Методы наблюдения интерференции света Поляризация света Характеристики теплового излучения Применение фотоэффекта Современная физика атомов и молекул Ядерные реакции Квантовые усилители и генераторы

Курс лекций по физике

Механическое движение как простейшая форма движения материи. Представление о свойствах пространства и времени. Преобразования Галилея. Механический принцип - относительности. Классический закон сложения скоростей. Постулаты специальной теории относительности. Преобразования Лоренца. Понятие одновременности. Релятивистское изменение длин и промежутков времени. Релятивистский закон сложения скоростей.

Рентгеновские спектры

Большую роль в выяснении строения атома, а именно распределения электронов по оболочкам, сыграло излучение, открытое в 1895 г. немецким физиком К. Рентгеном (1845—1923) и названное рентгеновским. Самым распространенным источником рентгеновского излучения является рентгеновская трубка, в которой сильно ускоренные электрическим полем электроны бомбардируют анод (металлическая мишень из тяжелых металлов, например W или Pt), испытывая на нем резкое торможение. При этом возникает рентгеновское излучение, представляющее собой электромагнитные волны с длиной волны примерно 10-12 – 10-8 м.

Рентгеновские лучи возникают при бомбардировке быстрыми электронами твердых мишеней. Существует два вида рентгеновских трубок — ионные и электронные. В ионных трубках поддерживается тлеющий разряд при низком давлении (порядка 10-3 мм рт. ст.). В электронных трубках (рис. 42.4) свободные электроны возникают вследствие термоэлектронной эмиссии с нагреваемого током катода (вольфрамовой спирали). Цилиндр Ц служит для фокусировки электронного пучка. Давление газа в таких трубках составляет 10-5¸10-7 мм рт. ст. Антикатод трубки Ак служит одновременно и анодом. Электронные трубки гораздо устойчивее и проще в эксплуатации. По этой причине ионные трубки теперь применяются редко.

Рис.42.4. Схема электронной рентгеновской трубки.

Почти вся энергия электронов выделяется на антикатоде в виде тепла (в излучение превращается лишь 1—3% энергии). Поэтому в мощных трубках антикатод приходится интенсивно охлаждать. С этой целью в теле антикатода делаются каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость (вода или масло).

Волновая природа рентгеновского излучения доказана опытами по его дифракции. Исследование спектрального состава рентгеновского излучения показывает, что его спектр имеет сложную структуру (рис. 42.5) и зависит как от энергии электронов, так и от материала анода.

Рис.42.5. Вид спектра рентгеновского излучения.

Спектр представляет собой наложение сплошного спектра, ограниченного со стороны коротких длин волн некоторой границей lmin, называемой границей сплошного спектра, и линейчатого спектра — совокупности отдельных линий, появляющихся на фоне сплошного спектра.

Исследования показали, что характер сплошного спектра совершенно не зависит от материала анода, а определяется только энергией бомбардирующих анод электронов. Детальное исследование свойств этого излучения показало, что оно испускается бомбардирующими анод электронами в результате их торможения при взаимодействии с атомами мишени. Сплошной рентгеновский спектр поэтому называют тормозным спектром. Этот вывод находится в согласии с классической теорией излучения, так как при торможении движущихся зарядов должно действительно возникать излучение со сплошным спектром.

Из классической теории, однако, не вытекает существование коротковолновой границы сплошного спектра. Из опытов следует, что чем больше кинетическая энергия электроне», вызывающих тормозное рентгеновское излучение, тем меньше lmin. Это обстоятельство, а также наличие самой границы объясняются квантовой теорией. Очевидно, что предельная энергия кванта соответствует такому случаю торможения, при котором вся кинетическая энергия электрона переходит в энергию кванта, т. е.

где U - разность потенциалов, за счет которой электрону сообщается энергия Emax, nmax — частота, соответствующая границе сплошного спектра. Отсюда граничная длина волны

   (42.14) 

что полностью соответствует экспериментальным данным. Измеряя границу рентгеновского сплошного спектра, по формуле (42.14) можно определить экспериментальное значение постоянной Планка h, которое наиболее точно совпадает с современными данными.

При достаточно большой энергии бомбардирующих анод электронов на фоне сплошного спектра появляются отдельные резкие линии — линейчатый спектр, определяемый материалом анода и называемый характеристическим рентгеновским спектром (излучением).

По сравнению с оптическими спектрами характеристические рентгеновские спектры элементов совершенно однотипны и состоят из нескольких серий, обозначаемых К, L, M, N и 0. Каждая серия, в свою очередь, содержит небольшой набор отдельных линий, обозначаемых в порядке убывания длины волны индексами a, b,g, ... (Кa, Кb, Кg, ..., La,Lb,Lg, …). При переходе от легких элементов к тяжелым структура характеристического спектра не изменяется, лишь весь спектр смещается в сторону коротких волн. Особенность этих спектров заключается в том, что атомы каждого химического элемента, независимо от того, находятся ли они в свободном состоянии или входят в химическое соединение, обладают определенным, присущим только данному элементу линейчатым спектром характеристического излучения. Так, если анод состоит из нескольких элементов, то и характеристическое рентгеновское излучение представляет собой наложение спектров этих элементов.

