Фотохимические законы

1. Каждый поглощенный веществом фотон вызывает превращение одной молекулы.

2. Молекула вступает в фотохимическую реакцию под действием фотона лишь в том случае, когда энергия фотона не меньше определеннного значения необходимого для разрыва молекулярных связей.

Световое давление. Прибор Лебедева представляет собой очень чувствительные крутильные весы подвижной частью является легкая рама с укрепленными на ней крылышками - светлыми и черными дисками. Так на черный диск почти вдвое меньше давления, чем на светлый. Плотность энергии Лебедев измерял с помощью специально сконструированного калориметра, направляя на него пучок света на определенное время и регистрируя повышение температуры.

Свет – это распространяющиеся в пространстве фотоны, то фотон обладает импульсом. Импульс фотона существенно отличается от импульса других элементарных частиц. Покоящихся фотонов не существует.Если распространяющуюся волну остановить то свет прекратит свое существование, значит фотоны будут поглощены атомами вещества, а их энергия перейдет в другой вид энергии.

62. Строение атомного ядра. Опыты Резерфорда. Неустойчивость атомного ядра. Квантовые постулаты Бора.

Открытие электрона и обнаружение электронов в составе всех атомов было первым доказательством сложности их строения.
А) Модель атома Томсона (1903 г.) «кексовая модель» Томсон предположил, что атом имеет форму шара; положительный заряд распределён равномерно по всему объёму этого шара, а отрицательно заряженные электроны находятся внутри него (как изюм в тесте). Объясняла нейтральность атома.
Б) Опыты Резерфорда. Резерфорд предположил:
1) Рассеяние альфа-частиц на большие углы объясняется тем, что положительный заряд в атоме не распределён равномерно в шаре, а сосредоточен в центральной части атома в области значительно меньших размеров. В этой центральной положительно заряженной части атома атомном ядре сосредоточена почти вся масса атома,
2) Расчёты Резерфорда показали, что напряжённость электрического поля вблизи атомного ядра по модели Резерфорда должна быть больше напряжённости поля у поверхности атома по модели Томсона, Такое возрастание напряжённости электрического поля и делало возможным рассеяние альфа-частиц на большие углы, В ТОМ числе и в обратном направлении.
3) атом устроен подобно планетной системе, как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так вокруг ядра в атоме обращаются электроны. Радиус удалённого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель строения атома была названа планетарной или ядерной моделью.
Отличительные свойства. Физическая природа сил, удерживающих планеты и электроны на их орбитах: планеты притягиваются к звездам силами всемирного тяготения, а во взаимодействии электронов с атомным ядром основную роль играют силы кулоновского притяжения разноименных электрических зарядов. Силы гравитационного притяжения между электроном и атомным ядром ничтожно малы по сравнению с электромагнитными.
Неустойчивость атома Резерфорда. Любое ускоренное движение электрических зарядов сопровождается излучением электромагнитных волн. Движение по окружности является ускоренным движением, поэтом электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной
частоте его обращения вокруг ядра. Это должно приводить к уменьшению энергии электрона, постепенному его приближению к атомному ядру и падению на ядро.
Квантовые постулаты Бора. 1. Электроны могут двигаться вокруг ядра атома только по строго определённым орбитам, соответствующим одному из энергетических уровней атома
2. Когда электрон движется по одной из разрешённых орбит, атом находится в устойчивом состоянии, т.е. не излучает и не поглощает энергию
3. Когда электрон перескакивает с одной из дозволенных орбит на другую, более близкую к ядру, атом испускает квант энергии в виде излучения, частота которого определяется формулой Планка
Вывод: величина кванта, испускаемого атомом при переходе из одного устойчивого состояния в другое, равна разности значений энергии атома в этих двух состояниях.

63. Оптический квантовый генератор. Принцип работы и применение. Спонтанное и индуцированное излучение.

Оптический квантовый генератор или лазер – прибор для усиления света с помощью индуцированного излучения.

Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома на одного состояния в другое, называется спонтанным (самопроизвольным) Спонтанное излучение различных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.
В 1916 г. А. Эйнштейн предсказал, что переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний с излучением фотона может происходить под влиянием внешнего электромагнитного поля с частотой, равной собственной частоте перехода. Такое излучение называют вынужденным или индуцированным.
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при совпадении частоты электромагнитного поля с собственно частотой излучения возбужденного атома, возникающего при переходе на более низкий
энергетический уровень. В результате взаимодействия возбужденного атома с фотоном, частота которого равна частоте перехода, получаются два совершенно одинаковых по энергии и направлению движения фотона-близнеца.
Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично и когерентно. Именно это свойство индуцированного излучения положено в основу устройства лазеров.
Для того чтобы мощность светового излучения увеличилась после прохождения через вещество, больше половины атомов вещества должно находиться в возбужденном состоянии. Состояние, при котором больше половины атомов вещества находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с инверсной населённостью уровней.
В результате, при прохождении света нужной частоты через вещество с инверсной населённостью уровней, поток света усиливается, а не ослабляется.

Система атомов с инверсной населённостью уровней способна не ТОЛЬК() усиливать, но и генерировать электромагнитное излучение для работы к режиме генератора необходима положительная обратная связь, при которой
часть сигнала с выхода устройства подаётся на его вход. для этого активная среда, в которой создаётся инверсная населённость уровней, располагается в резонаторе, состоящем из двух параллельных зеркал.
В результате одного из спонтанных переходов с метастабильного уровня на основной образуется фотон. При его движении в сторону одного из зеркал он вызывает индуцированное излучение других атомов, и к зеркалу подходит целая лавина фотонов с равной энергией каждый. После отражения от зеркала лавина фотонов движется в противоположном направлении, попутно заставляя высвечиваться всё новые возбужденные атомы, и т.д. Процесс продолжается до тех пор, пока существует инверсная населенность уровней.

Впервые свойства вещества с инверсной заселённостью энергетических уровней теоретически (1939 г.) и экспериментально (1951 г.) исследовал московский физик В.А. Фабрикант. В 1954 г. Н.Г. Басов и А.М. Прохоров (СССР) и независимо от них Ч. Таунс (США) создали первый квантовый генератор на молекулярном пучке аммиака, работающий в диапазоне сантиметровых волн. Первый оптический генератор на кристалле рубина создал Т. Мейманг в 1960 г.
Он состоит из искусственного рубинового стержня, торцы которого строго параллельны, гладко отполированы и покрыты серебром, причём левый торец делается непрозрачным, а правый (выходной) полупрозрачным. Световое излучение лазера создаётся атомами хрома, для возбуждения которых служит лампа накачки мощная импульсная газоразрядная трубка, спирально закрученная вокруг стержня. Мощная вспышка лампы переводит большинство атомов хрома в возбужденное состояние. За время порядка долей миллисекунды все возбужденные атомы хрома переходят в нормальное состояние, и излучение лазера прекращается. Рубиновый лазер испускает короткие, но очень мощные вспышки красного света. При работе лазера выделяется много тепла и необходимо его охлаждение.
В газовых лазерах излучение создаётся разреженным газом, атомы которого возбуждаются высокочастотным электрическим током. Газовые лазеры создают непрерывное излучение. Оно менее мощное, чем излучение лазеров на твёрдом теле, зато ещё более направленное и монохроматическое.
Применение • Прокладка туннелей и при укладке трубопроводов.
• В военном деле для наведения управляемых снарядов
• Мощные лазеры, в частности инфракрасные лазеры на углекислом газе, используются для обработки материалов.
• Лазерные пучки нашли широкое применение в офтальмологии. С их помощью производятся операции на хрусталике и сетчатке глаза. Возможность «приваривать» отслоившуюся сетчатку к глазному дну позволяет избавить многих больных от неизбежной слепоты.
• С помощью лазеров удалось реализовать новый метод получения изображений - голографию.
• На монохроматическом когерентном лазерном пучке с помощью волоконной оптики может быть осуществлена кабельная, телефонная, вещательная и телевизионная связь.
• В настоящее время ведутся серьезные исследования возможности осуществления лазерного термоядерного синтеза.

64. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц.

