Атомска и нуклеарна физика. Структура материје Демокрит: добро наоштримо нож и почнемо да рецкамо материју шта ћемо видети? Развој представа о атому

Transcript

1 Атомска и нуклеарна физика Физика Структура материје Демокрит: добро наоштримо нож и почнемо да рецкамо материју шта ћемо видети? Физика Развој представа о атому чврсте лопте (440 BC-1904 АC), Леукип идемокрит пудинг са шљивама ( ) - Томсон нуклеарни модел ( ), Радефорд планетарни-орбитални ( ), Бор модел електронских облака (1926- данас), Физика

2 Модели атома: Грчки Democritus ( B.C.) Дељење материје на ситније делове има крај Најмањи део = атом (грчки a =не thomos = дељив ) Није имао начина да сазна како атом (хипотетичка недељива честица) изгледа Физика Демокрит Изнеојехипотезудасу атоми: Мали & чврсти различитих облика и величине бесконачно много их има да се увек крећу да су способни да се спајају Физика Далтон ( ) Енглески хемичар и наставник Извршио пуно експеримената проучавао гасове и формулисао модерну атомску теорију Физика

3 Модел атома: Далтон 1. Елементи се састоје од атома; атоме не можемо да уништимо - разоримо 2. Атоми истог елемента су међусобно једнаки 3. томи различитих елемената се разликују 4. Једињења се стварају спајањем 2 атома 5. Како изгледа Далтонов атом? Физика : J.J. Thomson Енглески физичар Експериментисао са катодни цевима Cathode-Ray Tubes (CRTs) Открио честицу коју данас зовемо електрон Физика Томсон, Томсон је проучавао пролазак електричне струје кроз гасове. Приметио је да се јављају мистериозне честице које долазе са катоде скреће их магнетно и електрично поље врло су мале и негативно су наелектрисане!? Атом је неутралан и недељив одакле сад негативне честице одједном? Одакле су оне дошле? Физика

4 Томсон је закључио да негативна наелектрисања долазе из атома. Дакле ствари мање од атома морају да постоје. Атом је дељив!! Томсон је то негативно наелектрисање назвао корпускула (најситнија честица) а данас се оно назива електрон. Како је гас био неутралан, Томсон је закључио да, осим негативног, мора да постоји и позитивно наелектрисање у атому Проблем - нико Физика га 2008 до тада није 10 видео. Модел атома: Џеј Џеј Томсон Атоми су неутрални КАКО? уњемуморадапостоје + наелектрисања као равнотежа - наелектрисањима + и су сконцентрисани у атому који је Томсон назвао пудинг са сувим грожђем електрони су уроњени у море непрекидно по простору атома распређеног позитивног наелектрисања Физика Ко је следећи? Радефорд Томсонов студент, година Физика

5 Радефордов експеримент Физика Ернест Радефорд Закључци из године Атом је углавном празан, тј. + налектрисање се не налази свуда по атому! веома, веома мала, масивна, јако + наелектрисана честица... окружена танком негативно наелектрисаном љуском малу, масивну и веома наелектрисану честицу је назвао језгро нуклеус (нуклеарни модел) Физика Радефордов нуклеарни -модел Електрони Празан простор Језгро + наелектрисано Физика

6 Нуклеарни модел Ернест Радефорд Атом је углавном празан Има веома мали, али веома густ, нуклеус (језгро) уцентру(+ наелектрисан) Електрони (- наелектрисани) орбитирају око језгра као планете око Сунца Физика Шта не ваља код Радефордовог модела? Само то што није стабилан: Привлачење негативних електрона и позитивног језгра електрон на крају пада на њега. Има још: Зрачење које се при томе јавља мора да буде континуално. Проблем је што није континуално у пракси зраче се одређене боје!!!! Физика Нилс Бор Радефордов пријатељ Анализирао спектралне линије водоника Приметио да нуклеарни моделнеможедаих објасни Електрони се окрећу око језгра Класична физика: губе енергију зрачењем континуално и падају на језгро У реалности се не дешава ни једно ни друго!!! Физика

7 Борове идеје-боров планетарни модел Електрони се крећу око језгра по стабилним орбитама и при том не емитују зрачење. Електрон на таквој (стабилној) орбити има одређену енергију. Енергија се зрачи када електрони прелазе са више орбиту на нижу Физика Физика Физика

8 Енергија се емитује као фотон енергије која је тачно једнака енергијској разлици нивоа hf = E E initial final Физика Шема енергијских нивои Могуће енергије које електрон може да има у атому могу да се представе дијаграмом енергијских нивоа. E 4 E 3 E 2 E Физика Водоник и његов отисак прста Физика

9 Боров модел - проблеми добро објашњава атом водоника и њему сличне не објашњава енергијске нивое него их постулира не знамо зашто су баш толике енергије, Физика Луј-Виктор де Брољи (Louis-Victor de Broglie) Честице имају карактеристике таласа Тачасно-честична дуалност у природи Применљиво на све таласе и на све честице Што је честица масивнија слабије је изражена њена таласна природа. Електрони веома мале масе, испољавају значајна таласна својства. Електрони се крећу толико брзо да је немогуће одредити њихову тренутну позицију Физика Таласни модел - почеци Физика

