Что такое лекция по физике

Список лекций

Классическая механика, как она была создана Ньютоном и Лапласом, утверждает принципиальную предсказуемость траекторий всех взаимодействующих тел: зная их начальные координаты и скорости, можно сосчитать все, что случится с ними в будущем. Жизненный опыт этого обычно не подтверждает, и непредсказуемость наблюдаемого мира нередко связывают с квантовой механикой. На самом деле, все проще: на большом интервале времени фактически непредсказуемы решения обычных уравнений Ньютона, если взаимодействует достаточно много тел сразу. На лекции будет рассказано об этом явлении, которое известно уже более 100 лет, начиная с работ Пуанкаре и Ляпунова.

Лекция предназначена для студентов младших курсов и старшеклассников.

Лектор : Михаил Викторович Фейгельман

Лекция предназначена для студентов младших курсов и старшеклассников.

Лектор : Игорь Сергеевич Бурмистров

Лекция предназначена для студентов младших курсов и старшеклассников.

Лектор : Галина Александровна Цирлина

Гипотезу Авогадро была сформулирована в 1811 году. Её формулировка следующая: в равных объёмах различных газов, взятых при одинаковой температуре и давлении, содержится одно и то же количество молекул. После многочисленных экспериментальных проверок это гипотеза стала законом, который лёг в основы современной химии. Однако, вопрос, о том сколько молекул содержится в одном моле вещества, оставался не выяснен. Ответы Лошмидта и Максвелла, полученные в XIX веке отличались на несколько порядков. Ответ с приемлемой точностью был получен Перреном в 1908 году.

На лекции будут разобраны опыты Перрена. В их основу легла идея проверки теории Броуновского движения, предложенная Эйнштейном.

Лекция предназначена для студентов младших курсов и старшеклассников.

Как в науке, так и в жизни часто приходится высказываться о том, о чем имеешь в лучшем случае туманное представление. Физики придумали как это делать, не краснея. Простейший способ называется термодинамическим, при этом мы высказываемся только о границах возможного, исходя из симметрий или законов сохранения. Более изощренный подход оценивает также вероятности различных событий и называется статистической физикой. Когда остальное человечество поняло, какой замечательный инструмент придумали физики, оно присвоило его под именем теории информации и стало применять повсюду, от самоуправляемых автомобилей до биржевых спекуляций. Но и физики недавно начали осознавать не только физическую природу информации, но и информационную природу физики, раздвинув границы подхода до квантового компьютера и энтропии черных дыр. В лекции я постараюсь объяснить в каком смысле разработчики искусственного интеллекта, биржевые стратеги, исследователи мозга, турбулентности и черных дыр используют практически один и тот же инструмент – поиск условного экстремума энтропии.

Лекция предназначена для студентов младших курсов.

Источник

Физика

Здравствуйте, на этой странице я собрала полный курс лекций по предмету «физика».

Лекции подготовлены для школьников и студентов любых специальностей и охватывает полный курс предмета «физика», можно даже назвать — это онлайн учебником.

В лекциях вы найдёте основные законы, теоремы, формулы и подробную теорию.

Физика (от др.-греч. φύσις — природа) — область естествознания: наука о наиболее общих законах природы, о материи, её структуре, движении и правилах трансформации. Законы физики лежат в основе всего естествознания. Термин «физика» впервые фигурирует в сочинениях одного из величайших мыслителей древности — Аристотеля (IV век до нашей эры). Первоначально термины «физика» и «философия» были синонимами, так как в основе обеих дисциплин лежало стремление объяснить законы функционирования Вселенной. Однако в результате научной революции XVI века физика развилась в самостоятельную научную отрасль. wikipedia.org/wiki/Физика

Введение в физику

Физика – наука о простейших формах движения материи и соответствующих им наиболее общих законах природы. Изучаемые физикой формы движения материи (механическая, тепловая, электрическая, магнитная и т.д.) являются составляющими более сложных форм движения материи (химических, биологических и др.), поэтому физика является основой для других естественных наук (астрономия, биология, химия, геология и др.).

Физика – база для создания новых отраслей техники, фундаментальная основа подготовки инженера.

