ФИЗИКА АТОМА И АТОМНЫХ ЯВЛЕНИЙ. 2 1. Введение 1.1. Предмет атомной физики, её краткая история развития, цели и задачи 1.2. Основные определения. Электрон, - презентация

1 ФИЗИКА АТОМА И АТОМНЫХ ЯВЛЕНИЙ

2 2 1. Введение 1.1. Предмет атомной физики, её краткая история развития, цели и задачи 1.2. Основные определения. Электрон, протон, нейтрон, атом, ион, молекула, нуклид, атомное ядро, химический элемент, изотопы 1.3. Ядерные и оболочечные свойства атома 1.4. Единицы измерения физических величин в атомной физике. Электрон-вольт. Моль, постоянная Авогадро, атомная единица массы, относительная атомная масса. Масштабы энергий, длин, частот, масс в атомной и ядерной физике 1.5. Классическая, релятивистская и квантовая физика. Импульс и энергия 1.6. Фотон. Шкала энергий фотонов (шкала электромагнитного излучения)

3 3 Физика атома Атомная физика (физика атома и атомных явлений) это раздел физики, изучающий строение и свойства атомов, а также элементарные процессы, в которых атомы принимают участие Объектами исследования атомной физики являются как атомы, так и молекулы, атомные и молекулярные ионы, экзотические атомы и другие микрочастицы В явлениях, изучаемых в рамках атомной физики, основную роль играют электромагнитные взаимодействия Результаты исследований в области атомной физики служат основой понимания химической связи, оптических и туннельных явлений, процессов в плазме, нейтральных жидкостях, твёрдых телах (в т. ч. полупроводниках и наноматериалах) Теоретической основой самой атомной физики являются квантовая теория и квантовая электродинамика Чёткой границы между атомной физикой и другими разделами физики не существует, и в соответствии с международной классификацией, атомная физика включена в область атомной, молекулярной физики и оптики

4 4 Краткая история развития атомной физики Понятие «атом» употреблялось древнегреческими учеными (V – II веках до н. э.) для обозначения наименьших, неделимых частиц, из которых состоит всё существующее в мире Экспериментальные подтверждения атомистических представлений были получены в XIX века в химических и физических исследованиях Представление о том, что атом состоит из положительно и отрицательно заряженных частей, было обосновано во второй половине XIX-го века В 1897 г. Дж.Дж. Томсоном был открыт электрон, и вскоре доказано, что он является составной частью всех атомов Представление об атоме как о системе, состоящей из ядра атомного и электронной оболочки, было обосновано Э. Резерфордом в 1911 году После того, как это представление стало общепринятым, из атомной физики выделилась ядерная физика и, несколько позже, физика элементарных частиц

5 5 Краткая история развития атомной физики Основы современной атомной физики были заложены в начале XX-го века, когда на основе модели атома Э. Резерфорда и развития квантовых представлений М. Планка (1900) и А. Эйнштейна (1905) Н. Бором были даны объяснения ряда важнейших свойств атома (1913) и выдвинуты два «квантовых» постулата Согласно первому из них, существуют особые (стационарные) состояния атома, в которых последний не излучает энергии, хотя входящие в его состав заряженные частицы (электроны) совершают ускоренное движение Согласно второму постулату, излучение атома происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое, а частота ν этого излучения определяется из условия h = E – E (правила частот Бора), где h постоянная Планка, E и E значения энергии атома в начальном и конечном состояниях Первый постулат отражает факт устойчивости атома, второй дискретность частот в атомных спектрах

6 6 Краткая история развития атомной физики На смену теории Бора, которая оказалась не в состоянии исчерпывающим образом объяснить свойства атомов и молекул, пришла последовательная квантовая теория, созданная в 20-х – 30-х годах XX-го века (В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак) Тем не менее, постулаты Бора по-прежнему сохраняют свою значимость и неотъемлемым образом входят в основы физики микроскопических явлений В рамках современной квантовой теории дано максимально полное объяснение свойств атома: принципы формирования оптических и рентгеновских спектров, поведение атомов в магнитных (эффект Зеемана) и электрических (эффект Штарка) полях, получили теоретическое обоснование периодическая система элементов и природа химической связи, были разработаны методы расчёта электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел (метод самосогласованного поля Хартри – Фока), созданы новые устройства для изучения структуры и свойств вещества (электронный микроскоп) Развитие идей квантовой теории (гипотеза спина, принцип Паули и др.), в свою очередь, опиралось на экспериментальные исследования в области атомной физики (линейчатые спектры атомов, фотоэффект, тонкая и сверхтонкая структура спектральных линий, опыты Франка и Герца, Дэвиссона и Джермера, Штерна и Герлаха, эффект Комптона, открытие дейтерия и других изотопов, эффект Оже и др.)

7 7 Краткая история развития атомной физики Во второй трети XX-го века в рамках атомной физики и на основе идей квантовой теории были разработаны новые экспериментальные методы физических исследований: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС), спектроскопия электронного удара (СЭУ), созданы устройства для их осуществления (мазер, лазер и др.) Непосредственное экспериментальное подтверждение получили фундаментальные принципы квантовой теории (интерференция квантовых состояний, лэмбовский сдвиг уровней и др.), предложены новые методы расчёта электронной структуры вещества (теория функционала плотности), предсказаны новые физические явления (сверхизлучение) Разработаны методы экспериментальных исследований процессов, происходящих с одиночными атомами, ионами и электронами, удерживаемыми электрическим и магнитным полями специальной конфигурации (атомными и ионными «ловушками»)

8 8 Краткая история развития атомной физики Новые результаты в области атомной физики последней трети XX-го – начала XXI века в основном связаны с использованием лазеров В научной практике широко применяются методы лазерной спектроскопии, в т. ч. нелинейной, на основе которых появилась возможность осуществлять спектроскопические измерения с одиночными атомами и молекулами, определять характеристики высоковозбуждённых состояний атомов, исследовать динамику внутриатомных и внутримолекулярных процессов длительностью до нескольких фемтосекунд (10 –15 с) С помощью лазеров удалось осуществить и детально исследовать многофотонные процессы взаимодействия излучения с атомными системами (многофотонный фотоэффект, умножение частоты), а также охлаждение отдельных атомов до сверхнизких температур Теоретические исследования последних десятилетий в области атомной физики связаны со стремительным прогрессом вычислительной техники и направлены на разработку эффективных методов и средств расчёта электронной структуры и свойств многоэлектронных атомных систем с учётом энергии электронной корреляции, релятивистских квантово-механических и квантово- электродинамических поправок

9 9 Атомная физика Исследования в области атомной физики нашли множество научных и практических применений В промышленных целях для определения элементного состава вещества используются методы атомного спектрального анализа, включая ЭПР, ФЭС и СЭУ Для решения геологических, биологических и медицинских задач используются методы дистанционного и локального лазерного спектрального атомного анализа, в промышленных и технических целях осуществляется лазерное разделение изотопов Экспериментальные и теоретические методы атомной физики находят применение в астрофизике (определение состава и физических характеристик вещества звёзд и межзвёздной среды, исследование ридберговских атомов), метрологии (атомные часы) и других областях науки и техники

10 10 Цели и задачи курса атомной физики Основная цель дисциплины «Физика атома и атомных явлений», как части курса общей физики, заключается в формировании базовых знаний по физике микроскопических явлений на атомно-молекулярном уровне и умения применять их для решения прикладных проблем Для достижения этой цели решаются следующие задачи: – анализ развития атомистических и становления квантовых представлений; – изучение важнейших экспериментальных фактов атомной физики и их взаимосвязи; – выявление специфики микроявлений и несостоятельности классической теории для их объяснения; – изучение основ квантовой механики и методов решения квантово- механических задач; – систематическое изучение и объяснение на основе квантовой теории строения и свойств атомов и молекул, их поведения во внешних полях и во взаимодействии друг с другом

11 11 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ: ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН, АТОМ, ИОН, МОЛЕКУЛА, НУКЛИД, АТОМНОЕ ЯДРО, ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ИЗОТОПЫ

12 12 Электрон Электрон стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом Абсолютная величина заряда электрона равна элементарному заряду q e = –e –1.610 –19 Кл Масса электрона m e = m –31 кг Спин электрона равен ½ Магнитный момент электрона по модулю примерно равен магнетону Бора μ e –μ Б – –4 эВ/Тл Для обозначения электрона используются символ e или e – Электроны образуют электронные оболочки всех атомов и ионов Электрон имеет античастицу позитрон (e + )

13 13 Пучок электронов в магнитном поле

14 14 Электрон и позитрон Спиральные треки электронов и позитронов в камере Вильсона Электрон и позитрон рождаются в результате распада гамма-кванта Треки электронов закручены по часовой стрелке, позитронов – против

15 15 Протон Протон стабильная элементарная частица с положительным электрическим зарядом Заряд протона равен элементарному заряду q p = e –19 Кл Масса протона m p 1836m e –27 кг Спин протона равен ½ Магнитный момент протона μ p –8 эВ/Тл Протон обозначается символом p или p + Протон имеет античастицу антипротон (p – )

16 16 Аннигиляция антипротона Антипротон (голубой трек) сталкивается с протоном в пузырьковой камере В результате возникают четыре положительных пиона (красные треки) и четыре отрицательных (зелёные треки) Жёлтый трек принадлежит мюону, который рождается в результате распада пиона

17 17 Нейтрон Нейтрон элементарная частица с нулевым электрическим зарядом Время жизни нейтрона в свободном состоянии составляет примерно 886 с Масса нейтрона m n 1839m e –27 кг Спин нейтрона равен ½ Несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон обладает магнитным моментом μ n – –8 эВ/Тл Нейтрон обозначается символом n или n 0 Нейтрон имеет античастицу антинейтрон Протоны и нейтроны объединяют общим названием нуклоны Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов

18 18 Нейтрон Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они не оставляют треков в камерах-детекторах частиц Тем не менее нейтроны можно обнаружить по результатам их взаимодействия с другими, заряженными, частицами Расцвеченное изображение показывает треки частиц в камере Вильсона, наполненной смесью газообразного водорода, этилового спирта и воды Пучок нейтронов проникает в камеру снизу и вызывает трансмутации атомов кислорода и углерода, входящих в состав молекул этилового спирта

19 19 Атом Атом микрочастица, состоящая из атомного ядра и окружающих его электронов (электронной оболочки) Положительно заряженное ядро удерживает отрицательно заряженные электроны силами электрического притяжения Поскольку ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и при этом электрический заряд нейтрона равен нулю, протона элементарному заряду e, заряд электрона равен e, то при числе электронов в оболочке, равном числу протонов в ядре, суммарный электрический заряд атома равен нулю Размеры ядра (~ 10 –15 – 10 –14 м) крайне малы по сравнению с размерами атома (~10 –10 м), однако из-за того, что масса протона (как и нейтрона) почти в 2 тысячи раз больше массы электрона, практически вся масса атома ( ) сосредоточена в ядре

20 20 Атом золота Au Изображение отдельного атома золота получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Увеличение в раз до размера в 35 мм

21 21 Атомы золота Au Расцвеченное изображение атомов золота на графитовой подложке получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа

22 22 Атомы кремния Si Расцвеченное изображение атомов кремния получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Показана элементарная ячейка кристалла. Также видны связи между атомами Увеличение в раз до размера в 35 мм

23 23 Атомы марганца Mn Расцвеченное изображение атомов марганца получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Изображение демонстрирует отталкивание двух атомов марганца, внедрённых в полупроводниковый кристалл арсенида галлия GaAs

24 24 Атомы урана U Расцвеченное изображение атомов урана получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Маленькие точки правильной формы – отдельные атомы, более крупные образования – кластеры, состоящие из 2–20 атомов Размер поля зрения – примерно 100 Å. Увеличение в раз до размера в 35 мм

25 25 Микрокристаллы уранила UO 2 2+ Расцвеченное изображение микрокристаллов уранила получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Каждое пятнышко представляет собой отдельный атом урана Увеличение в раз до размера в 35 мм

