

По законам классической электродинамики движущийся с ускорением заряд должен излучать электромагнитные волны, уносящие энергию. За короткое время (порядка 10–8 с) все электроны в атоме Резерфорда должны растратить всю свою энергию и упасть на ядро.

То, что этого не происходит в устойчивых состояниях атома, показывает, что внутренние процессы в атоме не подчиняются классическим законам.

Нильс Хенрик Давид БорНильс Хенрик Давид Бор

Родился 7 октября1885 года в Копенгагене. В 23года за свою дипломную работу об определении поверхностного натяжения воды по вибрации водяной струи получил золотую медаль датской королевской академии наук. Через 4 года переходит работать к Резерфорду в Манчестер, занимается исследованиями атома, в результате которых обнаружил вещества с одинаковыми химическими свойствами, но с различным атомным весом – названные изотопами. У Резерфорда Нильс Бор открыл «закон радиоактивных смещений». За свои открытия и исследования в 1922 году Бор получил Нобелевскую премию.

Бор является создателем квантовой теории атома водорода, в которой доказывает, что электрон вращается по определенным квантовым орбитам. В 1916 году его избирают членом Датского королевского общества. В 1939 Бор становится президентом Датского королевского общества. До последних дней Нильс не прекращал исследования, внося вклад в развитие науки.

Умер 18 ноября 1962 года.

Квантовые постулаты БораКвантовые постулаты Бора

I ПОСТУЛАТ БОРААтомная система может находится только в особых стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает.

II ПОСТУЛАТ БОРА

При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией En в стационарное состояние с меньшей энергией Em излучается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

hνnm = En – Em

При переходе атома из стационарного состояния с меньшей энергией En в стационарное состояние с большей энергией Em поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

hνnm = En – Em

Частота излучения

h – постоянная Планка

Правило квантования БораПравило квантования Бора

В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные, квантованные значения момента импульса:

me - масса электрона, υ –  скорость электронаrn – радиус стационарной круговой         орбиты 

Правило квантования Бора позволяет вычислить радиусы стационарных орбит электрона в атоме водорода и определить значения энергий. 

Трудности теории БораТрудности теории Бора

Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию спектра. Однако построить количественную теорию для более сложных атомов не удалось. Относительно них теория Бора позволяла делать лишь качественные заключения. Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. Введение в физику квантовых представлений требовало радикальной перестройки механики и электродинамики. Эта перестройка была осуществлена, когда были созданы новые физические теории: квантовая механика и квантовая электродинамика. Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий.

Правило же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко не всегда.

Корпускулярные и волновые свойства частиц следует рассматривать не как

взаимоисключающие, а как взаимодополняющие друг друга

«Наука вынуждает нас создавать новые теории. Их задача – разрушить стену противоречий,

которые часто преграждают дорогу научному прогрессу. Все существенные идеи в науке

родились в драматическом конфликте между реальностью и нашими попытками ее понять».

наука, позволяющая предсказать поведение огромного числа физических систем – от Галактик до атомов и атомных ядер

Нерелятивистская квантовая теория. Нерелятивистская квантовая теория. Уравнение ШредингераУравнение Шредингера

К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома Н. Бора не может дать полного описания свойств атома. В 1925 - 1926 гг. в работах В. Гейзенберга и Э.Шредингера  был разработан общий подход описания квантовых явлений - квантовая теория. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера

где - волновая функция,

В нерелятивистском случае

(x,y,z,t) - оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы)

где m - масса частицы, - оператор импульса, U(x,y,z) - потенциальнаяэнергия частицы.

Задать закон движения частицы в квантовой механике это значит определить значение волновой функции в каждый момент времени в каждой точке пространства.

Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же роль как и второй закон Ньютона в классической механике.

Самой поразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностный характер. Вероятностный характер законов является фундаментальным свойством микромира.

Квадрат модуля волновой функции, описывающей состояние квантовой системы, вычисленный в некоторой точке, определяет вероятность обнаружить частицу в данной точке.