В своей основе физика – экспериментальная наука: её законы базируются на фактах, установленных опытным путем. В результате обобщения экспериментальных фактов устанавливаются физические законы – устойчивые повторяющиеся объективные закономерности, существующие в природе, устанавливающие связь между физическими величинами.

Физика — механика и кинематика

Механика наука о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними.
В механике рассматривают взаимодействия тел, результатом которых являются изменения скоростей точек этих тел или их деформации. Например, притяжение тел по закону всемирного тяготения, взаимное давление соприкасающихся тел, воздействие частиц жидкости или газа друг на друга и на движущиеся или покоящиеся в них тела и т. п.

Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей в пространстве: например, движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения, движение летательных аппаратов и транспортных средств, машин и механизмов, деформации элементов конструкций и сооружений, движение жидкостей и газов и др.

Механика состоит из следующих разделов:

Каждый из перечисленных разделов состоит из статики, динамики и кинематики.

Кинематика (в переводе с греч. — «движение») — раздел механики, в котором изучаются геометрические свойства движения тел без учета их массы и действующих на них сил.

Основные задачи кинематики точки:

Лекции:

Физика — динамика

Динамика (в переводе с греч. — «сила») — раздел механики, посвящённый изучению движения материальных тел под действием приложенных к ним сил.

Движения любых материальных тел (кроме микрочастиц), происходящие со скоростями, не близкими к скорости света, изучаются в так называемой классической динамике.

Классическая динамика базируется на трёх основных законах, называемых законами Ньютона. К основным законам относят ещё закон независимости действия сил, согласно которому при одновременном действии на материальную точку нескольких сил каждая из них сообщает точке такое же ускорение, какое она сообщила бы, если бы действовала одна.
Следствиями названных законов являются все уравнения и теоремы динамики.

Лекции:

Сила. Принцип суперпозиции сил

Сила в механике — это величина, являющаяся мерой взаимодействия тел.

При механическом движении проявляются следующие виды сил: силы упругости, силы трения и гравитационные силы (всемирного тяготения).

Проявлением действия силы является изменение ускорения тела.
Сила, как и скорость, — векторная величина, т. е. имеет не только численное значение, но и направление. Сила обычно обозначается буквой , модуль силы — буквой (без стрелки). Прямая, вдоль которой направлена сила, называется линией действия силы. Когда говорят о силе, важно указать, к какой точке тела приложена действующая на него сила. Если речь идёт об абсолютно твёрдом (недеформируемом) теле, то можно считать, что сила приложена к любой точке на линии её действия.

Итак, результат действия силы на тело зависит от её модуля, направления и точки приложения.

Иначе говоря, сила — векторная величина, характеризующаяся численным значением, направлением в пространстве и точкой приложения.
Обычно на любое движущееся тело действует не одна, а сразу несколько сил. Так, например, на парашютиста, спускающегося на землю, действуют сила тяжести и сила сопротивления воздуха. На тело, висящее на пружине, действуют две силы: сила тяжести и сила упругости пружины.
В каждом подобном случае несколько сил, приложенных к телу, можно заменить одной суммарной силой , равноценной по своему действию этим силам. Сила, производящая на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил:

В этом состоит принцип суперпозиции (наложения) сил.
Равнодействующая сила, действующая на частицу со стороны других тел, равна векторной сумме сил, с которыми каждое из этих тел действует на частицу.

Для нахождения равнодействующей силы пользуются правилами сложения векторов (поскольку сила — векторная величина), в частности, сложение двух сил производится по правилу параллелограмма.

О двух силах, равных по величине и направленных вдоль одной прямой в противоположные стороны, говорят, что они уравновешивают, или компенсируют друг друга. Равнодействующая таких сил всегда равна нулю и потому изменить скорость тела не может.

Для изменения скорости тела относительно земли необходимо, чтобы равнодействующая всех приложенных к телу сил была отлична от нуля. В том случае, когда тело движется в направлении равнодействующей силы, его скорость возрастает; при движении в противоположном направлении скорость тела убывает. Таким образом, направление скорости не всегда совпадает с направлением действующей силы , а вот изменение направления скорости (а следовательно, и направление ускорения) всегда совпадает с направлением действующей силы.

