KVANTOVÁ FYZIKA
Kvantová fyzika − obor fyziky, který studuje jevy charakteristické pro mikrosvět, tzn. objekty o rozměrech 10 -10 m a méně. Specifičnost jevů vyskytujících se v mikrokosmu spočívá především v nemožnosti přímo, tzn. prostřednictvím smyslů (hlavně zraku) získávat informace o probíhajících procesech. K popisu jevů mikrosvěta jsou potřeba zásadně nové přístupy a metody, založené na experimentálně měřených veličinách.
Zrodu kvantové fyziky předcházela dramatická situace, která se ve fyzice rozvinula na samém konci 19. století. Klasická fyzika nedokázala dostatečně popsat spektrum rovnovážného záření. Tepelné záření bylo v té době považováno za soubor rovinných vln a jeho teoretický popis byl v dobré shodě s experimentem. Při vysokých frekvencích by však předpokládaná hustota energie záření měla vzrůst do nekonečna. Této situaci se říkalo „ultrafialová katastrofa“.
Nečekané východisko ze situace navrhl německý fyzik Max Planck (Max Karl Ernst Ludwig Planck). Jeho myšlenkou bylo, že záření se vyskytuje v samostatných kvantech a energie elektromagnetické vlny nemůže být libovolná, jak se věřilo v klasické fyzice, ale musí nabývat určitých hodnot úměrných určité velmi malé hodnotě h (rovné 6,63 10 -34 J s), který byl poté pojmenován Planckova konstanta. Pak již nelze celkovou hustotu energie považovat za spojitou hodnotu, ale skládá se z mnoha energetických částí (kvant), jejichž součet nemůže být tak velký, jak předpovídaly klasické hypotézy. Problém hustoty záření a „ultrafialová katastrofa“ byl úspěšně vyřešen. Za objev kvanta energie v roce 1918 byl Max Planck oceněn Nobelovou cenou.
Zavedení kvanta umožnilo vyřešit řadu dalších problémů, kterým tehdy věda čelila. S využitím Planckovy myšlenky kvanta energie odvodil Albert Einstein v roce 1905 rovnici fotoelektrického jevu E = hν + W, kde E je kinetická energie elektronů, ν je frekvence elektromagnetického záření, h je Planckova konstanta a W je funkce práce elektronů pro danou látku. Nejdůležitějším úspěchem v tomto případě bylo zavedení energie elektromagnetického záření jako funkce frekvence (nebo vlnové délky) záření, což vedlo k následnému vytvoření stupnice elektromagnetických vln.
Myšlenka kvanta vedla k závěru o diskrétní povaze jevů vyskytujících se v mikrokosmu, který byl později použit při studiu energetických hladin atomů a atomových jader.
Závislost vlnové délky různých typů částic na jejich energii
(jaderné jednotky − MeV = 1,6·10 -13 J, fm =10 -15 m)
Dalším důležitým důsledkem diskrétnosti jevů mikrosvěta byl objev Louise de Broglieho (1929) o univerzálnosti vlnově-částicové duality, tzn. skutečnost, že objekty mikrosvěta mají vlnovou i korpuskulární povahu. To umožnilo nejen vysvětlit řadu jevů spojených s interakcí částic s hmotou (například difrakce částic), ale také dále rozvíjet metody využití záření k ovlivnění částic, což vedlo ke vzniku hlavní moderní nástroj pro studium hmoty - urychlovače.
V druhé polovině 20. let 20. století vznikl teoretický aparát pro popis kvantových jevů - kvantová mechanika. Nejvýznamněji se na jeho vzniku podíleli Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Niels Bohr, Paul Dirac, Wolfgang Pauli, Max Born a další.
Kvantová mechanika je samostatná, dobře rozvinutá část moderní fyziky. K jeho hluboké asimilaci je zapotřebí dobré matematické vzdělání, které daleko přesahuje rámec fyzikálního kurzu na mnoha univerzitách. Vysvětlení základních pojmů kvantové mechaniky však není tak obtížné. Mezi tyto základní pojmy patří především fyzikální význam kvantování, princip neurčitosti a vlnová funkce.
Fyzikální význam diskrétnosti stavů v mikrokosmu je především spojen s fyzikálním významem Planckovy konstanty. Malost jeho hodnoty určuje stupnice interakcí v mikrokosmu. Při přechodu do makrosvěta a klasických konceptů se totiž veličiny jako Planckova konstanta stávají zanedbatelně malé a ve většině případů je považujeme za nulové. V tomto případě dochází k tzv. průchodu na limit, tzn. principy klasické fyziky lze považovat za extrémní verzi kvantové fyziky, kdy hmotnosti, velikosti a další parametry makro objektů, obrovské v měřítku mikrosvěta, snižují na nulu ty interakce, které jsou v mikrosvětě významné. Můžeme tedy říci, že Planckova konstanta je spojovacím článkem mezi jevy mikro a makro světa.
Zvláště dobře je to vidět na příkladu diskrétnosti stavů v mikrokosmu. Například rozdíl mezi energetickými stavy atomu mohou být desetiny elektronvoltu (energetická jednotka mikrokosmu rovna 1,6·10 -19 J). Stačí si připomenout, že k uvaření jedné sklenice vody jsou potřeba desítky kilojoulů, a je jasné, že z hlediska klasické fyziky je taková diskrétnost naprosto nepostřehnutelná! Proto můžeme hovořit o kontinuitě procesů, které nás obklopují, navzdory dlouholeté a důsledně potvrzené diskrétnosti těch jevů, které se vyskytují v atomech a atomových jádrech.
Ze stejného důvodu tak základní princip fyziky mikrosvěta jako princip neurčitosti, navržený W. Heisenbergem v roce 1927
Níže uvedený obrázek vysvětluje nutnost zavedení principu neurčitosti v mikrosvětě a absenci této potřeby v makrosvětě
Míra vlivu vnějšího zdroje (světla) na makroobjekt (sochu) je totiž neúměrná jeho parametrům (například hmota přeměněná na ekvivalentní energii Nemá smysl diskutovat o tom, jak může dopadající světelný foton ovlivnit). , například souřadnice sochy v prostoru.
Jiná věc je, když se mikroobjekt stane předmětem vlivu. Energie elektronu v atomu je desítky (zřídka více) elektronvoltů a stupeň dopadu je této energii zcela úměrný. Tedy při pokusu měřit přesně jakýkoli parametr mikroobjektu (energie, hybnost, souřadnice), budeme konfrontováni s tím, že samotný proces měření změní měřené parametry, a to velmi silně. Pak je třeba přiznat, že žádným měřením v mikrokosmu nikdy nebudeme schopni provést přesná měření − Vždy dojde k chybě v určení základních parametrů systému. Princip neurčitosti má matematické vyjádření ve tvaru vztahy nejistoty, například ΔpΔx ≈ ћ, kde Δp je nejistota při určování hybnosti a Δx je nejistota při určování souřadnic systému. Všimněte si, že Planckova konstanta vpravo označuje meze použitelnosti principu neurčitosti, protože v makrokosmu ji můžeme bezpečně nahradit nulou a provádět přesná měření libovolných veličin. Princip neurčitosti vede k závěru, že není možné přesně nastavit jakýkoli parametr systému, například nemá smysl mluvit o přesném umístění částice v prostoru. V tomto ohledu je třeba poznamenat, že rozšířené znázornění atomu jako souboru elektronů rotujících po daných drahách kolem jádra je prostě pocta lidskému vnímání okolního světa, potřeba mít v sobě nějaké vizuální obrazy. před sebou samým. Ve skutečnosti neexistují žádné jasné trajektorie - oběžné dráhy v atomu.
Lze si však položit otázku – co je tedy hlavní charakteristikou systémů v mikrosvětě, pokud nejsou definovány takové parametry jako energie, hybnost, interakce (či existence) čas, souřadnice? Taková univerzální veličina je vlnová funkce kvantový systém.
Vlnová funkce ψ, kterou zavedl Max Born k určení charakteristik kvantového systému, má poměrně složitý fyzikální význam. Další veličinou, která je jasnější, je druhý mocninový modul vlnové funkce |ψ| 2. Tato hodnota určuje např. pravděpodobnostže kvantový systém je v daném časovém bodě. Obecně platí, že pravděpodobnostní princip je ve fyzice mikrosvěta zásadní. Jakýkoli probíhající proces je charakterizován především pravděpodobností jeho výskytu s určitými rysy.
Vlnová funkce je pro různé systémy odlišná. Kromě znalosti vlnové funkce jsou ke správnému popisu systému zapotřebí i informace o dalších parametrech, například charakteristika pole, ve kterém se systém nachází a se kterým interaguje. Studium takových systémů je právě jedním z úkolů kvantové mechaniky. Kvantová fyzika ve skutečnosti tvoří jazyk, kterým popisujeme naše experimenty a výsledky při studiu mikrosvěta, obecnější než klasická teorie. Zároveň je důležité pochopit, že kvantová fyzika klasickou fyziku neruší, ale obsahuje ji jako její limitující případ. Při přechodu od mikroobjektů k běžným makroskopickým objektům se jeho zákony stávají klasickými a kvantová fyzika tak nastavuje hranice použitelnosti klasické fyziky. Přechod od klasické fyziky ke kvantové fyzice je přechodem k hlubší úrovni uvažování o hmotě.
Procesy probíhající v mikrokosmu se týkají jevů, které leží téměř zcela za hranicemi smyslového vnímání. Proto koncepty, které kvantová teorie provozuje, a jevy, které zvažuje, jsou často nejasné ,
vlastní klasické fyzice. S rozvojem kvantové teorie byly takové zdánlivě zřejmé a známé představy o částicích a vlnách, diskrétní i spojité, statistické (pravděpodobnostní) a dynamické popisy revidovány. Kvantová fyzika se stala nejdůležitějším krokem při budování moderního fyzikálního obrazu světa. Umožnil předpovědět a vysvětlit obrovské množství různých jevů – od procesů probíhajících v atomech a atomových jádrech až po makroskopické efekty v pevných látkách; bez ní je nemožné, jak se nyní zdá, pochopit původ Vesmíru. Rozsah kvantové fyziky je široký – od elementárních částic až po kosmické objekty. Bez kvantové fyziky je nemyslitelná nejen přírodní věda, ale ani moderní technologie.
ATOMOVÁ FYZIKA
V roce 1885 objevil J. J. Thomson elektron, první objekt v mikrokosmu. Počátek byl položen pro vznik nového vědního oboru – atomové fyziky. Již na počátku 20. století existovalo několik modelů struktury atomu, z nichž nejznámější patřil samotnému J. J. Thomsonovi. Na základě tohoto modelu byl atom kladný náboj lokalizovaný v malém objemu, ve kterém byly jako rozinky v košíčku elektrony. Tento model vysvětlil řadu pozorovaných efektů, ale nebyl schopen vysvětlit jiné, zejména výskyt čar atomových spekter. V roce 1911 se Thomsonův krajan Ernest Rutherford pokusil odpovědět na otázku o struktuře atomu.
Experimentální design byl jednoduchý – zdroj, radioaktivní látka emitující jádra helia, byl umístěn v olověném bloku. Nabité částice prošly tenkou zlatou fólií a byly rozptýleny interakcí s atomy zlata. Rozptýlené částice pak dopadly na síto potažené látkou, ve které způsobily scintilace (vzplanutí). Myšlenka byla taková, že pokud by byl Thomsonův model atomu správný, k interakci by docházelo přibližně stejně ve všech úhlech podél dráhy částic. Ve skutečnosti většina částic dopadá na obrazovku a slabě interaguje s fóliovým materiálem. Ale malá část (asi 8 částic z tisíce) zažila silný rozptyl ZPĚT, jako by se srazila s jakýmsi nábojem soustředěným uprostřed atomu. Po četných experimentech, Rutherford dospěl k závěru, že Thomsonův model byl nesprávný. Navrhl model, později nazvaný planetární. Ve středu, v malém objemu, je soustředěn veškerý kladný náboj (jádro), kolem něj jsou umístěny elektrony.
Rutherfordův model byl dobrý, ale stále neodpověděl na řadu otázek. Jak například vzniká atomové záření (luminiscence)? Za jakých okolností vyzařují atomy různé světelné fotony? Na čem to závisí? Souvisí emise atomů s chováním elektronů v nich? Odpovědi na tyto otázky dal o dva roky později vynikající dánský fyzik Niels Henrik David Bohr.
Obraz N. Bohra na dánské 500 korunové bankovce.
Bohr vyvinul planetární model, který naznačuje, že každý elektron v atomu má nějaký pevný energetický stav (který lze velmi zhruba popsat jako elektron na nějaké orbitě Zatímco je atom ve stavu nejnižší energie, nemůže vyzařovat). Při příjmu energie zvenčí mohou elektrony změnit svůj energetický stav (přesunout se na jinou dráhu) nebo dokonce atom opustit (ionizace). Při návratu na své místo (nebo na svou dráhu) se přebytečná energie uvolňuje ve formě charakteristického záření (foton s libovolnou energií). Atom „podle Bohra“ odpověděl na všechny otázky, které vyvstaly po vytvoření prvních atomových modelů. Experimentální studium atomů úspěšně potvrdilo Bohrův model a mimochodem i kvantové předpovědi o diskrétnosti energií v atomu. V roce 1922 byl Niels Bohr oceněn Nobelovou cenou za práci o struktuře atomů a jejich záření.
Již ve 20. letech minulého století byl atom dobře prozkoumán. K úspěchu přispělo i to, že spojení mezi složkami atomu – jádrem a elektrony – bylo provedeno díky známému Coulombovu potenciálu. Koncem 20. let vznikla kvantová teorie popisující řadu atomů a vzorce jejich chování.
Atomy jsou elektricky neutrální kvantové systémy s charakteristickými rozměry řádově 10 -10 m Každý atom obsahuje jádro, ve kterém je soustředěn kladný náboj atomu a je soustředěna téměř celá (více než 99,9 %) hmotnost atomu. Záporný náboj je distribuován mezi elektrony, jejich počet se rovná počtu kladně nabitých jaderných částic (protonů) v jádře. Když je na atom aplikována určitá energie, nazývaná ionizační energie, jeden z elektronů atom opustí. Zbývající kladně nabitá část se nazývá ion a tímto procesem je ionizace. Opačný proces se nazývá rekombinace a je doprovázen emisí fotonu s energií odpovídající rozdílu energií atomu před a po rekombinaci.
Ionizace je proces, který kolem nás neustále probíhá. Zdroji ionizace jsou kosmické záření, různé přístroje a zařízení a radioaktivní zdroje.
Na základě výše popsaných vlastností atomů funguje velké množství technických zařízení. Příkladem, se kterým se setkáváme každý den, jsou zářivky. Emisi světla v těchto zařízeních způsobuje záře plynu, která je výsledkem rekombinace iontů.
V 50. letech minulého století byly v důsledku studia vlastností stimulované emise fotonů z řady atomů vyvinuty zesilovače optického záření - lasery. (ze zkratky Zesílení světla stimulovanou emisí záření − zesílení světla stimulovanou emisí). Laser není optické zařízení jako Archimedovy legendární zrcadlové štíty, ale kvantové zařízení, které využívá strukturu atomových úrovní k optickému zesílení záření. Hlavní výhodou laseru je vysoká monochromatičnost (tj. všechny emitované fotony mají téměř stejnou vlnovou délku) záření, které generuje. Právě z tohoto důvodu jsou v současné době lasery široce používány v průmyslové a spotřební elektronice a technice, medicíně a dalších oborech.
FYZIKA ATOMOVÉHO JÁDRA
V roce 1911 Ernest Rutherford navrhl svůj model atomu, v jehož středu se nacházel objekt o rozměrech přibližně 10 -15 − 10 -14 m, obsahující téměř celou hmotnost atomu. Tento objekt byl pojmenován atomové jádro. Není však divu, že studium atomového jádra začalo mnohem dříve, na konci 19. století. Pravda, v té době byly vlastnosti atomových jader připisovány atomům, jejichž struktura byla přesně neznámá.
V 
1896 Antoine Becquerel při studiu záření atomů některých těžkých kovů dospěl k závěru, že jimi emitované částice na rozdíl od světla mají tendenci pronikat hustými látkami. Po 3 letech, pokračující experimenty s radioaktivními látkami, Ernest Rutherford umístil uranovou rudu do magnetického pole a zjistil, že primární paprsek se rozdělil na 3 části, jeden typ částic se odchýlil směrem k severnímu pólu magnetu, druhý - směrem k jihu, a třetí prošel beze změn . Rutherford, který dosud neznal povahu těchto záření, je pojmenoval podle prvních tří písmen řecké abecedy – α, β a γ. Kromě Becquerela a Rutherforda provedli podobné studie také manželé Curieovi Pierre a Marie (Sklodowska-Curie). Marie Curie výrazně přispěla ke studiu radioaktivity v atomových jádrech, byla první, kdo získal kovové radium a patřila k těm vědcům, kteří vytvořili experimentální jadernou fyziku. Je jedinou vědkyní, která získala dvě Nobelovy ceny (za chemii a fyziku).
Skutečný pokrok ve vývoji fyziky atomového jádra však nastal až po vytvoření kvantové mechaniky. Ostatně po letech 1911–13. Rutherford a Bohr objevili strukturu atomu, vyvstala otázka - jaká je struktura atomového jádra? Rutherford se na to pokusil odpovědět, dirigoval v letech 1918–21. experimenty na studium lehkých atomových jader. Byl to on, kdo poprvé v roce 1919 provedl jaderná reakce a otevřeli proton
14 N + 4 He → 17 O + str
Dusík, interagující s jádry helia (α-částice), byl přeměněn na kyslík a vodík. Rutherford byl vlastně první, kdo dosáhl toho, o čem snili středověcí alchymisté – přeměny jedné substance v jinou.
Emise protonu z jádra potvrdila myšlenku přítomnosti protonů v jádře. Zároveň se ukázalo, že hmotnosti jader jsou mnohem větší, než kdyby se skládaly z potřebného počtu protonů. Pak vznikla myšlenka na proton-elektronový model jádra, elektrony v jádře kompenzovaly náboj některých protonů, které tam byly, jak se říká, „na váhu“.
Úspěchy kvantové mechaniky velmi brzy vedly k tomu, že možnost existence elektronů v jádrech byla zpochybňována - v souladu s principem neurčitosti měl mít elektron umístěný v jádře příliš mnoho energie a nemohl se tam udržet. . V roce 1931 Heisenberg, Ivanenko a Majorana, nezávisle na sobě, navrhli myšlenku „neutrálního protonu“ - těžké částice bez náboje umístěné v atomovém jádru. Konečné vyjasnění přišlo v roce 1932, kdy James Chadwick objevil neutron– neutrální částice s hmotností přibližně rovnou hmotnosti protonu. Tedy moderní protonový-neutronový model atomové jádro.
Hlavním nedostatkem našich znalostí o atomovém jádru je absence přesné formy jaderný potenciál, který váže nukleony. Řešení problému vytvoření kompletní teorie jádra je v jaderné fyzice nejdůležitější. Zároveň toho víme hodně o struktuře atomového jádra.
Atomové jádro je objekt o rozměrech řádově 10 -15 m, skládající se ze dvou typů částic - protonů a neutronů. Jejich hmotnosti jsou přibližně 1,7 · 10 -27 kg a neutron je o 0,14 % těžší než proton. Kvůli podobnosti vlastností (kromě přítomnosti náboje) se obě částice často nazývají slovem „ nukleon».
V současné době je známo přibližně 3400 atomových jader. 330 z nich je stabilních, zbytek se může samovolně přeměnit na jiná jádra (radioaktivní) během docela krátké doby. Nazývají se jádra, která mají stejný počet protonů, ale různý počet neutronů izotopy stejný prvek. Například vodík má tři izotopy – samotný vodík, deuterium a radioaktivní tritium. Ale cín má přes 30 izotopů, většina z nich je radioaktivních.
Atomové jádro je kvantový systém, který se řídí zákony kvantové fyziky. Atomové jádro má diskrétní energetickou strukturu. Pravda, nemá „planetární“ strukturu jako atom, ale existují také různé energetické pozice nukleonů, nazývané energetické hladiny. Při příjmu části energie se nukleony v jádře přesunou do vyššího energetického stavu a při návratu zpět vyzařují energii ve formě fotonů s krátkou vlnovou délkou. Takové jaderné fotony se obvykle nazývají γ -kvanta. Při dosažení energie tzv nukleonová separační energie, jádro může vysunout nukleon, čímž se změní jeho složení a vlastnosti. Počet nukleonů různých typů v jádře a jejich energetický stav určují vlastnosti atomových jader a zásadnější charakteristiky. Například množství prvků ve vesmíru je vysvětleno právě kvantovými charakteristikami atomových jader.
Když se nukleony spojí do jader, je pozorován zajímavý efekt - hmotnost výsledného jádra se ukáže být mírně (asi o 1%) menší než hmotnost jeho nukleonů. Rozdíl mezi hmotností nukleonů a hmotností jádra přispívá k vazbě nukleonů v jádře a je proto tzv. vazebná energie
E св = ZМ p с 2 + (A-Z)М n с2 − М i с 2,
kde Z je jaderný náboj, A je hromadné číslo(počet nukleonů v jádře)
Vazebná energie je nesmírně důležitá veličina, která také určuje mnoho vlastností jader. Neméně důležitou veličinou je specifická vazebná energie, tj. poměr vazebné energie k počtu nukleonů
Závislost specifické vazebné energie na počtu nukleonů
Lze poznamenat, že tato závislost má jasné maximum v oblasti jádra 56 Fe (proto se také nazývá „železné maximum“). Tato okolnost má bez nadsázky obrovský praktický význam.
Koncem 30. let minulého století, během studia těžkých jader, byl stanoven vzorec postupného snižování specifické vazebné energie. V důsledku toho, jak se tato hodnota snižuje, jádro se stává nestabilnější a „volnější“. Navíc při určitém nárazu může začít vyhazovat nukleony nebo se dokonce rozpadat. V roce 1939 němečtí fyzici Otto Hahn a Fritz Strassman, kteří ozařovali uranové soli tepelnými neutrony, objevili mezi reakčními produkty baryum. To znamenalo, že pod velmi malým vlivem (energie tepelných neutronů odpovídá energii molekul plynu při pokojové teplotě) je jeden z izotopů uranu schopen štěpení. Hlavní však nebylo toto, ale skutečnost, že jak vyplývá z výše uvedeného diagramu, výsledná jádra fragmentů budou mít mnohem vyšší specifickou vazebnou energii, tzn. budou pevněji spojeny. Proto při štěpení dojde k rozdílu energie a tento rozdíl se uvolní. Následující desetiletí a půl přineslo tento objev do praktického využití. V roce 1942 první nukleární reaktor(USA), první byl vyhozen do povětří v roce 1945 jaderná bomba(USA), v roce 1954 - byla spuštěna první jaderná elektrárna (SSSR).
Jak se v praxi získává energie ze štěpení? Představme si, že máme dostatečné množství vzorku látky, která se štěpí s malým dopadem (tepelné neutrony). Po prvním aktu štěpení se kromě fragmentových jader uvolní několik neutronů s mnohem vyšší energií než tepelné neutrony. Rozdělí jádra, se kterými se po cestě setkají, v důsledku tohoto procesu se v každém novém rozštěpeném jádru vytvoří nové neutrony, které zase rozštěpí nová jádra atd. Proces bude mít lavinový charakter a z tohoto důvodu je tzv řetězová reakce divize.
Podobný proces se realizuje v jaderné náloži a vede ke kolosálnímu uvolnění energie v krátkém (několika milisekundách) čase. Výbuch nálože o hmotnosti několika kilogramů, například 239 Pu, je podobný výbuchu několika set kilotun (!) běžné trhaviny.
Existuje však způsob, jak tento proces časem prodloužit. Když se podíváte na schéma řetězové reakce, můžete vidět, že důležitým faktorem je počet neutronů rozdělujících jádra. Umístěním látky schopné zachytit neutrony (absorbér) do štěpného materiálu je tedy možné tento proces zpomalit natolik, aby bylo možné uvolněnou energii odebrat, donutit ji např. ohřát vodu k varu a využít pára k otáčení turbíny elektrárny (JE). Moderní jaderné elektrárny používají jako absorbér uhlík (grafit).
Když se nyní podíváte na oblast jader ležících nalevo od „železného maxima“, všimnete si, že jejich specifická vazebná energie je v průměru ještě nižší než u samotných jader. Pro lehká jádra je tedy možný proces inverzní ke štěpení – fúze. V tomto případě, stejně jako v případě štěpení, dojde k uvolnění energie. Syntetické reakce zahrnují například fúzi jader deuteria za vzniku helia.
2 H + 2 H → 3 He + n
 Termonukleární reakce |
Problém, jak je dobře vidět, je v tom, že ve všech případech se musíme vypořádat se slučováním podobně nabitých objektů, tzv. Coulombova bariéra, na jehož překonání je potřeba ještě vydat energii. Toho lze nejsnáze dosáhnout zahřátím syntetizovaných látek na velmi vysoké (miliony stupňů) teploty. V pozemských podmínkách je to možné pouze při jaderném výbuchu. Umístěním jaderné nálože do obalu z lehkých prvků je tedy možné získat neřízenou fúzní reakci nebo (díky výsledným vysokým teplotám) termonukleární reakce. Poprvé byla taková reakce (výbuch termonukleární bomby) provedena v roce 1953 (SSSR).
V přírodě probíhají termonukleární reakce ve hvězdách, kde existují všechny podmínky pro „prolomení“ Coulombovy bariéry. Nejsilnější gravitační stlačení navíc podporuje i fúzní reakci se vznikem těžších prvků, až po železo.
Problém realizace řízené termojaderné fúze zůstává nevyřešený a pro fyziku atomového jádra jeden z nejnaléhavějších, protože umožňuje používat levné palivo v téměř neomezeném množství bez škodlivých dopadů na životní prostředí.
Jak již bylo uvedeno, složení atomového jádra do značné míry určuje jeho vlastnosti. Jednou z nejvýznamnějších jaderných charakteristik, která ovlivňuje chování jader, je poměr mezi neutrony a protony v atomových jádrech. Nejlépe je to vidět na tzv N-Z diagram.
N-Z diagram atomových jader.
V grafu můžete vidět několik nápadných oblastí. Jedním z nich je střední část, úzký pruh jader označený černě. Toto je takzvané „údolí stability“, oblast stabilních jader, která nepodléhají rozkladu. Jak se zvyšuje počet neutronů (vpravo od údolí stability), jsou lokalizována jádra označená modře. Když je neutronů přebytek, energie jádra se zvyšuje a je možné se „vrátit“ do údolí stability přeměnou jednoho z neutronů na proton.
n → p + e - + e.
Tento proces se nazývá β-minus rozpad. Neutron se mění v proton, elektron a elektronický. Neutron může zažít tento rozpad mimo jádra. V důsledku takového rozpadu jádro zvyšuje svůj náboj a pohybuje se směrem k oblasti stability.
Červená oblast je oblast jader s přebytkem protonů. Implementují opačný proces:
p → n + e + + ν e
volal β-plus rozpad. Proton se mění na neutron, pozitron a elektronové neutrino (poslední dvě částice jsou „antipody“ elektronu a antineutrina). Je třeba poznamenat, že protože hmotnost protonu je menší než hmotnost neutronu, dochází k takovému rozpadu pouze v jádrech ve volném stavu, proton je stabilní.
Žlutá oblast v diagramu je oblast těžkých nestabilních jader. Vyznačují se jiným typem rozpadu - emisí α-částic (4 He jádra) popř. α rozpad, Tento typ rozpadu vede ke snížení náboje i hmotnostního čísla ak „pohybu“ jádra do oblasti lehčích jader. Někdy to vede k řetězci rozpadů. Například,
226 Ra → 222 Rn + 4 He; 222 Rn → 208 Po + 4 He; 208 Po → 204 Pb + 4 He,
kde poslední je již stabilní jádro.
V mnoha případech má jádro vzniklé rozpadem nadbytek energie a uvolňuje se z něj emitováním γ-kvanta, ke kterému dochází γ přechod v jádře (někdy ne zcela správně nazývané γ-rozpad).
Všechny jaderné rozpady jsou charakterizovány svými vlastními charakteristikami souvisejícími s pravděpodobností rozpadu, typem emitovaných částic a jejich energií. Existují však obecné zákony rozkladu, které byly stanoveny během práce Becquerela a Curie. Hlavní je zákon radioaktivního rozpadu.
N(t) = N°e-λt,
kde N je počet radioaktivních jader ve vzorku v daném okamžiku, N 0 je počet radioaktivních jader v určitém počátečním čase a λ je tzv. rozpadová konstanta, charakterizující pravděpodobnost rozpadu. Dopadová konstanta není pro praktické použití příliš vhodná, proto se často používá jiná hodnota, T 1/2 - poločas rozpadu, charakterizující dobu, během níž se počet aktivních jader sníží 2krát. Rozpadová konstanta a poločas rozpadu spolu souvisí
Různá jádra radioaktivních zdrojů mohou mít poločasy v rozmezí od milisekund až po miliardy let. Kromě toho je důležitou charakteristikou aktivita zdroje (resp. jeho hmoty), která charakterizuje intenzitu rozpadu v daném čase. Kolem nás jsou neustále přítomny různé druhy radioaktivních jader a v lidském těle jsou neustále přítomny dva radioaktivní izotopy 40 K a 14 C.
FYZIKA ČÁSTIC
Částicová fyzika je možná jedním z nejdynamičtějších odvětví fyziky. Přinejmenším je těžké pojmenovat jakoukoli jinou oblast přírodních věd, ve které by se představy o světě kolem nás před 40–50 lety tak lišily od těch, které máme nyní. To je způsobeno především změnami v představách o základních částicích a interakcích, ke kterým došlo během této doby v průběhu experimentálního a teoretického studia hmoty. Jaké jsou nyní základní principy částicové fyziky?
Základní částice− soubor částic, které jsou v současnosti elementárními složkami hmoty. Ve 20. letech minulého století existovaly pouze dvě takové částice (a částice obecně) – proton a elektron. Již v 50. letech se celkový počet známých částic blížil dvěma tuctům a mnohé z nich byly považovány za bezstrukturní. Nyní se celkový počet částic pohybuje ve stovkách, ale jen několik z nich je skutečně zásadních. Všechny základní částice lze rozdělit do několika velkých skupin.
Kvarky. Podle moderních pojetí jde o hlavní složku hmoty, tvoří více než 95 % veškeré viditelné hmoty. Kvarky se dělí na 6 druhů (příchutí), z nichž každá má své vlastnosti a odlišnosti od ostatních. Tento u(nahoru), d(dolů), s(podivný), C(kouzlo), b(dole) a t(horní). Kvarky mají zlomkový náboj, rovnající se 1/3 nebo 2/3 náboje elektronu (protonu). Každý z kvarků má svůj vlastní antičástice- antikvark, hmotnostně shodný s kvarkem, ale opačný v mnoha jiných charakteristikách (např. s opačným elektrickým nábojem). Kromě toho mají kvarky zvláštní vlastnost - barva, které všechny ostatní částice postrádají (říká se, že jsou bezbarvé). Kvarky mají tři barvy - Červené,
modrý A zelená.
Samozřejmě byste si neměli myslet, že barva kvarků je efekt viditelný okem. Barva označuje zvláštní charakteristiku vyjádřenou v chování kvarků během různých interakcí mezi nimi. Název je v tomto případě podmíněný, stejně jako by se tato charakteristika dala nazvat například chuť, nebo by se dal použít jakýkoli jiný termín.
Je snadné spočítat, že celkový počet kvarků (včetně antikvarků a barev) je 36. Všechny známé strukturně těžké částice jsou tvořeny z těchto 36 částic. Kombinace tří forem kvarků baryony a množina párů kvark-antikvark, mezony. Mezi baryony patří také známý proton a neutron. Baryony a mezony se kombinují pod obecným pojmem hadrony. Ze všech hadronů je stabilní pouze proton, všechny ostatní hadrony se rozpadají a mění se na jiné částice.
Leptony. Jedná se o další skupinu částic, jejichž hlavní odlišností od hadronů je jejich chybějící struktura, tzn. Leptony se neskládají z jiných částic, ale jsou elementární. Leptony se dělí na nabité − elektron, mion A taon a neutrální - elektronický, mionic A tajný neutrino. Pokud vezmeme v úvahu antičástice, celkový počet leptonů je 12. Leptony netvoří žádné kombinace, s výjimkou elektronů, které tvoří atomy. Elektron je jediný stabilně nabitý lepton. Stabilita všech typů neutrin je nyní zpochybňována.
Interakční nosiče. Celkový počet interakcí je 4. Tento silný(působící mezi kvarky a hadrony), elektromagnetické,
slabý(působící mezi téměř všemi částicemi, ale zvláště zřetelně se projevuje v interakci leptonů) a gravitační. Každá interakce je nesena polem, které je reprezentováno jako proud nosných částic. Nositelem silné interakce je gluon, elektromagnetické − gama kvantum, slabé - tři typy mezilehlé bosony(W - , W + a Z) a gravitační - graviton(poslední částice je však předpovězena pouze z teoretických úvah). Všechny nosiče mají své vlastní vlastnosti a každý se účastní svých vlastních interakcí.
Pokud jde o zbývající částice, silné interakce se účastní pouze hadrony a gluony; v elektromagnetických – nabité částice a gama kvanta; ve slabých - vše kromě nositelů jiných interakcí; v gravitaci - částice s hmot. Vznik hmoty částic je spojen s dalším speciálním polem, které se nazývá Higgsovo pole, a částice, které je nesou, jsou Higgsovy bosony.
Až do počátku 60. let minulého století byly všechny tehdy známé částice považovány za bezstrukturní. Díky pokroku ve vývoji hlavních experimentálních nástrojů - urychlovačů částic však již koncem 50. let vznikly předpoklady o struktuře nukleonů. Americký fyzik Robert Hofstadter při provádění experimentů na elektronovém urychlovači zjistil, že rozptylem elektronů na neutronech lze vidět, že elektrony interagují s „vnitřkem“ neutronu, jako by měl nějaký skrytý náboj, rozložený složitě uvnitř. . Hofstadter navrhl, že to může být způsobeno přítomností určitých nosičů elektrického náboje uvnitř nenabitého neutronu. O několik let později byly podobné experimenty provedeny v jiných laboratořích.
Na základě dat z těchto experimentů a studia systematiky částic objevených v té době, jiný americký fyzik, Murray Gell-Mann, v roce 1963 vyslovil hypotézu, že proton a neutron jsou sestaveny z menších částic, které nazval kvarky. Zpočátku Gell-Mann zavedl pouze dva kvarky − u A d Poté však bylo větší množství otevřených částic s různými vlastnostmi nuceno provést úpravy modelu, přičemž jejich počet se zvýšil nejprve na 3 a 4 a poté na 6. Kvarková hypotéza narážela při svém vývoji na mnoho problémů. Za prvé bylo psychologicky obtížné vnímat existenci částic s nábojem menším, než je náboj elektronu. Za druhé, částice objevené koncem 60. let byly v kvarkovém modelu interpretovány tak, že by to mohlo být v rozporu se základním. principy kvantové mechaniky. K vyřešení tohoto problému byla zavedena speciální charakteristika (kvantové číslo) kvarků – barva. Za třetí, problém s kvarkovým modelem byl v tom, že všechny pokusy o detekci kvarků ve volném stavu nevedly k úspěchu. To způsobilo odmítnutí modelu mezi mnoha vědci, protože pouze experimentální potvrzení hypotézy jej převádí z kategorie hypotéz do kategorie fyzikálních pravd. V roce 1969 tak M. Gell-Mann získal Nobelovu cenu, ale ve znění ceny „Za přínos a objevy v klasifikaci elementárních částic a jejich interakcí“ nebylo slovo „kvark“.
Teprve po experimentech v DESY (Německo), Fermilab (USA) a Evropském centru pro jaderný výzkum (CERN) koncem 80. let bylo možné pozorovat efekty, které naznačovaly přítomnost částic s frakčním nábojem. První Nobelova cena, v jejíž formulaci bylo slovo „kvark“, byla udělena y, y a y v roce 1990. Zhruba ve stejné době bylo podáno vysvětlení problému pozorování kvarků ve volném stavu. Specifičnost vzájemné interakce kvarků tento postup zásadně znemožňuje (tzv vězení), je možné pouze nepřímé pozorování kvarkových efektů.
V současné době existuje dobře rozvinutý samostatný obor teoretické fyziky, který studuje gluony a kvarky − kvantová chromodynamika. Tato část shrnuje pokrok kvantové teorie při její aplikaci na specifický „barevný prostor“ kvarků a gluonů.
