Сегодня на уроке

 

Атом и атомное ядро. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора.

Опыт Резерфорда. Пучок положительно заряженных альфа-частиц, излучаемые радиоактивными элементами, направлялся на сверхтонкую золотую фольгу толщиной около 400 нм. Частицы, прошедшие через фольгу, регистрировались на экране при помощи микроскопа.

Многочисленные опыты показали, что очень редкие а-частицы отклонялись на значительный угол (90⁰ и 180⁰). Как писал сам Эрнест Резерфорд (1871 - 1937): "Это было почти столь же неправдоподобным, как если бы вы выстрелили в лист папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас".

Что бы это могло значить? То, что внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создается положительным зарядом, сконцентрированном в очень малом объеме. Название "ядро" было предложено Резерфордом. В ядре сосредоточена также вся масса атома.

Ядерная модель атома

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил ядерную модель атома.

Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома (99,96%). Диаметр ядра не превышает 10^-14 - 10^-15 м. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра по замкнутым орбитам вращаются под действием кулоновских сил притяжения со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. То есть q = +Ze = -Ze, где Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, e - элементарный заряд.

Квантовые постулаты Бора

Ядерная модель атома не могла объяснить следующие противоречия: при движении электрона по орбите он должен излучать электромагнитные волны, вследствие этого терять энергию и через 10^-13 с прекратить свое существование. Спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым.

Нильс Хендрик Давид Бор (1885 - 1962) в 1913 г. предложил квантовую модель атома, в основе которой лежат следующие постулаты.

I постулат Бора (постулат стационарных состояний): электрон в атоме может находиться только в особых (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. Когда электрон находится в стационарном состоянии, вращаясь по орбите, он не излучает.

Стационарные состояния можно пронумеровать, причем каждое состояние обладает своей фиксированной энергией.

II постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения, энергия которого равна разности энергий электрона в данных состояниях.

Если Е_k>Е_n, то происходит излучение энергии, если Е_k<Е_n - ее поглощение.

Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния с большей энергией - возбужденными. В основном состоянии электрон может находиться неограниченно долго, а в остальных состояниях не более 10^-8 с.

II постулат Бора позволил объяснить линейчатую структуру атомных спектров.

III постулат Бора (правило квантования орбит): стационарные электронные орбиты находятся из условия

Сегодня на уроке

 Спектры излучения и поглощения света.

Спектр световых волн

Спектр - распределение энергии, излучаемой или поглощаемой веществом, по частотам или длинам волн.

Если на пути пучка солнечного света, проникающего через узкую длинную прямоугольную щель, поместить призму, то на экране мы увидим не изображение щели, а растянутую цветную полоску с постепенным переходом цветов от красного к фиолетовому - спектр. Это явление наблюдал еще Ньютон. Это означает, что в состав солнечного света входят электромагнитные волны различных частот. Такой спектр называется сплошным.

Если пропустить через призму свет, который излучается нагретым газом, то спектр будет иметь вид отдельных цветных линий на черном фоне. Такой спектр называется линейчатым спектром испускания. Это означает, что нагретый газ излучает электромагнитные волны с определенным набором частот. При этом каждый химический элемент испускает характерный спектр, отличный от спектров других элементов.

Если свет проходит через газ, то появляются темные линии - линейчатый спектр поглощения.

Спектральный анализ - метод определения качественного и количественного состава вещества, основанный на получении и исследовании его спектров.

Закономерности излучения атомов

Излучение света происходит при переходе электрона в атоме с высшего энергетического уровня E_k на один из низших энергетических уровней E_n(k > n). Атом в этом случае излучает фотон с энергией 

Поглощение света - процесс обратный. Атом поглощает фотон, переходит из низшего состояния k в более высокое n (n > k). Атом в этом случае поглощает фотон с энергией 

Энергия электрона

Энергия электрона на n-й орбите

Невозбужденный атом водорода находится на первой орбите, обладает энергией -13,55 эВ. Для ионизации требуется энергия, равная 13,55 эВ.

Энергия излучаемого фотона при переходе электрона с n-oй более дальней от ядра орбиты, на k-ую более близкую орбиту

Сегодня на уроке

Учащиеся группы №65 - АСО выполняют лабораторную работу по изучению собирающей линзы

Сегодня на уроке

 Решение задач на фотоэффект

Задача 1. При фиксированной частоте падающего света в опытах №1 и №2 получены вольтамперные характеристики фотоэффекта (см. рис.). Величины фототоков насыщения  равны ${\mathrm{<span\; face=""Open\; Sans",\; sans-serif">I</span>}}_{}$1  и I2, соответственно. Найти отношение числа фотоэлектронов  N1 и N2 в этих двух опытах?

$$\begin{gathered} I1=13,5 мкА \\ {\mathrm{ }}_{}I2=10,6 мкА \end{gathered}$$

Задача 2.Наибольшая длина волны света , при которой еще может наблюдаться фотоэффект на сурьме, равна 310 нм. Найдите скорость электронов, выбитых из калия светом с длиной волны 140 нм. 

Ответ: $1,3·{10}^6 \raisebox{1ex}{$м$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$с$}\right.$.

Вопросы с ответами на тему «Фотоны и фотоэффект»

Вопрос 1. В чем суть фотоэффекта?
Ответ. Фотоэффект — это явление «выбивания» электронов из вещества под действием света (электромагнитного излучения).
Вопрос 2. Что такое ток насыщения?
Ответ. Ток насыщения при фотоэффекте — максимальное значение фототока.
Вопрос 3. Что такое красная граница фотоэффекта?
Ответ. Это минимальная частота или максимальная длина волны света излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Вопрос 4. Что такое работа выхода?
Ответ. Это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы выбить его из металла.
Вопрос 5. Что такое квант?
Ответ. Неделимая порция какой-либо величины в физике.

Сегодня на уроке

 Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Уравнение фотоэффекта

Фотоэлектрический эффект

Фотоэффектом называется явление взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия излучения передается электронам вещества. Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны - фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта

На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равенкинетической энергии электрона:

Законы внешнего фотоэффекта

Столетовым Александром Григорьевичем (1839 - 1896) экспериментально были установлены законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения.

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, "затрудняющее" вылет электронов, то токуменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля. Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового излучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Вопросы

1. Кто открыл явление фотоэлектрического эффекта?

2. Дайте определение фотоэффекта?

3. Кто проводил опыты по фотоэффекту и открыл законы фотоэффекта?

4. Кто объяснил явление фотоэффекта. Уравнение фотоэффекта?

5. Что такое красная граница фотоэффекта?

6. Чем отличается внешний фотоэффект от внутреннего?

Сегодня на уроке

 Учащиеся группы №36 - ШПД выполняют лабораторную работу