Класифікація кристалів за типом зв’язків.

Іонні кристали. У вузлах решітки іонних кристалів знаходяться позитивно і негативно заряджені іони. Сили взаємодії між ними в основному електростатичні.

Атомні кристали. Їхні кристалічні решітки утворюються внаслідок щільної упаковки атомів, найчастіше однакових (під час взаємодії однакових атомів іони не утворюються. Атоми, що знаходяться у вузлах, зв’язані із своїми найближчими сусідами ковалентним зв’язком. За умови ковалентного зв’язку електрони не переходять від одного атома до іншого (іони не утворюються), а виникає одна чи кілька спільних електронних пар.

Молекулярні кристали. У вузлах їх кристалічної решітки знаходяться молекули речовини, зв’язок між якими забезпечується силами молекулярної взаємодії.

Металічні кристали. У всіх вузлах гратки металічних кристалів розміщені позитивні іони металу. Між ними хаотично, подібно до молекул газу, рухаються електрони, які відокремилися від атомів під час кристалізації металу. Разом з тим і електрони утримуються іонами в її межах. Наявність вільних електронів у металі забезпечує добру електропровідність і теплопровідність цих речовин.

Аморфні тіла

На відміну від кристалічних аморфні тіла повністю ізотропні, тобто їх властивості однакові в усіх напрямах.

· Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Якщо, наприклад, нагрівати скло, воно стає м’яким і тягучим.

· Друга їх характерна властивість – пластичність.

Залежно від характеру впливу (зокрема часу, протягом якого діє сила) аморфні речовини поводять себе або як крихкі тверді тіла, або як дуже в’язкі рідини.

Аморфний стан речовини нестійкий: через певний час аморфна речовина переходить у кристалічну.

Питання 28: Як зазначалось, для пояснення розподілу енергії випромінювання в спектрі абсолютно чорного тіла

М. Планк припустив, що світло випромінюється порціями, енергія яких .

Для пояснення фотоефекту довелось припустити, що світло також поглинається порціями енергії. Ці явища неможливо пояснити на основі класичної фізики. Для розкриття природи світла А. Ейнштейн висунув гіпотезу про те, що світло не тільки випромінюється і поглинається, але і поширюється у вигляді дискретних частинок, названих спочатку світловими квантами, а потім фотонами Гіпотеза Ейнштейна була підтверджена рядом спеціально поставлених експериментів, класичних за своїм задумом і виконанням.

Розглянемо найбільш оригінальні. З метою вивчення елементарного фотоефекту, зумовленого рентгенівськими променями, в 1922 р. А.Ф. Йоффе із співробітниками провів такий експеримент. В ебонітовому блоці (рис. 9.9) зроблено порожнину, з якої через трубку Rвідкачувалось повітря. Порожнина виконувала роль мініатюрної рентгенівської трубки, катодом якої є кінець тонкої алюмінієвої дротини К. Катод освітлювався ультрафіолетовими променями через кварцеве віконце L. До катода К і пластини А (анод рентгенівської трубки) прикладалась напруга близько 12000 В. Освітленість катода була такою, що з нього вивільнялось близько 1000 фотоелектронів за секунду, які після прискорення гальмувались пластиною А. Внаслідок гальмування електронів з антикатода А випромінювалось близько 1000 фотонів рентгенівського випромінювання в секунду. Алюмінієва пластина А (завтовшки мм) і пластина В утворювали плоский конденсатор, в якому зависала вісмутова пилинка W радіусом порядку см на відстані близько 0,02 см від пластини А. Час від часу порушувалась рівновага пилинки, оскільки рентгенівське випромінювання вибивало з неї електрон.

Питання 29: Фотоефект. Закони фотоефекту

Фотоефект — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Це повне або часткове вивільнення електронів від зв'язків з ядрами атомів речовини внаслідок дії на неї електромагнітного проміння (світла, рентгенівського чи гамма-променів).

