Физические явления, физика, статьи по физике.

В 1944 году венгерский математик Джон Нейман (1903—
1957) выдвинул предположение, что с математической точки
зрения квантовая механика и матричная механика равнозначны:
одно и то же явление можно продемонстрировать с точки
зрения как квантовой, так и матричной механики1.
Теоретически квантовую теорию можно применить и для
объяснения химического поведения атомов. Однако, как показывает
практика, произвести подобные чудовищные расчеты
невозможно даже с использованием современных вычислительных
средств. Поэтому химия до сих пор остается намного менее
изученной наукой, чем физика.
Тем не менее с помощью квантовой теории можно объяснить
процесс формирования молекул из атомов. Американский химик
Лайнус Полинг (1901 — 1994) показал, как из двух атомов
образуется молекула — соединение, обладающее гораздо большей,
чем отдельные атомы, стабильностью. Общая электронная
оболочка модели атома Льюиса—Ленгмюра у Полинга превратилась
в две резонирующих друг с другом волны (см. ч. 1). Теория
резонанса Полинга подробно описана в его работе «Природа
химических связей» (1939).
Теория резонанса объясняет структуру и поведение молекул
гораздо глубже, чем модель Льюиса—Ленгмюра. В частности,
Полингу удалось объяснить образование молекул бензола и гидридов
бора. Вообще квантовая механика помогает разгадывать
все больше и больше тайн современной химии.

No Comments »

Под действием магнитного поля прямолинейная траектория
движения электрона меняется на криволинейную. (Так, например,
Луна под действием гравитационного поля Земли изменяет
свое движение с прямолинейного на криволинейное вокруг Земли.)
Траектория движения электрона отклоняется под действием
магнитной силы. Величина этой силы прямо пропорциональна
силе магнитного поля (И), величине электрического заряда (е) и
скорости движения (v) электрона. Именно эта скорость и определяет,
сколько линий магнитного поля электрон пересечет. (На
электрон в состоянии покоя или двигающийся параллельно этим
линия магнитное поле не действует.) Таким образом, отклоняющая
сила равна Hev.
При криволинейной траектории полета электрона на него
также действует центробежная сила. Ее величина вычисляется
по формуле ту*/г, где т — масса электрона, v — его скорость,
а г — радиус кривой, по которой он перемещается.
При криволинейной траектории движения электрона между
силой магнитного поля и центробежной силой существует ба-
ланс. Если же баланса нет, то траектория будет увеличиваться
и уменьшаться, пока электрон не найдет траекторию, где обе
силы находятся в равновесии. Для реальной траектории справедлива
следующая формула:
mv2
nev = . (Уравнение 3.1)
г
Формулу можно упростить и представить в виде:
е _ v
(Уравнение 3.2)
т Нг
Сила магнитного поля известна, радиус кривизны частиц
катодного луча можно легко определить по изменению положения
светящегося пятна на стенке катодно-лучевой трубки.
Теперь осталось лишь определить величину скорости v, чтобы
высчитать отношение заряда электрона к его массе е/т.
Подвергнув катодные лучи воздействию и магнитного и элек-
ростатического полей одновременно, Томпсону удалось определить
скорость движения электрона. Дело в том, что эти поля отклоняют
катодный луч в противоположных направлениях и таким
образом уравновешивают друг друга. Степень отклонения, возникающего
под действием электростатического поля, зависит от
силы поля (F) и величины заряда электрона (е) и не зависит от
скорости электрона, так как разноименно заряженные частицы
притягивают друг друга даже в состоянии покоя.
Таким образом, приравняв действие на электрон одного поля
к действию другого, получим:
Hev = Fe (Уравнение 3.3)
или
F
V ~ 77 . (Уравнение 3.4)
/У
Силы полей ученые определили довольно легко и получили,
что v равна приблизительно 30 ООО км/с, то есть примерно одной
десятой скорости света. Скорость электрона была самой
большой скоростью материального объекта из измеренных учеными
на тот период, и именно огромная скорость частиц, вылетающих
из катодной трубки, объяснила, почему гравитационное
поле на катодные лучи практически не действует.

No Comments »

Какое-то время это утверждение оставалось сугубо теорети­

ческим. В 1932 году американский физик Карл Андерсон

(1905—1991) занимался изучением космических частиц, ис­

пользуя камеру Вильсона, разделенную пополам свинцовой пе-

регородкой. Андерсон предполагал, что, проходя сквозь сви­

нец, космическая частица потеряет значительную часть своей

энергии, на выходе будет сильнее отклоняться магнитным по­

лем и изучать ее свойства станет проще. Однако некоторые

космические лучи, проходя сквозь свинец, ударялись об атом­

ные ядра, вызывая вторичное излучение.

На одной из сделанных Андерсоном фотографий частица

была запечатлена в момент выхода из свинца. Судя по кривиз­

не траектории, ее масса равнялась массе электрона, однако она

отклонялась в противоположную сторону. Эта частица и явля­

ется положительно заряженным электроном, о котором гово­

рил Дирак.

Андерсон назвал частицу позитроном, и это название прижи­

лось. Позитрон, обладая свойствами, противоположными более

распространенной частице, принадлежит к классу частиц, ко­

торые мы сегодня называем античастицами. Если бы позитрон

был обнаружен сегодня, его назвали бы антиэлектроном, впро­

чем, иногда его именно так и называют.

С обозначением позитрона все немного запутанней. Можно

использовать полное обозначение, подписывая в нижнем реги­

стре заряд, а в верхнем — массу, то есть обозначая электрон как

_,е°, а позитрон как

]

е°. Основным недостатком такой записи яв­

ляется ее громоздкость. Большинство физиков считают, что им

совсем не обязательно все время напоминать о заряде и массе

(особенно потому, что масса не равна, а лишь близка к 0). По­

этому электрон часто обозначают просто как е”, а позитрон как

е

+

. Но и у такого обозначения есть свои недостатки. Как выяс­

нилось позже, у некоторых античастиц заряд такой же (или он

также отсутствует), как и у противоположных им частиц. По­

этому в некоторых случаях удобнее обозначать античастицу по­

лосой над символом. Таким образом, электрон обозначается как

е, а позитрон как е.

Позитроны определенным образом связаны с радиоактив­

ностью. Для того чтобы понять, как именно, давайте вспом­

ним, как с радиоактивностью связаны электроны.

Когда количество нейтронов слишком велико и ядро начи­

нает терять устойчивость, положение можно исправить, пре­

образовав нейтрон в протон путем испускания электрона. В

полной записи (с обозначением массы и заряда) этот процесс

выглядит так:

0

п

]

-> ,/?> + ^е

0

.

(Уравнение 13.1)

В результате образования еще одного протона атомное чис­

ло нуклида увеличивается на единицу, однако массовое число.

No Comments »

То, что любое тело состоит из молекул и атомов, было известно достаточно давно. Ещё в начале XIX века молекулярно-кинетическая теория установила примерные размеры атомов и небольших молекул: около 10^-10 м. В конце XIX века были открыты электроны и доказано их существование внутри атомов. В теме 9 вы познакомились с современными представлениями о строении атома – моделью атома. Теперь рассмотрим некоторые опыты, приведшие к формированию этой модели.

В 1911 году английский ученый Э.Резерфорд обнародовал доклад, в котором утверждалось наличие в центре атома положительно заряженного ядра. Схему экспериментальной установки Резерфорда вы видите на рисунке. В цилиндрическом сосуде 1 с небольшим отверстием находился радиоактивный препарат, испускавщий поток a-частиц 2. Они попадали на золотую фольгу 3 и, проходя через нее, ударялись о люминесцирующий экран 4. В местах удара частиц на экране возникали вспышки света 5.

То, что некоторые a-частицы отскакивали от фольги назад, противоречило модели Томсона. Результаты эксперимента настолько удивили Резерфорда, что он воскликнул: “… неправдоподобно так же, как если бы вы выстрелили пятнадцатифунтовым снарядом в папиросную бумагу, а снаряд отскочил бы обратно и убил бы вас самих”.

Чтобы объяснить результаты опыта, Резерфорд рассуждал, наверное, так. Известно, что a-частицы имеют положительный заряд. Если некоторые из них отталкиваются фольгой назад, значит, положительный заряд есть и в атомах фольги. Но поскольку бoльшая часть a-частиц пролетает сквозь фольгу, почти не отклоняясь при этом, значит, этот положительный заряд занимает лишь малую часть каждого атома. Ее назвали ядром атома.

Подсчитывая частицы, отклоняющиеся после пролета фольги на большие и малые углы, определили приблизительные размеры ядра: около 10^-14 м. Это число оказалось примерно в 10 000 раз меньше размеров самого атома. Поэтому свободное пространство в модели атома Резерфорд “заполнил” электронами Он, в частности, говорил, что атом “состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины”.

Наблюдавшееся Резерфордом рассеяние заряженных частиц и объясняется таким распределением зарядов в атоме При столкновениях с отдельными электронами a-частицы испытывают отклонения на очень небольшие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда она пролетает на близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием сильного электрического поля ядра может произойти отклонение на большой угол.

Так как бо’льшая часть пространства в атоме пуста, быстрые a-частицы могут почти свободно проникать через значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов.

Обратите внимание, Резерфорд ничего не говорит о том, как именно в атоме расположены электроны и движутся ли они. Он и не мог дать ответ на этот вопрос в рамках той физики, которая развивалась до начала XX века. Классическая физика просто не допускала существование такого атома. Для этого потребовалось создание новой, квантовой физики. Ее основу заложили труды таких выдающихся ученых, как Нильс Бор и Альберт Эйнштейн.

No Comments »