Лекции:

Физика — статика

Статика (в переводе с греч. — «стоящий») — это раздел механики, в котором изучаются условия равновесия материальных тел под воздействием сил.

Статику разделяют на аналитическую и геометрическую.
Аналитическая статика описывает общие условия равновесия любой механической системы.
Геометрическая статика имеет дело с материальными частицами (материальными точками) и абсолютно твёрдым телом. Под абсолютно твёрдым телом понимают тело, расстояние между точками которого всегда остаётся неизменным.

Основные аксиомы геометрической статики:

Лекции:

Работа силы

Термин «работа» был введён в физику в 1826 г. французским учёным Ж. Понселе. Если в обыденной жизни работой называют лишь труд человека, то в физике и, в частности, в механике принято считать, что работу совершает сила. Физическую величину работы обычно обозначают буквой .

Работа силы — это мера действия силы, зависящая от её модуля и направления, а также от перемещения точки приложения силы. Для постоянной силы и прямолинейного перемещения работа определяется равенством:

где — сила, действующая на тело, — перемещение, — угол между силой и перемещением (рис. 42).

Рис. 42

Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними, т. е. скалярному произведению векторов и .
Работа — величина скалярная. Если , то , а если , то ; если же , то . Так, сила тяжести не совершает работу при перемещении тела по горизонтальной плоскости. Также при движении спутника по круговой орбите сила тяготения не совершает работу.
При действии на тело нескольких сил полная работа (сумма работ всех сил) равна работе результирующей силы.

Единицей работы в является джоуль (1 Дж). 1 Дж — это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м в направлении действия этой силы. Эта единица названа в честь английского учёного Дж. Джоуля (1818-1889): . Часто применяются также килоджоули и миллиджоули: 1 кДж = 1000 Дж, 1 мДж = 0,001 Дж.

Лекции:

Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии

Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершать работу, то говорят, что они обладают энергией.

Слово «энергия» (от греч. energia — действие, деятельность) нередко употребляется в быту. Так, например, людей, которые могут быстро выполнять работу, называют энергичными, обладающими большой энергией.

Лекции:

Механические колебания и волны. Механические колебания

Колебания — это движения или состояния, повторяющиеся во времени. Колебания являются очень распространённым видом движения. Это покачивание веток деревьев на ветру, вибрация струн музыкальных инструментов, движение поршня в цилиндре двигателя автомобиля, качание маятника в настенных часах и даже биение нашего сердца, пульсация излучения звёзд, внутри которых происходят циклические ядерные реакции, приливы и отливы на Земле, вызываемые движением Луны. Колебания свойственны практически всем явлениям природы.

Одним из видов колебаний, особо выделяемых в физике, являются механические колебания.

Рассмотрим колебательное движение на примере двух маятников — нитяного и пружинного.

Нитяной маятник изображён на рис. 52. Он представляет собой шарик, прикреплённый к легкой тонкой нити. Если этот шарик сместить в сторону от положения равновесия и отпустить, то он начнёт колебаться, т. е. совершать колебательные движения, периодически проходя через положение равновесия.

На рис. 53 изображён пружинный маятник. Он представляет собой груз, способный колебаться под действием силы упругости.
Колебательное движение характеризуют амплитудой , периодом и частотой колебаний .

Рис. 52 Рис. 52

Лекции:

Молекулярная физика

Молекулярная физика описывает строение вещества с помощью молекулярно-кинетической теории (МКТ), согласно которой все тела состоят из отдельных частиц — молекул и атомов, то есть не являются сплошными.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества:

Обоснования молекулярно-кинетической теории

Диффузия, растворимость и броуновское движение могут быть объяснены только на основе представления о молекулярном строении веществ и являются убедительными обоснованиями первого и второго положений молекулярно-кинетической теории.

Лекции:

Изопроцессы в газах

Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления , объёма , температуры . В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам — количественным зависимостям между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.

Лекции:

Физика в термодинамике

Термодинамика — наука о наиболее общих тепловых свойствах макроскопических тел.

