Nukleone unutar jezgre drže zajedno nuklearne sile. Drži ih određena energija. Prilično je teško izmjeriti ovu energiju izravno, ali to se može učiniti neizravno. Logično je pretpostaviti da će energija potrebna za kidanje veze nukleona u jezgri biti jednaka ili veća od energije koja drži nukleone zajedno.
Energija vezanja i nuklearna energija
Tu primijenjenu energiju sada je lakše izmjeriti. Jasno je da će ova vrijednost vrlo precizno odražavati količinu energije koja drži nukleone unutar jezgre. Stoga se minimalna energija potrebna za cijepanje jezgre na pojedinačne nukleone naziva nuklearna energija vezanja.
Odnos mase i energije
Znamo da je svaka energija izravno proporcionalna tjelesnoj masi. Stoga je prirodno da će energija vezanja jezgre ovisiti o masi čestica koje čine tu jezgru. Ovaj odnos je uspostavio Albert Einstein 1905. godine. Naziva se zakonom o odnosu mase i energije. U skladu s ovim zakonom, unutarnja energija sustava čestica ili energija mirovanja izravno je proporcionalna masi čestica koje čine taj sustav:
gdje je E energija, m masa,
c je brzina svjetlosti u vakuumu.
Učinak defekta mase
Sada pretpostavimo da smo jezgru atoma podijelili na sastavne nukleone ili uzeli određeni broj nukleona iz jezgre. Potrošili smo nešto energije da svladamo nuklearne sile, budući da smo radili. U slučaju obrnutog procesa - sinteze jezgre ili dodavanja nukleona već postojećoj jezgri, energija će se, prema zakonu održanja, naprotiv, osloboditi. Kada se zbog nekih procesa mijenja energija mirovanja sustava čestica, u skladu s tim mijenja se i njihova masa. Formule u ovom slučaju bit će kako slijedi:
∆m=(∆E_0)/c^2 ili ∆E_0=∆mc^2,
gdje je ∆E_0 promjena energije mirovanja sustava čestica,
∆m – promjena mase čestice.
Na primjer, u slučaju fuzije nukleona i nastanka jezgre dolazi do oslobađanja energije i smanjenja ukupne mase nukleona. Masu i energiju odnose emitirani fotoni. Ovo je učinak defekta mase. Masa jezgre uvijek je manja od zbroja masa nukleona koji čine ovu jezgru. Numerički se defekt mase izražava na sljedeći način:
∆m=(Zm_p+Nm_n)-M_â,
gdje je M_i masa jezgre,
Z je broj protona u jezgri,
N je broj neutrona u jezgri,
m_p – masa slobodnog protona,
m_n je masa slobodnog neutrona.
Vrijednost ∆m u gornje dvije formule je iznos za koji se mijenja ukupna masa čestica jezgre kada se njezina energija promijeni zbog puknuća ili fuzije. U slučaju sinteze, ova će količina biti defekt mase.
Godine 1932 nakon otkrića protona i neutrona od strane znanstvenika D.D. Ivanenko (SSSR) i W. Heisenberg (Njemačka) iznijeli su proton-neutronski model atomske jezgre.
Prema ovom modelu:
- jezgre svih kemijskih elemenata sastoje se od nukleona: protona i neutrona
- nuklearni naboj duguju samo protoni
- broj protona u jezgri jednak je atomskom broju elementa
- broj neutrona jednak je razlici masenog broja i broja protona (N=A-Z)
Simbol za jezgru atoma kemijskog elementa:
X – simbol kemijskog elementa
A je maseni broj koji pokazuje:
- masa jezgre u jedinicama cijele atomske mase (amu)
(1 amu = 1/12 mase ugljikovog atoma)
- broj nukleona u jezgri
- (A = N + Z), gdje je N broj neutrona u jezgri atoma
Z je broj zaduženja koji pokazuje:
- nuklearni naboj u elementarnim električnim nabojima (e.e.c.)
(1 e.e.z. = naboj elektrona = 1,6 x 10 -19 C)
- broj protona
- broj elektrona u atomu
- redni broj u periodnom sustavu
Masa jezgre uvijek je manja od zbroja masa mirovanja slobodnih protona i neutrona koji je čine.
To se objašnjava činjenicom da se protoni i neutroni u jezgri vrlo snažno međusobno privlače. Njihovo razdvajanje zahtijeva puno rada. Stoga ukupna energija mirovanja jezgre nije jednaka energiji mirovanja njezinih sastavnih čestica. Manji je za količinu rada potrebnog za svladavanje nuklearnih gravitacijskih sila.
Razlika između mase jezgre i zbroja masa protona i neutrona naziva se defekt mase.
ENERGIJA VEZANJA ATOMSKIH JEZGRA
Atomske jezgre su čvrsto vezani sustavi velikog broja nukleona.
Da bi se jezgra potpuno razdvojila na sastavne dijelove i udaljila ih na velikim udaljenostima jedan od drugog, potrebno je uložiti određeni rad A.
Energija vezanja je energija jednaka radu koji se mora izvršiti da se jezgra razdvoji na slobodne nukleone.