Розрізняють: зовнішній фотоефект – вибивання електронів під дією світла (фотоелектронна емісія), гамма-випромінювання тощо; внутрішній фотоефект – збільшення електропровідності напівпровідників або діелектриків під дією світла (фотопровідність); вентильний фотоефект – збудження світлом електрорушійної сили на межі між металом і напівпровідником або між різнорідними напівпровідниками (р-n перехід).

Фотоефект застосовується в ряді аналізаторів речовини. Явище фотоефекту покладено в основу дії фотоелементів.

Дослідження фотоефекту дозволили сформулювати три його характерні закони.

1. Кількість фотоелектронів прямо пропорційна інтенсивності світла.

2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів не залежить від інтенсивності світла, кінетична енергія фотоелектронів прямо пропорційна частоті світла.

3. Для кожної речовини існують порогові значення частоти та довжини хвилі світла, які відповідають межі існування фотоефекту; світло з меншою частотою та більшою довжиною хвилі фотоефекту не викликає.

Оскільки це порогове значення завжди ближче до червоного світла, то йому дали назву червона межа фотоефекту.

Зрозуміло, що червона межа фотоефекту існує завдяки притягуванню електронів до ядер. Разом з тим, останній закон не можна пояснити на основі уявлення про світло як неперервні плавні коливання у вакуумі-ефірі: такі хвилі мали довго розгойдувати електрони до того моменту, коли швидкість останніх стала б достатньою для відриву від металу.

Повне пояснення фотоефекту належить Альберту Ейнштейну, який використав ідею німецького фізика Макса Планка про те, що світло випромінюється і поширюється окремими порціями — квантами, які отримали назву фотонів. Для обчислення енергії кванта світла Макс Планк запропонував просту формулу:

де -енергія фотона, h — стала Планка, - лінійна частота.

Ейнштейн висловив припущення, що фотоефект відбувається внаслідок поглинання фотоном одного кванта, а інші кванти не можуть брати участь у цьому процесі. Тоді енергія одного кванта світла (фотона) витрачається на подолання бар'єру (виконання роботи виходу, відриву від матеріалу) і надання кінетичної енергії фотоелектрону.

Це дозволило йому записати закон збереження енергії для процесу — наведене вище рівняння Ейнштейна для фотоефекту.

Питання 30: Будова атома. Дослід Резерфорда. Постулати Бора

Дослід Резерфорда: Резерфорд дослідив розсіяння альфа-частинок на тонкій металевій фользі.

Резерфорд 1906 року запропонував модель, згідно з якою будова атома дуже схожа на будову сонячної системи. Щоб перевірити правильність своєї теорії, він провів низку дослідів, які називають дослідами Резерфорда. Він зондував атоми золота швидкорухомими ядрами гелію (a частинками).

Навпроти отвору в свинцевому контейнері на екрані, покритому ZnSO₄, можна було помітити світлову пляму. Резерфорд помістив на шляху рухомих ядер тонку золоту пластинку (фольгу), і помітив, що незначна частина ядер відхиляється на значні кути і дуже мало ядер відбивались назад. Узагальнивши результати дослідів, Резерфорд зробив висновки:

- в цілому атом порожній. Майже вся його маса сконцентрована в ядрі діаметром d ~ 10^-15 м.

- ядро несе в собі заряд q⁺, величина якого за модулем дорівнює заряду електрона, помноженому на порядковий номер цього елемента в таблиці Менделєєва.

- оскільки атом електрично нейтральний, то позитивний заряд ядра компенсує заряд електронів, які мають рухатись навколо ядра, подібно до планет навколо Сонця. Кількість електронів дорівнює порядковому номеру елемента в таблиці Менделєєва. Таку модель атома Резерфорд назвав планетарною моделлю атома.

Теорія Резерфорда мала ряд недоліків:

Постулати Бора

1. Атомна система випромінює енергію, умовно названу En, тільки перебуваючи в квантових станах. В іншому випадку (при знаходженні атома в стаціонарному стані), енергія не виділяється.