Hadrony – částice postavené z kvarků – v současnosti zahrnují více než 400 částic (a antičástic). Všechny, kromě protonu a neutronu (které jsou v jádrech stabilní), nemají životnost delší než jednu mikrosekundu a rozpadají se na jiné částice (nakonec stabilní). Řada částic má hmotnost několikrát větší než hmotnost nukleonů. Mezi hadrony jsou elektricky neutrální částice a nabité částice, včetně těch s nábojem +2 a -2 (v jednotkách elektronového náboje). Rozmanitost těžkých částic umožňuje studovat vzorce jejich interakce s různými poli a v konečném důsledku získat správné pochopení zákonitostí konstrukce našeho světa.
Leptony se nemohou pochlubit takovou rozmanitostí jako hadrony. Jejich celkový počet (včetně antičástic) je pouze 12. Nejlehčí nabitý lepton, elektron, byl objeven v roce 1895, jeho antičástice (pozitron) v roce 1934, těžší mion v roce 1962 a poslední, taon s hmotností více než 3000krát větší než hmotnost elektronu, v roce 1975. Nejzajímavější jsou však dnes nenabité leptony – neutrina.
Na konci 20. let minulého století došlo k intenzivnímu studiu různých typů radioaktivních rozpadů. Při studiu β-rozpadu narazili vědci na paradoxní situaci – elektrony měly pokaždé jinou energii, i když při rozpadu, který měl za následek vznik dvou částic
veškerá energie rozpadu musí být proporcionálně rozdělena mezi elektron a atomové jádro, tzn. elektrony musí mít pevnou energii. Došlo to tak daleko, že i Niels Bohr byl připraven připustit, že β-rozpad porušuje zákon zachování energie! Řešení našel vynikající německý fyzik Wolfgang Pauli. Navrhl, že spolu s elektronem se objeví další nenabitá částice (malý neutron), která při rozpadu bez registrace vyletí a pokaždé odnese jinou část energie. Myšlenka navržená Paulim brilantně situaci vyřešila, zákon zachování energie zůstal neotřesitelný a vznik nové částice vysvětlil situaci „ztrátou energie“. Po poměrně dlouhou dobu však neutrino (název navrhl Enrico Fermi) zůstalo „papírovou částicí“.
Pokrok v experimentálním studiu neutrin je spojen především se jménem vynikajícího fyzika (rodem Ital, který se v roce 1950 přestěhoval do SSSR) Bruna Pontecorva. V roce 1944 Pontecorvo, provádějící teoretickou studii možných vlastností neutrin, navrhl účinnou metodu pro detekci této částice. Zdrojem by podle Pontecorva mohl být proces, při kterém se intenzivně rozkládají radioaktivní jádra. O něco později Pontecorvo navrhl použít jaderný reaktor jako umělý zdroj neutrin. Již na počátku 50. let se začalo pracovat na registraci neutrin (tehdy se předpokládalo, že neutrina antičástici nemají). Prvním experimentem k detekci (anti)neutrin byl experiment Fredericka Reines a Clyde L. Cowana, Jr., kterým se v roce 1957 podařilo zaregistrovat reaktorová antineutrina. Další fází studia této částice byla registrace slunečních neutrin, kterou provedl Raymond Davis Jr. v roce 1967 v dole Homestake (USA). Již tehdy se ukázalo, že k interakci neutrin s hmotou dochází tak zřídka, že její účinná registrace vyžaduje velké objemy záznamového materiálu a dlouhou dobu měření. Jeden z nejúspěšnějších experimentů s neutriny v zařízení Kamiokande (Japonsko) během několika let práce s obrovskou nádrží s kapacitou několika desítek tisíc tun vody přinesl výsledek v podobě několika neutrin za rok! Navíc provádění takových experimentů vyžaduje kromě času také velké finanční náklady. Ve výstižném vyjádření B. Pontecorva: „Fyzika elementárních částic je drahá věda...“.
Jaký je důvod moderního zájmu o neutrina? Nejvyšší penetrační schopnost těchto částic umožňuje získat informace o objektech, které jsou jinak pro studium nepřístupné. Rozsah aplikací je zde obrovský – od informací o procesech ve vzdálených galaxiích a galaktických kupách až po neutrinové geolokaci Země. V současné době jsou uváděny do provozu velké projekty na registraci astrofyzikálních neutrin - velkoobjemové neutrinové teleskopy, kde se jako záznamová látka používá mořská voda nebo led. Plánuje se vybudování dvou dalekohledů o objemu 1 km 3 na severní (středomořské) a jižní (antarktické) polokouli.
Neutrinový dalekohled ANTARES
Problém hmoty neutrin také zůstává nevyřešen. Překvapivě je to snad jediná částice, o které nelze říci, zda má hmotnost nebo ne! Velké naděje při řešení tohoto problému se v posledních letech vkládají do pozorování tzv. oscilací neutrin, spontánních přechodů neutrin jednoho typu na druhý.
Navzdory přítomnosti různých metod moderního výzkumu zůstává hlavní nástroj od 40. let minulého století urychlovače nabitých částic. Jakýkoli urychlovač je v doslovném smyslu slova mikroskop, který umožňuje nahlédnout hluboko do hmoty. K pozorování objektu v mikrokosmu je totiž nutné použít záření s vlnovou délkou úměrnou jeho velikosti. A jelikož na základě vlnových vlastností částic můžeme získat
kde λ je vlnová délka, ћ je Planckova konstanta, c je rychlost světla a E je energie, pak pro větší „zvětšení“ našeho „mikroskopu“ je nutné zvýšit energii částic. V současné době existují různé typy urychlovačů, především urychlující protony a elektrony. Princip činnosti například standardního lineárního urychlovače je extrémně jednoduchý a spočívá v tom, že když elektron (nebo proton) prochází rozdílem potenciálu, získává energii.
Proto se jednotka energie používaná v jaderné a částicové fyzice nazývá „elektronvolt“, je to energie, kterou elektron získá při průchodu rozdílem potenciálů 1 Volt. Samozřejmě, v moderních urychlovačích se zrychlení provádí pomocí střídavého elektromagnetického pole, „houpání“ částic v různých oblastech. Maximální energie elektronů dosažená v elektronových urychlovačích je dnes 100 GeV (10 11 eV) a v protonových urychlovačích - 3,5 TeV (3,5 10 12 eV). Poslední hodnota odpovídá energii protonu dosažené na největším moderním urychlovači protonů − Velký hadronový urychlovač(LHC) v CERNu.
Schematické znázornění komplexu urychlovačů v CERNu na geografické mapě.
Tento největší komplex urychlovačů je supravodivý prstenec dlouhý více než 27 kilometrů, který umožňuje protony „roztočit“ na energie 7 TeV. S takovou energií srážejících se protonů (a srážka samozřejmě dále zvyšuje výdej energie) je možné pozorovat všechny druhy reakcí za vzniku různých částic, včetně těch s velkou hmotností. Většina experimentů plánovaných na urychlovači souvisí s testovacími předpověďmi Standardní model− soubor teoretických předpokladů popisujících strukturu hmoty. Potvrzení nebo vyvrácení těchto hypotéz dá vědě příležitost posunout se vpřed a vyřešit problémy, kterým dnes lidstvo čelí.
Samotestovací otázky
· Cesta mikroskopu 3
· Limit mikroskopie 5
· Neviditelné záření 7
· Elektrony a elektronová optika 9
· Elektrony jsou vlny!? 12
· Struktura elektronového mikroskopu 13
· Předměty elektronové mikroskopie 15
· Typy elektronových mikroskopů 17
· Vlastnosti práce s elektronovým mikroskopem 21
· Způsoby, jak překonat difrakční limit elektronové mikroskopie 23
· Reference 27
· Obrázky 28
Poznámky:
1. Symbol znamená povýšení na moc. Například 2 3 znamená "2 na mocninu 3".
2. Symbol e znamená zápis čísla v exponenciálním tvaru. Například 2 e3 znamená "2 krát 10 na 3. mocninu."
3. Všechny obrázky jsou na poslední stránce.
4. Vzhledem k použití ne zcela „novější“ literatury nejsou údaje v tomto abstraktu příliš „čerstvé“.
Oko by nevidělo Slunce,
kdyby nebyl jako
Ke slunci.
Goethe.
Způsob mikroskopie.
Když byl na přelomu 17. a 17. století vytvořen první mikroskop, sotva kdo (ani jeho vynálezce) si dokázal představit budoucí úspěchy a četné aplikace mikroskopie. Když se podíváme zpět, jsme přesvědčeni, že tento vynález znamenal něco víc než vytvoření nového zařízení: poprvé mohl člověk vidět dříve neviditelné.
Přibližně ve stejnou dobu se datuje další událost k vynálezu dalekohledu, který umožnil vidět neviditelné ve světě planet a hvězd. Vynález mikroskopu a dalekohledu představoval revoluci nejen ve způsobech studia přírody, ale i v samotné metodě výzkumu.
Přírodní filozofové starověku skutečně pozorovali přírodu a učili se o ní pouze to, co vidělo oko, cítila kůže a slyšelo ucho. Člověk se může jen divit, kolik správných informací o světě kolem sebe získali pomocí „nahých“ smyslů a bez provádění speciálních experimentů, jako je tomu nyní. Zároveň s přesnými fakty a brilantními odhady, kolik falešných „pozorování“, prohlášení a závěrů nám zanechali vědci starověku a středověku!
Až mnohem později byla nalezena metoda studia přírody, která spočívá v zakládání vědomě plánovaných experimentů, jejichž účelem je testovat předpoklady a jasně formulované hypotézy. Francis Bacon, jeden z jejích tvůrců, vyjádřil rysy této výzkumné metody následujícími, dnes již slavnými slovy: „Provádět experiment znamená vyslýchat přírodu, podle moderních představ byly první kroky skromní a ve většině případů si tehdejší experimentátoři vystačili bez jakýchkoli přístrojů, které by „vylepšovaly“ smysly. Vynález mikroskopu a dalekohledu představoval ohromné rozšíření možností pozorování a experimentu.
Již první pozorování, prováděná pomocí nejjednodušší a nejnedokonalejší technologie podle moderních konceptů, objevila „celý svět v kapce vody“. Ukázalo se, že známé předměty vypadají při zkoumání mikroskopem úplně jinak: povrchy, které jsou hladké na pohled i na dotek, jsou ve skutečnosti drsné a myriády drobných organismů se pohybují v „čisté“ vodě. Stejně tak první astronomická pozorování pomocí dalekohledů umožnila lidem vidět známý svět planet a hvězd novým způsobem: například povrch Měsíce, opěvovaný básníky všech generací, se ukázal být hornatý a posetý četnými krátery a bylo zjištěno, že Venuše má změnu fází, stejně jako Měsíce.
V budoucnu tato jednoduchá pozorování zrodí nezávislé oblasti vědy: mikroskopii a pozorovací astronomii. Uplynou roky a každá z těchto oblastí se vyvine v četné důsledky, vyjádřené v řadě velmi odlišných aplikací v biologii, medicíně, technologii, chemii, fyzice a navigaci.
Moderní mikroskopy, které na rozdíl od elektronických budeme nazývat optické, jsou dokonalými přístroji, které umožňují získat velká zvětšení s vysokým rozlišením. Rozlišení je určeno vzdáleností, ve které lze ještě vidět dva sousední konstrukční prvky odděleně. Jak však výzkum ukázal, optická mikroskopie prakticky dosáhla základní hranice svých možností v důsledku difrakce a interference ¾ jevů způsobených vlnovou povahou světla.
Stupeň monochromatičnosti a koherence je důležitou charakteristikou vln jakékoli povahy (elektromagnetické, zvukové atd.). Monochromatické vibrace ¾ jsou vibrace skládající se ze sinusových vln jedné specifické frekvence. Když si představíme oscilace ve formě jednoduché sinusoidy, respektive s konstantní amplitudou, frekvencí a fází, pak jde o určitou idealizaci, protože přísně vzato v přírodě neexistují žádné oscilace a vlny, které by byly naprosto přesně popsány sinusem. mávat. Jak však ukázaly studie, skutečné oscilace a vlny se mohou s větší či menší mírou přesnosti přiblížit ideální sinusoidě (mají větší či menší míru monochromatičnosti). Kmity a vlny složitého tvaru mohou být reprezentovány jako soubor sinusových oscilací a vln. Ve skutečnosti tuto matematickou operaci provádí hranol, který rozkládá sluneční světlo na barevné spektrum.