26 26 Атомы вольфрама W Расцвеченное изображение острия вольфрамовой иглы получено с помощью ионного проектора Видны отдельные атомы, а также следы атомов, удалённых с поверхности иглы за время экспозиции изображения (около 1 секунды)

27 27 Химический элемент, нуклид, изотопы Атомы с определенным числом протонов Z в ядре принадлежат одному и тому же химическому элементу. Число Z называется атомным номером химического элемента. Совокупность атомов с определенным числом протонов Z и нейтронов N в ядре называется нуклидом. Нуклиды обозначают, добавляя к названию элемента значение массового числа А, равного сумме Z + N (например, кислород-16, уран-235), или помещая число А возле символа элемента ( 16 О, 235 U). Нуклиды одного и того же элемента называются изотопами. Масса самого легкого атома атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, равна m H 1.67·10 –27 кг. Массы остальных атомов приближенно в А раз больше, чем m H. В природе встречается 90 химических элементов и более 300 различных нуклидов; 270 из них стабильны, остальные радиоактивны. Около радиоактивных нуклидов получено искусственным путем.

28 28 Периодическая система химических элементов

29 29 Таблица изотопов

30 30 Изотопы гелия Ядро гелия-4 содержит два нейтрона (голубые шарики) и два протона (красные шарики) Ядро гелия-6 состоит из ядра гелия-4, окружённого двухнейтронным «гало» В ядре гелия-8 таких пар нейтронов две

31 31 Ионы Процесс удаления или присоединения электронов к атому называют ионизацией При числе электронов в оболочке, меньшем Z, получается положительный атомный ион, при большем, чем Z отрицательный Таким образом, ион это электрически заряженный атом (или молекула), который образуется при отрыве или присоединении одного или нескольких электронов к нейтральному атому (или молекуле)

32 32 Ионы Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные анионами. Ионы обозначаются химическим символом с индексом, который указывает кратность (величину заряда в единицах элементарного заряда) и знак иона: H –, Na +, UO 2 2+ Ионы могут представлять собой как устойчивые образования (как правило, в растворах или кристаллах), так и неустойчивые (в газах при обычных условиях) Атомные катионы могут быть получены вплоть до заряда +(Z – 1). Так, на ускорителях ионов получены, например, U 90+ и U 91+ Атомные анионы с зарядом 2 и более в свободном состоянии не существуют

33 33 Ионная ловушка (1959) Ионная ловушка (ловушка Пеннинга), в которой созданы электрическое и магнитное поля специальной конфигурации, позволяет длительное время удерживать одиночные ионы и электроны

34 34 Молекула Молекула это наименьшая устойчивая частица вещества, состоящая более чем из одного атома Молекула характеризуется определённым составом атомных ядер, числом электронов и пространственной структурой Для обозначения количественного и качественного состава молекул используются химические формулы: O 2 (молекула кислорода), H 2 O (молекула воды), CH 4 (молекула метана), C 6 H 6 (молекула бензола), C 60 (молекула фуллерена)

35 35 Молекулы метана и бензола

36 36 Молекула аспирина

37 37 Молекула фуллерена С 60

38 38 Молекула инсулина

39 39 Молекула ДНК Расцвеченное изображение молекулы ДНК получено при помощи просвечивающего электронного микроскопа В камере с высоким вакуумом образец ДНК покрывают тонким слоем платины Металлическое покрытие даёт контрастное изображение в электронном микроскопе

40 40 Ядерные и оболочечные свойства атома Ядерные свойстваОболочечные свойства Определяются составом ядра: радиоактивность, способность участвовать в ядерных реакциях и т. п. Определяются строением электронной оболочки: химические, физические (электрические, магнитные, оптические и т. д.)

41 41 ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ

42 42 Энергия Единицей энергии в СИ является джоуль (Дж), однако для величин энергии объектов и явлений атомной физики такая единица используется редко Более употребительной является внесистемная единица энергии, называемая электрон-вольтом (эВ, eV) Электрон-вольт это энергия, которую приобретает заряженная частица с элементарным зарядом, проходя ускоряющую разность потенциалов в 1 вольт: 1 эВ = Дж Для измерения энергий в атомной и ядерной физике используются кратные (кэВ, 1 кэВ = 10 3 эВ, МэВ, 1 МэВ = 10 6 эВ) и дольные (мкэВ, 1 мкэВ = 10 –6 эВ) единицы электрон-вольта, а также некоторые другие: ридберг (Rydberg, Ry), хартри (hartree, Ha, или атомная единица, а. е.) Ридберг численно равен энергии ионизации атома водорода из основного состояния в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ry эВ Хартри равен абсолютной величине потенциальной энергии электрона в основном состоянии атома водорода в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ha = 2 Ry эВ Энергии состояний атомных систем, а также переходов между состояниями могут измеряться и в других единицах

43 43 Масса Единицей массы в СИ является килограмм (кг), однако для измерения масс объектов атомной физики используется внесистемная единица измерения, называемая атомной единицей массы (а. е. м.) Атомная единица массы равна 1/12 массы несвязанного невозбуждённого атома углерода-12 ( 12 С): 1 а. е. м кг 1 а. е. м. приблизительно равна массе одного протона или нейтрона Относительная атомная масса масса атома, выраженная в а. е. м. Постоянная Авогадро N A физическая константа, численно равная количеству атомов в 12 г чистого изотопа углерода-12: N A моль –1 Моль (единица количества вещества в СИ) по определению содержит N A структурных элементов (атомов, молекул, ионов).

44 44 Длина Единицей длины в СИ является метр (м). 1 метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/ секунды. За исключением измерений длин волн электромагнитного излучения радиодиапазона, такая единица длины редко применяется в атомной физике, а вместо неё для измерения линейных размеров, а также длин волн используются дольные единицы метра: сантиметр (см, 1 см = 10 –2 м), миллиметр (мм, 1 мм = 10 –3 м), микрометр (мкм, μм, 1 мкм = 10 –6 м), нанометр (нм, 1 нм = 10 –9 м), пикометр (пм, 1 пм = 10 –12 м) и другие, а также внесистемные единицы: ангстрем (Å, 1 Å = 0.1 нм = 10 –10 м), бор (или боровский радиус) (1 бор Å)

45 45 Время Единицей длительности промежутков времени в СИ является секунда (с) В настоящее время секунда определяется на основе т. н. атомного эталона времени: одна секунда (или атомная секунда) равна периодам электромагнитного излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния изотопа 133 Cs (цезия-133) Длительности быстропротекающих процессов в атомной физике принято измерять в дольных единицах секунды: нано-, пико- или фемтосекундах (нс, пс, фс, 1 фс = 10 –15 с)

46 46 Масштабы физических величин в атомной и ядерной физике Для явлений атомной физики характерны размеры от 10 –12 м (внутренние подоболочки тяжелых атомов) до десятых долей нанометра (размеры атомов и небольших молекул), энергии от 10 –6 эВ (сверхтонкая структура уровней) до 10 5 эВ (энергии связи электронов внутренних подоболочек), времена от десятков фемтосекунд (длительности сверхкоротких лазерных импульсов) до тысяч секунд (времена жизни метастабильных состояний атомов) Типичные размеры молекул составляют 0.1–1 нм. Межъядерное расстояние у наименьшей молекулы (H 2 ) равно нм Макромолекулы ДНК и многих полимеров могут иметь макроскопические размеры. Так, длина развёрнутой спирали ДНК может достигать нескольких сантиметров при ширине примерно 2 нм.

47 47 Фотон Фотон, или квант электромагнитного излучения (поля), безмассовая элементарная частица, не имеющая электрического заряда В вакууме фотон движется со скоростью c Фотон имеет спин, равный 1 Проекции спина на направления, перпендикулярные направлению распространению фотона, определяют состояние его поляризации Фотон обозначается символом γ

48 48 Излучение ионного аргонового лазера

49 49 Шкала энергий фотонов (шкала электромагнитного излучения)