Трековые методы. Заряженная частица, двигаясь в газе, ионизирует его, создавал на своём пути цепочку ионов. Если создать в газе резкий скачок давления, то на этих ионах, как на центрах конденсации, оседает пересыщенный пар, образуя цепочку капелек жидкости - трек.
А) Камера Вильсона (англ.) 1912 г.
1) стеклянный цилиндрический сосуд, покрытый сверху стеклом;
2) снизу сосуд покрыт слоем чёрного влажного бархата или сукна;
З) сетка, над поверхностью которой образуется насыщенный пар.
4) поршень, при быстром опускании которого происходит адиабатное расширение газа, что сопровождается
понижением его температуры, пар становится переохлаждённым (пересыщенным).
Заряженные частицы, образующиеся при радиоактивном распаде, пролетая в газе, создают на своём пути цепочку ионов. При опускании поршня на этих ионах, как на центрах конденсаций, образуются капельки жидкости. Таким образом, при полёте частица оставляет за собой след (трек), который хорошо виден и может быть сфотографирован. По толщине и длине трека судят о массе и энергии частицы.
П.Л. Капица и Д.В. Скобельцын предложили поместить камеру в магнитное ноле. На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, что приводит к искривлению трека. По форме трека и характеру его искривления можно вычислить импульс частицы и её масс у, а также определить знак заряда частоты.

Б) Пузырьковая камера Глезера (США) 1952 г.
Трек возникает в перегретой жидкости. В рабочем состоянии пузырьковая камера, как и камера Вильсона, оказывается в момент резкого скачка давления. Пузырьковые камеры также помещают в сильное магнитное поле, искривляющее траектории частиц.
Нейтральные частицы не оставляют треков, но тем не менее их тоже можно обнаружить с ПОМОЩЬЮ камеры Вильсона или пузырьковой камеры по вторичным эффектам. Так, если нейтральная частица распадается на две (или более) заряженные частицы, разлетающиеся в разные направления, то, исследуя треки вторичных частиц и определив их энергии и импульсы, можно по законам сохранения определить свойства первичной нейтральной частицы.
В) Метод толстостенных фотоэмульсий (1928 г., Мысовский и Жданов)
Он основан на использовании почернения зерен бромистого серебра, входящих в состав фотографичеекого слоя, под действием проходящих вблизи них заряженных частиц. После проявления фотоэмульсии в них можно наблюдать треки таких частим. Ядерные фотоэмульсии применяют в виде слоев толщиной от 0,5 до 1 мм. Это позволяет исследовать траектории частиц высоких энергий. Существенным преимуществом метода фотоэмульсии, по мимо простоты применения, является то, что с его помощью получают неисчезающий след частицы, который затем может быть тщательно изучен. Метод ядерных фотоэмульсий широко применяют при изучении свойств новых элементарных частиц и исследованиях космического излучения.
Метод счёта числа частиц. В качестве одного из первых и простейших приборов для регистрации частиц был использован экран, покрытый люминесцирующим составом. В той точке экрана, куда попадает частица с достаточно большой энергией, возникает вспышка – сцинтилляция.