В даному випадку під стаціонарним станом розуміється рух електронів по певних орбітах. Незважаючи на фактичну наявність прискореного руху, електромагнітні хвилі не випромінюються, атом володіє лише квантовим значенням енергії.

2. Другий постулат, найчастіше відомий як правило частот, свідчить про те, що перехід атома з одного стану в інше (як правило, з стаціонарного в квантове) супроводжується виділенням або поглинанням енергії. Цей процес здійснюється невеликими порціями – квантами. Їх значення відповідає різниці енергії станів, між якими власне відбувається перехід. Другий постулат дозволяє обчислити за відомим експериментальним значенням енергій стаціонарних станів частоти випромінювання атома водню.

Питання 31: Будова ядра. Дефект маси. Енергія зв’язку атомного ядра

Ядро — центральна частина атома, в якій зосереджена основна частина маси атома (понад 99,9 %). Ядро має позитивний заряд, і саме від величини заряду ядра залежить, який хімічний елемент представлений атомом.

У порівнянні з розмірами атома, який визначається радіусом електронних орбіт, розміри ядра надзвичайно малі — 10¹⁵-10¹⁴ м, тобто приблизно у 10-100 тисяч разів менші від розміру самого атома.

Атомне ядро складається з нуклонів — позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів, близьких за масою та іншими властивостями частинок, які взаємодіють між собою через сильну взаємодію.

Ядро найпростішого атома — атома водню (ізотоп протій) — є одним протоном.

Дефект маси — різниця між масою спокою атомного ядра даного ізотопу, вираженої в атомних одиницях маси, і сумою мас спокою складових його нуклонів (масовим числом). Позначається Згідно із формулою Ейнштейна дефект маси і енергія зв'язку нуклонів в ядрі еквівалентні:

Дефект маси характеризує стійкість ядра.

Дефект маси, віднесений до одного нуклона, називається пакувальним множником.

Експериментально виявлено, що для всіх стабільних ядер маса ядра менша від суми мас його нуклонів, узятих окремо. Ця різниця називається дефектом маси або надлишком маси

Згідно з принципом еквівалентності маси і енергії дефект маси еквівалентний роботі, що виконали ядерні сили, щоб зібрати всі нуклони разом при утворенні ядра. Ця величина дорівнює зміні потенційної енергії нуклонів у результаті об'єднання в ядро.

Енергія, еквівалентна дефекту маси, називається енергією зв'язку ядра

Важливим параметром ядра є енергія зв'язку, що припадає на один нуклон ядра, яку можна обчислити, розділивши енергію зв'язку ядра на кількість нуклонів, що містяться в ньому:

Це середня енергія, яку потрібно витратити, щоб забрати з ядра один нуклон, або середня зміна енергії зв'язку ядра, коли вільний протон або нейтрон поглинається ним.

Як видно з малюнка, для малих значень масових чисел питома енергія зв'язку ядер стрімко зростає зі збільшенням маси ядра й сягає максимуму для {\displaystyle A\approx 50\ \div 60} (приблизно 8,8 МеВ). Нукліди з такими масовими числами найстійкіші. Із подальшим зростанням середня енергія зв'язку зменшується, проте в широкому інтервалі масових чисел значення енергії майже стале), з чого випливає, що можна записати Такий характер поведінки середньої енергії зв'язку вказує на властивість ядерних сил досягати насичення, тобто можливість нуклона взаємодіяти лише з обмеженою кількістю «партнерів». Якби ядерні сили не мали властивості насичення, то в межах радіусу дії ядерних сил кожний нуклон взаємодіяв б з усіма іншими, й енергія взаємодії була б пропорційна , а середня енергія зв'язку на один нуклон неухильно зростала б зі зростанням

Загалом залежність енергії зв'язку від масового числа описується формулою Вайцзеккера в краплинній моделі ядра^[9] ^[10].

