Атом физика это – .

Атомная физика — Википедия

Атомная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства атомов^[1]. Атомная физика возникла в конце XIX — начале XX века в результате экспериментов, установивших, что атом представляет собой систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, и получила своё развитие в связи с созданием квантовой механики, объяснившей структуру атома. Строение атомного ядра изучается в ядерной физике.

Общие сведения

Атомная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства атомов, ионов и электронных конфигураций, а также элементарных процессов, в которых они участвуют. Атомная физика оперирует линейными размерами около ·10⁻⁸ см и энергиями порядка 1 эВ^[2]. Основной задачей атомной физики является определение всех возможных состояний атома. Основные разделы атомной физики — теория атома, атомная спектроскопия, рентгеноспектральный анализ, радиоспектроскопия, физика атомных столкновений.

В основе современной атомной физики лежит квантово-механическая теория, которая описывает физические явления на атомно-молекулярном уровне. Атомная физика рассматривает атом, как систему из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Свойства этой системы и элементарные процессы протекающие в ней, определяются электромагнитным взаимодействием, в отличие от ядерной физики и физики элементарных частиц, где фундаментальную роль играют сильное взаимодействие и слабое взаимодействие

[2].

История

Модель атома Томсона Планетарная модель атома Модель атома Бора

Идея о существовании мельчайших неделимых частиц — атомов, впервые была сформулирована древнегреческими философами Левкиппом, Демокритом и Эпикуром

[3]. В XVII веке эта идея получила продолжение в трудах французских философов П. Гассенди^[4] и Р. Декарта, английского химика Р. Бойля. Атомистика этого периода носила скорее умозрительный характер, представления об атомах были, как о постоянных, неделимых частицах, разнообразных размеров и форм, лишённых химических и физических свойств, из сочетания которых состоят все материальные тела. В работах И. Ньютона и М. В. Ломоносова высказывались предположения о возможности соединения атомов в более сложные структуры — корпускулы.

Ускоренное развитие химии в конце XVIII — начале XIX веков привело к пересмотру некоторых аспектов атомистического учения. Английский учёный Дж. Дальтон сделал предположение о том, что атом — это мельчайшая частица химического элемента и атомы различных химических элементов имеют разную массу, которая является основной характеристикой атома. Работы итальянских учёных А. Авогадро и С. Канниццаро определили строгие разграничения между атомом и молекулой. В XIX веке также были открыты оптические свойства атомов, немецкими физиками Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном было положено начало спектрального анализа. В 1869 Д. И. Менделеев открыл периодический закон химических элементов.

Важнейшими вехами в истории атомной физики были открытие электрона в 1897 английским физиком Дж. Дж. Томсоном и радиоактивного распада французскими учёными М. Склодовской-Кюри и П. Кюри, они изменили представление об атоме как о системе взаимодействующих заряженных частиц, согласно теории голландского физика Х. Лоренца. На основании этих исследований, Томсон предложил в 1903 году модель атома в виде сферы с положительным зарядом, с вкраплениями небольших по размеру частиц с отрицательным зарядом — электронов, удерживающихся в атоме за счёт равенства силы притяжения положительного заряда силам взаимного отталкивания электронов. Дальнейшие изучения радиоактивности Ф. Содди привели к открытию изотопов, тем самым разрушив научные представления об абсолютной идентичности всех атомов одного химического элемента. Важную роль сыграло также исследование А. Г. Столетовым фотоэффекта и дальнейшее объяснение этого явления А.Эйнштейном.

Модель Томсона была опровергнута в 1909 году его учеником Э. Резерфордом, который предложил планетарную модель атома, с находящимся в центре массивным положительным плотным ядром, вокруг которого, как планеты вокруг Солнца, летают электроны, число которых в нейтрально заряженном атоме таково, чтобы их суммарный отрицательный заряд компенсировал положительный заряд ядра. Г. Мозли выяснил, что заряд ядра увеличивается от одного химического элемента к следующему на одну элементарную единицу заряда, равную заряду электрона, но с противоположным знаком, а численно заряд атомного ядра, в единицах элементарного заряда, равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Планетарная модель атома обладала рядом недостатков, из которых самым существенным был связан с теоретически верной потерей энергии электрона: так как электрон вращается вокруг атома, то на него действует центростремительное ускорение, а согласно формуле Лармора любая заряженная частица, движущаяся с ускорением, излучает энергию. Если электрон теряет энергию, то в конце концов он должен упасть на ядро, чего в реальности не происходит. Уточнение модели атома стало возможным только с позиции совершенно новых представлений об атоме, открытых немецким физиком М. Планком, который вводит в науку понятия квантов. В 1905 году А. Эйнштейн предложил квантовое объяснение явления фотоэффекта, определив квант света как особую частицу, позднее названую фотоном. В 1913 году Н. Бор предположил, что электрон может вращаться не произвольно, а на строго определённых орбитах, не меняя своей энергии сколь угодно долгое время. Переход с орбиты на орбиту требует определённой энергии — кванта энергии

[5].

