Эксперимент по рассеиванию альфа-частиц
Открытие электрона, рентгеновского излучения и явления радиоактивности свидетельствовало о том, что представление об атоме как неделимой частице являлось неверным. К концу XIX века стало понятно, что атом должен иметь сложное строение. Большой вклад в изучение строения атома внёс физик-экспериментатор Эрнест Резерфорд.
В 1904 году Резерфорд начал свои эксперименты по бомбардировке альфа-частицами тонких металлических пластин (золотых и платиновых) для изучения структуры атомов, из которых состоят пластины.
Альфа-частица — ионизированный атом гелия.
Альфа-частица — это массивная (масса альфа-частицы в несколько тысяч раз больше, чем масса электрона) положительно заряженная частица. Заряд альфа-частицы в два раза больше элементарного заряда.
Схематично установка Резерфорда изображена на рисунке ниже.
В толстостенном свинцовом футляре ( 1 ) находится радиоактивное вещество ( 2 ), излучающее поток альфа-частиц. Через небольшое отверстие ( 3 ) поток альфа-частиц направляется на тонкую золотую фольгу ( 4 ) (толщиной порядка 0,1 мк). За фольгой располагается экран, покрытый сернистым цинком ( 5 ). При столкновении альфа-частицы на экране наблюдается вспышка.
Согласно модели строения атома по Томпсону, альфа-частицы должны столкнуться с большими плотными атомами и разлететься под разными углами. Однако опыт показал, что большинство альфа-частиц пролетают беспрепятственно через пластинку металла ( 6 ). И только небольшая часть всех альфа-частиц изменяет направление движения, отклоняясь на небольшие углы ( 7 ). А некоторые частицы и вовсе отлетают от фольги в обратном направлении ( 8 ).
Результаты опыта были удивительными. Только в 1911 году Резерфорд смог объяснить результаты опытов, предложив новую модель строения атома.
Ядерная модель строения атома
Так как большинство альфа-частиц свободно проходило через фольгу, это означало, что практически всё через которое проходит поток альфа-частиц — это пустота. Где же тогда «спрятана» вся масса атома? Резерфорд предположил, что практически вся масса атома сосредоточена в очень маленьком объёме — ядре атома. Было очевидно, что ядро должно быть положительно заряжено. Когда альфа-частица пролетает достаточно близко от такого ядра, то из-за Кулоновских сил отталкивания происходит отклонение от первоначального направления движения частицы. А при столкновении с ядром частица отскакивает в обратном направлении. По расчётам Резерфорда, ядро атома должно было иметь размер примерно в 3000 раз меньший, чем атом. Остальное атома должны занимать электроны.
Планетарная модель строения атома
Итак, стало понятно, что «пудинговая модель строения атома» неверна. На основе экспериментальных данных была предложена новая модель строения атома, которая получила название «планетарная модель строения атома».
Обрати внимание!
Согласно модели Резерфорда, атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, размер которого в тысячи раз меньше самого атома, и электронов, которые вращаются вокруг ядра по круговым орбитам.
Модель очень напоминала модель строения Солнечной системы, где вокруг массивного Солнца по круговым орбитам вращаются планеты.
Таким образом, на основе планетарной модели можно было объяснить результаты опытов по рассеянию альфа — частиц. Однако объяснить стабильность атомов не удавалось. Движение электрона в атоме происходит с ускорением. В соответствии с классической электродинамикой это движение должно было сопровождаться излучением электромагнитных волн, в результате чего энергия электрона в атоме непрерывно уменьшалась бы. Электрон стал бы приближаться к ядру по спирали и должен был бы очень скоро упасть на него. Однако атомы стабильны.
Объяснение:
Второй закон термодинамики устанавливает критерии необратимости термодинамических процессов. Известно много формулировок второго закона, которые эквивалентны друг другу. Мы приведем здесь только одну формулировку, связанную с энтропией.
Существует функция состояния - энтропия S, которая обладает следующим свойством: , (4.1) где знак равенства относится к обратимым процессам, а знак больше - к необратимым.
Для изолированных систем второй закон утверждает: dS і 0, (4.2) т.е. энтропия изолированных систем в необратимых процессах может только возрастать, а в состоянии термодинамического равновесия она достигает максимума (dS = 0,
d 2S < 0).
Неравенство (4.1) называют неравенством Клаузиуса. Поскольку энтропия - функция состояния, ее изменение в любом циклическом процессе равно 0, поэтому для циклических процессов неравенство Клаузиуса имеет вид:
, (4.3)
где знак равенства ставится, если весь цикл полностью обратим.
Энтропию можно определить с двух эквивалентных подходов - статистического и термодинамического. Статистическое определение основано на идее о том, что необратимые процессы в термодинамике вызваны переходом в более вероятное состояние, поэтому энтропию можно связать с вероятностью:
, (4.4)
где k = 1.38 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана (k = R / NA), W - так называемая термодинамическая вероятность, т.е. число микросостояний, которые соответствуют данному макросостоянию системы (см. гл. 10). Формулу (4.4) называют формулой Больцмана.
С точки зрения строгой статистической термодинамики энтропию вводят следующим образом:
, (4.5)
где G (E) - фазовый объем, занятый микроканоническим ансамблем с энергией E.
Термодинамическое определение энтропии основано на рассмотрении обратимых процессов:
. (4.6)
Это определение позволяет представить элементарную теплоту в такой же форме, как и различные виды работы:
Qобр = TdS, (4.7)
где температура играет роль обобщенной силы, а энтропия - обобщенной (тепловой) координаты.
Расчет изменения энтропии для различных процессов
Термодинамические расчеты изменения энтропии основаны на определении (4.6) и на свойствах частных производных энтропии по термодинамическим параметрам:
(4.8)
Последние два тождества представляют собой соотношения Максвелла (вывод см. в гл. 5).
1) Нагревание или охлаждение при постоянном давлении.
Количество теплоты, необходимое для изменения температуры системы, выражают с теплоемкости: Qобр = Cp dT.
(4.9)
Пример 4-3. Найдите изменение энтропии газа и окружающей среды, если n молей идеального газа расширяются изотермически от объема V1 до объема V2: а) обратимо; б) против внешнего давления p.
