Thomsoni "rosinakukkel" ja Rutherfordi aatomimudel (12)

AATOMIFÜÜSIKA
Aatom on keemilise elemendi väikseim osake, mis on ergastamata olekus neutraalne . Aatom koosneb tuumast ja elektronkattest vastavalt läbimõõtudele 10 -15 ja 10 -10 m, massiga suurusjärgus 10 - 27 ...... 10 - 25 kg. Aatomi mass on koondunud 99,9 % ulatuses aatomi tuuma, tuuma tihedus on 10 17 kg / m 3 . Elektronid paiknevad aatomi tuuma ümber kihiliselt , seejuures välimises kihis olevate elektronide arv määrab ära aatomi keemilised omadused. Aatomi elektronkatte laeng moodustub elementaarlaengute kordustest . 1 e = -1,6 10 - 19 C . Aatomituum koosneb positiivsetest prootonitest ja neutraalsetest neutronitest . Elektronide arv ergastamata aatomis on võrdne prootonite arvuga , prootoni laeng võrdne elektroni laengu absoluutväärtusega. Prootonite arvu määrab Mendelejevi tabeli elemendi järjekorranumber , prootonite ja neutronite arvude summa - nukleonide arv võrdub M.tabeli massiarvuga X või X või ZXM. Väga suured jõud nukleonide vahel omavad " tugeva mõjujõu "olemuse .
Kui aatomi elektronkattes on elektrone rohkem või vähem kui selle aatomi tuumas prootone, muutub aatom elektriliselt laetud iooniks - He + või He - heeliumi puhul . H + on sümboliks prootonile , sest vesiniku positiivne ioon on vesiniku aatomi tuum.
m p = 1,672623 10 -27 kg
m n = 1,674929 10 -27
m e = 9,1 10 -31 kg.
Elektron avastati 1897 .a katoodkiirte kõrvalekaldumisest magnet- ja elektriväljas Joseph John Thomsoni poolt, esimese elektroni sisaldava aatomi mudeli pakkus välja Thomson ise. Selle oletuse kohaselt koosneks aatom võrdsel arvul olevatest elektronidest ja positiivsetest osakestest . Elektronide arv määraks aatomi massi.
Thomsoni " rosinakukkel " Rutherfordi aatomimudel
Thomsoni mudelist lähtuvalt anti üsna tõepärane ettekujutus aatomi mõõtmetele, kuid see ei võimaldanud seletada gaaside joonspektreid. Lihtsaima aatomi mudel, mida mõitetakse lähendina tegelikkusele, on nn. Rutherfordi mudel , mis tugines kuldlehe pommitamisel
- osakestega. Alfaosake on heeliumi aatomi tuum, koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist laenguga | 2e | , alfaosakese mass on 6,642669 10 -27 kg ( 4,00273 amü ). Püüdes seletada nende osakeste hajumist suurte nurkade all, lõi Rutherford teooria , milles esineb aatomi tuum. Selles mudelis oli vastuoluks nn."kiirgustõbi" : kui eeldada, et elektronid seisavad aatomis paigal, siis peaksid langema elektriliste jõudude mõjul positiivselt laetud tuuma või kui eeldada , et elektronid tiirlevad ümber tuuma piki kinniseid trajektoore ( planetaarne aatomimudel ), siis peaks iga kiirendusega liikuv laeng kiirgama elektromagnetlaineid, kaotades seejuures energiat ja langema seejärel tuuma, seega aatom ei oleks püsiv. Samamoodi ei seletatud joonspektreid.
Ernest Rutherford sümdis 30 . augustil 1871.a.Uus- Meremaal . Tema isa oli farmer ja rattameister, ema kooliõpetaja. Peres oli kokku 11 last. 1892.a. lõpetas E.R. Uus-Meremaal ülikooli bakalauruse kraadiga. Pärast ülikooli jätkas ta tööd sealsamas, tegeledes peamiselt magnetdetektorite konstrueerimisega ( ionisatsioonikamber, loendur vms. seade, mida kasutatakse alfa - või beetaosakeste, röntkenikiirguse või gammakiirguse, neutronite, prootonite registreerimiseks. Detektoritega määratakse kiirguse komponendid ja osakeste energiaspekter, mõõdetakse kiirguse intensiivsust, uuritakse kiirete osakeste ja aatomi tuumade vahelist mõju, ebastabiilsete osakeste lagunemist) . 1894.a. omistati Rutherfordile magistrikraad. 1895 .a.sai ta maailmanäituse stipendiumi, mis võimaldas tal sõita Inglismaale , kus asus tööle Cambridge ´i ülikooli Cavendishi laboratooriumis, mida juhtis tol ajal J.J.Thomson. Seal alustas ta ka radioaktiivsuse uurimist ning avastas
- ja
- kiirguse . 1898 .a.siirdus E.Rutherford Montreali , kus temast sai Mc Hilli ülikooli professor , Kanadas jätkas ta radioaktiivsuse uurimist, lõi aatomite radioaktiivse lagunemise teooria ning hakkas uurima
- osakese hajumist aines. 1903.a.valiti ta Londoni Kuningliku Seltsi liikmeks. 1907.a. pöördus ta tagasi Inglismaale, kus temast sai Manchesteri ülikooli professor ning kus ta koos H . Geigeriga konstrueeris esimese gaaslahendusloenduri kiirguse registreerimiseks. 1908.a. omisteti E.R .- le Nobeli preemia keemiliste elementide radioaktiivse lagunemise ja nende keemiliste omaduste uurimise eest. 1919.a.sai temast Cambridge ülikooli professor ning kuulsa Cavendishi laboratooriumi direktor . Tema käe all kujunes välja terve füüsikute koolkond - N. Bohr , H.Geiger, E.Mardsen, P.Kapitsa jt. Cavendishi perioodil teostas ta esimese tehistuumareaktsiooni, muutes lammastiku hapnikuks, avastas prootoni, ennustas neutroni ja deutron 1 H 2 olemasolu, tõestas eksperimentaalselt massi ja energia seose tuumareaktsioonides ( 1933 ) ning teostas deutronite sünteesiteaktsioo ,mille tulemusena tekkis triitium 3 H . " Kuulge, aga millal te siis mõtlete ? ". Abielus Mary Newtoniga, surm ootamatult 1937.a.
Lähtuvalt Rutherfordi aatomimudelist lõi 1913 .a. taanlane Niels Bohr teooria, mis seletas nii aatomi püsivuse kui ka neeldumis ,- kiirgusspektrid .Bohr jõudis lihtsa, kuid ootamatu ideeni : aatomis on kõikvõimalike elektroniteede hulgas teatud hulk orbiite , millel liikudes aatomi energeetiline olek ei muutu. See teooria tugineb tõestuseta aksepteeritavatel väidetel - postullaatidel :
Aatom võib olla vaid kindlates ( statsionaarsetes ) olekutes, millest igaühele vastab energia E n . Statsionaarses olekus aatom ei kiirga ega neela.
Aatomi üleminekul statsionaarsest olekust energiaga E k olekusse energiaga E m kiiratakse või neelatakse energiakvant hf, mis võrdub nende olekute energiate vahega
hf = | E k - E m | = E n .
Kui elektroni algolek on suurem kui elektroni lõppolek , s.t. E k > E m , siis aatom kiirgab, vastupidiselt aatom neelab kvandi .
Bohri postulaadid:
1.       statsionaarsete olekute postulaat – aatom võib viibida püsivalt vaid erilistes statsionaarsetes olekutes, millele vastavad aatomi koguenergia teatud diskreetsed väärtused En. Statsionaarses olekus aatom ei kiirga. Väikseimat võimalikku energiat olekut nm aatomi põhiolekuks, kõiki teisi olekuid ergastatud olekusteks.
2.       lubatud orbiitide postulaat – aatomi statsionaarsetele olekutele vastab elektronide tiirlemine kindlatel orbiitidel , mille impulsimomendi absoluutväärtus on Plancki konstandi täisarvkordne.
3.       kiirguse postulaat – aatomi üleminekul statsionaarsest olekust energiaga Em olekusse energiaga En kiiratakse või neelatakse energiakvant hf, mis võrdub nende olekute vahega.
Niels Hendrik David Bohr s. 7.oktoobril 1885.a. Kopenhaagenis füsioloogiaprofessori peres. Üliõpilasena sai ta 1907.a. Taani Kuningliku Akadeemia kuldmedali vedelike pindpinevise eksperimentaalse uurimise eest, 1911.a. doktoritöö metallide elektronteooriast ( I = e n S v ! ). 1912.a.Manchesteri Rutherfordi juurde, kus seletus aatomi kvantiseerimise kohta. 1921.a. loodi Kopenhaagenis teoreetilise füüsika instituut, kus kujunes välja taani füüsikute koolkond, milles töötasid N.B. assistentidena W.Pauli, W. Heisenberg jt. ning stazeerisid E.Schödingen, L.Landau jt. 1922 Nobeli preemia teenete eest aatomi ehituse uurimisel . Temalt tuumafüüsikas vahetuuma teooria, vastavusprintsiip, täiendusprintsiip, tuuma tilgamudel, tuumade lõhestumise teooria.Tema vend Harald , kes oli hea lektor , seletas : " Mina püüan seletada ettekandes seda, millest ma ka varem olen rääkinud, Nils aga seletab alati seda, millest ta hakkab alles hiljem rääkima " . Bohri tagasihodlikkust iseloomustab väljend mõne lootusetult halva tõõ üle sõnstuses " Ma ei kavatse kritiseerida, kuid ma ei suuda mõita, kuidas inimene võib kirjutada sellist jama ". Bohr oli valitud 20 riigi teaduste akadeemia liikmeks. Ta osales ka Los Alamose aatomiprojektis, mille tulemusena valmis esimene aatomipomm .Mõistes esimesena võimalikku tuumsantaazi, esitas ta juba enne tuumapommi valmimist 1944.a. Suurbritannia peaministrile Churchillile ja USA presidendile Rooseveldile ettepaneku seada sisse rahvusvaheline kontroll tuumarelva üle. Tema viiest pojast - Aage Bohrit sai füüsikune Nobeli preemia. Suri 1962.a.
Kuid paraku ka Bohri teooria põhjal ei õnnestunud ennustada keerulisemate aatomite spektreid, samuti seda, miks mõni spektrijoon on lõhenenud kaheks kõrvutiasetsevaks jooneks või seda, miks mõni joon on laiem kui teised.
1924.a. esitas prantslane Louis de Broglie hüpoteesi, mille kohaselt peaksid kõigil osakestel olema ka lainelised omadused nagu footonitelgi . Seletus, miks on elektroni liikumisel ühed orbiidid lubatud, teised keelatud , tuleneb laineomaduste ja korpuskulaarsete omaduse vahelisest seosest .
E = m c 2 = h f
h
= m c 2
.
Kui elektroni liikumise kiirust aatomis tähistada v - ga, siis
B =
,
milles B
De Broglie lainepikkus ja p = m v on elektroni impulss .
Kui elektroni liikumine ümber tuuma on seotud lainetega, siis ei tohiks muutuda täistiiru jooksul laineharjade kokkusobimine , s.t. lained peaksid olema faasis - kujult seisulained . Seega elektron peab liikuma orbiitidel, milledele mahub täisarv De Broglie lainepikkusi :
2
r = n B , milles n on täisarv.
n = 1 n = 2 n = 3
Viimasest valemist saab arvutada lubatud orbiitide raadiused Bohri aatomimudelis
r =
= n
, milles m - elektroni mass ,
v - elektroni kiirus ,
rn - lubatud orbiidi raadius
n - täisarv
Siit järeldub
kaks lubatud orbiiti peavad teineteisest erinema vähemalt ühe D. B. lainepikkuse võrra,
elektron ei saa sujuvalt üle minna ühelt lubatud orbiidilt teisele, ta on sunnitud "hüppama ", et mitte rikkuda seost n = 2
r ,
aatomite energiatasemete hüppelisus on tingitud elektroni laineomadustest.
Kahe aasta pärast arendasid Werner Heisenberg ja Erwin Schrödingen teineteiest sõltumatult välja mikroosakeste mehaanika, mis võttis arvesse ka osakeste laineomadused, ühendades aineosakeste ja lainete dualismi üheks - kvantmehaanikaks .
Heisenbergi ebatäpsausrelatsioon :
Saab arvutada vaid elektroni esinemise tõenäosust teatud hetkel mingis ruumiosas, s.t.elektroni liikumisel aatomis pole mõtet rüükida trajektoorist, sest liikumise koordinati ja kiirust ei ole võimalik samaaegselt määrata piisava täpsusega.
Schrödingeri psii-lained on osakeste tõenäosuslained, mis isaeloomustavad osakeste leiutõenäosust antud hetkel mingis ruumiosas.