Модель атома Бора получила экспериментальное подтверждение в опытах немецких физиков Дж. Франка и Г. Герца. Теория атомных спектров получила дальнейшее развитие в работах немецкого физика А. Зоммерфельда, который предположил более сложные эллиптические орбиты электронов в атоме. Квантовая теория атома объяснила структуру характеристических спектров рентгеновского излучения и периодичность химических свойств атомов. Однако с дальнейшим развитием атомной физики квантовая модель атома перестала отвечать уровню представлений об атоме. Французским физиком Л. де Бройлем было высказано предположение о двойственной природе движения микрообъектов, в частности электрона. Эта теория послужила отправным пунктом создания квантовой механики, в работах немецких физиков В. Гейзенберга и М. Борна, австрийского физика Э. Шрёдингера и английского физика П. Дирака; и созданной на её основе современной квантово-механической теории атома

[1].

Примечания

wiki2.red

Атомная физика

Атомная физика появилась на рубеже XIX и XX столетий на базе многочисленных исследований оптических основ строения газов, открытия радиоактивности и электрона. На первом этапе своего развития данное научное направление занималось в основном определением состава атома и исследованием его характеристик. Исследовательская деятельность Э. Резерфорда по рассеянию микро-элементов тонкой металлической фольгой в 1911 позволила создать огромную модель атома; используя такую концепцию Н. Бор уже через два года разработал первую количественную теорию атома.

Рисунок 1. Атомная физика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Атомная физика – это раздел физики, изучающий строение и свойства всех атомов и элементарные процессы, напрямую связанные с ними.

Атом представляет собой целостную систему электрически заряженных а-частиц, поэтому его специфика определяются зачастую электромагнитными взаимосвязями между элементами, действующими на расстояниях примерно 10-8 см с коэффициентом энергии в 1 эВ.

Последующие изучение свойств электрона и атомов завершились уникальной разработкой квантовой механики, которая возникла в середине прошлого столетия, и представляет собой физическую гипотезу, описывающею законы создания микромира и позволяющую комплексно рассматривать явления, в которых принимают участие микрочастицы.

Квантовая механика считается теоретическим продолжением атомной физики и выполняет роль универсального «испытательного полигона» для всех научных сфер. Выводы и представления механики квантовых частиц, зачастую невозможно согласовать с нынешним повседневным опытом.

Основы атомной физики

Для понимания основ атомной физики необходимо разобраться с ключевыми понятиями, которые используются учеными при выполнении экспериментов.

Определение 2

Радиоактивность – это уникальное свойство ядер атомов конкретных элементов самостоятельно трансформироваться в другие ядра атомов с полным испусканием ионизирующих излучений.

Такое превращение элементов называется радиоактивным распадом, которую можно встретить я у природных изотопов, работающих посредством естественной радиоактивности, а также при явлениях в искусственно полученных элементов химических систем.

Знания строения атома помогут более точно понять термин «радиоактивность». Ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые объединяются общим понятием – нуклоны. В нейтральном веществе количество протонов в ядре равно числу действующих электронов в оболочке. Атомный номер приравнивают к коэффициенту всех нуклонов, которые находятся в ядре и заряде атома.

Атомы с одинаковым составом химического элемента обладают подобной атомной массой, которая приблизительно в 1840 раз больше массы самого электрона. В связи с нестабильностью этого показателя объем частиц принято считать равной нулю, следовательно, масса атома будет определяться параметром ядра.

Замечание 1

Массовый коэффициент атома всегда можно наблюдать вверху слева от символа химического элемента, а атомный заряд элемента находится внизу слева от определенного символа.

На сегодняшний день ученые различают несколько видов радиоактивных трансформаций ядер, которые сопровождаются разнообразными типами ионизирующих излучений:

• альфа-распад – используется для ядер тяжелых химических элементов с небольшими энергиями связи, в процессе превращений которых выбрасывается соответствующие частицы, в результате- заряд ядра уменьшается на 2 единицы;
• электронный бета-распад – характерен для трансформаций искусственных и естественных радионуклидов, благодаря которому происходит распада бета-излучения в виде потока электронов;
• позитронный fi-распад – помогает искусственным радионуклидам получить позитрон, представляющий собой элементарную частицу, которая обладает положительным зарядом;
• К-захват – предполагает еще один вид радиоактивных превращений, который полностью захватывает электрон с ближайшей к ядру К-оболочки при избытке протонов в ядре атома.

Стоит отметить, что деление атомов более тяжелых химических элементов достаточно сложный процесс, который характерен только для ядер атомов с большой массой, таких как 239Pu, 235U и другие. В результате действия методов атомной физики образуются ядра легких элементов с большим энергетическим потенциалом и избыточным количество нейтронов.

Термоядерные реакции в атомной физике

Кроме постоянных естественных превращений, в атомной физике возможно также искусственная трансформаций веществ (изотопов трития и водорода дейтерия) в ядра более тяжелых химических элементов. Такие процессы применяются при взрыве термоядерной бомбы, где задача пускового механизма с высокой температурой заключается в придании большой кинетической энергии легким элементам системы.

После процедуры запуска плутониевого запала формируются необходимые условия бесконтрольной термоядерной реакции, которая сопровождается выделением мощных энергетических потоков гамма-излучения.

Хорошая плотность ионизации у данных частиц минимальная, масса и заряд отсутствуют, поэтому протяженность пробега у них достаточно большая и может достигать в воздушном пространстве нескольких сотен метров.

Изучение скорости и интенсивности радиоактивного распада ядер предоставило исследователям уникальную возможность определить важную закономерность.

Замечание 2

Установлено, что указанному распаду одновременно подвергаются не все атомы, а за каждый определенный промежуток времени распадается только постоянная доля атомов действующего радиоактивного изотопа.

Построение современной атомной физики

Построению теорий современной атомной физики в начале 20 столетия предшествовали открытия электрона и радиоактивности, которые полностью опровергли представления о неделимости атома. Центральным событием в атомной физике стало учение Э. Резерфорда, согласно которому атомные элементы обладают малыми по сравнению с другими химическими элементами размерами.

Однако в соответствии с теориями классической электродинамики такой вид атома был бы нестабильным, так как электроны при этом постоянно излучали бы мощную электромагнитную энергию и упали на ядро за долю секунды. В 1913 году Н. Бор представил общественности теорию устойчивого атома, которая основывалась на эмпирических введенных им квантовых постулатах:

• атом может полноценно существовать только при дискретных стационарных условиях, характеризуемых конкретными внутренними энергиями;
• атом достаточно устойчив и не испускает электромагнитную энергию;
• переходы между естественными состояниями атома происходят скачкообразно, в результате чего атомное ядро поглощает определенную порцию электрической и магнитной энергии.

Гипотеза атома Н. Бора объяснила не только стабильность атома, но и линейчатость атомных процессов, наблюдавшиеся в оптических и рентгеновских методах. Для более точного определения возможных дискретных значений энергетической интенсивности атома водорода Бор использовал для описания перемещений электрона и вычисления его мощности классические уравнения электродинамики.

В 1925 году в указанную теорию была введена новая физическая величина – спин электрона, с которым напрямую связывают магнитный момент электрона. В 1930-х годах стало понятно, что в атомной физике действует не электромагнитное излучение, а уникальный тип взаимодействия – сильное притяжение.

Вскоре физика атомного ядра выделилась в самостоятельный раздел науки – ядерную физику. В 1950-х годах возникло новое течение в виде физики элементарных частиц и плазмы. Современная атомная физика состоит из теории и экспериментальных способов исследования важных атомных спектров в рентгеновском и оптическом форматах. Она дает возможность получать точные определения энергий стационарных состояний, принципов движения и других особенностей строения атомов, изучает механизмы их внутренних процессов.

spravochnick.ru

Атомная физика – это… Что такое Атомная физика?



Атомная физика

Атомная физика — раздел физики, изучающий строение и состояния атомов. Возникла в конце XIX века. В 1911 году в результате экспериментов Резерфорда по рассеянию α-частиц установлена структура атома, состоящего из электронов и ядра.

Разделы атомной физики: теория атома, атомная спектроскопия, рентгеновская спектроскопия, радиоспектроскопия, физика атомных и ионных столкновений.

Источники

Разделы атомной физики

 

Категория:

• Атомная физика

Wikimedia Foundation. 2010.

