Реферат з фізики
на тему:
"Атомне ядро"
Москва 2002
Зміст
\ T "Заг1; 1; Заг2; 2" 1 Історія відкриттів в області будови атомного ядра ............................... ..... GOTOBUTTON _Toc354305349 _Toc354305349 3
1.1 Моделі атома до Бора ............................................. ....................................... GOTOBUTTON _Toc354305350 _Toc354305350 3
1.2 Відкриття атомного ядра .............................................. ................................... GOTOBUTTON _Toc354305351 _Toc354305351 4
1.3 Атом Бора ............................................... .................................................. .......... GOTOBUTTON _Toc354305352 _Toc354305352 7
1.4 Розщеплення ядра ............................................... ............................................. GOTOBUTTON _Toc354305353 _Toc354305353 9
1.5 протонно-нейтронної моделі ядра ............................................ ............... GOTOBUTTON _Toc354305354 _Toc354305354 11
1.6 Штучна радіоактивність ............................................... ................. GOTOBUTTON _Toc354305355 _Toc354305355 11
2 Будова і найважливіші властивості атомних ядер ........................................... ... GOTOBUTTON _Toc354305356 _Toc354305356 13
2.1 Основні властивості і будова ядра ............................................ .............. GOTOBUTTON _Toc354305357 _Toc354305357 13
2.2 Енергія зв'язку ядер. Дефект маси ................................................ ............ GOTOBUTTON _Toc354305358 _Toc354305358 15
2.3 Ядерні сили ............................................... .................................................. . GOTOBUTTON _Toc354305359 _Toc354305359 18
2.4 Радіоактивність, g-випромінювання, a і b-розпад ...................................... ..... GOTOBUTTON _Toc354305360 _Toc354305360 19
Література ................................................. .................................................. ................ GOTOBUTTON _Toc354305361 _Toc354305361 21
1 Історія відкриттів в області будови атомного ядра
Вивчення атомного ядра змушує займатися елементарними частинками. Причина цього зрозуміла: в ядрах атомів частинок так мало, що властивості кожної з них окремо не усереднюються, а, навпаки, відіграють визначальну роль.
1.1 Моделі атома до Бора
Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, і квантової теорії - з іншого, привели до створення квантової моделі атома Резерфорда - Бора. Але створенню цієї моделі передували спроби побудувати модель атома на основі уявлень класичної електродинаміки і механіки. У 1904 році з'явилися публікації про будову атома, одні з яких належали японському фізику Хантаро Нагаока, інші - англійському фізику Д.Д. Томсону.
Нагаока представив будову атома аналогічну будові сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якого по встановлених кільцеподібних орбітах рухаються "планети" - електрони. При незначних зсувах електрони збуджують електромагнітні хвилі.
В атомі Томсона позитивну електрику "розподілено" по сфері, у яку вкраплені електрони. У найпростішому атомі водню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. У багатоелектронних атомах електрони розташовуються по стійких конфігураціях, розрахованих Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною для хімічної властивості атомів. Він зробив спробу теоретично пояснити періодичну систему елементів Д.І. Менделєєва. Пізніше Бор вказав, що з часу цієї спроби ідея про поділ електронів в атомі на групи зробилася вихідним пунктом.
Але незабаром виявилося, що нові досліди спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі. Ці факти були відкриті Резерфордом. В першу чергу слід зазначити відкриття ядерної будови атома.
1.2 Відкриття атомного ядра
Уподібнення атома планетної системі робилося ще на початку XX століття. Але цю модель було важко поєднати з моделями електродинаміки, і вона була залишена, поступившись місцем моделі Томсона. Проте в 1904 році почалися дослідження, що призвели до утвердження планетарної моделі.
При вивченні a-частинок Резерфорд, виходячи з моделі Томсона, підрахував, що розсіювання a-часток не може давати великих кутів відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.
7 березня 1911 Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь "Розсіювання a і b-променів і будова атома". У доповіді він, зокрема, говорив: "Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому влаштуванні a і b-частинки, коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала ".
Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, який Резерфорд поклав рівним ± Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. "Точне значення заряду центрального ядра не було визначено, - писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду".
З подальших досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, котрі робили перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро як стійкої частини атома, що несе в собі майже всю масу атома і володіє позитивним (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним) зарядом. При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.
Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: "З самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом ... "
Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.
Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи "Про серіальному спектрі водню" і "Про квантової теорії випромінювання в структурі атома". У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.
У 1936 році Бор виступив зі статтею "Захоплення нейтрона і будова ядра", в якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказуються краплинної моделлю, поки на початку 1939 р. не було відкрито розподіл урану.
1.3 Атом Бора
Бор, як і Томсон до нього, шукав таке розташування електронів в атомі, яке пояснило б його фізичні і хімічні властивості. Бор бере за основу модель Резерфорда. Йому також відомо, що заряд ядра і число електронів у ньому, дорівнює кількості одиниць заряду, визначається місцем елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. Таким чином, це важливий крок у розумінні фізико-хімічних властивостей елемента. Але залишаються незрозумілими дві речі: надзвичайна стійкість атомів, несумісна з уявленнями про рух електронів по замкнутих орбітах, і походження їхніх спектрів, що складаються з цілком визначених ліній. Така визначеність спектра, його яскраво виражена хімічна індивідуальність, очевидно, якось пов'язана зі структурою атома. Все це важко пов'язати з універсальністю електрона, заряд і маса якого не залежать від природи атома, до складу якого вони входять. Стійкість атома в цілому суперечить законам електродинаміки, згідно яким електрони, роблячи періодичні рухи, повинні безупинно випромінювати енергію і, втрачаючи її, "падати" на ядро. До того ж і характер руху електрона, що пояснюється законами електродинаміки, не може приводити до таких характерних лінійчатим спектрами, які спостерігаються насправді. Лінії спектру групуються в серії, вони згущуються в короткохвильовому "хвості" серії, частоти ліній відповідних серій підпорядковані дивним арифметичним законам.
"Основним результатом ретельного аналізу видимої серії лінійчатих спектрів і їхніх взаємин, - писав Бор, - було встановлення того факту, що частота u кожної лінії спектра цього елемента може бути представлена з незвичайною точністю формулою u = Tґ - Tґґ, де Tґ і Tґґ - які -то два члени з безлічі спектральних елементів Т, які характеризують елемент ".
Бору вдалося знайти пояснення цього основного закону спектроскопії. Але для цього йому довелося ввести у фізику атома уявлення про стаціонарних станах атомів, перебуваючи в яких електрон не випромінює, хоч і здійснює періодичний рух по круговій орбіті.
1.4 Розщеплення ядра
У 1919 році Резерфордом було зроблено нове сенсаційне відкриття - розщеплення ядра.
Резерфорд вивчав зіткнення a-частинок із легкими атомами. Зіткнення a-частинки з ядрами таких атомів повинні їх прискорювати. Так, при ударі a-частинки про ядро водню воно збільшує свою швидкість у 1,6 рази, і ядро відбирає у a-частинки 64% її енергії.
Прилад, що застосовувався Резерфордом для випромінювання таких зіткнень, представляв собою латунну камеру довжиною 18 см, заввишки 6 см і шириною 2 см. Джерелом a-частинок служив металевий диск, покритий активною речовиною. Диск містився всередині камери і міг встановлюватися на різних відстанях від екрана з сірчистого цинку. Камера могла заповнюватися різними газами. Зокрема, її заповнювали азотом.
За допомогою численних дослідів Резерфорд показав, що в результаті таких зіткнень виходять частинки з максимальним пробігом, таким же, як у Н-атомів. "З отриманих досі результатів, - писав Резерфорд, - важко уникнути висновку, що атоми з великим пробігом, які виникають при зіткненні a-частинок з азотом, є не атомами азоту, але, цілком ймовірно, атомами водню або атомами з масою 2 . Якщо це так, то ми повинні зробити висновок, що атом азоту розпадається внаслідок величезних сил, що розвиваються при зіткненні зі швидкою a-частинкою, і що освобождающийся водневий атом утворює складову частину атома ".
Так було відкрито явище розщеплення ядер азоту при ударах швидких a-частинок і вперше висловлена думка, що ядра водню представляють собою складову частину ядер атомів. Згодом Резерфорд запропонував термін "протон" для цієї складової частини ядра. Резерфорд закінчував свою статтю словами: "Результати в цілому вказують на те, що якщо a-частинки або подібні до них швидко рухомі частинки зі значно більшою енергією могли б застосовуватися для дослідів, то можна було б виявити руйнування ядерних структур багатьох легких атомів".
У 1920 році Резерфорд в лекції "нуклеарною будова атома" робить припущення про те, що існують ядра з масою 3 і 2 та ядра з масою ядра водню, але з нульовим зарядом. При цьому він виходив з гіпотези, висловленої вперше М. Склодовської-Кюрі, що до складу ядра входять електрони.
Резерфорд пише, що йому "здається вельми правдоподібним, що один електрон може зв'язати два Н-ядра і, можливо, навіть і одне Н-ядро. Якщо справедливо перше припущення, то воно вказує на можливість існування атома з масою близько 2 і з одним зарядом. Така речовина потрібно розглядати як ізотоп водню. Друге припущення містить в собі думку про можливість існування атома з масою 1 і нуклеарні зарядом, рівним нулю. Подібні освіти є цілком можливими ". Так була висловлена гіпотеза про існування нейтрона і важкого ізотопу водню.
1.5 протонно-нейтронної моделі ядра
У 1932 році Д.Д. Іваненко опублікував замітку, в якій висловив припущення, що нейтрон є разом з протоном структурним елементом ядра. Однак протонно-нейтронна модель ядра була зустрінута більшістю фізиків скептично. Навіть Резерфорд вважав, що нейтрон - це лише складне утворення протона і електрона.
У 1933 році Іваненко на конференції в Ленінграді зробив доповідь про моделі ядра, в якому він захищав протонно-нейтронну модель, сформулювавши основний тезу: у ядрі є тільки важкі частинки. Іваненко відкинув ідеї про складну структуру нейтрона й протона. На його думку, обидві частинки повинні мати однаковим ступенем елементарності, тобто і нейтрон, і протон можуть переходити один в одного. Надалі протон і нейтрон почали розглядатися як два стани однієї частинки - нуклона, й ідея Іваненко стала загальноприйнятою, а в 1932 році в складі космічних променів була відкрита ще одна елементарна частинка - позитрон.
1.6 Штучна радіоактивність
У 1934 році Фредерік Жоліо і Ірен Кюрі повідомили про б відкритті ними нового виду радіоактивності. Їм вдалося довести методом камери Вільсона, що деякі легкі елементи (берилій, бор, алюміній) випускають позитивні електрони при бомбардуванні їх a-частинками полонія. Жоліо і Кюрі, досліджуючи це явище, показали, що в цьому випадку виникає новий етап радіоактивності, супроводжуваний випусканням позитивних електронів. Вони вперше штучно викликали радіоактивність, створивши нові радіоактивні ізотопи, не спостерігаються до цього в природі і були нагороджені за це видатне відкриття Нобелівською премією.
На сьогоднішній день теорія атомного ядра одержала подальший розвиток, і в наступному розділі розглядається її актуальний стан.
2 Будова і найважливіші властивості атомних ядер
2.1 Основні властивості і будова ядра
1. Ядром називається центральна частина атома, у якій зосереджена практично вся маса атома і його позитивний електричний заряд. Всі атомні ядра складаються з елементарних часток: протонів і нейтронів, що вважаються двома зарядовими станами однієї частинки - нуклона. Протон має позитивний електричний заряд, рівний по абсолютній величині заряду електрона. Нейтрон не має електричного заряду.
2. Зарядом ядра називається величина Ze, де е - величина заряду протона, Z - порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва, дорівнює числу протонів у ядрі. В даний час відомі ядра з Z від Z = 1 до Z = 107. Для всіх ядер, крім
3. Число нуклонів у ядрі A = N + Z називається масовим числом. Нуклонів (протонів і нейтронів) приписується масове число, рівне одиниці, електрону - нульове значення А.
Ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. Ядра, які при однаковому А мають різні Z, називаються изобарами. Ядро хімічного елемента X позначається
Усього відомо близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів і понад 2000 природних і штучно отриманих радіоактивних ізотопів.
4. Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що має умовний зміст через розмитість границі ядра. Емпірична формула для радіуса ядра
Щільність ядерної речовини складає по порядку величини 1017 кг/м3 і постійна для всіх ядер. Вона значно перевершує щільності найщільніших звичайних речовин.
5. Ядерні частинки мають власні магнітні моменти, якими визначається магнітний момент ядра Р m отруту в цілому. Одиницею виміру магнітних моментів ядер служить ядерний магнетон mяд:
Тут е - абсолютна величина заряду електрона, m p - маса протона, с - електродинамічна постійна. Ядерний магнетон в
6. Розподіл електричного заряду протонів по ядру в загальному випадку несиметрично. Мірою відхилення цього розподілу від сферично симетричного є квадрупольний електричний момент ядра Q. Якщо щільність заряду вважається скрізь однакової, то Q визначається тільки формою ядра.
2.2 Енергія зв'язку ядер. Дефект маси
1. Нуклони в ядрах перебувають у станах, що істотно відрізняються від їх вільних станів. За винятком ядра звичайного водню у всіх ядрах є не менше двох нуклонів, між якими існує особливе ядерне сильна взаємодія - тяжіння - що забезпечує стійкість ядер, незважаючи на відштовхування однойменно заряджених протонів.
2. Енергією зв'язку нуклона в ядрі називається фізична величина, що дорівнює тій роботі, яку потрібно зробити для видалення нуклона з ядра без повідомлення йому кінетичної енергії.
Енергія зв'язку ядра визначається величиною тієї роботи, яку потрібно зробити, щоб розщепити ядро на складові його нуклони без надання їм кінетичної енергії. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така ж енергія, яку потрібно затратити при розщепленні ядра на складові його нуклони. Енергія зв'язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, що складають ядро, і їх енергією в ядрі.
3. При утворенні ядра відбувається зменшення його маси: маса ядра менше, ніж сума мас складових його нуклонів. Зменшення маси ядра під час його утворення пояснюється виділенням енергії зв'язку. Якщо W св - величина енергії, що виділяється при утворенні ядра, то відповідна їй маса Dm, рівна
називається дефектом маси і характеризує зменшення сумарної маси при утворенні ядра з складових його нуклонів. Якщо ядро з масою M отрута утворена з Z протонів з масою m p і з (AZ) нейтронів з масою m n, то
D m = Z m p + (AZ) m n-M отрута.
Замість маси ядра М отрута величину D m можна виразити через атомну масу М ат:
D m = Z m Н + (AZ) m n-M ат,
де m H - маса водневого атома.
При практичному обчисленні D m маси всіх частинок і атомів виражаються в атомних одиницях маси.
Дефект маси служить мірою енергії зв'язку ядра:
W св = D m з 2 = [Zm p + (AZ) m n-M отрута] з 2
Однією атомної одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії (а.е.е.): а.е.е. = 931,5016 МеВ.
4. Удільної енергією зв'язку ядра w св називається енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон: w св =
5. Критерієм стійкості атомних ядер є співвідношення між числом протонів і нейтронів в стійкому ядрі для даних ізобар. (А = const).
2.3 Ядерні сили
1. Ядерне взаємодія свідчить про те, що в ядрах існують особливі ядерні сили, що не зводяться ні до одного з типів сил, відомих в класичній фізиці (гравітаційних і електромагнітних).
2. Ядерні сили є короткодіючими силами. Вони проявляються лише на дуже малих відстанях між нуклонами в ядрі порядку 10-15 м. Довжина (1,5 ј2, 2) 10-15 м називається радіусом дії ядерних сил.
3. Ядерні сили виявляють зарядову незалежність: притягання між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів - протонного або нуклонного. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв'язку в дзеркальних ядрах. Так називаються ядра, в яких однаково загальне число нуклонів, але кількість протонів в одному дорівнює числу нейтронів в іншому. Наприклад, ядра гелію
4. Ядерні сили мають властивість насичення, яке проявляється в тому, що нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих до нього сусідніх нуклонів. Саме тому спостерігається лінійна залежність енергій зв'язку ядер від їх масових чисел А. Практично повне насичення ядерних сил досягається у a-частинки, яка є дуже стійким утворенням.
2.4 Радіоактивність, g-випромінювання, a і b-розпад
1. Радіоактивністю називається перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемента, що супроводжується випусканням деяких часток.
Природною радіоактивністю називається радіоактивність, що спостерігається в існуючих у природі нестійких ізотопів.
Штучної радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, отриманих в результаті ядерних реакцій.
2. Зазвичай всі типи радіоактивності супроводжуються випусканням гамма-випромінювання - жорсткого, короткохвильового електроволнового випромінювання. Гамма-випромінювання є основною формою зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень. Ядро, що відчуває радіоактивний розпад, називається материнським; виникає дочірнє ядро, як правило, виявляється порушеною, і його перехід в основний стан супроводжується випусканням g-фотона.
3. Альфа-розпадом називається випускання ядрами деяких хімічних елементів a-частинок. Альфа-розпад є властивістю важких ядер з масовими числами А> 200 і зарядами ядер Ze> 82. Всередині таких ядер відбувається утворення відокремлених a-частинок, що складаються кожна з двох протонів і двох нейтронів.
4. Терміном бета-розпад позначають три типи ядерних перетворень: електронний (b-) і позитронний (b +) розпади, а також електронне захоплення. Перші два типи перетворення полягають у тому, що ядро випускає електрон (позитрон) і електронне антинейтрино (електронне нейтрино). Ці процеси відбуваються шляхом перетворення одного виду нуклона в ядрі в інший: нейтрона в протон або протона в нейтрон. У випадку електронного захоплення перетворення полягає в тому, що зникає одна з електронів в найближчому до ядра шарі. Протон, перетворюючись на нейтрон, як би "захоплює" електрон, звідси стався термін "електронний захоплення". Електронний захоплення на відміну від b ±-захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням.
5. b - розпад відбувається у природно-радіоактивних, а також штучно-радіоактивних ядер; b +-розпад характерний тільки для явища штучної радіоактивності.
Література
1. Григор'єв В.І., Мякишев Г.Я. Сили в природі.
/ / М., Наука, 1983 р.
2. Кудрявцев П.С. Курс історії фізики.
/ / М., Освіта, 1982 р.
3. Яворський Б.М., Детлаф А.А. Довідник з фізики.
/ / М., Наука, 1990 р.
на тему:
"Атомне ядро"
Москва 2002
Зміст
\ T "Заг1; 1; Заг2; 2" 1 Історія відкриттів в області будови атомного ядра ............................... ..... GOTOBUTTON _Toc354305349 _Toc354305349 3
1.1 Моделі атома до Бора ............................................. ....................................... GOTOBUTTON _Toc354305350 _Toc354305350 3
1.2 Відкриття атомного ядра .............................................. ................................... GOTOBUTTON _Toc354305351 _Toc354305351 4
1.3 Атом Бора ............................................... .................................................. .......... GOTOBUTTON _Toc354305352 _Toc354305352 7
1.4 Розщеплення ядра ............................................... ............................................. GOTOBUTTON _Toc354305353 _Toc354305353 9
1.5 протонно-нейтронної моделі ядра ............................................ ............... GOTOBUTTON _Toc354305354 _Toc354305354 11
1.6 Штучна радіоактивність ............................................... ................. GOTOBUTTON _Toc354305355 _Toc354305355 11
2 Будова і найважливіші властивості атомних ядер ........................................... ... GOTOBUTTON _Toc354305356 _Toc354305356 13
2.1 Основні властивості і будова ядра ............................................ .............. GOTOBUTTON _Toc354305357 _Toc354305357 13
2.2 Енергія зв'язку ядер. Дефект маси ................................................ ............ GOTOBUTTON _Toc354305358 _Toc354305358 15
2.3 Ядерні сили ............................................... .................................................. . GOTOBUTTON _Toc354305359 _Toc354305359 18
2.4 Радіоактивність, g-випромінювання, a і b-розпад ...................................... ..... GOTOBUTTON _Toc354305360 _Toc354305360 19
Література ................................................. .................................................. ................ GOTOBUTTON _Toc354305361 _Toc354305361 21
1 Історія відкриттів в області будови атомного ядра
Вивчення атомного ядра змушує займатися елементарними частинками. Причина цього зрозуміла: в ядрах атомів частинок так мало, що властивості кожної з них окремо не усереднюються, а, навпаки, відіграють визначальну роль.
1.1 Моделі атома до Бора
Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, і квантової теорії - з іншого, привели до створення квантової моделі атома Резерфорда - Бора. Але створенню цієї моделі передували спроби побудувати модель атома на основі уявлень класичної електродинаміки і механіки. У 1904 році з'явилися публікації про будову атома, одні з яких належали японському фізику Хантаро Нагаока, інші - англійському фізику Д.Д. Томсону.
Нагаока представив будову атома аналогічну будові сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якого по встановлених кільцеподібних орбітах рухаються "планети" - електрони. При незначних зсувах електрони збуджують електромагнітні хвилі.
В атомі Томсона позитивну електрику "розподілено" по сфері, у яку вкраплені електрони. У найпростішому атомі водню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. У багатоелектронних атомах електрони розташовуються по стійких конфігураціях, розрахованих Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною для хімічної властивості атомів. Він зробив спробу теоретично пояснити періодичну систему елементів Д.І. Менделєєва. Пізніше Бор вказав, що з часу цієї спроби ідея про поділ електронів в атомі на групи зробилася вихідним пунктом.
Але незабаром виявилося, що нові досліди спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі. Ці факти були відкриті Резерфордом. В першу чергу слід зазначити відкриття ядерної будови атома.
1.2 Відкриття атомного ядра
Уподібнення атома планетної системі робилося ще на початку XX століття. Але цю модель було важко поєднати з моделями електродинаміки, і вона була залишена, поступившись місцем моделі Томсона. Проте в 1904 році почалися дослідження, що призвели до утвердження планетарної моделі.
При вивченні a-частинок Резерфорд, виходячи з моделі Томсона, підрахував, що розсіювання a-часток не може давати великих кутів відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.
7 березня 1911 Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь "Розсіювання a і b-променів і будова атома". У доповіді він, зокрема, говорив: "Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому влаштуванні a і b-частинки, коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала ".
Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, який Резерфорд поклав рівним ± Ne. Заряд виявився пропорційним атомній вазі. "Точне значення заряду центрального ядра не було визначено, - писав Резерфорд, - але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду".
З подальших досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, котрі робили перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро як стійкої частини атома, що несе в собі майже всю масу атома і володіє позитивним (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним) зарядом. При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомній вазі.
Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: "З самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом ... "
Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.
Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи "Про серіальному спектрі водню" і "Про квантової теорії випромінювання в структурі атома". У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора - Зоммерфельда.
У 1936 році Бор виступив зі статтею "Захоплення нейтрона і будова ядра", в якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, що підказуються краплинної моделлю, поки на початку 1939 р. не було відкрито розподіл урану.
1.3 Атом Бора
Бор, як і Томсон до нього, шукав таке розташування електронів в атомі, яке пояснило б його фізичні і хімічні властивості. Бор бере за основу модель Резерфорда. Йому також відомо, що заряд ядра і число електронів у ньому, дорівнює кількості одиниць заряду, визначається місцем елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. Таким чином, це важливий крок у розумінні фізико-хімічних властивостей елемента. Але залишаються незрозумілими дві речі: надзвичайна стійкість атомів, несумісна з уявленнями про рух електронів по замкнутих орбітах, і походження їхніх спектрів, що складаються з цілком визначених ліній. Така визначеність спектра, його яскраво виражена хімічна індивідуальність, очевидно, якось пов'язана зі структурою атома. Все це важко пов'язати з універсальністю електрона, заряд і маса якого не залежать від природи атома, до складу якого вони входять. Стійкість атома в цілому суперечить законам електродинаміки, згідно яким електрони, роблячи періодичні рухи, повинні безупинно випромінювати енергію і, втрачаючи її, "падати" на ядро. До того ж і характер руху електрона, що пояснюється законами електродинаміки, не може приводити до таких характерних лінійчатим спектрами, які спостерігаються насправді. Лінії спектру групуються в серії, вони згущуються в короткохвильовому "хвості" серії, частоти ліній відповідних серій підпорядковані дивним арифметичним законам.
"Основним результатом ретельного аналізу видимої серії лінійчатих спектрів і їхніх взаємин, - писав Бор, - було встановлення того факту, що частота u кожної лінії спектра цього елемента може бути представлена з незвичайною точністю формулою u = Tґ - Tґґ, де Tґ і Tґґ - які -то два члени з безлічі спектральних елементів Т, які характеризують елемент ".
Бору вдалося знайти пояснення цього основного закону спектроскопії. Але для цього йому довелося ввести у фізику атома уявлення про стаціонарних станах атомів, перебуваючи в яких електрон не випромінює, хоч і здійснює періодичний рух по круговій орбіті.
1.4 Розщеплення ядра
У 1919 році Резерфордом було зроблено нове сенсаційне відкриття - розщеплення ядра.
Резерфорд вивчав зіткнення a-частинок із легкими атомами. Зіткнення a-частинки з ядрами таких атомів повинні їх прискорювати. Так, при ударі a-частинки про ядро водню воно збільшує свою швидкість у 1,6 рази, і ядро відбирає у a-частинки 64% її енергії.
Прилад, що застосовувався Резерфордом для випромінювання таких зіткнень, представляв собою латунну камеру довжиною 18 см, заввишки 6 см і шириною 2 см. Джерелом a-частинок служив металевий диск, покритий активною речовиною. Диск містився всередині камери і міг встановлюватися на різних відстанях від екрана з сірчистого цинку. Камера могла заповнюватися різними газами. Зокрема, її заповнювали азотом.
За допомогою численних дослідів Резерфорд показав, що в результаті таких зіткнень виходять частинки з максимальним пробігом, таким же, як у Н-атомів. "З отриманих досі результатів, - писав Резерфорд, - важко уникнути висновку, що атоми з великим пробігом, які виникають при зіткненні a-частинок з азотом, є не атомами азоту, але, цілком ймовірно, атомами водню або атомами з масою 2 . Якщо це так, то ми повинні зробити висновок, що атом азоту розпадається внаслідок величезних сил, що розвиваються при зіткненні зі швидкою a-частинкою, і що освобождающийся водневий атом утворює складову частину атома ".
Так було відкрито явище розщеплення ядер азоту при ударах швидких a-частинок і вперше висловлена думка, що ядра водню представляють собою складову частину ядер атомів. Згодом Резерфорд запропонував термін "протон" для цієї складової частини ядра. Резерфорд закінчував свою статтю словами: "Результати в цілому вказують на те, що якщо a-частинки або подібні до них швидко рухомі частинки зі значно більшою енергією могли б застосовуватися для дослідів, то можна було б виявити руйнування ядерних структур багатьох легких атомів".
У 1920 році Резерфорд в лекції "нуклеарною будова атома" робить припущення про те, що існують ядра з масою 3 і 2 та ядра з масою ядра водню, але з нульовим зарядом. При цьому він виходив з гіпотези, висловленої вперше М. Склодовської-Кюрі, що до складу ядра входять електрони.
Резерфорд пише, що йому "здається вельми правдоподібним, що один електрон може зв'язати два Н-ядра і, можливо, навіть і одне Н-ядро. Якщо справедливо перше припущення, то воно вказує на можливість існування атома з масою близько 2 і з одним зарядом. Така речовина потрібно розглядати як ізотоп водню. Друге припущення містить в собі думку про можливість існування атома з масою 1 і нуклеарні зарядом, рівним нулю. Подібні освіти є цілком можливими ". Так була висловлена гіпотеза про існування нейтрона і важкого ізотопу водню.
1.5 протонно-нейтронної моделі ядра
У 1932 році Д.Д. Іваненко опублікував замітку, в якій висловив припущення, що нейтрон є разом з протоном структурним елементом ядра. Однак протонно-нейтронна модель ядра була зустрінута більшістю фізиків скептично. Навіть Резерфорд вважав, що нейтрон - це лише складне утворення протона і електрона.
У 1933 році Іваненко на конференції в Ленінграді зробив доповідь про моделі ядра, в якому він захищав протонно-нейтронну модель, сформулювавши основний тезу: у ядрі є тільки важкі частинки. Іваненко відкинув ідеї про складну структуру нейтрона й протона. На його думку, обидві частинки повинні мати однаковим ступенем елементарності, тобто і нейтрон, і протон можуть переходити один в одного. Надалі протон і нейтрон почали розглядатися як два стани однієї частинки - нуклона, й ідея Іваненко стала загальноприйнятою, а в 1932 році в складі космічних променів була відкрита ще одна елементарна частинка - позитрон.
1.6 Штучна радіоактивність
У 1934 році Фредерік Жоліо і Ірен Кюрі повідомили про б відкритті ними нового виду радіоактивності. Їм вдалося довести методом камери Вільсона, що деякі легкі елементи (берилій, бор, алюміній) випускають позитивні електрони при бомбардуванні їх a-частинками полонія. Жоліо і Кюрі, досліджуючи це явище, показали, що в цьому випадку виникає новий етап радіоактивності, супроводжуваний випусканням позитивних електронів. Вони вперше штучно викликали радіоактивність, створивши нові радіоактивні ізотопи, не спостерігаються до цього в природі і були нагороджені за це видатне відкриття Нобелівською премією.
На сьогоднішній день теорія атомного ядра одержала подальший розвиток, і в наступному розділі розглядається її актуальний стан.
2 Будова і найважливіші властивості атомних ядер
2.1 Основні властивості і будова ядра
1. Ядром називається центральна частина атома, у якій зосереджена практично вся маса атома і його позитивний електричний заряд. Всі атомні ядра складаються з елементарних часток: протонів і нейтронів, що вважаються двома зарядовими станами однієї частинки - нуклона. Протон має позитивний електричний заряд, рівний по абсолютній величині заряду електрона. Нейтрон не має електричного заряду.
2. Зарядом ядра називається величина Ze, де е - величина заряду протона, Z - порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва, дорівнює числу протонів у ядрі. В даний час відомі ядра з Z від Z = 1 до Z = 107. Для всіх ядер, крім
3. Число нуклонів у ядрі A = N + Z називається масовим числом. Нуклонів (протонів і нейтронів) приписується масове число, рівне одиниці, електрону - нульове значення А.
Ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. Ядра, які при однаковому А мають різні Z, називаються изобарами. Ядро хімічного елемента X позначається
Усього відомо близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів і понад 2000 природних і штучно отриманих радіоактивних ізотопів.
4. Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що має умовний зміст через розмитість границі ядра. Емпірична формула для радіуса ядра
Щільність ядерної речовини складає по порядку величини 1017 кг/м3 і постійна для всіх ядер. Вона значно перевершує щільності найщільніших звичайних речовин.
5. Ядерні частинки мають власні магнітні моменти, якими визначається магнітний момент ядра Р m отруту в цілому. Одиницею виміру магнітних моментів ядер служить ядерний магнетон mяд:
Тут е - абсолютна величина заряду електрона, m p - маса протона, с - електродинамічна постійна. Ядерний магнетон в
6. Розподіл електричного заряду протонів по ядру в загальному випадку несиметрично. Мірою відхилення цього розподілу від сферично симетричного є квадрупольний електричний момент ядра Q. Якщо щільність заряду вважається скрізь однакової, то Q визначається тільки формою ядра.
2.2 Енергія зв'язку ядер. Дефект маси
1. Нуклони в ядрах перебувають у станах, що істотно відрізняються від їх вільних станів. За винятком ядра звичайного водню у всіх ядрах є не менше двох нуклонів, між якими існує особливе ядерне сильна взаємодія - тяжіння - що забезпечує стійкість ядер, незважаючи на відштовхування однойменно заряджених протонів.
2. Енергією зв'язку нуклона в ядрі називається фізична величина, що дорівнює тій роботі, яку потрібно зробити для видалення нуклона з ядра без повідомлення йому кінетичної енергії.
Енергія зв'язку ядра визначається величиною тієї роботи, яку потрібно зробити, щоб розщепити ядро на складові його нуклони без надання їм кінетичної енергії. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така ж енергія, яку потрібно затратити при розщепленні ядра на складові його нуклони. Енергія зв'язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, що складають ядро, і їх енергією в ядрі.
3. При утворенні ядра відбувається зменшення його маси: маса ядра менше, ніж сума мас складових його нуклонів. Зменшення маси ядра під час його утворення пояснюється виділенням енергії зв'язку. Якщо W св - величина енергії, що виділяється при утворенні ядра, то відповідна їй маса Dm, рівна
називається дефектом маси і характеризує зменшення сумарної маси при утворенні ядра з складових його нуклонів. Якщо ядро з масою M отрута утворена з Z протонів з масою m p і з (AZ) нейтронів з масою m n, то
D m = Z m p + (AZ) m n-M отрута.
Замість маси ядра М отрута величину D m можна виразити через атомну масу М ат:
D m = Z m Н + (AZ) m n-M ат,
де m H - маса водневого атома.
При практичному обчисленні D m маси всіх частинок і атомів виражаються в атомних одиницях маси.
Дефект маси служить мірою енергії зв'язку ядра:
W св = D m з 2 = [Zm p + (AZ) m n-M отрута] з 2
Однією атомної одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії (а.е.е.): а.е.е. = 931,5016 МеВ.
4. Удільної енергією зв'язку ядра w св називається енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон: w св =
5. Критерієм стійкості атомних ядер є співвідношення між числом протонів і нейтронів в стійкому ядрі для даних ізобар. (А = const).
2.3 Ядерні сили
1. Ядерне взаємодія свідчить про те, що в ядрах існують особливі ядерні сили, що не зводяться ні до одного з типів сил, відомих в класичній фізиці (гравітаційних і електромагнітних).
2. Ядерні сили є короткодіючими силами. Вони проявляються лише на дуже малих відстанях між нуклонами в ядрі порядку 10-15 м. Довжина (1,5 ј2, 2) 10-15 м називається радіусом дії ядерних сил.
3. Ядерні сили виявляють зарядову незалежність: притягання між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів - протонного або нуклонного. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв'язку в дзеркальних ядрах. Так називаються ядра, в яких однаково загальне число нуклонів, але кількість протонів в одному дорівнює числу нейтронів в іншому. Наприклад, ядра гелію
4. Ядерні сили мають властивість насичення, яке проявляється в тому, що нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих до нього сусідніх нуклонів. Саме тому спостерігається лінійна залежність енергій зв'язку ядер від їх масових чисел А. Практично повне насичення ядерних сил досягається у a-частинки, яка є дуже стійким утворенням.
2.4 Радіоактивність, g-випромінювання, a і b-розпад
1. Радіоактивністю називається перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотоп іншого елемента, що супроводжується випусканням деяких часток.
Природною радіоактивністю називається радіоактивність, що спостерігається в існуючих у природі нестійких ізотопів.
Штучної радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, отриманих в результаті ядерних реакцій.
2. Зазвичай всі типи радіоактивності супроводжуються випусканням гамма-випромінювання - жорсткого, короткохвильового електроволнового випромінювання. Гамма-випромінювання є основною формою зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень. Ядро, що відчуває радіоактивний розпад, називається материнським; виникає дочірнє ядро, як правило, виявляється порушеною, і його перехід в основний стан супроводжується випусканням g-фотона.
3. Альфа-розпадом називається випускання ядрами деяких хімічних елементів a-частинок. Альфа-розпад є властивістю важких ядер з масовими числами А> 200 і зарядами ядер Ze> 82. Всередині таких ядер відбувається утворення відокремлених a-частинок, що складаються кожна з двох протонів і двох нейтронів.
4. Терміном бета-розпад позначають три типи ядерних перетворень: електронний (b-) і позитронний (b +) розпади, а також електронне захоплення. Перші два типи перетворення полягають у тому, що ядро випускає електрон (позитрон) і електронне антинейтрино (електронне нейтрино). Ці процеси відбуваються шляхом перетворення одного виду нуклона в ядрі в інший: нейтрона в протон або протона в нейтрон. У випадку електронного захоплення перетворення полягає в тому, що зникає одна з електронів в найближчому до ядра шарі. Протон, перетворюючись на нейтрон, як би "захоплює" електрон, звідси стався термін "електронний захоплення". Електронний захоплення на відміну від b ±-захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням.
5. b - розпад відбувається у природно-радіоактивних, а також штучно-радіоактивних ядер; b +-розпад характерний тільки для явища штучної радіоактивності.
Література
1. Григор'єв В.І., Мякишев Г.Я. Сили в природі.
/ / М., Наука, 1983 р.
2. Кудрявцев П.С. Курс історії фізики.
/ / М., Освіта, 1982 р.
3. Яворський Б.М., Детлаф А.А. Довідник з фізики.
/ / М., Наука, 1990 р.