Kaasaegse aatomimudeli juures oletatakse, et elektronid ei liigu ümber tuuma kindlatel üheselt määratud orbiitidel, vaid moodustavad "elektronpilve", millest teatud tõenäosusega võib leida orbiidi lähedalt lainelises liikumises tiirlevat elektroni. Ühelgi ajahetkel ei ole võimalik üksikelektroni asendit kihis määrata, kuid iga kiht koosneb orbitaalidest ehk tõenäosuspivedest, kus tõenäoliselt leidub igal ajahetkel üks või kaks elektroni .
Elektroni võimalikke orbiite ja seega ka aatomi olekuid võib tuumast alates loetleda täisarvudega n = 1, 2, 3, ... Vastavat numbrit n nimetatakse orbiidi peakvantarvuks , mis määrab elektroni ja koos sellega ka aatomi energia ning elektroni orbiidi raadiuse.
Kui elektron siirdub ( langeb ) "kõrgemalt", s.o. suurema peakvantarvuga orbiidilt "madalamale ", siis kiirgub kvant . Aatomi ergastamine ehk üleminek suurema energiaga olekusse võib toimuda vastava energiagakvandi neelamisel aga ka muul viisil energiat saades ( elektriväli, temperatuur ).
Aatomid kiirgavad ja neelavad valgust ainult kindlatel lainepikkustel, igale keemilisele elemendile vastab iseloomulik lainepikkuste seeria . Kvantide energia on üheselt määratud energianivoode vahega.
Peakvantarvule n = 1 vastab elektroni madalaim, tuumale lähim orbiit ja aatomi põhiolek, kus aatomi energia on minimaalne, seega aatomi põhiolek on väikseima võimaliku energiaga olek. Seda väidet nimetatakse energia miinimumprintsiibiks. Energiat, mis vastab aatomi statsionaarsele olekule, nimetatakse energiatasemeks. Aatomi kõiki teisi olekuid nimetatakse ergastatud olekuteks, milledele vastavad peakvantarvud n = 2, 3, 4... Need olekud on ebapüsivad, lubatud ergastatud olekust suundub elektron põhiolekusse, kiirates energiat.
Vastavalt kokkuleppele kujutatakse energiatasemeid horisontaalsirgetena nii, et süsteemi "elektron - tuum" vastastikmõju potensiaalne energia on null siis, kui elektron on tuuma mõjupiirkonnast väljas. Sel juhul on aatom ioniseeritud.Tuumale lähenemisel aatomi potensiaalne energia arvuliselt väheneb nullist negatiivsuse suunas valemi
E n = - kaudu, kus E o on energia, millele vastab n = 1 ja E n mistahes teistele statsionaarsetele olekutele vastab n = 2, 3, 4... energiaväärtus
Kesktõmbe- ehk tsentripetaaljõuks F, mis hoiab elektroni tuuma ümber tiirlemas, on elektrijõud tuuma ja elektroni vahel Coulombi seaduse järgi
F =
, kus e - elementaarlaeng ja k = 1 / 4, milles
elektriline konstant k = 9
10 9
Kesktõmbekiirendus a = . Rakendades Newtoni 2. seadust F = m a , saame F =
= ,
kust saab leida orbiitidele raadiusega rn vastavad energiatasemed E n
E n = -
J = - eV
Vesininikuaatomi ionisatsioonienergia on 13,6 eV, järelikult E o = +13,6 eV.
Kui n = 1 , siis energiataseme arvuline väärtus E o = -13,6 eV ,
n = 2 , siis E 1 = - 3,39 eV ,
n = 3 , siis E 2 = - 1,51 eV .
n = 4 , siis E 3 = - 0,85 eV
n = 5, siis E 4 = - 0,54 eV
............ ...................
n =
0
n = 5 - 0,54
n = 4 - 0,85
n = 3 - 1,51
n = 2 - 3,39 E1
n = 1 - 13,6 E o
Peakvantarvu väärtuseks võib olla suvaline täisarv alates 1 kuni .Vesinikuaatomi koguenergia on määratud vaid peakvantarvudega.
Orbitaalkvantarv l iseloomustab elektroni liikumishulga momendi absoluutväärtust. Kvantarv l määrab kindlaks, millised võimalikud orbiidid on stabiilsed. Orbitaalkvantarv võib omandada täisarvulisi väärtusi 0, 1, 2, ..., n -1.Nii näiteks võib olla põhiolekus ainult 0, samal ajal kui n = 3 korral võib l väärtuseks olla kas 0, 1 või 2.
Liikumishulga momendi vektori võimalikku suunda iseloomustab magnetkvantarv m l , mis võib omandada täisarvulisi väärtusi : m l = 0,
1,
2, ...
( l - 1 ),
l. Näiteks kui l = 2, siis m l võib olla - 2, - 1, 0, +1 või +2.
Spinnkvantarv m s iseloomustab elektroni omaimpulssmomenti, selle väärtuseks võib olla
. Iga võimalikku elektroni kvantolekut aatomis kirjeldab kindel kvantarvude nelik n, l, m l , m s.
Pauli keeluprintsiip :
aatomis ei saa olla mitut elektroni, mille olek on määratud nelja kvantarvu
ühesuguse kombinatsiooniga ,
ei saa ühes ja samas aatomis olla kaht elektroni ühesuguses kvantolekus.
Elektronkihi moodustavad elektronid, milledel on ühesugune n väärtus.Elektronkihte tähistatakse : K, L, M, N, O, P, Q jne. Kihis oleva elektronide arvu määrab valem 2 n 2, elektronide arvu alakihis valem 2 ( 2 l + 1 ).
Peakvantarv n 1 2 3 4 5
Elektronkihi
tähis K L M N O
Suurim elektronide
erv kihis 2 8 18 32 50
Orbitaalkvantarv l 0 1 2 3 4
Alakihi tähis s p d f g
Peakvantarvule vas-
tavad alakihid 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f
Alakihi orbitaalide
arv 1 1 3 1 3 5 1 3 5 7
Suurim elektronide
arv alakihis 2 2 6 2 6 10 2 6 10 14
Erinevate elektronkihtide ja alakihtide täitumine toimub vastavuses Pauli keeluprintsiibiga ja energia miinimumi printsiibiga.
Mõnede elementide elektronkonfiguratsioon
Spekter näitab valguse intensiivsuse jaotust lainepikkuste või sageduste järgi. Spektred saadakse ja uuritakse spektraalaparaatidega.
Spektroskoop , spektromeeter.
Pidevspektris läheb üks värvus sujuvalt üle teiseks värvuseks , mis tähendab , et em.kiirguse sagedus muutub pidevalt . Pidevspektri tekitavad kõrge temperatuurini kuumutatud vedelikud ja tahkised ning suure tihedusega gaasid . Elektronide energia kuumutatud vedelikes ja gaasides muutub nii väikeste kogustena , et saab võimalikuks kõikvõimalike sagedustega footonite kiirgumine ja neeldumine .Pidevspektri kuju oleneb aine temperatuutist .
Värvuste intensiivsus on võrdeline hõõgumistemperatuuriga. Inimsilma valgustundlikkus oleneb valguse lainepikkusest - kõige tugevama aistingu annab roheline valgus .
Joonspektrid võivad olla kas kiirgusspektrid , mis kujutavad endist üksikuid värvilisi
jooni tumedal taustal või
neeldumisspektrid , mis koosnevad üksikutest tumedatest joontest pideva spektri taustal .
Joonspektri tekitavad ergastatud olekus olevad atomaarsed gaasid ja aurud , seetõttu nimetatakse neid ka aatomispektriteks. Ergastamiseks kuumutatakse gaasi või paigutatakse see gaaslahendustorusse , kus tekitatakse kõrgepingeline elektriväli.
Kiirgusspektri vaatlemiseks peab spektromeetrisse suunama vaid gaasist lähtuva kiirguse. Eredad värvilised eri paiknemisega ja eri intensiivsusega jooned tähendavad seda , et aine kiirgab ainult täiesti kindla lainepikkusega valgust , mis on omane ainult sellele ainele. Sama gaasi neeldumisspektri vaatlemiseks peab läbi selle gaasi juhtime pidevspektriga kiirguse (valge valguse). Siis nähakse pidevspektri taustal tumedaid jooni , mis asuvad täpselt samades kohtades , kus selle gaasi kiirgusspektri joonedki. Gaas neelab kõige intensiivsemalt just sellise lainepikkusega valgust , mida ta ise on võimeline kiirgama.
