Интересные факты об атомной физике

Что изучает атомная физика

Атомная физика изучает следующие явления: 

• строение атома; 
• ионизацию и возбуждение атома; 
• ядерную физику.  

Строение атома

Одной из основных тем, изучаемых в атомной физике, является строение атома. Ученые изучают, как электроны, протоны и нейтроны взаимодействуют между собой, образуя атом и определяя его свойства. Изучение строения атома помогает понять такие явления, как квантовая механика, электромагнитные поля и радиоактивность.

Строение атома состоит из ядра, которое содержит протоны и нейтроны, и электронной оболочки, которая включает в себя электроны, вращающиеся вокруг ядра. Изучение строения атома дало возможность установить, что атомы различных элементов имеют разное количество протонов в ядре и, следовательно, разное количество электронов в электронной оболочке. Это объясняет, почему различные элементы обладают различными химическими свойствами.

Так выглядит атом: 

Источник: chemistry.ssau.ru

Ионизация и возбуждение атомов

Другой важной темой в атомной физике является ионизация и возбуждение атомов. 

Ученые изучают, как происходят эти процессы и как они влияют на свойства атомов и молекул.

Возбуждение атомов может происходить при воздействии на них энергии, например, электромагнитного излучения или удара частиц. При возбуждении электроны переходят на более высокие энергетические уровни, что приводит к изменению свойств атома. Ионизация же происходит, когда электрон в атоме получает столько энергии, что покидает атом. Это может привести к образованию положительного или отрицательного иона.

Ядерная физика

Ядерная физика — это еще одна важная тема в атомной физике. Она изучает свойства ядер и ядерных реакций, таких как деление ядер и слияние ядер. Изучение ядерной физики помогает понять процессы, происходящие в звездах и ядрах планет.

Ядерная физика имеет множество приложений в различных областях, таких как медицина, энергетика и наука о материалах. Например, в медицине используются методы ядерной медицины, основанные на использовании радиоактивных изотопов для диагностики и лечения заболеваний.

В чем разница между атомной и ядерной физикой

Атомная физика и ядерная физика являются двумя основными областями физики, которые изучают явления в микромире. Однако, эти области физики отличаются друг от друга по ряду параметров.

Атомная физика является областью физики, которая изучает строение и свойства атомов. Атомы состоят из ядра, которое содержит протоны и нейтроны, а также электронов, которые вращаются вокруг ядра на энергетических уровнях. Атомная физика изучает физические свойства электронов, атомных ядер и взаимодействие электронов с излучением.

Ядерная физика изучает ядерные реакции, которые происходят при расщеплении или слиянии ядер, а также взаимодействие ядер с частицами и излучением. Эта область физики также изучает радиоактивные процессы, связанные с распадом ядер и излучением.

Таким образом, атомная физика и ядерная физика являются двумя разными областями физики, хотя и связаны между собой. Атомная физика изучает свойства атомов, в то время как ядерная физика изучает свойства ядер. Обе области физики имеют важное значение для понимания физического мира и развития науки и технологий.

История развития атомной физики

В античности атомная физика была развита в теории противоположностей, предложенной Эмпедоклом. Он предполагал, что все существующие вещи состоят из двух элементов: огня и земли. Атомы были введены в теорию Демокритом, который утверждал, что все вещи состоят из неподразделенных частиц — атомов. В то время существовали только философские идеи об атомах, а не научные доказательства.

Так выглядел Демокрит: 

Источник: ru.wikipedia.org

Позднее, в 19 веке, Джон Дальтон сформулировал свою теорию атомов, основанную на экспериментальных данных. Он предполагал, что элементы состоят из атомов, которые не могут разделиться на более мелкие части.

Так выглядел Дж. Дальтон: 

Источник: ru.wikipedia.org

История атомной физики начинается в конце XIX века, когда ученые начали исследовать свойства атомов и элементов. Одним из первых важных открытий было открытие электрона, которое сделал Джозеф Джон Томсон в 1897 году. Он показал, что атом состоит из частиц, известных как электроны.

Так выглядел Дж. Томсон: 

Источник: ru.wikipedia.org

После открытия электрона ученые продолжили свои исследования и в 20 веке Эрнест Резерфорд совершил одно из важнейших открытий в истории атомной физики. Он провел эксперимент, в котором стрелял альфа-частицами в тонкий лист золота. Большинство альфа-частиц проходили через лист, но некоторые отражались. Это привело к тому, что он предложил модель атома, в котором положительно заряженное ядро находится в центре, а отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг него. Эта модель атома Резерфорда стала одной из самых важных в истории науки и остается актуальной и сегодня.

Различие двух атомных моделей: 

Источник: vit7225.narod.ru

В 1920-х и 1930-х годах ученые стали осознавать, что классические физические законы не могут объяснить поведение атомов на микроуровне. Это привело к развитию квантовой механики, новой теории, которая объясняет, как атомы и частицы взаимодействуют на уровне квантов. Квантовая механика изменила наше представление о мире и имеет огромное значение для многих отраслей науки и технологии.