В термодинамике не вводятся упрощённые модели изучаемых явлений, поэтому выводы термодинамики имеют универсальный характер; не учитывается молекулярное строение тел. Термодинамика возникла при изучении оптимальных условий использования теплоты для совершения работы.

Основные понятия термодинамики:

Главное содержание термодинамики состоит в двух её началах (законах) — первом и втором; первое распространяет закон сохранения энергии на тепловые явления, второе же указывает направление возможных энергетических превращений в природе.

Лекции:

Физика в электродинамике

Электродинамика — это область физики, в которой изучаются свойства и закономерности поведения электромагнитного поля и движение электрических зарядов, взаимодействующих друг с другом посредством этого поля.

Структура Вселенной формируется гравитационным притяжением тел, однако наличие лишь сил притяжения привело бы к неограниченному их гравитационному сжатию. Чтобы существовали тела неизменных размеров, должны действовать также и силы отталкивания между телами. Такими силами являются силы электромагнитного взаимодействия. Эти силы могут вызывать как притяжение, так и отталкивание заряженных частиц. Силы электромагнитного взаимодействия частиц тела на много порядков превосходят гравитационные силы, поэтому структура тел определяется электромагнитным взаимодействием.

Среди четырёх типов взаимодействий — гравитационных, электромагнитных, сильных (ядерных) и слабых — электромагнитные взаимодействия занимают первое место по широте и разнообразию применения.

Электродинамика возникла в результате многочисленных исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потёртого о шерсть, притягивать к себе лёгкие предметы и кончая гипотезой великого английского учёного Дж. К. Максвелла о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.

Лекции:

Магнитное поле. Взаимодействие токов

Магнитное поле — одна из форм материи (отличная от вещества), существующая в пространстве, окружающем постоянные магниты, проводники с током и движущиеся заряды. Магнитное поле вместе с электрическим полем образует единое электромагнитное поле.
Магнитное поле не только создаётся постоянными магнитами, движущимися зарядами и токами в проводниках, но и действует на них же.

Термин «магнитное поле» был введён в 1845 г. М. Фарадеем. К тому времени был уже известен ряд явлений электродинамики, требующих объяснения. К ним относятся, в частности, следующие.

Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют магнитными, а силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, — магнитными силами.

Согласно теории близкодействия, которой придерживался М. Фарадей, ток в одном из проводников не может непосредственно влиять на ток в другом проводнике. Аналогично случаю с неподвижными электрическими зарядами, вокруг которых существует электрическое поле, был сделан вывод, что в пространстве, окружающем токи, существует магнитное поле, которое действует с некоторой силой на другой проводник с током, помещённый в это поле, либо на постоянный магнит. В свою очередь, магнитное поле, создаваемое вторым проводником с током, действует на ток в первом проводнике.

Рис. 107 Рис. 108

Подобно тому как электрическое поле обнаруживается по его воздействию на пробный заряд, внесенный в это поле, магнитное поле можно обнаружить по ориентирующему действию магнитного поля на рамку с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно меняется) размеров (рис. 107). Провода, подводящие ток к рамке, следует сплести (или расположить близко друг к другу), тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти провода, будет равна нулю. Силы же, действующие на такую рамку с током, будут её поворачивать, так что её плоскость установится перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. В примере, приведённом на рис. 107, рамка повернётся так, чтобы проводник с током оказался в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводнике рамка повернётся на 180°. В поле между полюсами постоянного магнита рамка повернётся плоскостью перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита (рис. 108).

Лекции:

Электромагнитные колебания и волны.
Свободные электромагнитные колебания в колебательном контуре

В физике существуют колебания двух типов — механические и электромагнитные, которые подчиняются одинаковым количественным законам.
Колебательный контур — это электрическая цепь, содержащая индуктивность , ёмкость и сопротивление , в которой могут возбуждаться электрические колебания.

Рис. 136

Различают линейные и нелинейные колебательные контуры. Параметры , и линейного колебательного контура не зависят от интенсивности колебаний, а период колебаний не зависит от амплитуды. При отсутствии потерь в линейном колебательном контуре происходят свободные гармонические колебания.

Для возбуждения колебаний в контуре конденсатор предварительно заряжают от батареи аккумуляторов, сообщив ему энергию , и переводят переключатель в положение 2 (рис. 136). После замыкания цепи конденсатор начнёт разряжаться через катушку индуктивности, теряя энергию. В цепи появится ток, вызывающий переменное магнитное поле.

Рис. 137

Переменное магнитное поле, в свою очередь, приводит к созданию вихревого электрического поля, препятствующего току, в результате чего изменение тока происходит постепенно. По мере увеличения тока через катушку возрастает энергия магнитного поля . Полная энергия W электромагнитного поля контура остаётся постоянной (при отсутствии сопротивления) и равной сумме энергий магнитного и электрического полей. Полная энергия, в силу закона сохранения энергии, равна максимальной энергии электрического или магнитного поля:

(3.19)

где — индуктивность катушки, и — сила тока и её максимальное значение, и — заряд конденсатора и его максимальное значение, — ёмкость конденсатора.

Процесс перекачки энергии в колебательном контуре между электрическим полем конденсатора при его разрядке и магнитным полем, сосредоточенным в катушке, полностью аналогичен процессу превращения потенциальной энергии растянутой пружины или поднятого груза математического маятника в кинетическую энергию при механических колебаниях последних. Рис. 137 иллюстрирует сказанное.

Дифференциальное уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре, можно получить, приравняв производную по полной энергии контура (3.19) к нулю (поскольку полная энергия постоянна) и заменив в полученном уравнении ток на производную заряда по времени.

(3.20)

Как видно, уравнение (3.20) ничем не отличается по форме от соответствующего дифференциального уравнения (1.54) для свободных механических колебаний шарика на пружине. Заменив механические параметры системы на электрические, мы в точности получим уравнение (3.20).
По аналогии с дифференциальным уравнением для механической колебательной системы циклическая частота свободных электрических колебаний равна:

(3.21)

Период свободных колебаний в контуре равен:

(3.22)

Формула (3.22) называется формулой Томсона в честь английского физика У. Томсона (Кельвина), который её вывел.

Увеличение периода свободных колебаний с возрастанием и объясняется тем, что при увеличении индуктивности ток медленнее нарастает и медленнее падает до нуля, а чем больше ёмкость, тем больше времени требуется для перезарядки конденсатора.

Лекции:

Физика в оптике

Оптика — это раздел физики, изучающий законы излучения, распространения света и взаимодействия с веществом.

Практическое применение результатов исследований всех разделов оптики огромно. Пожалуй, нет отрасли науки или народного хозяйства, в которой не использовались бы достижения оптики или оптические методы исследования — от освещения улиц до новых систем храпения и записи информации для нужд вычислительной техники, до слежения за искусственными спутниками Земли и использования линий лазерной оптической связи для ведения телефонных переговоров и передачи изображений.

Прямолинейное распространение света в однородной среде. Геометрическая оптика

Геометрическая оптика — это раздел оптики, в котором изучаются законы распространения света в прозрачных веществах (средах) и построения изображений предметов с помощью оптических систем, в которые входят зеркала, линзы, призмы и другие оптические элементы.

Геометрическая оптика основывается на следующих основных законах, установленных опытным путём ещё в глубокой древности:
1) закон прямолинейного распространения света;
2) закон отражения света от зеркальной поверхности;
3) закон преломления света на границе двух прозрачных сред;
4) закон независимости световых пучков или световых лучей.
Законы геометрической оптики используются для расчёта оптических систем, например, микроскопов, телескопов, больших зеркал и объективов, используемых в астрономии, фотоаппаратах и др.

