Kichik sabablardan buyuk keladi
oqibatlari: ha, burmani tishlash
do'stimga saraton kasalligini berdi.
Kozma Prutkov

Qanday eksperimental ma'lumotlar maydonning diskret xususiyatlari haqidagi gipotezaga olib keldi? Kvant nima elektromagnit nurlanish? Qanday parametrlar fotonni to'lqin va zarracha sifatida tavsiflaydi? Korpuskulyar xususiyatlar nima elektromagnit maydon?

Dars-ma'ruza

Kimga kech XIX ichida. bizning dunyomiz zarralar va asosiy maydonlardan - materiyaning ikkita komponentidan iborat degan fikr bor edi. Faqat kichik "kamchiliklar" bor edi, ularni bartaraf etish uchun biroz harakat qilish kerak edi.

Biroq, bu kichik "kamchiliklar" dan XIX-XX asrlar oxirida. fizikada zarralar va maydonlar, ya'ni materiya haqidagi g'oyalarni tubdan o'zgartirgan yangi, inqilobiy nazariya paydo bo'ldi. Eksperimental faktlarga asoslangan yangi nazariya, keyinchalik bu nazariya kvant nazariyasi, zarralar va maydonlarni birlashtirilgan tarzda tasvirlay boshladi. Uning asosiy qoidalariga muvofiq, ilgari uzluksiz ob'ektlar sifatida qaralgan maydonlar diskret xususiyatlarni - zarrachalarning xususiyatlarini oldi. Va aksincha, diskret tavsifi ilgari ishlatilgan zarralar (modda) doimiy xususiyatlarni - maydonlar yoki to'lqinlarning xususiyatlarini oldi.

ELEKTROMAGNETIK MAYDON KVANTI GIPOTEZASI. Yangi nazariyaning boshlanishi butunlay qora jismning nurlanishini tavsiflovchi nazariy model tomonidan qo'yilgan. Mutlaq qora jism barcha elektromagnit to'lqinlarni bir xil darajada yaxshi singdirishi kerakligi (20-bandga qarang) zaryadlangan zarrachalar harakatida hech qanday muntazamlik bo'lmasligi kerakligini anglatadi. Bu molekulyar gaz zarralari harakati kabi tartibsiz bo'lishi kerak. Bunday harakat amalda yulduzlarda amalga oshiriladi, shuning uchun yulduzlar spektri butunlay qora jismning nurlanish spektriga yaqin.

Qora jismning nurlanishi nazariyasi Jon Rayleigh va Jeyms Jeans tomonidan ishlab chiqilgan. Biroq, uzoq to'lqin uzunliklari mintaqasida tajriba bilan yaxshi rozi bo'lsa-da, u qisqa to'lqin uzunliklari mintaqasidagi radiatsiyani mutlaqo qoniqarsiz tasvirlab berdi (18-rasm). Eksperimental egri chiziq kichik l da nolga tushgan bo'lsa, nazariy egri chiziq cheksizlikka intilardi.

Guruch. 18. Qora jismning eksperimental nurlanish spektri (1) va Reyl-Jins nazariyasiga mos keladigan egri chiziq (2)

Nazariya va eksperiment o'rtasidagi nomuvofiqlik "deb nomlangan. ultrabinafsha falokat” (ultrabinafsha nurlanish qisqa to'lqinli nurlanishdir).

1900 yilda Maks Plank elektromagnit to'lqin doimiy ravishda emas, balki qismlarda chiqariladi va so'riladi degan taxminga asoslangan tajribaga mos keladigan nazariyani yaratishga muvaffaq bo'ldi. kvant. Bundan tashqari, kvant energiyasi to'lqin chastotasiga mutanosibdir: E = hv. Plank nazariy spektrni eksperimental ma'lumotlarga moslash orqali proportsionallik koeffitsienti h qiymatini oldi. Energiyani kvantlar orqali uzatish gipotezasi jasur taxmin edi. chunki o'sha vaqtga qadar olingan hech qanday eksperimental ma'lumotlar bunday taxmin uchun hech qanday asos bermagan. Natijadan norozi bo'lishiga qaramay, Plank yangi, asosiy konstantani oldi, keyinchalik uning nomi bilan ataldi - Plank doimiysi Ushbu doimiy h = 6,62x10 -34 J*s qiymati mikrokosmos qiymatlariga mos keladi.

M. Plank tomonidan ishlab chiqilgan butunlay qora jismning nurlanish nazariyasi birinchi marta to'g'risidagi qoidani o'z ichiga olgan. korpuskulyar xususiyatlar dalalar.

FOTO effekt. FOTONLAR DAHA zarrachalari sifatida. Kvant nazariyasini rivojlantirishning keyingi bosqichi fotoelektr effektining xususiyatlarini tushuntirish bilan bog'liq.

Fotoelektrik effektni kuzatish sxemasi 19-rasmda tasvirlangan.

Guruch. 19 Fotoeffekt hodisasini kuzatish sxemasi

Anod va katod o'rtasida kuchlanish qo'llaniladi. Yorug'lik bo'lmasa, oqim deyarli yo'q, chunki vakuumda katod va anod o'rtasida harakatlanib, elektr tokini hosil qila oladigan erkin zaryadlangan zarralar yo'q. Katodga tushgan yorug'lik nuri undan elektronlarni chiqarib tashlaydi, buning natijasida oqim paydo bo'ladi.

Maydon xossalari haqidagi klassik fikrlar asosida fotoelektr effektining qanday xususiyatlarini kutish mumkin edi? Katodga tushgan yorug'lik energiyasi elektromagnit to'lqinning intensivligiga proportsionaldir. Chiqarilgan elektronlarning energiyasi elektronlar soniga va bitta elektronning energiyasiga (kinetik) proportsionaldir, ya'ni yorug'lik intensivligi ortib borishi bilan, chiqarilgan elektronlar soni va natijada kuch. elektr toki, shuningdek, elektronlarning kinetik energiyasi. Berilgan intensivlik uchun bu miqdorlar elektromagnit to'lqinning chastotasiga bog'liq bo'lmasligi kerak.

Tajriba natijalari biroz boshqacha bo'lib chiqdi. Oqim kuchayishi bilan aslida kuchayib bordi. Haqida kinetik energiya elektronlar, keyin u yorug'lik intensivligiga emas, balki uning chastotasiga bog'liq bo'lib chiqdi. Bu miqdorlar chiziqli bog'liqlik bilan bog'liq bo'lib chiqdi (20-rasm) va yorug'lik chastotasi ma'lum bir kritik qiymatdan (vcr) pastga tushirilganda, fotoelektr effekti yo'qoladi. Ushbu muhim chastota chaqirildi qizil chegara foto effekti(bu haqiqatan ham qizil chiroqqa mos keldi).

Guruch. 20. Katoddan chiqarilgan elektronlar kinetik energiyasining yorug'lik chastotasiga bog'liqligi.

Fotoelektrik effekt hodisasi shundaki, yorug'lik ta'sirida erkin elektronlar metalldan uchib chiqadi.

Foton ham elektromagnit to'lqin, ham elektromagnit maydonning zarrasi. To'lqin sifatida foton V chastotasi bilan tavsiflanadi. Zarracha sifatida foton massasi nolga teng, doimo yorug'lik tezligida harakat qiladi, energiya hv ga, impuls esa h ga teng bo'lishi bilan tavsiflanadi. /l.

Fotoelektr effektini yorug'lik va materiyaning o'zaro ta'sirining klassik nazariyasi asosida tushuntirish imkonsiz bo'lib chiqdi, ammo rasmda ko'rsatilgan bog'liqlikdan yorug'lik energiyasi va chastotasi o'rtasidagi chiziqli bog'liqlik aniq kuzatildi (sifatida Plank formulasida). 1905 yildagi fotoeffekt hodisasini A. Eynshteyn Plank gipotezasini asos qilib olib tushuntirdi. Bitta yorug'lik kvanti bitta elektronning emissiyasiga olib keladi deb faraz qilsak, energiya saqlanish qonunini hv = Ekin + Aout shaklida yozish mumkin.

Bu formula mos keladi chiziqli bog'liqlik, 20-rasmda ko'rsatilgan. Ish funktsiyasi deb atalgan konstanta metalldan elektronni chiqarib tashlash uchun sarflanishi kerak bo'lgan energiya ma'nosiga ega. Fotoelektrik effektning qizil chegarasining mavjudligi tabiiy tarzda tushuntirildi. U chiqarilgan elektronning nol kinetik energiyasiga to'g'ri keldi: hv cr = A out.

Eynshteyn kvant tushunchasini tushunishda yanada uzoqroqqa bordi: u nurlanish zarrasi (elektromagnit maydon zarrasi) tushunchasini kiritdi, uni foton deb atadi.Boshqa zarralar singari foton ham fazoda harakatlana oladi. Fotonning tezligi, albatta, yorug'lik tezligiga to'g'ri keladi. Ushbu zarrachaning energiyasi Plank formulasi bilan aniqlanadi. Eynshteynning nisbiylik nazariyasiga muvofiq fotonning massasi nolga teng bo'lishi kerak va uning impulsi chastotaga r = hv/s munosabati bilan bog'liq. To'lqin uzunligi va chastota o'rtasidagi bog'liqlikni hisobga olgan holda, impulsning ifodasini r = h/l shaklida yozish mumkin.

Maydonlar haqidagi zamonaviy g'oyalar Plank va Eynshteyn tomonidan ilgari surilgan qoidalarni to'liq tasdiqlaydi. Shu bilan birga, maydonlarga mos keladigan zarralar - maydon kvantlari nafaqat elektromagnit maydonda, balki boshqa fundamental maydonlarda ham mavjud. Shunday qilib, "kvant" tushunchasi paydo bo'ldi umumiy tushuncha turli sohalar uchun va "foton" tushunchasi elektromagnit maydon kvantiga tayinlangan.

Zamonaviy tushunchalarga ko'ra, har qanday haqiqiy elektromagnit maydon fotonlar to'plami sifatida ifodalanishi mumkin. Bunday holda, maydonning klassik tavsifi faqat ko'rib chiqilayotgan jarayonda ishtirok etadigan ko'p sonli fotonlar uchun amal qiladi.

• Elektromagnit maydonning diskret xossalari qanday?
• Foton nima - to'lqinmi yoki zarrachami?
• 1 sekundda Yer yuzasining 1 m 2 qismiga eng yorqin yulduzlardan 10 milliardga yaqin fotonlar keladi. Diametri 10 m teleskopning linzalariga Yerga tushayotgan yorug'lik intensivligi 10 milliard marta kam bo'lgan yulduzdan 1 soniyada nechta foton kiradi?

1.Mutlaqo qora tan. Mutlaq qora jismning nurlanish qonunlari.

Ab. h) tana to-e to-e to'liq so'riladi. unga radiatsiya tushishi (aks ettiruvchi emas). A.h. modeli tanasi ichi bo'sh sharda kichik teshik bo'lib xizmat qilishi mumkin.

Qabul qilingan tahlil tajriba. tabiiy. ruxsat etilgan formulalar. radiatsiya qonunlari.

Stefan-Boltzmann R e \u003dT 4, post. St-B. =5,71*10 -8 tana A.ch bo'lmasa. keyin R e \u003d kT 4, bu erda k - ma'lum bir koeffitsient. chaqirdi qora emaslik darajasi 0<=k<=1

Wienning siljish qonuni  max =b/T, b–1-chi post. Guilt b=2,898*10 –3,  max – to’lqin uzunligi k–chi kelganda. maksimal emissiya A.h.tana.

2-vino qonuni  0 ( max, T) \u003d b 1 T 5, b 1 -2-chi post. Sharob b \u003d 1,29 * 10 -5,

Tushuntirishga urinish. eksperimental klassik fizika asosidagi egri (,T) qaramlikka olib keldi: (,T)~1/ (Rayleigh–Jeans).

Formula R.–D. eksperimental egri chiziqqa faqat 0 => (,T) da uzun toʻlqin uzunliklari mintaqasida mos keladi.

Divergentsiya f. R.–D. qisqa to'lqin uzunliklari mintaqasida eksperimental egri bilan "ultrabinafsha falokat" deb nomlangan. Klassik fizika nurlanishni tushuntira olmasligini isbotladi. isitiladi. tel. Nazariyani oling. qaramlik (, T) uzluksizlik nazariyasidan voz kechib, Maks Plankdan keyin muvaffaqiyatga erishdi. nurlangan. energiya isitiladi. tel.

2.Plank gipotezasi

19-asrning oxiriga kelib, qora tanli nurlanishning radiatsiya energiyasini to'lqin uzunliklari bo'yicha taqsimlash masalasi eksperimental ravishda o'rganildi, ya'ni. giyohvandlik r λ = f(l , T) Fiziklar oldida ushbu funktsional bog'liqlikni aks ettiruvchi formulani topish vazifasi turardi. Klassik fizika qonunlariga asoslanib va ​​energiyaning atom tomonidan uzluksiz nurlanishi kontseptsiyasiga asoslanib, Reyleigh va Jeans funktsiya shaklini aniqlaydigan formulani olishdi. f(l , T):

r λ = f(l , T) = 2p/l 2 *kT

qayerda k Boltsman doimiysi.Ushbu formuladan olingan egri chiziq rasmda ko'rsatilgan. 25 nuqta. U uzoq to'lqinlar mintaqasida yaxshi kelishuvga erishdi, ammo spektrning ultrabinafsha qismidagi eksperimental ma'lumotlarga umuman mos kelmadi. Klassik nazariyaning qoidalarini qayta ko'rib chiqish kerak edi. Fizikada bu holat "ultrabinafsha falokat" deb nomlangan. Falokatdan chiqish yo'lini 1900 yilda gipotezani ilgari surgan M.Plank topdi: Tananing atomlari energiyani uzluksiz nurlantirmaydi, lekin keyinchalik fotonlar deb ataladigan nurlanish kvantlarining alohida qismlari shaklida.. Har bir kvantning (fotonning) energiyasi uning chastotasiga proportsionaldir: E= hn. Formulalarni hisobga olgan holda n = Bilan/ λ, ω = 2 p , biz olamiz: E= hn= hc/l=ō/2p= h ω , (2.10)

qayerda ν radiatsiya chastotasi, c yorug'lik tezligidir.

Plank konstantalari.

Va (2.10) formuladan ko'rinib turibdiki, to'lqin uzunligi qanchalik qisqa bo'lsa, kvant energiyasi shunchalik katta bo'ladi, shuning uchun qisqa to'lqinli nurlanish uchun kvant cheklovlari eng aniq bo'ladi. Shunday qilib, ultrabinafsha nurlar, agar tana harorati yuqori bo'lsa, masalan, Quyosh yuzasida bo'lsa, katta miqdorda chiqarilishi mumkin yoki tana atomlarining issiqlik harakati energiyasi uning chiqishi uchun etarli bo'lmasa, umuman chiqarilmaydi. radiatsiya kvanti. Bu radiatsiya intensivligining pasayishining sifatli izohidir λ → 0 va ultrabinafsha falokatini hal qilish. Plank kvant tushunchalaridan foydalanib, nazariy jihatdan qaramlikni tavsiflovchi formulani oldi r λ = f(l , T) Plank formulasi deb ataladi:

Ushbu formula barcha chastotalarda va barcha haroratlarda eksperimental ma'lumotlarga juda yaxshi mos keladi. Tenglamani integrallash orqali Stefan-Boltzman qonunini, differensiallash orqali esa Vien siljish qonunini olish mumkin. Plankning elektromagnit nurlanishning diskret tabiati haqidagi gipotezasi yorug'likning kvant nazariyasining boshlanishini belgilab berdi.

3. Tashqi fotoeffekt va uning qonuniyatlari. Eynshteyn tenglamasi.

DA Tashqi fotoelektr effekti - tushayotgan yorug'lik ta'sirida metall yuzasidan elektronlarning chiqishi. Bu eksperimental ravishda aniqlandi tashqi fotoelektr effekti quyidagi qonunlarga bo'ysunadi:

1. Metall sirtdan chiqadigan elektronlarning maksimal tezligi tushayotgan yorug'lik intensivligiga bog'liq emas, balki uning chastotasiga bog'liq.

2. Har bir moddaning cheklovchi to‘lqin uzunligi xarakteristikasi mavjud bo‘lib, undan yuqorida fotoelektr effekti kuzatilmaydi (fotoelektrik effektning oddiy chegarasi).

Eksperimental ravishda kuzatilgan bu qonuniyatlarni yorug'likni to'lqin sifatida ko'rib chiqish bilan izohlab bo'lmaydi, yorug'likning korpuskulyar tabiati fotoelektrik effektda ishlaydi.

Eynshteyn Plankning kvant gipotezasini ishlab chiqdi. Yorug'lik alohida qismlar (fotonlar) shaklida tarqaladi.

Bu shuni ko'rsatadiki, fotoelektrik effekt paytida elektronlarning tezligi faqat tushayotgan yorug'lik chastotasiga bog'liq. hv=A chiqish +mv 2 /2.

Yorug'likning intensivligi katodga tushgan fotonlar soni bilan belgilanadi. Binobarin, fotoelektronlarning soni faqat tushayotgan yorug'lik intensivligi bilan belgilanadi va uning chastotasiga bog'liq emas. Fototokni ushlab turish uchun anodga kechikish kuchlanishini qo'llash kerak. Uning qiymatini quyidagi formula bilan aniqlash mumkin: mv 2 /2=eU,U - anoddagi sekinlashtiruvchi kuchlanish.

Shuning uchun, hv \u003d A out + eU. Ish A chiqishi fotokatod qilingan moddaning turiga qarab belgilanadi. Tushgan yorug'lik chastotasining kamayishi bilan, chiqarilgan elektronlarning energiyasi kamayadi hv cr =A out => l cr =hc/ A out. Shunday qilib, Eynsh. barcha mutaxassislarni tushuntirishga imkon beradi. obs. qonun. Ur-e Einsch. biri asosida qurilgan. yaqinlashishlar. Va har bir alohida narsadan. elektron pochta osib qo'ymadi. fotokatoddan boshqa e-in chiqishidan.

3. Fotoelektrik effekt. Fotoeffektning asosiy qonunlari

Fotoelektrik effekt - bu elektromagnit nurlanish (fotonlar) ta'sirida modda tomonidan elektronlarning chiqishi.. Fotoelektr effekti 1887 yilda Geynrix Gerts tomonidan kashf etilgan. Farqlash: fotonlarning yutilishi elektronlarning tanadan tashqariga chiqishi bilan birga bo'lgan tashqi fotoelektrik effekt va tanada qolgan elektronlar energiya darajalari o'rtasida qayta taqsimlanadigan ichki fotoelektrik effekt.

Ichki fotoelektrik effekt moddaning elektr o'tkazuvchanligi, dielektrik o'tkazuvchanligi yoki uning chegaralaridagi ko'rinishining o'zgarishida o'zini namoyon qiladi. elektromotor kuch foto emf deb ataladi. Fotoelektrik effektni quyidagi sozlash yordamida tekshirish mumkin (26-rasm). Tank yuqori vakuum ostida. Yorug'lik kvarts oynasi O orqali kiradi va katod K ni yoritadi. Fotoelektrik effekt tufayli katod tomonidan chiqarilgan elektronlar ta'sirida harakat qiladi. elektr maydoni anodga A. Natijada zanjirda tok oqadi, galvanometr D bilan o'lchanadi. Anod va katod orasidagi U kuchlanishni R reostat yordamida o'zgartirish mumkin. Grafik (27-rasm) ga bog'liqligini ko'rsatadi. yorug'lik oqimining ikki qiymati F va F2 > F1 uchun U kuchlanishidagi fototok I. Ushbu bog'liqlikni tahlil qilish va o'rnatish bo'yicha o'tkazilgan tajribalar quyidagi xulosalar chiqarishga imkon beradi:

1. Fotooqim nurlanish boshlanganidan 10-8 soniya o'tgach paydo bo'ladi, ya'ni. fotoelektr effekti amalda inersiyasizdir.

2. Muayyan kuchlanishda fototok to'yinganlikka etadi, ya'ni. katod tomonidan chiqarilgan barcha elektronlar anodga urildi (27-rasmdagi grafikning gorizontal qismi).

3. Katod va anod orasidagi kuchlanish 0 ga tushganda, fototok yo'qolmaydi. Shunday qilib, katoddan yorug'lik bilan urilgan elektronlar ma'lum bir boshlang'ich tezlikka ega va tashqi maydonsiz anodga etib borishi mumkin. Fotooqim nolga teng bo'lishi uchun sekinlashtiruvchi kuchlanish Uz ni qo'llash kerak. teskari yo'nalish. Bunday kuchlanishda barcha elektronlar, hatto parvoz paytida eng yuqori tezlik ymax bo'lsa ham, sekinlashtiruvchi maydonni yengib o'tolmaydi va anodga etib boradi. Shuning uchun energiyaning saqlanish qonuniga asoslanib, biz Wmax elektronlarning maksimal kinetik energiyasini eU3 maydon kuchlarining ularni ushlab turishdagi ishiga tenglashtirishimiz mumkin:

bu yerda e , m elektronning zaryadi va massasi.

4. Rasmdan. 27 hodisa oqimining ortishi sekinlashtiruvchi potentsialning kattaligiga ta'sir qilmasligini ko'rsatadi.

Tashqi fotoelektr effektining quyidagi uchta qonuni eksperimental ravishda aniqlangan:

1. Stoletov qonuni: tushayotgan yorug'likning belgilangan chastotasida to'yinganlik fototokining qiymati tushayotgan yorug'lik oqimiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.. Yorug'likning intensivligi - yorug'lik yo'nalishiga perpendikulyar bo'lgan bitta maydondan o'tadigan yorug'lik oqimi. Shunung uchun vaqt birligida katoddan chiqarilgan fotoelektronlar soni yorug'lik intensivligiga proportsionaldir.

2.Fotoelektronlarning maksimal boshlang'ich tezligi yorug'lik chastotasi bilan belgilanadi va uning intensivligiga bog'liq emas..

3

.Har bir modda uchun minimal chastota mavjudν0 tashqi fotoelektr effekti hali ham mumkin bo'lgan yorug'lik. Bu minimal chastotaν0 (yoki maksimal to'lqin uzunligiλ0 ) moddaning kimyoviy tabiatiga, uning sirtining holatiga bog'liq va fotoeffektning qizil chegarasi deb ataladi.. U qizil deb ataladi, chunki ko'p moddalar uchun u qizil yorug'lik hududida joylashgan. Masalan, kaliy qizil yorug'lik bilan yoritilganda fotoelektr effektini bermaydi va to'q sariq nurlardan boshlab fotoelektronlarni chiqara boshlaydi.

