Краткий конспект подготовки к ЗНО по физике №37 "Строение атома. Элементы теории относительности"

Конспект 37. Строение атома. Элементы теории относительности.
Тема: Строение атома и атомного ядра, СТО

1. Строение атома

История выдвижения гипотез о строении атома:
1) Древнегреческий философ Демокрит предполагал, что вещество состоит из атомов. Атом в переводе с древнегреческого – «неделимый»;
2) Д.Томсон в 1904 г. предлагает, т.н. «пудинговую модель атома» или «модель кекса». В ней атом представляет собой цельную субстанцию с положительным зарядом, которая распределена по всему объему атома, а в ней находятся вкрапления электронов подобно изюму в кексе;

3) Э. Резерфорд в 1911 г. публикует статью, в которой предлагает свою «планетарную модель атома», которая максимально близка к современным представлениям об атоме.
Идея опыта Резерфорда по исследованию строения атома заключалась в рассеивании α-частиц (ядер атомов гелия ) при прохождении тонких слоев вещества (золотая фольга).
Опыты заключались в подсчете вспышек на люминесцентном экране, вызванных ударом α-частиц. Поток частиц направлялся на тонкую золотую фольгу, окруженную люминесцентным экраном, после прохождения фольги на экране с помощью микроскопа наблюдали вспышки. В результате бомбардировки α-частицами золотой фольги большинство частиц отклонялось на небольшой угол, а очень малая часть отражалась назад.

Схема опыта Резерфорда	Отклонение α-частиц в атоме

Основные результаты опытов Резерфорда:
1) Положительный заряд атома сконцентрирован в небольшом тяжелом ядре;
2) На большом расстоянии от ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

Замечание. В нейтральном атоме суммарный заряд электронов равен по модулю, но противоположен по знаку заряду ядра (количество электронов равно количеству протонов).
Замечание. С точки зрения классической электродинамики атом по модели Резерфорда не мог бы долго существовать из-за излучения ЭМВ электронами. Выход из противоречия этой модели законам электродинамики был найден в 1913 г. Н. Бором.
Постулаты Бора:
1) Постулат стационарных состояний – в атоме существуют определенные стационарные состояния, при которых он не излучает энергии, этим состояниям соответствуют стационарные орбиты вращения электронов, на которых они не излучают ЭМВ. Каждая орбита характеризуется определенной энергией;
2) Правило частот – при переходе электрона с одной орбиты на другую поглощается/излучается фотон с энергией, которая равна разности энергий на орбитах.
 – энергия поглощенного/излученного фотона, Дж
Где  – энергии электрона на орбитах, между которыми совершался переход, Дж
Замечание. При поглощении фотона происходит переход электрона на более высокую орбиту, при излучении – на более низкую.

Замечание. В связи с тем, что атомы различных веществ способны излучать/поглощать определенный уникальный для них набор частот ЭМИ (спектры), стали выделять несколько видов таких спектров.
Типы спектров:
1) Сплошной спектр состоит из набора всех длин волн, излучается при нагревании жидких и твердых тел, а также сильно сжатых газов (как Солнце).

2) Линейчатый спектр состоит из набора отдельных спектральных линий и возникает при нагревании атомарных газов.

3) Полосатый спектр состоит из полос плотно расположенных спектральных линий, полосы отделены темными участками, излучается молекулярными газами.

Пример практического использования: спектральный анализ – метод идентификации веществ по спектрам.

2. Элементы специальной теории относительности (СТО)

Постулаты теории относительности Эйнштейна:
1) Все процессы природы протекают во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) одинаково;
2) Скорость света в вакууме  является абсолютной величиной, т.е. одинакова в любой ИСО и не зависит от скорости движения источника.
Замечание. Явления, которые имеют место при скоростях движения, близких к скорости света, принято назвать релятивистскими.
 – релятивистский закон сложения скоростей, м/с
Где  – скорости двигающихся относительно друг друга тел, м/с
Замечание. Достигнуть и превысить скорость света в вакууме невозможно, единственная частица, которая ее достигает, это фотон.
Релятивистские эффекты:
 – увеличение массы, кг
 – сокращение длины объекта, м
 – замедление времени, с
Где  – масса покоя, собственная длина, собственное время в ИСО, принятой за неподвижную, а  – относительные величины в движущейся ИСО.
Замечание. Согласно СТО между массой и энергией существует связь и возможность взаимопревращения.
 – энергия покоя, Дж
 – полная релятивистская энергия, Дж
 – связь полной релятивистской энергии с энергией покоя, Дж
Где  – кинетическая энергия тела, Дж
Замечание.  нельзя выражать по формуле классической механики.
 – изменение энергии тела, Дж