теоретичні відомості
Фотоефектом називається випускання електронів речовиною під дією світла.
Число електронів, що вириваються світлом в одиницю часу, пропорційно потужності падаючого випромінювання;Максимальна кінетична енергія фотоелектронів ли-лінійного зростає з частотою світла (рис.1) і не залежить від потужності випромінювання. Якщо частота світла менше певної величини v 0 залежить від речовини, то фотоефект не відбувається.
Ейнштейн пояснив закони фотоефекту за допомогою уявлень про кванти - порціях енергії. Відповідно до гіпотези Планка атоми випускають енергію окремими порціями - квантами. Величина кванта пропорційна частоті випромінювання:
де h = 6,63 * 10 -34 Дж / с - постійна Планка.
Згідно Ейнштейну світло поглинається також квантами. Перебуваючи в речовині, електрон може поглинути один квант падаючого світла тільки цілком. Цей квант частково витрачається на роботу виходу А електрона з речовини. Частина енергії виділяється у вигляді кінетичної енергії вилетів електрона:
Це - рівняння Ейнштейна для фотоефекту. Згідно з другим законом фотоефекту воно висловлює лінійну залежність між величинами v і mv 2/2. Граничну частоту v0, звану червоною кордоном можна знайти, поклавши в (2) 0. mv 2/2 = 0. Тоді v0 = A / h.
Подвійна природа світла полягає в тому. що якщо в процесі поширення світло виявляє хвильові властивості (явища дифракції та інтерференції), то при випромінюванні і поглинанні світло виявляє властивості корпускул (часток). Фотон - це світлова частка, що має енергію hv. Фотон має масу:
На відміну від інших частинок фотон не може бути в спокої. Він завжди рухається зі швидкістю світла. Тому імпульс фотона:
Резерфорд, досліджуючи розсіювання а - частинок (дворазово іонізованих атомів гелію) в результаті їх проходження через тонкі шари різних речовин, встановив існування атомного ядра: майже вся маса атома укладена в мізерно малу частину його обсягу, званої ядром. Ядро має позитивний заряд, рівний + Ze, де е - модуль заряду електрона, званий елементарним електричним зарядом; число Z. як виявилося, збігається з порядковим номером елемента в таблиці Менделєєва. Так як в цілому атом електрично нейтральний, то загальний заряд усіх його електронів, що обертаються навколо ядра, дорівнює -Ze. Таким чином число Z, зване зарядовим числом, - це число електронів в атомі і одночасно це величина заряду ядра, виражена в електронних одиницях.
Планетарна модель атома Резерфорда не може пояснити ні факт стійкості атома, ні спостерігаються експериментально закономірності випромінювання і поглинання атомом енергії.
Перший постулат Бора. Електрони можуть рухатися в атомі тільки по певних орбітах, перебуваючи на яких, вони не випромінюють енергію. Ці орбіти визначаються умовою:
де r n - радіус n - ой орбіти, vn - швидкість електрона на цій орбіті, n - головне квантове число (n = 1,2,3.).
Другий постулат Бора. При переході електрона з одного стаціонарного (сталого) стану в інше випускається або поглинається квант електромагнітного випромінювання.
де n1. n 2 - номери стаціонарних станів, між якими відбувається стрибок електрона, En1. En2 - енергії цих станів.
Випромінювання енергії відбувається при переході електрона зі стану з більшою енергією в стан з меншою енергією. поглинання відбувається при зворотному процесі. Частота випромінювання (поглинання):
За допомогою умови (5) Бор отримав формулу для енергій стаціонарних станів електрона в атомі водню:
де m - маса електрона. При n = 1,2,3. отримуємо набір енергетичних рівнів E1, E2, E3. Відповідно до формул (7). (8) атом водню випромінює (поглинає) енергія не будь-яких частот, а лише набір певних частот. Цей висновок узгоджується з дослідними даними, отриманими зі спостережень за лінейча-тими спектрами. Експериментально виміряні значення частот, відповідних лініях спектра водню, збігаються з обчисленими по (7). (8).
Явище радіоактивності полягає в мимовільному випромінюванні ядрами деяких елементів а -, b -, у - променів, а - промені є потоком ядер атомів гелію, b - промені - потік дуже швидких електронів, у-промені - електромагнітні хвилі дуже малої довжини (10 - 10 - 10 -13 м).
Изл учая а - або b - частинки ядра даного елемента перетворюються в ядра інших елементів. Цей процес називається радіоактивним розпадом ядра.
де N0 - початкова кількість нераспавшіхся атомів, N - число нераспавшіхся атомів, що залишилися через проміжок часу t; Т - період напіврозпаду, тобто проміжок часу, протягом якого розпадається половина атомів.
Ядра атомів складаються з нуклонів - елементарних частинок двох сортів - протонів (p) і нейтронів (n). Протон має відносну атомну масу, рівну 1,00728 і позитивний заряд, рівний по модулю заряду електрона, e = 1,6 * 10 -19 Кл. Нейтрон має відносну атомну масу, рівну 1,00866 і є електрично нейтральним.
У ядерній фізиці ядра і елементарні частинки позначити-ються у вигляді Z A X. де Х - символ елемента або частки, Z - Зарядове число, A - масове число. Масовим числом називають число нуклонів в ядрі (частці). Так як відносні молекулярні маси протона і нейтрона близькі до одиниці, то масове число ядра (частки) можна отримати, округливши до найближчого цілого числа його відносну атомну масу. Протон позначається як 1 + 1 p або 1 + 1 H, оскільки він є ядром атома водню; нейтрон позначається як 0 1 n. Число протонів N p і нейтронів Nn в ядрі:
Ізотопами називають різновиди хімічного елемента, атомні ядра яких містять однакове число протонів, але різні числа нейтронів. Наприклад, ізотопами водню є 1 + 1 H ( "звичайний" водень), 1 2 Показати H (дейтерій) і 1 3 H (тритій).
Ядерними силами називають сили. утримують нуклони в ядрі.
Дефектом маси ядра () називають різницю між сумою мас спокою частинок, що складають ядро, і масою спокою ядра (m я):
Енергією зв'язку ядра (Есв) називається та найменша енергія, яку необхідно затратити, щоб розділити ядро на складові його нуклони. Величини Есв і пов'язані співвідношенням:
Ядерними реакціями називають зміни атомних ядер при їх взаємодії з елементарними частинками або один з одним. При ядерних реакціях зберігаються сумарне Зарядове і сумарне масове числа. Наприклад, при взаємодії ядер літію і водню вони перетворюються в два ядра гелію:
Енергія ядерної реакції (тепловий ефект) - це кількість енергії, виділеної при ядерної реакції. Вона дорівнює:
де - суми мас спокою частинок відповідно до і після реакції.
Під дією нейтронів ядра урану і інших важких елементів діляться кожне на дві частини з виділенням близько 200МеВ енергії (1МеВ = 1, б * 10 -13 Дж). При цьому виділяються 2-3 нейтрона, кожен з яких може викликати розподіл нових ядер урану з виділенням нових нейтронів і т.д. Це - ланцюгова реакція, енергію якої використовують на атомних електростанціях.
Термоядерної реакцією називається ядерна реакція злиття легких ядер при дуже високій температурі. Реакція йде завжди з виділенням енергії. Наприклад, в реакції:
виділяється енергія 17,6 МеВ. Термоядерна реакція є джерелом випромінювання енергії Сонцем і зірками. Некерована термоядерна реакція відбувається при вибуху водневої бомби.