Cтраница 1

Возбуждение молекулы из основного состояния в возбужденные состояния 5 и Т, как правило, сопровождается значительным перераспределением электронов. Это обстоятельство имеет важное значение для фотохимии, которая занимается исследованием возбужденных молекул, причем главным образом в первом синглетном и триплетном состояниях. Более высокие возбужденные состояния представляют меньший интерес, поскольку молекула очень быстро (за-время порядка 10 - 14 с) переходит в результате безызлучательных процессов в состояния Si и Tj. Данные об электронной плотности, порядках связей и свободных валентностях показывают, что при возбуждении молекулы фенола в распределении электронов происходят глубокие изменения. В целом можно сказать, что, хотя время жизни возбужденных состояний невелико, им отвечают частицы, физические и химические свойства которых настолько отличаются от свойств той же молекулы в основном состоянии, что было бы совершенно ошибочно переносить на возбужденные состояния закономерности, относящиеся к основному состоянию.  

Возбуждение молекулы электромагнитным полем света вполне соответствует таковому при действии сил Лондона, или, другими словами, электромагнитного поля реагента. Таким образом, принцип Франка - Кондона может быть применен также к химическим реакциям; он называется в этом случае принципом наименьшего перемещения (principle of least motion) Раиса и Теллера. Согласно этому принципу, реагирующие молекулы перед перераспределением электронов должны находиться в положении, лучше всего соответствующем этой цели. Изменение их положения за очень короткий промежуток времени электронного перехода невозможно.  

Возбуждение молекулы может быть обусловлено также увеличением энергии колебательного движения атомов в молекуле или энергии вращательного движения самой молекулы или тем и другим вместе. Возбужденная молекула так же, как и ионизированная не может существовать длительное время в таком состоянии. Иногда она отдает свою избыточную энергию в виде излучения, иногда передает ее другой молекуле, возвращаясь в нормальное состояние, иногда же, если энергия возбуждения достаточно велика, молекула диссоциирует или присоединяется к другой молекуле.  

Возбуждение молекулы из основного состояния в возбужденные состояния 5 и Т, как правило, сопровождается значительным перераспределением электронов. Это обстоятельство имеет важное значение для фотохимии, которая занимается исследованием возбужденных молекул, причем главным образом в первом синглетном и триплетном состояниях. Данные об электронной плотности, порядках связей и свободных валентностях показывают, что при возбуждении молекулы фенола в распределении электронов происходят глубокие изменения. В целом можно сказать, что, хотя время жизни возбужденных состояний невелико, им отвечают частицы, физические и химические свойства которых настолько отличаются от свойств той же молекулы в основном состоянии, что было бы совершенно ошибочно переносить на возбужденные состояния закономерности, относящиеся к основному состоянию.  

Возбуждение молекул и атомов делает их в высокой степени реакционноспособными.  

Возбуждение молекул N2 в электрическом разряде ударами электронов весьма интенсивно: почти 30 % от полного их числа переходит на долгоживущий уровень, энергия которого совпадает с верхним рабочим уровнем молекулы СО2, поэтому столкновения второго рода между возбужденными молекулами N2 и невозбужденными молекулами СО2 оказываются весьма эффективными при осуществлении инверсии.  

Возбуждение молекулы, вызывающее перераспределение электронной плотности в гетероциклическом, основании, приводит к сдвигу таутомерного равновесия.  

Возбуждение молекулы при поглощении излучения дает начало целому ряду процессов, в результате которых избыток энергии диссипирует и молекула возвращается в основное состояние. Эти процессы можно разделить на излучательные (флуоресценция и фосфоресценция) и безызлучательные.  

Возбуждение молекул при атомных столкновениях характеризуется большим многообразием процессов в связи с наличием колебат. Возбуждение электронных переходов (при усреднении по колебательно-вращат.  

Возбуждение молекулы светом не обязательно приводит к химическому изменению вещества. Химические изменения возникают в результате процессов двух типов. Если переходы приводят к состоянию отталкивания со временем жизни меньше, чем период одного колебания, происходит диссоциация возбужденных молекул. В возбужденном или основном состоянии молекула может обладать колебательной энергией, достаточной, чтобы вызвать ее диссоциацию. Обычно разрываются те связи, которые ответственны за поглощение света. Химическая реакция может быть результатом межмолекулярного тушения возбужденной молекулы другой инородной молекулой. Процесс является первичным, основанным на взаимодействии тушителя и возбужденной молекулы. Возможен также вторичный процесс, который заключается в передаче энергии от возбуждения молекулы тушителю путем неупругого соударения, приводящего к их взаимодействию. Возбужденную молекулу, которая при этом переходит в основное состояние, часто называют фотосенсибилизатором.  

Возбуждение молекул электромагнитным полем является од-иим из эффективных способов стимулирования химических реакций и изучения динамики элементарных ударных и радиационных процессов.  

Возбуждение молекул и атомов делает их в высокой степени реакционноспособными. Большую роль здесь играет лавинообразное развитие цепного процесса, в результате которого реакция переходит во взрыв.  

Возбуждение молекулы связано с переходом одного из спаренных электронов на вакантную орбиталь с более высокой энергией. Если при этом электронный спин не изменяет своего знака, новое состояние молекулы принято называть синглетным возбужденным состоянием.  

Это молекулы, существующие только в возбужденном состоянии. Как известно, атомы благородных газов не образуют химических соединений. Это свойство объясняют тем, что атомы данного типа не имеют электрона на незаполненных оболочках, который мог бы составить пару электрону, принадлежащему другому атому, с противоположно направленным спином. Наличие подобной пары является одним из условий образования ковалентной химической связи, объясняющей существование стабильного химического соединения.

В случае, если атом благородного газа находится в возбужденном состоянии, данное препятствие снимается, поскольку при этом имеется электрон, занимающий одну из незаполненных оболочек атома. Этот электрон может, вообще говоря, составить пару своему собрату, имеющему противоположное направление спина и принадлежащему другому атому. В результате между атомами возникает взаимодействие, соответствующее притяжению, что открывает возможность образования молекулы, одним из атомов которой является атом благородного газа. Именно такая молекула и носит название эксимерной.

Эксимерная молекула, потенциальная энергия которой превышает энергию основного состояния, не может существовать бесконечно долго. Она распадается за времена порядка нескольких наносекунд, излучая световой квант. Под действием отталкивания атомы быстро разлетаются в противоположных направлениях.

Несмотря на непродолжительное время жизни, эксимерная молекула имеет все признаки химического соединения. Она обладает колебательными и вращательными степенями свободы, которые характеризуются соответствующими системами энергетических состояний. Она способна вступать в химические реакции. Однако главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду, которая может быть использована в качестве основы для создания мощного лазера. Лазеры такого типа, получившие название эксимерных, составляют группу наиболее интенсивных газовых лазеров ультрафиолетового диапазона.

Возможность создания лазеров на переходах эксимерных молекул основана на специфическом расположении кривых потенциальной энергии основного и возбужденного состояний молекулы, образующихся при сближении атомов.

Рис. 1. Характерные термы эксимерной молекулы, благоприятные для работы эксимерного лазера.

Рис. 2. Энергетические уровни молекулы XeCl*.

Верхний терм лазерных переходов соответствует возбужденной молекуле с ионным типом связи. Такая молекула образуется при сближении иона инертного газа и отрицательного иона галогена. На далеких расстояниях взаимодействие отвечает кулоновскому притяжению, которое при дальнейшем сближении сменяется обменным отталкиванием электронов и кулоновским отталкиванием ядер.

2.2 Плазмо-химические реакции.

Исследование кинетики реакций в газах на галогенидах инертных газов довольно сложно. В кинетических процессах участвует много частиц: атомы и молекулы в основном и возбужденном состоянии, несколько сортов ионов, а также большое число возбужденных атомов и молекул. С целью упрощения рассмотрения кинетики реакций происходящих в эсимерных лазерах, разделим все реакции, происходящие в плазме на 8 групп, рассмотрим лишь наиболее важные из них. При этом некоторые реакции могут принадлежать не только одной группе, а двум и более. Первыe три группы составляют:

I. Первичные реакции с электронами, например:

e + He → He + +e +e (1)

e + Xe → Xe * + e (2)

e + HCl → HCl(v) +e (3)

II. Реакции между частицами буферного газа, например

He * + He + He → He 2 * + He (4)

He+ + 2He → He2+ + He (5)

Ne * + Ne + Ne → Ne 2 * + Ne (6)

III. Реакции с HCl, например:

e + HCl → HCl(v) +e (7)

e + HCl → H + Cl - (8)

e + HCl → HCl+ +2e (9)

IV. Реакции с потерями электронов и положительно заряженных ионов:

а) диссоциативная рекомбинация:

HeXe + +e → Xe * + He (10)

б) тройная рекомбинация, например:

He 2 + + e + He → He * + 2He (11)

в) прилипание электрона к нейтральным частицам, например:

e + HCl → H + Cl - (12)

Cl +e + Ne → Cl - +e + Ne (13)

отрицательный и положительный ионы могут рекомбинировать как бинарно (перезарядка):

Cl - + Xe + → Xe * + Cl (14)

так и в тройных соударениях:

Xe + + Cl - + Ne → XeCl * + Ne (15)

Реакции (12) и (13) протекают достаточно быстро. Следует заметить необычайную зависимость скорости этих реакций от давления. При давлении ниже одной атмосферы константа скорости этих реакций имеет достаточно большое значение. Реакция типа (13) вносит существенный вклад в образование возбужденных молекул галогенидов инертных газов. Это предположение основано на высоких КПД лазеров, наблюдаемых на молекулах ХеСl. Теоретическим обоснаванием эффективности такого процесса является то, что кривая кулоновской потенциальной энергии вдоль которой происходит движение ионов, пересекает большую часть ковалентных кривых на довольно больших межьядерных расстояниях. Это затрудняет переход электрона от отрицательного к положительному иону, препятствуя образованию ковалентной связи.

V. Реакции, в результате которых образуются молекулы ХеСl * . Помимо реакции (14) наиболее важными являются реакции:

Xe * + HCl(v) → XeCl * + H (16)

NeXe * + Cl - → XeCl * + Nе (17)

Реакциия (13) наиболее существенна, и основной канал образования ХеСl * проходит именно через нее. Данная реакция аналогична взаимодействию между ионом щелочного металла и ионом галогена.

Реакция (15) протекает только в присутсвии неона либо при использование его как буферного газа. Посредством данной реакции образуется 30% молекул ХеСl * и неудивительно, что замена гелия на неон вкачестве буферного газа повышает энергию в импульсе реальных устройств почти вдвое.

VI. Реакции, обуславливающие процессы тушения, протекающие в плазме. К ним, например, относятся реакции:

XeCl * + He → Xe + He + Cl (18)

XeCl * + Xe → 2Xe + Cl (19)

XeCl * + HCl(v) → Xe + HCl + Cl (20)

Наиболее важной, по крайней мере, при низком давлении, является прямое тушение в столкновениях с галогеносодержащими молекулами (18). Константа скорости такой реакции достаточно высока, т. е. тушение происходит при каждом столкновении. Для типичной газовой смеси время тушения 10 нс. Столь быстрое тушение электронно-возбужденных молекул наблюдается давольно часто и связано с передачей энергии тушащей молекуле.

VII.Реакции с излучением. Вот некоторые из них:

XeCl * + hν → Xe + 2hν (21)

Cl - + hν → Cl +e (22)

He * + hν → He + + e (23)

HeXe + hν → Xe + + He (24)

VIII.Реакции с примесями, например:

HCl + O 2 → 4ClO 2 + 2H 2 O (25)

Xe * + O 2 → XeO (26)

Xe * + H 2 O →XeO + H 2 (27)

Они обусловлены тем, что несмотря на строгие требования к чистоте газов, газовая смесь может содержать до 1% О 2 ,N 2 H 2 ,CO 2 ,H 2 O. Вода является главной вредной примесью в газовых смесях эксимерных лазеров.

Кроме вышеприведенных реакций в плазме протекает еще значительное количество побочных, которые в основном уводят энергию из основного канала. Все полезные возбужденные состояния достаточно короткоживущие, дополнительно тушатся при взаимных столкновениях и столкновениях с другими образованиями в плазме. Тем не менее, можно считать, что основные реакции, приводящие к образованию возбужденных галогенидов инертных газов, протекают достаточно быстро и эффективно. Учитывая все эти процессы, а так же потери в схеме возбуждения, можно оценить, что в реальных устройствах в образованиe молекул ХеСl, в лучшем случае вкладывается только 8-10% энергии, запасенной первоначально в накопительных емкостях.

ВОЗБУЖДЕНИЕ АТОМА И МОЛЕКУЛЫ - квантовый переход атома или молекулы с более низкого (напр., основного) уровня энергии на более высокий при поглощении ими фотонов (фотовозбуждение) или при столкновениях с электронами и др. частицами (возбуждение ударом).

Под действием света относительно слабой интенсивности В. а. и м. происходит в результате поглощения одного фотона частоты и энергии , где - энергии нач. и конечных уровней энергии атомной системы (с учётом ширины уровней). Сечение фотопоглощения равно:

где - длина волны света, - статистич. веса начальных и конечных уровней энергии; безразмерная величина - вероятность спонтанного испускания, приходящаяся на единичный интервал частот, зависящая от сорта атомов и характеристик уровней энергии

При столкновениях с электронами и др. атомными акт В. а. им. характеризуется сечением возбуждения , зависящим от строения сталкивающихся частиц и скорости их относит. движения v (см. Столкновения атомные ).Для анализа кинетики возбуждения используется величина, наз. скоростью возбуждения:

где - ф-ция распределения по скоростям возбуждающих частиц. Кинетич. энергия частиц, равная энергии перехода в атоме (молекуле), наз. пороговой. При возбуждении нейтральных атомов (кроме водорода) электронами пороговой энергии равно нулю. С ростом энергии электронов вплоть до значений порядка 2-5 пороговых (в зависимости от строения электронных оболочек) возрастает, а при больших энергиях начинает убывать. На возрастающей части кривой зависимости от энергии электронов возможно наличие неск. максимумов, связанных с разл. квантовых состояний атома (см. Интерференция состояний ).

Для атома водорода сечения возбуждения конечны и при пороговых значениях энергии электронов, что связано с наличием вырождения уровней с разл. значениями орбитального квантового числа (рис. 1). Для всех положит. ионов сечения а возбуждения также конечны при пороговых значениях энергии электронов вследствие дальнодействующего взаимодействия между ионом и внеш. электроном.

Возбуждение атомов в столкновениях с ионами и др. атомами эффективно при кинетич. энергии сталкивающихся частиц ~100 эВ и выше. При меньших энергиях они крайне малы и в области пороговых энергий экспериментально не наблюдались. Качеств. подобие сечений межатомных столкновений сечениям электронно-атомных столкновений реализуется в масштабе скоростей относит. движения - при скоростях порядка и больше скоростей орбитальных электронов. При меньших скоростях (т. н. медленных столкновениях) механизм возбуждения объясняется образованием квазимолекулы в процессе столкновения и переходом электронов между молекулярными уровнями энергии. На рис. 2 показано сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода протонным ударом.

Рис. 1. Сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с электронами в зависимости от энергии электронов; точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая.

Возбуждение молекул при атомных столкновениях характеризуется большим многообразием процессов в связи с наличием колебат. и вращат. структуры их уровней энергии. Возбуждение электронных переходов (при усреднении по колебательно-вращат. состояниям) в целом описывается теми же закономерностями, что и возбуждение атомов. Колебат. и электронно-колебат. переходы исследованы полнее, чем вращательные.

Рис. 2. Сечение возбуждения перехода 1-2 в атоме водорода при столкновении с протонами в зависимости от энергии протонов; точки - экспериментальные данные, сплошная кривая - теоретическая.

В атомно-молекулярных столкновениях могут возбуждаться обе сталкивающиеся частицы. К образованию атомов (и молекул) в возбуждённом состоянии может приводить также фотодиссоциация молекул (см. -Диссоциация молекулы ),перезарядка ионов при столкновении с атомами и молекулами.

Лит.: Собельман И. И., Введение в теорию атомных спектров, M., 1977; Делоне H. Б., Крайнов В. П., Атом в сильном световом поле, M., 1978; Друкарев Г. Ф., Столкновения электронов с атомами и молекулами, M., 1978; Вайнштейн Л. А., Собельман И. И., Юков E. А., Возбуждение атомов и , M., 1979.

Л. П. Пресняков .

Если оно зеленое или дергается – это биология.
Если воняет – это химия.
Если не работает – это физика.

Сборник афоризмов
БОЛЬШОЙ ЭНЦИКЛОПЕДИИ КИРИЛЛА И МЕФОДИЯ 2003.

9-й класс.

1. . Подъемная сила какого газа, в 2, 25 раза меньше подъемной силы водорода (на воздухе). Ответ подтвердите расчетом.

2. . Для оценки среднего расстояния d между молекулами или атомами в веществе можно использовать простую модель, согласно которой каждая молекула (атом) движется внутри куба с ребром d . Найдите значение d при нормальных условиях для:

а) молекул идеального газа;
б) молекул воды;
в) атомов титана.

Необходимые для расчетов значения плотности веществ возьмите из справочной литературы.

3. . В одном из учебников написано: “Если известны округленная до целого числа относительная атомная масса элемента (Ar) и его порядковый номер (Z) , то можно найти число нейтронов (N) по разности N = Ar – Z ”.

Приведите по два примера элементов, подтверждающих и опровергающих это утверждение. В решении учитывайте только те изотопы, которые входят в состав земной коры.

4.. Содержание основных элементов в человеческом организме примерно равно (в масс. % ):

Рассчитайте:

а) суммарную массу (в г) ,
б) суммарный заряд (в Кл)

электронов, находящихся в организме взрослого мужчины массой в 70 кг .

5. . Из окна “Жигулей” на обочину дороги водитель выбросил пустую алюминиевую банку из-под “Пепси”. Производство алюминия требует затрат энергии. Представьте себе, что водитель не выбросил банку, а сдал ее на переработку; сэкономленную энергию ему отдали в виде бесплатного бензина. Какое расстояние сможет проехать его автомобиль на этом бензине (за одну банку), если известно:

– масса банки – 15, 0 г ;

– теплота образования оксида алюминия (руда) – 1676 кДж/моль ;

– коэффициент использования электрической энергии при получении алюминия из оксида с учетом подготовки сырья – 45 % ;

– коэффициент использования энергии топлива для получения электроэнергии на тепловой электростанции – 35 % ;

– при сгорании 1 л бензина выделяется энергия 34000 кДж ;

– расход бензина автомобилем – 6 л на 100 км ?

6. . Плотность газообразного гелия равна 0, 17847 г/л при нормальных условиях (температура 273, 15 К , давление 101, 33 кПа ).

1) Вычислите молярные объемы гелия и идеального газа при нормальных условиях. (Универсальная газовая постоянная R = 8, 3144 Дж/(моль. К) ).

2) Различие между реальным и идеальным молярными объемами гелия вызвано тем, что в модели идеального газа частицы считаются точками, а атомы гелия имеют конечный размер (межатомным взаимодействием в гелии можно пренебречь). Исходя из этого различия, оцените объем и радиус атомов гелия, считая, что они имеют шарообразную форму (постоянная Авогадро N A = 6, 0221 . 10 23 моль -1 ).

7. . Самый легкий инертный газ – гелий – был открыт на Солнце методом спектрального анализа в 1868 г. На земле его впервые обнаружили лишь спустя 27 лет при растворении в кислотах минерала клевеита.

1. Откуда в клевеите взялся инертный газ?

2. Напишите уравнение растворения клевеита в концентрированной азотной кислоте.

8. . Полиэтиленовый пакет, содержащий 5, 6 л метана (при н. у.), свободно парит в воздухе (не поднимается и не опускается). Формула метана – СН 4 , полиэтилена – (С 2 Н 4) n . Определите, сколько граммов воды получится при сгорании пакета вместе с содержимым в избытке воздуха. Объемом полиэтилена при расчетах можно пренебречь.

10-й класс.

1. . Даны результаты двух опытов по определению молярных масс газов:

1) 0, 25 г оксида азота, содержащего 30, 4 % азота по массе, занимают объем 80, 3 мл при температуре 25 ? С и давлении 740 мм ртутного столба ;

2) 1, 00 оксида серы, содержащего 40 % серы по массе, при нагревании в кварцевой ампуле объемом 20 мл создает давление 37, 9 атм при температуре 400 ? С .

Найдите молярные массы обоих газов при описанных условиях. Из каких молекул состоят эти газы в условиях экспериментов?

2. . В некоторых вариантах Периодической системы имеется нулевой период, в который помещен один-единственный элемент, обозначенный символом Nn .

Попытайтесь расшифровать, что может обозначать этот символ, и какие доводы могут приводить авторы таких вариантов Периодической системы в обоснование существования нулевого периода.

3. . Непредельный углеводород норборнадиен при освещении изомеризуется в предельный углеводород квадрициклан, а при действии катализатора протекает обратная реакция:

Эта реакция может быть использована в фотохимических аккумуляторах солнечной энергии.

При полном сгорании 1, 00 г норборнадиена и квадрициклана выделяется соответственно 39, 8 и 41, 9 кДж теплоты.

1) Напишите уравнения реакций сгорания.

2) Определите мольные теплоты образования данных углеводородов, если теплоты образования углекислого газа и воды равны 393, 5 и 285 кДж/моль соответственно.

3) Какова минимальная длина волны света, который может вызвать превращение норборнадиена в квадрициклан? Постоянная Планка h = 6, 62 . 10 -34 Дж. с , скорость света с = 3 . 10 8 м/с .

4. . Важнейшим свойством растворов является наличие внутреннего (осмотического) давления р , которое может быть вычислено по формуле

р = сRТ, где с – молярная концентрация растворенного вещества, R – газовая постоянная, Т – температура раствора.

Измерение величины осмотического давления широко используется для определения молярных масс растворенных веществ.

1) Выведите формулу для вычисления молярной массы вещества, если известно, что раствор объемом V мл , содержащий m г вещества, развивает осмотическое давление р атм .

2) В первой четверти XIX века были получены два изомерных соединения, содержащие 20, 0 % углерода, 46, 7 % азота, 6, 7 % водорода (по массе) и кислород. Определите молекулярную формулу этих веществ.

3) Растворы объемом 250 мл , содержащие по 0, 30 г каждого из этих веществ, развивают осмотическое давление 0, 49 и 0, 84 атм при температуре 25 ? С . Объясните, почему значение молярной массы второго соединения отличается от молярной массы первого не в целое число раз.

4) Объясните, почему растение на засоленных почвах засыхает, а руки при длительном пребывании в воде разбухают.

5. . Период полураспада радиоактивного изотопа 14 С – 5730 лет . При археологических раскопках было найдено дерево, содержание 14 С в котором составляет 56 % от нормального. Каков возраст дерева?

11-й класс.

1. . Источником солнечной энергии служит следующая последовательность реакций ядерного синтеза:

1 H + 1 H > 2 H + + + ,

2 H + 1 H > 3 He + ,

3 He + 3 He > 4 He +2 1 H,

где + означает позитрон (антиэлектрон), – нейтрино, – гамма-излучение.

1) Напишите суммарное уравнение процесса “горения” водорода на Солнце.

2) Рассчитайте, какая масса (в а. е. м.) теряется при образовании одного ядра атома гелия в этом процессе.

3) Используя формулу Эйнштейна E = mc 2 , найдите, сколько энергии выделяется в данном процессе ядерного синтеза из 1 г водорода.

4) Во сколько раз эта энергия больше, чем энергия, выделяющаяся при сгорании 1 г водорода в атмосфере кислорода?

При расчетах используйте следующие данные: m(1 H) = 1, 00727, m( +) = 0, 0005486, m(4 He) = 4, 00273 (массы выражены в а. е. м. ), теплота образования жидкой воды 286 кДж/моль.

2. . Все свои энергетические затраты человек покрывает за счет питания и дыхания. Пища – сложная смесь химических соединений, состоящая из белков, жиров, углеводов и многих других компонентов. Известно, что показателем энергетических затрат человека может служить скорость потребления им кислорода. Измерения показали, что 1 л израсходованного кислорода соответствует энергии, равной 20, 1 кДж . Исходя из этих данных, попробуйте найти такое химическое соединение из приведенного ниже списка, которое лучше всего “ моделирует” пищу человека с точки зрения выделения энергии при полном окислении этого соединения одним литром кислорода в тех же условиях. Для каждого соединения указана стандартная теплота его образования (в кДж/моль ) при температуре человеческого тела, а при необходимости – агрегатное состояние.

Указание. Считайте, что реакция сгорания протекает при температуре человеческого тела.

3. . При сжигании 1 моля вещества Х образуется только газ Y объемом

1, 344 л при н. у. ( = 1, 96 г/л) . Определите вещество Х . Что вы знаете об этом веществе?

4. . В межзвездном пространстве при определенных условиях может происходить рекомбинация протонов и электронов, в результате которой образуются сильно возбужденные атомы водорода, имеющие гигантские размеры (вплоть до нескольких миллиметров).

Для описания атома водорода удобно использовать теорию Н. Бора, в которой предполагается, что электрон движется со скоростью v вокруг ядра с зарядом +1 (в единицах заряда электрона) по окружности радиуса r . Скорость электрона v и радиус орбиты r связаны законом Ньютона, согласно которому сила притяжения электрона к ядру равна центробежной силе:

(m – масса электрона), и соотношением Бора, утверждающим, что момент импульса электрона может принимать только дискретные значения:

(h – постоянная Планка, n – главное квантовое число).

1) Найдите зависимость радиуса орбиты электрона от главного квантового числа.

2) При каком значении n радиус орбиты электрона превысит 0, 1 мм , если радиус первой орбиты (называемый “Боровским радиусом”) равен 0, 0529 нм ? С помощью каких методов можно обнаружить такие атомы водорода?

5. . Известно, что инертные газы гелий, неон и аргон не образуют устойчивых ковалентных соединений. Тем не менее, молекулы, содержащие атомы этих элементов, можно зарегистрировать в газовой фазе спектроскопическими методами.

Молекула Не 2 может образоваться в возбужденном электронном состоянии при столкновении атомов гелия, хотя бы один из которых возбужден. Эта молекула довольно быстро (за время порядка 10 -8 с ) испускает квант света и переходит в неустойчивое основное состояние, которое распадается на атомы. Молекулы такого типа, которые существуют только в возбужденном состоянии, называются эксимерами. Некоторые из них служат основой для создания мощных ультрафиолетовых лазеров.

1) Напишите электронную конфигурацию первого возбужденного состояния атома гелия.

2) Найдите длину волны излучения, испускаемого молекулой Не 2 , находящейся в первом возбужденном состоянии, если известно, что минимальная энергия, необходимая для возбуждения атома гелия, равна 2400 кДж/моль , а энергия связи ядер в молекуле Не 2 равна 650 кДж/моль . Постоянная Планка h = 6, 62 . 10 -34 Дж. с , скорость света с = 3 . 10 8 м/с.

6. . Примерно через 5 млрд. лет на Солнце закончиться водород, который в результате реакции ядерного синтеза полностью перейдет в гелий. Под действием гравитационных сил звезда сожмется, температура возрастет, и начнется реакция “горения” гелия, которая описывается схемой:

4 He + 4 He > 8 Be + ,

8 Be + 4 He > 12 C +

( – электромагнитное излучение).

Напишите суммарное уравнение процесса “горения” гелия на Солнце.

Рассчитайте, какая масса (в а. е. м. ) теряется при образовании одного ядра атома углерода в этом процессе.

Используя формулу Эйнштейна E = mc 2 , найдите, сколько энергии выделяется при образовании 1 г углерода из гелия.

При расчетах используйте значение

m(4 He) = 4, 00273 а. е. м.

7. . В некоторой вселенной местные химики и физики изучали строение атома и установили следующее: а) состояние электрона в атоме описывается пятью квантовыми числами n, l, m l , s, m s : б) s – орбиталей не существует, а f – орбитали появляются на третьем энергетическом уровне; в) число орбиталей на n -м энергетическом уровне равно n 2 ; г) число электронов на n -м энергетическом уровне равно 3n 2 .

1. Установите правила отбора для квантовых чисел n, l, m l , m s .

2. Чему равен спин электрона в этой вселенной?

3. Как местные ученые называют атом и электрон, если первое название происходит от слова “сложный”, а второе – от слова “двусмысленный”?

8. . Ядерный заряд, хранящийся в боевой ракете, содержит два куска 239 Pu массой 8, 0 кг и 7, 5 кг . Период полураспада этого нуклида – 24100 лет , критическая масса – 11 кг .

1. Какое время должно пройти, чтобы запуск ракеты не привел к ядерному взрыву?

2. Плутоний – 239 накапливают в ядерных реакторах при длительном облучении нейтронами природного урана, содержащего в основном нуклид 238 U . Напишите уравнения происходящих при этом ядерных реакций.

Ответы и решения.

Литература.

1. Сборник задач по физике: Уч. пособие / Л. П. Баканина, В. Е. Белонучкин, С. М. Козел, И. П. Мазанько; Под ред. С. М. Козелла. – М.: Наука. Гл. ред. физ. – мат. лит., 1990.

2. Третья Соросовская олимпиада школьников 1996 – 1997. М.: МЦНМО, 1997.

3. Четвертая Соросовская олимпиада школьников 1997 – 1998. М.: МЦНМО, 1998.