• Атомик
• Атомный локомотив

Смотреть что такое “Атомная физика” в других словарях:

• АТОМНАЯ ФИЗИКА — АТОМНАЯ физика, раздел физики, в котором изучаются состояния и строение атомов. Возникла в начале 20 в. после открытия радиоактивности (1896, А. Беккерель) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон), когда стало очевидно, что атом состоит из более мелких …   Современная энциклопедия

• Атомная физика — АТОМНАЯ ФИЗИКА, раздел физики, в котором изучаются состояния и строение атомов. Возникла в начале 20 в. после открытия радиоактивности (1896, А. Беккерель) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон), когда стало очевидно, что атом состоит из более мелких …   Иллюстрированный энциклопедический словарь

• АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел физики, в котором изучаются строение и состояния атомов. Возникла в нач. 20 в. До кон. 19 в. атом считали неделимым. После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом система заряженных… …   Большой Энциклопедический словарь

• АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел физики, в к ром изучают строение и св ва атома и элем. процессы на ат. уровне. Для А. ф. наиб. характерны расстояния =10 8 см (т. е. порядка размеров атома) и энергии связи и элем. процессов порядка неск. эВ (для ядерной физики… …   Физическая энциклопедия

• АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел (см.), изучающий строение и состояния атомов …   Большая политехническая энциклопедия

• Атомная физика —         раздел физики, в котором изучают строение и состояние атомов. А. ф. возникла в конце 19 начале 20 вв. В 10 х гг. 20 в. было установлено, что атом состоит из ядра и электронов, связанных электрическими силами. На первом этапе своего… …   Большая советская энциклопедия

• атомная физика — atomo fizika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. atom physics; atomic physics vok. Atomphysik, f rus. атомная физика, f; физика атома, f pranc. physique atomique, f …   Fizikos terminų žodynas

• атомная физика — раздел физики, в котором изучаются строение и состояния атомов. Возникла в начале XX в. До конца XIX в. атом считали неделимым. После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом  система заряженных… …   Энциклопедический словарь

• АТОМНАЯ ФИЗИКА — раздел физики, в к ром изучаются строение и состояния атомов. Возникла в нач. 20 в. До кон. 19 в. атом считали неделимым. После открытия радиоактивности (1896) и электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) стало очевидно, что атом система заряж. частиц. В… …   Естествознание. Энциклопедический словарь

• Физика гиперядер — Физика гиперядер  раздел физики на стыке ядерной физики и физики элементарных частиц, в котором предметом исследования выступают ядроподобные системы, содержащие кроме протонов и нейтронов другие элементарные частицы  гипероны. Также… …   Википедия

dic.academic.ru

АТОМ – это… Что такое АТОМ?

АТОМ, мельчайшая частица вещества, которая может вступать в химические реакции. У каждого вещества имеется характерный только для него набор атомов. В свое время считалось, что атом неделим, однако, он состоит из положительно заряженного ЯДРА, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Ядро (наличие которого установил в 1911 г. Эрнст РЕЗЕРФОРД) состоит из плотно упакованных протонов и нейтронов. Оно занимает внутри атома лишь малую часть пространства, однако, на него приходится почти вся масса атома. В 1913 г. Нильс БОР предположил, что электроны движутся по фиксированным орбитам. С тех пор исследования по КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ привели к новому пониманию орбит: согласно ПРИНЦИПУ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ Гейзенберга точную позицию и МОМЕНТ движения субатомной частицы одновременно узнать невозможно. Число электронов в атоме и их расположение определяют химические свойства элемента. При добавлении или отнятии одного или более электрона возникает ион.

Масса атома зависит от размера ядра. На него приходится максимальная доля веса атома, поскольку электроны ничего не весят. Например, атом урана — самый тяжелый из встречающихся в природе атомов У него 146 нейтронов, 92 протона и 92 электрона. С другой стороны, самым легким является атом водорода, у которого 1 протон и электрон. Однако атом урана, хотя и тяжелее атома водорода в 230 раз, по размерам превышает его лишь втрое. Вес атома выражается в единицах атомной массы и обозначается как u. Атомы состоят из еще более мелких частиц, назы-Улаемых субатомными (элементарными) частицами. Основными являются протоны (положительно заряженные), нейтроны (электрически нейтральные) и >лсктроны (отрицательно ‘заряженные). Скопления нроюнон и нейтронов обра зуют Ядро в центре атомом всех >лсмстон (за исключением водорода, у которого юлько один протон). ‘•Электроны «крутятся» вокру! ядра на некотором расстоянии от него, соразмерно ра (мерам атома. |{сли, например, ядро атома гелия было бы размером с теннисный мячик, то электроны находились бы на расстоянии 6 км от него. Существует 112 различных типов атомов, столько же, сколько элементов н периодической таблице. Атомы элементов различаются по атомному номеру и атомной массе. ЯДРО АТОМА Масса атома со дается в основном за счет относительно плотного ядра. I (ротоны и нейтроны имеют массу в примерно 1К4() раз большую, чем электроны. Поскольку прогоны заряжены положительно, а нейтроны — нейтральны, ядро атома всегда заряжено положительно. 11оскольку противоположные заряды взаимно притягиваются, ядро удерживает электроны на их орбитах. Прогоны и нейтроны состоят из еще более мелких шсмппарних частиц, кварков. ЭЛЕКТРОНЫ Чих1’ю >к-к фоном в атоме определяет его химические гнонстиа H ошичис от планет Солнечной системы, немропы крутятся вокруг ядра случайным образом, oiMiiMi ни фиксированном расстоянии от ядра, обра-IVH “оСюлочки». Чем большей энергией обладает элек-ipon. li’M дальше он может удалиться, преодолевая притяжение положительно заряженного ядра. В нейтральном атоме положительный заряд электронов уравновешивает положительный заряд протонов ядра. 11оэтому удаление или добавление одного электрона в агоме приводит к появлению заряженного иона. Электронные оболочки расположены на фиксированных расстояниях от ядра в зависимости от уровня их энергии. Каждую оболочку нумеруют, считая от ядра. Н агоме не бывает более семи оболочек, и каждая из них может содержать только определенное число электронов. Если имеется достаточное количество энергии, электрон может перескочить с одной оболочки на другую, более высокую. Когда он снова попадает на более низкую оболочку, он испускает излучение в виде фотона. Электрон принадлежит к классу частиц, называемых лептонами, его античастица называется позитроном.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ. При ядерном взрыве, например, аюмнои оомбы, нейтрон ударяет по ядру урана 23Ь (то есть ядру с общим количес твом протонов и нейтронов, равным ?35). При :ном ней трон поглощается, и создайся уран 236 Он очень нестоек и расщепляется на два меньших ядра, при чем выделяется огромное количество энергий и несколько нейтронов Каж дыи из этих нейтронов может, в свою очередь, ударить по еще одному ядру урана Если созданы гак называемые критические условия (количество урана-235 превышает кригическую массу), тогда число соударений нейтронов пудет достаточным, чтобы реакция развивалась с молниеносной скоростью, т.е. происходит цепная реакция. В ядерном реакторе гепло, выделяемое при эюм процессе, используется для нагрева пара, который приводит в дви жение турбогенератор, вырабатывающий электричество.

Научно-технический энциклопедический словарь.

dic.academic.ru

Атом — Википедия

Сравнительный размер атома гелия и его ядра

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый^[1], неразрезаемый^[2]») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств^[1][3].

Атомы состоят из ядра и электронов (точнее электронного «облака»). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Количество нейтронов в ядре может быть разным: от нуля до нескольких десятков. Если число электронов совпадает с числом протонов в ядре, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом^[1]. В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам^[3][4].

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе Менделеева и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента. Единственный стабильный атом, не содержащий нейтронов в ядре — лёгкий водород (протий). Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер^[5].

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

История становления понятия

Понятие об атоме как о наименьшей неделимой части материи было впервые сформулировано древнеиндийскими и древнегреческими философами (см.: атомизм). В XVII и XVIII веках химикам удалось экспериментально подтвердить эту идею, показав, что некоторые вещества не могут быть подвергнуты дальнейшему расщеплению на составляющие элементы с помощью химических методов. Однако в конце XIX — начале XX века физиками были открыты субатомные частицы и составная структура атома, и стало ясно, что реальная частица, которой было присвоено имя атома, в действительности не является неделимой.

На международном съезде химиков в Карлсруэ (Германия) в 1860 году были приняты определения понятий молекулы и атома. Атом — наименьшая частица химического элемента, входящая в состав простых и сложных веществ.

Видео по теме

Модели атомов

• Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов.^[6]
• Модель атома Томсона 1904 г. (модель «Пудинг с изюмом»). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
• Ранняя планетарная модель атома Нагаоки. В 1904 году японский физик Хантаро Нагаока предложил модель атома, построенную по аналогии с планетой Сатурн. В этой модели вокруг маленького положительного ядра по орбитам вращались электроны, объединённые в кольца. Модель оказалась ошибочной.
• Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году^[7] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Необходимость введения постулатов Бора была следствием осознания того, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.