10 Ирвин Шредингер (Erwin Schrödinger) 1926 Шредингерова (таласна) једначина даје вероватноће да се електрони нађу на неким местима око језгра имају максимум тачно на Боровим орбитама Физика Електронски облаци Физика Електронски облаци квантномеханички модел Електрони се не крећу око језгра атома по тачно одређеним путањама (као што то чине планете око Сунца) Физика

11 * Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама које представљају почетна слова речи за линије у спектралним серијама l = 0 s ( sharp оштра ) l = 1 p ( principal - главна) l= 2 d ( diffuse -дифузна) l = 3 f ( fundamental-основна) Физика * Одговарајуће орбитале обележавају се ознакама које представљају почетна слова речи за линије у спектралним серијама l = 0 s ( sharp оштра ) l = 1 p ( principal - главна) l= 2 d ( diffuse -дифузна) Физика Нуклеарна физика и радиоактивност Физика

12 Структура језгра Језгра се карактеришу бројем нуклеона: неутрони (неутралне честице) и протони (p = +1.6x10-19 C). је томски број: = Z + N Нотација за описивање језгара: Z X 14 = 6 Елементи су дефинисани бројем протона, Z Атоми који имају исти број Z а различит број се зову изотопи (различит број неутрона а исти број протона) Физика C Атомска јединица масе као енергијска јединица (u) Ајнштајнова једначина E = mc 2 даје везу између масе и енергије! Може да се искористи и за изражавање атомске јединице масе у енергијским јединицама! u = kg; 1eV = J;1MeV = E = mc = ( kg)( 3 10 m / s) = J 2 10 E(1u ) = 931.5Mev; 1u = 931.5MeV / c = J M_proton = u = MeV M_neutron = u = MeV M_electron = u = MeV Физика J; Димензије језгра и густина r = r r = 0 1/3 15 ( ) 1fm = 10, 15 m m Димензија језгра је реда величине фемтометра (ферми) m, док је величина атома m (ангстрем). Већи атоми имају већи радијус језгра, али према горњој формули, радијус расте спорије од атомског броја! Физика /3, 12

13 Густина језгра Да би се проценила густина језгра, треба израчунати запремину језгра и масу па направити однос! Како је радијус језгра пропорционална трећем корену атомског (масеног) броја А, густина језгра различитих елемената ће бити независна од атомског броја. M = u r = V = ρ = 15 1/3 ( m) / 3πr = 4 / 3π( m) u / 4 / 3π( m) = kg / m Физика Да ли су језгра стабилна? Силе између нуклеона у језгру: Одбојна Кулонова сила између протона Привлачна јака нуклеарна сила (краткодометна сила радијус дејства је неколико fm) Јакасиланеутичена електроне: опада рапидно са растојањем N=Z Физика Откриће радиоактивности Парчеуранијумакојејеу мрачној просторији озрачило филм. Радиоактивност је на тај начин открио године Henri Becquerel (оставио је уранов оксид на омот неразвијеног филма у фиоци.) Добио је Нобелову награду за ово откриће године Физика

14 Сан алхемичара Радефорд је извео прву нуклеарну реакцију у лабораторији. Алфа честицама је бомбардовао азот и претворио га у кисеоник Физика Радиоактивност Алфа (α) распад: језгро се распада кроз емитовање алфа честице језгра хелијума. Бета (β) распад: емитовање или захватање високоенергетских eлектрона од стране језгра. Гама (γ) распад: језгро емитује фотоне γ-decay Бета+ (β + ) распад: емитују се позитрони. 4 2 He Када језгро доживљава радиоактивни распад, маса система опада и та разлика у маси се ослобађа као енергија! Ово је базирано на Ајнштајновој једначини: E=( m)c 2! Физика Поређење зрачења: Разне врсте зрачења заустављају различити материјали Физика

15 Пошто имају различите карактеристике (наелектрисање, маса,...) различито се понашају у магнетном пољу Физика Алфа распад Алфа распад: језгро се распада кроз Z X 4 емитовање алфа честице He Z Z X > Y α У алфа распаду укупан број протона и неутрона остаје као и пре реакције! Масени број језгра потомка је за четири мањи од језгра претка Физика Уранијум U доживљава алфа распад! 2 β, β + - распад и електронски захват β - - распад Z X Z + 1 Y + e + ν e 1 n p + e + ν e β + - распад e - - захват Z Z X Z 1 X + e + Y + e + ν Z 1 e Y + ν e 1 + p n + e + ν p + e n + ν e e У β (β + ) распаду, eмитују се електрони и позитрони разних енергија (уз неутроне и електронске неутрине (антинеутрине означени цртом изнад ознаке ν e )) Физика

16 γ-распад Гама распад: емитују се фотони. Уњему, побуђена језгра прелазе у ниже енергијско стање C 7 N * + e + νe 14 7 N* 14 7 N + γ Акојезгродоживљаваα-, β- или γ-распад, маса система опада а разлика у маси се рефлектује као ослобођена енергија : E = ( m)c 2! Физика