Fotoelektr effektining ikkinchi va uchinchi qonunlari yorug'likning to'lqin tabiati haqidagi klassik fizikaning g'oyasiga ziddir. Haqiqatan ham, yorug'lik oqimi qanchalik katta bo'lsa, yorug'lik to'lqini tomonidan olib boriladigan energiya qanchalik katta bo'lsa, ya'ni. fotoelektronlar qancha ko'p energiya olishlari kerak edi.

Fotoelektr effektining kvant nazariyasi. Eynshteyn tenglamasi

A. Eynshteyn ko'rsatdiki, agar Plank gipotezasiga ko'ra yorug'lik qanday tarqalayotgan bo'lsa, xuddi shu qismlarda (kvantlar, fotonlar) yutiladi deb faraz qilsak, fotoeffektning barcha qonunlari tushuntiriladi. Eynshteynning fikricha, elektron qabul qilgan foton energiyasi E=hn u tomonidan butunlay assimilyatsiya qilinadi. Keling, metallardagi fotoelektr effektini kvant nuqtai nazaridan ko'rib chiqaylik. Elektron metallda tortishish orqali ushlab turiladi. ijobiy ionlar kristall panjara. Metallni tark etish uchun elektron Aout ish funktsiyasini bajarishi kerak. Agar elektron qabul qilgan energiya E = hn > Aout bo'lsa, u jo'nab ketganda kinetik energiyaga ega bo'ladi. Agar elektron metallni qandaydir chuqurlikdan emas, balki sirtdan tark etsa, bu energiyaning qiymati maksimal bo'ladi. Bunday holda, energiyaning saqlanish qonuniga muvofiq, tashqi fotoelektr effekti uchun Eynshteyn tenglamasi deb ataladigan munosabat bajariladi:

E = hn = Aout + W max.

Eynshteyn formulasidan ko'rinib turibdiki, berilgan modda yuzasidan fotoelektr effekt faqat hn ≥ Aout shartini qanoatlantiradigan chastotalarda kuzatiladi. Keyin fotoelektrik effektning qizil chegarasi (n0 yoki l0) hn0 = Aout tenglamasidan aniqlanishi mumkin, ya'ni.

(2.12) va (2.13) formulalardan kelib chiqadiki, U3 tushayotgan nurning n chastotasining chiziqli funktsiyasidir (28-rasm):

Kesishish nuqtasi U f(n) 3 . = abscissa o'qi bilan (U3 0 =) fotoeffektning qizil chegarasi qiymatini beradi n0 . To'g'ri chiziqni y o'qi bilan kesishgan joyga ekstrapolyatsiya qilib, berilgan metall uchun Aoutni aniqlash mumkin. Fotoelektrik effekt asosida fotosellar ishlaydi - radiatsiya energiyasini elektr energiyasiga aylantiradigan radiatsiya qabul qiluvchilar. Ular turli xil avtomatlashtirish, signalizatsiya, aloqa tizimlarida va boshqalarda qo'llaniladi. Quyosh batareyalarini yaratish uchun silikon quyosh xujayralari ishlatiladi.

6. Materiya xossalarining korpuskulyar-to'lqinli dualizmi. De Broyl gipotezasi. Elektron diffraktsiyasi.

1924 yilda Lui de Broyl gipotezani taklif qildi, unga ko'ra avliyolarning dualizmi (dualizmi) nafaqat optik hodisalarga, balki umuman materiyaga ham xosdir. Xususan, to'lqin jarayoni elektronlar oqimi bilan bog'liq bo'lib, bu elektronning zarracha sifatida harakatiga ta'sir qiladi, uning zaryadi va massasi kichik hajmdagi bo'shliqda lokalizatsiya qilinadi, shuning uchun u nuqta zaryadi kabi harakat qiladi. D-Broyl elektron to'lqinning to'lqin uzunligini fotonning to'lqin uzunligiga o'xshash tarzda qanday aniqlash mumkinligini ko'rsatdi.

Pf=m(indeks f)c=hnc/c (c.2)=hn/c=h/l; l(indeks c)=h/P(indeks e)=h/m(indeks c) v(indeks c) (1). (1) bilan aniqlangan to'lqin uzunligi de Broyl to'lqin uzunligi deb ataladi. D-Broyl Borning 1-posulatini - kvantlash postulatini tushuntirishga harakat qildi. D-Broglning fikriga ko'ra, statsionar elektronning perimetri bo'ylab d-Brogl to'lqinlarining butun soni mos keladigan orbitalaridir. Bular. orbita bo'ylab doimiy to'lqin o'rnatiladi. 2pr = nl(indeks c), 2pr = nh/mv;

mvr = nh/2p=nh(c).

Jamer va Davison birinchi bo'lib elektronlarni monoxromatik nikelga sochish yo'li bilan ularning difraksiyasini kashf etdilar. U potentsial farqi bilan tezlashtirilgan elektronlar elektron pochtadan uchib ketishdi. tor nur shaklida qurollar va klistal plastinkaga qaratilgan edi. Tarqalgan elektronlar sezgir galvanometrga ulangan Faraday kubogi tomonidan ushlangan.

Elektronlar o'z zaryadini tuzoqqa berdi va J ning √U ga bog'liqligi aniqlandi. Tok kuchi J plastinkadan aks ettirilgan elektronlarning o'lchovidir va √U ularning tezligining o'lchovidir.

mv 2 /2=eU; √U~v. Bu. kristalldan faqat ma'lum tezlikdagi elektronlar aks etadi. Kristal fazoviy difraksion panjara bo'lib, unda ikkilamchi to'lqinlarning manbalari, ya'ni. kristall panjaraning tugunlaridagi zarralar koordinata o'qlari bo'ylab qat'iy belgilangan masofalarda joylashgan. Elektromagnit nurlanish kristalidan o'tayotganda, kristall panjaraning tugunlaridagi zarralar ikkilamchi to'lqinlarni chiqaradi, ular bir-biriga qo'shilib, maksimal va minimal diffraktsiyani hosil qiladi. Kristaldan faqat ma'lum tezlikdagi elektronlarning aks etishi to'lqin jarayoni bo'lgan nurlanishning kristallga tushishini va uning tanlab aks etishi difraksiyaning natijasi ekanligini anglatadi.

7. Bor postulatlari.

Yadroning yangi - kvant nazariyasini yaratishga birinchi urinish N. Bor tomonidan amalga oshirildi. U chiziqli spektrlarning empirik qonuniyatlarini, atomning Rezerfordning yadroviy modeli, yorug‘lik chiqishi va yutilishining kvant tabiatini bir butunga bog‘lashni maqsad qilib qo‘ydi. Bor o'zining yangi nazariyasini ikkita postulatga asosladi.

Borning birinchi postulati (statsionar holatlar postulati). Atomda statsionar (vaqt o'tishi bilan o'zgarmaydigan) holatlar mavjud bo'lib, u energiyani chiqarmaydi. Atomning statsionar holatlari elektronlar harakatlanadigan statsionar aylana orbitalariga mos keladi. Statsionar orbitalarda elektronlarning harakati elektromagnit to'lqinlarning emissiyasi bilan birga kelmaydi.

Atomning statsionar holatida elektron diskret qiymatlarga ega burchak momentum, shartni qondirish

qayerda elektronning massasi, v- uning tezligi n th orbita radiusi .

Borning ikkinchi postulati (chastota qoidasi). Elektron bir statsionar orbitadan ikkinchisiga o'tganda, bitta foton energiya bilan chiqariladi (so'riladi).

,(2)

qayerda va mos ravishda atomning nurlanishdan oldingi va keyingi statsionar holatlarining energiyalari (yutilish). Kvant o'tishlarining mumkin bo'lgan diskret chastotalari to'plami aniqlaydi chiziqli spektr atom.

T

Vodorodga o'xshash atom haqidagi Bor nazariyasi. Bor postulatlari yadrodan tashkil topgan vodorod atomi va vodorodga o'xshash ionlarning spektrini hisoblash imkonini beradi. Ze va bitta elektron va nazariy jihatdan Ridberg doimiysini hisoblang. Elektronning maydondagi harakatini ko'rib chiqing atom yadrosi. Elektron harakat tenglamasi shaklga ega

.(3)

Bundan tashqari v(1) va (3) tenglamalardan biz ruxsat etilgan orbitalarning radiuslari uchun ifodani olamiz.

.(4)

Vodorod atomi uchun ( Z=1) birinchi orbita radiusi deyiladi Bor radiusi. Uning qiymati

.(5)

Vodorodga o'xshash atomdagi elektronning umumiy energiyasi uning kinetik energiyasi va yig'indisiga teng potentsial energiya yadro bilan o'zaro ta'sir

(Uni tayyorlashda (3) formuladan foydalanilgan). Radiuslarning kvantlanishini hisobga olgan holda (4), biz elektron energiyasining diskret qiymatlarni olishini olamiz.

.(6)

Borning ikkinchi postulatiga ko'ra, vodorod atomining holatdan o'tish davrida n holatga m foton chiqariladi

,

radiatsiya chastotasi qaerdan

.

Shunday qilib, Bor nazariyasi umumlashtirilgan Balmer formulasiga olib keladi va Ridberg doimiysi uchun qiymat

. Ushbu ifodaga universal konstantalarning qiymatlari almashtirilsa, Ridberg doimiysining eksperimental qiymatiga juda mos keladigan qiymat olinadi.

Bor nazariyasi atom nazariyasining rivojlanishida katta qadam bo'ldi. U mikrodunyodagi jarayonlar klassik emas, balki boshqa kvant qonunlari bilan tasvirlanganligini aniq ko'rsatdi.

8. Frank va Gertsning tajribalari.

Atomning diskret energiya darajalarining mavjudligi Frank va Gerts tajribalari bilan tasdiqlangan. Ularni o'rnatish sxemasi rasmda ko'rsatilgan. Past bosim ostida (~ 1 mmHg) simob bug'i bilan to'ldirilgan kolba uchta elektrodni o'z ichiga olgan: katod. Kimga, panjara FROM va anod LEKIN. Katoddan chiqadigan termoelektronlar potentsial farq tufayli tezlashdi U katod va panjara o'rtasida qo'llaniladi. To'r va anod o'rtasida kuchsiz elektr maydoni (potentsial farq taxminan 0,5 V) yaratildi, bu elektronlarning anodga harakatini sekinlashtirdi. Tajribada tok kuchining bog'liqligi I kuchlanishdan anod pallasida U katod va tarmoq o'rtasida. Bunday tajribalarning joriy kuchlanish xarakteristikasi shaklda ko'rsatilgan.

Egri chiziqning borishini quyidagicha tushuntirish mumkin. Elektron simob atomlari bilan to'qnashganda, o'zaro ta'sirning ikki turi mumkin: 1) elastik to'qnashuv, buning natijasida elektronlarning energiyasi amalda o'zgarmaydi, faqat harakat yo'nalishi o'zgaradi; 2) elastik bo'lmagan to'qnashuv simob atomiga ega elektron. Bunda elektronlarning energiyasi simob atomiga o'tishi hisobiga kamayadi.

Bor postulatlariga ko'ra, simob atomi energiyani qism shaklida o'zlashtirishi mumkin

va yuqori energiya darajasida hayajonlangan holatga o'ting. Simob atomining birinchi qo'zg'aluvchan holati 4,9 eV energiyaga to'g'ri keladi. Da U< 4,9 В электроны испытывают только упругое взаимодействие с атомами ртути и, поэтому, с увеличением напряжения анодный ток возрастает.

Yetib kelganda U= 4,9 V, elektronlarning energiyasi simob atomining birinchi qo'zg'atilgan darajasining energiyasi bilan taqqoslanadi. Simob atomlari bilan elektronlarning noelastik to'qnashuvlari mavjud bo'lib, ular energiyaning bir qismini oladi

= 4,9 eV va hayajonlangan holatga o'ting. Energiyasini yo'qotgan elektron sekinlashtiruvchi potentsialni yengib chiqa olmaydi. Shuning uchun, qachon U= 4,9 V, anod oqimi kamayadi. Xuddi shunday hodisa uchun ham kuzatiladi U= 24,9 V, U\u003d 34,9 Vva hokazo, elektronlar ikki, uchta va hokazolarni boshdan kechirishi mumkin bo'lganda. simob atomlari bilan elastik bo'lmagan to'qnashuvlar. Barcha (yoki deyarli barchasi) energiyani yo'qotib, elektron anodga etib bora olmaydi, sekinlashtiruvchi maydon uni yana tarmoqqa tashlaydi. Natijada, bu kuchlanishlarda oqimning pasayishi va oqim kuchlanishining xarakteristikasining umumiy arra tish kursi mavjud.

Simob bug'i atomlari elektronlardan energiya olib, qo'zg'aluvchan holatga o'tadi, undan 10-8 soniyadan so'ng ular o'z-o'zidan asosiy holatga qaytadilar. Bunda to'lqin uzunligi l»255 nm bo'lgan foton chiqarilishi kerak. Tajribada haqiqatan ham shunday to'lqin uzunligiga ega bo'lgan bitta ultrabinafsha chiziq topilgan. Shunday qilib, Frank va Gerts tajribalari Bor postulatlarini eksperimental ravishda tasdiqlaydi.

9. Elektron spini. Spin kvant soni. Elektrondagi spin mavjudligini eksperimental tasdiqlash.

Yetkazib berildi tajriba, ular uchun atomlar olingan, mushukning elektronlar soni toq va mushukning mexanik va magnit momentlari juftlikda o'zaro kompensatsiyalangan. Bunday atomlar davriy sistemaning 1-guruhidagi elementlarning atomlari hisoblanadi. Bu guruhdagi elementning muhim xususiyati shundaki, asosiy holatdagi element l=0, M l =0 P l =0. Atomlar manbai olindi; maydon. Chunki Atomlarning magnit va mexanik momentlari = 0 bo'lganligi sababli, bu atomlar magnit maydon ta'sirida burilmagan bo'lishi kerak va ekranda 1 nuqta kuzatilishi kerak edi. Tajriba shuni ko'rsatdiki: atomlar egilib, ekranda 2 maks. Chunki atomdagi elektronning yadro atrofida harakati tufayli mexanik va magnit momentlari 0 ga teng bo'lgan va atomlar hali ham magnit jihatdan og'ishgan. maydon, atomdagi elektronning o'ziga xos mexanik M s va tegishli magnit P s momentlari bor deb faraz qilingan edi. mexanik magnit aylanish momentlari. Elektron spini zaryad va massa bilan bir xil asosiy xususiyat hisoblanadi. Spin mexanik momentining qiymati m\b formula bilan hisoblanadi: M s =ħ

, bu erda s- spin kvant soni, bu 2 ta qiymat qabul qilishi mumkin: s=1/2, s=-1/2.

12. Ichki yarim o'tkazgichlarning tarmoqli tuzilishi. Yarimo'tkazgichlarning ichki o'tkazuvchanligi va uning haroratga bog'liqligi.

Semipr-ki - orollar, ular uchun tarmoqli bo'shlig'ining kengligi taxminan 1 eV. Past haroratlarda yarim o'tkazgichlar elektr tokini o'tkazmaydi va izolyator hisoblanadi. Kimyoviy-chang'i toza in-va o'zlarining yarim-pr-kami. 4 valentli semipr-to Ge (germaniy) ni ko'rib chiqing. Qo'shni atomlar bilan to'rtta bog'lanish sakkizta elektrondan (har bir atomdan to'rttadan) hosil bo'ladi. Har bir e-n qarama-qarshi yo'naltirilgan aylanishlar bilan bog'lanishga ega bo'ladi. Harorat past bo'lganda, barcha aloqalar elektron pochta xabarlari bilan jihozlangan bo'lib chiqadi va yarim pr-keda bepul elektron pochta xabarlari yo'q. Harorat oshirilganda, kimyoviy-th dv-I energiyasi tufayli, elektron yangiliklar bog'larning biridan ajratiladi. Shu bilan birga, ketgan elektronning o'rnida teshik deb ataladigan kompensatsiyalanmagan musbat zaryad qoladi. Teshik kristalldagi ba'zi bir bog'da joylashgan va kristall bo'ylab erkin harakatlana olmaydi. O'chirilgan elektron pochta aylana bo'ylab erkin harakatlanishi mumkin.

E Agar siz tashqi elektron pochta maydonini qo'llasangiz, u holda elektron pochta maydonga qarshi harakatlanadi. Teshikni qo'shni aloqadan elektron pochta orqali egallash mumkin. Bunday sakrashlar orqali teshik maydon bo'ylab harakatlanadi va elektron pochta maydonga qarshi harakat qiladi. Ikki teshikni zarracha zaryadining ikkita pozitsiyasi deb hisoblash mumkin. Erkin e-n teshik o'rnini egallaganda, bir vaqtning o'zida erkin e-n ham, teshik ham yo'qoladi. Bu jarayon rekombinatsiya deb ataladi. Ya'ni, kimyoviy toza yarim-pr-kahda bir vaqtning o'zida erkin elektron va teshik paydo bo'ladi va ularning soni bir xil bo'ladi. Kimyoviy toza yarimo'tkazgichlarning o'tkazuvchanligi elektron teshik deb ataladigan xususiyatdir. Tz zonasi nazariyasi bilan e-n valentlik zonasida kristall-le nah-Xia kimyoviy bog'lanishlarni yaratishda ishtirok etadi.

Unga etarli energiya berilsa, u taqiqlangan bandni yengib chiqadi va o'tkazuvchanlik zonasiga o'tadi. Bunday holda, valentlik zonasida teshik hosil bo'ladi. Bunday o'tish birinchi navbatda valentlik zonasining yuqori sathlaridan amalga oshiriladi. Energiya ortishi bilan valentlik zonasining chuqurroq sathlaridan elektronlar o'tkazuvchanlik zonasiga o'tadi. Shuning uchun teshikning energiyasi katta bo'lsa, u valentlik zonasida qanchalik chuqurroq bo'ladi. O'tkazuvchanlik zonasidagi El-n va valentlik zonasidagi teshik o'zlarining yarim pr-kelarida erkin zaryad tashuvchilar sifatida qaralishi mumkin. Haroratning oshishi bilan bunday tashuvchilar soni ortishi aniq. Fermi darajasi taqiqlangan zonaning o'rtasida o'zining yarim-pr-kah nah-Xia-da.

15. Spontan va stimulyatsiya qilingan emissiya.

Bo'shliqdagi nurlanish energiyaga ega kvantlar to'plamidir

. Kvantlar atomlar tomonidan so'rilishi mumkin, bu holda ular yuqoriroqqa o'tadi energiya darajasi energiya bilan

, qayerda atomning dastlabki energiya darajasidir. Atom sathidan o'tganda ustida energiyaga ega kvant chiqariladi

. Bu darajalarni 0 va 1 indekslari bilan belgilaymiz (rasm) va ularni mos ravishda quyi va yuqori darajalar deb ataymiz.

Moddiy jismlar (bo'shliq devorlari) va nurlanish o'rtasida doimiy energiya almashinuvi mavjud. Har bir chastota uchun kvantlar almashinuvi muvozanatlashganda ular orasidagi dinamik muvozanat yuzaga keladi. Shuning uchun quyida faqat bitta chastota ko'rib chiqiladi. Boshqa chastotalar uchun barcha argumentlar o'xshash.

Pastki darajadan yuqori darajaga o'tish faqat energiya kvantining yutilishi bilan mumkin, ya'ni. sodir bo'lgan radiatsiya ta'siri ostida. Bunday o'tishlar deyiladi majbur. Yuqoridan pastki darajaga o'tish hodisaning ta'siri ostida majburiy bo'lishi mumkin radiatsiya atomi, va o'z-o'zidan atomga radiatsiya tushishidan mustaqil ravishda sodir bo'ladi.

Belgilamoq

o'z-o'zidan o'tish ehtimoli sekundiga 1®0, - yuqori darajadagi atomlarning kontsentratsiyasi. Keyin spontan o'tishlarning chastotasi

.

Majburiy o'tish chastotasi tushgan fotonlar soniga yoki nurlanishning spektral zichligiga proportsionaldir. . Belgilamoq

va

bilan nurlanish ta'sirida sekundiga 1®0 va 0®1 majburiy o'tish ehtimoli.

;- atomlarning quyi darajadagi kontsentratsiyasi. Keyin majburiy o'tish chastotasi uchun biz yozishimiz mumkin

,

.

Dinamik muvozanat sharti shaklga ega

yoki

Muvozanat holatida Boltsman taqsimoti bajariladi, bu atom konsentratsiyasi uchun shaklga ega.

,

,(2)

qayerda A normalizatsiya konstantasi hisoblanadi. (1) ga (2) ni almashtirib, topamiz

Miqdorlar

,

va

chaqirdi Eynshteyn koeffitsientlari.

Jismoniy nuqtai nazardan, shundan kelib chiqadi

bo'lishi kerak

. Keyin (3) dagi chegaraga o'tishdan kelib chiqadi

.(4)

Shuning uchun (3) munosabatni quyidagicha yozish mumkin

,(5)

qayerda

. Ma'nosi

Agar past chastotalarda (5) Reyl-Jins formulasiga to'g'ri kelishi kerakligini hisobga olsak, topish mumkin. Da

va (5) shaklni oladi

.

Olingan ifodani Rayleigh-Jeans formulasi bilan solishtirib, topamiz

.

Natijada (5) formula shaklni oladi

.(6)

Munosabat (6) - Plank formulasi.

Spontan emissiya tasodifiy tarqalish yo'nalishi, tasodifiy polarizatsiya va tasodifiy fazaga ega. Rag'batlantirilgan emissiya bu jihatdan spontan emissiyadan farq qiladi. Tarqalish yo'nalishi rag'batlantirilgan emissiya harakatlantiruvchi nurlanish yo'nalishiga to'liq mos keladi. Xuddi shu narsa stimulyatsiya qilingan va qo'zg'atuvchi nurlanishning chastotasi, fazasi va polarizatsiyasiga ham tegishli. Shunday qilib, stimulyatsiya qilingan va induktsiyalangan nurlanish qat'iy kogerent bo'lib chiqadi. Rag'batlantirilgan emissiyaning bu xususiyati lazer deb ataladigan kuchaytirgichlar va yorug'lik generatorlarining ishlashiga asoslanadi.

16. Atomning Rezerford modeli va uning kamchiliklari. Bor postulatlari. Atomning Bor modeli.

Barcha makroskopik tizimlarda elektron o'zini kichik hajmda lokalizatsiya qilingan, ma'lum bir koordinata va tezlikka ega bo'lgan zarracha kabi tutadi. Elektron atomda harakat qilganda, uning to'lqin xossalari barcha mikroskopik zarralarda bo'lgani kabi ko'proq darajada namoyon bo'ladi, lekin to'lqin kosmosda lokalizatsiya qilinmaydi, lekin cheksizdir.

Elektronlar OA yo'nalishi bo'yicha Vx tezlik bilan harakatlansin va kengligi a bo'lgan tor BC tirqishiga duch kelsin. DE - elektronlar tushadigan ekran. Chunki elektronlar mavjud to'lqin xususiyatlari, keyin tor tirqishdan o'tayotganda ular diffraksiyaga uchraydi, buning natijasida elektronlar nafaqat tirqishning orqasida joylashgan DE ekran nuqtalariga tushadi, balki butun ekran bo'ylab tarqaladi. Tasavvur qiling-a, elektron klassik zarrachadir. U koordinata va impuls bilan tavsiflanadi. Bo'shliqdan o'tish momentidagi elektronning koordinatasini bo'shliqning koordinatasi sifatida tavsiflash mumkin. Koordinataning bunday ta'rifida esa, tirqishning kengligi tufayli noaniqlik mavjud. Bu noaniqlikni ∆x=a bilan belgilaymiz. Yoriqdan o'tgandan so'ng, impuls komponenti Px≠0, chunki diffraktsiya tufayli tezlikning o'zgarishi. Elektron impulsning komponentini aniq aniqlash mumkin emas, faqat qandaydir xato bilan ∆Px≥Psinph1=Pl/a=hl/la=h/a; ∆Px*∆x≥h (1) Geyzenberg noaniqlik munosabati.

Atomdagi elektronlar harakatini tartibga soluvchi qonunlarni shakllantirishga birinchi urinish Bor tomonidan atom barqaror sistema va atom chiqaradigan yoki yutishi mumkin bo'lgan energiya haqidagi tushunchaga asoslanib qilingan.

1) Atomda statsionar barqaror orbitalar mavjud bo'lib, ularda atom energiya chiqarmaydi yoki yutmaydi.

2) Bor atom tomonidan energiyaning emissiyasi yoki yutilishi atom bir statsionar holatdan ikkinchisiga o'tganda sodir bo'ladi, deb taklif qildi. Har bir bunday o'tishda statsionar holatlar jismlarining energiyalari farqiga teng energiya kvanti chiqariladi, ular orasida elektronning kvant sakrashi sodir bo'ladi, hn=En – Em (2) (n>m, nurlanish, n).

Uning nazariyasining zamirida bir butunga bog‘lashga urinish, birinchidan, Rezenford atomining yadro modeli, ikkinchidan, atomlarda nurlanish va energiyani yutishning kvant tabiati, uchinchidan, chiziqli spektrlarning empirik qonunlari yotadi. atomda.

Bor nazariyasi nafaqat vodorod atomiga, balki bir elektronli He+ ionlariga ham tegishli. Bunday sistema yadrosining zaryadi ze, yadro atrofida esa 1e(c). Bohr modeli klassik Resenford modelining asosiy xususiyatlarini saqlab qoladi, ya'ni. .elektron musbat zaryadlangan yadro atrofida aylana orbitalaridan birida aylanadi. Bor nazariyasi u klassik fizikaning atomdagi elektron harakatini va kvant fizikasining dominant rolini tasvirlash uchun nomaqbulligini ta'kidladi. KAMCHILIKLARI: 1) u mutlaqo klassik bo'lmagan, kvant bo'lmagan. Bir tomondan, u klassik fizika qonuniga binoan elektronning orbital harakatiga ruxsat bergan bo'lsa, ikkinchi tomondan, klassik fizika g'oyalariga zid bo'lgan energiya sathining diskretligi, energiya va impulsning kvantlanishidan kelib chiqqan. . 2) Statsionar orbitalarni tanlash qoidasi asossizdir. 3) Fizik miqdorlarni kvantlash sababi aniq emas: energiya, impuls.

18. Atom yadrolarining tuzilishi. Massa va zaryad raqami. Nuklonlar. Asosiy modellar: tomchilatib, qobiq.

Atom yadrosi - atomning butun musbat zaryadi va deyarli barcha massasi to'plangan qismning markazi. Hozirgi kunga ko'ra, atom yadrosi proton va neytronlardan iborat bo'lib, ular 2 zaryad holati - nuklonlar hisoblanadi.

A Z X, bu erda Z - yadroning zaryad raqami, Mend jadvalidagi raqamga to'g'ri keladi.

A - massa soni kimyoviy elementning atom massa birligida ifodalangan atom massasiga to'g'ri keladi. A yadrodagi nuklonlarning umumiy sonini ifodalang, chunki kimyoviy element atomi neytral bo'lganligi sababli, e-n (pozitiv) db uning elektron qobig'idagi e-on zaryadiga to'liq teng bo'ladi. Demak, yadrodagi protonlar soni (+e): N p =Z. Neytronlar soni: N n =A-Z.

Bir nechta yadro modellari mavjud. Ularning hech biri universal emas, lekin ularning har biri ma'lum bir yadroviy jarayonni ko'rib chiqishda qo'llaniladi. Ulardan ikkitasini ko'rib chiqing: tomchilatib va ​​qobiq

tomizish modeli. Yadro va suyuqlik tomchisining ba'zi xossalari o'xshashdir. Damlama modeli ana shu o'xshashlikka asoslanadi. Yadro moddasining bir xil zichligi uning suyuqlikdagi kabi juda past siqilish qobiliyatini ko'rsatadi. Ushbu modelga ko'ra, nuklonlar intensiv, tasodifiy harakat qiladi, ko'plab to'qnashuvlarni boshdan kechiradi. Har bir bunday to'qnashuv nuklonlarning kuchli o'zaro ta'siri bilan birga keladi. Shuning uchun yadro tomonidan qabul qilingan energiya nuklonlar o'rtasida tezda qayta taqsimlanadi. Nuklonlarning keyingi ko'p sonli to'qnashuvi energiyaning sirt zarrachalarida kontsentratsiyasiga olib kelishi mumkin, masalan: α -zarracha. Agar uning energiyasi yadrodagi bog'lanish energiyasidan katta bo'lsa, u yadrodan chiqishi mumkin. Tomchilar modeliga ko'ra, yadrodan zarrachaning chiqishi suyuqlikdan molekulalarning bug'lanishiga o'xshaydi. Biroq, suyuqlik tomchisidan farqli o'laroq, qo'zg'atilgan yadro g-kvantlarni chiqarish orqali asosiy holatga o'tishi mumkin. Yadro kelib chiqishi fotonlari deyiladi. Tomchi modeli, xususan, yadro bo'linish jarayonini tushuntirishga imkon berdi.

Shell modeli. Ushbu modelga ko'ra, nuklonlar xuddi atomdagi elektronlar kabi Pauli printsipiga muvofiq qobiqlarga to'ldiriladi. To'liq to'ldirilgan nuklon qobig'i bilan, ayniqsa barqaror yadrolar hosil bo'ladi. Tajribalarga asoslanib, bu yadrolar bo'lib, ularda protonlar soni yoki neytronlar soni: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Bu raqamlar sehr deb ataladi.

Birinchi nuklon qobig'i geliy bilan to'ldirilgan va ikkita proton va neytrondan, ikkinchisi kisloroddan va boshqalardan iborat.

Qobiq modeliga ko'ra, nuklon boshqa nuklonlar maydonida harakat qiladi. Yadro qo'zg'alganda, bir yoki bir nechta nuklonlar qo'zg'aluvchan darajaga o'tadi. Ularning asosiy holatga o'tishi g-kvantlarning emissiyasi bilan birga keladi.

Maqolada yorug'likning kvant xususiyatlarining mohiyati ochib berilgan. Ular qanday kashf etilgani va bu nimaga olib kelgani haqida gapiradi.

Plank va kvant

O'n to'qqizinchi asrning oxiri va XX asr boshlarida ilmiy doiralarda fizikada mutlaqo hamma narsa aniq ekanligiga ishonishdi. O'sha davrda eng ilg'or bilim Maksvell tenglamalari va elektr bilan bog'liq bo'lgan turli hodisalarni o'rganish edi. Ilm-fan bilan shug'ullanishga intilgan yoshlarga fizikaga kirish tavsiya etilmagan: axir, hech qanday yutuqlarni ta'minlamaydigan muntazam tadqiqotlar bo'lishi mumkin edi. Biroq, kinoya bilan aytganda, ko'pdan beri tanish bo'lgan hodisaning xususiyatlarini o'rganish yangi bilim ufqlariga yo'l ochdi.

Yorug'likning to'lqin va kvant xossalari Maks Plank kashfiyoti bilan boshlangan. U absolyut qora jismning spektrini o‘rganib, uning nurlanishining eng mos matematik tavsifini topishga harakat qildi. Natijada u “harakat kvanti” deb atagan ma’lum bir minimal bo‘linmas miqdorni tenglamaga kiritish kerak degan xulosaga keldi. Va bu oddiyroq matematik formula uchun "burchakni kesish" usuli bo'lganligi sababli, u bu miqdorga hech qanday jismoniy ma'no bermadi. Biroq, boshqa olimlar, masalan, A. Eynshteyn va E. Shredinger kvant kabi hodisaning imkoniyatlarini payqashdi va fizikaning yangi sohasiga rivojlanish berdi.

Aytishim kerakki, Plankning o'zi kashfiyotining asosiy mohiyatiga to'liq ishonmagan. Olim yorug'likning kvant xossalarini rad etishga urinib, bu miqdordan qutulish uchun turli matematik nayranglarga berilib, o'z formulasini qisqacha qayta yozdi. Ammo bundan hech narsa chiqmadi: jin allaqachon shishadan chiqarilgan edi.

Yorug'lik elektromagnit maydonning kvantidir

Plank kashfiyotidan so'ng, yorug'likning to'lqin xususiyatlariga ega ekanligi haqidagi allaqachon ma'lum bo'lgan haqiqat boshqasi bilan to'ldirildi: foton elektromagnit maydonning kvantidir. Ya'ni yorug'lik energiyaning juda kichik bo'linmas paketlaridan iborat. Ushbu paketlarning har biri (foton) chastota, to'lqin uzunligi va energiya bilan tavsiflanadi va bu miqdorlarning barchasi o'zaro bog'liqdir. Vakuumdagi yorug'lik tezligi ma'lum koinotdagi eng tezdir, sekundiga taxminan 300 000 kilometr.

Shuni ta'kidlash kerakki, boshqa miqdorlar ham kvantlanadi (ya'ni ular eng kichik bo'linmas qismlarga bo'linadi):

• glyuon maydoni;
• tortishish maydoni;
• kristall atomlarining umumiy harakati.

Kvant: elektrondan farqi

Har bir turdagi maydonda kvant deb ataladigan ma'lum bir eng kichik miqdor bor deb o'ylamasligingiz kerak: elektromagnit shkalada juda kichik va yuqori energiyali to'lqinlar (masalan, rentgen nurlari) va juda katta, lekin ayni paytda "zaif" bo'lganlar (masalan, radio to'lqinlar ). Shunchaki, har bir kvant kosmosda bir butun sifatida harakat qiladi. Shuni ta'kidlash kerakki, fotonlar engib bo'lmaydigan potentsial to'siqlar bilan o'zaro ta'sirlashganda o'z energiyasining bir qismini yo'qotishi mumkin. Ushbu hodisa "tunnel" deb ataladi.

Yorug'lik va materiyaning o'zaro ta'siri

Bunday yorqin ochilishdan keyin savollar paydo bo'ldi:

1. Yorug'lik kvanti materiya bilan o'zaro ta'sirlashganda nima sodir bo'ladi?
2. Foton molekula bilan to'qnashganda olib yuradigan energiya qayerga ketadi?
3. Nima uchun bitta to'lqin uzunligi so'rilishi va boshqa to'lqin uzunligi chiqishi mumkin?

Asosiysi, yorug'lik bosimi fenomeni isbotlangan. Bu fakt aks ettirish uchun yangi sabab berdi: bu fotonning impuls va massaga ega ekanligini anglatadi. Shundan so'ng qabul qilingan mikrozarrachalarning korpuskulyar-to'lqinli dualizmi bu dunyoda sodir bo'layotgan jinnilikni tushunishni sezilarli darajada osonlashtirdi: natijalar ilgari mavjud bo'lgan hech qanday mantiqqa to'g'ri kelmadi.

Energiya uzatish

Keyingi tadqiqotlar faqat yorug'likning kvant xususiyatlarini tasdiqladi. Fotoelektrik effekt foton energiyasi materiyaga qanday o'tishini ko'rsatdi. Yoritish, aks ettirish va yutilish bilan bir qatorda, jism yuzasidan elektronlarni tortib olishga qodir. Bu qanday sodir bo'ladi? Foton o'z energiyasini elektronga o'tkazadi, u yanada harakatchan bo'lib, moddaning yadrolari bilan bog'lanish kuchini engish qobiliyatiga ega bo'ladi. Elektron o'zining tabiiy elementini tark etadi va tanish muhitdan tashqariga shoshiladi.

Fotoelektrik effekt turlari

Yorug'likning kvant xususiyatlarini tasdiqlovchi fotoelektrik effekt hodisasi har xil turlarga ega va fotonning qaysi qattiq jism bilan to'qnashishiga bog'liq. Agar u o'tkazgich bilan to'qnashsa, elektron yuqorida aytib o'tilganidek, moddani tark etadi. Bu tashqi fotoelektrik effektning mohiyatidir.

Ammo agar yarimo'tkazgich yoki dielektrik yoritilgan bo'lsa, u holda elektronlar tanani tark etmaydi, balki zaryad tashuvchilarning harakatini osonlashtiradigan qayta taqsimlanadi. Shunday qilib, yoritilganda o'tkazuvchanlikni yaxshilash hodisasi ichki fotoelektrik effekt deb ataladi.

Tashqi fotoelektr formulasi

G'alati, lekin ichki fotoelektrik effektni tushunish juda qiyin. Ushbu hodisaning ahamiyatini to'liq anglash uchun maydonning tarmoqli nazariyasini bilish, tarmoqli oralig'i orqali o'tishlarni tushunish va yarim o'tkazgichlarning elektron-teshik o'tkazuvchanligining mohiyatini tushunish kerak. Bundan tashqari, ichki fotoelektr effekti amalda unchalik tez-tez ishlatilmaydi. Yorug'likning kvant xususiyatlarini tasdiqlagan holda, tashqi fotoelektrik effekt uchun formulalar yorug'lik elektronlarini tortib oladigan qatlamni cheklaydi.

Bu erda h - Plank doimiysi, n - ma'lum to'lqin uzunligidagi yorug'lik kvanti, A - elektronning materiyani tark etishi uchun qiladigan ishi, W - u uchib chiqadigan kinetik energiya (va shuning uchun tezlik).

Shunday qilib, agar fotonning barcha energiyasi faqat elektronning tanadan qochishiga sarflansa, u holda sirtda u nol kinetik energiyaga ega bo'ladi va, aslida, qochib qutula olmaydi. Shunday qilib, ichki fotoelektrik effekt yoritilgan moddaning etarlicha nozik tashqi so'zida ham sodir bo'ladi. Bu uning qo'llanilishini keskin cheklaydi.

Optik kvant kompyuteri hali ham ichki fotoelektr effektidan foydalanishi ehtimoli bor, ammo bunday texnologiya hali mavjud emas.

Tashqi fotoeffekt qonunlari

Shu bilan birga, yorug'likning kvant xususiyatlari mutlaqo foydasiz emas: fotoelektrik effekt va uning qonunlari elektronlar manbasini yaratishga imkon beradi. Ushbu qonunlar Eynshteyn tomonidan to'liq shakllantirilgan bo'lsa-da (u Nobel mukofotiga sazovor bo'lgan), turli shartlar XX asrdan ancha oldin paydo bo'lgan. Elektrolitlar yoqilganda oqimning paydo bo'lishi birinchi marta XIX asrning boshlarida, 1839 yilda kuzatilgan.

Hammasi bo'lib uchta qonun mavjud:

1. To'yinganlik fototokining kuchi yorug'lik oqimining intensivligiga proportsionaldir.
2. Fotonlar taʼsirida moddadan chiqib ketayotgan elektronlarning maksimal kinetik energiyasi tushayotgan nurlanish chastotasiga (demak, energiyaga) bogʻliq, lekin intensivlikka bogʻliq emas.
3. Bir xil turdagi sirtga ega bo'lgan har bir modda (silliq, qavariq, qo'pol, g'ovak) fotoelektr effektining qizil chegarasiga ega. Ya'ni, fotonning eng kichik energiyasi (va shuning uchun chastotasi) mavjud bo'lib, u hali ham elektronlarni sirtdan ajratadi.

Bu naqshlarning barchasi mantiqiy, ammo ularni batafsilroq ko'rib chiqish kerak.

Fotoelektrik effekt qonuniyatlarini tushuntirish

Birinchi qonun quyidagilarni anglatadi: sekundiga bir kvadrat metr sirt maydoniga qancha ko'p foton tushsa, bu yorug'lik yoritilgan moddadan shunchalik ko'p elektronlarni "olib tashlashi" mumkin.

Basketbol - bu misol: o'yinchi to'pni qanchalik tez-tez tashlasa, u shunchalik tez-tez zarba beradi. Albatta, agar futbolchi yetarli darajada yaxshi bo'lsa va o'yin davomida jarohat olmasa.

Ikkinchi qonun aslida chiqarilgan elektronlarning chastotali javobini beradi. Fotonning chastotasi va to'lqin uzunligi uning energiyasini aniqlaydi. Qizil yorug'lik ko'rinadigan spektrdagi eng past energiyaga ega. Chiroq materiyaga qancha qizil foton yubormasin, ular elektronlarga faqat past energiyani o'tkazishga qodir. Shuning uchun, agar ular sirtning o'zidan yirtilgan bo'lsa va deyarli hech qanday chiqish ishini qilmasa ham, ularning kinetik energiyasi ma'lum bir chegaradan yuqori bo'lishi mumkin emas. Ammo agar biz bir xil moddani binafsha nurlar bilan yoritsak, binafsha kvantlar juda kam bo'lsa ham, eng tez elektronlarning tezligi ancha yuqori bo'ladi.

Uchinchi qonun ikki komponentdan iborat - qizil chegara va sirt holati. Ko'pgina omillar metallning sayqallangan yoki qo'pol bo'lishiga, uning gözenekleri yoki silliqligiga bog'liq: qancha fotonlar aks etadi, ular sirt ustida qanday qayta taqsimlanadi (aniqki, chuqurlarga kamroq yorug'lik tushadi). Shunday qilib, siz turli xil moddalarni bir-biri bilan faqat bir xil sirt holati bilan solishtirishingiz mumkin. Ammo moddadan elektronni yirtib tashlashga qodir bo'lgan fotonning energiyasi faqat moddaning turiga bog'liq. Agar yadrolar zaryad tashuvchilarni juda kuchli jalb qilmasa, u holda foton energiyasi pastroq bo'lishi mumkin va shuning uchun qizil chegara chuqurroqdir. Va agar moddaning yadrolari elektronlarini mahkam ushlab tursa va ular bilan osonlikcha ajralishni istamasa, qizil chegara yashil tomonga siljiydi.

11-sinf uchun fizikadan (Kasyanov V.A., 2002),
vazifa №87
bobga" Elektromagnit nurlanishning kvant nazariyasi. ASOSIY QOIDALAR».

termal nurlanish

To'liq qora tana

termal nurlanish- ichki energiyasi tufayli qizdirilgan jismlar chiqaradigan elektromagnit nurlanish.

To'liq qora tana- ixtiyoriy haroratda har qanday chastotadagi nurlanishning barcha energiyasini o'zlashtiradigan jism.

Energiya yorqinligining spektral zichligi- bu birlik chastota oralig'ida tana sirtining birlik maydoniga vaqt birligi uchun chiqarilgan elektromagnit nurlanish energiyasi. Energiya yorqinligining spektral zichligi birligi J/m 2. Radiatsiya kvantining energiyasi nurlanish chastotasi v ga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir:

bu yerda h = 6,6 10 -34 J s Plank doimiysi.

Foton- mikrozarracha, elektromagnit nurlanish kvanti.

Termal nurlanish qonunlari: Vienning joy almashish qonuni

Bu erda l m - qora jismning energiya yorqinligining maksimal spektral zichligini ta'minlovchi to'lqin uzunligi, T - qora tananing harorati, b ≈ 3000 mkm K - Wien doimiysi.

Stefan-Boltzman qonuni: Qora tananing integral yorqinligi uning mutlaq haroratining to'rtinchi darajasiga proportsionaldir:

qayerda s = 5,67 10 -8 Vt / (m 2 K 4) - Stefan-Boltzman doimiyligi.

fotoelektrik effekt yorug'lik ta'sirida qattiq va suyuq moddalardan elektronlarning chiqishi hodisasi.

Fotoelektrik effekt qonunlari

1. To'yinganlik fototoki katodga tushayotgan yorug'lik intensivligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

2. Fotoelektronlarning maksimal kinetik energiyasi yorug'lik chastotasiga to'g'ridan-to'g'ri proporsional bo'lib, uning intensivligiga bog'liq emas.

3. Har bir modda uchun fotoeffektning qizil chegarasi deb ataladigan yorug'likning minimal chastotasi mavjud bo'lib, undan pastda fotoelektrik effekt mumkin emas.

Fotoelektrik effekt uchun Eynshteyn tenglamasi:

Fotonning energiyasi ish funktsiyasini bajarish va kinetik energiyani chiqarilgan fotoelektronga etkazish uchun ishlatiladi. Ish funktsiyasi metalldan elektronni olib tashlash uchun bajarilishi kerak bo'lgan minimal ishdir.

qizil chegara foto effekti

Korpuskulyar to'lqinli dualizm - korpuskulyar va to'lqin xususiyatlarining bir xil ob'ektning xatti-harakatlarida namoyon bo'lishi. Korpuskulyar-to'lqinli dualizm har qanday moddiy ob'ektlarning universal xususiyatidir.

to'lqin nazariyasi yorug'likning yuqori intensivlikdagi xususiyatlarini to'g'ri tasvirlaydi, ya'ni. fotonlar soni ko'p bo'lganda.

Kvant nazariyasi yorug'likning past intensivlikdagi xususiyatlarini tasvirlash uchun ishlatiladi, ya'ni. fotonlar soni kichik bo'lganda.

Har qanday zarracha impuls p Javob de Broyl to'lqin uzunligi:

O'lchov jarayonida mikroob'ektning holati o'zgaradi. Bir vaqtning o'zida zarrachaning o'rni va momentini aniq aniqlash mumkin emas.

Heisenberg noaniqlik munosabatlari:

1. Zarracha koordinatasi noaniqligi va uning impulsi noaniqligining mahsuloti Plank doimiysidan kam emas:

2. Zarra energiyasining noaniqligi va uni o'lchash vaqti noaniqligining mahsuloti Plank doimiysidan kam emas:

Bor postulatlari:

1. Barqaror atomda elektron elektromagnit energiyani nurlantirmasdan faqat maxsus, statsionar orbitalar bo‘ylab harakatlanishi mumkin.

2. Atomning yorug'lik chiqarishi atomning energiya E k yuqori bo'lgan statsionar holatdan energiya E n past bo'lgan statsionar holatga o'tishida sodir bo'ladi. Chiqarilgan fotonning energiyasi statsionar holatlarning energiyalari orasidagi farqga teng:

Bor orbitasini kvantlash qoidasi:

Har bir statsionar orbita aylanasiga de-Broyl to'lqin uzunliklarining butun n soni to'g'ri keladi. Javob elektronning harakatiga mos keladi

Atomning asosiy holati minimal energiya holatidir.

Luminesans- materiyaning muvozanatsiz nurlanishi.

Spektral tahlil- moddaning kimyoviy tarkibi va boshqa xususiyatlarini uning spektri bo'yicha aniqlash usuli.

Atomlarning asosiy nurlanish jarayonlari: yorug'likning yutilishi, o'z-o'zidan va stimulyatsiyalangan emissiya.

yorug'likni singdirish atomning asosiy holatdan qo'zg'aluvchan holatga o'tishi bilan birga keladi.

Spontan emissiya- atomning bir holatdan ikkinchi holatga o'z-o'zidan o'tishi paytida chiqadigan nurlanish.

rag'batlantirilgan emissiya- tashqi elektromagnit nurlanish ta'sirida u pastroq energiya darajasiga o'tganda paydo bo'ladigan atomning nurlanishi.

Lazer- induktsiyalangan nurlanish natijasida kuchaygan nurlanish manbai.

Energiya darajalarining teskari populyatsiyasi- muhitning nomutanosiblik holati, bunda qo`zg`alilgan holatdagi atomlar konsentratsiyasi asosiy holatdagi atomlar konsentratsiyasidan kattaroq bo`ladi.

Metastabil holat- atomning hayajonlangan holati, bunda u boshqa holatlarga qaraganda ancha uzoqroq bo'lishi mumkin.

250 keV gacha energiyaga ega elektromagnit nurlanish odatda deyiladi rentgen nurlari , va undan yuqori - g nurlanish . Radioaktiv izotoplarning nurlanishi, energiyadan qat'i nazar, odatda shunday belgilanadi
g-nurlari .

Boshqa barcha AI turlari elementar zarralarni ifodalovchi korpuskulyar xususiyatga ega. Barcha zaryadlangan zarrachalarning energiya uzatish mexanizmi taxminan bir xil. Zaryadlangan zarracha moddadan o'tayotganda o'z energiyasini yo'qotadi, bu esa atomlarning ionlanishi va qo'zg'alishiga olib keladi, toki umumiy energiya ta'minoti shu darajada kamayguncha zarracha ionlash qobiliyatini yo'qotadi va odatda ion hosil qilish uchun qandaydir atom tomonidan tutiladi.

Zaryadlangan zarrachaning yo'l birligiga yo'qotgan energiyasi deyiladi chiziqli energiya yo'qolishi. Bunga qarab, barcha ionlashtiruvchi nurlanishlar bo'linadi kamdan- va zich ionlashtiruvchi . Kamdan kam ionlashtiruvchi nurlanish barcha turdagi elektromagnit nurlanish va elektronlarni, zich ionlashtiruvchi nurlanish esa protonlar, deytronlar va og'irroq zarralarni o'z ichiga oladi.

Guruch. 11. Ruterford tajribasi.

Ulardan birinchisi manfiy zaryadlangan plastinka tomon biroz og'adi, ikkinchisi esa musbat zaryadlangan plastinka tomon kuchli og'adi. Ushbu komponentlarni u alfa nurlari va beta nurlari deb atagan. Atomdagi bo'shliqning ko'p qismi bo'sh bo'lganligi sababli, tez a-zarralar bir necha ming atom qatlamini o'z ichiga olgan materiyaning muhim qatlamlariga deyarli erkin kirib borishi mumkin.

Rezerford kuzatgan zaryadlangan zarrachalarning tarqalishi atomda zaryadlarning shunday taqsimlanishi bilan izohlanadi.Alohida elektronlar bilan toʻqnashganda a-zarralar juda kichik burchaklar bilan ogʻadi, chunki elektronning massasi kichik boʻladi. Biroq, kamdan-kam hollarda u atom yadrolaridan biriga yaqin masofada uchib ketganda, yadroning kuchli elektr maydoni ta'sirida katta burchakka burilish paydo bo'lishi mumkin.

Bir yil o'tgach, P. Uillard radioaktiv nurlanish tarkibiga uchinchi komponent ham kiradi: magnit yoki elektr maydonlari tomonidan burilmaydigan gamma nurlari. Radioaktiv yadrolar uch xil: musbat va manfiy zaryadlangan va neytral zarrachalarni chiqarishi mumkinligi aniqlandi. Ushbu nurlanishlarning tabiati aniqlangunga qadar, manfiy zaryadlangan plastinka tomon og'ilgan nurlar shartli ravishda chaqirildi. alfa zarralari , musbat zaryadlangan plastinka tomon og'ish - beta nurlari , va umuman chetga chiqmagan nurlar chaqirildi gamma nurlari (12-rasm).

Guruch. 12. Radioaktiv nurlanishning tarkibiy qismlari.

K - qo'rg'oshin idishi, R - radioaktiv preparat,
F – fotografik plastinka, – magnit maydon.

Alfa zarralari (a) geliy atomining yadrolari bo'lib, ikkita proton va ikkita neytrondan iborat. Ularning ikki tomonlama musbat zaryadi va nisbatan katta massasi 4,0003 amu.

Har bir izotop uchun alfa zarrachalarining energiyasi doimiydir. Havodagi alfa zarrachalarining diapazoni energiyaga qarab 2-10 sm, biologik to'qimalarda esa bir necha o'n mikronlarni tashkil qiladi. Alfa zarralari massiv va yuqori energiyaga ega bo'lgani uchun ularning materiyadagi yo'li to'g'ri; ular ionlanish va flüoresansning kuchli ta'sirini keltirib chiqaradi. Inson tanasiga kirganda alfa nurlanishi juda xavflidir, chunki a-zarrachalarning barcha energiyasi tana hujayralariga o'tkaziladi.

Beta nurlanish (b) beta-parchalanish vaqtida yadrolar chiqaradigan zarralar (elektronlar yoki pozitronlar) oqimini ifodalaydi. Yadro kelib chiqishi elektronlarining fizik xarakteristikasi atom qobig'ining elektronlari bilan bir xil. Beta zarralar b - (elektron parchalanish), b + (pozitron parchalanishi) belgisi bilan belgilanadi.

Alfa zarralaridan farqli o'laroq, bir xil radioaktiv elementning beta zarralari turli xil energiyaga ega. Bu beta-parchalanish vaqtida atom yadrosidan bir vaqtning o'zida neytrinolar va beta zarrachalar ajralib chiqishi bilan izohlanadi. Har bir parchalanish hodisasi paytida chiqarilgan energiya beta zarracha va neytrino o'rtasida taqsimlanadi. Bu yorug'lik tezligida harakatlanadigan, tinch massaga ega bo'lmagan va katta penetratsion quvvatga ega bo'lgan elektr neytral zarradir; ro'yxatdan o'tishni qiyinlashtiradi. Agar b-zarracha katta miqdorda energiya bilan ajralib chiqsa, u holda neytrino past energiya darajasi bilan chiqariladi va aksincha. Xuddi shu muhitdagi beta zarralarining diapazoni bir xil emas. Bunday zarrachalar tarkibidagi yo'l burilishli bo'lib, ular yaqinlashib kelayotgan atomlarning elektr maydonlari ta'sirida harakat yo'nalishini osongina o'zgartiradilar. Beta zarralari alfa zarralariga qaraganda kamroq ionlashtiruvchi ta'sirga ega. Ularning havodagi diapazoni 25 sm gacha, biologik to'qimalarda esa 1 sm gacha bo'lishi mumkin.Turli radioaktiv izotoplar beta zarrachalarining energiyasida farqlanadi. Ularning maksimal energiyasi 0,015–0,05 MeV (yumshoq beta nurlanish) dan 3–12 MeV (qattiq beta nurlanish) gacha keng chegaralarga ega.

Gamma nurlanishi (g) elektromagnit to'lqinlar oqimidir; bu radio to'lqinlar, ko'rinadigan yorug'lik, ultrabinafsha va infraqizil nurlar va rentgen nurlari kabi.

Guruch. 13. Gamma-nurlanishning hosil bo'lish sxemasi

Har xil turdagi nurlanishlar shakllanish sharoitlari va ma'lum xossalari bilan farqlanadi. Rentgen nurlanishi modda atomlari yadrosining elektr maydonida tez elektronlar sekinlashganda (bremsstrahlung) yoki atomlar va molekulalarning ionlanishi va qo'zg'alishi paytida atomlarning elektron qobig'i qayta joylanganda (xarakterli rentgen nurlanishi) sodir bo'ladi. Har xil hayajonlangan holatdan qo'zg'almas holatga o'tish paytida ko'rinadigan yorug'lik, infraqizil va ultrabinafsha nurlar chiqishi mumkin. Gamma kvantlar atom yadrolari tomonidan tabiiy va sun'iy radionuklidlarning alfa va beta-parchalanishi paytida, korpuskulyar nurlanish bilan ushlanmagan qiz yadrosida ortiqcha energiya topilganda chiqariladi. Gamma nurlari tinch massaga, zaryadga ega emas va shuning uchun elektr yoki magnit maydonda og'ishmaydi. Materiyada va vakuumda gamma nurlanish to'g'ri chiziqda va barcha yo'nalishlarda bir xilda tarqaladi. Gamma kvantning energiyasi tebranish chastotasiga proportsional bo'lib, quyidagi formula bilan aniqlanadi:

Masalan, h × n, (1.16)

bu yerda h - Plankning universal doimiysi (4,13 × 10 –21 MeV/s); n - soniyada tebranishlar chastotasi.

Tebranish chastotasi to'lqin uzunligi bilan bog'liq. To'lqin uzunligi qanchalik uzun bo'lsa, tebranish chastotasi shunchalik past bo'ladi va aksincha, ya'ni. chastota to'lqin uzunligiga teskari proportsionaldir. Gamma nurlanishining energiyasi bir necha keV dan 2-3 MeV gacha o'zgarib turadi. Gamma nurlanish oqimining tarkibi ko'pincha turli energiya qiymatlarining kvantlarini o'z ichiga oladi. Biroq, ularning to'plami har bir izotop uchun doimiydir.

Zaryadsiz va tinch massaga ega bo'lmagan gamma kvantlar zaif ionlashtiruvchi ta'sirga olib keladi, lekin yuqori penetratsion kuchga ega. Havodagi yo'l 100-150 m ga etadi (14-rasmga qarang).

Guruch. 14. Alfa, beta va gamma zarralarining kirib borish qobiliyati.

Neytronlar. Zaryadlangan zarrachalardan farqli o'laroq, neytronlar elektr zaryadini olib yurmaydi, bu ularga atomlarga erkin kirib borish imkonini beradi; ikkinchisi bilan to'qnashganda, ular u tomonidan so'riladi yoki qaytariladi. Elastik sochilish natijasida kuchli ionlashtiruvchi yuqori energiyali protonlar hosil bo'ladi va neytronlar atom yadrolari tomonidan yutilganda, ikkinchisidan protonlar, alfa zarralari va g-kvantlar chiqariladi, ular ham ionlanishni keltirib chiqaradi. Shunday qilib, neytron nurlanishi ostida yakuniy biologik ta'sir ikkilamchi zarralar yoki g-kvantlar tomonidan bilvosita hosil bo'lgan ionlanish bilan bog'liq. Neytronlarning u yoki bu yadroviy o'zaro ta'sirining hissasi nurlangan moddaning tarkibiga va ularning energiyasiga bog'liq. Energiya qiymatiga ko'ra, neytronlarning to'rt turi farqlanadi: tez, oraliq, sekin va termal (15-rasmga qarang).

Neytronlar zich ionlashtiruvchi nurlanish deb tasniflanadi, chunki ular hosil qilgan orqaga qaytish protonlarining diapazoni kichikdir. Biroq, ular neytronlarning yuqori penetratsion kuchi tufayli katta chuqurliklarda paydo bo'ladi.

Salbiy p mezonlari- massasi elektronning massasidan 273 marta katta bo'lgan manfiy zaryadlangan zarralar. Ular sun'iy yo'l bilan olinadi. Bu zarralar atomlar yadrolari bilan o'zaro ta'sir qilishning noyob qobiliyatiga ega. 25 dan 100 MeV gacha energiyaga ega bo'lgan manfiy pimezonlar deyarli hech qanday yadroviy o'zaro ta'sirlarsiz to'liq sekinlashguncha materiya bo'ylab harakatlanadi. Yugurish oxirida ular to'qima atomlarining yadrolari tomonidan 100% ehtimollik bilan ushlanadi.

Guruch. 15. Neytronlarning turlari.

1.3.2. Radioaktiv nurlanishlarning o'zaro ta'siri
modda bilan

Birinchidan, faqat jismoniy soniyaning milliondan bir qismida sodir bo'ladigan o'zaro ta'sir bosqichi foton energiyasining bir qismini atom elektronlaridan biriga o'tkazishdan, so'ngra ionlanish va qo'zg'alishdan iborat. Ortiqcha energiyaga ega bo'lgan ionlar va qo'zg'atilgan atomlar shuning uchun kimyoviy reaktivlikning kuchayishi bilan ajralib turadi, ular oddiy, qo'zg'almas atomlar uchun mumkin bo'lmagan reaktsiyalarga kirisha oladi.

Ikkinchidan, fizik va kimyoviy, bosqich nurlangan moddaning tarkibi va tuzilishiga qarab davom etadi. Asosiy ahamiyatga ega suv va kislorod mavjudligi. Agar ular yo'q bo'lsa, u holda radiatsiya bilan faollashtirilgan atomlarning kimyoviy o'zaro ta'sir qilish imkoniyatlari cheklangan, mahalliylashtirilgan.

Alfa va beta zarralarining o'zaro ta'siri. Zaryadlangan zarralar moddadan o'tib, atomlarning elektronlari bilan, shuningdek, yadroning elektr maydoni bilan o'zaro ta'sir qilish natijasida asta-sekin energiyani yo'qotadi. a- va b-zarralarning kinetik energiyasi ionlanishga, ya'ni atomdan elektronlarning ajralib chiqishiga, atom va molekulalarning qo'zg'alishiga sarflanadi. Yadroning elektr maydoni bilan o'zaro ta'sirlashganda, zaryadlangan zarracha sekinlashadi va uning harakat yo'nalishini o'zgartiradi, shu bilan birga radiatsiya emissiyasi sodir bo'ladi, bu o'z xususiyatlariga ko'ra rentgen nuriga yaqin va bremsstrahlung rentgen nurlanishi deb ataladi.

Ionlanish jarayonining energiya tomonini belgilaydigan miqdor ionlash ishlari - bir juft ion hosil qilish uchun sarflangan o'rtacha ish. Tabiatan har xil, lekin bir xil energiyaga ega zaryadlangan zarralar deyarli bir xil miqdordagi ion juftlarini hosil qiladi. Biroq ionlanish zichligi , ya'ni. moddadagi zarrachaning birlik yo'lidagi juft ionlar soni har xil bo'ladi. Ionlanish zichligi zarracha zaryadining ortishi va tezligining pasayishi bilan ortadi.

Moddadan o'tib, zaryadlangan zarralar asta-sekin energiya va tezlikni yo'qotadi, shuning uchun zarrachaning yo'li bo'ylab ionlanish zichligi oshadi va yo'l oxiridagi qiymatga etadi. Yo‘l oxirida a-zarracha o‘ziga ikkita elektron biriktirib, geliy atomiga aylanadi va
b-zarracha (elektron) muhit atomlaridan biriga kirishi mumkin.

Moddadagi a yoki b-zarrachaning ionlanish jarayoni sodir bo'ladigan yo'liga deyiladi. zarrachalar diapazoni . Havodagi alfa zarracha diapazoni 10 sm ga, yumshoq biologik to'qimalarda esa bir necha o'nlab mikronlarga yetishi mumkin. Havodagi beta zarrachalarining diapazoni 25 m ga, to'qimalarda esa 1 sm gacha.

Alfa zarralari materiyada to'g'ri chiziq bo'ylab tarqaladi va faqat yaqinlashib kelayotgan atomlarning yadrolari bilan to'qnashganda yo'nalishini o'zgartiradi. Kichik massaga, yuqori tezlikka va manfiy zaryadga ega bo'lgan beta zarralari orbitadagi elektronlar va yaqinlashib kelayotgan atomlarning yadrolari bilan to'qnashuvi natijasida dastlabki yo'nalishidan sezilarli darajada chetga chiqadi. (tarqalish effekti). Ko'p sochilishdan o'tib, beta zarralari hatto teskari yo'nalishda - orqaga tarqalishda ham harakatlanishi mumkin. b-zarralarning sezilarli darajada tarqalishi tufayli materiyadagi haqiqiy yo'l uzunligi ularning diapazonidan 1,5-4 baravar katta. Yana bir farq a- va b-zarralarning materiyadan o'tishidir. Izotop chiqaradigan barcha alfa zarralari nisbatan teng energiyaga ega bo'lganligi va moddada to'g'ri chiziqli harakat qilganligi sababli, ularning absorberning birlik yuzasidan o'tadigan nurdagi soni faqat yugurish oxirida keskin nolga tushadi. Beta-zarrachalar spektri uzluksiz, shuning uchun absorber qalinligining oshishi bilan birlik yuzasidan oʻtuvchi nurdagi beta-zarrachalar soni asta-sekin kamayadi.

Moddada b-zarralar oqimi intensivligining zaiflashishi eksponensial bog'liqlikka taxminan bo'ysunadi:

N \u003d N 0 × e - m a, (1.17)

bu erda N - absorber qatlamidan o'tgan beta zarrachalar soni d sm, N 0 - absorber maydoni 1 sm 2 ga teng bo'lgan 1 soniyada kelgan beta zarrachalar soni; e - natural logarifmlarning asosi; m - qalinligi 1 sm bo'lgan absorberdan o'tgandan so'ng b-zarrachalar oqimi intensivligining nisbiy zaiflashuvini tavsiflovchi chiziqli nurlanish susayish koeffitsienti.

Gamma nurlanishining moddalar bilan o'zaro ta'siri. Yadroning radioaktiv parchalanishi vaqtida turli energiyaga ega bo'lgan g-kvantlar chiqariladi. Moddadan o'tayotganda ular uchta ta'sir tufayli energiyani yo'qotadilar: fotoelektrik yutilish, Komptonning tarqalishi va elektron-pozitron juftlarining hosil bo'lishi.

Da fotoelektrik effekt tushayotgan kvantning energiyasi modda tomonidan to'liq so'riladi, natijada ma'lum bir kinetik energiyaga ega bo'lgan erkin elektronlar paydo bo'ladi, ularning qiymati nurlanish kvantining energiyasidan berilgan elektronning ish funktsiyasini ayiqqa teng. atom. Neytral atomlardan biri bilan bog'langan erkin elektron manfiy ion hosil qiladi. Fotoelektrik effekt faqat uzun to'lqinli rentgen nurlari uchun xarakterlidir. Uning ehtimoli atom raqamiga bog'liq va Z 5 ga proportsionaldir. Fotoelektrik effekt jarayoni kuchsiz bog'langan va erkin (yadro bilan bog'lanmagan) elektronlarda mumkin emas, chunki ular g-kvantlarni o'zlashtira olmaydi.

Da Kompton effekti g-kvantlar elektronlar bilan to'qnashib, ularga butun energiyasini emas, balki faqat bir qismini o'tkazadi va to'qnashuvdan keyin ularning harakat yo'nalishini o'zgartiradi. G-kvantlar bilan toʻqnashuv natijasida hosil boʻlgan elektronlar sezilarli kinetik energiyaga ega boʻladi va uni moddaning ionlanishiga (ikkilamchi ionlanish) sarflaydi. Bu. Kompton effekti natijasida gamma-nurlanish intensivligi muhit elektronlari bilan oʻzaro taʼsir etuvchi g-kvantlarning turli yoʻnalishlarda tarqalishi va birlamchi nurdan tashqariga chiqishi, shuningdek, oʻtish natijasida zaiflashadi. energiyasining bir qismini elektronlarga aylantiradi.

Ulanish. Moddadan oʻtuvchi energiyasi kamida 1,02 MeV boʻlgan baʼzi g-kvantlar yadro yaqinidagi kuchli elektr maydon taʼsirida elektron-pozitron juftligiga aylanadi. Bunda materiyaning bir shaklidan - gamma-nurlanishdan ikkinchisiga - moddaning zarrachalariga o'tish sodir bo'ladi. Bunday juft zarralarning hosil bo'lishi faqat ikkala zarracha - elektron va pozitronning massasiga teng energiyadan kam bo'lmagan foton energiyalarida mumkin.

Olingan elektron-pozitron juftligi keyinchalik yo'qolib, zarrachalarning qolgan massasining energiya ekvivalentiga teng energiyaga ega bo'lgan ikkita ikkilamchi g-kvantaga aylanadi - 0,511 MeV. Juftlik hosil bo‘lish ehtimoli g-kvanta energiyasi va absorber zichligi ortishi bilan ortadi.

Gamma-nurlanishning moddaning susayishi qonuni a- va b-zarrachalarning susayishi qonunidan sezilarli farq qiladi. Absorberning qalinligi ortishi bilan g-nurlari doimiy ravishda so'riladi. Bular. Modda qatlamining qalinligi qanday bo'lishidan qat'iy nazar, g-nurlari oqimini to'liq o'zlashtirib bo'lmaydi, faqat uning intensivligini ma'lum bir necha marta zaiflashtirish mumkin. Bu g-nurlarining susayishi tabiati va a- va b-zarrachalarning susayishi oʻrtasidagi muhim farq boʻlib, buning uchun har doim a- yoki b-zarrachalar oqimi boʻlgan materiya qatlamini tanlash mumkin. butunlay so'riladi.

G-nurlarining zaiflashuvi qonuni quyidagi shaklga ega:

Men \u003d I 0 × e - m a, (1.18)

bu erda I - absorber qatlamidan o'tgan g-nurlarining intensivligi; I 0 - gamma nurlarining tushayotgan nurlarining intensivligi; m - chiziqli zaiflashuv koeffitsienti, qalinligi 1 sm bo'lgan absorber qatlamidan o'tgandan keyin gamma-nurlarining intensivligining nisbiy pasayishiga teng Chiziqli zaiflashuv koeffitsienti - gamma-nurining zaiflashishini hisobga oladigan umumiy koeffitsient. barcha uchta jarayon tufayli nurlanish: fotoelektr effekti (t f), Kompton effekti (t k) va juft hosil bo'lishi (t p):

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

2-bo'lim (№3-4 ma'ruzalar)

RADIOEKOLOGIYA ASOSLARI