Ім'я файлу: 1.doc
Розширення: doc
Розмір: 68кб.
Дата: 10.01.2021



Реферат на тему:

Резерфорд и его опыты.

План


1. История развития представлений о строении атомного ядра.

1.1. Механические модели строения ядра.

1.2. Открытие Резерфорда. Ядро атома.

1.3. Модель атома Бора.

1.4. Расщепление ядра. Протон.

2. Современные теории строения атомного ядра.

2.1. Протонно-нейтронная модель ядра.

2.2. Капельная модель ядра.

2.3. Оболочечная модель ядра.

3. Основные свойства ядер атомов.

3.1. Дефект массы. Энергия связи ядра.

3.2. Ядерные силы.

История развития представлений о строении атомного ядра



Все тела окружающей живой и неживой природы состоят из мелких частиц - атомов: Первыми, кто высказал предположение об этом, считаются древнегреческие философы Левкипп и Демокрит. Именно они назвали атомом мелкую неделимую частицу, образует вещество. Они считали, что вещества образуются в результате столкновения атомов и появления связей между ними. Ни природу, ни механизм образования этих связей они не уточняли, зато сделали предположение о форме атомов. Они считали, что атомы имеют форму правильных многогранников: куба ("атомы земли"), тетраэдра ("атомы огня"), октаэдра ("атомы воздуха"), икосаэдра ("атомы воды").

Более двадцати веков понадобилось ученым для того, чтобы экспериментально подтвердить атомистической теории строения вещества. Окончательно эта идея утвердилась в науке во второй половине девятнадцатого века. К началу двадцатого века физики уже имели достаточно информации о массе и размеры атома. К тому времени стало ясно, что атомы не являются мелкими частицами в составе вещества. Они имеют определенную внутреннюю структуру, разгадка которой позволила бы объяснить периодичность свойств химических элементов. Однако только эксперименты английского физика Эрнеста Резерфорда стали основой для создания современной протонно-нейтронной модели атома.
Механические модели строения атома
Изучение атомного ядра неотделимо от изучения элементарных частиц. Дело в том, что в ядрах атомов частиц так мало, что свойства каждой из них не усредняются, а играют важную роль в формировании свойств ядра. После открытия электрона в науке возникло множество теорий о строении атома. Японский физик Хантаро Нагаока представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы: в центре атома располагается его положительно заряженная частица (она сравнивалась с Солнцем), вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам, что планеты движутся электроны. Смещение электронов из своих орбит приводит к возбуждению электромагнитных волн. Этот взгляд на строение атома сохранялся до начала двадцатого века. Но такую ​​модель было трудно совместить с электродинамическими представлениями, и она была отвергнута, уступив место модели Томсона.

Английский физик Джозеф Джон Томсон предложил модель атома в виде положительно заряженной по всему объему сферы диаметром 10

10 м, внутрь которой, будто изюм в пудинг, вкрапленные электроны. Положительный заряд сферы компенсируется суммарным отрицательным зарядом электронов. Излучение света происходит в результате колебания атомов относительно центра сферы. Томсон расположил электрон в атоме водорода в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны формировали в устойчивые конфигурации, параметры которых можно было рассчитать. Томсон считал, что именно конфигурация электронов определяет химические свойства атомов. Позже идея Томсона разделить электроны в атоме на группы привела к появлению теории атомных орбиталей. Однако более поздние открытия заставили отказаться от теории Томсона в пользу планетарной модели атома.

Открытие Резерфорда. Ядро атома

В модели Томсона масса атома равномерно распределена в его объеме. Резерфорд доказал, что это предположение неверно. В результате опытов с рассеяния α - частиц металлической фольгой он установил, что в редких случаях (1 из 10000) α-частица отклоняется на угол, больше 90°, тогда как большинство α - частиц свободно проходила сквозь тонкую фольгу, отклоняясь на очень незначительный угол.

Резерфорд писал: «Это было почти так же невероятно, как бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист папиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».

Это позволило Резерфорда предположить, что в атоме существует положительно заряженное ядро малого размера, которое сосредоточило в себе почти всю массу атома. Опыты Резерфорда показали, что ядра атомов имеют большую прочность, так как не разрушаются даже при столкновениях с массивными α -частицами, которые ударяют о них с большой силой. На основании своих исследований Резерфорд модифицировал планетарную модель атома. Согласно его теории, атом состоит из положительно заряженного массивного ядра и электронов, движущихся вокруг него, образуя электронную оболочку атома. Ядро имеет очень маленький размер (примерно 10-15 м), однако в нем сосредоточено 99,9% всей массы атома. Заряд ядра по величине равен сумме зарядов электронов атома. Определение заряда ядра вооружило ученых одной из важнейших характеристик атома. В 1913 году было доказано, что заряд ядра совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе Д. И. Менделеева. Нильс Бор писал: «С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой длине в пространстве по сравнению с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти полностью от полного электрического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом ... ». Эксперименты Резерфорда стали основой для создания современной протонно-нейтронной модели атома. Согласно ей, в центре атома находится ядро, остальной объем атома занимают электроны. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов, не имеющих заряда. Различные электроны притягиваются к ядру с разной силой, поэтому некоторые из них могут «отрываться», превращая атом на положительно заряженный ион (катион). Если же атом присоединяет электроны, то он превращается в отрицательно заряженный ион (анион).

Модель атома Бора


Проникшись идеями Резерфорда, Бор на основе планетарной модели развивает теорию строения атома, которая впоследствии была названа моделью Резерфорда - Бора.

Дело в том, что классическая модель Резерфорда не могла объяснить некоторые явления в атоме. Так, оставалась непонятной устойчивость атома. Теоретически, двигаясь по своим орбитам с большим ускорением, электрон должен излучать электромагнитные волны, сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен приближаться к ядру и очень скоро упасть на него. Кроме того, не удавалось объяснить происхождение спектров атомов, состоящих из определенных линий. Если характер движения электрона объяснять законами электродинамики, то спектр атома должен быть сплошной, тогда как экспериментально были получены линейчатые спектры. Линии в них группируются в серии и сгущаются в коротковолновой части спектра. Предполагалось, что частоты линий соответствующих серий подчиняются определенным математическим законам.

«Основным результатом тщательного анализа видимой серии линейчатых спектров и их отношений, - писал Бор, - было установление того факта, что частота каждой линии спектра этого элемента может быть представлена с необыкновенной точностью формулой v = Тr - Тrr, где Тr и Тrr - какие-то два члена из множества спектральных элементов T, характеризующие элемент ».

Бора удалось найти объяснение этого основного закона спектроскопии. Но для этого ему пришлось ввести понятие стационарных орбит или состояний атомов, в которых электрон движется по орбите, не излучаясь при этом энергии.

Эта идея сейчас широко известна под названием первого постулата Бора. Он противоречит и классической механике, и электродинамике Максвелла. Во-первых, он четко определяет энергию электронов в каждом стационарном состоянии, а во-вторых, допускает возможность ускоренного движения без излучения электромагнитных волн.

Второй постулат Бора также противоречит электродинамике Максвелла, связывая частоту излучения исключительно с изменением энергии атома, а не с частотой вращения электрона по орбите. Однако эти постулаты подтверждаются квантово-механическими расчетами. Поэтому на сегодняшний день модель атома Бора главной отправной точкой для разработки единой последовательной теории атомного ядра.

Расщепление ядра. Протон

В 1919 году Резерфорд сделал очередное сенсационное открытие. Ему удалось расщепить ядро.

Изучая столкновения α -частиц с легкими атомами, Резерфорд установил, что при ударе α -частицы о ядро водорода оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза и отбирает 64% энергии α -частицы. В результате столкновений атомов азота с α-частицами выходят частицы с максимальным пробегом, что соответствует пробегу атомов водорода. «Из полученных до сих пор результатов, - писал Резерфорд, - трудно избежать вывода, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении - частиц с азотом, является не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны признать, что атом азота распадается вследствие огромных сил, развивающихся при столкновении с быстрой - частицей, и атом водорода, который освобождается, образует составную часть атома ».

Так была впервые высказана мысль о том, что ядра водорода является основной частью ядер атомов. Позже для обозначения ядер водорода был предложен термин «протон».

Большим шагом к установлению строения атома стала гипотеза М. Склодовской-Кюри о том, что в состав ядра входят электроны. Опираясь на нее, Резерфорд предположил, что в природе существуют ядра с массой одного, двух и трех ядер водорода, но с нулевым зарядом. Резерфорд писал, что ему «кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение включает в себя мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне возможными». Так была высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого изотопа водорода.
Современные теории строения атомного ядра

Протонно-нейтронная модель ядра

Сегодня физики всего мира пользуются теорией о том, что ядро ​​состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Впервые такое предположение высказал в 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко. Однако протонно-нейтронная модель ядра не сразу была принята учеными. Даже Резерфорд утверждал, что нейтрон - лишь сложное образование протона и электрона. В 1933 году Иваненко сделал доклад о модели ядра, отстаивая протонно-нейтронную теорию. Он опирался на то, что в ядре есть только тяжелые частицы.

Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны иметь одинаковую степень элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а вскоре в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

Сейчас протонно-нейтронная модель ядра уже не вызывает сомнений. Кроме того, в течение долгого времени существовала гипотеза о том, что в ядре могут находиться также и электроны. Однако она имела очень много противоречий и не была подтверждена экспериментально. Так, согласно этой гипотезе, массовое число должно соответствовать общему количеству протонов в ядре, а разница массового числа и количества электронов должна равняться заряду ядра. Эта модель не противоречила значению изотопных масс и зарядов, однако не соглашалась со значениями магнитных моментов ядер, спинов и энергий связи ядра. Кроме того, она опровергала соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому невозможно одновременно установить определенную координату и определенную соответствующую проекцию импульса микрочастицы:


где h - постоянная Планка.

В результате этого протонно-нейтронная модель ядра была отвергнута.

Капельная модель ядра


Капельная модель ядра была предложена в 1936 году Бором и Френкелем. Она основывалась на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. В обоих случаях силы, действующие между составными частицами жидкости (молекулами) и ядра (нуклонами), является короткодействующими и им свойственно насыщение. Для капли жидкости при постоянных внешних условиях характерна постоянная плотность вещества. Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией связи и постоянной плотностью, не зависит от числа нуклонов в ядре. Наконец, размер капли, как и размер ядра, пропорционален числу частиц. Однако эта модель представляет ядро, как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости с плотностью, равной ядерной. Эта жидкость подчиняется законам квантовой механики. Капельная модель ядра позволила получить полуэмпирическую формулу для энергий связи нуклонов в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно хорошо описала реакции деления ядра. Однако она не объясняет повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и нейтронов.

Оболочечная модель ядра


В 50-х годах двадцатого века американец М. Гёпперт-Майер и немец X. Йенсен выступили с оболочечной моделью ядра. Согласно ей распределение нуклонов в ядре происходит дискретными энергетическими уровнями (оболочками), заполняемые нуклонами соответствии с принципом Паули. К тому же она связала заполнения этих уровней с устойчивостью ядер. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Такие особо стойкие (магические) ядра действительно существуют. Это ядра, в которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126).

Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо описывает легкие и средние ядра, а также ядра в основном (невозбужденном) состоянии.

По мере дальнейшего накопления экспериментальных данных о свойствах атомных ядер появлялись новые факты, которые не всегда укладывались в рамки описанных моделей. Так возникли обобщенная модель ядра, оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с частицами, налетают) и многие другие.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРИ

  1. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики с примерами решения задач: Учебное пособие / Т.И. Трофимова. - М.: КноРус, 2013. - 280 c.

  2. Трофимова, Т.И. Курс физики с примерами решения задач. В 2-х т. Т. 2. Курс физики с примерами решения задач: Учебник / Т.И. Трофимова. - М.: КноРус, 2013. - 378 c.

  3. Трофимова, Т.И. Курс физики: Учебное пособие для вузов / Т.И. Трофимова. - М.: ИЦ Академия, 2012. - 560 c.

  4. Трофимова, Т.И. Курс физики с примерами решения задач. В 2-х т.Т. 1. Курс физики с примерами решения задач: Учебник / Т.И. Трофимова. - М.: КноРус, 2013. - 586 c.

  5. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики с примерами решения задач / Т.И. Трофимова. - М.: КноРус, 2013. - 280 c.

  6. Трухачев, В.И. Курс общей физики: Учебник. В 3-х тт. Т.3. Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. / В.И. Трухачев, И.В. Капустин и др. - СПб.: Лань П, 2016. - 320 c.

  7. Туганбаев, А.А. Курс физики. В 3-х тт. Том 1 Механика. Молекулярная физика: Учебник / А.А. Туганбаев, В.Г. Крупин. - СПб.: Лань, 2016. - 352 c.

  8. Тульчинский, Г. Курс общей физики. В 3-х тт. Том 1 Механика. Молекулярная физика: Учебник / Г. Тульчинский, Е. Шекова. - СПб.: Лань, 2016. - 432 c.

  9. Иродов Н.Е. Основные законы механики.– М., 1985.– 248 с.

скачати

© Усі права захищені
написати до нас