Kirchoffi reegel : neeldumisspektri joonte lainepikkused võrduvad sama aine kiirgusspektri joonte lainepikkustega.
Iga keemilise elemendi aatomispektri kiirgus - ja neeldumisjoonte kogumis on kordumatu ja üheselt spektraalpasside abil määratav
Kui on eelnevalt teada , et teatud elemendi spekter koosneb spektrijoontest lainepikkustega 1,2, 3 ... , siis leides täpselt samad lainepikkused mingi teadmatu aine spektris , võib teha järelduse selle elemendi olemasolust selles uuritavas aines. Sellist ainete elementaarkoostise kindlaksmääramise meetodit nimetatakse spektraalanalüüsiks .
Spektroskoopia ja spektraalanalüüsi abil avastati heeliumi olemasolu Päikese spektris mitte tuntud spektraaljoonte olemasolu põhjal , vaid tundmatute spektraaljoonte järgi , mis ei vastanud ühelegi senituntud elemendile.
Pandi tähele , et spektrijooned ei asu korrapäratult , vaid need koonduvad teatud rühmadesse - seeriatesse. Täppisanalüüs näitab et kõiki seeriajadasid kirjeldab valem
= R (
+ ) , kus n 1 ja n 2 on täisarvud tabelist ja R = 1,0974
10 7
( Rydbergi konstant )
=
, kus
= 3,647 10 -7 m ja n täisarv , mille väärtuseks 3, 4, 5 jne.
Seeria nimi avastaja järgi n1 n 2 Spektri piirkond
ja avastamisaasta
Lymani seeria 1906 1 2,3,4....... Ultravalgus ( 91,2 - 121,6 nm )
Balmeri seeria 1885 2 3,4,5...... Nähtav valgus ( 364,7 - 656.5 )
Pascheni seeria 1908 3 4,5,6..... Infravalgus ( 820,1 - 1875,6 nm
Bracketti seeria 1922 4 5,6,7..... Infravalgus
Pfundi seeria 1924 5 6,7,8,.... Infravalgus
Nähtava valguse osas Balmeri seerias n 1 = 2 ja n 2 = 3,4,5... Võttes arvesse , et f =
, saame f = R ( - ) kus R = 3,288
10 - 15 [ s - 1 = Hz ]
Balmeri seeria kiirgusjooned lainepikkuse mikromeetrites 0,656
0,486
0,434
0,410
0,397
0,389
0,365
Ülesanded:
Karu 1.3.4. Kui suur on vesinikuaatomi pöhiolekule vastava lubatud orbiidi raadius, kui elektron liigub sellel kiirusega 2,3 10 6 m / s.
v = 2,3 10 6 m s - 1 2r = n
1.3.6. Kui suur on kiirusega 10 m / s liikuva tolmukübemekese de Broglie´ lainepikkus, kui selle mass on 10 - 10 g ?
1.5.1. Arvutada spektrijoonta energiatasemete vahe Balmeri spektriaalseerias, mis vastab üleminekule energiatasemelt kvantarvuga 40 kvanttasemele n = 41.
1.5.4.Arvutada Bohri postullaadi järgi vesiniku spektrijoone lainepikkus, mis vastab üleminekule olekust E 3 olekusse E 2. Milline lainepikkus ja sagedus vastab sellele üleminekule ?
15.1. Arvutada elektroni ja prootoni vahel möjuv elektrostaatiline külgetõmbejõud, kui ekektron tiirleb prootonist kaugusel 5 10 - 11 m.
15.2. Missuguse kiirendusega liigub elektron heeliumiioonis ( He + ) ringorbiidil ümber tuuma
15.7. Mitu eri energiaga kvanti võib kiirata vesiniku aatom, kui tema elektron asub kolmandal energiatasemel. Arvutada kiirguste sagedused ja lainepikkused.
15.8. Vesiniku aatomi ioniseerimiseks vajalik energia on 2,18 * 10 - 18 J. Arvutada ionisatsiooni põhjustava kiirguse minimaalne sagedus.
15. 10. Kui elektron põrkus elevhõbeda aatomiga, suurenes viimase energia 7,8 * 10 - 19 J võrra. Missuguse sageduse ja lainepikkusega elektromagnetlainet kiirgab aatom üleminekul põhiolekusse ?
MÕISTED AATOMIFÜÜSIKAST
Aatomi planetaarmudel . Aatom koosneb positiivselt laetud tuumast, millesse on koondunud peaaegu kogu aatomi mass, ja tuuma elektrostaatilises väljas tiirlevatest elektronidest. Tuumalaeng q on absoluutväärtuselt võrdne tuuma ümber tiirlevate elektronide kogulaenguga, q = Z e .
Bohri aatomimudel. Aatom on statsionaarses olekus (ei kiirga), kui elektron liigub tuuma elektriväljas mingil lubatud orbiidil. Aatomi üleminekul ühest statsionaarsrst olekust teise kiiratakse või neelatakse energiakvant hf. Energia kiirgamine või neeldumine toimub ainult kvantide kaupa.
Kaasaegne aatomimudel. Tuuma ümber liikuvad elektronid moodustavad elektronpilve, mille erinevates osades on elektroni leiutõenäosus erinev. Elektronpilve piire , järelikult ka aatomi mõõtmeid ei võimalik täpselt määrata. Mitmeelektroniliste aatomite elektronkate on kihiline. Erinevate elektronkihtide ja alakihtide täitumine toimub vastavuses Pauli keeluprintsiibile ja energia miinimumi printsiibile.
Pauli keeluprintsiip. Aatomis ei saa olla mitut elektroni, mille olek oleks määratud nelja kvantarvu ühesuguse kombinisatsiooniga.
Energia miinimumprintsiip. Aatomi põhiolek on väikseima võimaliku energiaga olek.
Aatomi ergastatud olek on olek, mille energia on suurem kui aatomi energia põhiolekus.
Energiatase on aatomi statsionaarsele olekule vastav energia.
De Broglie lainepikkus n
= 2
r , millest
ja lubatud orbiidi raadius r =
= n
. Kui E k > E m , siis aatom kiirgab energiakvandi . Mudel on lähend tegelikkusele.
Peakvantarv n määrab elektroni ja koos sellega aatomi erergia ning elektroni orbiidi raadiuse, orbitaalkvantarv l iseloomustab elektroni liikumishulga momenti, magnetkkantarv m l iseloomustab liikumishulga momendi suunda, spinnkvantarv m s on elektroni omaimpulssmoment.
Aatomifüüsika energiaühik 1 eV on võrdne tööga, mis tehakse elektroni ümberpaigutamisel elektrivälja ühest punktist teise, kui nende punktide potensiaalide vahe on 1 V.
Tahkestite struktuur . metallid , pooljuhid ja dielektrikud
Kristallid on tahkete ainete levinuim olelusvorm. Kristallides on aatomid / ioonid paigutatud korrastatud kristallvõredesse, milledes osutub nende kogumie potensiaalne energia minimaalseks. Lisandid mõjustavad oluliselt tahkestite elektrilisi, optilisi omadusi. Seepärast kuulub lisandamine ehk legeerimine elektrotehnilise materjali valmistamistehnoloogiasse. Nii näiteks piisab 10 -2 ...10 - 6 % lisandihulgast aine omaduste tunduvaks teisendamiseks. Kuna kristallis on aatomid tihedalt koos, mõjustavad nad üksteist tugevasti ja elektronkatte sisekihtide elektronide energiatasemed jäävad kristallides peaaegu muutumatuteks, kuid väliselektronide tasemed paisutab aatomite vastastikune elektriline elektriline vastasmõju laiadeks, mitme elektronvoldi laiusteks energiavöötmeteks ehk energiatsoonideks.
E m
Energiatasemed üksikaatomis
Energiatsoonid kristallis
E k
Elektronid saavad vastu võtta välist energiat ainult siirete kaudu vabadele kõrgematele tsooni asustamatele alatasemetele. Elektroni laineomaduste tõttu ei saa nad omada energiat täidetud ja tühja tsooni vahel, seepärast nimetatakse vahemikku keelutsooniks. Energia suurenemisel suurenevad lubatud energiatsoonide laiused ja vähenevad neid eraldavate keelutsoonide laiused.
Metallides valentstsoon piirneb juhtivustsooniga ( ühtaegu mõlemad tsoonid ). Selles on külluses elektrone, mispärast metallid on suurepärased elektrijuhid.
Energiatsoonid metallides, pooljuhtides ja dielektrikutes :
E
juhtivustsoon
JUHTIVUSTSOON KEELUTSOON
VALENTSTSOON Valentstsoon
Metallidest elektrijuhtide eritakistused on piirides 10 - 6 ...10 - 8 m, isolaatoritel 10 13 ... 10 20 m. Nende materjalide juhtivuste vahepeal on pooljuhid, millede keelutsooni laius on kitsam kui isolaatoritel. Mida kitsam on keelutsoon, seda kergemini võivad valentselektronid üle minna juhtivustsooni.
Pooljuhtide keelutsoon on suhteliselt kitsas (
1,5 eV ) , mis on aga suuresti muutuv temperatuurist, mille tulemusena muutub materjalis voolukandjate arv. Absoluutse nulli juures pooljuhis vabu elektrone ei ole. Pooljuhtidena kasutatakse germaaniumi ja räni, milledel n
10 22 m -3 ( legeeritult ), eritakistused 10 -6...10 8 ja keelutsoonid E Ge
= 0,75 ja
E Si = 1,112 eV. Pooljuhtides aatomitevahelised paarissidemed ei ole enam täielikud, kui elektron on läinud valentstsoonist juhtivustsooni, seepärast tekib selles aatomis elektriline nivoo puudujääk, nn. "auk ", mille tulemusena aatom muutub positiivseks iooniks. Seega on auk samaväärne positiivse laenguga. Elektronid täidavad selle " augu " elektrivälja mõjul, samas jääb mujal vabaks elektroni koht - uus "auk". Toimub suhteline "aukude" liikumine. Niisugust juhtivust nimetatakse p - juhtivuseks ( positiivne laeng ).

• Ge ja Si on neljavalentsed elemendid. Kui neid legeerida kolmevalentsete galliumi või indiumiga, siis üks paariselektroonsetest sidemetest jääb põhiaine ja lisandi aatomite vahel puudulikuks ( temas ei jätku ühte elektroni ) ja tekib "auk". Sellepärast on legeeritud pooljuhil lisandisteuktuurist tingituna "aukude" ülekaal. Seda lisandit, mis tekitab p - juhtivuse, nimetatakse akseptoriks. E = 0,08 eV.
  

• Kui pooljuhti legeerida viievalentse elemendiga ( As, Sb, P ), tekib sidemetes elektronide ülejääk - n - juhtivus . E = 0,05 eV.
  

• Kui moodustada nimetatud juhtivusmaterjalidest kahekihiline kontakt, saadakse tõkkekiht, mida nimetatakse p - n siirdeks.
  

POOLJUHTELEKTROONIKA. DIOOD, TRANSISTOR , KIIP.
VALGUSE KIIRGUMINE. LASER .
LUMINESSENTS
Et aatom hakkaks kiirgama , tuleb talle anda teatud hulk energiat. Kiirates annab aatom saadud energia ära. Aine pidevaks tasakaalustatud helendamiseks on vaja energiat anda väljastpoolt pidevalt juurde.
Luminestsentsiks nimetatakse mittetasakaalustatud valguskiirgust, kus kehad mingi välisteguri toimel emiteerivad ja kus kiirgus jätkub peale mõjuteguri kadu . See kestvus on palju suurem valguse lainesagedusele vastavast ajast. Luminessents ilmneb aine aatomite siirdumisel suurema energiaga ergastatud olekust väiksema energiaga olekusse. Hääbumisaja kaudu jagatakse luminessents tinglikult fluoressentsiks ja fosforessentsiks. Viimasel on hääbumisaeg pikem.
Sünteetilisi tahkeid aineid , mis ergastatuna on võimelised eredalt luminesseeruma , nimetatakse luminofoorideks. Ergastamisviisi poolest eristatakse :
1.Ioonluminessents ( ergastaja ioonivoog ),
2.Katoodluminessents - elektronide voog ,
3.radioluminessents - rad.kiirgus ,
4.röntkenoluminessents - X - kiired,
5.triboluminessents - ergastatud kristallide hõõrdumine ,
6.fotoluminessents - nähtav valgus või ultravalgus ,
7.kemoluminessents - keemilistelreaktsioonidel vabanev energia ,
8.elektroluminessents -elektrivälja energia.
Luminessentsi kasutatakse molekulide struktuuride ja omaduste uurimisel, keemilises analüüsis, elektroonikaseadmetes, luminofoorlampides j n e .
15