А) Спинтарископ. Ещё в 1903 г. У. Крукс (англ.) обнаружил, что при попадании альфа-частиц на флуоресцирующие вещества они вызывают слабые световые вспышки — так называемые сцинтилляции. Каждая вспышка характеризовала действие одной частицы. Устройство простейшего прибора, предназначенного для регистрации отдельных альфа-частиц. Основными деталями спинтарископа являются экран, покрытый слоем сульфида цинка, и короткофокусная лупа. Альфа-радиоактивный препарат помещают на конце стержня примерно против середины экрана. При попадании альфа-частицы в кристалл сульфида цинка возникает вспышка света, которую можно зарегистрировать при наблюдении через лупу.
Процесс преобразования кинетической энергии быстрой заряженной частицы в энергию световой вспышки называется сцинтилляцией.
Б) Счётчики Гейгера- Мюллера (нем.) 1928 г.
Газоразрядные счётчики работают на принципе регистрации самостоятельного газового разряда, возникающего при полёте заряженной частицы через рабочий объём счётчика. В ОТЛИЧИе от ионизационной камеры, регистрирующей суммарную интенсивность пучка заряженных частиц, счётчик Гейгера Мюллера регистрирует каждую частицу отдельно. Каждая вспышка действует на фотокатод электронного умножителя и выбивает из него электроны. Последние, проходящие ряд каскадов умножителя, образуют на выходе импульс тока, который затем подается на вход усилителя и приводит в действие какой-либо счетчик. Интенсивность отдельных импульсов можно наблюдать на осциллографе. Определяют не только число частиц, но и распределение их по энергиям.
Ионизационная камера. Для измерения доз ионизирующих излучений применяются ионизационные камеры. Ионизационная камера представляет собой цилиндрический конденсатор, между электродами которого находится воздух или другой газ. С помощью источника постоянного напряжения между электродами камеры создаётся электрическое поле. В обычных условиях в воздухе свободных зарядов очень мало, поэтому измерительный прибор, включенный в цепь камеры, тока не обнаруживает. При облучении рабочего объёма ионизационной камеры ионизирующими излучениями происходит ионизация воздуха. Положительные и отрицательные ионы под действием электрического поля приходят в движение. Сила ионизационного тока в камере обычно составляет доли микроампера. Для измерения таких слабых ТОКОВ применяются специальные усилительные схемы.
С помощью ионизационных камер можно регистрировать любые виды ядерных излучений.

65. Открытие радиоактивности. Естественная радиоактивность. Виды радиоактивного излучения.

Радиоактивность есть результат процессов, протекающих внутри атомов вещества.
Самопроизвольный распад атомных ядер радиоактивных элементов, встре чающихся в естественных условиях, называется естественной радиоактивностью.

Виды: - лучи, полностью ионизированный атом гелия, проходя через вещество, тормозиться за счет ионизации и возбуждения атомов и молекул, а также диссоциации молекул, в электрическом и магнитном поле отклоняются слабо.

- лучи, поток электронов, чтобы задержать бета – излучение, нужен слой металла толщиной 3 см, в электрическом и магнитном поле отклоняются сильно.

- лучи, коротковолновые электромагнитные излучения, проникающая способность гораздо больше рентгеновского излучения, не отклоняются.

66. Радиоактивные превращения. Правила смещения. Период полураспада. Изотопы.

Понятие о превращении химических элементов. П ри распаде атомных ядер радиоактивного изотопа какого-либо элемента образуются ядра изотопов других элементов. Т.о., радиоактивный распад сопровождается превращением одного химического элемента в другой.
Известно, что химическая природа атомов определяется их ядрами. для того чтобы атом одного химического элемента превратился в атом другого элемента, должен измениться заряд ядра атома. Так, при испускании альфа - частицы; заряд ядра уменьшается на две единицы; при испускании бета - частицы заряд увеличивается на единицу. Подобные превращения можно выразить правилом смещения: при испускании альфа - частиц химический элемент перемещается в таблице Менделеева на два места влево, а при испускании бета - частиц - на одно место вправо.
Период полураспада. Если некоторое количество радона поместить в запаянную ампулу, то интенсивность его радиоактивного излучения со временем уменьшается. Различные радиоактивные элементы отличаются скоростью их распада.
Величина, характеризующая быстроту распада радиоактивного изотопа, называется периодом полураспада и обозначается буквой Т. Период полураспада измеряется временем, в течение которого число атомов радиоактивного изотопа уменьшается наполовину.
Период полураспада радия, например равен 1620 годам. Значит, если взять какое-то количество радия, например 1 г, то через 1620 лет от него останется половина (0,5 г), через 3240 лет четверть (0,25 г) и т.д. Период полураспада урана измеряется миллиардами лет, в то время как у радона он составляет 3,82 дня. Ядра некоторых радиоактивных элементов настолько неустойчивы, что их период полураспада измеряется микросекундами.
Активностью образца А называется число распадов атомных ядер, происходящих за 1 с.

Если заряды ядер атомов одинаковы, значит, эти атомы действительно принадлежат одному и тому же химическому элементу (несмотря на различия в их массах) и имеют один итот же порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева, Т.е. (. занимают в этой таблице одну и ту же клетку, одно и то же место. Отсюда и произошло название всех разновидностей одного химического элемента: изотопы.
Изотопы — это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер.