Küçük nedenlerden büyük gelir
sonuçlar: evet, bir çapağı ısırmak
arkadaşımı kanser etti.
Kozma Prutkov

Alanın ayrık özellikleriyle ilgili hipoteze hangi deneysel veriler yol açtı? kuantum nedir Elektromanyetik radyasyon? Bir fotonu bir dalga ve bir parçacık olarak hangi parametreler karakterize eder? korpüsküler özellikler nelerdir elektromanyetik alan?

ders-ders

İle geç XIX içinde. Dünyamızın parçacıklardan ve temel alanlardan - maddenin iki bileşeninden - oluştuğu fikri vardı. Sadece üstesinden gelinmesi gereken küçük "kusurlar" vardı ve bunların biraz çaba sarf edilmesi gerekiyordu.

Ancak, XIX-XX yüzyılların başında bu küçük "kusurlar". fizikte parçacıklar ve alanlar, yani madde hakkındaki fikirleri kökten değiştiren yeni, devrimci bir teori ortaya çıktı. Deneysel gerçeklere dayalı yeni bir teori, daha sonraları olarak bilinen kuantum teorisi, parçacıkları ve alanları birleşik bir şekilde tanımlamaya başladı. Ana hükümlerine göre, daha önce sürekli nesneler olarak kabul edilen alanlar, ayrık özellikler - parçacıkların özellikleri - kazandı. Ve bunun tersi, daha önce ayrı bir tanımın kullanıldığı parçacıklar (madde), sürekli özellikler - alanların veya dalgaların özellikleri - kazandı.

ELEKTROMANYETİK ALAN KUANTUM HİPOTEZİ. Yeni bir teorinin başlangıcı, tamamen siyah bir cismin radyasyonunu tanımlayan teorik bir model tarafından atıldı. Kesinlikle siyah bir cismin tüm elektromanyetik dalgaları eşit derecede emmesi gerektiği (bkz. § 20), yüklü parçacıkların hareketinde herhangi bir düzenlilik olmaması gerektiği anlamına geliyordu. Moleküler bir gazın parçacıklarının hareketi gibi kaotik olmalıdır. Böyle bir hareket, yıldızlarda pratik olarak gerçekleşir, bu nedenle yıldızların spektrumu tamamen siyah bir cismin radyasyon spektrumuna yakındır.

Kara cisim ışıması teorisi, John Rayleigh ve James Jeans tarafından geliştirildi. Bununla birlikte, uzun dalga boyları alanındaki deneyle iyi uyum sağlarken, kısa dalga boyları bölgesindeki radyasyonu tamamen tatmin edici olmayan bir şekilde tanımladı (Şekil 18). Deneysel eğri küçük λ'da sıfıra giderken, teorik eğri sonsuz olma eğilimindeydi.

Pirinç. 18. Bir siyah cismin (1) deneysel radyasyon spektrumu ve Rayleigh-Jeans teorisine (2) karşılık gelen bir eğri

Teori ve deney arasındaki uyumsuzluk " ultraviyole felaketi” (ultraviyole radyasyon kısa dalga radyasyondur).

1900'de Max Planck, bir elektromanyetik dalganın sürekli olarak değil, kısımlar halinde yayıldığı ve emildiği varsayımına dayanan deneyle tutarlı bir teori oluşturmayı başardı - nicelik. Ayrıca kuantum enerjisi dalga frekansıyla orantılıdır: E = hv. Planck, teorik spektrumu deneysel verilere uydurarak orantı katsayısı h değerini elde etti. Kuanta tarafından enerji aktarımı hipotezi cesur bir varsayımdı. çünkü o zamana kadar elde edilen hiçbir deneysel veri böyle bir varsayım için herhangi bir temel oluşturmadı. Sonuçtan memnuniyetsizliğe rağmen, Planck daha sonra kendi adını taşıyan yeni, temel bir sabit aldı - Planck sabiti Bu sabitin değeri h = 6.62x10 -34 J*s mikro kozmosun değerlerine karşılık gelir.

M. Planck tarafından geliştirilen tamamen siyah bir cismin radyasyon teorisi, ilk kez şu hükmü içeriyordu: korpüsküler özellikler alanlar.

FOTOĞRAF ETKİSİ. TARLA PARÇACIKLARI OLARAK FOTOĞRAFLAR. Kuantum teorisinin geliştirilmesindeki bir sonraki adım, fotoelektrik etkinin özelliklerinin açıklanmasıyla ilgilidir.

Fotoelektrik etkiyi gözlemleme şeması Şekil 19'da gösterilmektedir.

Pirinç. 19 Fotoelektrik etki fenomenini gözlemlemek için şema

Anot ve katot arasına bir voltaj uygulanır. Işığın yokluğunda, vakumda katot ve anot arasında hareket ederek bir elektrik akımı oluşturabilecek serbest yüklü parçacıklar olmadığından, pratikte akım yoktur. Katoda düşen bir ışık ışını, bir akımın ortaya çıkması sonucu elektronları ondan çıkarır.

Alanın özellikleriyle ilgili klasik fikirler temelinde fotoelektrik etkinin hangi özellikleri beklenebilir? Katoda gelen ışığın enerjisi elektromanyetik dalganın şiddeti ile orantılıdır. Fırlatılan elektronların enerjisi, elektron sayısı ve bir elektronun enerjisi (kinetik) ile orantılıdır, yani artan ışık yoğunluğu, kopan elektronların sayısı ve sonuç olarak kuvvet ile orantılıdır. elektrik akımı elektronların kinetik enerjisinin yanı sıra. Belirli bir yoğunluk için bu miktarlar elektromanyetik dalganın frekansına bağlı olmamalıdır.

Deneyin sonuçlarının biraz farklı olduğu ortaya çıktı. Akım aslında artan yoğunlukla arttı. İlişkin kinetik enerji elektronlar, daha sonra ışığın yoğunluğuna değil, frekansına bağlı olduğu ortaya çıktı. Bu miktarların lineer bir bağımlılıkla bağlantılı olduğu ortaya çıktı (Şekil 20) ve ışık frekansı belirli bir kritik değerin (vcr) altına düştüğünde fotoelektrik etki ortadan kalktı. Bu kritik frekans denir kırmızı kenarlık fotoğraf efekti(gerçekten kırmızı ışıkla eşleşti).

Pirinç. 20. Katottan atılan elektronların kinetik enerjisinin ışığın frekansına bağımlılığı

Fotoelektrik etki olgusu, ışığın etkisi altında serbest elektronların metalden uçup gitmesidir.

Bir foton hem bir elektromanyetik dalga hem de elektromanyetik alanın bir parçacığıdır. Bir dalga olarak, bir foton V frekansı ile karakterize edilir. Bir parçacık olarak bir foton, kütlesinin sıfır olması, her zaman ışık hızında hareket etmesi, hv'ye eşit bir enerjiye ve h'ye eşit bir dürtüye sahip olması ile karakterize edilir. /λ.

Işık ve maddenin etkileşiminin klasik teorisi temelinde fotoelektrik etkiyi açıklamanın imkansız olduğu ortaya çıktı, ancak şekilde gösterilen bağımlılıktan, enerji ve ışığın frekansı arasında doğrusal bir ilişki açıkça izlendi (olduğu gibi). Planck formülünde). 1905 yılındaki fotoelektrik etki olgusu, A. Einstein tarafından Planck'ın hipotezi temel alınarak açıklanmıştır. Bir ışık kuantumunun bir elektron emisyonuna yol açtığını varsayarsak, enerji korunumu yasası hv = Ekin + Aout şeklinde yazılabilir.

Bu formül eşleşir doğrusal bağımlılık, Şekil 20'de gösterilmiştir. İş fonksiyonu olarak adlandırılan sabit, metalden bir elektron koparmak için harcanması gereken enerji anlamına gelir. Fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının varlığı doğal bir şekilde açıklanmıştır. Fırlatılan elektronun sıfır kinetik enerjisine karşılık geldi: hv cr = A out.

Einstein kuantum kavramını anlamakta daha da ileri gitti: foton adını verdiği bir radyasyon parçacığı (bir elektromanyetik alanın parçacığı) kavramını tanıttı.Diğer tüm parçacıklar gibi, bir foton da uzayda hareket edebilir. Fotonun hızı elbette ışık hızıyla örtüşür. Bu parçacığın enerjisi Planck formülüyle belirlenir. Einstein'ın görelilik kuramına göre bir fotonun kütlesi sıfıra eşit olmalıdır ve momentumu frekansla ρ = hv/s bağıntısıyla ilişkilidir. Dalga boyu ve frekans arasındaki ilişki göz önüne alındığında, momentum ifadesi ρ = ​​h/λ olarak yazılabilir.

Alanlarla ilgili modern fikirler, Planck ve Einstein tarafından ortaya konan hükümleri tamamen doğrulamaktadır. Aynı zamanda, alanlara karşılık gelen parçacıklar - alan kuantumları - sadece elektromanyetik alanda değil, aynı zamanda diğer temel alanlarda da mevcuttur. "Kuantum" kavramı böylece Genel kavramçeşitli alanlar için ve "foton" kavramı elektromanyetik alanın kuantumuna atandı.

Modern kavramlara göre, herhangi bir gerçek elektromanyetik alan, bir foton koleksiyonu olarak temsil edilebilir. Bu durumda, alanın klasik tanımı, yalnızca söz konusu sürece dahil olan çok sayıda foton için geçerli kalır.

• Elektromanyetik alanın ayrık özellikleri nelerdir?
• Foton nedir - dalga mı yoksa parçacık mı?
• En parlak yıldızlardan 1 saniyede Dünya yüzeyinin 1 m 2 sine yaklaşık 10 milyar foton gelir. Dünyaya gelen ışık şiddeti 10 milyar kat daha az olan bir yıldızdan 1 saniyede 10 m çapında bir teleskopun merceğine kaç foton girer?

1. Kesinlikle siyah gövde. Kesinlikle siyah cismin radyasyon yasaları.

Ab. h. vücut, vücut tarafından tamamen emilir. üzerindeki radyasyon olayı (yansıtıcı değil). AH modeli gövde içi boş bir küre içinde küçük bir delik olarak hizmet edebilir.

Alınan Analiz Deney. doğal. izin verilen formüller radyasyon yasaları.

Stefan-Boltzmann R e \u003dT 4, yazı. St-B. =5.71*10 -8 eğer gövde A.ch değilse. o zaman R e \u003d kT 4, burada k belirli bir katsayıdır. aranan siyah olmama derecesi 0<=k<=1

Wien'in yer değiştirme yasası  max =b/T, b–1. direk. Suçluluk b=2.898*10 –3,  max, k–inci varış başına dalga boyudur. maksimum emisyon A.h.vücut.

