ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18980
Скачиваний: 11
мовлений обертанням електрона навколо своєї осі. Проте
дослідні дані свід-
чать про те, ідо уявлення про електрон як обертову кульку
не зовсім точне.
Сніп треба вважати внутрішньою властивістю, притаманною
електрону, подібно
до того як притаманні йому заряд і маса.
Квантові розрахунки показують, що електрон може мати спінове кван-
тове число або 5 = 1/2, або 5 = - 1 / 2, інших значень бути не може.
Отже, стан електрона в
атомі характеризується чотирма кванто-
вими
числами:
п, /, т,
5.
§ 237. Принцип Паулі.
Періодична система елементів Менделєєва
Швейцарський фізик В. Паулі встановив один з основних за-
конів квантової механіки:
у тому самому атомі не може бути двох електронів, які мають од-
наковий набір чотирьох
квантових
чисел:
Інакше кажучи,
в
одному
і
тому самому стані не можуть бути одночасно два елект-
рони.
Цей закон назвали
принципом Паулі
. З нього випливає, що загальна кіль-
кість електронних станів в атомі, які відрізняються хоча б одним з кван-
тових чисел при даному головному квантовому числі
п,
дорівнює 2л
2
.
Електрони, які займають сукупність станів з однаковим значенням
го-
ловного квантового числа
п,
утворюють електронну оболонку. Розрізняють
такі оболонки:
Оболонка
п
Оболонка
п
К
1
М
3
ь
2
N
4
У кожній оболонці атома електрони розподіляються по підоболонках,
які відповідають певному значенню орбітального квантового числа /. За-
лежно від
І
електрон міститься в підоболонці із символами
з,р,
</,/і
т. д.
Розподіл електронів по підоболонках
Головне
квантове
число
п
Електронна
оболонка
Кількість електронів у станах
Максимальна
кількість
електронів
Головне
квантове
число
п
Електронна
оболонка
у
Р
( / « 1 )
ІІ
( / - 2)
/
(/ = 3)
Максимальна
кількість
електронів
1
К
2
-
-
2
2
1
2
6
-
-
8
3
м
2
6
10
-
18
4
N
2
6
10
14
32
565
Простежимо, як заповнюються оболон-
ки. В атомі водню один електрон, він пере-
буває в ^-оболонці ( я - і ) , у наступного
елемента - гелію - два електрони і обидва
вони в Х-оболонці. За принципом Паулі, на
А'-оболонці не може бути більше двох елек-
тронів (рис. 24,5,
а).
Отже, для гелію вона
вже заповнена. У атома літію три електрони,
два з них містяться на Я'-оболонці, третій -
на оболонці
Ь{п
= 2). На
£-
оболонці може
бути 2я
2
=8 електронів (рис. 24.5, б), запов-
нення І-оболонки закінчується неоном. Мір-
кування, для п=3, 4,..» можна продовжити.
Періодичність таблиці
Менделєєва
збігається з періодичністю
за-
повнення електронних оболонок.
Отже,
періодичність закладена в самій структурі атомів.
§ 238, Поняття про квантові генератори
Поява
квантових генераторів
- одне з найвидатніших досяг-
нень нової галузі науки - квантової електроніки.
Перші квантові генератори розробили М. Г. Басов і О. М. Прохоров
(СРСР) та Ч. Таунс (США), Оптичні квантові генератори, які називають
лазерами -
цілком новий тин джерел світла.
Збуджений атом може віддати енергію збудження, не випромінюю-
чись, а завдяки
спонтанним
і
вимушеним
переходам. Випромінювання
звичайних джерел світла спонтанне: воно некогерентне, складається
з
цугів хвиль різних частот, поляризацій і напрямів поширення. Принцип
лазерної техніки полягає у використанні вимушеного (індукованого) ко-
герентного випромінювання.
Під індукованим випромінюванням розуміють випромінювання збудже
них атомів, спричинене дією світла, яке падає на них
, У цьому разі перехід
збудженого атома на нижчий рівень супроводиться випромінюванням фо-
тона, який за характеристиками не відрізняється від індукуючого фотона.
Внаслідок такого вимушеного квантового переходу в речовині генератора
виникають уже два однакові фотони: один первинний ™ вимушений, другий
вторинний - випромінений. Оскільки речовина складається з безлічі ато-
мів, таких вторинних фотонів стає дедалі більше, світло підсилюється,.
566
Кількість вимушених переходів залежить від густини потоку падаю-
чих фотонів. Для утворення потужного індукованого випромінювання
необхідно, щоб у збудженому стані атоми могли перебувати досить дов-
гий час. Взаємодія електромагнітного випромінювання з речовиною су-
проводиться або його поглинанням, тобто зменшенням інтенсивності сві-
тла внаслідок проходження його через речовину (рис. 24.6,
а
), або його
підсиленням (рис. 24.6,
б).
Для того щоб речовина підсилювала прохідне
електромагнітне випромінювання, необхідно створити в ньому нерівио-
важний (інверсний) стан, тобто такий стан, в якому атомів, що перебува-
ють на збудженому рівні, більше, ніж на нижчих. Процес переведення
речовини в такий стан називають
оптичним накачуванням.
Розглянемо принцип дії оптичного квантового генератора ~
рубінового
іазера
, створеного в 1960 р. На рис. 24.7 подано схему рубінового лазера.
Рубін (активне середовище) - це кристал А1
2
0
3
, до складу якого входить
близько 0,05 % іонів Сг
3+
; іони хрому мають основне значення у лазерному
процесі. Світлове випромінювання лазера створюють іони хрому, які збуд-
жуються в газорозрядній трубці 2, спірально закрученій навколо рубіново-
го стрижня 7; її називають
лампою накачування.
Рубіновий стрижень лазера
являє собою циліндр, торці якого старанно відполіровані і покриті шаром
срібла так, що один торець повністю відбиває світло, а другий - частково
відбиває і частково пропускає його. Якщо лампа накачування спалахує, на
рубіновий стрижень надходять фотони різних частот. Атоми хрому, погли-
нувши частину фотонів певної енерг ії, переходять у збуджений стан. Завдяки
обмеженим спонтанним переходам у стрижні може виникнути вимушене
випромінювання, яке поширюється точно вздовж його осі і підсилюється від
(шаторазового відбивання від торцевих дзеркал, які виконують роль
об'ємного резонатора. Внаслідок цього виникає потужне монохроматичне
випромінювання - світловий імпульс, частина якого виходить через напів-
прозоре дзеркало. Тривалість такого імпульсу ~10~
3
с, Це пов'язано з тим,
що всі збуджені іони хрому за цей час переходять у незбуджений стан. Світ™
повий пучок лазера точно напрямлений і має малу розбіжність. Об'ємний
резонатор лазера призначений для створення позитивного зворотного зв'язку
і для формування геометричних параметрів вихідного променя лазера.
Рис. 24.6 Рис. 24.7
567
Не вся енергія, поглинута рубіновим стрижнем, перетворюється в ла-
зерне випромінювання. Частина її, досить значна (« 50 %), витрачається
на нагрівання стрижня, тому в конструкції лазера передбачено охоло-
дження 3. Швидкість повторення імпульсів лазера залежить від системи
охолодження рубінового кристала. При температурі стрижня порядку
1000
К
рубіновий лазер руйнується.
Лазерних матеріалів дуже багато. Це насамперед скло, в яке введено
іони неодиму, флюорит кальцію з іонами самарію тощо. Різні лазерні ма-
теріали дають світлове випромінювання різних довжин хвиль: рубіновий
лазер - 0,694 мкм, лазер на склі з неодимом - 1,06 мкм (інфрачервоне
випромінювання). У лазерах активним середовищем можуть бути гази
або їх суміші (Ие, Аг, Ке-Не тощо). У газових лазерах атоми активного
середовища часто збуджують високочастотним розрядом. Як правило,
випромінювання газових лазерів неперервне. Створено напівпровідникові,
хімічні, газодинамічні та інші лазери.
§ 239. Деякі застосування лазерів
Густина потужності лазерного пучка може досягти порядку
Ю
12
-10
1 6
Вт/см
2
. Цього досить, щоб, сфокусувавши його в зоні фокаль-
ної плями, за час 10"
8
с пропалити отвір у вольфрамовій фользі. Цю влас-
тивість лазерних пучків використовують у світлопрохменевих верстатах,
за допомогою яких "пробивають" отвори в годинникових камінцях з ру-
біну, алмазу, в тугоплавких сплавах і важкооброблюваних металах.
Лазери мають велике застосування в мікроелектроніці. За допомогою
лазерів зварюють різні з'єднання для мікросхем, напилюють напівпровід-
никові шари і т. д. Висока монохроматичність і напрямленість лазерного
випромінювання дають можливість використовувати його для вимірю-
вання відстаней. Наприклад, 17 листопада 1970 р. радянська автоматична
станція "Луна-17" доставила на поверхню Місяця пересувну лабораторію
"Луноход-1". На ньому було встановлено лазерний відбивач. За часом
проходження лазерного пучка, посланого з Землі і відбитого назад відби-
вачем лунохода, було точно виміряно відстань від Землі до Місяця.
За допомогою лазерів можна вимірювати не тільки астрономічні, а й
малі відстані. Один з найцікавіших приладів, створених для вимірювання
малих відстаней, - це лазерний інтерферометр. За його допомогою вимі-
ряно деформацію земної кори з похибкою 3-Ю"
9
м.
У медицині однією з галузей застосування оптичних квантових гене-
раторів є хірургія. Вихідний пучок світла використовують для зашивання,
стерилізації і припікання ділянок живих тканин. Проведено успішні екс-
568
перименти із застосуванням лазера для усунення відшарувань сітківки
ока. Око при такій операції є лінзою, яка фокусує випромінювання на сіт-
ківці. Інтенсивність пучка світла при цьому така низька, іцо око в цілому
не пошкоджується, а в тому місці, де пучок світла фокусується, сітківка
приварюється.
Короткі висновки
® Внутрішню будову атома вивчати безпосередньо не можна через ма-
лість його розмірів. Структура атома виявляється лише посередньо в
явищах, пов'язаних з його внутрішньою будовою. До таких явищ на-
лежить випромінювання.
* Е. Резерфорд запропонував ядерну (планетарну) модель атома. За цією
моделлю, весь позитивний заряд і майже вся маса атома (99,4 %) зосе-
реджені в атомному ядрі. Розміри ядра ~ 10~
15
м, розмір атома ~ 1СГ
10
м.
Навколо ядра по замкнених орбітах рухаються електрони.
Модель будови атома, запропонована Резерфордом, не пояснила спект-
ральних закономірностей з суперечила законам класичної механіки. За
моделлю Резерфорда, атом - нестійка система. Насправді атом стійкий.
Вихід з цього утрудненого стану запропонував Н. Бор у 1913 р.
• В основі теорії Бора лежать два постулати.
1. Електрони можугь рухатися в атомі лише по певних орбітах, перебу-
ваючи на яких вони, незважаючи на наявність у них прискорення, не ви-
промінюють.
Ці орбіти відповідають стаціонарним станам електронів в атомі і визна-
чаються умовою
пк
т
с°п
Г
п •
2 71
2. Атом випромінює або поглинає квант електромагнітної енергії при пе-
реході електрона з одного стаціонарного стану в інший. Енергія кванта
дорівнює різниці енергій стаціонарних станів електрона до
Е
2
і після
Е
{
-переходу:
ку = Е
2
-Е
х
.
* Бор ввів правило квантування, яке дало змогу визначати можливі раді-
уси орбіг електрона і значення енергії атома водню.
На основі теорії Бора можна пояснити наявність лінійчастих спектрів,
які утворюються біля атома водню при переході електрона з одного
стаціонарного стану в інший.
Існування дискретних енергетичних станів атомів - одна з найхарактер-
ніших особливостей їх властивостей, її доведено численними дослідами.
• Народження теорії Бора було початком нового стану в розвитку сучас-
ної фізики. Проте ця теорія мала ряд недоліків: штучність планетарної
моделі, своєрідність понять стаціонарних станів, тобто поєднання кла-
сичних і квантових понять. Ця теорія - певний перехідний стан на
шляху створення послідовної теорії атомних і ядерних явищ.
569