Атомная энергетика Ядерная модель строения атома. Постулаты Бора

Вид материала

Документы

Содержание Постулаты бора Ry= 2.18 ·10 Дж = 13,6 эВ - внесистемная единица энергии, называемая ридбергом. Закон радиоактивного распада. Свинцовый метод Ядерные реакции. Выходной канал Использование ядерной реакции.

Подобный материал:

• Опыт Резерфорда. Планетарная модель атома. Постулаты Бора, 33.72kb.
• Этапы Время Приемы и методы Актуализация 10 мин. Сообщения учащихся изложение, 55.81kb.
• Торсионная модель строения атома резюме по анализу планетарной модели атома, 664.76kb.
• Элементы квантовой механики Атом Резерфорда – Бора и гипотеза де Бройля Ядерная модель, 38.71kb.
• Володимирівна Номінація «Фізика», 210.34kb.
• 4. Атомная энергетика, 5.38kb.
• Інститут управління природними ресурсами Кафедра фундаментальних наук Реферат з концепції, 134.65kb.
• Основы атомной физики. Развитие представлений о строении атома. Модели Томсона и Резерфорда., 63.54kb.
• 56. Атомная физика. Строение атома. Радиоактивность. Строение ядра, 83.3kb.
• "Ядерные реакции. Ядерная энергетика", 296.23kb.

Тема: Атомная энергетика


Ядерная модель строения атома. Постулаты Бора.

После открытия электрона стало ясно, что атом имеет слож­ную структуру. Несколькими учеными были предложены различ­ные теоретические модели. Наиболее интересной показалась мно­гим модель Дж. Томсона «пудинг с изюмом».

Ученик Томсона, Э. Резерфорд, проводя эксперименты, сделал открытие: атом устроен так же, как Солнечная система: в центре его находится положительно заряженное ядро, а вокруг него вра­щаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Заряд ядра атома равен заряду электронной оболочки, только с об­ратным знаком.

Ядерная модель атома оказалась очень изящной и намного бо­лее простой, чем модель Томсона.

О результатах своих исследований Резерфорд сообщил в феврале 1911 года. Осенью того же года состоялся конгресс в Брюсселе, на котором были все выдающиеся физики Европы: М. Планк, А. Пу­анкаре, А. Эйнштейн. X. Лоренц, В. Нернст. Был приглашен и Резерфорд. Но мир науки не принял модель атома Резерфорда, так как все считали, что таким, каким его описывал Резерфорд, атом существовать не мог; еще в 1905 году немецкий физик Вин говорил о невозможности такой модели, так как она неустойчива. Ведь вращающиеся
вокруг ядра электроны должны обладать центростремительным ускорением, а любой ускоренно движущийся заряд (согласно классической электродинамике) должен непрерывно излучать электромагнитные волны. Теряя энергию на излучение, электроны должны по спирали упасть на ядро, и атом как тако­вой должен был бы перестать существовать.

Знал ли об этом Резерфорд? Конечно, знал. Но результаты экс­периментов говорили о том, что атом устроен именно так. Объяс­нить возникшее противоречие в то время он не мог. Поэтому в сво­ей основополагающей работе в 1911 году лишь кратко заметил: «Вопрос об устойчивости атома рассматриваемого строения нет надобности обсуждать на этом этапе, так как устойчивость, несо­мненно, зависит от тонкостей строения атома и от движения его заряженных частиц».

ПОСТУЛАТЫ БОРА

В 1912 году в Манчестер к Резерфорду приехал молодой дат­ский физик Нильс Бор. Пробыв в Манчестере около четырех меся­цев, Бор «заболел» атомом. Постоянно и мучительно размышляя над проблемой устойчивости атома. Бор пришел к убеждению, что «этот вопрос просто невозможно решить посредством уже извест­ных правил». Бор понял, что не все законы классической физики применимы к явлениям атомных масштабов и что для описания свойств атомов нужна новая теория, учитывающая квантовые представления. Еще до Бора попытку учесть в теории атома эти представления предпринял австрийский физик А. Гааз, но был вы­смеян коллегами. В отличие от Гааза Бор опирался на ядерную мо­дель строения атома и применил формулу Планка не ко всей энер­гии атома, а лишь к ее изменению в процессе излучения и погло­щения света. Принципиально новым в теории Бора было то, что он допустил существование в атоме таких состояний, в которых дви­жущиеся с ускорением электроны не излучают электромагнитных волн. Да, существование таких состояний противоречило законам классической электродинамики. Но вместо того чтобы отказаться из-за этого от планетарной модели (как поступали другие физики). Бор счел сами эти законы несправедливыми в области атомных яв­лений. И после нескольких месяцев работы Бор в 1913 году опуб­ликовал свою квантовую теорию атома. Основу этой теории со­ставляют три постулата.

I постулат: атом может находиться не во всех состояниях, до­пускаемых классической физикой, а только в особых квантовых (или стационарных) состояниях, каждому из которых соответствует своя определенная энергия Е_п. В стационарном состоянии атом
не излучает.

II постулат: при переходе атома из одного стационарного состояния в другое излучается или поглощается квант света с энергией ħω, равной разности энергий стационарных состояний: _

III постулат: в стационарном состоянии электрон может двигаться только по такой «разрешенной» орбите, радиус которой удовлетворяет условию:

mυr=mħ , где тυ- импульс электрона,

n - номер квантового состояния (n= 1,2,3...).