2. Şarap yasası  0 ( maks, T) \u003d b 1 T 5, b 1 -2. yazı. Şarap b \u003d 1.29 * 10 -5,

Açıklama yapma girişimi. deneysel klasik fizik temelinde (,T) eğrisi bağımlılığa yol açtı: (,T)~1/ (Rayleigh–Jeans).

Formül R.–D. sadece 0 => (,T)'de uzun dalga boyları bölgesinde deneysel eğri ile uyumludur.

Iraksama f. R.–D. kısa dalga boyları bölgesinde deneysel bir eğri ile “ultraviyole felaket” olarak adlandırıldı. Klasik fizik radyasyonu açıklayamadı. ısıtılmış. tel. Teori al. bağımlılık (, T), sürekli teorisini terk ederek Max Planck'ı başardı. ışıyan. enerji ısıtılır. tel.

2.Planck'ın hipotezi

19. yüzyılın sonunda, kara cisim radyasyonunun radyasyon enerjisinin dalga boyları üzerindeki dağılımı sorunu deneysel olarak incelenmiştir, yani. bağımlılık r λ = f(λ , T) Fizikçiler, bu işlevsel bağımlılığı yansıtacak bir formül bulma göreviyle karşı karşıya kaldılar. Klasik fizik yasalarına ve bir atom tarafından sürekli enerji radyasyonu kavramına dayanan Rayleigh ve Jeans, fonksiyonun biçimini belirleyen bir formül elde ettiler. f(λ , T):

r λ = f(λ , T) = 2πλ/ λ 2 *kT

nerede k Boltzmann sabitidir.Bu formülden elde edilen eğri, şek. 25 noktalı. Uzun dalgalar bölgesinde iyi bir uyum sağladı, ancak spektrumun ultraviyole kısmındaki deneysel verilere hiç uymadı. Klasik teorinin hükümlerini gözden geçirmek gerekiyordu. Fizikte bu durum "ultraviyole felaket" olarak adlandırılmıştır. Felaketten çıkış yolunu 1900'de bir hipotez ortaya koyan M. Planck buldu: vücudun atomları sürekli olarak enerji yayarlar, ancak daha sonra fotonlar olarak adlandırılan radyasyon kuantasının ayrı bölümleri şeklinde yayarlar.. Her kuantumun (foton) enerjisi, frekansıyla orantılıdır: E= hv. ν = formüllerini dikkate alarak İle birlikte/ λ, ω = 2 πν elde ederiz: E= hv= hc/ λ=ω/2π= h ω , (2.10)

nerede ν radyasyon frekansı, cışık hızıdır.

Planck sabitleri.

Ve Formül (2.10)'den, dalga boyu ne kadar kısa olursa, kuantumun enerjisi o kadar büyük olur; bu nedenle, kuantum sınırlamaları en çok kısa dalga radyasyonu için belirgindir. Bu nedenle, ultraviyole ışık, ya vücut sıcaklığı yüksekse, örneğin Güneş'in yüzeyindeyse büyük kuantalarda yayılabilir veya vücudun atomlarının termal hareketinin enerjisi yaymak için yeterli değilse, hiç yayılmayabilir. bir radyasyon kuantumu Bu, radyasyon yoğunluğundaki düşüşün nitel bir açıklamasıdır. λ → 0 ve ultraviyole felaketinin çözümü. Planck, kuantum kavramlarını kullanarak teorik olarak bağımlılığı açıklayan bir formül elde etti. r λ = f(λ , T) Planck formülü denir:

Bu formül, tüm frekanslarda ve tüm sıcaklıklarda deneysel verilerle çok iyi bir uyum sağlar. Denklemi entegre ederek Stefan-Boltzmann yasası ve türev alma yoluyla Wien yer değiştirme yasası elde edilebilir. Planck'ın elektromanyetik radyasyonun ayrık doğası hakkındaki hipotezi, ışığın kuantum teorisinin başlangıcına işaret ediyordu.

3. Dış fotoelektrik etki ve yasaları. Einstein'ın denklemi.

AT Dış fotoelektrik etki, gelen ışığın etkisi altında bir metalin yüzeyinden elektronların emisyonudur. Deneysel olarak bulundu ki harici fotoelektrik etki aşağıdaki yasalara tabidir:

1. Metal yüzeyinden yayılan elektronların maksimum hızı, gelen ışığın yoğunluğuna değil, frekansına bağlıdır.

2. Her maddenin üzerinde fotoelektrik etkinin gözlemlenmediği sınırlayıcı bir dalga boyu özelliği vardır (Fotoelektrik etkinin basit sınırı).

Deneysel olarak gözlemlenen bu düzenlilikler, ışığı bir dalga olarak ele alarak açıklanamaz; ışığın parçacık yapısı fotoelektrik etkide çalışır.

Einstein, Planck'ın kuantum hipotezini geliştirdi. Işık, ayrı kısımlar (fotonlar) şeklinde yayılır.

Bu, fotoelektrik etki sırasında elektronların hızının sadece gelen ışığın frekansına bağlı olduğunu gösterir. hv=A çıkış +mv 2/2.

Işığın yoğunluğu, katoda gelen fotonların sayısı ile belirlenir. Sonuç olarak, fotoelektronların sayısı sadece gelen ışığın yoğunluğu ile belirlenir ve frekansına bağlı değildir. Fotoakımı tutmak için anoda bir gecikme voltajı uygulamak gerekir. Değeri şu formülle belirlenebilir: mv 2 /2=eU,U anottaki geciktirme gerilimidir.

Bu nedenle, hv \u003d A çıkış + eU. A çalışması, fotokatodun yapıldığı maddenin türüne göre belirlenir. Gelen ışığın frekansının azalmasıyla, yayılan elektronların enerjisi azalacaktır hv cr =A out => λ cr =hc/ A out. Böylece ur-e Einsch. tüm uzmanları açıklamanıza izin verir. obs. yasa. Ur-e Einsch. biri temelinde inşa edilmiştir. yaklaşımlar. Ve her birinin dışında. e-posta kilitlenmedi. fotokatottan diğer e-in çıktısından.

3. Fotoelektrik etki. Fotoelektrik etkinin temel yasaları

Fotoelektrik etki, elektromanyetik radyasyonun (fotonların) etkisi altındaki bir madde tarafından elektronların emisyonudur.. Fotoelektrik etki, 1887'de Heinrich Hertz tarafından keşfedildi. Ayırt etmek: fotonların absorpsiyonunun, elektronların vücut dışından kaçışının eşlik ettiği bir harici fotoelektrik etki ve vücutta kalan elektronların enerji seviyeleri arasında yeniden dağıtıldığı bir dahili fotoelektrik etki.

Dahili fotoelektrik etki, bir maddenin elektriksel iletkenliğinde, dielektrik sabitinde veya sınırlarındaki görünümde bir değişiklikte kendini gösterir. elektrik hareket gücü fotoğraf emf denir. Fotoelektrik etki, aşağıdaki kurulum kullanılarak araştırılabilir (Şekil 26). Tank yüksek vakum altındadır. Işık, kuvars penceresinden O girer ve katot K'yi aydınlatır. Fotoelektrik etki nedeniyle katot tarafından yayılan elektronlar, etkisi altında hareket eder. Elektrik alanı Sonuç olarak, bir galvanometre D ile ölçülen devrede bir akım akacaktır. Anot ve katot arasındaki U gerilimi, bir reostat R kullanılarak değiştirilebilir. Grafik (Şekil 27), ışık akısı Ф ve F2 > F1'in iki değeri için U voltajındaki fotoakım I. Bu bağımlılığın analizi ve kurulum üzerinde yapılan deneyler, aşağıdaki sonuçları çıkarmamızı sağlar:

1. Fotoakım, ışınlamanın başlamasından 10–8 s sonra belirir, yani. fotoelektrik etki pratik olarak ataletsizdir.

2. Belirli bir voltajda, fotoakım doygunluğa ulaşır, yani. katot tarafından yayılan tüm elektronlar anoda çarpar (Şekil 27'deki grafiğin yatay kesiti).

3. Katot ve anot arasındaki voltaj 0'a düştüğünde fotoakım kaybolmaz. Sonuç olarak, ışıkla katottan fırlatılan elektronlar belirli bir başlangıç ​​hızına sahiptir ve harici bir alan olmaksızın anoda ulaşabilirler. Foto akımın sıfıra eşit olması için, bir geciktirme gerilimi Uz uygulamak gerekir. ters yön. Bu voltajda, tüm elektronlar, uçuşları sırasında en yüksek υmax hızına sahip olanlar bile, geciktirme alanını yenemez ve anoda ulaşır. Bu nedenle, enerjinin korunumu yasasına dayanarak, Wmax elektronlarının maksimum kinetik enerjisini, tutulmalarında eU3 alan kuvvetlerinin çalışmasına eşitleyebiliriz:

burada e , m elektronun yükü ve kütlesidir.

4. Şek. 27, gelen akıdaki bir artışın geciktirme potansiyelinin büyüklüğünü etkilemediğini göstermektedir.

Aşağıdaki üç dış fotoelektrik etki yasası deneysel olarak oluşturulmuştur:

1. Stoletov yasası: gelen ışığın sabit bir frekansında, doygunluk foto akımının değeri, gelen ışık akısı ile doğru orantılıdır.. Işığın yoğunluğu, ışığın yönüne dik tek bir alandan geçen ışık akısıdır. Bu yüzden birim zamanda katottan çıkan fotoelektronların sayısı ışık yoğunluğu ile orantılıdır.

2.Fotoelektronların maksimum başlangıç ​​hızı, ışığın frekansı tarafından belirlenir ve yoğunluğuna bağlı değildir..

3

.Her madde için bir minimum frekans vardır.ν0 harici fotoelektrik etkinin hala mümkün olduğu ışık. Bu minimum frekansν0 (veya maksimum dalga boyuλ0 ) maddenin kimyasal yapısına, yüzeyinin durumuna bağlıdır ve fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı olarak adlandırılır.. Birçok madde için kırmızı ışık bölgesinde olduğu için kırmızı denir. Örneğin potasyum, kırmızı ışıkla aydınlatıldığında fotoelektrik etki vermez ve turuncu ışınlardan başlayarak fotoelektronlar yaymaya başlar.

Fotoelektrik etkinin ikinci ve üçüncü yasaları, ışığın dalga doğası hakkındaki klasik fizik fikriyle çelişir. Gerçekten de, ışık akısı ne kadar büyükse, ışık dalgasının taşıdığı enerji de o kadar büyük olur, yani. fotoelektronlar o kadar fazla enerji almış olmalıdır.

