Файл: Учебник КСЕ.doc

Напомним, что число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Электроны расположены послойно. Каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются близкими значениями энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней (n). Электроны каждого последующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Максимальное число электронов (N), могущих находиться на данном энергетическом уровне (n), определяется по формуле N = 2n², т.е. на первом уровне (n=1) может находиться два электрона, на втором (п = 2) – восемь электронов, на третьем (n= 3) – восемнадцать.

Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот, атомы, присоединившие электроны, становятся заряженными отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами. Многие ионы, в свою очередь, могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом в электронейтральные атомы или новые ионы с иным зарядом.

Подводя итог рассмотрению основных результатов квантово-механических подходов к строению и структуре атомов, отметим следующее. Состояние каждого электрона в атоме характеризуется четырьмя квантовыми числами – n, l, т, s:

1. n – главное квантовое число, характеризует энергию электрона на соответствующей орбите (n);

2. l – орбитальное квантовое число, характеризует форму орбиты (электронного облака) и может изменяться в атоме от 0 до n = 1;

3. т – магнитное квантовое число, характеризует ориентацию орбит (электронных облаков) в пространстве и может принимать значения от +1 до –1;

4. s – спиновое квантовое число, характеризует вращение электрона вокруг собственной оси и может принимать только два значения: s = ±1/2.

Согласно одному из важнейших принципов квантовой механи­ки – принципу Паули, в атоме не может быть электронов, у кото­рых все четыре квантовых числа одинаковы. В рамках квантовой механики получили полное объяснение, как структура атомов, так и изменение свойств химических элементов в периодической системе Д.И. Менделеева.

Плодотворным оказалось также применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля – квантовая электродинамика, вскрывшая целый ряд фундаментальных законов микромира. Среди них важнейшие законы взаимного превращения двух видов материальных субстанций – вещественной и полевой материи – друг в друга.

---

Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон – частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию существования античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» – другая частица с той же массой, но противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак – основатель релятивистской к пантовой теории поля – предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон-позитрон и обратно. Позитрон – античастица электрона – экспериментально был открыт и 1934 г. К.Д. Андерсоном в космических лучах.

Ядерная физика. По современным представлениям, атомные ядра элементов состоят из протонов и нейтронов. Первые указания на то, что и состав ядер входят протоны (ядра атомов водорода) были получены Резерфордом в 1919 г. в результате его нового (после открытия строения атома) сенсационного открытия – расщепления атомного ядра под действием α-частиц и получения новых химических элементов в результате первой искусственной ядерной реакции.

В одном из вариантов своих опытов с использованием камеры Вильсона, наполненной азотом, внутри которой имелся радиоактивный источник излучения, Резерфордом были получены фотографии треков α-частиц, на конце которых имелось характерное разветвление – «вилка». Одна из сторон «вилки» давала короткий трек, а другая – длинный. Длинный трек имел такие же особенности, как и треки, наблюдаемые ранее Резерфордом при бомбардировке α-частицами атомов водорода

Так впервые была высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер других атомов. Впоследствии Резерфорд для этой составной части ядра предложил термин «протон».

Схема реакции Резерфорда может быть представлена следующим образом: α–частица попадает в атомное ядро азота и поглощается им. Образующееся при этом промежуточное ядро изотопа фтора оказывается неустойчивым: оно выбрасывает из себя один протон, превращаясь в ядро изотопа кислорода .

В 1932 г. Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что наряду с протоном структурным элементом ядра также является нейтрон. В 1933 г. он обосновал протон-нейтронную модель ядра и сформулировал основной тезис, заключающийся в том, что в ядре имеются только тяжелые частицы – протоны и нейтроны. При этом обе частицы могут превращаться друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматривать как два состояния одной частицы – нуклона.

А в том же 1933 г. Дж. Чедвик экспериментально доказал существование нейтронов в атомных ядрах. Он облучал α–частицами бериллиевую пластинку и исследовал реакцию превращения бериллия (Be) в углерод (С) с испусканием нейтрона n).

---

Нейтроны, вылетающие из бериллия, направлялись в камеру Вильсона, наполненную азотом (N), и при попадании нейтрона в и протон атома азота образовывалось ядро бора (В) и α–частицы .

Сам нейтрон не дает трека в камере Вильсона, но по трекам ядра бора и α–частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой в одну атомную единицу массы, т.е. нейтроном. Отметим, что свободный нейтрон существует недолго, он радиоактивен, период его полураспада составляет около 8 мин, после чего он превращается в протон, испуская β–частицу (электрон) и нейтрино. После открытия нейтрона протон-нейтронная модель строения атомных ядер Д.Д. Иваненко стала общепризнанной.

Все ядерные реакции сопровождаются испусканием тех или иных элементарных частиц. Продукты ядерных реакций оказываются радиоактивными, их называют искусственно радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. известными французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри.

Как и естественно радиоактивные вещества, искусственно полученные радиоактивные изотопы испускают известные α, β, и γ–излучения. Но кроме перечисленных излучений Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли новый вид радиоактивности – испускание положительных электронов-позитронов.