Monochromatické vlny, včetně světelných vln, o stejné frekvenci (za určitých podmínek!) se mohou vzájemně ovlivňovat tak, že se v důsledku toho „světlo promění ve tmu“ nebo, jak se říká, vlny mohou interferovat. Během interference dochází k místnímu vzájemnému „zesilování a potlačování“ vln. Aby vlnový interferenční obrazec zůstal v průběhu času nezměněn (například při pozorování okem nebo při fotografování), je nutné, aby vlny byly vzájemně koherentní (dvě vlny jsou vzájemně koherentní, pokud poskytují stabilní interferenční obrazec, který odpovídá rovnosti jejich frekvencí a konstantnímu fázovému posunu).
Pokud se do cesty šíření vln postaví překážky, výrazně ovlivní směr šíření těchto vln. Takovými překážkami mohou být okraje děr v obrazovkách, neprůhledné předměty, ale i jakékoli jiné typy nehomogenit v cestě šíření vln. Nehomogenitami mohou být zejména předměty, které jsou průhledné (pro dané záření), ale liší se indexem lomu, a tedy i rychlostí průchodu vln uvnitř nich. Jev změny směru šíření vln při jejich průchodu v blízkosti překážek se nazývá difrakce. Difrakce je obvykle doprovázena interferenčními jevy.
Hranice mikroskopie.
Obraz získaný pomocí libovolného optického systému je výsledkem interference různých částí světelné vlny procházející tímto systémem. Zejména je známo, že omezení světelné vlny vstupní pupilou soustavy (okraje čoček, zrcadel a clon tvořících optickou soustavu) a s tím spojený jev difrakce vede k tomu, že světelný bod bude znázorněn ve formě difrakčního kruhu. Tato okolnost omezuje schopnost rozlišovat malé detaily obrazu tvořeného optickým systémem. Obraz např. nekonečně vzdáleného světelného zdroje (hvězdy) v důsledku difrakce kulaté zornice (rám spektivu) je poměrně složitý obrázek (viz obr. 1). Na tomto obrázku můžete vidět sadu soustředných světlých a tmavých prstenců. Rozložení osvětlení, které lze napravit, když se přesunete od středu obrazu k jeho okrajům, je popsáno poměrně složitými vzorci, které jsou uvedeny v kurzech optiky. Vzory vlastní pozici prvního (od středu obrázku) tmavého prstence však vypadají jednoduše. Označme D průměr vstupní pupily optické soustavy a l vlnovou délku světla vyslaného nekonečně vzdáleným zdrojem.
Rýže. 1. Difrakční obraz svítícího bodu (tzv. Airyho disk).
Označíme-li j úhel, pod kterým je viditelný poloměr prvního tmavého prstence, pak, jak se ukázalo v optice,
hřích j » 1,22 * ( l /D) .
V důsledku omezení vlnoplochy na okraje optického systému (vstupní pupily) tedy namísto zobrazení svítícího bodu odpovídajícího objektu v nekonečnu získáme sadu difrakčních prstenců. Tento jev přirozeně omezuje schopnost rozlišovat dva blízko umístěné bodové zdroje světla. V případě dvou vzdálených zdrojů, například dvou hvězd umístěných velmi blízko sebe v nebeské klenbě, se totiž v rovině pozorování vytvoří dva systémy soustředných prstenců. Za určitých podmínek se mohou překrývat a rozlišení mezi zdroji je nemožné. Není náhodou, že v souladu s „doporučením“ výše uvedeného vzorce usilují o stavbu astronomických dalekohledů s velkou velikostí vstupní pupily. Mez rozlišení, při které lze pozorovat dva blízko sebe umístěné světelné zdroje, je určena následovně: pro jednoznačnost se za mez rozlišení považuje poloha difrakčních obrazů dvou bodových světelných zdrojů, při které je první tmavý prstenec vytvořený jedním z nich. zdrojů se shoduje se středem světlé skvrny, vytvořené jiným zdrojem.
Stručné shrnutí moderní fyziky mikrosvěta :
1 . Mikrosvět se skládá ze dvou typů částic, které se liší především velikostí: od částic ultra mikrosvěta ( Například , foton ) a částice mikrosvěta ( Například , elektron ). Ultra mikrosvět je o tři řády menší než částice mikrosvěta . Obvykle 10 až mínus osmnáctá mocnina .
2. Máme tedy tři směry pohybu částic ( rýže .1 ) A , respektive , tři místa pro pole : gravitační pole , elektrické a magnetické pole . Na tomto základě lze hovořit o jednotné povaze všech tří oborů a to , že všechna tři pole jsou v mikrokosmu od sebe neoddělitelná . ( V přírodě existují látky , vytváření magnetických polí nebo elektrických polí samostatně ). V důsledku tohoto tvrzení, pokud je vodič pro elektrický proud zaveden do magnetického pole , pak nemůže být ovlivněn elektrickým polem , který je vždy ortogonální k magnetickému poli .
3. Věnujme tomu pozornost , že každá částice mikrosvěta má ještě tři stupně volnosti , které se používají pro rotační pohyb . Viz Obr. 1 . Říká fyzik Hopkins , že prostor se může proměnit v čas a naopak . Jak tomuto tvrzení rozumět ? Známe zákon zachování energie , který čte : součet kinetické a potenciální energie tělesa je konstantní . Pohyb částice v prostoru mikrokosmu je oscilační . Oscilační pohyb je výsledkem sečtení dvou pohybů : translační a rotační . Kinematická energie je energie translačního pohybu , a potenciál je uložená energie tělesa nehybného v prostoru různými způsoby . Translační pohyb se provádí v prostoru , a rotační v čase a tyto pohyby mají matematické okrajové podmínky , o kterém nám vyprávěl fyzik Hopkins .
4. věřím , že všechny částice ultra mikrokosmu se od sebe liší pouze frekvencí vibrací . Například , ultrafialové a infra světlo : stejný foton , ale s jinou frekvencí . věřím , že frekvence je formou akumulace energie , T .E. frekvence určuje množství kinetické a potenciální energie částice . Protože Einsteinův vzorec bere v úvahu pouze kinetickou energii pohybující se částice , pak tento vzorec potřebuje úpravu . Podle všeho , Hmotnost částice potřebujeme porozumět specifické hmotnosti , T . E . objemová hmotnost vytvořená frekvencí vibrací : hmotnost částice se musí vydělit součinem amplitudy vibrací a oblasti vlnové délky nebo matematickým očekáváním této vlny.
5. Každá elementární částice mikrosvěta obsahuje svůj specifický typ ultra mikročástic s vlastní frekvencí. Například , elektron obsahuje fotony stejné frekvence ( pod novým názvem: “ biony ”), ale frekvence emitovaného fotonu je přizpůsobena podmínkám specifické dráhy elektronu . Obrázek 4 poskytuje důkaz této hypotézy. : všechny elektromagnetické vlny musí mít stejnou délku a amplitudu na určité dráze . Ale přechod z oběžné dráhy na jinou dráhu je doprovázen změnou frekvenčních parametrů : T . E . amplituda a vlnová délka . Každá oběžná dráha má svou vlastní potenciální energetickou hladinu ep gii , jako důsledek zákona zachování energie . Důvod p E gulární únik kvarkové energie z elementární částice mikrosvěta může způsobit rezonanční jevy .
Blok elektronů na oběžné dráze má točivý moment , což je součin hmotnosti elektronu a poloměru oběhu , což vede k rotaci samotných drah . Každá orbita elektronů v atomu je neodmyslitelně elektrickým uzavřeným obvodem, a proto kolem sebe vytváří elektromagnetické pole.. Proto je rychlost elektronů na oběžné dráze stejná , jako v elektrickém obvodu . Toto pole brání elektronům v přiblížení se k protonu jádra . Směr magnetických siločar lze určit pomocí gimletova pravidla .
7 . Fyzikální literatura to naznačuje , že elektron má spin 2. Skutečně , Když se foton uvolní, otočí se o 90 stupňů , T . E . od 1 / 2 se záda vrátí do původní polohy , což dává 1 navíc / 2 zpět . Pak změní okraj zatáčky a znovu 1 / 2 a 1 / 2 , T . E . celková rotace je 2 .
7. Náš vesmír - fyzicky uzavřený prostor . Je omezen fyzikálními konstantami : Například , rychlost světla je 300 000 km za sekundu nebo teplotní limit je 273 , 16 stupňů Celsia . Dodržuje proto zákon zachování energie, a proto existuje již miliardy let . Jak lze tuto skutečnost vysvětlit? , že se pohyb planet na drahách nezastavil ? Za předpokladu , že se planety po impulsu Výbuchu pohybují setrvačností , pak by tato energie byla do určité míry ztracena během miliard let v důsledku setkání s meteority a slunečním větrem. Poznámka , že částice ultra mikrosvěta při pohybu provádějí oscilační pohyby kolem své trajektorie pohybu, T . E . jejich pohyb je oscilační proces o určité frekvenci . Oscilační proces v přírodě je přechod potenciální energie do kinetické energie a zpět. Z toho vyplývá, že , že pohyb jakéhokoli tělesa v uzavřeném prostoru musí využívat rezervu potenciální energie prostřednictvím mechanismu frekvence.
Nevíme, proč existují teploty , limity vakua a omezená rychlost světla . Možná je tam kryoplazma , něco jako černá díra , smluvní ene p giyu do určité míry , po kterém nastává Velký třesk .
8. Experimentálně se vědcům nepodařilo dosáhnout rychlosti světla ani teploty nula Kelvinů. . Těmto limitům je přiblížili jen asymptoticky malým množstvím . Tyto experimenty vyžadovaly obrovské výdaje energie . Tak bylo stanoveno, že , že v oblasti malých množství vznikají obrovské náklady na energii . Z klasické fyziky známe silový vzorec F když masy interagují : m 1 M 2 Kde r je vzdálenost mezi hmotami :
F = m 1 *M 2 /r^ 2 . Hmotnost protonu nebo elektronu je asi 0 , 91 * 10 na výkon mínus 31 kg ( hmotnost je o řád menší ), hustota 6 , 1 * 10 až 17. síla kg / m ^ 3 . Vzdálenost mezi částicemi ve slabé interakci ( 2 * 10 až mínus 1 5 stupně ) m a se silnou interakcí ( 10 na mínus 18. mocninu ) známý . Při výpočtu síly přitažlivosti těchto částic je však třeba vzít v úvahu skutečnost , že každá mikročástice je mikrooscilační obvod . Dívej se Ó vysvětlení bodu 10. Aplikace vzorce klasické fyziky na výpočty interakce částic mikrosvěta nám to ukazuje , že neexistují hranice mezi klasickou fyzikou a kvantovou či relativistickou .
9. Nabité předměty , Například , elektrony způsobit nejen elektrostatické pole, ale také elektrický proud. V těchto dvou jevech je podstatný rozdíl. Pro vznik elektrostatického pole jsou potřeba stacionární náboje, nějak fixované v prostoru a pro vznik elektrického proudu naopak přítomnost volných, nefixovaných nabitých částic, které v elektrostatickém poli stacionárních nábojů přijít do stavu uspořádaný pohyb podél siločar . Například , elektrický výboj statická elektřina , soustředěné v bouřkovém mraku - Blesk . Tento pohyb je elektřina .
10. Existuje však další důvod pro výskyt elektrického proudu . Každá částice typu ultra a mikro elektronů má svou vlastní vibrační frekvenci a , proto , je mikrooscilační obvod , na který se vztahuje vzorec Josepha Thomsona :
f = 1/2 P je druhá odmocnina z L*C, Kde L = 2*EL/I na druhou a
C = 2* Ec/U na druhou , kde E 1 c a e 1L je energie elektrického pole a magnetického toku . Vzorec ukazuje konstantní vztah mezi L( v Henry , ) A C ( ve faradách , které se převádějí na centimetry ).
( jednotka indukčnosti v Systém GHS; 1 cm = 1,10 -9 gn ( Jindřich ), cm , cm ... kapacita, Centimetr - jednotka kapacity v Systém GHS = 1,10 -12 f ( farads ), cm . )
Pokud jsou rozměry těchto veličin v centimetrech , pak jmenovatelem tohoto vzorce je obvod . Proto , elektrické pole kolem elektronu je řada koaxiálních kruhů . S rostoucím poloměrem kruhu by se měla od tohoto období zvýšit rychlost pohybu ultra mikročástice , tedy frekvence vibrací elektronů -F konstantní . Důsledek toho roste spotřeba kinetické energie pro vzdálenější částice a klesá jejich schopnost indukovat elektrický proud ve vodiči.
Věnujme ale pozornost obr. 3 , kde je zobrazeno , který přenáší E 1 S a E 1L oddělené v prostoru a vzájemně ortogonální . Tuto okolnost je třeba vzít v úvahu při indukci elektrického proudu ve vodiči . Pokud na veličiny E aplikujeme zákon zachování energie 1L a E 1 S , pak E 1L je kinetická energie pohybujícího se proudu elektronů -já, A E 1 c je potenciální energie elektrického pole jako funkce jeho síly U. Energie E1 L A E1c reaktivní . V případě částic mikrosvěta jsou jejich vektory ortogonální k souřadnicové ose OS , ale jsou v různých rovinách ortogonálních souřadnic . (C podívej se na rýži . 2 ). Oba vektory jsou prostorově odděleny . Nedochází tedy k jejich vzájemné anihilaci a frekvence mikročástic se časem nerozpadá .
V elektrických obvodech se reaktance obvykle označuje X , a celkový odpor v obvodech střídavého proudu Z, aktivní odpor - R a součet všech odporů se nazývá impedance . Z = R+jX
Velikost impedance je poměr amplitud napětí a proudu, zatímco fáze je rozdíl mezi fázemi napětí a proudu.
Li X >0 reaktance se nazývá induktivní
Li X =0 impedance je údajně čistě odporová (aktivní)
EU zda X <0 говорят, что реактивное сопротивлние является ёмкостным .
Ve skutečném oscilačním obvodu , použitý , Například , v radiotechnice , reaktivní indukční energii můžeme kompenzovat kapacitní reaktivní energií, protože u kapacitní reaktance vede vektor proudu napětí a u indukční reaktance se vektor proudu opožďuje za napětím o 90 stupňů a jsou ve stejné rovině, ale ne současně. Vzhledem k tomu, že jednou z vlastností indukčnosti je schopnost udržovat proud, který jí protéká, konstantní, pak když proud zátěže protéká, fázový posun mezi proudem a napětím (proud „zaostává“ za napětím o fázový úhel). Rozdílné známky proudu a napětí během periody fázového posunu ve svém důsledku vedou k poklesu energie elektromagnetických polí indukčností, která se doplňuje ze sítě. Pro většinu průmyslových spotřebitelů to znamená následující: podél sítí mezi zdrojem elektřiny a spotřebitelem proudí kromě činné energie, která koná užitečnou práci, také energie jalová, která nevykonává užitečnou práci.
Z výše uvedeného vyplývá, že , co d Pro existenci elektrického proudu je nutné dodávat energii zvenčí do vodiče ve formě elektromagnetické pole.
Dodatečné vysvětlení . Kapacita R roste s počtem závitů elektromagnetu .
R = 1/(2 π * C * f), Kde F- frekvence , A C- kapacita .
Indukčnost L=N 2 * μ *A/l,
Kde L- indukčnost , N- počet závitů drátěného vodiče, µ - koeficient magnetické permeability jádra , A- objem jádra , l - průměrná délka jádra .
f = 1/(2 π * √ (L * C))
Proto R = 1/(4n 2 *C*N*√( μ*A/l)).
Abychom porozuměli vlastnostem fotonu, provedeme jednoduchý experiment. Spustíme dvě koule stejné hmotnosti ze stejné výšky na ocelovou desku. Jedna kulička je vyrobena z plastelíny a druhá je kulička- ocel. Je snadné si všimnout, že velikost odrazu od desky je u nich jiná a je větší u ocelové kuličky. Velikost odrazu je dána pružnou deformací materiálů koule. Nyní nasměrujeme paprsek světla na sporákA , tj. tok fotonů. Z optiky je známo, že úhel dopadu paprsku je striktně roven úhlu odrazu. Když se dvě tělesa srazí, vymění si energii v poměru k jejich hmotnosti. V případě fotonového paprsku mění fotonový paprsek pouze vektor pohybu. Nevyplývá z toho, že je zde neobvykle vysoká hodnota pružné deformace fotonu, tedy superelasticita? Ostatně fenomén superplasticity některých slitin známe.
11. Jaká je role elastické deformace v mikrokosmu? Víme, že stlačená pružina má potenciální energii, jejíž velikost je větší, tím vyšší je pružná deformace pružiny. Víme, že během oscilačního procesu se potenciální energie přeměňuje na energii kinetickou a naopak. Je také známo, že všechny částice mikrosvěta procházejí oscilačním pohybem, to znamená, že mají vlastní kmitací frekvenci, která kolem částice vytváří elektromagnetické pole. Každá částice mikrokosmu je tedy mikrooscilační obvod podobný radiovému oscilačnímu obvodu. Proto musí elektromagnetické pole vytvořit točivý moment v částici:M = r i *F i , já - kde je určitý bod aplikace tohoto momentu Všimněte si, že frekvence mikročástice se s časem nemění Proto se velikost točivého momentu a velikost elektrického proudu, který ji způsobuje, s časem nemění. A to je možné pouze v případě supravodivosti!
Tento krouticí moment otáčí částici postupně kolem os X a Y, čímž vzniká pružná torzní deformace. Tyto superelastické deformace vrátí částici do původního stavu. Tímto způsobem vzniká oscilační pohyb částice s přechodem potenciální energie vlastní elastické torzní deformaci na kinetickou energii pohybu částice v prostoru podél osy.Z .
Mechanismus takového přechodu si lze představit jako kroucení tuby s pastou. Ve skutečnosti změna objemu vede k vytlačování pasty z otvoru tuby, umístěného kolmo k rovině kroucení tuby. Tento vnitřní impuls způsobí, že se částice pohybuje podél osyZ. Vzniká vysoce účinný nanomotor. Něco podobného lze pozorovat u tzv. prádelního kola. Pokud osa takového kola není pevná, pak místo rotačního kola dostaneme translační valivý pohyb Pro realizaci tohoto motoru je nutné vytvořit materiál s neobvykle vysokými hodnotami elastické torzní deformace. Pak se otevře cesta k cestování rychlostí světla.
12. Takto extrémně vysoké vlastnosti mikročástic vznikají v materiálech při teplotách blízkých nule Kelvinů. Není hmota periodicky kontrahována do jakési černé díry, která představuje kryoplazmu při Kelvinově teplotě? Není tato hmota díky svým nadpřirozeným vlastnostem akumulátorem potenciální energie, která se po dosažení kritické úrovně přemění na kinetickou energii výbuchem?
Kvantová optika. Fyzika mikrosvěta. Molekulární fyzika.
Tepelné záření- elektromagnetické záření se spojitým spektrem, vyzařované zahřátými tělesy v důsledku jejich tepelné energie.
Příklad Tepelné záření je světlo z žárovky.
Sílu tepelného záření předmětu, který splňuje kritéria absolutně černého tělesa, popisuje Stefan-Boltzmannův zákon.
Je popsán vztah mezi emisními a absorpčními schopnostmi těles Kirchhoffův radiační zákon.
Tepelné záření je jedním ze tří základních typů přenosu tepelné energie.
Rovnovážné záření je tepelné záření, které je v termodynamické rovnováze s hmotou.
Hlavní kvantitativní charakteristiky tepelného záření jsou:
- energetická svítivost
je množství energie elektromagnetického záření v celém rozsahu vlnových délek tepelného záření, které je vyzařováno tělesem ve všech směrech z jednotky povrchu za jednotku času: R = E/(S t), [J/(m 2 s)] = [W /m 2 ] Energetická svítivost závisí na povaze tělesa, teplotě tělesa, stavu povrchu tělesa a vlnové délce záření.
- spektrální hustota svítivosti
- energetická svítivost tělesa pro dané vlnové délky (λ + dλ) při dané teplotě (T + dT): R λ, T = f(λ, T).
Energetická svítivost tělesa v určitých vlnových délkách se vypočítá integrací R λ, T = f(λ, T) pro T = konst:
absorpční koeficient- poměr energie absorbované tělem k energii dopadající. Pokud tedy na těleso dopadá záření z toku dФ inc, pak se jeho jedna část odráží od povrchu tělesa - dФ neg, druhá část prochází do tělesa a částečně se mění v teplo dФ abs a třetí část , po několika vnitřních odrazech prochází tělesem směrem ven dФ inc : α = dФ abs./dФ dolů.
Stefan-Boltzmannův zákon- zákon záření černého tělesa. Určuje závislost síly záření absolutně černého tělesa na jeho teplotě. Vyjádření zákona:
kde je stupeň černosti (u všech látek, u absolutně černého tělesa). Pomocí Planckova zákona pro záření lze konstantu definovat jako
kde je Planckova konstanta, je Boltzmannova konstanta a je rychlost světla.
Číselná hodnota J s −1 m −2 K −4.
Zákon objevili nezávisle J. Stefan a L. Boltzmann za předpokladu, že hustota energie záření je úměrná jeho tlaku. Potvrzeno Leo Graetzem v roce 1880.
Je důležité si uvědomit, že zákon hovoří pouze o celkové emitované energii. Rozložení energie ve spektru záření popisuje Planckův vzorec, podle kterého je ve spektru jediné maximum, jehož polohu určuje Wienův zákon.
Kirchhoffův radiační zákon.
V moderním znění 3 Zákon zní takto:
Poměr emisivity libovolného tělesa k jeho absorpční kapacitě je pro všechna tělesa při dané teplotě pro danou frekvenci stejný a nezávisí na jejich tvaru a chemické povaze.
Je známo, že když elektromagnetické záření dopadá na určité těleso, jeho část se odráží, část je pohlcena a část může být přenášena. Podíl záření absorbovaného při dané frekvenci se nazývá absorpční kapacita tělo. Na druhou stranu každé zahřáté těleso vyzařuje energii podle nějakého zákona tzv emisivitu těla.
Hodnoty a mohou se velmi lišit při pohybu z jednoho tělesa do druhého, nicméně podle Kirchhoffova zákona o záření nezávisí poměr emisních a absorpčních schopností na povaze tělesa a je univerzální funkcí frekvence ( vlnová délka) a teplota:
Absolutně černé těleso podle definice absorbuje veškeré záření dopadající na něj, tedy pro něj. Funkce se tedy shoduje s emisivitou absolutně černého tělesa, popsanou Stefan-Boltzmannovým zákonem, v důsledku čehož lze emisivitu jakéhokoli tělesa zjistit pouze na základě jeho absorpční kapacity.
Skutečná tělesa mají absorpční kapacitu menší než jednota, a tedy i emisivitu menší než absolutně černé těleso. Tělesa, jejichž absorpční kapacita nezávisí na frekvenci, se nazývají šedá. Jejich spektra mají stejný vzhled jako u absolutně černého tělesa. Obecně platí, že absorpční kapacita těles závisí na frekvenci a teplotě a jejich spektrum se může výrazně lišit od spektra absolutně černého tělesa. Studii emisivity různých povrchů jako první provedl skotský vědec Leslie pomocí vlastního vynálezu – Leslieho kostky.
Fotoelektrický jev (fotoelektrický jev) je jev interakce světla s hmotou, v důsledku čehož se energie fotonů přenáší na elektrony látky. Pro pevné a kapalné těla se liší vnější a vnitřní fotoefekt. S vnějším Při fotoelektrickém jevu je absorpce fotonů doprovázena emisí elektronů mimo tělo. S vnitřním Při fotoelektrickém jevu zůstávají elektrony odtržené od atomů, molekul a iontů uvnitř látky, ale mění se energie elektronů. V plynech Fotoelektrický jev spočívá v jevu fotoionizace - odstranění elektronů z atomů a molekul plynu vlivem světla.
Kvalitativní pohled na charakteristiku proud-napětí fotočlánek, tedy závislost fotoproudu na napětí mezi katodou a anodou pro případ konstantního světelného toku dopadajícího na katodu, je uveden na Obr. 1.13.
 |
| Rýže. 1.13. |
Kladné napětí odpovídá zrychlujícímu se elektrickému poli, do kterého dopadají elektrony unikající z katody. Proto v oblasti kladných napětí dosáhnou všechny elektrony emitované katodou k anodě, což způsobí saturační fotoproud.
Mírný pokles fotoproudu při malé kladné hodnotě napětí, které je pozorováno při experimentech, je spojeno s rozdílem kontaktních potenciálů mezi katodou a anodou. Níže při diskusi o zákonech fotoelektrického jevu zanedbáme vliv rozdílu kontaktních potenciálů.
Při záporném napětí Elektron emitovaný katodou vstupuje do zpomalujícího elektrického pole, které může překonat, pouze pokud má určitou kinetickou energii. Elektron s nízkou kinetickou energií, který vyletěl z katody, nemůže překonat brzdné pole a dostat se k anodě. Takový elektron se vrací ke katodě, aniž by přispíval k fotoproudu. Hladký pokles fotoproudu v oblasti záporných napětí tedy naznačuje, že fotoelektrony unikající z katody mají různé hodnoty kinetické energie.
Při nějakém záporném napětí, jehož hodnota se nazývá retardační napětí (potenciál), se fotoproud rovná nule. V tomto případě odpovídající brzdné elektrické pole zpozdí všechny elektrony unikající z katody, včetně elektronů s maximální kinetickou energií.
Měřením retardačního napětí lze ze vztahu určit tuto maximální energii nebo maximální rychlost fotoelektronů
| . | (1.54) |
Následující byly stanoveny experimentálně Základní principy fotoelektrického jevu:
1. Pro monochromatické světlo o určité vlnové délce je saturační fotoproud úměrný světelnému toku dopadajícímu na katodu.
2.Maximální kinetická energie fotoelektronů nezávisí na velikosti světelného toku, ale je určena pouze frekvencí záření.
3. Každá katodová látka má svou vlastní mezní frekvenci, takže záření s frekvencí fotoelektrického jevu nezpůsobuje fotoelektrický jev. Tato mezní frekvence se nazývá červená mezní frekvence fotoelektrického jevu. Na stupnici vlnových délek odpovídá vlnové délce červené hranice, takže fotoelektrický jev z daného kovu způsobuje záření pouze s kratší vlnovou délkou.
(1.55) se nazývá Einsteinova rovnice pro vnější fotoelektrický jev. Zde je maximální energie fotoelektronů.
Přímým důsledkem této rovnice je druhý a třetí zákon fotoelektrického jevu. Z (1.55) totiž vyplývá, že maximální energie fotoelektronů závisí na frekvenci záření dopadajícího na kov. Kromě toho, pokud , pak by neměl být pozorován fotoelektrický jev. Odtud pro frekvenci a vlnovou délku červené hranice fotoelektrického jevu získáme jednoduché vzorce
z čehož vyplývá, že tyto charakteristiky jsou zcela určeny hodnotou funkce práce elektronů z kovu.
Foton- elementární částice, kvantum elektromagnetického záření (v užším smyslu - světlo). Je to bezhmotná částice, která může existovat pouze pohybem rychlostí světla. Elektrický náboj fotonu je nulový. Foton může být pouze ve dvou spinových stavech s projekcí spinu do směru pohybu (helicita) ±1. Tato vlastnost v klasické elektrodynamice odpovídá kruhové pravé a levé polarizaci elektromagnetické vlny. Foton jako kvantová částice je charakterizován vlnově-částicovou dualitou, současně vykazuje vlastnosti částice a vlny. Fotony jsou označeny písmenem , proto se často nazývají gama záření (zejména fotony s vysokou energií); tyto pojmy jsou prakticky synonyma. Z hlediska Standardního modelu je foton kalibračním bosonem. Virtuální fotony jsou nositeli elektromagnetické síly a zajišťují tak interakci například mezi dvěma elektrickými náboji. Foton je nejhojnější částicí ve vesmíru. Na jeden nukleon připadá nejméně 20 miliard fotonů.
Dualita vlna-částice, Heisenbergův princip nejistoty
Foton se vyznačuje dualitou vlna-částice. Na jedné straně foton demonstruje vlastnosti elektromagnetické vlny v jevech difrakce a interference, pokud jsou charakteristické rozměry překážek srovnatelné s vlnovou délkou fotonu. Například sekvence jednotlivých fotonů s frekvencí procházející dvojitou štěrbinou vytváří na stínítku interferenční obrazec, který lze popsat Maxwellovými rovnicemi. Experimenty však ukazují, že fotony jsou emitovány a pohlcovány výhradně objekty, které mají rozměry mnohem menší než vlnová délka fotonu (například atomy), nebo obecně, do určité aproximace, lze považovat za bodové (stejně jako například elektrony) . Fotony se tedy v procesech emise a absorpce chovají jako bodové částice. Tento popis přitom není dostatečný; představu fotonu jako bodové částice, jejíž dráha je pravděpodobnostně specifikována elektromagnetickým polem, je vyvrácena korelačními experimenty s provázanými stavy fotonů.
Heisenbergův myšlenkový experiment k určení polohy elektronu (modrá barva) pomocí gama mikroskopu s vysokým rozlišením.
Dopadající gama paprsky (znázorněné zeleně) jsou elektronem rozptýleny a vstupují do aperturního úhlu mikroskopu θ. Rozptýlené gama paprsky jsou na obrázku znázorněny červeně. Klasická optika ukazuje, že polohu elektronu lze určit pouze do určité hodnoty Δ X, který závisí na úhlu θ a vlnové délce λ dopadajících paprsků.
Klíčovým prvkem kvantové mechaniky je Heisenbergův princip neurčitosti, který zakazuje současné přesné určení prostorové souřadnice částice a její hybnosti podél této souřadnice.
Je důležité poznamenat, že kvantování světla a závislost energie a hybnosti na frekvenci je nezbytné pro splnění principu neurčitosti aplikovaného na nabitou hmotnou částici. To lze ilustrovat na slavném myšlenkovém experimentu s ideálním mikroskopem, který určuje souřadnici elektronu jeho ozářením světlem a záznamem rozptýleného světla (Heisenbergův gama mikroskop). Polohu elektronu lze určit s přesností rovnou rozlišení mikroskopu. Na základě konceptů klasické optiky:
kde je úhel apertury mikroskopu. Nejistotu souřadnic lze tedy snížit na požadovanou hodnotu snížením vlnové délky dopadajících paprsků. Po rozptylu však elektron získá nějakou další hybnost, jejíž nejistota se rovná . Pokud by dopadající záření nebylo kvantováno, mohla by být tato nejistota libovolně malá snížením intenzity záření. Vlnová délka a intenzita dopadajícího světla se mohou měnit nezávisle na sobě. V důsledku toho by při absenci kvantování světla bylo možné současně s vysokou přesností určit polohu elektronu v prostoru a jeho hybnost, což odporuje principu neurčitosti.
Naopak Einsteinův vzorec pro hybnost fotonu plně vyhovuje požadavkům principu neurčitosti. Vezmeme-li v úvahu skutečnost, že foton může být rozptýlen v libovolném směru v rámci úhlu , nejistota hybnosti přenesené na elektron se rovná:
Po vynásobení prvního výrazu druhým dostaneme Heisenbergův vztah neurčitosti: . Celý svět je tedy kvantován: pokud se hmota podřizuje zákonům kvantové mechaniky, pak se jim musí podřídit pole a naopak.
Rutherfordovy experimenty vedly k závěru, že ve středu atomu je husté, kladně nabité jádro. (atomové jádro, odtud název modelu), jehož průměr nepřesahuje 10–14–10–15 m Toto jádro zaujímá pouze 10–12 části celkového objemu atomu, ale obsahuje Všechno kladný náboj a alespoň 99,95 % jeho hmotnosti. Látce tvořící jádro atomu by měla být přiřazena kolosální hustota řádu ρ ≈ 10 15 g/cm 3 . Náboj jádra se musí rovnat celkovému náboji všech elektronů, které tvoří atom. Následně bylo možné zjistit, že pokud je náboj elektronu brán jako jeden, pak je náboj jádra přesně roven číslu daného prvku v periodické tabulce.
Obrázek 6.1.3 Rozptyl částice α v atomu Thomsona (a) a v atomu Rutherforda (b).
Následně Rutherford navrhl planetární model atomu . Podle tohoto modelu je ve středu atomu kladně nabité jádro, ve kterém je soustředěna téměř celá hmotnost atomu. Atom jako celek je neutrální. Elektrony rotují kolem jádra podobně jako planety vlivem Coulombových sil z jádra (obr. 6.1.4). Elektrony nemohou být v klidu, protože by dopadaly na jádro.
Rýže. 6.1.4 Jsou zobrazeny kruhové dráhy čtyř elektronů
Atomové jádro- centrální část atomu, ve které je soustředěna většina jeho hmoty (více než 99,9 %). Jádro je kladně nabité; náboj jádra je určen chemickým prvkem, ke kterému atom patří. Velikosti jader různých atomů jsou několik femtometrů, což je více než 10 tisíckrát menší než velikost samotného atomu. Atomové jádro se skládá nukleonů - kladně nabitých protonů a neutrálních neutronů, které jsou navzájem spojeny silnou interakcí. Počet protonů v jádře se nazývá jeho číslo poplatku- toto číslo se rovná pořadovému číslu prvku, ke kterému atom patří v přirozené řadě prvků v periodické tabulce. Počet protonů v jádře určuje strukturu elektronového obalu neutrálního atomu a tím i chemické vlastnosti odpovídajícího prvku. Počet neutronů v jádře se nazývá jeho izotopové číslo. Jádra se stejným počtem protonů a různým počtem neutronů se nazývají izotopy. Nazývají se jádra se stejným počtem neutronů, ale různým počtem protonů izotony. Celkový počet nukleonů v jádře se nazývá jeho hromadné číslo() a je přibližně rovna průměrné atomové hmotnosti uvedené v periodické tabulce. Obvykle se nazývají nuklidy se stejným hmotnostním číslem, ale rozdílným složením protonů a neutronů izobary. Jako každý kvantový systém mohou být jádra v metastabilním excitovaném stavu a v některých případech se životnost takového stavu počítá v letech. Takové excitované stavy jader se nazývají jaderné izomery. Téměř 90 % z 2 500 známých atomových jader je nestabilních. Nestabilní jádro se samovolně přeměňuje na jiná jádra a emitují částice. Tato vlastnost jader se nazývá radioaktivita. Bylo zjištěno, že radioaktivní jádra mohou emitovat částice tří typů: kladně a záporně nabité a neutrální. Tyto tři typy záření byly tzv α-, β- a γ-záření. Tyto tři typy radioaktivního záření se od sebe velmi liší ve své schopnosti ionizovat atomy hmoty, a tedy i ve své penetrační schopnosti. Má nejnižší penetrační schopnost α záření. Ve vzduchu za normálních podmínek urazí α-paprsky vzdálenost několika centimetrů . β-paprsky mnohem méně absorbován látkou. Jsou schopny projít vrstvou hliníku silnou několik milimetrů. Mají největší penetrační schopnost γ-paprsky, schopný projít vrstvou olova o tloušťce 5–10 cm.
Divize představuje rozpad (štěpení) atomového jádra na dvě cca. stejné části (fragmenty), doprovázené uvolněním energie a v odd. případů vysláním jednoho nebo více. částice, například neutrony. Některá těžká jádra se mohou štěpit spontánně, zatímco lehčí se mohou štěpit v případě srážky s jinými jádry, která mají vysokou energii. Navíc těžká jádra, jako jsou atomy uranu, jsou při bombardování neutrony schopna štěpení, a protože jsou emitovány nové neutrony, proces se může stát soběstačným, tzn. dojde k řetězové reakci. Při takové štěpné reakci se uvolňuje velké množství energie. Řízené řetězové reakce probíhají v jaderných reaktorech, zatímco neřízené řetězové reakce probíhají v atomové bombě. Syntéza je fúze jader dvou lehkých atomů za vzniku nového jádra odpovídajícímu těžšímu atomu. Pokud je toto nové jádro stabilní, pak se během fúze uvolňuje energie, protože vazby v něm jsou silnější než v původních jádrech. Z chem. Reakce jaderné fúze se vyznačují účastí nejen elektronů atomů, ale také jejich jader. Na jednotku hmotnosti reagujících látek při jaderné fúzní reakci připadá cca. 10krát více energie než štěpné reakce. K syntéze jader dochází ve středu, oblasti Slunce a dalších hvězd, které jsou zdrojem jejich energie. Neřízená reakce takové syntézy probíhá ve vodíkových bombách. V současné době probíhá výzkum realizace řízených reakcí takové syntézy jako zdroje energie.
Elementární částice- souhrnný termín označující mikroobjekty v subjaderném měřítku, které nelze rozložit na jednotlivé části.
Je třeba mít na paměti, že některé elementární částice (elektron, foton, kvarky atd.) jsou v současnosti považovány za bezstrukturní a jsou považovány za primární fundamentální částice. Ostatní elementární částice (tzv. složené částice - proton, neutron atd.) mají složitou vnitřní strukturu, ale podle moderních koncepcí je nelze rozdělit na části.
Základní částice- bezstrukturní elementární částice, která dosud nebyla popsána jako složená. V současné době se tento termín používá především pro leptony a kvarky (6 částic každého druhu spolu s antičásticemi tvoří soubor 24 základních částic) ve spojení s kalibračními bosony (částice, které přenášejí základní interakce).
Molekulární kinetická teorie interpretuje vlastnosti těles, která jsou přímo experimentálně pozorována (tlak, teplota atd.) jako celkový výsledek působení molekul. Využívá přitom statistickou metodu a nezajímá se o pohyb jednotlivých molekul, ale pouze o průměrné hodnoty, které charakterizují pohyb obrovské sbírky částic. Odtud jeho další název - statistická fyzika.
Termodynamické parametry- teplota, hustota, tlak, objem, elektrický odpor a další fyzikální veličiny:
- jednoznačné určení termodynamického stavu systému;
- neberou v úvahu molekulární stavbu těl; A
- popis jejich makroskopické stavby.
Na základě využití základních principů molekulární kinetické teorie byla získána základní rovnice MKT ideálního plynu, který vypadá takto: , kde p je tlak ideálního plynu, m0 je hmotnost molekuly, průměrná hodnota koncentrace molekul, druhá mocnina rychlosti molekul.
Označením průměrné hodnoty kinetické energie translačního pohybu molekul ideálního plynu získáme základní rovnice MKT ideální plyn ve formě:
V teorii ideálního plynu je potenciální energie interakce mezi molekulami považována za rovnou nule. Proto Vnitřní energie ideálního plynu je dána kinetickou energii pohybu všech jeho molekul. Průměrná energie pohybu jedné molekuly je . Protože jeden kilomol obsahuje molekuly, bude vnitřní energie jednoho kilomolu plynu 
Vzhledem k tomu, dostáváme
Pro jakoukoli hmotnost plynu m, tj. pro libovolný počet kilomolů vnitřní energie
| (10.12) |
Z tohoto výrazu vyplývá, že vnitřní energie je jednoznačnou funkcí stavu, a proto, když systém provede jakýkoli proces, v jehož důsledku se systém vrátí do původního stavu, je celková změna vnitřní energie rovna nule. Matematicky je to zapsáno jako identita
Druhý zákon termodynamiky uvádí, že všechny nevratné procesy (a to jsou téměř všechny tepelné procesy, v každém případě všechny přirozeně se vyskytující procesy) probíhají takto, že entropie zúčastněných v nich se tělesa zvětšují, tíhnou k maximální hodnotě. Maximální hodnoty entropie je dosaženo, když systém dosáhne rovnovážného stavu.
Přitom již výše bylo poznamenáno, že přechod do rovnovážného stavu je mnohem pravděpodobnější ve srovnání se všemi ostatními přechody. Proto jsou pozorovány pouze ty změny stavu, kdy systém přechází z méně pravděpodobného do pravděpodobnějšího stavu (zvyšuje se termodynamická pravděpodobnost).
Vztah mezi termodynamickou pravděpodobností stavu systému a jeho entropií byla založena v roce 1875 dvěma slavnými vědci - D. Gibbsem a L. Boltzmannem. Toto spojení je vyjádřeno Boltzmannova formule, který vypadá takto:
| , | (4.56) |
kde, R- univerzální plynová konstanta, N A– Avogadroovo číslo.
Stavová rovnice ideálního plynu(někdy Clapeyronova rovnice nebo Mendělejevova-Clapeyronova rovnice) je vzorec, který stanoví vztah mezi tlakem, molárním objemem a absolutní teplotou ideálního plynu. Rovnice vypadá takto:
Tlak,
molární objem,
Univerzální plynová konstanta
Absolutní teplota, K.
Protože , kde je látkové množství a , kde je hmotnost, je molární hmotnost, lze stavovou rovnici zapsat:
Je vidět, že tato rovnice je vlastně stavová rovnice ideálního plynu se dvěma korekcemi. Korekce zohledňuje přitažlivé síly mezi molekulami (sníží se tlak na stěnu, protože existují síly, které molekuly mezní vrstvy vtahují dovnitř), korekce zohledňuje odpudivé síly (odečteme objem obsazený molekulami z celkového objemu).
Pro moly Van plynu Der Waalsova stavová rovnice vypadá takto:
Kde je hlasitost,
izotermačára na fázovém diagramu znázorňující proces, který probíhá při konstantní teplotě (izotermický proces). Rovnice izoterma ideální plyn pV = konst, kde p je tlak, V je objem plynu. Pro skutečný plyn, rovnice izoterma má složitější charakter a jde do rovnice izoterma ideální plyn pouze při nízkých tlacích nebo vysokých teplotách.
Na Obr. 2.8 schematicky jsou znázorněny izotermy plynu Van der Waals pro různé teploty.
Tyto izotermy jasně ukazují oblast, kde tlak roste s rostoucím objemem. Tato oblast nemá žádný fyzický význam. V oblasti, kde izoterma dělá klikatý ohyb, ji izoterma protíná třikrát, to znamená, že existují tři hodnoty objemu se stejnými hodnotami parametrů a . S rostoucí teplotou se vlnovitý úsek zmenšuje a přechází v bod (viz bod K na obr. 2.8). Tento bod se nazývá kritický, jehož hodnota závisí na vlastnostech plynu.
Izotermy skutečného plynu (schematicky)
Modrá - izotermy při teplotách pod kritickou hodnotou. Zelené plochy na nich jsou metastabilní stavy.
Oblast nalevo od bodu F je normální kapalina.
Bod F je bod varu.
Přímá FG - rovnováha kapalné a plynné fáze.
Sekce FA - přehřátá kapalina.
Sekce F′A – natažená kapalina (str<0).
Úsek AC je analytickým pokračováním izotermy a je fyzikálně nemožný.
Sekce CG - podchlazená pára.
Bod G je rosný bod.
Oblast napravo od bodu G je normální plyn.
Plochy obrázku FAB a GCB jsou stejné.
Červená je kritická izoterma.
K je kritický bod.
Modrá - nadkritické izotermy
Protože celý proces probíhá při konstantní teplotě T, křivka, která znázorňuje závislost tlaku p na objemu PROTI, nazývaná izoterma. Při objemu V 1 začíná kondenzace plynu a při objemu V 2 končí. Pokud V > V 1 pak bude látka v plynném stavu a pokud V< V 2 - в жидком.
Experimenty to ukazují Izotermy všech ostatních plynů mají také tuto formu, pokud jejich teplota není příliš vysoká.
V tomto procesu, když se plyn změní na kapalinu, když se jeho objem změní z V 1 na V 2, tlak plynu zůstává konstantní. Každý bod lineární části izotermy 1-2 odpovídá rovnováze mezi plynným a kapalným skupenstvím látky. To znamená, že určitě T A PROTI množství kapaliny a plynu nad ním zůstává nezměněno. Rovnováha je dynamická: počet molekul, které opouštějí kapaliny, se v průměru rovná počtu molekul, které současně přecházejí z plynu do kapaliny.
Existuje také něco jako kritická teplota pokud má plyn teplotu nad kritickou teplotou (individuální pro každý plyn, například pro oxid uhličitý přibližně 304 K), pak se již nemůže přeměnit na kapalinu, bez ohledu na to, jaký tlak je na něj aplikován. K tomuto jevu dochází v důsledku skutečnosti, že při kritické teplotě jsou síly povrchového napětí kapaliny nulové. Pokud pokračujete v pomalém stlačování plynu při teplotě nad kritickou teplotou, pak poté, co dosáhne objemu rovnajícího se přibližně čtyřem vnitřním objemům molekul, které tvoří plyn, začne stlačitelnost plynu prudce klesat.
Stručná historie studia elementárních částic
První elementární částicí objevenou vědci byl elektron. Elektron je elementární částice, která nese záporný náboj. Byl objeven v roce 1897 J. J. Thomsonem. Později, v roce 1919, E. Rutherford zjistil, že mezi částicemi vyraženými z atomových jader jsou protony. Pak byly objeveny neutrony a neutrina.
V roce 1932 K. Anderson při studiu kosmického záření objevil pozitron, miony a K-mezony.
Od počátku 50. let se urychlovače staly hlavním nástrojem pro studium elementárních částic, což umožnilo objevit velké množství nových částic. Výzkum ukázal, že svět elementárních částic je velmi složitý a jejich vlastnosti jsou neočekávané a nepředvídatelné.
Definice 1
V užším smyslu jsou elementární částice částice, které se neskládají z jiných částic. Ale v moderní fyzice se používá širší chápání tohoto termínu. Elementární částice jsou tedy nejmenší částice hmoty, které nejsou atomy a atomovými jádry. Výjimkou z tohoto pravidla je proton. Proto se elementární částice nazývají subjaderné částice. Převážnou část těchto částic tvoří kompozitní systémy.
Elementární částice se účastní všech základních typů interakce – silné, gravitační, slabé, elektromagnetické. Gravitační interakce, vzhledem k malým hmotnostem elementárních částic, se často nebere v úvahu. Všechny v současnosti existující elementární částice jsou rozděleny do tří velkých skupin:
Každá elementární částice má sadu diskrétních hodnot a kvantových čísel. Společné vlastnosti absolutně všech elementárních částic jsou následující:
Poznámka 1
Elementární částice jsou podle své životnosti stabilní, kvazistabilní a nestabilní.
Stabilní elementární částice jsou: elektron, jehož životnost je 51021 let, proton - více než 1031 let, foton, neutrino.
Kvazistabilní jsou částice, které se rozpadají v důsledku elektromagnetických a slabých interakcí, životnost kvazistabilních elementárních částic je více než 10-20 s.
Nestabilní elementární částice (rezonance) se při silných interakcích rozpadají a jejich životnost je $10^(-22) – 10^(-24)$ s.
Kvantová čísla elementárních částic jsou leptonové a baryonové náboje. Tato čísla jsou přísně konstantní hodnoty pro všechny typy základních interakcí. U leptonových neutrin a jejich antičástic mají leptonové náboje opačná znaménka. Pro baryony je baryonový náboj 1 pro jejich odpovídající antičástice je baryonový náboj -1;
Charakteristická pro hadrony je přítomnost speciálních kvantových čísel: „podivnost“, „krása“, „kouzlo“. Běžné hadrony jsou neutron, proton a π-mezon.
V rámci různých skupin hadronů existují rodiny částic, které mají podobnou hmotnost a podobné vlastnosti s ohledem na silnou interakci, ale liší se elektrickým nábojem. Příkladem toho je proton a neutron.
Schopnost elementárních částic podstupovat vzájemné přeměny, ke kterým dochází v důsledku elektromagnetických a jiných fundamentálních interakcí, je jejich nejdůležitější vlastností. Tento typ vzájemné transformace je zrozením páru, tedy vznikem částice a antičástice zároveň. V obecném případě vzniká dvojice elementárních částic s opačným baryonovým a leptonovým nábojem.
Je možný vznik pozitron-elektronových párů a mionových párů. Dalším typem vzájemné přeměny elementárních částic je anihilace páru v důsledku srážky částic za vzniku konečného počtu fotonů. Zpravidla dochází ke vzniku dvou fotonů s celkovým spinem kolidujících částic rovným nule a tří fotonů s celkovým spinem rovným 1. Tento příklad je projevem zákona zachování parity náboje.
Za určitých podmínek je možný vznik vázaného systému pozitronia e-e+ a muonia µ+e-. Tímto stavem může být nízká rychlost srážejících se částic. Takové nestabilní systémy se nazývají atomy podobné vodíku. Životnost atomů podobných vodíku závisí na specifických vlastnostech látky. Tato vlastnost umožňuje jejich využití v jaderné chemii pro detailní studium kondenzovaných látek a pro studium kinetiky rychlých chemických reakcí.
