מחבר: יורם קירש

שנת ההוצאה: תשנ"ט 1998

מילות מפתח: תורת הקוואנטים; פיסיקה גרעינית; קוואנטים; קואנטים; קוונטים; קונטים; פיסיקה; פיזיקה; פיזיקה גרעינית

הספר הוא חק מהסדרה יסודות הפיסיקה ב.  ספר זה עוסק בנושאים הבאים: תורת היחסות,מכניקה קוונטית ומבנה האטום,הפיסיקה של הגרעין והחלקיקים היסודיים. אל הספר

נושא/נושאים: , יסודות הפיזיקה, פיסיקה

תוכן הספר:

• יסודות הפיסיקה ב מגנטיות, גלים, אופטיקה ופיסיקה מודרנית יחידות 6-5

• תוכן הכרך

• יחידה 5 פיסיקה מודרנית: תורת היחסות, מכניקה קוונטית ומבנה האטום

• תוכן היחידה

• פרק 1: פיסיקה קלאסית ופיסיקה מודרנית

• 1.1 התיאוריות הבסיסיות של הפיסיקה הקלסית

• 1.2 בעיות לא פתורות

• 1.3 משבר הפיסיקה הקלאסית ומהפכת הפיסיקה המודרנית

• פרק 2: תורת היחסות המצומצמת

• 2.1 התארכות הזמן

• אייר ?:2.1? ץ כפונקציה של vie

• 2.2 התכווצות האורך

• 2.3 מהירות האור היא גבול עליון למהירות

• 2.4 חיבור מהירויות

• 2.5 גידול המסה

• 2.6 שקילות האנרגיה והמסה

• 2.7 תנע יחסותי

• פרק 3: מודל הפוטונים והדואליות של האור

• 3.1 קרינת גוף שחור

• איור ?:3.1? הספקטרום של קרינת גוף שחור בארבע טמפרטורות שונות. הגרף מציג את עוצמת האנרגיה הקרינתית, ?,/? כפונקציה של אורך הגל, ג. הטמפרטורה נמדדת במעלות קלווין (למעשה, / מודד את צפיפות האנרגיה. יחידה על הציר האנכי מייצגת ?10 6? ג'אול למטר מעוקב?.(?

• 3.2 האפקט הפוטואלקטרי

• איור ?:3.2? תא פוטואלקטרי

• 3.3 תכונות הפוטונים

• טבלה ?:1? תכונות הפוטונים

• 3.4 קרני x, אפקט קומפטון ותגובות פוטוכימיות

• א»ור ?:3.3? תיאור סכימתי של שפופרת קרני ?.x? האלקטרונים הנפלטים מהקתודה המחוממת מואצים במתח של עשרות אלפי וולטים ונכלמים באנודה. האנודה נטויה באופן שהקרינה הנפלטת ממנה יוצאת דרך דופן הזכוכית של השפופרת.

• א?)»?ו* ?:3.4? ספקטרום רציף של קרינת x במתחים שונים.

• 3.5 הדואליות של האור

• פרק 4: מודל בוהר

• 4.1 הקשיים של מודל רתרפורד

• 4.2 מודל בוהר של אטום המימן

• איור ?:4.1? קווי הספקטרום של המימן בתחום הנראה ובתחום האולטרה־סגול. למעלה מופיעים אורכי הגל, הנתונים בננו־מטרים.

• איור ?:4.2? שלושת המסלולים הפנימיים המותרים לאלקטרון באטום המימן, לפי מודל בוהר.

• א?1*?ר ?:4.3? דיאגרמת רמות אנרגיה של אטום המימן. המעברים בין הרמות מתאימים לסדרות של אורכי גל בספקטרום של האור שהאטום פולט.

• 4.3 ניסוי פרנק והרץ וחוק מוזלי

• א?1»?ר ?:4.4? השפופרת בניסוי פרנק והרץ

• איור ?:4.5? הזרם / כפונקציה של המתח, ?,V? בניסוי פרנק והרץ.

• איור ?:4.6? ספקטרום טיפוסי של קרינת ?.x? על הספקטרום הרציף, התלוי רק במתח שבשפופרת, מופיעות סדרות של קווים האופייניות ליסוד הפולט.

• איור ?'AJ7? תיאור סכימתי של קליפות האלקטרונים באטום.

• איור ?:4.8? רמות האנרגיה והמעברים היוצרים את הספקטרום הבדיד של קרינת ?.x?

• פרק 5: אטומים מרובי אלקטרונים והטבלה המחזורית

• איור ?:5.1? האנרגיה הממוצעת של הקליפות ושל התת־קליפות באטום. בסוגריים — מספר האלקטרונים שהקליפה, או התת־קליפה, יכולה להכיל. טבלה ?5.1?

• ללא כותרת

• איור ?:5.2? המרווחים בין התת־רמות כפונקציה של Z

• א?1»?ר ?:5.3? אנרגיית היינון של היסודות עד ?Z = 60? לגזים האצילים הליום ?,(He)? ניאון ?,(Ne)? ארגון ?,(Ar)? קריפטון ?(Kr)? וקסנון ?(Xe)? יש אנרגיית יינון גבוהה ביחס ליסודות שבסביבתם.

• איור ?:5.^? אנרגיית הטבלה המחזורית היינון, בא"ו של . היסודות היסודות. שעד מעל 92 לסמל ?Z =? הכימי מצויים מופיע בטבע המספר . היסודות האטומי הכבדים ?(Z)? ומ יותר תחתיו ,שמעל — ל־?,92?הם יסודות מלאכותיים שנוצרו בידי אדם.

• פרק 6: מכניקה קוונטית

• 6.1 הכשלונות של מודל בוהר

• 6.2 האופי הגלי של חלקיקי החומר

• איור ?:6,1? אם האלקטרון הוא גל, היקף המסלול שלו חייב להיות שווה למספר שלם של אורכי גל (א?,(? אחרת הגל יתאבך התאבכות הורסת ויבטל את עצמו (ב?.(?

• 6.3 משוואת שרדינגר

• 6.4 ניסוחים נוספים של מכניקת הקוונטים

• 6.5 הסתברות בתורת הקוונטים

• 6.6 עקרון אי־הוודאות

• א?1>?ר ?AX :6.2? הוא הרוחב של הקו הספקטרלי.

• איור ?6.3?

• 6.7 סופרפוזיציה של מצבים קוונטיים

• פרק 7: רמות האנרגיה של האלקטרונים באטום על־פי מכניקת הקוונטים, וגילוי הספין

• 7.1 פתרון משוואת שרדינגר לאטום המימן

• איול ?:7.1? התלות של ?11//| 2? במצב ?pmnn ,is? מהגרעין ?Xr)? הגרף מתאר למעשה את ההסתברות למצוא את האלקטרון במרחק r מהגרעין, כאשר נעים על קו ישר.

• ?\ y/\ 2 :7.2 r ccd? במצב ?2p? מיוצגת כאן על־ידי: (א) קווים שווי־הסתברות. (ב) תרשים נקודות, שבו ככל שהנקודות צפופות יותר, ההסתברות למצוא את האלקטרון באותו מקום גדולה יותר.

• איור ?:7.3? התלות המרחבית של שלוש הפונקציות 2 ן^ו ן במצב ?2p?

• איור ?:7.4? חמשת האורביטלים בתת־קליפה ?.3^?

• 7.2 תנע זוויתי במכניקת הקוונטים

• איור ?:7.5? התנע הזוויתי הוא וקטור. כאשר חלקיק בעל מסה m נע במעגל ברדיוס ־?,/? גודל התנע הזוויתי שלו הוא ?,L = mvr? כאשר v היא המהירות הקווית. הכיוון של הווקטור L מתייחס לכיוון הסיבוב, כמו מגמת הסיבוב של בורג "ימני" לכיוון התקדמותו.

• איור ?:7.6? (א) ?L 2? הוא ההיטל של וקטור התנע הזוויתי L על כיוון במרחב (כיוון של שדה מגנטי למשל?L z .(? הוא תמיד כפולה שלמה של fi כלומר, ?L = mh? כאשר ?"1? הוא מספר ?, z? שלם. (ב) ההיטל של L יכול להיות בכיוון החיובי או השלילי של ציר 2 לכן, m יכול להיות מספר חיובי או שלילי (או אפס?.(? למשל, כאשר ?L z - \ L = hJ6 / = 2? יכול לקבל את הערכים ?-2 ,-1 ,0 ,1 ,2? (ביחידות של ?.{h?

• איור ?:7.7? תיאור סכימתי של L ושל L במודל בוהר. במודל זה ההיטל של L על ציר z יכול ?, z? לקבל כל ערך שהוא, ועל כן אין הגבלה על הזווית בין L לציר z הערך המקסימלי של L שווה, לפי מודל בוהר, ל־£ .

• 7.3 המספרים הקוונטיים

• טבלה ?1.1?

• 7.4 גילוי הספין של האלקטרון

• 7.5 אטומים מרובי־אלקטרונים ועקרון פאולי

• שאלות סיכום ליחידה 5

• איור 2

• איור 1

• תשובות לשאלות בגוף יחידה 5

• תשובות לשאלות סיכום

• נספח 1: נוסחת פלאנק לקרינת גוף שחור

• נספח 2: משוואת שרדינגר

• נספח 3: המומנט המגנטי של האטום ושל חלקיקים תת־אטומיים

• איןף 0 גןךלן של המןמנט (הדיפולי) המגנטי של לולאת זרם שטוחה, ששטחה ?,A? הוא ?.m IA? המומנט = המגנטי הוא וקטור, שכיוונו ניצב למשטח שהלולאה מקיפה י

• איור ?:2? מומנט הכוח הפועל על מגנט מוט הנמצא בשדה מגנטי חיצוני אחיד (א?.(? המומנט שואף להביא את המגנט למצב שבו המומנט המגנטי שלו יהיה מקביל לשדה (ב?.(? דוגמא לתופעה זו היא ההתייצבות של מוט המצפן בכיוון השדה המגנטי של כדור־הארץ.

• איור 3

• ללא כותרת

• יחידה 6 הפיסיקה של הגרעין וחלקיקים היסודיים

• תוכן היחידה

• פרק 1: מבנה הגרעין

• 1.1 מרכיבי הגרעין

• טבלה ?:1.1? המסה, המטען והספין של חלקיקי היסוד המרכיבים את האטום

• פרק 2: כוחות גרעיניים ואנרגיית הקשר הגרעינית

• 2.1 הכוח החזק

• 2.2 אנרגיית הקשר הגרעינית ופחת המסה

• א>ור ?:2.1? אנרגיית הקשר הממוצעת לנוקלאון כפונקציה של מספר המסה?.A,?

• 2.3 יציבות של גרעינים

• N ־VJ u ־vj ??a? G u 0

• פרק 3: מודלים של הגרעין

• 3.1 מודל הטיפה

• 3.2 רמות אנרגיה בגרעין

• איול ?:3.1? רמות אנרגיה של פרוטונים ושל ניטרונים בגרעין.

• איור ?:3.2? השוואה בין רמות אנרגיה של גרעין הנתרן ושל אטום הנתרן.

• 3.3 מודל הקליפות

• איוו IA

• איור ?:3.3? סדר הרמות הגרעיניות הנמוכות.

• איור ?3.5?

• 3.4 הספין של הגרעין

• 3.5 המודל הקולקטיבי

• פרק 4: רדיואקטיביות

• 4.1 עובדות יסוד

• 4.2 אקטיביות וזמן מחצית החיים

• איור ?:4.1? הירידה באקטיביות של איזוטופ שזמן מחצית־החיים שלו הוא 10 שעות.

• 4.3 סדרות רדיואקטיביות

• טבלה ?4.1? ארבע הסדרות הרדיואקטיביות

• איור ?:4.3? סדרת הנפטוניום

• איור ?:4.2? סדרת התוריום

• איור ?:4.4? סדרת האורניום

• איור ?:4.5? סדרת האקטיניום

• 4.4 רדיואקטיביות ויציבות הגרעין

• איור ?4.6?

• 4.5 מדידת קרינה רדיואקטיבית וסיכוני קרינה

• איור ?:4.7? פוטון גמה פוגע בגוש פלסטיק, הפולט בעקבות זאת אור נראה. האור פוגע באלקטרודה הפולטת אלקטרון. האלקטרון מואץ לעבר אלקטרודה שנייה ועוקר ממנה מספר אלקטרונים. לאלקטרודה האחרונה מגיעים אלקטרונים רבים (כמיליון, לכל פוטון של אור נראה) ויוצרים זרם חשמלי הניתן למדידה.

• 4.6 שימושים של איזוטופים רדיואקטיביים

• טבלה ?-A.I? רדיואיזוטופים המשמשים למיפוי איברים ולאיתור גידולים סרטניים

• פרק 5: ביקוע ומיזוג של גרעינים

• 5.1 ביקוע הגרעין

• איור ?5.1?

• 5.2 תגובת שרשרת

• 5.3 כור גרעיני

• איור ?:5.2? מבנה סכימתי של כור גרעיני.

• 5.4 תקלות בכורים

• 5.5 מיזוג גרעיני

• 5.6 תהליכים תרמו־גרעיניים בכוכבים

• 5.7 פצצת מימן וכור תרמו־גרעיני

• פרק 6: חלקיקים יסודיים

• 6.1 האם די בארבעה חלקיקים יסודיים?

• 6.2 אנטי־חלקיקים

• 6.3 הניטרינו

• איור ?:6.1? התפלגות האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הנפלטים בהתפרקות ביתא של ביסמות?.210-? האנרגיה של האלקטרונים האלה היא בין אפס לערך מקסימלי של ?1.17? מא"ו.

• 6.4 משפחת הלפטונים

• טבלה ?:6.1? תכונות המואונים

• טבלה ?:6.2? קבוצת הלפטונים

• 6.5 מזונים

• טבלה ?:6.3? תכונות הפיונים

• 6.6 בריונים

• טבלה ?:6.4? תכונות הבריונים שנתגלו עד 1964

• 6.7 חלקיקים קצרי־חיים

• 6.8 עוד על מיון החלקיקים לקבוצות

• 6.9 תיאוריית הקוארקים

• טבלה ?:6.5? כמה מתכונות הקוארקים ?dv u? ואנטי־חלקיקיהם

• טבלה ?:6.6? הרכב הבריונים היציבים למחצה שהופיעו בטבלה ?,6.4? על־פי תיאוריית הקוארקים

• טבלה ?:6.7? המטענים והמסות של ששת הקוארקים. כנגד כל קוארק בטבלה יש אנטי־קוארק, בעל אותה מסה ובעל מטען חשמלי הפוך. הספין של כל קוארק ואנטי־קוארק הוא ?.1/2? (ערכי המסה בטבלה הם מקורבים)

• איור ?:6.2? (א) שלושת הקוארקים שבפרוטון "מחוברים" זה לזה על־ידי שדה כוח דמוי מיתר גמיש. (ב) כאשר מושכים את אחד הקוארקים, "המיתר" נמתח. (ג) "המיתר" נקרע. (ד) בקצוות שנותקו נוצרים קוארק ואנטי־קוארק חדשים. הפרוטון הפך לניטרון ולפיון חיובי ?ip ->re + 7c + )?

• 6.10 שלושה דורות של לפטונים וקוארקים

• 6.11 החלקיקים הנושאים את הכוחות

• טבלה ?:6.8? את הקוארקים והלפטונים אפשר לסדר בשלושה "דורות" בסדר עולה של המסה. המטענים הם ביחידות המטען היסודי. המסה (בסוגריים) היא ביחידות אנרגיה.

• איור ?:6.3? הדחייה החשמלית בין שני אלקטרונים נובעת, לפי האלקטרודינמיקה הקוונטית מחילופי פוטונים ביניהם. התהליך מתואר באופן סכימתי על־ידי סרטוט זה המכונה "דיאגרמת פיינמן?."?

• איור ?:6.4? דיאגרמות פיינמן המתארות חילופי שני פוטונים, בין שני אלקטרונים החולפים זה ליד זה.

• א?1>?ר ?:6.5? (א) התפרקות ביתא אפשר להציג כהיפוך קוארק d בניטרון לקוארק ?,u? באמצעות פליטת חלקיק ־?,W? שאחר־כך מתפרק לאלקטרון ולאנטי־ניטרינו. (ב) כאשר ניטרינו רב־אנרגיה פוגע בפרוטון, הפרוטון עשוי להתפרק למספר הדרוגים. האינטראקציה כרוכה בחילופי ?Z 0? בין הניטרינו לפרוטון.

• 6.12 הכוח הכרומודינמי "אבי הכוח החזק" והגלואונים

• 6.13 פרמיונים ובוזונים

• טבלה ?:6.9? תכונות החלקיקים הנושאים את הכוחות.

• 6.14 סיכום - המודל הסטנדרטי

• שאלות סיכום ליחידה 6

• ללא כותרת

• תשובות לשאלות בגוף יחידה 6

• תשובות לשאלות סיכום ליחידה 6

• ללא כותרת

• נספח 1: מומנט מגנטי גרעיני ושיטת ה-NMR

• איור ?:1? לקו לימן־אלפא בספקטרום המימן, הקשור למעבר בין רמה 2 לרמה ?,1? יש מבנה על־דק בגלל הפיצול של רמה 1 הנובע מהשפעת השדה המגנטי שיוצר הגרעין על האלקטרון. (הפיצול מתואר באיור בקנה מידה מופרז פי מיליון בקירוב?(.?

• איור ?:2? תיאור סכימתי של ספקטרומטר ?.NMR?

• נספח 2: ניסוח תלות הרדיואקטיביות בזמן בעזרת הפונקציה המעריכית

• איור ?:1? הפונקציה ?y = d- + llxf? מתקרבת באופן אסימפטוטי לקו ?.y = e?

• טבלה 1

• איור ?:2? הפונקציות 1 ו־ ?^ 1?

• ללא כותרת

עמודים:

1  2  3  5  6  7  8  9  10  11  12  13