Впервые это удалось установить с помощью камеры Вильсона при бомбардировке α–частицами некоторых легких элементов (бериллия, бора, алюминия), в результате чего был искусственно создан целый ряд новых радиоактивных изотопов, не наблюдаемых ранее в природе. Примером образования позитронного радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия α–частицами. И данном случае ядро алюминия испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора , который в свою очередь, испуская позитрон β⁺, превращается в стабильный изотоп кремния .

В промышленном масштабе искусственные радиоактивные изотопы обычно получают облучением (главным образом нейтронным) соответствующих химических элементов в ядерных реакторах.

После того, как было установлено, что ядра атомов состоят и протонов и нейтронов, теория атомного ядра получила дальнейшее развитие в направлении изучения взаимодействий частиц внутри ядра, а также структуры атомных ядер различных элементов.

Ниже приведены основные сведения о свойствах и строении ядер.

1. Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона.

Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона е=1,6 ^–19 Кл и массу покоя т_р ~ 1,6726 • 10 ^–27кг.

Нейтрон не имеет электрического заряда, его масса немног больше массы протона – т_п = 1,6749 • 10 ^–27 кг.

---

Массу ядер элементарных частиц обычно выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1/12 массы изотопа углерода : 1 а.е.м. = 1,66 • 10 ^–27 кг. Следовательно, т_р = 1,00728 а.е.м., а т_п = 1,00866 а.е.м.

2. Зарядом ядра называется величина Ze, где е – величина заряда протона; Z – порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре.

В настоящее время известны ядра с порядковым номером Z = 1 до Z = 114. Для легких ядер отношение числа нейтронов (N) к числу протонов (Z) близко или равно единице. Для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, отношение N/Z = 1,6.

3. Общее число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице. Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядра химических элементов принято обозначать символом .X, А, Z где X – символ химического элемента; А – массовое число; Z – атомный номер.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных paдиоактивных изотопов.

Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы все химические свойства. В настоящее время установлено, что большинство химических элементов, встречающих в природе, представляет собой смесь изотопов. Поэтому указанные в таблице Менделеева атомные массы элементов часто значительно отличаются от целых чисел.

4. Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра R = R А, где R= (1,3/1,7)10 ^–15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

5. Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра (Р_тт) в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ _яд = eh,/2т_р, где е – абсолютная величина заряда электрона; h – постоянная Планка; т_р – масса протона. Ядерный магнетон μ _яд в 1836,5 раза меньше магнитного момента электрона в атоме, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения сферически симметричного является квадруполъный электрический момент ядра Q. Если плотность ядра считать везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

Нуклоны, составляющие ядро, связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами. Устойчивость атомных ядер большинства элементов свидетельствует о том, что ядерные силы исключительно велики: они должны превышать значительные кулоновские силы отталкивания, действующие между протонами, расположенными на расстояниях порядка 10^–13 см (порядок размеров ядра). Ядерные силы – силы особого рода, связанные с существованием внутри ядра особого вида материи – ядерного поля.

---

В настоящие время принята мезонная теория ядерных сил, согласно которой нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами – π–мезонами – квантами ядерного поля.

Наличие обменных частиц в ядре – мезонов – вначале было предсказано теоретически японским ученым Хидоки Юкавой в 1936 г., а затем открыто в космических лучах в 1947 г.

Общая характеристика ядерных сил сводится к следующему.

1. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами ядра порядка 10 ^–15 м. Длина (1,5 ÷ 2,2) –10 ^–15 м называется радиусом действия ядерных сил.

2. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов – протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий в зеркальных ядрах (так называются ядра, в которых общее число нуклонов одинаково, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом).

3. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных сил достигается у α–частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Нуклоны прочно связаны в ядре ядерными силами. Для разрыва этой связи, т.е. для полного разобщения нуклонов, нужно совершить значительную работу. Энергия, необходимая для разобщения нуклонов, составляющих ядро, называется энергией связи ядра. Величину энергии связи можно определить на основе закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии в соответствии с формулой Эйнштейна Е = тс².

Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи ε₀. С другой стороны, согласно закону пропорциональности массы и энергии, изменение энергии системы ΔW должно сопровождаться пропорциональным изменением массы системы на Δm, т.е. ΔW = Δmc², где с – скорость света в вакууме.

Так как в данном случае ΔW есть энергия связи ядра, то масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро, на величину Δm, которая называется дефектом массы ядра. Из соотношения ΔW = Δmc² можно рассчитать энергию связи ядра, если известен дефект массы этого ядра Δm.

В качестве примера рассчитаем энергию связи ядра атома гелия. Оно состоит из двух протонов и двух нейтронов. Масса протона т_р = 1,0073 а.е.м., масса нейтрона – т_п = 1,0087 а.е.м. Следовательно, масса нуклонов, образующих ядро, равна 2т_р + 2 т_п = 4,0320 а.е.м. Масса же ядра атома гелия т_я = 4,0016 а.е.м. Таким образом, дефект масс атомного ядра гелия равен Δm = 4,0320 – 4,0016 = 0,03 а.е.м., или Δm = 0,03 • 1,66 • 10~²⁷ = 5 • 10~²⁹ кг. Тогда энергия связи ядра гелия

---