Физическая география часть 29

1. Количество электронов, выбиваемых светом с поверхности металла за одну секунду, прямо про­порционально интенсивности света.

2. Максимальная кинетическая энергия фото­электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света i/|„i, i, при которой еще возможен фотоэффект (при v < fmin фотоэффект невозможен).

Лишь первый из этих законов может быть объ­яснен на основе волновой теории света, а два других противоречат ей.

Уравнение Эйнштейна дает объяснение всем трем законам, исходя из квантовых представлений: свет — это совокупность отдельных квантов (фото­нов) с энергией hv (h — постоянная Планка). При фотоэффекте электрон, поглощая фотон и приобре­тая его энергию, совершает работу выхода Ав и по­кидает металл. Применяя закон сохранения энер­гии, Эйнштейн получил уравнение для фотоэффек­та:

т. е. энергия поглощенного фотона идет на соверше­ние электроном работы выхода и сообщение этому электрону кинетической энергии.

Теория Эйнштейна так объясняет законы фото­эффекта:

1. Интенсивность света пропорциональна коли­честву излучаемых за 1 с фотонов, и чем больше фотонов, тем больше «фотоэлектронов,

2. Объяснение следует из самого уравнения:

—j— = hv – Ав.

3. Из уравнения же следует и существование

д

красной границы фотоэффекта: hv~^AB V^-^

. А.

—г «mill-

Важнейшее значение фотоэффекта в том, что его открытие и исследование стали эксперименталь­ным основанием квантовой теории.

Сегодня фотоэффект широко используется в тех­нике. Например, на явлении фотоэффекта основано действие фотоэлементов. Комбинируя фотоэлемен­ты с реле, создают разнообразные «видящие» авто­маты. Такие автоматы могут вовремя включать и выключать маяки, городское освещение, сортиро­вать детали, останавливать работу прессов, если в опасной эоне оказалась рука оператора и т. д.

45. СТРОЕНИЕ АТОМА. ПОСТУЛАТЫ БОРА

Э. Резерфорд в 1911 г. предложил планетарную (или ядерную) модель атома: 1) атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающей его электронной оболочки; 2) в ядре сосредоточена практически вся масса атома; 3) суммарный отри­цательный заряд электронов равен положительно­му заряду ядра — атом в целом нейтрален; 4) элек­троны движутся вокруг ядра под действием куло – новских сил. Однако такая модель атома проти­воречила законам классической электродинамики, поскольку ускоренно движущийся электрон (как любой ускоренно движущийся заряд) должен был бы излучать электромагнитные волны, теряя энер­гию, и из-за этого достаточно быстро упасть на ядро. На самом деле этого не происходит.

Постулаты Бора стали основой новой теории строения атома:

Первый постулат: атом может находиться только в особых квантовых (стационарных) состо­яниях, каждому из которых соответствует опре­деленная энергия Е,|. В стационарном состоянии атом не излучает.

Второй постулат: атом испускает или погло­щает квант электромагнитного излучения только при переходе из одного стационарного состояния в другое.

При переходе и:< состояния с большей энергией E„i в состояние с меньшей Е„2 происходит излуче­ние кванта: E„i – Еп% ■» hv. В случае поглощения кванта атом переходит в состояние с большей энер­гией: hv ■» Еп2 – Еп 1.

Целое число п, определяющее номер квантово­го состояния, называется главным квантовым чи­слом. Состояние атома с п — 1 называют основ­ным, все остальные состояния — возбужденными. Каждое значение энергии, которой обладает атом в том или ином стационарном состоянии, называют энергетическим уровнем.

Построить количественную теорию строения атома на основе постулатов Бора не удалось. Это стало возможным только в рамках квантовой меха­ники.

Задача на применение формулы свяэн энергии фотона и длины волны излучения, испускаемого при переходе атома нз одного энергетического со­стояния в другое: Во время перехода электрона в атоме водорода с третьей стационарной орбиты на вторую атом излучает фотон, энергия которого со­ответствует длине волны А ■» 652 нм (красная ли­ния спектра). На сколько уменьшается при этом энергия атома водорода?

Решение: Согласно второму постулату Бора энергия фотона равна разности энергий стационар­ных состояний:

hv – �3 – Е2- Частота же v равна:

где с — скорость света. Отсюда получаем:

Я1-Я2- х-

где Л – 6,62 • 10~34 Дж • с, с – 3 • 108 м/с. Вычисляем уменьшение энергии Е\ – Е

Ез – �2

6.82 • 10 * Дж ■ с • 3 • 10» м/с 052 • 10 s м

И 3 • 10~19 Дж.

Задача на применение формулы связи им­пульса фотона с частотой световой волны: Ка­ков импульс фотона, если длина световой волны А – 5 • 1(Г5 см?

Решение: Импульс фотона связан с частотой све­та соотношением:

р-кт>

где Л — постоянная Планка, ас — скорость света.

*С другой стороны, длина волны и частота связа­ны между собой соотношением:

Поэтому импульс фотона связан q длиной волны следующим образом:

n – ha. ш hs. _ L

и с сА А *

Вычисляем импульс р:

р _ 6′С2 Ю~м Дж с 1 зз. Ю~27 КГ • м/с. Г 5 • 10″? м ‘

46. АТОМНОЕ ЯДРО. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ

Атомное ядро — положительно заряженная центральная часть атома, где сосредоточено 99,97% его массы. Радиус ядра Я ~ 10 м (это примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома).

Ядро образовано из нуклонов — положительно заряженных протонов (р) с массой 1836/пе и ней­тральных нейтронов (п) с массой 1839/п«. Число протонов в ядре равно заряду ядра Z и определя­ет атомный номер элемента в периодической систе­ме. Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом А: А — Z + N. Число А равно округленной до целого числа отно­сительной атомной массе элемента.

Изотопы — ядра с одинаковым числом прото – • нов, но разным массовым числом (вследствие раз­ного числа нейтронов).

Нуклоны удерживаются в ядре ядерными сила­ми, которые являются проявлением так называемо­го сильного взаимодействия.

Энергия связи — это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Если ядру с энергией Ея сообщить извне энергию, равную энергии связи Есв. в результате образуются нуклоны с энергией Ен. Согласно закону сохране­ния энергии Ея + Лев — ЕИ, откуда Ея = Ен – Есв – Таким образом, при образовании ядра из отдельных нуклонов его энергия оказывается меньше суммар­ной энергии нуклонов на величину Есв.

Согласно теории относительности энергия свя­зана с массой по закону Эйнштейна: Е — /пс2 (с — скорость света в вакууме). Поэтому умень­шение энергии должно сопровождаться и умень­шением массы: масса ядра должна быть мень­ше сумм масс отдельных нуклонов. Разность ме­жду суммарной массой нуклонов и массой состо­ящего из них ядра называют дефектом массы: ДМ — (Z • тр + N • тп) ~ Мя. Именно такая до­ля массы теряется при выделении энергии свя­зи, поэтому, применяя закон Эйнштейна, получим: Есв ~ ДМ • с2. При образовании ядра эта энергия уносится 7-квантами.

47. РАДИОАКТИВНОСТЬ

Самопроизвольное превращение атомных ядер одного элемента в ядра другого, открытое в 1896 г. А. Беккерелем, получило название радиоактивно­сти. Радиоактивными являются все элементы с атомным номером более 83, остальные элементы имеют радиоактивные изотопы.

Проведенные с радиоактивными веществами опыты показали, что никакие внешние условия не влияют на характер скорость распада. С течени­ем времени число радиоактивных ядер уменьшает­ся по закону радиоактивного распада:

N~Nq 2 Т,

где No — число ядер в момент времени / — 0, а Т — период полураспада, то есть время, за которое распадается половина из наличного числа радиоак­тивных атомов.

Изучение радиоактивных излучений в сильном магнитном поле, проводившееся Э. Резерфордом, М. и П. Кюри, показали, что в результате радио­активных превращений ядер возникают три вида излучений: альфа-, бета – и гамма-лучи.