Согласно этим постулатам, энергия атома водорода в n-м стационарном состоянии определяется формулой: _,

Где Ry= 2.18 ·10^-18 Дж = 13,6 эВ - внесистемная единица энергии, называемая ридбергом.

Главное квантовое число - целое число n, определяющее номер квантового состояния и энергию атома в этом состоянии.

Энергетический уровень - значение энергии атома в том или ином стационарном состоянии.

п = 1 - нормальное (основное) состояние атома.

п > 1 - возбужденные состояния.

При переходе с более высокого энергетического уровня на бо­лее низкий происходит излучение кванта света:

ω=_

где _ - энергия атома в начальном состоянии;

_ - энергия атома в конечном состоянии.

При обратном переходе, из состояния более низкого уровня в более высокий, происходит поглощение кванта: ω=_

Закон радиоактивного распада.

Как и любая квантовая система, радиоактивное ядро подчи­няется вероятностным законам, и распад каждого отдельного ядра является совершенно случайным событием.

Период полураспада - промежуток времени, в течение кото­рого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое.

Обозначается буквой Т.

У каждого вида ядер период полураспада является строго опре­деленной величиной. Опыты с радиоактивными веществами пока­зали, что никакие внешние условия (изменения агрегатного состоя­ния, нагревание до высоких температур, большие давления и т. п.) не влияют на характер и скорость распада.

_ - закон радиоактивного распада,

где N— число нераспавшихся ядер за промежуток времени t. Закон является статистическим и справедлив лишь при доста­точно большом числе радиоактивных ядер.

τ = 1,44Т - среднее время жизни ядра данного элемента.

А = _ - активность радиоактивного вещества; показывает, сколько радиоактивных распадов происходит в этом веществе за единицу времени.

В СИ единица [А] = 1 Бк (беккерель).

1 Бк равен активности такого радиоактивного вещества, в кото­ром за 1 с происходит 1 распад.

Изотопная хронология - определение возраста горных пород, минералов, следов древних человеческих культур и в целом Земли по накоплению в них продуктов распада радиоактивных изотопов.

- Свинцовый метод: конечным продуктом распада урана ²³⁸U является свинец ²⁰⁶Рb. Это приводит к тому, что в любом образце содержание урана будет уменьшаться с течением времени, а свинца увеличиваться.

- Радиоуглеродный метод. Применяют для оценки возраста объектов в пределах 60 000 лет. Измерив в той или иной находке органического происхождения содержание радиоуглерода ¹⁴С, пе­риод полураспада которого 5700 лет, можно определить и возраст этой находки.

Ядерные реакции.

Ядерные реакции - превращение атомных ядер в результате взаимодействия друг с другом или с какими-либо элементарными частицами.

Символическая запись ядерной реакции:

а + X -> Y +b,

где X и Y - атомные ядра, а и b - элементарные частицы или простые ядра (типа α-частицы или дейтрона).

• Входной канал - исходные частицы, участвующие в ядерной реакции (а + X).
  
• Выходной канал - совокупность образовавшихся частиц (Y + b).
  

Энергетический выход ядерной реакции, или энергия реак­ции Q, - разность кинетической энергии конечного и начального состояний частиц, участвующих в ядерной реакции: Q= Е_к'- Е_к.

Экзотермическая реакция - Q > 0;

Эндотермическая реакция - Q < 0.

Первая ядерная реакция была осуществлена в 1919 году Резерфордом.

Ядерные реакции могут протекать как в природе (в недрах звезд), так и в лабораторных условиях.

Источниками частиц могут служить радиоактивные препараты, космические лучи, ядерные реакторы и ускорители заряженных частиц.


Использование ядерной реакции.

Термоядерные реакции.

Термоядерные реакции - ядерные реакции между легкими атомными ядрами, протекающие при очень высоких температурах (порядка 10⁸ К и выше).

Сюда относятся реакции термоядерного синтеза, то есть реакции, в которых из легких ядер синтезируются более тяжелые, например, дейтерий-фитиевая реакция.

Необходимые условия термоядерной реакции:

1. огромная кинетическая энергия взаимодействующих ядер;
   
2. температура смеси реагирующих веществ порядка сотен миллионов градусов.
   

Энергетический выход термоядерной реакции определяется формулой: Q = Е’_св,- Е_св.

В настоящее время удалось осуществить лишь неуправляе­мую реакцию термоядерного синтеза взрывного типа в водородной бомбе. Первая в мире водородная бомба была создана в СССР, и 12 августа 1953 года был осуществлен ее взрыв. Это буквально оше­ломило весь мир.

Сейчас в арсеналах разных стран накоплено уже более 50 тысяч водородных бомб. Ядерное оружие представляет огромную угрозу для всего человечества; взрыв одной только бомбы мощностью 20 Мт уничтожит все живое на Земле на расстоянии 140 километ­ров от эпицентра. Поэтому народы многих стран борются за за­прещение ядерного оружия при постепенном уничтожении того, что уже накоплено.

Но ядерные взрывы могут быть использованы не только в во­енных, но и в мирных целях. Например, подземные взрывы с ис­пользованием ядерного заряда применялись при крупномасштаб­ных горных работах, для добычи полезных ископаемых, создания в глубине пластичных пород специальных емкостей-хранилищ. Тер­моядерные реакции играют также очень важную роль во многих астрофизических явлениях. Именно ими обусловлено происхожде­ние различных химических элементов в природе.