E veza = - A
Prema zakonu održanja, energija vezanja je istovremeno jednaka energiji koja se oslobađa tijekom stvaranja jezgre iz pojedinačnih slobodnih nukleona.
Specifična energija vezanja
Ovo je energija vezanja po nukleonu.
Osim najlakših jezgri, specifična energija vezanja je približno konstantna i jednaka je 8 MeV/nukleonu. Najveću specifičnu energiju vezanja (8,6 MeV/nukleon) imaju elementi masenih brojeva od 50 do 60. Jezgre ovih elemenata su najstabilnije.
Kako su jezgre preopterećene neutronima, specifična energija vezanja se smanjuje.
Za elemente na kraju periodnog sustava jednaka je 7,6 MeV/nukleonu (na primjer, za uran).
Oslobađanje energije kao rezultat nuklearne fisije ili fuzije
Da bi se razdvojila jezgra, mora se utrošiti određena količina energije da se nadvladaju nuklearne sile.
Da bi se sintetizirala jezgra iz pojedinačnih čestica, potrebno je prevladati Coulombove odbojne sile (za to je potrebno utrošiti energiju da se te čestice ubrzaju do velikih brzina).
To jest, da bi se izvršila nuklearna fisija ili nuklearna sinteza, mora se potrošiti nešto energije.
Kada se jezgra spoji na malim udaljenostima, na nukleone počinju djelovati nuklearne sile koje uzrokuju njihovo ubrzano kretanje.
Ubrzani nukleoni emitiraju gama zrake, koje imaju energiju jednaku energiji vezanja.
Na izlazu iz reakcije nuklearne fisije ili fuzije oslobađa se energija.
Ima smisla provoditi nuklearnu fisiju ili nuklearnu sintezu ako rezultirajuća, tj. energija oslobođena kao rezultat fisije ili fuzije bit će veća od potrošene energije.
Prema grafu, dobitak na energiji može se dobiti ili fisijom (cijepanjem) teških jezgri, ili fuzijom lakih jezgri, što se u praksi i radi.
DEFEKT MASE
Mjerenja nuklearnih masa pokazuju da je nuklearna masa (Nm) uvijek manja od zbroja masa mirovanja slobodnih neutrona i protona koji je sačinjavaju.
Tijekom nuklearne fisije: masa jezgre uvijek je manja od zbroja masa mirovanja nastalih slobodnih čestica.
Tijekom nuklearne sinteze: masa nastale jezgre uvijek je manja od zbroja masa mirovanja slobodnih čestica koje su je formirale.
Defekt mase je mjera energije vezivanja atomske jezgre.
Defekt mase jednak je razlici između ukupne mase svih nukleona jezgre u slobodnom stanju i mase jezgre:
gdje je Mya masa jezgre (iz priručnika)
Z – broj protona u jezgri
mp – masa mirovanja slobodnog protona (iz priručnika)
N – broj neutrona u jezgri
mn – masa mirovanja slobodnog neutrona (iz priručnika)
Smanjenje mase tijekom nastajanja jezgre znači da se energija nukleonskog sustava smanjuje.
Da bi se jezgra razbila na odvojene (slobodne) nukleone koji međusobno ne djeluju, potrebno je obaviti rad da se svladaju nuklearne sile, odnosno jezgri preda određena energija. Naprotiv, kada se slobodni nukleoni spoje u jezgru, oslobađa se ista energija (prema zakonu održanja energije).
- Minimalna energija potrebna za cijepanje jezgre na pojedinačne nukleone naziva se nuklearna energija vezanja
Kako se može odrediti vrijednost energije vezanja jezgre?
Najjednostavniji način pronalaženja te energije temelji se na primjeni zakona o odnosu mase i energije koji je otkrio njemački znanstvenik Albert Einstein 1905. godine.
Albert Einstein (1879.-1955.)
Njemački teorijski fizičar, jedan od utemeljitelja moderne fizike. Otkrio zakon odnosa mase i energije, stvorio specijalnu i opću teoriju relativnosti
Prema tom zakonu postoji izravni proporcionalni odnos između mase m sustava čestica i energije mirovanja, tj. unutarnje energije E 0 tog sustava:
gdje je c brzina svjetlosti u vakuumu.
Ako se energija mirovanja sustava čestica kao rezultat bilo kojeg procesa promijeni za vrijednost ΔE 0 1, tada će to dovesti do odgovarajuće promjene mase ovog sustava za vrijednost Δm, a odnos između tih veličina bit će izražen po jednakosti:
ΔE 0 = Δms 2.
Dakle, kada se slobodni nukleoni spoje u jezgru, kao rezultat oslobađanja energije (koju odnose fotoni emitirani tijekom tog procesa), masa nukleona također bi se trebala smanjiti. Drugim riječima, masa jezgre uvijek je manja od zbroja masa nukleona od kojih se sastoji.
Nedostatak nuklearne mase Δm u usporedbi s ukupnom masom njegovih sastavnih nukleona može se napisati na sljedeći način:
Δm = (Zm p + Nm n) - M i,
gdje je M i masa jezgre, Z i N su broj protona i neutrona u jezgri, a m p i m n su mase slobodnog protona i neutrona.
Veličina Δm naziva se defekt mase. Prisutnost defekta mase potvrđuju brojni pokusi.
Izračunajmo, na primjer, energiju vezanja ΔE 0 jezgre atoma deuterija (teškog vodika), koji se sastoji od jednog protona i jednog neutrona. Drugim riječima, izračunajmo energiju potrebnu da se jezgra razdvoji na proton i neutron.
Da bismo to učinili, prvo odredimo defekt mase Δm ove jezgre, uzimajući približne vrijednosti masa nukleona i mase jezgre atoma deuterija iz odgovarajućih tablica. Prema tabličnim podacima, masa protona je približno 1,0073 a. e.m., masa neutrona - 1,0087 a. e.m., masa jezgre deuterija je 2,0141 a.m. prije podne Dakle, Δm = (1,0073 a.u.m. + 1,0087 a.u.m.) - 2,0141 a.u.m. e.m. = 0,0019 a. jesti.
Da bi se dobila energija vezanja u džulima, defekt mase mora biti izražen u kilogramima.
S obzirom da 1 a. e.m. = 1,6605 10 -27 kg, dobivamo:
Δm = 1,6605 10 -27 kg 0,0019 = 0,0032 10 -27 kg.
Zamjenom ove vrijednosti defekta mase u formulu za energiju vezanja dobivamo:
Energija oslobođena ili apsorbirana tijekom bilo koje nuklearne reakcije može se izračunati ako su poznate mase međudjelovanja jezgri i čestica nastalih kao rezultat te interakcije.
Pitanja
- Kolika je energija vezanja jezgre?
- Zapišite formulu za određivanje defekta mase bilo koje jezgre.
- Napiši formulu za izračun energije vezanja jezgre.
1 Grčko slovo Δ (“delta”) obično označava promjenu fizikalne veličine čijem simbolu prethodi ovo slovo.
Atomske jezgre su čvrsto vezani sustavi velikog broja nukleona. Da bi se jezgra potpuno razdvojila na sastavne dijelove i udaljila ih na velikim udaljenostima jedan od drugog, potrebno je utrošiti određeni rad A. Energija vezanja je energija jednaka radu koji je potrebno izvršiti da se jezgra razdvoji na slobodne dijelove. nukleoni.E veze = - A Prema zakonu održanja, energija vezanja istovremeno je jednaka energiji koja se oslobađa pri stvaranju jezgre iz pojedinačnih slobodnih nukleona. Specifična energija vezanja je energija vezanja po nukleonu.
DEFEKT MASE Mjerenja nuklearnih masa pokazuju da je nuklearna masa (Nm) uvijek manja od zbroja masa mirovanja slobodnih neutrona i protona koji je sačinjavaju. Tijekom nuklearne fisije: masa jezgre uvijek je manja od zbroja masa mirovanja nastalih slobodnih čestica. Tijekom nuklearne sinteze: masa nastale jezgre uvijek je manja od zbroja masa mirovanja slobodnih čestica koje su je formirale.
Defekt mase je mjera energije vezivanja atomske jezgre. Defekt mase jednak je razlici između ukupne mase svih nukleona jezgre u slobodnom stanju i mase jezgre:
gdje je Ma masa jezgre (iz priručnika) Z je broj protona u jezgri mp je masa mirovanja slobodnog protona (iz priručnika) N je broj neutrona u jezgri mn je masa mirovanja slobodnog neutrona (iz priručnika) Smanjenje mase tijekom formiranja jezgre znači da se pri tome smanjuje energija nukleonskog sustava.
Atomska jezgra- središnji dio atoma, u kojem je koncentrirana većina njegove mase (više od 99,9%). Jezgra je pozitivno nabijena; naboj jezgre određen je kemijskim elementom kojem atom pripada. Dimenzije jezgri raznih atoma su nekoliko femtometara, što je više od 10 tisuća puta manje od veličine samog atoma.
Nuklearna fizika proučava atomske jezgre.
Atomska jezgra sastoji se od nukleona - pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona, koji su međusobno povezani jakom interakcijom. Proton i neutron imaju vlastiti kutni moment (spin) jednak [sn 1] i pridruženi magnetski moment.
Atomska jezgra, koja se smatra klasom čestica s određenim brojem protona i neutrona, obično se naziva nuklid.
Broj protona u jezgri naziva se njezinim nabojnim brojem - taj je broj jednak atomskom broju elementa kojem atom pripada, u periodnom sustavu elemenata. Broj protona u jezgri određuje strukturu elektronske ljuske neutralnog atoma, a time i kemijska svojstva odgovarajućeg elementa. Broj neutrona u jezgri naziva se njezin izotopski broj. Jezgre s istim brojem protona i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi. Jezgre s istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima. Izrazi izotop i izoton također se koriste za označavanje atoma koji sadrže te jezgre, kao i za karakterizaciju nekemijskih varijanti jednog kemijskog elementa. Ukupan broj nukleona u jezgri naziva se njezinim masenim brojem () i približno je jednak prosječnoj masi atoma prikazanoj u periodnom sustavu. Nuklidi s istim masenim brojem, ali različitim protonsko-neutronskim sastavom obično se nazivaju izobare.
Kao i svaki kvantni sustav, jezgre mogu biti u metastabilnom pobuđenom stanju, au nekim slučajevima životni vijek takvog stanja računa se u godinama. Takva pobuđena stanja jezgri nazivaju se nuklearni izomeri.
22. Dodir dvaju metala. Termoelektrične pojave. Termoelektrične pojave
skup fizikalnih pojava uzrokovanih odnosom toplinskih i električnih procesa u metalima i poluvodičima. T. I. su Seebeckov, Peltierov i Thomsonov učinak. Seebeckov učinak sastoji se u činjenici da u zatvorenom krugu koji se sastoji od različitih vodiča, emf (termoemf) nastaje ako se kontaktne točke održavaju na različitim temperaturama. U najjednostavnijem slučaju, kada se električni krug sastoji od dva različita vodiča, tzv Termopar ohm , ili termopar (vidi Termopar). Veličina termoenergije ovisi samo o temperaturi vrućeg T 1 i hladno T 2 kontakta i od materijala vodiča. U malom temperaturnom rasponu, termoenergija E može se smatrati proporcionalnim razlici ( T 1 – T 2), tj E= α (T 1 –T 2). Koeficijent α naziva se termoelektrična sposobnost para (termosnaga, koeficijent termosnage ili specifična termosnaga). Određen je materijalima vodiča, ali ovisi i o rasponu temperature; u nekim slučajevima α mijenja predznak s promjenom temperature. U tablici su prikazane vrijednosti a za neke metale i legure u odnosu na Pb za temperaturni raspon 0-100 °C (pozitivan predznak α dodijeljena onim metalima kojima struja teče kroz zagrijani spoj). Međutim, brojke dane u tablici su proizvoljne, budući da je termomoć materijala osjetljiva na mikroskopske količine nečistoća (ponekad izvan osjetljivosti kemijske analize), na orijentaciju kristalnih zrna i toplinsku ili čak hladnu obradu materijala. . Na ovom svojstvu termoenergije temelji se metoda odbijanja materijala na temelju sastava. Iz istog razloga, termoenergija se može pojaviti u krugu koji se sastoji od istog materijala uz prisutnost temperaturnih razlika, ako su različiti dijelovi kruga podvrgnuti različitim tehnološkim operacijama. S druge strane, EMF termoelementa se ne mijenja kada je bilo koji broj drugih materijala spojen u seriju u strujnom krugu, ako se dodatne kontaktne točke koje se pojavljuju u ovom slučaju održavaju na istoj temperaturi.
Ako se metali dovedu u kontakt (stvori se kontakt između njih), tada se elektroni vodljivosti mogu kretati s jednog vodiča na drugi na mjestu dodira. Rad rada opada s povećanjem Fermijeve energije. Za razumijevanje pojava u prijelazu metal-metal potrebno je uzeti u obzir da Fermijeva energija ovisi o koncentraciji slobodnih elektrona u vodljivom pojasu – što je veća koncentracija elektrona, to je veća Fermijeva energija. To znači da kada se formira prijelaz na granici metal-metal, koncentracija slobodnih elektrona na različitim stranama granice je različita - veća je na strani metala (1) s višom Fermijevom energijom. Promjena koncentracije elektrona od do događa se u određenom području blizu sučelja između metala, koje se naziva prijelazni sloj (slika 8.7.3). Promjena potencijala električnog polja na prijelazu prikazana je na slici 8.7.4. Tijekom formiranja prijelaza mijenjaju se Fermijeve energije u metalima na granici. Metal s višom Fermijevom energijom postaje pozitivno nabijen i stoga rad tog metala raste
21. Vlastita i primjesna vodljivost poluvodiča. P-tip i n-tip vodljivosti. P-n kontakt dvaju poluvodiča. U intrinzičnim poluvodičima, broj elektrona i šupljina koje se pojavljuju kada se veze pokidaju je isti, tj. Vodljivost intrinzičnih poluvodiča podjednako osiguravaju slobodni elektroni i šupljine. Vodljivost poluvodiča s primjesama. Ako se u poluvodič uvede nečistoća s valentnošću koja je veća od one u izvornom poluvodiču, nastaje donorski poluvodič (na primjer, kada se petovalentni arsen uvede u kristal silicija. Jedan od pet valentnih elektrona. arsena ostaje slobodan). U donoru poluvodiča, elektroni su većinski nositelji naboja, a šupljine manjinski nositelji naboja. Takvi poluvodiči se nazivaju poluvodičima n-tipa, a vodljivost je elektronska Ako se u poluvodič unese primjesa s manjom valencijom od one u izvornom poluvodiču, nastaje akceptorski poluvodič. (Na primjer, pri uvođenju trovalentnog indija u kristal silicija. Svakom atomu indija nedostaje jedan elektron da bi formirao par elektrona s jednim od susjednih atoma silicija. Svaka od ovih nepopunjenih veza je rupa). U akceptorskim poluvodičima, šupljine su većinski nositelji naboja, a elektroni manjinski nositelji naboja. Takvi poluvodiči nazivaju se poluvodiči p-tipa, a vodljivost je šupljina. Peterovalentni atomi primjesa nazivaju se donatori: povećavaju broj slobodnih elektrona. Svaki atom takve nečistoće dodaje jedan dodatni elektron. U tom slučaju ne nastaju dodatne rupe. Atom nečistoće u strukturi poluvodiča pretvara se u stacionarni pozitivno nabijeni ion. Vodljivost poluvodiča sada će uglavnom biti određena brojem slobodnih elektrona nečistoće. Općenito se ova vrsta vodljivosti naziva vodljivost n– tipa, a sam poluvodič je poluvodič n Kada se uvede trovalentna nečistoća, jedna od valentnih veza poluvodiča ispada nepopunjena, što je ekvivalentno stvaranju šupljine i stacionarnog negativno nabijenog iona nečistoće. Stoga se u ovom slučaju povećava koncentracija rupa. Nečistoće ove vrste nazivaju se akceptori i, a vodljivost zbog unošenja akceptorske primjese naziva se vodljivost R-tip. Ova vrsta poluvodiča naziva se poluvodič R-tip.
20. Teorija traka čvrstih tijela. Metali, dielektrici i poluvodiči.
Tračna teorija čvrstih tijela- kvantno mehanička teorija gibanja elektrona u čvrstom tijelu.
Prema kvantnoj mehanici slobodni elektroni mogu imati bilo koju energiju – njihov energetski spektar je kontinuiran. Elektroni koji pripadaju izoliranim atomima imaju određene diskretne vrijednosti energije. U čvrstom tijelu, energetski spektar elektrona je bitno drugačiji, sastoji se od zasebnih dopuštenih energetskih zona, odvojenih zonama zabranjenih energija.
Dielektrik(izolator) - tvar koja praktički ne provodi električnu struju. Koncentracija slobodnih nositelja naboja u dielektriku ne prelazi 10 8 cm −3. Glavno svojstvo dielektrika je njegova sposobnost polarizacije u vanjskom električnom polju. Sa stajališta vrpčne teorije krutih tijela, dielektrik je tvar s zabranjenim pojasom većim od 3 eV. Poluvodiči - poluvodič se razlikuje od dielektrika samo po tome što je širina Δ zabranjenog pojasa koji odvaja valentni pojas od vodljivog mnogo manja (desetke puta). Na T= 0, valentni pojas u poluvodiču, kao iu dielektriku, potpuno je ispunjen i struja ne može teći kroz uzorak. Ali zbog činjenice da je energija Δ mala, čak i uz blagi porast temperature, neki elektroni mogu prijeći u vodljivi pojas (slika 3). Tada će električna struja u tvari postati moguća, i to kroz dva "kanala" odjednom.
Prvo, u vodljivom pojasu elektroni, stječući energiju u električnom polju, prelaze na više energetske razine. Drugo, doprinos električnoj struji dolazi od... praznih razina koje su u valentnom pojasu ostavili elektroni koji su otišli u vodljivi pojas. Doista, Paulijev princip dopušta svakom elektronu da zauzme praznu razinu u valentnom pojasu. Ali, nakon što je zauzeo ovu razinu, ostavlja vlastitu razinu slobodnom, itd. Ako ne pratite kretanje elektrona kroz razine u valentnom pojasu, već kretanje samih praznih razina, tada se ispostavlja da ove razine, koje imaju znanstveno ime rupe, također postaju trenutni nositelji. Broj šupljina očito je jednak broju elektrona koji su otišli u vodljivi pojas (tzv. elektroni vodljivosti), ali rupe imaju pozitivan naboj jer je rupa elektron koji nedostaje.
Metali - Elektroni u metalima konačno “zaborave” svoje atomsko porijeklo, njihove razine tvore jednu vrlo široku zonu. Uvijek je samo djelomično ispunjen (broj elektrona manji je od broja razina) i stoga se može nazvati vodljivim pojasom (slika 6). Jasno je da u metalima struja može teći čak i pri nultoj temperaturi. Štoviše, korištenjem kvantne mehanike može se dokazati da in idealan metal(čija rešetka nema nedostataka) at T= 0 struja mora teći bez otpora [2]!
Nažalost, ne postoje idealni kristali, a nulta temperatura se ne može postići. U stvarnosti, elektroni gube energiju u interakciji s vibrirajućim atomima rešetke, dakle Otpor pravog metala raste s temperaturom(za razliku od otpora poluvodiča). Ali najvažnije je da je na bilo kojoj temperaturi električna vodljivost metala znatno veća od električne vodljivosti poluvodiča jer metal sadrži mnogo više elektrona sposobnih za provođenje električne struje.
19. Molekula. Kemijske veze. Molekularni spektri. Apsorpcija svjetlosti. Spontana i stimulirana emisija. Optički kvantni generatori.
Molekula- električki neutralna čestica nastala od dva ili više atoma povezanih kovalentnim vezama, najmanja čestica kemijske tvari.
Kemijska veza je međudjelovanje dvaju atoma koje se provodi razmjenom elektrona. Kada se formira kemijska veza, atomi nastoje steći stabilnu vanjsku ljusku od osam elektrona (ili dva elektrona), koja odgovara strukturi atoma najbližeg inertnog plina. Razlikuju se sljedeće vrste kemijskih veza: kovalentni(polarni i nepolarni; izmjena i donor-akceptor), ionski, vodik I metal.
MOLEKULARNI SPEKTRI- spektri apsorpcije, emisije ili raspršenja koji nastaju tijekom kvantnih prijelaza molekula iste energije. navodi u drugu. M. s. određeno sastavom molekule, njenom strukturom, prirodom kemikalije. komunikacija i interakcija s vanjskim polja (i, prema tome, s atomima i molekulama koje ga okružuju). Naib. karakteristični su M. s. razrijeđenih molekularnih plinova, kada nema širenja spektralnih linija pritiskom: takav se spektar sastoji od uskih linija s Dopplerovom širinom. APSORPCIJA SVETA- smanjenje optičkog intenziteta. zračenje pri prolasku kroz stanicu. okoliša zbog međudjelovanja s njim, pri čemu se svjetlosna energija pretvara u druge vrste energije ili u optičku energiju. zračenje drugog spektralnog sastava. Osnovni, temeljni P.-ov zakon koji se odnosi na intenzitet ja snop svjetlosti koji prolazi kroz sloj apsorbirajuće srednje debljine l sa intenzitet upadne zrake ja 0, je koeficijent Bouguerovog zakona neovisan o intenzitetu svjetlosti. nazvao indeksa apsorpcije, te je, u pravilu, različit za različite valne duljine. Ovaj je zakon eksperimentalno utvrdio P. Bouguer (P. Bouguer, 1729), a kasnije ga je teorijski izveo I. Lambert (J. N. Lambert, 1760) pod vrlo jednostavnim pretpostavkama da. kada Pri prolasku kroz bilo koji sloj materije, intenzitet svjetlosnog toka se smanjuje za određeni dio, ovisno samo o debljini sloja l, tj. dI/l =
Proces emitiranja elektromagnetskog vala od strane atoma može biti dvije vrste: spontani i prisilni. Kod spontane emisije atom prelazi s više energetske razine na nižu spontano, bez vanjskih utjecaja na atom. Spontana emisija atoma posljedica je samo nestabilnosti njegovog gornjeg (pobuđenog) stanja, uslijed čega se atom prije ili kasnije oslobađa energije pobude emitiranjem fotona. Razni atomi emitiraju spontano, tj. neovisno jedan o drugom, te generiraju fotone koji se šire u različitim smjerovima, imaju različite faze i smjerove polarizacije. Stoga je spontana emisija nekoherentna. Zračenje može nastati i ako elektromagnetski val s frekvencijom ν djeluje na pobuđeni atom, zadovoljavajući relaciju hν=Em-En, gdje su Em i En energije kvantnih stanja atoma (frekvencija ν naziva se rezonantnom) . Rezultirajuće zračenje je stimulirano. Svaki čin stimulirane emisije uključuje dva fotona. Jedan od njih, šireći se iz vanjskog izvora (vanjski izvor za dotični atom može biti i susjedni atom), djeluje na atom, pri čemu se emitira foton. Oba fotona imaju isti smjer širenja i polarizaciju, kao i iste frekvencije i faze. Odnosno, stimulirana emisija je uvijek koherentna s onom prisilnom. Jedini su optički kvantni generatori (OQG) ili laseri
izvori snažne monokromatske svjetlosti. Princip pojačanja svjetla sa
korištenje atomskih sustava prvi je predložio 1940. V.A. Proizvođač.
Međutim, opravdanje za mogućnost stvaranja optičkog kvanta
generator dali su tek 1958. C. Townes i A. Shavlov na temelju
dostignuća u razvoju kvantnih uređaja u radijskom području. Prvi
optički kvantni generator realiziran je 1960. Bio je to laser sa
rubin kristal kao radna tvar. Stvaranje inverzije
naseljenost u njoj provedena je metodom trorazinskog crpljenja,
obično se koristi u paramagnetskim kvantnim pojačalima.
18. Kvantna teorija električne vodljivosti.
Kvantna teorija električne vodljivosti metala - teorija električne vodljivosti, temeljena na kvantnoj mehanici i kvantnoj statistici Fermi-Diraca, - ponovno je razmotrio pitanje električne vodljivosti metala, razmatrano u klasičnoj fizici. Proračun električne vodljivosti metala, izveden na temelju ove teorije, dovodi do izraza za specifičnu električnu vodljivost metala, koji izgledom podsjeća na klasičnu formulu (103.2) za g, ali ima potpuno drugačiji fizički sadržaj. Ovdje P - koncentracija elektrona vodljivosti u metalu, b l F s je srednji slobodni put elektrona koji ima Fermijevu energiju, b u F ñ - prosječna brzina toplinskog gibanja takvog elektrona.
Zaključci dobiveni na temelju formule (238.1) u potpunosti su u skladu s eksperimentalnim podacima. Kvantna teorija električne vodljivosti metala posebno objašnjava ovisnost specifične vodljivosti o temperaturi: g ~ 1/T(klasična teorija to daje g ~1/), kao i anomalno velike vrijednosti (reda stotine perioda rešetke) srednjeg slobodnog puta elektrona u metalu.
17. Toplinski kapacitet čvrstih tijela. Kao model čvrstog tijela uzmimo ispravno izgrađenu kristalnu rešetku u čijim čvorovima čestice (atomi, ioni, molekule), uzete kao materijalne točke, osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja – čvorova rešetke – u tri međusobno okomita smjera. . Dakle, svakoj čestici koja čini kristalnu rešetku dodijeljena su tri vibracijska stupnja slobode, od kojih svaki, prema zakonu ravnomjerne raspodjele energije među stupnjevima slobode, ima energiju kT.
Unutarnja energija mola krutog tijela
Gdje N A - Avogadrova konstanta; N A k= R (R - molarna plinska konstanta). Molarni toplinski kapacitet čvrste tvari
tj. molarni (atomski) toplinski kapacitet kemijski jednostavna tijela u kristalnom
Toplinski kapacitet, količina topline utrošena za promjenu temperature za 1°C. Prema strožoj definiciji, toplinski kapacitet- termodinamička veličina određena izrazom:
gdje je Δ Q- količina topline koja se prenosi sustavu i uzrokuje promjenu njegove temperature za Delta; Omjer konačne razlike Δ Q/ΔT naziva se prosjek toplinski kapacitet, omjer infinitezimalnih veličina d Q/dT- istina toplinski kapacitet. Od d Q dakle nije potpuni diferencijal državne funkcije toplinski kapacitet ovisi o putu prijelaza između dva stanja sustava. razlikovati toplinski kapacitet sustav u cjelini (J/K), specifič toplinski kapacitet[J/(g K)], molarni toplinski kapacitet[J/(mol K)]. Sve formule u nastavku koriste molarne količine toplinski kapacitet.
16. Degeneracija sustava čestica.
Degeneracija u kvantnoj mehanici leži u činjenici da određena količina f, koji opisuje fizički sustav (atom, molekulu itd.) ima isto značenje za različita stanja sustava. Broj takvih različitih stanja koja odgovaraju istoj vrijednosti f, naziva se višestrukost V. date količine. DEGENERACIJA u kvantna teorija – postojanje raznih. stanja kvantnog sustava, u kojem postoje određena fizikalna stanja. veličina A uzima iste vrijednosti. Operator koji odgovara takvoj vrijednosti ima skup linearno neovisnih svojstvenih funkcija koje odgovaraju jednoj svojstvenoj funkciji. značenje A. Broj DO nazvao višestrukost degeneracije pravilnog. vrijednosti A, može biti konačan ili beskonačan; k mogu poprimiti diskretne ili kontinuirane nizove vrijednosti. Uz beskonačnu množinu (moći kontinuuma) degeneriraju se npr. vlastite. vrijednosti operatora energije slobodne čestice u svim mogućim smjerovima količine gibanja 
(T i -masa i energija čestice).
15. Načelo identiteta čestica. Fermioni i bozoni. Funkcije raspodjele za bozone i fermione.
Fermioni i bozoni. Funkcije raspodjele za bozone i fermione. Bozon(od prezimena fizičara Bosea) - čestica s cjelobrojnom vrijednošću spina. Termin je skovao fizičar Paul Dirac. Bozoni se, za razliku od fermiona, pokoravaju Bose-Einsteinovoj statistici, koja dopušta postojanje neograničenog broja identičnih čestica u jednom kvantnom stanju. Sustavi mnogih bozona opisuju se valnim funkcijama koje su simetrične s obzirom na permutacije čestica. Postoje elementarni i kompozitni bozoni.
Elementarni bozoni su kvanti mjernih polja, uz pomoć kojih se ostvaruje interakcija elementarnih fermiona (leptona i kvarkova) u Standardnom modelu. Ovi mjerni bozoni uključuju:
foton (elektromagnetska interakcija),
gluon (jaka interakcija)
W ± i Z bozoni (slaba interakcija).
Fermion- čestica (ili kvazičestica) s polucijelom vrijednošću spina. Ime su dobili u čast fizičara Enrica Fermija.
Primjeri fermiona: kvarkovi (tvore protone i neutrone, koji su također fermioni), leptoni (elektroni, mioni, tau leptoni, neutrini), rupe (kvazičestice u poluvodiču).
Fermioni se pokoravaju Fermi-Diracovoj statistici: u jednom kvantnom stanju ne može postojati više od jedne čestice (Paulijev princip). Paulijevo načelo isključenja odgovorno je za stabilnost elektronskih ljuski atoma, što omogućuje postojanje složenih kemijskih elemenata. Također dopušta postojanje degenerirane materije pod visokim tlakom (neutronske zvijezde). Valna funkcija sustava identičnih fermiona je antisimetrična u odnosu na permutaciju bilo koja dva fermiona. Kvantni sustav koji se sastoji od neparnog broja fermiona sam je fermion (na primjer, jezgra s neparnim masenim brojem A; atom ili ion s neparnim zbrojem A i broj elektrona).