Лекции:

Основы специальной теории относительности

Теория относительности — теория, описывающая универсальные пространственно-временные свойства физических процессов.
Альберт Эйнштейн создал новую теорию — теорию относительности, или релятивистскую механику (от лат. relativus — относительный).
Необходимость создания теории относительности была вызвана тем, что возникли сомнения в справедливости принципа относительности Галилея применительно к электромагнитным явлениям. Так, в опыте А. Майкельсона и Э. Морли (1881 г.), в котором сравнивали скорость распространения света вдоль направления орбитальной скорости Земли вокруг Солнца и перпендикулярно этому направлению, было установлено, что движение Земли вокруг Солнца не влияет на скорость распространения света. Это противоречит закону сложения скоростей Галилея.
Согласовать принцип относительности Галилея с электродинамикой Максвелла оказалось возможным, только отказавшись от классических представлений о пространстве и времени, согласно которым расстояния и течение времени не зависят от системы отсчёта.

Главный вклад Эйнштейна в познание законов природы состоял в радикальном изменении основополагающих представлений о пространстве, времени, веществе и движении.

Специальная теория относительности (СТО) рассматривает взаимосвязь физических процессов, происходящих только в инерциальных системах отсчёта, т. е. в системах отсчёта, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно. СТО предполагает отсутствие гравитационных полей.

Общая теория относительности описывает взаимосвязь физических процессов, происходящих в ускоренно движущихся друг относительно друга (неинерциальных) системах отсчёта.
Общая теория относительности является релятивистской теорией тяготения (гравитации). Согласно этой теории физическое пространство не является простым вместилищем объектов. Гравитационное поле физических тел приводит к неевклидовости пространства—времени.

Специальная теория относительности Эйнштейна основывается на двух постулатах.

Следствия постулатов специальной теории относительности

Теория относительности представляет собой новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым классическим представлениям. Согласно теории относительности, одновременность событий, расстояния и промежутки времени являются не абсолютными, а относительными. Они зависят от системы отсчёта.
Причиной несостоятельности классических представлений о пространстве и времени является неправильное предположение о возможности мгновенной передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую. Существование предельной конечной скорости передачи взаимодействий вызывает необходимость глубокого изменения обычных представлений о пространстве и времени, основанных на повседневном опыте. Представление об абсолютном времени, которое течёт в раз и навсегда заданном темпе, совершенно независимо от материи и её движения, оказывается неправильным.
Основными следствиями являются следующие.
Относительность расстояний, которая выражается формулой:

(4.1)

где — длина тела в системе отсчёта , относительно которой тело покоится; — длина тела в системе относительно которой тело движется со скоростью . Как видно из формулы, . Из неё следует, что наибольшей длиной обладает тело в той системе отсчёта, относительно которой оно покоится. В этом состоит релятивистское сокращение размеров тела в движущихся системах отсчёта.
Относительность промежутка времени выражается формулой:

(4.2)

где — интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же точке инерциальной системы координат — интервал времени между теми же событиями в системе отсчёта , движущейся относительно системы со скоростью . Очевидно, что .

Таким образом, длительность события оказывается наименьшей в неподвижной системе отсчёта. При этом чем больше относительная скорость движения двух систем, тем больше разница в длительности событий, измеренных в этих системах. Из формул (4.1) и (4.2) следует также, что скорость света — это предельная скорость тела при любом движении, поскольку при формулы теряют смысл.

Релятивистский закон сложения скоростей для частного случая движения тела со скоростью вдоль оси системы отсчёта , которая, в свою очередь, движется со скоростью относительно системы отсчёта , причём так, что координатные оси и совпадают, а координатные оси и , и остаются параллельными, имеет вид:

(4.3)

где — скорость движения тела относительно системы отсчёта .
Из этой формулы видно, что луч света, распространяющийся со скоростью в движущейся системе координат, будет распространяться с той же скоростью сив неподвижной системе координат.

Лекции:

Квантовая физика

Лекции:

Физика атома.
Планетарная модель атома

Атом — это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и обладающая его свойствами.
Каждому элементу соответствует определённый род атомов, обозначаемый химическим символом этого элемента. Например, атом кислорода обозначается символом , атом водорода , атом гелия .

Атомы могут существовать в свободном состоянии (в виде отдельных атомов) в газах. В жидкостях и твёрдых телах они существуют в виде молекул, в которых соединяются с атомами того же элемента или других химических элементов (или, как принято говорить, существуют в связанном состоянии).