Велика енергія зв'язку нуклонів, що входять до ядра, свідчить про існування ядерних сил, оскільки гравітаційні сили занадто малі, щоб подолати взаємне електростатичне відштовхування протонів у ядрі. Зв'язок нуклонів здійснюється силами з надзвичайно малим радіусом дії. Вони виникають внаслідок того, що між нуклонами ядра відбувається безперервний обмін віртуальними частинками — пі-мезонами. Оскільки взаємодія здійснюється через обмін масивними частинками, це пояснює властивість насичення ядерних сил — нуклон може взаємодіяти лише з тими сусідами, до яких може дістатися віртуальна частинка протягом короткого часу свого існування. Ядерні сили залежать від спіну, не залежать від електричного заряду і не є центральними силами

Питання 32: Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду

Радіоактивність - явище мимовільного перетворення нестійкого ізотопа хімічного елементу в інший ізотоп (зазвичай іншого елемента) (радіоактивний розпад) шляхом випромінювання гамма-квантів, елементарних частинок або ядерних фрагментів.

Радіоактивність відкрив у 1896 р. Антуан Анрі Беккерель. Сталося це випадково. Вчений працював із солями урану і загорнув свої зразки разом із фотопластинами в непрозорий матеріал. Фотопластини виявилися засвіченими, хоча доступу світла до них не було. Беккерель зробив висновок про невидиме оку випромінювання солей урану. Він дослідив це випромінювання і встановив, що інтенсивність випромінювання визначається тільки кількістю урану в препараті і абсолютно не залежить від того, в які сполуки він входить. Тобто, ця властивість характерна не сполукам, а хімічному елементу урану.

В 1898 р. Ґергард Шмідт та П'єр Кюрі і Марія Склодовська-Кюрі відкрили випромінювання торію. Пізніше Кюрі відкрили полоній та радій. На сьогодні відомо близько 40 природних елементів, яким властива радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду - закон, відкритий Фредеріком Содді і Ернестом Резерфордом експериментальним шляхом і сформульований в 1903 році. Сучасне формулювання закону:

(2.2)

що означає, що число розпадів за інтервал часу t в будь-якій речовині пропорційно числу N наявних у зразку радіоактивних атомів даного типу.

У цьому математичному виразі (2.2) - постійна розпаду, яка характеризує ймовірність радіоактивного розпаду за одиницю часу і має розмірність с^-1. Знак мінус вказує на спад числа радіоактивних ядер з часом. Закон висловлює незалежність розпаду радіоактивних ядер один від одного і від часу: ймовірність розпаду даного ядра в кожну наступну одиницю часу не залежить від часу, що пройшов з початку експерименту, і від кількості ядер, що залишилися в зразку.

Питання 33: Рентгенівське випромінювання та його застосування

Рентгенівські промені були виявлені випадково в 1895 році знаменитим німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Він вивчав катодні промені в газорозрядної трубці низького тиску при високій напрузі між її електродами. Незважаючи на те, що трубка перебувала в чорному ящику, Рентген звернув увагу, що флуоресцентний екран, випадково знаходився поряд, всякий раз світився, коли діяла трубка. Трубка виявилася джерелом випромінювання, яке могло проникати через папір, дерево, скло і навіть пластинку алюмінію завтовшки в півтора сантиметра.

Рентген визначив, що газорозрядна трубка є джерелом нового виду невидимого випромінювання, що володіє великою проникаючою здатністю. Учений не міг визначити чи було це випромінювання потоком частинок або хвиль, і він вирішив дати йому назву X-промені. У наслідок їх назвали рентгенівськими променями

Тепер відомо, що X-промені - вид електромагнітного випромінювання, що має меншу довжину хвилі, ніж ультрафіолетові електромагнітні хвилі. Довжина хвилі X-променів коливається від 70 нм до 10-5нм. Чим коротше довжина хвилі X-променів, тим більше енергія їх фотонів і більше проникає здатність. X-промені з порівняно великою довжиною хвилі (більше 10 нм), називаються м'якими. Довжина хвилі 1 - 10 нм характеризує жорсткі X-промені. Вони мають величезну проникаючу здатність.