Сегодня атомная физика используется в различных областях, включая медицину, энергетику и технологии. Она стала необходимым инструментом в исследовании микромира и разработке новых материалов и технологий. Атомная физика также играет важную роль в разработке новых источников энергии, таких как ядерная энергия, которая может быть более экологичной и эффективной, чем традиционные источники энергии.

Разделы атомной физики

Атомная физика — это одна из самых важных областей физики, которая имеет огромное значение для нашего понимания мира и его свойств. Разделы атомной физики можно разделить на несколько категорий: 

• квантовая механика; 
• атомная спектроскопия; 
• ядерная физика. 

Квантовая механика

Квантовая механика описывает, как атомы взаимодействуют между собой и с электромагнитным полем. Она позволяет понимать не только поведение отдельных атомов, но и свойства больших систем, таких как молекулы и кристаллы.

Квантовая механика доказала, что классическая физика не может объяснить некоторые феномены, которые мы наблюдаем в мире. Например, эффект туннелирования, когда атом может перепрыгнуть через барьер, который он классически не может преодолеть, и тем самым нарушить законы классической физики.

Атомная спектроскопия

Атомная спектроскопия находит широкое применение в различных областях, таких как медицина, астрономия и материаловедение.

В медицине, например, атомная спектроскопия используется для анализа тканей и определения состава образцов. В астрономии, атомная спектроскопия помогает устанавливать состав звезд и галактик. В материаловедении, атомная спектроскопия используется для исследования свойств материалов на микроуровне.

Ядерная физика

Ядерная физика — это раздел атомной физики, который изучает свойства и взаимодействия частиц, составляющих ядро атома. Ядерная физика позволяет понимать процессы ядерного распада и синтеза, а также создавать новые элементы. Она имеет огромное значение в области энергетики и медицины.

Ядерная физика нашла широкое применение в производстве энергии. Ядерные реакторы используют ядерную энергию для генерации электроэнергии. В медицине, ядерная физика используется для диагностики и лечения рака.

Основные понятия и формулы, единицы измерения

Атомная физика является основой для понимания многих явлений в науке и технологии. Рассмотрим основные понятия атомной физики: 

1. Атом. Атом — это наименьшая единица вещества, которая сохраняет его химические свойства. Он состоит из ядра, которое содержит протоны и нейтроны, и электронной оболочки, состоящей из электронов, движущихся вокруг ядра. Количество протонов в ядре определяет химические свойства элемента.
2. Ион. Ион — это атом или молекула, которые имеют несколько или недостаток электронов по сравнению с нейтральным атомом или молекулой. Ионы могут иметь положительный или отрицательный заряд, в зависимости от того, сколько электронов они потеряли или получили.
3. Квантовая механика. Квантовая механика — это теория, описывающая поведение атомов и частиц на микроуровне. Она позволяет предсказывать поведение частиц, которые движутся со скоростью, близкой к скорости света, и объясняет, как частицы переходят из одного состояния в другое.
4. Квантовые числа. Квантовые числа — это числа, которые используются для описания состояния электронов в атоме. Они включают главное квантовое число, орбитальное квантовое число, магнитное квантовое число и спиновое квантовое число. Они помогают определить, в какой орбитали находится электрон и как она ориентирована в пространстве.
5. Закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии — это закон, согласно которому энергия не может быть создана или уничтожена, а может только преобразовываться из одной формы в другую. В атомной физике этот закон означает, что энергия электронов в атоме может изменяться, но общая энергия атома должна оставаться постоянной.

К основным формулам атомной физики относятся: 

1. Формула Резерфорда. Формула Резерфорда используется для описания рассеяния α-частиц на атомах. Она выглядит так: \(\frac{d\sigma}{d\Omega} =(\frac{Z_{1}Z_{2}e^{2}}{2m\upsilon^{2}})^{2} \frac{1}{\sin^{4}{\frac{\theta}{2}}}\) . В ней \(Z_{1}, Z_{2}\)являются зарядами летящей частицы, а также мишени, \(m, \upsilon\) — вес и скорость частицы, которая налетает на мишень, \(\theta\) — двумерный угол рассеяния, e — элементарный заряд, \(d\sigma\) — дифференциал полного сечения, \(Omega\) — дифференциал телесного угла. 
2. Энергия связи ядра в Дж. \(E_{св} = (Z\times{m_{p}}+(A-Z)\times{m_{n}-M_{я}})\times{C}^{2}\).
3. Энергия связи ядра в а.е.м.\(E_{св} = (Z\times{m_{p}}+(A-Z)\times{m_{n}-M_{я}})\times931,5МэВ. \) 
4. Закон радиоактивного распада. \(N=\frac{N_{0}\times{t}}{T}\). В ней N — количество ядер, которые остались, t — время, T — период полураспада. 
5. Ядерная активность. \(A=\frac{N}{1.44T}\). В ней A — активность ядра, N — количество ядер, T — период полураспада. 

В атомной физике используются различные единицы измерения, которые помогают описывать физические величины.

Некоторые из наиболее распространенных единиц измерения в атомной физике:

1. Электронвольт (эВ) — это единица энергии, равная энергии, которую приобретает электрон, пройдя напряжение в один вольт. Электронвольт часто используется для измерения энергии связи в атоме.
2. Ангстрем \((\dot{A}) \) — это единица длины, равная 0,1 нанометра. Ангстрем используется для измерения размеров атомов и молекул.
3. Герц (Гц) — это единица частоты, равная одному колебанию в секунду. В атомной физике часто используется для измерения частоты излучения и переходов между энергетическими уровнями атомов.
4. Ньютон (Н) — это единица силы, которая между другими веществами действует на атомы. Ньютон используется при описании взаимодействия атомов и молекул вещества.
5. Массовое число (A) — это сумма протонов и нейтронов в ядре атома. Массовое число используется для определения изотопов элементов.

Это лишь некоторые из единиц измерения, используемых в атомной физике. В зависимости от конкретной задачи, могут использоваться и другие единицы измерения.

Некоторые величины из атомной физике: 

Источник: dpva.ru

Задачи по атомной физике

 Решение: нужное сечение можно получить при помощи формулы Резерфорда. 

\(\sigma(\theta>\theta_{0})=\int_{\Omega}{\frac{d\sigma}{d\Omega}}d\Omega =\int_{\theta{0}}^{\pi}\int_{0}^{2\pi}{\frac{d\sigma}{d\Omega}}sin\theta{d}\theta{d}\phi=2\pi\int_{\theta{0}}^{\pi}(\frac{Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4T})^{2}\frac{sin\theta{d}\theta}{sin^{4}\frac{\theta}{2}}=4\pi(\frac{Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4T})^{2}(-\frac{1}{sin^{2}\frac{\theta}{2}})\mid_{\theta_{0}}^\pi=4\pi(\frac{Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4T})^{2}(\frac{1}{sin^{2}\frac{\theta_{0}}{2}}-1)=4\pi(\frac{Z_{1}Z_{2}e^{2}}{4T})^{2}=4\times3.14(\frac{2\times82\times1.44МэВ\times{Фм^{2}}}{4\times5МэВ})^{2}=1750Фм^{2}=17.5 бари\)

Решение: Масса нуклона в рамках ядра атома равняется \(m_{N}\approx1 а.е.м = 1.66\times{10^{-24}}г\). Плотность ядерной материи будет равна ядерной массе, которая делится на объем ядра: \(\rho=\frac{m_{N}A}{\frac{4}{3}\pi{R}^{3}}=\frac{3m_{N}A}{4\pi{r_0^3}A}=\frac{3m_{N}}{4\pi{r_0^3}}=\frac{3\times1.66\times10^{-24}}{4\times3.14\times(1.3\times10^{-13})^{3}}=1.8\times10^{14}г/см^{3}=180\frac{млн.тонн}{см^{3}}\) 

Решение: 

Первая реакция: \(a+^{7}Li\rightarrow^{10}B+n. Q=2.424+14.907-12.05-8.071=-2.79МэВ, T_{пор}=2.79(1+4/7)=4.38МэВ\), \(T_{пор}=2.79(1+4/7)=4.38МэВ\). Данная реакция может быть проведена, потому что \(T=10 МэВ > T_{пор}\). 

Вторая реакция: \(a+^{12}C\rightarrow^{14}N+d\). \(Q=2.424+0-2.863-13.136=-13.575 МэВ\). \(E_{пор}=18.1 МэВ\). Данная реакция не может быть проведена, потому что \(T<T_{пор}\). 

Значение атомной физики

Атомная физика является одной из ключевых наук в современном мире. Ее значение не ограничивается только научными исследованиями, но также оказывает влияние на нашу повседневную жизнь.

1. Развитие технологий. Атомная физика способствует развитию технологий в различных областях, таких как энергетика, медицина и транспорт. Атомные электростанции генерируют электричество для миллионов домов, а ядерная медицина использует радиоактивные элементы для диагностики и лечения различных заболеваний. Кроме того, атомная физика играет важную роль в разработке транспортных средств, например, воздушных и космических кораблей.
2. Фундаментальные исследования. Атомная физика также является фундаментальной наукой, которая исследует структуру и взаимодействие атомов и молекул. Эти исследования могут привести к новым открытиям и даже революционным изменениям в наших представлениях об окружающем мире.

С другой стороны, атомная физика также представляет опасность в виде ядерных взрывов и утечек радиации. Это приводит к необходимости разработки строгих мер безопасности и контроля распространения ядерного оружия.