Рассмотрение структуры и особенностей характеристических рентгеновских спектров приводит к выводу, что их возникновение связано с процессами, происходящими во внутренних, застроенных электронных оболочках атомов, которые имеют сходное строение.

Разберем механизм возникновения рентгеновских серий, который схематически показан на рис. 42.6.

Рис. 42.6. Структура характеристического рентгеновского спектра.

Предположим, что под влиянием внешнего электрона или высокоэнергетического фотона вырывается один из двух электронов К-оболочки атома. Тогда на его место может перейти электрон с более удаленных от ядра оболочек L, М, N,.... Такие переходы сопровождаются испусканием рентгеновских квантов и возникновением спектральных линий К-серия: Ka(L®K), Кb®К), Kg(N®K) и т. д. Самой длинноволновой линией К-серии является линия Кa. Частоты линий возрастают в ряду Ka® Kb® Kg, поскольку энергия, высвобождаемая при переходе электрона на К-оболочку с более удаленных оболочек, увеличивается. Наоборот, интенсивности линий в ряду Ka® Kb® Kg, убывают, так как вероятность переходов электронов с L-оболочки на К-оболочку больше, чем с более удаленных оболочек М и N. К-серия сопровождается обязательно другими сериями, так как при испускании ее линий появляются вакансии в оболочках L, М,..., которые будут заполняться электронами, находящимися на более высоких уровнях.

Аналогично возникают и другие серии, наблюдаемые, впрочем, только для тяжелых элементов. Рассмотренные линии характеристического излучения могут иметь тонкую структуру, поскольку уровни, определяемые главным квантовым числом, расщепляются согласно значениям орбитального и магнитного квантовых чисел.

Исследуя рентгеновские спектры элементов, английский физик Г. Мозли (1887—1915) установил в 1913 г. соотношение, называемое законом Мозли:

 (42.15)

где v — частота, соответствующая данной линии характеристического рентгеновского излучения, R — постоянная Ридберга, s — постоянная экранирования, m = l, 2, 3, ... (определяет рентгеновскую серию), п принимает целочисленные значения начиная с m+1 (определяет отдельную линию соответствующей серии). Закон Мозли (42.15) подобен обобщенной формуле Бальмера для атома водорода. 

Смысл постоянной экранирования заключается в том, что на электрон, совершающий переход, соответствующий некоторой линии, действует не весь заряд ядра Ze, а заряд (Z—s)e, ослабленный экранирующим Действием других электронов. Например, для Ka-линии s = 1, и закон Мозли запишется в виде

 (42.16)

Квантовая статистика - раздел статистической физики, исследующий системы, которые состоят из огромного числа частиц, подчиняющихся законам квантовой механики. В отличие от исходных положений классической статистической физики, в которой тождественные частицы различимы (частицу можно отличить от всех таких же частиц), квантовая статистика основывается на принципе неразличимости тождественных частиц. При этом оказывается, что коллективы частиц с целым и полуцелым спинами подчиняются разным статистикам.

Физика атомного ядра Состав атомных ядер, их классификация Э. Резерфорд, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектронвольт через тонкие пленки золота, пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженного ядра и сгружающих его электронов. Проанализировав эти опыты, Резерфорд также показал, что атомные ядра имеют размеры около 10-14–10-15 м (линейные размеры атома примерно 10-10 м).

Радиоактивное излучение и его виды Французский физик А. Беккерель (1852—1908) в 1896 г. при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил самопроизвольное испускание ими излучения неизвестной природы, которое действовало на фотопластинку, ионизировало воздух, проникало сквозь тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Продолжая исследование этого явления, супруги Кюри - Мария (1867—1934) и Пьер - обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и многим другим тяжелым элементам, таким, как торий и актиний. Они показали также, что урановая смоляная обманка (руда, из которой добывается металлический уран) испускает излучение, интенсивность которого во много раз превышает интенсивность излучения урана.

Закономерности a-распада В настоящее время известно более двухсот a-активных ядер, главным образом тяжелых (А>200, Z>82). Только небольшая группа a-активных ядер приходится на область с А= 140—160 (редкие земли). a-Распад подчиняется правилу смещения (44.9). Примером a-распада служит распад изотопа урана 238 U с образованием Th:

Гамма-излучение и то свойства Экспериментально установлено, что g-излучение не является самостоятельным видом радиоактивности, а только сопровождает a- и b-распады и также возникает при ядерных реакциях, при торможении заряженных частиц, их распаде и т. д. g-Спектр является линейчатым. g-Спектр — это распределение числа g-квантов по энергиям. Дискретность g-спектра имеет принципиальное значение, так как является доказательством дискретности энергетических состояний атомных ядер.

Поступательное движение твердого тела. Закон инерция и инерциальные системы отсчета. Второй закон Ньютона. Центр масс (центр инерции) механической системы в закон его движения. Закон сохранения количества движения. Энергия как универсальная, мера различных форм движения и взаимодействия. Работа силы и ее выражение через криволинейный интеграл. Закон сохранения энергии. Понятие о релятивистской динамике. Основной закон релятивистской динамики материальной точки. Релятивистское выражение для кинетической энергии
Гелий-неоновый лазер