mmf2-6-1

Это старая версия документа!


Решение с оценками порядка величины.

—

## 1. По модели Бора

Используем стандартные константы:

[ a_0=\frac{\hbar^2}{m_e e^2}=5.29\cdot 10^{-11},\text{м} ]

— боровский радиус.

### а) Характерные размеры атома и электрона

Размер атома порядка боровского радиуса:

[ r_{\text{ат}} \sim a_0 \approx 5.3\cdot 10^{-11},\text{м} ]

Размер электрона обычно оценивают классическим радиусом электрона:

[ r_e=\frac{e^2}{m_e c^2}\approx 2.8\cdot 10^{-15},\text{м} ]

Итак:

[ \boxed{r_{\text{ат}} \sim 10^{-10},\text{м}},\qquad \boxed{r_e \sim 10^{-15},\text{м}} ]

—

### б) Плотность вещества в ядре атома

Радиус ядра:

[ R=r_0 A^{1/3}, \qquad r_0\approx 1.2\cdot 10^{-15},\text{м} ]

Тогда плотность ядра почти не зависит от (A):

[ \rho \sim \frac{A m_N}{\frac43\pi R^3} =\frac{m_N}{\frac43\pi r_0^3} ]

Подставим:

[ m_N\approx 1.67\cdot 10^{-27},\text{кг} ]

[ \rho \approx \frac{1.67\cdot 10^{-27}} {\frac43\pi (1.2\cdot 10^{-15})^3} \approx 2.3\cdot 10^{17},\text{кг/м}^3 ]

или

[ \boxed{\rho \sim 2\cdot 10^{14},\text{г/см}^3} ]

—

### в) Характерные уровни энергии в водородоподобном атоме

Для ядра с зарядом (Ze):

[ E_n=-\frac{m_e e^4 Z^2}{2\hbar^2 n^2} =-\frac{13.6,Z^2}{n^2},\text{эВ} ]

То есть

[ \boxed{E_n=-\frac{13.6,Z^2}{n^2}\ \text{эВ}} ]

Для водорода 1):

[ E_1=-13.6,\text{эВ},\quad E_2=-3.4,\text{эВ},\quad E_3=-1.51,\text{эВ},\ldots ]

—

### г) Потенциал ионизации атома водорода

Потенциал ионизации равен энергии, нужной для перевода электрона с уровня (n=1) на (E=0):

[ I = 13.6,\text{эВ} ]

В вольтах это то же число:

[ \boxed{U_i=13.6,\text{В}} ]

—

### д) Время жизни классического атома водорода

В классической модели электрон на круговой орбите излучает и падает на ядро.

Оценка через формулу Лармора дает:

[ t \sim \frac{m_e^2 c^3 a_0^3}{4e^4} \approx 1.6\cdot 10^{-11},\text{с} ]

То есть

[ \boxed{t_{\text{класс}} \sim 10^{-11},\text{с}} ]

Это и показывает несостоятельность классической модели атома.

—

## 2. Энергия, необходимая для удаления обоих электронов из атома He

Для нейтрального He первая энергия ионизации дана:

[ I_1=24.6,\text{эВ} ]

После удаления одного электрона получаем ион (\text{He}^+), это водородоподобный атом с (Z=2). Его основное состояние:

[ E_1=-13.6 Z^2=-13.6\cdot 4=-54.4,\text{эВ} ]

Значит, вторая энергия ионизации:

[ I_2=54.4,\text{эВ} ]

Тогда полная энергия удаления обоих электронов:

[ I=I_1+I_2=24.6+54.4=79.0,\text{эВ} ]

[ \boxed{79,\text{эВ}} ]

—

## 3. Вероятность распада в течение пятого дня

Среднее время жизни:

[ \tau=10,\text{дней} ]

Закон распада:

[ P(t)=e^{-t/\tau} ]

Вероятность распада в течение пятого дня, то есть в интервале от (t=4) до (t=5) дней:

[ W=P(4)-P(5)=e^{-4/10}-e^{-5/10} ]

[ W=e^{-0.4}-e^{-0.5}\approx 0.6703-0.6065\approx 0.0638 ]

[ \boxed{W\approx 0.064} ]

или

[ \boxed{6.4%} ]

—

## 4. Высота кулоновского барьера для (\alpha)-частицы у поверхности ядра (^{238}\mathrm{U})

При (\alpha)-распаде:

* заряд (\alpha)-частицы: (2e) * заряд дочернего ядра: ((92-2)e=90e)

Радиус ядра:

[ R=r_0 A^{1/3}\approx 1.2\cdot 238^{1/3},\text{фм} ]

Так как

[ 238^{1/3}\approx 6.2, ]

то

[ R\approx 1.2\cdot 6.2\approx 7.4,\text{фм} ]

Высота кулоновского барьера:

[ U_C \approx \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\frac{2\cdot 90,e^2}{R} ]

Удобно использовать

[ \frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0}=1.44,\text{МэВ}\cdot\text{фм} ]

Тогда

[ U_C\approx \frac{1.44\cdot 180}{7.4},\text{МэВ} \approx 35,\text{МэВ} ]

[ \boxed{U_C\approx 35,\text{МэВ}} ]

—

## Ответы

1.

[ \boxed{r_{\text{ат}} \sim 5.3\cdot 10^{-11},\text{м}},\qquad \boxed{r_e \sim 2.8\cdot 10^{-15},\text{м}} ]

[ \boxed{\rho_{\text{ядра}} \sim 2\cdot 10^{17},\text{кг/м}^3} ]

[ \boxed{E_n=-\frac{13.6 Z^2}{n^2},\text{эВ}} ]

[ \boxed{U_i(\text{H})=13.6,\text{В}} ]

[ \boxed{t_{\text{класс}}\sim 10^{-11},\text{с}} ]

2.

[ \boxed{79,\text{эВ}} ]

3.

[ \boxed{W\approx 0.064 \approx 6.4%} ]

4.

[ \boxed{U_C\approx 35,\text{МэВ}} ]

Могу также оформить это в виде аккуратного решения “как в тетради”, без пояснений, только с формулами и подстановками.


1)
Z=1