Funkcije distribucije za fermione i bozone mogu se lako dobiti unutar okvira velikog kanonskog ansambla, birajući kao podsustav skup svih čestica koje se nalaze u danom kvantnom stanju L. Energija sustava u ovom stanju je = Izraz za termodinamički potencijal ima oblik
pl = -APpE exp[(ts-el)^A/(AG)]
Za fermione = 0, 1; Zato
PL = -kT In ] . (3.1)
Za bozone N^ = 0, 1, 2, ... Nalazeći sumu beskonačne geometrijske progresije, dobivamo
fy = W In ] . (3.2)
i c< 0 Средние числа заполнения (или функции распределения) получаются с помощью термодинамического равенства
<"А>- f(ex) = Dakle, korištenjem (3.1) i (3.2) imamo
KeA> = exp[(eA-fi)/(H")riT- (3-3>
Znak plus odnosi se na fermione, a znak minus na bozone. Kemijski potencijal /1 određuje se iz uvjeta normalizacije funkcija distribucije:
$expL(eA-»i)V)J + 1 = N" (3"4)
gdje je N ukupan broj čestica u sustavu. Uvođenjem gustoće stanja p(e) jednakost (3.4) možemo prepisati u obliku
N = Jde r(e) f(e). (3.5)
E St = c 2 (-m i).
Ova vrijednost je energija vezanja nukleona u jezgri To je jednako radu koji je potrebno izvršiti da se nukleoni koji tvore jezgru razdvoje i udalje jedan od drugoga na takvim udaljenostima da praktički ne djeluju međusobno.
Veličina
Δ=-n i
nazvao defekt mase jezgre.Defekt mase je povezan s energijom vezanja relacijom
Δ=E St/c 2.
Izračunajmo energiju vezanja nukleona u jezgri 2 He 4 koja sadrži 2 protona i 2 neutrona.
Masa atoma 2 He 4 je 4,00260 amu. što odgovara 3728,0 MeV, masa 1 H 1 atoma je 1,00815 amu. Masa neutrona je 939,57 MeV. Zamjenom ovih količina u gornju formulu dobivamo
E svjetlo =(2*938,7+2*939,5)-3728,0=24,8 MeV.
Izračunato po nukleonu, energija vezanja jezgre helija iznosi 7,1 MeV. Za usporedbu ističemo da energija vezanja valentnih elektrona u atomima ima 10 6 manju vrijednost (oko 10 eV). približno iste vrijednosti, poput helija.
Najjače vezani nukleoni su u jezgrama s masenim brojevima reda 50-60 (tj. za elemente od Cr do Zn) Energija vezanja ovih jezgri postupno doseže 8,7 MeV/nukleon smanjuje; za najteži prirodni element, uran, iznosi 7,5 MeV/nukleon.
Ova ovisnost specifične energije o masenom broju čini dva procesa energetski mogućima:
1) podjela teških jezgri na nekoliko lakših jezgri
2) fuzija (sinteza) lakih jezgri u jednu.
Oba procesa praćena su oslobađanjem ogromne količine energije, npr. pri spajanju jezgri deuterija i tricija oslobađa se energija od 17,6 MeV, a pri stvaranju ugljičnog dioksida CO 2 iz atoma C i O 2 energija reda. Oslobađa se 5 MeV.
Jezgre s masenim brojem A od 50 do 60 su energetski povoljnije, postavlja se pitanje: zašto su jezgre s drugim vrijednostima A stabilne? mora proći kroz niz međustanja, čija energija premašuje energiju osnovnog stanja jezgre. Posljedično, proces nuklearne fisije zahtijeva dodatnu energiju (aktivacijsku energiju), koja se zatim vraća natrag, dodajući energiji oslobođenoj tijekom fisije. zbog promjene energije vezivanja, jezgra nema odakle dobiti energiju od aktivacije, zbog čega teške jezgre ne prolaze kroz spontanu fisiju.
Proces fisije jezgri urana ili plutonija pod utjecajem neutrona uhvaćenih jezgrama u osnovi je rada nuklearnih reaktora i konvencionalne atomske bombe.
Što se tiče lakih jezgri, da bi se spojile u jednu jezgru, one se moraju približiti jedna drugoj na vrlo malu udaljenost (10 -15 m). jezgre se moraju kretati ogromnim brzinama koje odgovaraju temperaturama reda veličine nekoliko stotina milijuna Kelvina.
Zbog toga se proces sinteze lakih jezgri naziva termonuklearna reakcija
Takve reakcije se događaju u dubinama Sunca i drugih zvijezda. U zemaljskim uvjetima, tijekom eksplozije hidrogenskih bombi, znanstvenici uporno rade na pronalaženju načina za izvođenje kontroliranih termonuklearnih reakcija fuzija.