а-частицы — это ядра атомов гелия. При а-распаде происходит следующее превращение:

iX->iHe + iZiY.

а-лучи по сравнению с другими излучениями обла­дают наименьшей проникающей способностью.

/�3-частицы — это электроны. Превращение при /3-распаде таково:

2-Х —» + z-H^’

Проникающая способность /3-частиц выше, чем а-частиц.

7-лучи — это жесткое электромагнитное излуче­ние очень высокой частоты (на шкале электромаг­нитных волн 7-лучи непосредственно следуют за рентгеновскими). Из-за высокой частоты у 7-лучей сильно выражены квантовые свойства, и они ведут себя как поток частиц — 7-квантов. 7-лучи обла­дают наибольшей проникающей способностью.

Общие свойства радиоактивных излучений: а) вызывают ионизацию веществ; б) вызывают све­чение некоторых твердых тел и жидкостей; в) обла­дают химическим действием (например, вызывают почернение фотопластинок); г) оказывают биологи­ческое действие.

48. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

Цепная ядерная реакция — процесс, когда в ре­зультате взаимодействия нейтронов с ядрами ура­на появляются радиоактивные ядра-осколки с мас­сами и зарядами примерно вдвое меньшими, чем масса и заряд ядер урана. Образование ядер – осколков сопровождается вылетом нескольких ней­тронов, которые, в свою очередь, взаимодействуют с соседними ядрами урана, вызывая и их деление. Происходящее в таких реакциях деление атомных ядер называют вынужденным (в отличие от спон – тайного, происходящего при радиоактивных пре­вращениях). Вот типичные ядерные реакции:

in + гЦи ^Ва + ЩлГг + 3in,

Суммарная энергия связи ядер-осколков мень­ше, чем энергия связи ядра урана. Поэтому цеп­ная реакция сопровождается выделением огромной энергии в виде кинетической энергии осколков, энергии 7-квантов и энергии вторичных нейтронов.

Необходимое условие для цепной ядерной реак­ции — коэффициент размножения нейтронов k, равный отношению числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов в предыдущем поко-~ лении, должен быть не меньше единицы: k ^ 1.

Наименьшую массу делящегося вещества, при которой коэффициент k — 1, называют критиче­ской массой лгкр. Если т > лгкр, то нейтроны бы­стро размножаются, и реакция приобретает взрыв­ной характер (такова ядерная реакция при взрыве атомной бомбы). Если же т — ткр, то реакция стационарна и управляема.

Устройство для поддержания управляемой ядер­ной реакции называют ядерным реактором. Основ­ные элементы ядерного реактора — это ядерное го­рючее (202U, 2д2^, 2д4Ри и др.), замедлитель ней­тронов (лучшим замедлителем является тяжелая вода, достаточно хорошим — графит), теплоноси­тель для вывода образующегося при работе реакто­ра тепла (вода, жидкий натрий и др.) и устрой­ство для регулирования скорости реакции. Упра­вление протеканием реакции в нем осуществляется посредством регулирующих стержней из вещества, хорошо поглощающего нейтроны (кадмия или бо­ра). При помощи введения в рабочее пространство реактора регулирующих стержней и выведения их оттуда поддерживают k — 1.

Снаружи реактор защищен специальной оболоч­кой, которая задерживает 7-излучение и нейтроны. Эту оболочку выполняют из бетона с железным за­полнителем.

0

Задача на определение продукта ядерной реак­ции: При бомбардировке ядер изотопа бора ней­тронами из образовавшегося ядра выбрасывается а-частица. Написать реакцию.

Решение: Составим уравнение ядерной реакции, учитывая, что а-частица — это ядро атома гелия:

М? В + 10п + \Не.

Вычислим атомную массу X и заряд У получа­ющегося ядра:

X – 10 + 1 – 4 – 7, У – 5 – 2 – 3.

По таблице Менделеева определяем получив­шийся элемент — это литий.

Получаем следующее уравнение:

Ч|В – f \Ы + I He.

Химия

классы

химия