Со времен Демокрита (ок. 460-370 гг. до н.э.) и до конца XIX в. атом считался неделимой частицей — кирпичиком мироздания. После открытия электрона в 1897 г. английским учёным Дж. Дж. Томсоном стало ясно, что атом — сложная система.

С целью выяснения распределения положительного заряда в атоме английский учёный Э. Резерфорд исследовал рассеяние -частиц фольгой из различных веществ. Большинство -частиц беспрепятственно, почти без отклонений, проникало через фольгу, и только 1 из 2000 частиц отклонялась на углы, большие 90°. В результате этих экспериментов в 1911 г. Резерфорд предложил следующую модель строения атома.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого обращаются электроны, каждый на своей орбите, подобно планетам Солнечной системы, обращающимся вокруг Солнца. Поэтому модель называют планетарной (рис. 177).

Рис. 177

Расстояние от электронов до ядра очень велико по сравнению с размерами ядра. Оценки Резерфорда показали, что диаметр ядра составляет порядка . Размер самого атома .

Положительный заряд ядра связан с числом электронов в атоме соотношением:

где — заряд электрона.

Заряд ядра и число электронов в атоме, соответственно, совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева. В целом атом электронейтрален. При отрыве электрона от атома или присоединении электрона к атому (в результате столкновений, например, или при различных химических процессах) могут образоваться положительно или отрицательно заряженные ионы.

Простая и наглядная модель атома Резерфорда прекрасно объясняла результаты его опытов. Однако на основании этой модели нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Согласно законам электродинамики Максвелла электрон, движущийся по орбите с немалым ускорением, должен излучать электромагнитные волны с частотой, равной частоте его обращения вокруг ядра, в результате чего в скором времени, потеряв в результате излучения всю энергию, упасть на ядро. Согласно расчётам, основанным на механике Ньютона и электродинамике Максвелла, время это составляет всего . В действительности ничего подобного не происходит. Нейтральные невозбуждённые атомы существуют неограниченно долго.

Это несоответствие опыта выводам теории связано с попыткой применения законов классической физики к внутриатомным явлениям (которые, как оказалось, подчиняются законам квантовой механики).
Выход из создавшейся в теории атома ситуации был найден датским физиком Нильсом Бором.

Лекции:

Физика атомного ядра.
Состав ядра

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами).
Ядро было открыто Э. Резерфордом в 1911 г. при исследовании прохождения -частиц через вещество. Оказалось, что почти вся масса атома (99,95%) сосредоточена в ядре. Размер атомного ядра имеет порядок величины см, что в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки.

Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода, выбитых -частицами из ядер других элементов (1919-1920 гг.), привели учёного к представлению о протоне.

Протон (в переводе с греч. — «первый», символ ) — положительно заряженная частица, заряд которой по абсолютной величине равен заряду электрона Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона .

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой, символ ) — это элементарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная. Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: масса покоя свободного нейтрона а.е.м. и превосходит массу протона на 2,5 массы электрона. Нейтроны и протоны имеют общее название нуклоны.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвиком при бомбардировке бериллия -частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало преграду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало своё действие при прохождении через парафиновую пластину. Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это -кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных нейтронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвика. При попадании -частиц (-частица — ядро изотопа гелия ) в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Здесь — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса приблизительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время

15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино.
После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.
Заряд ядра определяется числом протонов , входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона :

Число называется зарядовым числом ядра, или атомным номером.
Массовым числом ядра называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содержащихся в нём. Число нейтронов в ядре обозначается буквой . Таким образом, массовое число равно:

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.
Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов.

Изотопы (в переводе с греч. — «равный, одинаковый» и «место») — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов (Z) и различное число нейтронов (N).

Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного элемента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно, атом) с заданными числами Z и N. Общее обозначение нуклидов имеет вид , где X — символ химического элемента, А = Z + N — массовое число.
Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и произошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (и почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемента определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы лёгких элементов. Изотопы водорода — протий, — дейтерий, — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и химические свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжёлая вода. Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °C и замерзает при +3,8 °C. Тритий -радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы.
У урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп составляет всего 1/140 часть от более распространённого .

Лекции:

Возможно эти дополнительные страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник