Явище фотоефекту. Формула Ейнштейна для фотоефекту

Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів. Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно передати енергію, більшу за роботу виходу.

Теоретичне пояснення явища дав Альберт Ейнштейн, за що отримав Нобелівську премію. Ейнштейн використав гіпотезу Макса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від довжини хвилі опромінення.

,

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

Робота Ейнштейна мала велике значення для розвитку ідей квантової механіки взагалі та квантової оптики зокрема.

137. Будова атому. Досліди Резерфорда.

А́том — найменша частинка хімічного елемента, яка зберігає всі його хімічні властивості. Атом складається з щільного ядра з позитивно заряджених протонів та електрично нейтральних нейтронів, яке оточене набагато більшою хмарою негативно заряджених електронів. Коли число протонів відповідає числу електронів, атом електрично нейтральний; в іншому випадку це є іон, з певним зарядом. Атоми класифікують відповідно до числа протонів та нейтронів: число протонів визначає хімічний елемент, а число нейтронів визначає нуклід елементу.

За цією моделлю:

· Атоми складаються із елементарних частинок (протонів, електронів, та нейтронів). Маса атома в основному зосереджена в ядрі, тому більша частина об'єму відносно порожня. Ядро оточене електронами. Атоми одного елемента з різною кількістю нейтронів називаються ізотопами.

· У центрі атома знаходиться крихітне, позитивно заряджене ядро, що складається з протонів та нейтронів.

· Ядро оточене електронною хмарою, яка займає більшу частину його об'єму.

o Кожна орбіталь може містити до двох електронів, що характеризуються трьома квантовими числами: основним, орбітальним і магнітним.

Учені завжди припускали, ніби окремі атоми неподільні і незмінні. Але Резерфорд зміг показати, що коли атом випромінює альфа- або бета-промені, він перетвориться в атом іншого сорту. Проте Резерфорд і Содді провели цілу серію експериментів з радіоактивним розпадом і трансформували уран в свинець. Також Резерфорд виміряв швидкість розпаду і сформулював важливу концепцію "напіврозпаду". Ця серія відкриттів принесла Резерфорду в 1908 році Нобелівську премію, але його найбільше досягнення було ще попереду. Він відмітив, що швидкорухомі альфа-частки здатні проходити крізь тонку золоту фольгу

Потім шляхом складного, але цілком переконливого математичного аналізу він показав єдиний шлях, яким можна було пояснити результати експериментів: атом золота складався майже повністю з порожнього простору, а практично вся атомна маса була сконцентрована в центрі, в маленькому "ядрі" атома.

138. Радіоактивність. Закон радіоактивного розпаду.

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

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

Встановлено, що всі хімічні елементи з порядковим номером, більшим за 83 — радіоактивні.

Природна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, що зустрічаються в природі.

Штучна радіоактивність — спонтанний розпад ядер елементів, отриманих штучним шляхом, через відповідні ядерні реакції.

Якщо в початковий момент часу (t= 0) було N_о радіоактивних ядер, то за період піврозпаду Т кількість їх стане вдвічі меншою ще через такий самий час Т їх уже буде і т.д. Тобто за n періодів піврозпаду радіоактивними залишаться лише N ядер:

Цей вираз є законом радіоактивного розпаду.

139. Радіоактивне випромінювання та взаємодія його з речовиною.

Всі види радіоактивних випромінювань, що супроводжують радіоактивність, називають йонізуючими випромінюваннями. Йонізуючі випромінювання – процес збудження та йонізації атомів речовини при проходженні крізь них гамма-квантів та частинок, що утворилися внаслідок α- та β-розпаду. При проходженні, наприклад, гамма-квантів крізь речовину, кванти перетворюються на пару електрон-позитрон за умови, що енергія гамма-кванту перевищує енергію цих двох частинок (>1 МеВ). α-частинки швидко втрачають всю енергію, оскільки збуджують всі атоми, що трапляються на їх шляху (1-10 см на повітрі, 0,01-0,2 мм у рідинах). β-частинки менш ефективно взаємодіють з речовинами (2-3 м на повітрі, 1-10 мм у рідинах). γ-кванти мають найбільшу проникну здатність. Нейтрони, що не мають електричного заряду, безпосередньо не йонізують атоми. Проте в результаті взаємодії нейтронів з ядрами виникають швидкі заряджені частинки та гамма-кванти, що є йонізуючими частинками. При тривалому перебуванню людини в зоні радіоактивного випромінювання відбувається йонізація та збудження її клітин. У результаті клітини вступають у нові хімічні реакції та утворюють нові хімічні речовини, що порушують нормальне функціонування організму. Мірою дії йонізуючих випромінювань є поглинута доза випромінювання (Грей), що дорівнює відношенню переданої йонізуючими випромінюваннями енергії до маси речовини (D=E/m). Потужність дози випромінювання вимірюється відношення поглинутої дози випромінювання до часу (Pв=D/t). Радіоактивне випромінювання використовують при рентгенологічному обстеженні.

140. Взаємозв’язок маси та енергії матерії. Атомний розпад. Ланцюгова реакція.

Енергія тіла залежить від системи відліку, тобто неоднакова для різних спостерігачів. Якщо тіло рухається зі швидкістю v відносно якогось спостерігача, то для іншого спостерігача, який рухається з тою ж швидкістю, воно здаватиметься нерухомим. Відповідно, для першого спострерігача кінетична енергія тіла буде дорівнювати (виходячи із законів класичної механіки) mv ² / 2, де m - маса тіла, а для іншого - нулю.

Енергія тіла залежить від швидкості вже не так як у Ньютонівській фізиці, а інакше:

,

де m - інваріантна маса.

Спектри α- і γ-випромінювань переривисті («дискретні»), а спектр β-випромінювання — неперервний.

β-розпад

Беккерель довів, що β-промені є потоком електронів. β-розпад - прояв слабкої взаємодії.

β-розпад — внутрішньонуклонний процес, тобто відбувається перетворення нейтрона в протон із вильотом електрона й антинейтрино з ядра:

+ γ.

Правило зсуву Содді для β-розпаду:

+ γ.

Приклад:

+ γ.

α-розпад

α-розпадом називають мимовільний розпад атомного ядра на ядро-продукт і α-частинку (ядро атома ).

α-розпад є властивістю важких ядер з масовим числом А≥200. Одночасно на α-частинку менше впливає ядерне міжнуклонне притягання за рахунок сильної взаємодії, ніж на решту нуклонів.

Правило зсуву Содді для α-розпаду:

.

Приклад:

.

γ-розпад

Гамма промені це електромагнітні хвилі із довжиною хвилі, меншою за розміри атома. Вони утворюються зазвичай при переході ядра атома із збудженого стану в основний стан. При цьому кількість нейтронів чи протонів у ядрі не змінюється, а отже ядро залишається тим самим елементом. Однак випромінювання гамма-променів може супроводжувати й інші ядерні реакції.

Ланцюгова реакція — реакція, продукти якої, своєю чергою, вступають у взаємодію з початковими продуктами. Це хімічні і ядерні реакції, у яких поява проміжної активної частки (радикала, атома або збудженої молекули — у хімічних, нейтрона — у ядерних процесах) викликає велику кількість (ланцюг) перетворень початкових молекул або ядер внаслідок регенерації активної частки в кожному елементарному акті реакції (у кожній ланці).

Оскільки частина нейтронів, утворених під час поділу, втрачається, поглинаючись без поділу іншими ядрами або вилітаючи за межі реактора, ланцюгову реакцію характеризують ефективним коефіцієнтом розмноження k - кількістю новостворених нейтронів під час одиничного акту поділу, які в свою чергу викликають поділ інших ядер. Якщо ефективний коефіцієнт розмноження більший за одиницю, то число актів поділу збільшується, реакція розганяється, вивільнюючи дедалі більше енергії і може завершитися вибухом. Така реакція називається надкритичною. Якщо k менший від одиниці, реакція згасає з часом. Такий режим називається підкритичним. Для k = 1 перебіг реакції залишається незмінним. Саме такий критичний режим використовується в ядерних реакторах.