Квантово-механическая модель атома

Современная модель атома является развитием планетарной модели Бора-Резерфорда. Согласно современной модели, ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами. Однако представления квантовой механики не позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по сколько-нибудь определённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Химические свойства атомов определяются конфигурацией электронной оболочки и описываются квантовой механикой. Положение атома в таблице Менделеева определяется электрическим зарядом его ядра (то есть количеством протонов), в то время как количество нейтронов принципиально не влияет на химические свойства; при этом нейтронов в ядре, как правило, больше, чем протонов (см.: атомное ядро). Если атом находится в нейтральном состоянии, то количество электронов в нём равно количеству протонов. Основная масса атома сосредоточена в ядре, а массовая доля электронов в общей массе атома незначительна (несколько сотых процента массы ядра).

Массу атома принято измерять в атомных единицах массы, равных ¹⁄₁₂ от массы атома стабильного изотопа углерода ¹²C.

Строение атома

Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11·10⁻³¹кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.^[8] Эксперименты по сверхточному определению магнитного момента электрона (Нобелевская премия 1989 года) показывают, что размеры электрона не превышают 10⁻²⁰ см^[9][10].

Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726·10⁻²⁷ кг). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6749·10⁻²⁷ кг).^[11]

При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов из-за явления дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5·10⁻¹⁵м, хотя размеры этих частиц определены плохо.^[12]

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +²⁄₃ или (−¹⁄₃) элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.^[13][14]

Электроны в атоме

При описании электронов в атоме в рамках квантовой механики обычно рассматривают распределение вероятности в 3n-мерном пространстве для системы n электронов.

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Иногда говорят, что электрон движется по орбитали, что неверно. Состояние электронов описывается волновой функцией, квадрат модуля которой характеризует плотность вероятности нахождения частиц в данной точке пространства в данный момент времени, или, в общем случае, оператором плотности. Существует дискретный набор атомных орбиталей, которым соответствуют стационарные чистые состояния электронов в атоме.

Каждой орбитали соответствует свой

wiki2.red

История атомной физики

Атомная физика – это раздел физики, который изучает строение и свойства атомов. Атомная физика возникла еще в конце XIX – начале XX столетия, когда было установлено, что атом состоит из электронов и ядра, которые связаны электрическими силами.

Атомная физика на начальных этапах своего развития охватывала вопросы, которые связаны со строением атомного ядра. Уже в 30-е гг. стало известно, что природа взаимодействий в атомном ядре не такая, как во внешней оболочке атома. В 40-е гг. атомная физика стала отдельной областью физической науки, а в 50-е гг. от нее образовалось новое направление – физика высоких энергий или физика элементарных частиц.

Предыстория атомной физики: учение об атомах XVII-XIX столетий

Мысль о существовании атомов как о неделимых частицах сформировалась еще в глубокой древности. Идеи атомизма впервые были высказаны древнегреческими мыслителями Эпикуром и Демокритом. В XVII столетии они возродились при участии П. Гассенди и английского химика Р. Бойля. Представления об атомах, которые были в XVII – XVIII столетии, были мало определенными.

Тогда атомы считались неизменными и неделимыми частицами, которые отличались друг от друга лишь размером и формой. Сочетание атомов в том или ином порядке образовали различные тела, а движение атомов были обусловлены теми процессами, что происходили внутри них. Многие ученые полагали, что атомы могут сцепляться в сложные частицы, что называются корпускулы. Но атомам не приписывали определенные химические и физические свойства. Атомистика того времени носила абстрактный характер.

В конце XVIII столетия из-за стремительного развития химии был создан фундамент для количественной разработки атомной физики. В 1803 году Дж. Дальтон, который был английским ученым, впервые стал рассматривать атом как наименьшую частицу химических элементов, который отличался от других атомов своей массой. Дальтон считал, что атомная масса является основной характеристикой атома. Он полагал, что все химические соединения представляют собой совокупность составных атомов, которые содержат определенное число атомов каждого элемента.

Все химические реакции – это лишь перегруппировка атомов в новые, более сложные отношения. Итальянские учение в процессе проведения многочисленных исследований провели четкую грань между молекулой и атомом.

Замечание 1

В XIX столетии вместе с химическими свойствами атомов изучались их оптические свойства. Именно тогда было установлено, что каждый элемент имеет свой оптический спектр. Поэтому в 1860 году немецкими физиками Г. Кирхгофом и Р. Бунзеном был открыт спектральный анализ.

Атом тогда выступал в качестве частицы, что имеет определенные химические и физические свойства. Однако свойства атома считались необъяснимыми. Тогда считалось, что число видов атомов случайно и между ними не существует связи.

Однако со временем выяснялось, что есть определенные групп элементов, которые обладают идентичными химическими свойствами:

• одинаковой валентностью;
• похожими законами изменения их физических свойств: сжимаемость, температура плавления и прочие.

Замечание 2

Д. И. Менделеев в 1869 году разработал и создал периодическую систему элементов. Он утверждал, что с увеличением атомной массы элемента, его физические и химические свойства повторяются.

Именно периодическая система элементов Менделеева доказала наличие связи между различными типами атомов. Отсюда следует вывод, что атомы имеют сложное строение, которое может меняться вместе с изменением атомной массы. Раскрытие структуры атома – это ключевая проблема в физике и химии.

Рисунок 1. Краткая история развития атомной физики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

История возникновения атомной физики

Важным событием в науке, от которого берет свое начало атомная физика, стало открытие радиоактивности и электрона. В процессе исследования появления электрического тока сквозь разреженные газы были лучи, что испускались катодом разрядной трубки.

Было обнаружено, что данные катодные лучи состояли из отрицательно заряженных частиц, которые названы электронами. В 1897 году физик Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряда данных частиц к их массе. Также было обнаружено, что металлы при сильном нагревании испускали электроны.

Замечание 3

Исходя из этого был сделан вывод, что электроны являются неотъемлемой частью всех атомов. Нейтральные атомы также должны содержать и положительно заряженные частицы.

Положительно заряженные атомы были обнаружены при исследовании электрических зарядов. Теория голландского физика Х. Лоренца объясняла представление об атоме как о системе заряженных частиц: в процессе колебания внутриатомных зарядов возникает электромагнитное излучение. Подтверждение это получило при исследовании действия магнитного поля на спектры атома.

Французские ученые М. Склодовская-Кюри и П. Кюри окончательно опровергли представления о неделимости атома. В процессе изучения радиоактивности было установлено, что атомы испытывают превращения двух видов:

1. Когда испускается $a$-частица, атом элемента трансформируется в атом другого радиоактивного химического элемента, который располагается в периодической системе Менделеева на две клетки левее. Например, атом водорода превращается в атом свинца.
2. Когда испускается $b$-частица, атом радиоактивного химического элемента трансформируется в атом, который располагается на одну клетку правее. Например, атом висмута превращается в атом полония.

Благодаря результатам исследования свойств и радиоактивности атома, были построены его конкретные модели. В 1903 году Томсоном была предложена модель, в которой атом представлялся в виде положительно заряженной сферы, в которую были вкраплены электроны.

В атоме они удерживались благодаря тому, что силы притяжения усовершенствовались силами их взаимного отталкивания. Модель Томсона популярно объясняла возможности испускания, поглощения и рассеивания света. При смещении электронов возникала «упругая» сила, которая стремилась установить равновесие. Но томсоновская модель была неудовлетворительной. На ее основе удалось объяснить результат английского физика Резерфорда, который проводил опыты по рассеянию a-частиц атомами.

Однако планетарная модель столкнулась с некоторыми сложностями. В соответствии с классической электродинамикой, заряженная частица непрерывно излучала электромагнитную энергию. Поэтому электроны, которые двигались вокруг ядра, должны были постоянно тратить свою энергию на излучение. На основе модели Резерфорда можно объяснить законы фотоэлектрических явлений и законы теплового излучения, которые возникают при взаимодействии излучения с химическим веществом. Однако история атомной физики на этих примерах не заканчивается, поскольку она находится на этапе развития и по сегодняшний день.

spravochnick.ru

Атомная физика • ru.knowledgr.com

Атомная физика – область физики, которая изучает атомы как изолированную систему электронов и атомного ядра. Это прежде всего касается расположения электронов вокруг ядра и

процессы, которыми изменяются эти меры. Это включает ионы, а также нейтральные атомы и, если не указано иное, в целях этого обсуждения, нужно предположить, что термин атом включает ионы.

Термин атомная физика часто связывается с ядерной энергией и ядерными бомбами, из-за синонимичного использования атомных и ядерных на стандартном английском языке. Однако физики различают атомную физику — который имеет дело с атомом как система, состоящая из ядра и электронов — и ядерная физика, которая считает атомные ядра одними.

Как со многими научными областями, может быть высоко изобретен строгий план, и атомную физику часто рассматривают в более широком контексте атомной, молекулярной, и оптической физики. Исследовательские группы физики обычно так классифицируются.

Изолированные атомы

Сегодня, атомная физика прежде всего рассматривает атомы в изоляции. Атомные модели будут состоять из единственного ядра, которое может быть окружено одним или более связанными электронами. Это не касается формирования молекул (хотя большая часть физики идентична), и при этом это не исследует атомы в твердом состоянии как конденсированное вещество. Это касается процессов, таких как ионизация и возбуждение фотонами или столкновениями с атомными частицами.

В то время как моделирование атомов в изоляции может не казаться реалистичным, если Вы рассматриваете атомы в газе или плазме тогда, шкала времени для взаимодействий атома атома огромна по сравнению с атомными процессами, которые обычно рассматривают. Это означает, что отдельные атомы можно рассматривать, как будто каждый был в изоляции как подавляющее большинство времени, которое они. Этим соображением атомная физика предоставляет основную теорию в плазменной физике и атмосферной физике, даже при том, что оба соглашения с очень большими количествами атомов.

Электронная конфигурация

Электроны формируют отвлеченные раковины вокруг ядра. Они обычно находятся в стандартном состоянии, но могут быть взволнованы поглощением энергии от света (фотоны), магнитные поля или взаимодействие со сталкивающейся частицей (как правило, ионы или другие электроны).

Электроны, которые населяют раковину, как говорят, находятся в связанном состоянии. Энергию, необходимую, чтобы удалить электрон из его раковины (берущий его к бесконечности), называют энергией связи. Любое количество энергии, поглощенной электроном сверх этой суммы, преобразовано в кинетическую энергию согласно сохранению энергии. Атом, как говорят, подвергся процессу ионизации.

Если электрон поглотит количество энергии меньше, чем энергия связи, то это будет передано взволнованному государству. После определенного времени электрон во взволнованном государстве «подскочит» (подвергнитесь переходу) к более низкому государству. В нейтральном атоме система испустит фотон различия в энергии, так как энергия сохранена.

Если внутренний электрон поглотил больше, чем энергия связи (так, чтобы атом ионизировался), то более внешний электрон может подвергнуться переходу, чтобы заполнить внутреннее орбитальное. В этом случае видимый фотон или характерный рентген испускаются, или явление, известное, поскольку эффект Оже может иметь место, куда выпущенная энергия передана другому связанному электрону, заставив его войти в континуум. Эффект Оже позволяет, чтобы умножиться ионизирует атом с единственным фотоном.

Есть довольно строгие правила выбора относительно электронных конфигураций, которые могут быть достигнуты возбуждением при свете — однако, нет таких правил для возбуждения процессами столкновения.

История и события

Большинство областей в физике может быть разделено между теоретической работой и экспериментальной работой,

и атомная физика не исключение. Это обычно имеет место, но не всегда, тот прогресс идет

в дополнительных циклах от экспериментального наблюдения, через к теоретическому объяснению

сопровождаемый некоторыми предсказаниями, которые могут или не могут быть подтверждены экспериментом и так далее. Конечно, текущее состояние технологии в любой момент времени может надеть ограничения, что может быть достигнуто экспериментально и теоретически таким образом, может потребоваться большое количество времени для теории, которая будет усовершенствована.

Один из самых ранних шагов к атомной физике был признанием, что вопрос был составлен

из атомов. Это является частью текстов, написанных в 6-м веке до н.э 2-му веку до н.э, таких как те из Демокрита или Сутры вайшешики, написанной Kanad. Эта теория была позже развита в современном смысле основной единицы химического элемента британским химиком и физиком Джоном Дальтоном в 18-м веке. На данном этапе не было ясно, чем были атомы то, хотя они могли быть описаны и классифицированы их свойствами (оптом). Изобретение периодической системы элементов Менделеевым было другим большим шагом вперед.

Истинное начало атомной физики отмечено открытием спектральных линий и пытается описать явление, прежде всего Йозефом фон Фраунгофером. Исследование этих линий привело к модели Атома Бора и к рождению квантовой механики. В поиске объяснить атомные спектры была показана полностью новая математическая модель вопроса. Насколько атомы и их электронные раковины были затронуты, мало того, что это приводило к лучшему полному описанию, т.е. атомной орбитальной модели, но оно также обеспечило новое теоретическое основание для химии

(квантовая химия) и спектроскопия.

Начиная со Второй мировой войны и теоретические и экспериментальные области продвинулись в быстром темпе. Это может быть приписано, чтобы прогрессировать в вычислительной технологии, которая позволила большие и более сложные модели строения атома и связала процессы столкновения. Подобные технические достижения в акселераторах, датчиках, поколении магнитного поля и лазерах значительно помогли экспериментальной работе.

Значительные атомные физики

См. также

• Физика элементарных частиц

• Изомерное изменение

Библиография

Внешние ссылки

• Центр MIT-ГАРВАРДА ультрахолодных атомов

• Совместный квантовый институт в Университете Мэриленда и NIST

• Атомная физика в Интернете

• JILA (атомная физика)

• Подразделение физики ORNL

---

ru.knowledgr.com