Строение атома Постулаты Бора Лазер (СР).

План

1. Строение атома. Опыты Резерфорда.

1. Постулаты Бора.

2. Лазер.

1. Явления, подтверждающие сложность строения атома. До 70 лет XIX в. под атомами понимали неделимые частицы вещества. Однако к концу XIX в. стали известны факты, которые свидетельствовали, что атом — сложная электрическая система. Электризация тел трением, прохождения тока через жидкости i газы показали, что в состав атомов входят заряженные частицы. Исследуя катодное лучей, Дж.. Дж. Томсон (1856-1940) в 1897 г. открыл электрон i измерил его удельный заряд. Исследование открытого в 1896 г. А. Беккерелем (1852 — 1908) радиоактивного излучения свидетельствовало, что из атомов радиоактивных веществ вылетают положительно заряженные -частицы, отрицательно заряженные — частицы i Лучей.

Первая модель атома. В 1902 г. В. Кельвин (У. Томсон) (1824-1907) предложил модель атома: положительно заряженная шар, внутри которой находятся неподвижные электроны. Положительный и отрицательный заряды атома одинаковы. Однако такая система не устойчива. Поэтому Дж.. Дж. Томсон считал, что электроны колеблются i при этом излучают св1тло. С помощью этой модели невозможно было объяснить спектральные закономерности излучения атомов.

Опыты Э. Резерфорда. Решающее значение для теории строения атома имели опыты английского физика Э. Резерфорда (1871 -1937), который изучал рассеяние пучка — частиц при прохождении их через тонкую металлическую фольгу (1913 г.).

Результаты опыта: 1) большинство — частиц проходит через фольгу и почти не испытывает рассеивания; 2) отдельные частицы испытывают рассеяние на угол до 180 °.

Выводы: 1) электроны не вызывают рассеяние — частиц, потому что масса электрона в 8000 раз меньше массы — частицы, 2) в атоме должно существовать ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома i размеры которого очень малы ( м), 3) заряд ядра положителен и равен , где Z — порядковый номер элемента, равным числу электронов в атоме, е — элементарный заряд. На основе этих выводов было предложено ядерную модель атома: в центре атома положительно заряженное ядро, размер которого составляет м, а вокруг него в сфере диаметром м по замкнутых орбитах движутся электроны (их количество Z). Модель атома подобна солнечной системы, поэтому ее часто называют планетарной.

По законам классической электродинамики, электроны движутся по замкнутых орбитах, т. е. имеют центростремительное ускорение и излучают электромагнитные хвил1. Энергия электрона при этом уменьшается и в конце он должен упасть на ядро. Однако атомы устойчивы и излучают не сплошной спектр, а линейчатый..

2. Постулаты Н. Бора (1885-1962). Классическая электродинамика в применении к ядерной модели атома не объяснила природы линейчатых спектров. H. Бор создал другую ядерную модель атома, воспользовавшись идеями Планка и Эйнштейна о том, что свет излучается квантами, и сформулировал следующие постулаты.

1. Постулат стационарных состояний: атомная система может долгое время, без внешнего воздействия, находиться только в стационарных состояниях, не излучая при этом электромагнитные волны (не излучают энергию).

Несмотря на то, что электроны в атоме движутся с ускорением, электромагнитных волн атом не излучает. Каждом стационарном состоянию соответствует тилыкы определенная энергия и определенные орбиты, по которым движутся электроны.

2. Правило квантования орбиты: в стационарном состоянии атома электроны, двигаясь по круговой орбите, должны иметь дискретные, квантовые значения момента импульса, что соответствует условию:

, (1)

Где — масса электрона, И — скорость электрона на -и орбите и ее радиус; — постоянная Планка.

3. Правило частот: Атом может переходить из одного стационарного состояния в другое. При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией излучается один фотон. Для перехода электрона из стационарного состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией атом должен поглотить квант энергии. Энергию поглощенного кванта и энергию фотона, излучаемого, можно найти по формуле:

,

Где и — энергия атома при движении электронов на -й и -и орбитах; — энергия кванта, — частота излучаемой электромагнитной волны.

Модель атома водорода по Бором. Это ядерная модель, в которой электроны находятся только на определенных орбитах, соответствующих стационарном состояния атома. Для энергии электрона на n-й орбите в атоме водорода иметь формулу:

. (2)

Скорость электрона на -и орбите и ее радиус находим по правилу квантования орбит (1) и при условии, что кулоновская сила предоставляет электронную центростремительного ускорения:

(3)

Из уравнений (2) и (3) получим ; , тогда полная энергия , а частота излучения

,

Где = 1,1М-1 — постоянная Ридберга, С — скорость света в вакууме.

Для воднеподибних атомов — одно ионизированного атома гелия , двоионизованого атома лития — и т. д. — частота излучения определяется по формуле: .

N

6

5

4

3

2

1

Серия Лаймана (Ультрафиолетовые волны)

Серия Бальмера (Видимо свет)

Серия Пашена (Инфракрасные волны)

Е (эВ)

Объяснение спектральных закономерностей Излучения атома водорода.

Спектр энергии атома водорода показано на рисунке. При = 1 энергия атома Е1 = -13,6 эВ, при = 2 Е2 == — 3,4 эВ, при = ∞, Еn = 0. Когда электроны переходят с низших уровней на высшие, атом поглощает энергию, а когда высших энергетических уровней на низшие — излучает. При этом могут излучаться такие серии линий:

А) = 1, = 2,3, 4. . . — Ультрафиолетовые линии серии Лаймана;

Б) = 2, = 3, 4, 5. . . — Видимые линии серии Бальмера;

В) = 3, = 2,3,4. . . — Инфракрасные линии серии Пашена;

Г) = 4, = 5, 6, 7. . . инфракрасные линии серии Бреккета.

Трудности тeopии Бора. Теория Бора объяснила природу спектральных серий атома водорода, позволила вычислить энергетические уровня электрона в атоме водорода. Усовершенствовал эту теорию немецкий физик А. Зоммерфельд (1868 — 1951), учитывая эллиптичности op6ит электронов.

Однако теория Бора-Зоммерфельда не смогла объяснить интенсивность линий спектра, а также явление поляризации, дисперсии и поглощения света. Эта тeopiя была искусственным сочетанием классических законов физики i квантовых представлений.

Квантовые генераторы. Оптические квантовые генераторы позволяют получать узкий интенсивный пучок света в видимой или инфракрасной части спектра. Работа квантового генератора (лазера) основана на квантовых процессах — инверсии заселенности и оптической накачци.

В результате оптической накачки (например, при яркой вспышке света) большинство атомов тела лазера переходит сначала в возбужденное состояние (электроны из основных, низких энергетических уровней переходят на высшие) и почти сразу (в течение С) в метастабильное (неустойчивый). Этот процесс называют инверсией заселенности. В метастабильном состоянии атомы находятся от нескольких миллисекунд до секунды. При облучении светом, частота которого равна частоте перехода с метастабильного состояния в основное, атомы мгновенно переходят в основное состояние, излучая монохроматический свет и освобождая при этом накопленный ранее огромную энергию.

Квантовый генератор состоит из рабочего тела и источника питания с импульсной лампой (рис.) Источником питания обычно е батарея конденсаторов 3, которые заряжаются до 3,5-10 кВ через прибор от сети. Для подкачки часто используют импульсную ксеноновую лампу 1. В качестве рабочего тела в

Лазерах используют рубиновые стержни 2 (рубин — кристалл оксида Al с добавкой 0,05% Cr или стержни из других кристаллов, например сапфира). Стержни с прямоугольным или круглое сечение, очень тщательно проверяют на: параллельность сторон и чистоту торцевых поверхностей, расположение оптической оси относительно оси стержня. С помощью специальных оптических систем можно получить пучок света в лазере диаметром не более 0,1 мм. Сейчас изготавливают лазеры: а) газовые (могут генерировать в непрерывном режиме с мощностью до 10 кВт и в импульсном — с мощностью от 10 кВт и до 10 ГВт), б) полупроводниковые {имеют очень высокий КПД — до 100%, позволяют изменять частоту излучения, импульсная мощность — до 1 МВт);

В) твердотельные (импульсная мощность-до 10 ТВт при длительности импульса до 1 нс, КПД = 0,1%).

Луч лазера имеет такие важные свойства.

1. Излучение лазера имеет высокую направленность, распространяется узким пучком. Расчеты показывают, что можно получить лазерный луч с углом расхождения около Радиан.

2. Излучение лазера имеет высокую монохроматичность, обусловленную тем, что в лазерах атомы или молекулы излучают свет согласованно, тогда как в обычных источниках света атомы излучают свет независимо друг от друга.

3. Излучение лазера имеет высокую когерентность. Это излучение является пространственно когерентным, потому что все фронты волн плоские и перпендикулярные к направлению распространения волн. Это излучение когерентное и во времени, потому что существует строгая фазовая соответствие между частью волны, выпущенной в один момент времени, и волной, излучаемую через определенный интервал времени.

4. Высокая когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют сфокусировать пучок света лазера системой обычных зеркал и линз и получить очень маленькое изображение, яркость которого за яркость источника света.

5. Лазеры являются наиболее мощными источниками излучения.

Лазеры применяются в промышленности (например, для прожига в различных материалах отверстий с малым диаметром, обработки микроэлементов электронной аппаратуры, сварка).

В медицине с их помощью осуществляется своеобразное точечная сварка тканей: приваривается сетчатка глаза при ее отслойке. Лазерное излучение имеет применение в лечении раковых опухолей, в стоматологии.

Перспективным является применение лазерного луча в средствах связи. Лазерная связь на малых расстояниях используется в городских системах телефонной связи. Во многих странах мира ведутся работы по созданию телевизионных систем, оптических, вычислительных машин и т. д. на основе использования лазеров.

Применяя лазеры, получают цветные объемные изображения предметов в фотографии, кино и телевидении, используя когерентность лазерного луча (так называемая голография).

Чрезвычайно широко используются лазеры в научных исследованиях. С помощью лазеров удалось повторить эксперимент Майкельсона — Морли, повысив его точность примерно в тысячу раз. Лазеры используются при исследованиях атмосферы, в геодезических исследованиях, при изучении дрейфа материков т. д..

Излучения лазеров охватывает диапазон длин волн от 0,6 до 3,5 мкм. Для того чтобы получить излучение в ультракоротком диапазоне (менее 0,6 мкм), используют квантовые генераторы — мазеры. Газовые i твердотельные мазеры имеют мощность до 1% от потребляемой.

• Как изготавливаются конические ролики?
• Дифференциальное уравнение, характеризующее динамику технологического объекта
• Организация производством
• Способы оглушением животных. обескровливание животных.
• Определение пористости хлеба
• Методы контроля готовой продукции 3 анализа