Fotoelektrik etkinin kuantum teorisi. Einstein'ın denklemi

A. Einstein, Planck'ın hipotezine göre yayılan ışığın aynı kısımlarda (kuanta, fotonlar) emildiğini varsayarsak, fotoelektrik etkinin tüm yasalarının açıklandığını gösterdi. Einstein'a göre, bir elektron tarafından alınan foton enerjisi E=hν, elektron tarafından tamamen özümsenir. Metallerdeki fotoelektrik etkiyi kuantum açısından ele alalım. Bir elektron, çekim yoluyla bir metalde tutulur. pozitif iyonlar kristal kafes. Metalden ayrılmak için elektronun Aout iş fonksiyonunu yapması gerekir. Elektronun aldığı enerji E = hν > Aout ise, ayrıldığında kinetik enerjiye sahip olacaktır. Elektron metali bir derinlikten değil de yüzeyden terk ederse, bu enerjinin değeri maksimumdur. Bu durumda, enerjinin korunumu yasasına göre, dış fotoelektrik etki için Einstein denklemi olarak adlandırılan bir ilişki gerçekleşir:

E = hν = Aout + W maks.

Einstein'ın formülünden, belirli bir maddenin yüzeyinden gelen fotoelektrik etkinin yalnızca hν ≥ Aout koşulunu sağlayan frekanslarda gözlemlendiği görülebilir. Daha sonra fotoelektrik etkinin (ν0 veya λ0) kırmızı sınırı hν0 = Aout denkleminden belirlenebilir, yani.

(2.12) ve (2.13) formüllerinden, U3'ün gelen ışığın ν frekansının doğrusal bir fonksiyonu olduğu sonucu çıkar (Şekil 28):

Kesişme noktası U f(ν) 3 . = apsis ekseni ile (U3 0 =) fotoelektrik etkinin ν0 kırmızı sınırının değerini verir. Düz çizgiyi y ekseni ile kesişime göre tahmin ederek, belirli bir metal için Aout belirlenebilir. Fotoelektrik etki temelinde, fotoseller çalışır - radyasyon enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren radyasyon alıcıları. Çeşitli otomasyon, sinyalizasyon, iletişim sistemleri vb. alanlarda kullanılırlar. Güneş panelleri oluşturmak için silikon güneş pilleri kullanılır.

6. Maddenin özelliklerinin parçacık-dalga ikiliği. De Broglie'nin hipotezi. Elektron kırınımı.

1924'te Louis de Broglie, azizlerin dualizminin (dualizminin) yalnızca optik fenomenlerde değil, aynı zamanda genel olarak maddede de var olduğu bir hipotez önerdi. Özellikle, bir dalga süreci, bir elektronun bir parçacık olarak davranışını etkileyen, yükü ve kütlesi küçük bir boşluk hacminde lokalize olan ve böylece bir nokta yükü gibi davranan elektronların akışı ile ilişkilidir. D-Broille, bir elektron dalgasının dalga boyunun bir fotonun dalga boyuna benzetilerek nasıl belirlenebileceğini gösterdi.

Pf=m(indeks f)c=hνc/c (c.2)=hν/c=h/λ; λ(indeks c)=h/P(indeks e)=s/m(indeks c) v(indeks c) (1). (1) ile tanımlanan dalga boyuna de Broglie dalga boyu denir. D-Broil, Bohr'un 1. önermesini - nicemleme önermesini - açıklamaya çalıştı. D-Brogle'a göre, durağan, bir elektronun yörüngeleri olup, çevre boyunca tam sayıda d-Brogle dalgasının sığdığı yörüngelerdir. Şunlar. yörünge boyunca duran bir dalga kurulur. 2πr = nλ(c indeksi), 2πr = nh/mv;

mvr = nh/2π=nh(c).

Jamer ve Davison, elektronları monokromatik nikel üzerine saçarak kırınımını keşfeden ilk kişilerdi. Potansiyel fark U tarafından hızlandırılan elektronlar e-postadan uçtu. silahlar dar bir kiriş şeklinde ve bir klistal plakasına odaklandı. Saçılan elektronlar, hassas bir galvanometreye bağlı bir Faraday kap kapanı tarafından yakalandı.

Elektronlar yüklerini tuzağa verdi ve J'nin √U'ya bağımlılığı kuruldu. Akım gücü J, plakadan yansıyan elektronların bir ölçüsüdür ve √U, hızlarının bir ölçüsüdür.

mv 2/2=eU; √U~v. O. sadece belirli hızlardaki elektronlar kristalden yansıtılır. Kristal, ikincil dalga kaynaklarının, yani. kristal kafesin düğümlerindeki parçacıklar, koordinat eksenleri boyunca kesin olarak tanımlanmış mesafelerde bulunur. Bir elektromanyetik radyasyon kristalinden geçerken, kristal kafesin düğümlerindeki parçacıklar, üst üste binerek maksimum ve minimum kırınım oluşturan ikincil dalgalar yayar. Kristalden sadece belirli hızlardaki elektronların yansıdığı gerçeği, bir dalga süreci olan radyasyonun kristal üzerine düştüğü ve seçici yansımasının kırınım sonucu olduğu anlamına geliyordu.

7. Bohr'un varsayımları.

Yeni bir - kuantum - çekirdeğin teorisini yaratmaya yönelik ilk girişim N. Bohr tarafından gerçekleştirildi. Çizgi spektrumlarının deneysel düzenliliklerini, Rutherford'un atomun nükleer modelini ve ışığın emisyonunun ve soğurulmasının kuantum doğasını tek bir bütün halinde birleştirme hedefini belirledi. Bohr, yeni teorisini iki önermeye dayandırdı.

Bohr'un ilk varsayımı (durağan durumların varsayımı). Bir atomda, enerji yaymadığı durağan (zamanla değişmeyen) durumlar vardır. Bir atomun durağan durumları, elektronların hareket ettiği sabit dairesel yörüngelere karşılık gelir. Elektronların sabit yörüngelerdeki hareketine elektromanyetik dalgaların emisyonu eşlik etmez.

Atomun durağan durumunda, elektronun ayrık değerleri vardır. açısal momentum, koşulu sağlayan

nerede elektronun kütlesi, v- hızı n yörünge yarıçapı .

Bohr'un ikinci varsayımı (frekans kuralı). Bir elektron sabit bir yörüngeden diğerine geçtiğinde, enerjili bir foton yayılır (absorbe edilir)

,(2)

nerede ve sırasıyla, atomun radyasyondan (soğurma) önceki ve sonraki durağan durumlarının enerjileridir. Kuantum geçişlerinin olası ayrık frekansları kümesi, çizgi spektrumu atom.

T

Bohr'un hidrojen benzeri atom teorisi. Bohr'un varsayımları, bir çekirdekten oluşan hidrojen atomunun ve hidrojen benzeri iyonların spektrumunu hesaplamayı mümkün kılar. Z ve bir elektron ve teorik olarak Rydberg sabitini hesaplayın. Bir elektronun bir alandaki hareketini düşünün atom çekirdeği. Elektron hareket denklemi şu şekildedir:

.(3)

Hariç v(1) ve (3) denklemlerinden, kabul edilebilir yörüngelerin yarıçapları için bir ifade elde ederiz.

.(4)

Bir hidrojen atomu için ( Z=1) birinci yörüngenin yarıçapına denir Bohr yarıçapı. onun değeri

.(5)

Hidrojen benzeri bir atomdaki bir elektronun toplam enerjisi, kinetik enerjisinin toplamıdır ve potansiyel enerjiçekirdek ile etkileşimler

(Hazırlanmasında Formül (3) kullanıldı). Yarıçapların (4) kuantizasyonunu hesaba katarak, elektron enerjisinin ayrık değerler aldığını elde ederiz.

.(6)

Bohr'un ikinci varsayımına göre, bir hidrojen atomunun durumdan geçişi sırasında n bir duruma m bir foton yayılır

,

radyasyon frekansı nereden

.

Böylece, Bohr teorisi genelleştirilmiş Balmer formülüne yol açar ve Rydberg sabiti için değer

. Evrensel sabitlerin değerleri bu ifadeye ikame edildiğinde, Rydberg sabitinin deneysel değeriyle mükemmel uyum içinde olan bir değer elde edilir.

Bohr'un teorisi, atom teorisinin gelişiminde önemli bir adımdı. Mikro dünyadaki süreçlerin klasik değil, diğer kuantum yasalarıyla tanımlandığını açıkça gösterdi.

8. Frank ve Hertz'in Deneyleri.

Atomun ayrık enerji seviyelerinin varlığı, Frank ve Hertz'in deneyleriyle doğrulanır. Kurulumlarının şeması, Şek. Düşük basınç (~1 mmHg) altında cıva buharı ile doldurulmuş tüp üç elektrot içeriyordu: bir katot İle, Kafes İTİBAREN ve anot ANCAK. Katottan yayılan termoelektronlar, potansiyel fark tarafından hızlandırıldı. sen katot ve ızgara arasına uygulanır. Izgara ve anot arasında, elektronların anoda hareketini yavaşlatan zayıf bir elektrik alanı (yaklaşık 0,5 V'luk potansiyel fark) oluşturuldu. Deneyde, mevcut gücün bağımlılığı ben gerilimden anot devresinde sen katot ve ızgara arasında. Bu tür deneylerin akım-voltaj karakteristiği, Şek.

Eğrinin seyri aşağıdaki gibi açıklanabilir. Bir elektron cıva atomlarıyla çarpıştığında iki tür etkileşim mümkündür: 1) Elastik çarpışma elektronların enerjisinin pratik olarak değişmemesinin bir sonucu olarak, sadece hareket yönü değişir; 2) esnek olmayan çarpışma cıva atomlu elektron. Bu durumda elektronların enerjisi cıva atomuna transferinden dolayı azalır.

Bohr'un varsayımlarına göre, bir cıva atomu enerjiyi bir kısım şeklinde emebilir.

ve daha yüksek bir enerji seviyesinde heyecanlı bir duruma geçer. Cıva atomunun ilk uyarılmış hali 4.9 eV'lik bir enerjiye karşılık gelir. saat sen< 4,9 В электроны испытывают только упругое взаимодействие с атомами ртути и, поэтому, с увеличением напряжения анодный ток возрастает.

ulaştığında sen= 4.9 V, elektronların enerjisi, cıva atomunun ilk uyarılmış seviyesinin enerjisi ile karşılaştırılır. Enerjinin bir kısmını alan cıva atomları ile elektronların esnek olmayan çarpışmaları vardır.

= 4.9 eV ve uyarılmış bir duruma geçin. Enerjisini kaybetmiş bir elektron, geciktirme potansiyelini aşamaz. Bu nedenle, ne zaman sen= 4,9 V, anot akımı azalır. Benzer bir fenomen için gözlenir sen= 24.9 V, sen\u003d 34.9 Vvb., elektronlar iki, üç vb. cıva atomları ile esnek olmayan çarpışmalar. Tüm (veya neredeyse tüm) enerjisini kaybeden elektron anoda ulaşamayacak, geciktirici alan onu tekrar ızgaraya atacaktır. Sonuç olarak, bu voltajlarda akımda bir düşüş ve akım-voltaj karakteristiğinin genel testere dişi seyri vardır.

Elektronlardan enerji alan cıva buharı atomları, 10-8 s sonra kendiliğinden zemin durumuna geri döndükleri uyarılmış bir duruma geçer. Bu durumda dalga boyu l»255 nm olan bir foton yayılmalıdır. Deneyde gerçekten de böyle bir dalga boyuna sahip bir ultraviyole çizgisi bulunur. Böylece, Frank ve Hertz'in deneyleri, Bohr'un varsayımlarını deneysel olarak doğrular.

9. Elektron dönüşü. Döndürmek kuantum sayısı. Bir elektronda bir spinin varlığının deneysel olarak doğrulanması.

Teslim edildi Deney, hangi atomların alındığı, kedinin elektron sayısı tektir ve kedinin mekanik ve manyetik momentleri çiftler halinde karşılıklı olarak dengelenir. Bu tür atomlar, periyodik tablonun 1. grubundaki elementlerin atomlarıdır. Bu gruptaki elemanın önemli bir özelliği, temel durumdaki elemanın l=0, M l =0 P l =0 olmasıdır. Bir atom kaynağı alındı; alan. Çünkü Atomların manyetik ve mekanik momentleri = 0 olduğuna göre bu atomların manyetik alan tarafından saptırılmaması ve ekranda 1 nokta görülmesi gerekirdi. Deney gösterdi: atomlar saptırılır ve ekranda 2 max verir. Çünkü bir atomdaki elektronun çekirdek etrafındaki hareketi nedeniyle mekanik ve manyetik momentleri 0'a eşitti ve atomlar hala manyetik olarak sapıyordu. alan, bir atomdaki bir elektronun kendi mekanik M s'sine ve buna karşılık gelen manyetik P s momentlerine sahip olduğu varsayılmıştır. mekanik manyetik dönüş momentleri. Elektron dönüşü, yük ve kütle ile aynı temel özellik olarak kabul edilir. Spin mekanik momenti m\b değeri şu formülle hesaplanır: M s =ħ

, nerede s- spin kuantum sayısı, 2 değer alabilir: s=1/2, s=-1/2.

12. İç yarıiletkenlerin bant yapısı. Yarı iletkenlerin içsel iletkenliği ve sıcaklığa bağımlılığı.

Semipr-ki - bant aralığının genişliğinin yaklaşık 1 eV olduğu adalar. Düşük sıcaklıklarda yarı iletkenler elektriği iletmezler ve yalıtkandırlar. Chemical-ski clean in-va kendi yarı pr-kami'sidir. 4-valent semipr-to Ge'yi (germanyum) düşünün. Komşu atomlarla dört bağ, sekiz elektron (her atomdan dört) tarafından oluşturulur. Her e-n, zıt yönlü dönüşlerle bir bağlantı edinir. Sıcaklık düşük olduğunda, tüm iletişimlerin e-postalarla donatıldığı ortaya çıkıyor ve yarı pr-ke'de ücretsiz e-posta yok. Sıcaklık arttırıldığında, kimyasal-th dv-I'nin enerjisi nedeniyle, e-haber bağlarından birinden ayrılır. Aynı zamanda, ayrılan elektronun yerine, boşluk adı verilen telafi edilmemiş bir pozitif yük kalır. Delik, kristaldeki bir bağ üzerinde lokalizedir ve kristal içinde serbestçe hareket edemez. Çıkan e-posta daire boyunca serbestçe hareket edebilir.

E Harici bir e-posta alanı uygularsanız, e-posta alana karşı hareket eder. Delik, komşu bir bağlantıdan gelen bir e-posta tarafından işgal edilebilir. Bu tür sıçramalar yoluyla delik saha boyunca hareket edecek ve e-posta sahaya doğru hareket edecektir. İki delik, parçacık yükünün iki konumu olarak düşünülebilir. Serbest e-n bir deliğin yerini aldığında, hem serbest e-n hem de delik aynı anda kaybolur. Bu işleme rekombinasyon denir. Yani, kimyasal olarak saf yarı-pr-kah'da aynı anda bir serbest elektron ve bir boşluk belirir ve sayıları aynıdır. Sözde özelliklerin kimyasal olarak saf yarı iletkenlerinin iletkenliği elektron deliğidir. tz bölgesi teorisi ile, e-n, değerlik bandındaki kristal-le nah-Xia'da kimyasal bağların oluşturulmasında rol oynar.

Kendisine yeterli enerji verildiğinde yasak bandı aşar ve iletim bandına geçer. Bu durumda değerlik bandında bir boşluk oluşur. Böyle bir geçiş, öncelikle değerlik bandının üst seviyelerinden gerçekleştirilecektir. Enerji arttıkça, değerlik bandının daha derin seviyelerinden elektronlar iletim bandına geçecektir. Bu nedenle, bir deliğin enerjisi daha büyüktür, değerlik bandında daha derindir. İletim bandındaki El-n ve değerlik bandındaki bir delik kendi yarı-p-ke'lerinde serbest yük taşıyıcıları olarak kabul edilebilir. Sıcaklık arttıkça bu tür taşıyıcıların sayısının artacağı açıktır. Yasak bölgenin ortasında kendi yarı-pr-kah nah-Xia'daki Fermi seviyesi.

15. Kendiliğinden ve uyarılmış emisyon.

Boşluktaki radyasyon, enerjiye sahip bir kuanta topluluğudur.

. Quanta atomlar tarafından absorbe edilebilir, bu durumda bu daha yüksek bir değere geçer. enerji seviyesi enerji ile

, nerede atomun başlangıç ​​enerji düzeyidir. Bir atom seviyeden geçtiğinde üzerinde enerjili bir kuantum yayılır

. Bu seviyeleri 0 ve 1 indeksleri ile belirleyelim (Şekil) ve sırasıyla alt ve üst seviyeler olarak adlandıralım.

Malzeme gövdeleri (boşluk duvarları) ve radyasyon arasında sürekli bir enerji alışverişi vardır. Aralarındaki dinamik denge, her bir frekans için kuanta değişimi dengelendiğinde meydana gelir. Bu nedenle, aşağıda yalnızca bir frekans ele alınmıştır. Diğer frekanslar için tüm argümanlar benzerdir.

Alt seviyeden üst seviyeye geçişler ancak bir enerji kuantumunun, yani. gelen radyasyonun etkisi altında. Bu tür geçişlere denir zoraki. Üst seviyeden alt seviyeye geçişler, olayın etkisi altında, ya zorlanabilir. radyasyon atomu, ve doğal atom üzerindeki radyasyon olayından bağımsız olarak meydana gelir.

belirtmek

saniyede 1®0 kendiliğinden geçiş olasılığı, üst seviyedeki atomların konsantrasyonudur. Daha sonra kendiliğinden geçişlerin sıklığı

.

Zorlanmış geçişlerin frekansı, gelen fotonların sayısı veya radyasyonun spektral yoğunluğu ile orantılıdır. . belirtmek

ve

radyasyon etkisi altında saniyede 1®0 ve 0®1 zorunlu geçiş olasılıkları

;atomların alt seviyedeki konsantrasyonudur. Sonra zorunlu geçişlerin frekansı için yazabiliriz

,

.

Dinamik denge koşulu şu şekildedir:

veya

Denge durumunda, atomik konsantrasyonlar için forma sahip olan Boltzmann dağılımı sağlanır.

,

,(2)

nerede A normalizasyon sabitidir. (2)'yi (1) ile değiştirirsek,

Miktarları

,

ve

aranan Einstein katsayıları.

Fiziksel değerlendirmelere göre,

olmalı

. Daha sonra, (3)'teki sınıra geçişten şu sonucu çıkar:

.(4)

Bu nedenle, bağıntı (3) şu şekilde yazılabilir:

,(5)

nerede

. Anlam

(5) düşük frekanslarda Rayleigh-Jeans formülü ile çakışması gerektiğini hesaba katarsak bulunabilir. saat

ve (5) formu alır

.

Elde edilen ifadeyi Rayleigh-Jeans formülüyle karşılaştırarak buluruz:

.

Sonuç olarak formül (5) şu şekli alır:

.(6)

İlişki (6), Planck formülüdür.

Kendiliğinden emisyon, rastgele yayılma yönüne, rastgele polarizasyona ve rastgele faza sahiptir. Uyarılmış emisyon bu açıdan kendiliğinden emisyondan farklıdır. yayılma yönü uyarılmış emisyon sürüş radyasyonunun yönü ile tam olarak örtüşür. Aynısı uyarılmış ve uyarıcı radyasyonun frekansı, fazı ve polarizasyonu için de geçerlidir. Sonuç olarak, uyarılmış ve uyarılmış radyasyon kesinlikle tutarlıdır. Uyarılmış emisyonun bu özelliği, lazer adı verilen amplifikatörlerin ve ışık jeneratörlerinin çalışmasının temelini oluşturur.

16. Rutherford'un atom modeli ve eksiklikleri. Bohr'un varsayımları. Atomun Bohr modeli.

Tüm makroskopik sistemlerde elektron, belirli bir koordinat ve hıza sahip, küçük bir hacimde lokalize bir parçacık gibi davranır. Bir elektron bir atomda hareket ettiğinde, tüm mikroskobik parçacıklarda olduğu gibi dalga özellikleri daha büyük ölçüde kendini gösterir, ancak dalga uzayda lokalize değildir, sınırsızdır.

Elektronların Vx hızıyla OA yönünde hareket etmesine ve a genişliğine sahip dar bir BC yarığı ile karşılaşmasına izin verin. DE, elektronların üzerine düşeceği ekrandır. Çünkü elektronlar var dalga özellikleri, daha sonra dar bir yarıktan geçerken kırınıma uğrarlar, bunun sonucunda elektronlar sadece doğrudan yarığın arkasında bulunan DE ekran noktalarına düşmekle kalmaz, aynı zamanda ekranın tamamına dağıtılır. Bir elektronun klasik bir parçacık olduğunu hayal edin. Koordinat ve momentum ile karakterize edilir. Boşluğun geçiş anında bir elektronun koordinatını boşluğun koordinatı olarak nitelendirmek mümkündür. Ancak böyle bir koordinat tanımında, yuvanın genişliğinden dolayı bir yanlışlık vardır. Bu belirsizliği ∆x=a ile gösterelim. Yarıktan geçtikten sonra, pals bileşeni Px≠0, çünkü kırınım nedeniyle hızdaki değişiklikler. Elektron momentumunun bileşeni tam olarak belirlenemez, ancak yalnızca ∆Px≥Psinφ1=Pλ/a=hλ/λa=h/a; ∆Px*∆x≥h (1), Heisenberg belirsizlik bağıntısıdır.

Bir atomdaki elektronların hareketini yöneten yasaları formüle etmeye yönelik ilk girişim, atomun kararlı bir sistem olduğu ve bir atomun yayabileceği veya emebileceği enerji fikri temelinde Bohr tarafından yapıldı.

1) Atomda, atomun enerji yaymadığı veya emmediği sabit kararlı yörüngeler vardır.

2) Bohr, bir atom tarafından enerji emisyonunun veya absorpsiyonunun, bir atom bir durağan durumdan diğerine geçtiğinde meydana geldiğini öne sürdü. Bu tür her geçişte, aralarında bir elektronun kuantum sıçramasının meydana geldiği durağan durumların cisimleri arasındaki enerji farkına eşit bir kuantum enerji yayılır, hν=En – Em (2) (n>m, radyasyon, n

Teorisinin merkezinde, ilk olarak, Resenford atomunun nükleer modeli, ikincisi, radyasyonun kuantum doğası ve atomlardaki enerjinin soğurulması ve üçüncüsü, çizgi spektrumlarının ampirik yasaları olmak üzere tek bir bütün halinde bağlantı kurma girişimi vardır. atomda.

Bohr'un teorisi sadece hidrojen atomuna değil, aynı zamanda tek elektronlu He+ iyonlarına da uygulanabilir. Böyle bir sistemin çekirdeğinin yükü ze'dir ve çekirdeğin etrafında 1e(c) bulunur. Bohr modeli, klasik Resenford modelinin temel özelliklerini korur, yani. .elektron, pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafındaki dairesel yörüngelerden birinde döner. Bohr'un teorisinde, bir atomdaki elektronun hareketini ve kuantum fiziğinin baskın rolünü tanımlamak için klasik fiziğin kabul edilemezliğine dikkat çekti. DEZAVANTAJLARI: 1) Tamamen klasik olmayan, kuantum olmayan değildi. Bir yandan klasik fizik yasasına göre bir elektronun yörünge hareketine izin verirken, diğer yandan klasik fiziğin fikirleriyle çelişen enerji seviyelerinin ayrıklığından, enerji ve momentumun nicelenmesinden yola çıktı. . 2) Sabit yörüngelerin seçim kuralı mantıksızdır. 3) Fiziksel niceliklerin nicelleştirilmesinin nedeni açık değildir: enerji, momentum.

18. Atom çekirdeğinin yapısı. Kütle ve şarj numarası. Nükleonlar. Çekirdek modeller: damla, kabuk.

Bir atomun çekirdeği, atomun tüm pozitif yükünün ve kütlesinin neredeyse tamamının yoğunlaştığı kısmın merkezidir. Günümüze göre, atom çekirdeği 2 yük durumu - nükleon olarak kabul edilen proton ve nötronlardan oluşur.

AZ X , burada Z, Tablo Mend'deki sayı ile çakışan çekirdeğin yük sayısıdır.

A - kütle numarası, atomik kütle biriminde ifade edilen kimyasal elementin atom kütlesi ile çakışır. A, çekirdekteki toplam nükleon sayısını ifade eder, kimyasal elementin atomu nötr olduğundan, e-n (konum) db, e-kabuğundaki e-on'un yüküne tam olarak eşittir. Dolayısıyla çekirdekteki proton sayısı (+e): N p =Z. Nötron sayısı: N n =A-Z.

Birkaç çekirdek modeli vardır. Hiçbiri evrensel değildir, ancak her biri belirli bir nükleer süreç düşünüldüğünde kullanılır. İkisini düşünün: damla ve kabuk

damla modeli.Çekirdeğin ve sıvı damlasının bazı özellikleri benzerdir. Damlama modeli bu benzerlik üzerine kuruludur. Aynı nükleer madde yoğunluğu, tıpkı bir sıvınınki gibi, son derece düşük sıkıştırılabilirliğini gösterir. Bu modele göre, nükleonlar yoğun, rastgele hareket eder ve sayısız çarpışma yaşar. Bu tür çarpışmaların her birine, güçlü bir nükleon etkileşimi eşlik eder. Bu nedenle, çekirdek tarafından alınan enerji, nükleonlar arasında hızla yeniden dağıtılır. Müteakip sayısız nükleon çarpışması, örneğin bir yüzey parçacığı üzerinde enerji konsantrasyonuna yol açabilir, örneğin, α -parçacık. Enerjisi çekirdekteki bağlanma enerjisinden büyükse, çekirdekten çıkabilir. Damla modeline göre, bir parçacığın çekirdekten fırlaması, sıvıdan moleküllerin buharlaşmasına benzer. Bununla birlikte, bir sıvı damlasının aksine, uyarılmış bir çekirdek γ-kuanta yayarak temel duruma geçebilir. Nükleer kökenli fotonlar denir. Damlacık modeli, özellikle nükleer fisyon sürecini açıklamayı mümkün kıldı.

Kabuk modeli. Bu modele göre, nükleonlar, tıpkı bir atomdaki elektronlar gibi, Pauli ilkesine göre kabuklara doldurulur. Tamamen doldurulmuş bir nükleon kabuğu ile özellikle kararlı çekirdekler oluşur. Deneylere dayanarak, bunlar proton sayısının veya nötron sayısının 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 olduğu çekirdeklerdir. Bu sayılara sihir denir.

İlk nükleon kabuğu helyumla doldurulur ve iki proton ve nötrondan oluşur, ikincisi oksijenle vb.

Kabuk modeline göre, bir nükleon diğer nükleonların alanında hareket eder. Bir çekirdek uyarıldığında, bir veya daha fazla nükleon uyarılmış seviyelere gider. Temel duruma geçişlerine γ-kuanta emisyonu eşlik eder.

Makale, ışığın kuantum özelliklerinin özünü ortaya koymaktadır. Nasıl keşfedildikleri ve neye yol açtığı hakkında konuşuyor.

Planck ve kuantum

On dokuzuncu yüzyılın sonlarında ve yirminci yüzyılın başlarında, bilim çevrelerinde fizikte kesinlikle her şeyin açık olduğuna inanılıyordu. O zamanki en ileri bilgi, Maxwell denklemleri ve elektrikle ilgili çeşitli fenomenlerin incelenmesiydi. Bilim yapmak isteyen gençlerin fiziğe girmeleri tavsiye edilmedi: sonuçta, yalnızca herhangi bir atılım sağlamayan rutin çalışmalar olabilirdi. Bununla birlikte, ironik bir şekilde, yeni bilgi ufuklarına giden yolu açan, uzun zamandır bilinen bir fenomenin özelliklerinin tam olarak bu çalışmasıydı.

Işığın dalga ve kuantum özellikleri Max Planck'ın keşfiyle başladı. Mutlak bir kara cismin spektrumunu inceledi ve radyasyonunun en uygun matematiksel tanımını bulmaya çalıştı. Sonuç olarak, "etki kuantumu" olarak adlandırdığı belirli bir minimum bölünemez miktarın denkleme dahil edilmesi gerektiği sonucuna vardı. Ve daha basit bir matematiksel formül için "köşeyi kesmenin" bir yolu olduğundan, bu miktara herhangi bir fiziksel anlam vermedi. Bununla birlikte, örneğin A. Einstein ve E. Schrödinger gibi diğer bilim adamları, kuantum gibi bir fenomenin potansiyelini fark ettiler ve yeni bir fizik dalını geliştirdiler.

Planck'ın kendisinin keşfinin temel doğasına tam olarak inanmadığını söylemeliyim. Işığın kuantum özelliklerini çürütmeye çalışan bilim adamı, bu nicelikten kurtulmak için çeşitli matematiksel hilelere başvurarak formülünü kısaca yeniden yazdı. Ama hiçbir şey çıkmadı: Cin şişeden çoktan çıkarılmıştı.

Işık, elektromanyetik alanın bir kuantumudur.

Planck'ın keşfinden sonra, zaten bilinen ışığın dalga özelliklerine sahip olduğu gerçeği bir başkasıyla desteklendi: bir foton, bir elektromanyetik alanın kuantumudur. Yani ışık, çok küçük bölünmez enerji paketlerinden oluşur. Bu paketlerin (foton) her biri frekans, dalga boyu ve enerji ile karakterize edilir ve tüm bu miktarlar birbirine bağlıdır. Işığın boşluktaki hızı, saniyede yaklaşık 300.000 kilometre ile bilinen evrendeki en hızlı hızdır.

Diğer niceliklerin de nicelleştirildiğine (yani, bölünemez en küçük parçalara ayrıldığına) dikkat edilmelidir:

• gluon alanı;
• yerçekimi alanı;
• kristal atomların toplu hareketleri.

Kuantum: elektrondan fark

Her alan türünde kuantum adı verilen en küçük bir miktar olduğunu düşünmemelisiniz: elektromanyetik ölçekte hem çok küçük hem de yüksek enerjili dalgalar (örneğin, X-ışınları) ve çok büyük, ama aynı zamanda “zayıf” olanlar (örneğin, radyo dalgaları ). Sadece her kuantum bir bütün olarak uzayda seyahat eder. Fotonların aşılmaz potansiyel engellerle etkileşime girdiklerinde enerjilerinin bir kısmını kaybedebildiğini belirtmekte fayda var. Bu fenomene "tünelleme" denir.

Işık ve maddenin etkileşimi

Böyle parlak bir açılıştan sonra sorular yağdı:

1. Madde ile etkileşime girdiğinde bir ışık kuantumuna ne olur?
2. Bir fotonun taşıdığı enerji bir molekülle çarpıştığında nereye gider?
3. Neden bir dalga boyu soğurulup başka bir dalga boyu yayılabilir?

Ana şey, hafif basınç olgusunun kanıtlanmış olmasıdır. Bu gerçek, yansıma için yeni bir neden verdi: bu, fotonun momentum ve kütleye sahip olduğu anlamına gelir. Bundan sonra benimsenen mikroparçacıkların parçacık-dalga ikiliği, bu dünyada meydana gelen çılgınlığın anlaşılmasını büyük ölçüde kolaylaştırdı: sonuçlar daha önce var olan hiçbir mantığa uymuyordu.

Enerji transferi

Daha fazla araştırma, yalnızca ışığın kuantum özelliklerini doğruladı. Fotoelektrik etki, bir fotonun enerjisinin maddeye nasıl aktarıldığını gösterdi. Yansıma ve soğurma ile birlikte aydınlatma, bir cismin yüzeyinden elektronları çekebilir. Bu nasıl olur? Foton, enerjisini daha hareketli hale gelen elektrona aktarır ve maddenin çekirdeği ile bağlanma kuvvetinin üstesinden gelme yeteneği kazanır. Elektron doğal elementini terk eder ve tanıdık ortamın dışında bir yere koşar.

Fotoelektrik etki türleri

Işığın kuantum özelliklerini doğrulayan fotoelektrik etki olgusunun farklı türleri vardır ve fotonun hangi katı cisimle çarpıştığına bağlıdır. Bir iletkenle çarpışırsa, elektron yukarıda açıklandığı gibi maddeyi terk eder. Bu, dış fotoelektrik etkinin özüdür.

Ancak bir yarı iletken veya dielektrik aydınlatılırsa, elektronlar gövdeyi terk etmez, yeniden dağıtılır ve yük taşıyıcıların hareketini kolaylaştırır. Bu nedenle, aydınlatıldığında iletkenliği iyileştirme olgusuna içsel fotoelektrik etki denir.

Dış fotoelektrik formül

İşin garibi, ancak dahili fotoelektrik etkiyi anlamak çok zor. Bu fenomenin önemini tam olarak anlamak için alanın bant teorisini bilmek, bant aralığından geçişleri anlamak ve yarı iletkenlerin elektron deliği iletkenliğinin özünü anlamak gerekir. Ek olarak, dahili fotoelektrik etki pratikte çok sık kullanılmaz. Işığın kuantum özelliklerini doğrulayan dış fotoelektrik etki formülleri, ışığın elektronları çekebildiği katmanı sınırlar.

h Planck sabitidir, ν belirli bir dalga boyundaki ışığın bir kuantumudur, A bir elektronun maddeyi terk etmek için yaptığı iştir, W kinetik enerjidir (ve dolayısıyla hız).

Böylece, bir fotonun tüm enerjisi sadece bir elektronun vücuttan çıkışında harcanırsa, o zaman yüzeyde sıfır kinetik enerjiye sahip olacak ve aslında kaçamayacaktır. Böylece, iç fotoelektrik etki, aydınlatılan maddenin yeterince ince bir dış sözcüğünde de gerçekleşir. Bu, uygulamasını ciddi şekilde sınırlar.

Optik bir kuantum bilgisayarın dahili fotoelektrik etkiyi kullanmaya devam etme olasılığı vardır, ancak böyle bir teknoloji henüz mevcut değildir.

Dış fotoelektrik etki yasaları

Aynı zamanda, ışığın kuantum özellikleri tamamen işe yaramaz değildir: fotoelektrik etki ve yasaları, bir elektron kaynağı yaratmayı mümkün kılar. Bu yasalar Einstein tarafından tam olarak formüle edilirken (bunun için Nobel Ödülü aldı), çeşitli önkoşullar yirminci yüzyıldan çok daha önce ortaya çıktı. Bir elektrolit aydınlatıldığında bir akımın ortaya çıkması ilk olarak on dokuzuncu yüzyılın başında, 1839'da gözlemlendi.

Toplamda üç yasa vardır:

1. Doygunluk foto akımının gücü, ışık akısının yoğunluğu ile orantılıdır.
2. Fotonların etkisi altında maddeyi terk eden elektronların maksimum kinetik enerjisi, gelen radyasyonun frekansına (ve dolayısıyla enerjisine) bağlıdır, ancak yoğunluğuna bağlı değildir.
3. Aynı tip yüzeye (pürüzsüz, dışbükey, pürüzlü, gözenekli) sahip her maddenin fotoelektrik etkisinin kırmızı bir sınırı vardır. Yani, elektronları yüzeyden ayırmaya devam eden bir fotonun çok küçük bir enerjisi (ve dolayısıyla frekansı) vardır.

Tüm bu modeller mantıklıdır, ancak daha ayrıntılı olarak ele alınmalıdır.

Fotoelektrik etki yasalarının açıklaması

Birinci yasa şu anlama gelir: saniyede bir metrekare yüzey alanına ne kadar fazla foton düşerse, bu ışık aydınlatılan maddeden o kadar fazla elektron “alabilir”.

Basketbol bir örnektir: Bir oyuncu topu ne kadar sık ​​atarsa, o kadar sık ​​vurur. Tabii eğer oyuncu yeterince iyiyse ve maç sırasında sakatlanmadıysa.

İkinci yasa aslında yayılan elektronların frekans tepkisini verir. Bir fotonun frekansı ve dalga boyu enerjisini belirler. Kırmızı ışık, görünür spektrumdaki en düşük enerjiye sahiptir. Ve lamba maddeye ne kadar kırmızı foton gönderirse göndersin, elektronlara sadece düşük enerjiyi aktarabilirler. Bu nedenle, yüzeyden çekilseler ve hemen hemen hiç çıkış işi yapmasalar bile, kinetik enerjileri belirli bir eşiğin üzerinde olamaz. Ancak aynı maddeyi mor ışınlarla aydınlatırsak, çok az mor kuantum olsa bile en hızlı elektronların hızı çok daha yüksek olacaktır.

Üçüncü yasanın iki bileşeni vardır - kırmızı sınır ve yüzeyin durumu. Birçok faktör metalin cilalı veya pürüzlü olmasına, gözenekleri olup olmamasına veya pürüzsüz olup olmamasına bağlıdır: kaç foton yansıtılacağı, yüzey üzerinde nasıl yeniden dağıtılacağı (açıkçası çukurlara daha az ışık girecektir). Böylece farklı maddeleri yalnızca aynı yüzey koşuluyla birbirleriyle karşılaştırabilirsiniz. Ancak bir maddeden elektron koparabilen bir fotonun enerjisi yalnızca maddenin türüne bağlıdır. Çekirdekler yük taşıyıcıları çok güçlü bir şekilde çekmiyorsa, foton enerjisi daha düşük olabilir ve sonuç olarak kırmızı sınır daha derindir. Ve eğer bir maddenin çekirdeği elektronlarını sıkıca tutuyorsa ve onlardan bu kadar kolay ayrılmak istemiyorsa, kırmızı kenar yeşil tarafa kayar.

11. sınıf için fizikte (Kasyanov V.A., 2002),
bir görev №87
bölüme" Elektromanyetik radyasyonun kuantum teorisi. ANA HÜKÜMLER».

termal radyasyon

Tamamen siyah gövde

termal radyasyon- iç enerjisi nedeniyle ısıtılmış cisimler tarafından yayılan elektromanyetik radyasyon.

Tamamen siyah gövde- herhangi bir frekansta üzerine gelen radyasyonun tüm enerjisini keyfi bir sıcaklıkta emen bir cisim.

Enerji parlaklığının spektral yoğunluğu birim frekans aralığında vücut yüzeyinin birim alanı başına birim zaman başına yayılan elektromanyetik radyasyonun enerjisidir. Enerji parlaklığının spektral yoğunluk birimi J/m 2 . Bir radyasyon kuantumunun enerjisi, radyasyonun frekansı v ile doğru orantılıdır:

h = 6.6 10 -34 J s, Planck sabitidir.

Foton- mikroparçacık, kuantum elektromanyetik radyasyon.

Termal Radyasyon Yasaları: Wien'in Yer Değiştirme Yasası

burada λm, kara cisim enerji parlaklığının maksimum spektral yoğunluğunun düştüğü dalga boyudur, T, kara cismin sıcaklığıdır, b ≈ 3000 µm K, Wien sabitidir.

Stefan-Boltzmann yasası: Bir siyah cismin integral parlaklığı, mutlak sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle orantılıdır:

nerede σ = 5.67 10 -8 W / (m 2 K 4) - Stefan-Boltzmann sabiti.

fotoelektrik etkiışığın etkisi altında katı ve sıvı maddelerden elektronların fırlatılması olgusu.

Fotoelektrik etki yasaları

1. Doygunluk foto akımı, katot üzerine gelen ışığın yoğunluğu ile doğru orantılıdır.

2. Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın frekansı ile doğru orantılıdır ve yoğunluğuna bağlı değildir.

3. Her madde için, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı olarak adlandırılan, altında fotoelektrik etkinin imkansız olduğu bir minimum ışık frekansı vardır.

Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi:

Fotonun enerjisi, iş işlevini gerçekleştirmek ve kinetik enerjiyi yayılan fotoelektrona iletmek için kullanılır. İş fonksiyonu, bir metalden bir elektron koparmak için yapılması gereken minimum iştir.

kırmızı kenarlık fotoğraf efekti

Parçacık-dalga ikiliği - hem korpüsküler hem de dalga özelliklerinin aynı nesnenin davranışındaki tezahürü. Parçacık-dalga ikiliği, herhangi bir maddi nesnenin evrensel bir özelliğidir.

dalga teorisi yüksek yoğunluklarda ışığın özelliklerini doğru bir şekilde tanımlar, yani. foton sayısı büyük olduğunda.

Kuantum teorisi düşük yoğunluklarda ışığın özelliklerini tanımlamak için kullanılır, yani. foton sayısı az olduğunda

momentumu p olan herhangi bir parçacık Cevap de Broglie dalga boyu:

Ölçüm işlemi sırasında mikro nesnenin durumu değişir. Bir parçacığın konumunun ve momentumunun aynı anda kesin olarak belirlenmesi imkansızdır.

Heisenberg belirsizlik ilişkileri:

1. Parçacığın koordinat belirsizliği ile momentumunun belirsizliğinin çarpımı, Planck sabitinden daha az değildir:

2. Bir parçacığın enerjisinin belirsizliği ile ölçüm zamanının belirsizliğinin çarpımı, Planck sabitinden daha az değildir:

Bohr'un varsayımları:

1. Kararlı bir atomda, bir elektron elektromanyetik enerji yaymadan yalnızca özel, sabit yörüngeler boyunca hareket edebilir.

2. Bir atom tarafından ışık emisyonu, bir atomun daha yüksek enerjili E k durağan bir durumdan daha düşük enerjili Е n durağan bir duruma geçişi sırasında meydana gelir. Yayılan fotonun enerjisi, durağan durumların enerjileri arasındaki farka eşittir:

Bohr'un yörünge niceleme kuralı:

Her durağan yörüngenin çevresi üzerinde, de Broglie dalga boylarında bir n tamsayısına uyar; Cevap bir elektronun hareketine karşılık gelen

Atomun temel durumu minimum enerji durumudur.

lüminesans- maddenin dengesiz radyasyonu.

Spektral analiz- bir maddenin kimyasal bileşimini ve diğer özelliklerini kendi spektrumuna göre belirleme yöntemi.

Atomların temel ışınım süreçleri: ışığın absorpsiyonu, kendiliğinden ve uyarılmış emisyon.

ışık emilimi atomun temel durumdan uyarılmış duruma geçişi eşlik eder.

spontan emisyon- bir atomun bir durumdan diğerine kendiliğinden geçişi sırasında yayılan radyasyon.

uyarılmış emisyon- harici elektromanyetik radyasyonun etkisi altında daha düşük bir enerji seviyesine geçtiğinde meydana gelen bir atomun radyasyonu.

Lazer- indüklenen radyasyonun bir sonucu olarak güçlendirilmiş radyasyon kaynağı.

Enerji seviyelerinin ters popülasyonu- uyarılmış durumdaki atom konsantrasyonunun temel durumdaki atom konsantrasyonundan daha büyük olduğu ortamın dengesiz durumu.

yarı kararlı durum- atomun diğer durumlardan çok daha uzun olabileceği uyarılmış hali.

250 keV'a kadar enerjiye sahip elektromanyetik radyasyon yaygın olarak denir. röntgen , ve bunun üzerinde - g radyasyon . Enerjiden bağımsız olarak radyoaktif izotopların radyasyonu genellikle şu şekilde gösterilir:
g-ışınları .

Diğer tüm AI türleri, temel parçacıkları temsil eden bir cisimsel yapıya sahiptir. Tüm yüklü parçacıkların enerji aktarım mekanizması yaklaşık olarak aynıdır. Maddeden geçerken, yüklü bir parçacık enerjisini kaybeder, toplam enerji arzı o kadar azalıncaya kadar atomların iyonlaşmasına ve uyarılmasına neden olur ve parçacık iyonlaşma yeteneğini kaybeder ve genellikle bir iyon oluşturmak üzere bir atom tarafından yakalanır.

Yüklü bir parçacığın yolunun birimi başına kaybettiği enerjiye denir. lineer enerji kaybı. Buna bağlı olarak, tüm iyonlaştırıcı radyasyon ayrılır seyrek- ve yoğun iyonlaştırıcı . Nadiren iyonlaştırıcı radyasyon, tüm elektromanyetik radyasyon ve elektronları içerir ve yoğun iyonlaştırıcı radyasyon, protonları, döteronları ve daha ağır parçacıkları içerir.

Pirinç. 11. Rutherford'un deneyimi.

Bunlardan ilki, negatif yüklü plakaya doğru hafifçe sapar ve diğeri, pozitif yüklü plakaya doğru kuvvetli bir şekilde sapar. Bu bileşenlere alfa ışınları ve beta ışınları adını verdi. Bir atomdaki boşluğun çoğu boş olduğundan, hızlı a-parçacıkları, birkaç bin atom katmanı içeren önemli madde katmanlarına neredeyse serbestçe nüfuz edebilir.

Rutherford tarafından gözlemlenen yüklü parçacıkların saçılması, atomdaki böyle bir yük dağılımı ile açıklanır.Tek tek elektronlarla çarpışmalarda, elektronun kütlesi küçük olduğu için a-parçacıkları çok küçük açılarla sapar. Bununla birlikte, bu nadir durumlarda, çekirdeğin güçlü bir elektrik alanının etkisi altında, atom çekirdeğinden birinden yakın bir mesafede uçtuğunda, büyük bir açıyla bir sapma meydana gelebilir.

Bir yıl sonra, P. Willard, radyoaktif radyasyon bileşiminin ayrıca üçüncü bir bileşen içerdiğini buldu: manyetik veya elektrik alanları tarafından saptırılmayan gama ışınları. Radyoaktif çekirdeklerin üç tip parçacık yayabildiği bulundu: pozitif ve negatif yüklü ve nötr. Bu radyasyonların doğası netleştirilinceye kadar, negatif yüklü plakaya doğru sapan ışınlar geleneksel olarak adlandırıldı. alfa parçacıkları , pozitif yüklü bir plakaya doğru saptı - beta ışınları ve hiç sapmayan ışınlar çağrıldı Gama ışınları (Şek. 12.).

Pirinç. 12. Radyoaktif radyasyonun bileşenleri.

K - kurşun kap, R - radyoaktif hazırlık,
Ф – fotoğraf plakası, – manyetik alan.

Alfa parçacıkları (a) helyum atomunun çekirdeğidir ve iki proton ve iki nötrondan oluşur. Çift pozitif yüke ve nispeten büyük 4.0003 amu kütleye sahiptirler.

Her izotop için alfa parçacıklarının enerjisi sabittir. Havadaki alfa parçacıklarının menzili, enerjiye bağlı olarak 2-10 cm, biyolojik dokularda ise onlarca mikrondur. Alfa parçacıkları kütleli ve yüksek enerjili olduklarından, madde içindeki yolları açıktır; iyonizasyon ve floresansın güçlü bir şekilde belirgin etkilerine neden olurlar. Alfa radyasyonu insan vücuduna girdiğinde son derece tehlikelidir, çünkü a-parçacıklarının tüm enerjisi vücudun hücrelerine aktarılır.

Beta radyasyonu (b) beta bozunması sırasında çekirdek tarafından yayılan parçacıkların (elektronlar veya pozitronlar) akışını temsil eder. Nükleer kökenli elektronların fiziksel özelliği, atom kabuğunun elektronlarınınkiyle aynıdır. Beta parçacıkları b - (elektronik bozunma), b + (pozitron bozunması) sembolü ile gösterilir.

Alfa parçacıklarının aksine, aynı radyoaktif elementin beta parçacıkları farklı miktarlarda enerjiye sahiptir. Bu, beta bozunması sırasında nötrinoların ve beta parçacıklarının atom çekirdeğinden aynı anda yayılmasıyla açıklanır. Her bozunma olayı sırasında açığa çıkan enerji, beta parçacığı ve nötrino arasında dağıtılır. Bu, ışık hızında hareket eden, durgun kütlesi olmayan ve büyük bir nüfuz gücüne sahip elektriksel olarak nötr bir parçacıktır; kayıt yaptırmayı zorlaştırıyor. Bir b-parçacığı büyük miktarda enerjiyle yayılırsa, düşük enerji düzeyinde bir nötrino yayınlanır ve bunun tersi de geçerlidir. Aynı ortamdaki beta parçacıklarının aralığı aynı değildir. Bu tür parçacıkların özündeki yol dolambaçlıdır, yaklaşmakta olan atomların elektrik alanlarının etkisi altında hareket yönünü kolayca değiştirirler. Beta parçacıkları, alfa parçacıklarından daha az iyonlaştırıcı etkiye sahiptir. Havadaki aralıkları 25 cm'ye kadar ve biyolojik dokularda - 1 cm'ye kadar olabilir Farklı radyoaktif izotoplar, beta parçacıklarının enerjisinde farklılık gösterir. Maksimum enerjileri 0,015–0,05 MeV (yumuşak beta radyasyonu) ile 3–12 MeV (sert beta radyasyonu) arasında geniş sınırlara sahiptir.

Gama radyasyonu (g) elektromanyetik dalgaların bir akışıdır; radyo dalgaları, görünür ışık, morötesi ve kızılötesi ışınlar ve x-ışınları gibidir.

Pirinç. 13. Gama radyasyonu oluşum şeması

Farklı radyasyon türleri, oluşum koşullarında ve belirli özelliklerde farklılık gösterir. X-ışını radyasyonu, bir maddenin atomlarının çekirdeğinin elektrik alanında hızlı elektronlar yavaşladığında (bremsstrahlung) veya atomların ve moleküllerin iyonlaşması ve uyarılması sırasında atomların elektron kabukları yeniden düzenlendiğinde (karakteristik x-ışını radyasyonu) oluşur. Uyarılmış halden uyarılmamış duruma çeşitli geçişler sırasında, görünür ışık, kızılötesi ve morötesi ışınların emisyonu meydana gelebilir. Gama kuantaları, doğal ve yapay radyonüklidlerin alfa ve beta bozunması sırasında atom çekirdekleri tarafından yayılır; bu durumlarda, yavru çekirdekte, korpüsküler radyasyon tarafından yakalanmayan bir enerji fazlası bulunur. Gama ışınlarının durgun kütlesi, yükü yoktur ve bu nedenle elektrik veya manyetik alanda sapmazlar. Maddede ve vakumda, gama radyasyonu düz bir çizgide ve her yöne eşit olarak yayılır. Bir gama kuantumunun enerjisi, salınım frekansıyla orantılıdır ve aşağıdaki formülle belirlenir:

Еg = h × ν, (1.16)

h, Planck'ın evrensel sabitidir (4.13 × 10 –21 MeV/s); n, saniyedeki salınımların frekansıdır.

Salınım frekansı dalga boyu ile ilgilidir. Dalga boyu ne kadar uzun olursa, salınım frekansı o kadar düşük olur ve bunun tersi de geçerlidir, yani. frekans dalga boyu ile ters orantılıdır. Gama radyasyonunun enerjisi birkaç keV ile 2-3 MeV arasında değişir. Gama radyasyon akısının bileşimi genellikle çeşitli enerji değerlerinin kuantalarını içerir. Bununla birlikte, kümeleri her izotop için sabittir.

Gamma quanta, yüksüz ve durgun kütleye sahip değildir, zayıf bir iyonlaştırıcı etkiye neden olur, ancak yüksek bir nüfuz gücüne sahiptir. Havadaki yol 100–150 m'ye ulaşır (bkz. Şekil 14).

Pirinç. 14. Alfa, beta ve gama parçacıklarının nüfuz etme yeteneği.

Nötronlar. Yüklü parçacıkların aksine, nötronlar, atomların derinliklerine serbestçe nüfuz etmelerini sağlayan bir elektrik yükü taşımazlar; ikincisi ile çarpışarak, ya onun tarafından emilirler ya da itilirler. Elastik saçılmanın bir sonucu olarak, güçlü iyonlaştırıcı yüksek enerjili protonlar oluşur ve nötronlar atom çekirdeği tarafından emildiğinde, ikincisinden protonlar, alfa parçacıkları ve g-kuanta yayılır ve bu da iyonizasyon üretir. Bu nedenle, nötron ışıması altında, nihai biyolojik etki, ikincil parçacıklar veya g-kuantası tarafından dolaylı olarak üretilen iyonizasyon ile ilişkilidir. Nötronların bir veya daha fazla nükleer etkileşiminin katkısı, ışınlanan maddenin bileşimine ve enerjilerine bağlıdır. Enerji değerine göre dört tip nötron ayırt edilir: hızlı, orta, yavaş ve termal (bkz. Şekil 15).

Nötronlar, oluşturdukları geri tepme protonlarının aralığı küçük olduğu için yoğun iyonlaştırıcı radyasyon olarak sınıflandırılır. Ancak, nötronların yüksek nüfuz etme gücü nedeniyle büyük derinliklerde meydana gelirler.

Negatif p mezonları- bir elektronun kütlesinin 273 katı kütleye sahip negatif yüklü parçacıklar. Yapay yollarla elde edilirler. Bu parçacıklar, atomların çekirdekleriyle etkileşime girme konusunda benzersiz bir yeteneğe sahiptir. 25-100 MeV mertebesinde enerjiye sahip negatif pimesonlar, neredeyse hiç nükleer etkileşim olmadan tamamen yavaşlamaya kadar madde boyunca seyahat eder. Çalışmanın sonunda doku atomlarının çekirdekleri tarafından %100 olasılıkla yakalanırlar.

Pirinç. 15. Nötron türleri.

1.3.2. Radyoaktif radyasyonların etkileşimi
madde ile

Birincisi, tamamen fiziksel saniyenin milyonda birinde gerçekleşen etkileşim aşaması, foton enerjisinin bir kısmının atomun elektronlarından birine aktarılmasından, ardından iyonizasyon ve uyarmadan oluşur. Fazla enerjiye sahip iyonlar ve uyarılmış atomlar bu nedenle artan kimyasal reaktivite ile karakterize edilir, sıradan, uyarılmamış atomlar için mümkün olmayan reaksiyonlara girebilirler.

İkincisi, fiziksel ve kimyasal, aşama ışınlanan maddenin bileşimine ve yapısına bağlı olarak ilerler. Temel öneme sahip olan su ve oksijenin varlığıdır. Eğer yoklarsa, radyasyonla aktive edilen atomların kimyasal etkileşim olasılıkları sınırlıdır, lokalizedir.

Alfa ve beta parçacıklarının etkileşimi. Maddeden geçen yüklü parçacıklar, atomların elektronları ve çekirdeğin elektrik alanı ile etkileşimin bir sonucu olarak yavaş yavaş enerji kaybeder. a- ve b-parçacıklarının kinetik enerjisi iyonlaşmada, yani elektronların bir atomdan ayrılmasında ve atomların ve moleküllerin uyarılmasında boşa harcanır. Çekirdeğin elektrik alanı ile etkileşime giren yüklü parçacık yavaşlar ve hareketinin yönünü değiştirirken, özelliklerinde X-ışınına yakın olan ve bremsstrahlung X-ışını radyasyonu olarak adlandırılan radyasyon emisyonu meydana gelir.

İyonizasyon işleminin enerji tarafını belirleyen miktar, iyonlaşma işi bir çift iyon oluşumu için harcanan ortalama iştir. Doğada farklı, ancak aynı enerjiye sahip yüklü parçacıklar, hemen hemen aynı sayıda iyon çifti oluşturur. Yine de iyonlaşma yoğunluğu , yani bir maddedeki bir parçacığın birim yolu başına iyon çiftlerinin sayısı farklı olacaktır. İyonlaşma yoğunluğu, parçacığın yükündeki artışla ve hızındaki azalmayla artar.

Maddeden geçen yüklü parçacıklar yavaş yavaş enerji ve hız kaybederler, dolayısıyla parçacığın yolu boyunca iyonlaşma yoğunluğu artar ve yolun sonunda bir değere ulaşır. Yolun sonunda a parçacığı kendisine iki elektron bağlayarak bir helyum atomuna dönüşür ve
b-parçacığı (elektron), ortamın atomlarından birine dahil edilebilir.

Bir maddede a- veya b-parçacığının iyonlaşma meydana getirdiği yola ne ad verilir? parçacık aralığı . Havadaki bir alfa parçacığının aralığı 10 cm'ye ve yumuşak biyolojik dokuda - birkaç on mikrona ulaşabilir. Havadaki beta parçacıklarının aralığı 25 m'ye ve dokularda 1 cm'ye kadar ulaşır.

Alfa parçacıkları madde içinde düz bir çizgide yayılır ve yalnızca karşıdan gelen atomların çekirdekleriyle çarpıştıklarında yön değiştirirler. Küçük bir kütleye, yüksek hıza ve negatif yüke sahip olan beta parçacıkları, yörüngedeki elektronlar ve yaklaşan atomların çekirdekleri ile çarpışmalar sonucunda orijinal yönlerinden önemli ölçüde sapar. (saçılma etkisi). Beta parçacıkları çoklu saçılıma uğrayarak ters yönde bile hareket edebilir - geri saçılma. B-parçacıklarının önemli saçılması nedeniyle, maddedeki gerçek yol uzunluğu, menzillerinden 1,5-4 kat daha fazladır. Diğer bir fark, a- ve b-parçacıklarının maddeden geçişindedir. Bir izotop tarafından yayılan tüm alfa parçacıkları nispeten eşit enerjiye sahip olduğundan ve madde içinde doğrusal olarak hareket ettiğinden, soğurucunun birim yüzeyinden geçen ışındaki sayıları yalnızca çalışma sonunda keskin bir şekilde sıfıra düşer. Beta parçacıklarının spektrumu süreklidir, bu nedenle soğurucunun kalınlığındaki bir artışla, bir birim yüzeyden geçen bir ışındaki beta parçacıklarının sayısı yavaş yavaş azalır.

Maddedeki b-parçacıklarının akışının yoğunluğunun zayıflaması, yaklaşık olarak üstel bağımlılığa uyar:

N \u003d N 0 × e - m bir, (1.17)

burada N, soğurucu katman d cm'den geçen beta parçacıklarının sayısıdır, N 0, 1 cm2'ye eşit emici alana 1 s içinde gelen beta parçacıklarının sayısıdır; e, doğal logaritmaların temelidir; m, 1 cm kalınlığında bir soğurucudan geçtikten sonra b-parçacığı akışının yoğunluğunun göreli zayıflamasını karakterize eden doğrusal radyasyon zayıflama katsayısıdır.

Gama radyasyonunun madde ile etkileşimi. Bir çekirdeğin radyoaktif bozunması sırasında, farklı enerjilere sahip g-kuantaları yayılır. Maddeden geçerken, pratik olarak üç etki nedeniyle enerji kaybederler: fotoelektrik absorpsiyon, Compton saçılması ve elektron-pozitron çiftlerinin oluşumu.

saat fotoelektrik etki olay kuantumunun enerjisi madde tarafından tamamen emilir, sonuç olarak, değeri radyasyon kuantumunun enerjisine eşit olan belirli bir kinetik enerjiye sahip serbest elektronlar ortaya çıkar, verilen elektronun çalışma fonksiyonundan atom. Nötr atomlardan biriyle birleşen serbest bir elektron, negatif bir iyon üretir. Fotoelektrik etki sadece uzun dalga boylu X-ışınları için karakteristiktir. Olasılığı atom numarasına bağlıdır ve Z5 ile orantılıdır. Zayıf bağlı ve serbest elektronlar (çekirdeğe bağlı olmayan) üzerinde fotoelektrik etki süreci imkansızdır, çünkü bunlar g-kuantayı ememezler.

saat Compton etkisi g-quanta, elektronlarla çarpışarak, onlara enerjilerinin tamamını değil, sadece bir kısmını aktarır ve çarpışmadan sonra hareket yönlerini değiştirir. g-kuanta ile çarpışma sonucunda oluşan elektronlar önemli bir kinetik enerji kazanır ve bunu maddenin iyonlaşmasına (ikincil iyonlaşma) harcar. O. Compton etkisinin bir sonucu olarak, ortamın elektronları ile etkileşime giren g-kuantanın farklı yönlere dağılması ve birincil ışının ötesine geçmesi ve ayrıca transfer nedeniyle gama radyasyonunun yoğunluğu zayıflar. enerjisinin bir kısmını elektronlara aktarır.

Eşleştirme. Maddeden geçen en az 1.02 MeV enerjiye sahip bazı g-kuantalar, çekirdeğin yakınında güçlü bir elektrik alanın etkisi altında bir elektron-pozitron çiftine dönüştürülür. Bu durumda, bir madde biçiminden - gama radyasyonundan diğerine - madde parçacıklarına bir geçiş vardır. Böyle bir çift parçacığın oluşumu, yalnızca her iki parçacığın - bir elektron ve bir pozitron - kütlesine eşdeğer enerjiden daha az olmayan foton enerjilerinde mümkündür.

Ortaya çıkan elektron-pozitron çifti daha sonra kaybolur ve parçacıkların geri kalan kütlesinin enerji eşdeğerine eşit bir enerjiye sahip iki ikincil g-kuantaya dönüşür - 0.511 MeV. Çift oluşum olasılığı g-kuantanın enerjisindeki ve soğurucunun yoğunluğundaki artışla artar.

Gama radyasyonunun madde tarafından zayıflama yasası, a ve b parçacıklarının zayıflama yasasından önemli ölçüde farklıdır. Soğurucunun kalınlığı arttıkça g-ışını ışını sürekli olarak emilir. Şunlar. Madde tabakasının kalınlığı ne olursa olsun, g-ışınlarının akışını tamamen emmek imkansızdır, ancak yoğunluğunu herhangi bir sayıda zayıflatmak yeterlidir. Bu, g-ışınlarının zayıflamasının doğası ile a- ve b-parçacıklarının zayıflaması arasındaki temel farktır, bunun için a- ya da b-parçacıklarının akışının olduğu bir madde tabakası her zaman seçilebilir. tamamen emilir.

G-ışını ışını zayıflama yasası aşağıdaki forma sahiptir:

ben \u003d ben 0 × e - m a, (1.18)

burada I, soğurucu tabakadan geçen g-ışını demetinin yoğunluğudur; I 0, gelen gama ışınları demetinin yoğunluğudur; m, 1 cm kalınlığındaki soğurucu tabakadan geçtikten sonra gama ışını demetinin yoğunluğundaki nispi azalmaya eşit doğrusal zayıflama katsayısıdır Doğrusal zayıflama katsayısı, gama ışını zayıflamasını hesaba katan toplam katsayıdır. üç sürecin tümü nedeniyle ışın: fotoelektrik etki (t f), Compton etkisi (t k) ve çift oluşumu (t p):

m \u003d t f + t k + t p (1.19)

2. Bölüm (dersler #3–4)

RADYOEKOLOJİNİN TEMELLERİ