uabooks.top

FEJEZET. ATOM- ES MAGFIZIKA

1897. április 30-án a Londoni Királyi Társaság ülésén Joseph John Thomson (1856-1940) angol fizikus beszámolt a szubatomi részecskék, pontosabban az elektronok létezésének kísérleti bizonyításáról, amelynek hipotézisét a fizikusok 40 évvel előtte állították fel. Thomson felszólalásának dátumát tekintik az elektron „születésnapjának". Kijelenthetjük, hogy a fizikusok ezen a napon bizonyosodtak meg véglegesen az atom összetett felépítéséről. Tehát milyen is az atom felépítése?

Hogyan jött létre az atom magmodellje?

Az atom első modelljeinek egyikét 1903-ban John Thomson szerkesztette meg. Feltételezte, hogy az atom gömb formájú; a pozitív töltés a teljes térfogatban egyenletesen van elosztva, a negatív pedig a gömbbe van ágyazva (36.1. ábra); az elektronok össztöltése egyenlő a gömb töltésével, ezért az atom elektromosan semleges.

Szerintetek a Thomson által elképzelt atommo-dellt miért nevezték „mazsolás pudingnak”?

Az atom belső felépítésének kutatásában a további előrelépés Ernest Rutherford (1871-1937) angol fizikus nevéhez kapcsolódik. Vezetése alatt az 1908-1911 közötti években elvégzett kísérletek során az α-részecskék szóródását tanulmányozta vékony aranyfólia lemezen.

A kísérleteiben a tudós α-radioaktív anyagot használt, amelyet vékony réssel ellátott ólomtömbbe helyezett. A tömbből az a-részecske nyalábot vékony aranyfóliára irányította, ahonnan egy cink-szulfiddal bevont ernyőre került (36.2. ábra). Amikor az α-részecskék eltalálták az ernyőt, a becsapódás helye gyengén felvillant. A tudósok mikroszkóppal figyelték az ernyőt, és regisztrálták a felvillanásokat.

A kísérletek során kiderült: 1) az a-részecs-kék túlnyomó része kevés irányváltoztatással halad át az aranyfólián; 2) egyes a-részecskék

irányváltoztatással jutnak túl a fólián; 3) nagyjából 20 000-ból egy részecske visszapattan a fóliáról, mintha abban valami áthatolhatatlan akadály lenne (36.3. ábra).

Nyilvánvaló, hogy Rutherford nem láthatta az atom belső szerkezetét, így kénytelen volt saját logikájára hagyatkozni.

Ha a pozitív töltés és a tömeg egyenletesen oszlik el az atom térfogatában (Thomson így gondolta), akkor minden α-részecskének irány-változtatás nélkül kell áthaladnia a fólián (a kis elektronok nem tudják megállítani a viszonylag nehéz és gyors α-részecskéket — a hélium atommagját, amelynek sebessége 10 000 km/s).

Ha a pozitív töltés és a tömeg az atomon belül kis térfogatrészben koncentrálódik, akkor az α-részecskékkel történő ütközés után a pozitív α-részecskék visszapattanhatnak, amelyek a térfogatrészhez közel elhaladva az elektromos taszítás hatására eltérhetnek.

Érthető, hogy ez a második lehetőség inkább alátámasztja a kísérlet eredményeit. 1911-ben, a kísérletek elvégzése után Rutherford megalkotta a planetáris atommodellt (magmodellt): az atom pozitív töltésű magból áll, amelyet negatívan töltött részecskék — elektronok - vesznek körül; az atom szinte teljes tömege a magban koncentrálódik (36.4. ábra).

A planetáris atommodell fényesen megmagyarázta az α-részecskék szórására végzett kísérletet, de ellentmondott a klasszikus elektrodinamika törvényeinek.

Arról van szó, hogy a planetáris pályán végzett mozgás centripetálisan gyorsuló mozgás, Maxwell elmélete szerint a töltések gyorsuló mozgását elektromágneses hullámok sugárzása kíséri. Tehát az elektronnak az atomban elektromágneses hullámot kellene sugároznia, vagyis energiát kellene veszítenie. Ennek viszont az lenne a következménye, hogy csökkenne az elektron sebessége, és az elektron az atommagba esne (36.5. ábra). Az atom azonban nagyon stabil.

Bohr posztulátumai

A planetáris modell módosítását 1913-ban végezte el Niels Bohr (1885—1962) dán fizikus, aki meg volt győződve róla, hogy az atom felépítését kvantumelképzelések szemszögéből kell vizsgálni. Azt feltételezte, hogy az atomban az elektronok speciális állapotban vannak. Ezek az állapotok két hipotézis alapján határozhatók meg, amelyeket Bohr posztulátumainak neveztek el.

36.6. ábra. Az atomok egyik energetikai szintről a másikra történő átmenetének vázlata (az átmeneteket nyilakkal jelöltük): alsóbb szintre való átmenetkor az atom elektromágneses hullámokat bocsát ki (1 átmenet), fordított átmenetkor elnyeli azokat (2 átmenet)

Bohr első posztulátuma (a stacionárius állapotról): Az atomok rendszere csak sajátos stacionárius (kvantum) energetikai állapotokban létezhet, amelyek mindegyikének meghatározott energiameny-nyiség felel meg; a stacionárius állapotban az atom nem sugároz energiát.

Bohr második posztulátuma (a kvantumugrásokról)·. Az egyik energiaszintű stacionárius állapotból a másik energiaszintű állapotba való átmenet során az atom elektromágneses energiakvantumokat sugároz ki vagy nyel el:

ahol hv — a kvantum energiája; — az atom kezdeti állapotának energiája; E_m — az atom második állapotának energiája.

A kvantum a nagyobb energiájú állapotból kisebb energiájú állapotba való átmenetkor sugároz energiát (Ek > Em); energiaelnyelés épp ellenkezőleg, kisebb energiaállapotból a nagyobbá történő átmenet során történik (E_k < E_m) (36.6. ábra).

Jegyezzétek meg!

• Az atom tetszőleges stacionárius állapotának energiája negatív, ami az ellenkező előjelű elektronfelhő és az atommag kölcsönhatásának köszönhető.

• Az atomok energia-állapotának energiáját általában elektron-voltokban (eV) adják meg, ezért a feladatok oldása közben a Planck-állan-dót elektron-volt-másod-percekben célszerű megadni:

A hidrogénatom a -13,6 eV energiájú állapotból a -3,4 eV energiaállapotba ment át. Ebben az esetben az atom sugározta a fotont vagy elnyelte?

A legkisebb energiaszinttel rendelkező stacionárius állapotot az atom alapállapotának nevezik, amelyen az atom korlátlan ideig tartózkodhat. Ha az elektron bármilyen módon egy felsőbb energiaszintre „lökődik”, az elektron azonnal, a szabad fotonok kisugárzásával az alapállapotába tér vissza. Ezért az atom ettől különböző energiájú, a stacionáriustól eltérő állapotát gerjesztett állapotnak nevezzük.

Jegyezzétek meg! Az atom stacionárius állapota azt jelenti, hogy elektronjai csak diszkrét

(meghatározott) pályán mozoghatnak: Bohr esetében az elektronok mozgáspályája sugaráról volt szó, mi az elektronok pályájáról beszélünk. Az atom egyik energiaállapotból a másikba történő átmenete közben megváltozik az elektronfelhő alakja.

A kvantummechanika fizikai alapjai

Bohr a posztulátumai megfogalmazása során, csakúgy, mint Rutherford, arra az elképzelésre támaszkodott, hogy az elektron az atom belsejében meghatározott pályán mozgó részecskeként viselkedik. Ez volt a tévedése. A Bohr által létrehozott mennyiségi elmélet nem volt elegendő az összetett atomok és molekulák sugárzásának magyarázatára - a tudós csak a hidrogénatom sugárzásának elméletét tudta felépíteni.

Arról van ugyanis szó, hogy az atom belsejében az elektron viselkedése hullámra emlékeztet. „Viszont az elektron — részecske” — mondjátok ti és igazatok is lesz, meg nem is, mivel az elektron a fényhez hasonlóan egy időben hullám és részecske tulajdonságokkal is rendelkezik.

1924-ben Louis de Broglie (1892-1987) azt a hipotézist állította fel, mely szerint a hullám-részecske kettősség nem csak a fotonokra jellemző, hanem minden más mikrorészecskére is.

Hullámok vagy részecskék? Se nem hullámok, se nem részecskék!

„Az anyag és a fény egy idól)en részecske és hullámtulajdonságokkal is rendelkeznek, de ezek se nem hullámok, se nem részecskék, se nem azok keverékei. A mechanikai fogalmaink nem képesek teljes egészében felölelni a realitást, ehhez nem rendelkezünk elegendő valós képpel”. Szergej Vavilov (1891-1951) szovjet fizikus, a fizikai optika iskolájának megalapítója

Hullám-részecske kettősség - az anyagi objektumok olyan tulajdonsága, amely során ugyanazon objektum viselkedésében részecske és hullámjellegzetességek is megfigyelhetők.

A hullám-részecske kettősségről szóló elképzelések alkotják a kvantum-mechanika, a mai modern fizika egyik fő irányának alapját.

Louis de Broglie bebizonyította, hogy az energia (E = hv) és az impulzus

képletei univerzálisak — a fotonok és más részecskék esetében is érvé

nyesek.

Minden mozgó részecskének saját hullám felel meg — a de Broglie-hullám, amelyet a következő képlettel határozhatunk meg:

A részecskék de Brougli-hullámhossza nagyon csekély. Például a 7,3 10⁶ m/s sebességre felgyorsult elektronok esetében 1 ·10^-10 m (az atom mérete), az uránmagból 4 10⁶ m/s sebességgel kirepülő neutronok esetében — 1 10^-13 m.

Ezzel együtt napjainkban kísérletileg nem csak az elektronok és egyéb elemi részecskék (36.7. ábra), hanem az atomok és molekulák hullámtulajdonságait is meghatározták.

36.7. ábra. Neutronok (o) és röntgensugarak (b) diffrakciója diffrakciós rácsként szolgáló NaCI monokristályon

A klasszikus mechanikával ellentétben a kvantummechanika a rendszerek állapotának másféle leírását alkalmazza. A klasszikus mechanika bármelyik feladatában az anyagi pont (vagy test) meghatározott koordinátával rendelkezik, ami a térbeli helyzetét és meghatározott sebességét (vagy impulzusát) jellemzi. Ezzel ellentétben a kvantummechanikában a koordináta és az impulzus egy időben bizonyos pontossággal van meghatározva (Ля; - koordináta meghatározatlansága; Δp — impulzus meghatározatlansága), vagyis az objektum megjelenésének, valamint impulzusának lehetősége határozható meg egy meghatározott szakaszon.

Összegezés

A fizikusok által а XIX. században végzett kísérletek bebizonyították az anyagok atomi struktúráját és megerősítették az atom összetett felépítését.

A Rutherford vezetése alatt végzett kísérletek során felállították az atom planetáris modelljét.

A planetáris modell továbbfejlesztését Bohr posztulátumai segítették elő, amelyek alapján az elektronok az atomokban csak meghatározott pályán lehetnek. Ezen a pályán mozogva az elektron nem bocsát ki elektromágneses hullámokat. Az elektromágneses hullámok kibocsátása/elnyelése az elektronoknak az egyik stacionárius állapotból a másikba való átmenetekor történik.

A hullám-részecske kettősség bármilyen anyagi objektum univerzális tulajdonsága. A p impulzussal rendelkező anyagi objektumot a de Broglie-hullámhossz jellemzi:

Ellenőrző kérdések

1. írjátok le Thomson atommodelljét! 2. Ismertessétek Rutherford kísérletét, amellyel az α-részecskék vékony aranylemezen való szóródását figyelte meg! Milyen következtetést vont le a kísérletei alapján Rutherford? 3. Mi a különbség a Thomson és a Rutherford által ajánlott atommodellek között? 4. Mi a hiányossága az atom planetáris modelljének? 5. Fogalmazzátok meg Bohr posztulátumait!

6. Mi a lényege a hullám-részecske kettősségnek?

36. gyakorlat

1. Valamilyen atom energiaszintjeinek vázlatán (1, ábra) az atom egyik energiaszintről a másikra történő átmenetei láthatók. Milyen átmenetek során sugároz energiát a foton? Mikor nyeli el az energiát?

2. Az atom milyen átmeneténél (1. ábra) lesz az általa elnyelt vagy kisugárzott foton frekvenciája a legnagyobb? Milyen átmenet esetén lesz nagyobb a hullámhossz?

A higanyatomok alapállapotba történő átmenetük során 4,5 eV energiájú fotonokat sugároznak ki. Mekkora a sugárzás hullámhossza?

Valamilyen atom energiaszintjeinek vázlatán (2. ábra) az atom egyik energiaszintről a másikra történő átmenetei láthatók. Határozzátok meg, menynyi energiájú fotont nyel el az atom, ha: а) Е_г állapotból E₂ állapotba megy át; b) Ei állapotból E₄ állapotba megy át! Ismeretes, hogy v₁₃ = 6 ■ 10¹⁴ Hz, v₂4 = 4 · 10¹⁴ Hz, v₃₂ = 3 · 10¹⁴ Hz.

5. A Nagy Hadronütköztetőben a proton akkora sebességet ér el, ami csupán 3 m/s-al marad el a fény vákuumbeli sebességétől. Határozzátok meg a protonok de Broglie-hullámhosszát! A proton tömege 1,7 ·10^-27 kg.

6. Járjatok utána, miért volt a paragrafus elején egy Crookes-cső fényképe!

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev