LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 17
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

силе их гравитационного взаимодействия, если в них превра-
а протон с электроном, то различие возросло бы еще примерно в
тить в ионы всего 1/10ls часть атомов. В 1 см2 любого твердо-
2 000 раз, а если бы взяли два электрона, то в 4 000 000 раз.
го вещества содержится в среднем 5 • 1022 атомов. Из них надо
Почему же, сталкиваясь с электростатическим взаимо-
ионизировать всего 50 000. Это количество содержится в ку-
действием в жизни, мы не замечаем этой сто огромной силы;
Квантовая механика 79

Сике с ребром 0,01 мкм. Даже если распределить все эти ионы Согласно квантовой электродинамике, любой электри-
8
в одноатомном слое (толщиной 10"" см), то и топда площадь ческий заряд окружен электромагнитным полем, с которым
ш 2
участка слоя, занятого ионами, составит всего 10˜ см , то есть он взаимодействует. В результате этого взаимодействия ис-
2
0,01 мкм . Вот какое мизерное количество ионов может пол- пускаются или поглощаются фотоны — элементарные части-
ностью компенсировать гравитацию! цы, непосредственно осуществляющие электромагнитное вза-
имодействие. В атоме нет фотонов в готовом виде, они возни-
Кроме электростатического притяжения (или отталки-
кают в самый момент их испускания, а возникнув, всегда дви-
вания) электрических зарядов по закону Кулона, существует
жутся со скоростью света.
еще много видов электромагнитного взаимодействия. Элект-
ромагнитное взаимодействие, например, определяет химиче- В электромагнитном взаимодействии участвуют все эле-
ские, упругие силы и силы трения, излучение электромагнит- ментарные частицы, кроме нейтрино и антинейтрино. Даже если
ных волн и многое другое. Однако описание этих эффектов частица не имеет электрического заряда, она все равно уча-
выходит за рамки программы данного реферата. Здесь мы лишь ствует в электромагнитном взаимодействии, потому что взаи-
модействие электрических зарядов — это лишь один из мно-
немного подробнее опишем некоторые особенности проявле-
гочисленных электромагнитных эффектов, наблюдающихся в
ний электромагнитного взаимодействия в микромире. К сча-
природе.
стью, современная наука дает нам такую возможность, ведь из
всех видов взаимодействий, электромагнитное взаимодействие Наименьшее время, за которое микрочастицы успевают про-
20
изучено наиболее хорошо. взаимодействовать электромагнитным способом, t M . 4arH = 10˜ с.




КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

В 1911 году физик Резерфорд облучал тончайшие слои круг другого тела (в данном случае электрон вокруг ядра) по
металла ядрами гелия (а-частицами). Большинство а-частиц инерции, всегда будет стремиться покинуть свою орбиту и уле-
свободно проходили сквозь фольгу, но небольшая их часть теть. Электрону не дает оторваться от ядра сила кулоновско-
отражалась — «рикошетила» словно от удара о нечто твердое. го притяжения и, поскольку эта сила действует постоянно,
К тому времени ученые давно сошлись во мнении, что хими- «спутника-электрон, не обладающий достаточным количеством
ческие вещества состоят из атомов. Результаты опытов наве- энергии, чтобы покинуть орбиту, должен быстро упасть на
ли Резерфорда на мысль, что в центре атомов имеется неболь- ядро. Случись такое, все атомы прекратили бы свое существо-
шое, но очень плотное ядро. А обширное пространство вокруг вание, чего в природе, как известно, не наблюдается. К тому
ядра занято электронами, количество которых, как верно по- же, планетарная модель Резерфорда была не в силах объяс-
лагал Резерфорд, равняется порядковому номеру данного эле- нить характер атомного излучения. С атомным излучением
мента в таблице Менделеева. дело обстояло вот как. Согласно теориям Резерфорда, каж-
дый электрон вращается вокруг ядра на таком расстоянии,
Вот так наука вплотную подошла к изучению «основ
которое соответствует уровню его энергии. Если заставить
всего сущего» — микрочастиц. Не имея еще почти никакой
электрон утратить часть своей энергии, уменьшив таким обра-
информации о свойствах микрочастиц и основываясь на пред-
зом радиус его орбиты то энергия выделится в виде излуче-
ставлениях физики того времени, Резерфорд справедливо пред-
ния, причем частота излучаемых волн будет прямо пропорци-
положил, что электроны вращаются вокруг своего ядра так
ональна уровню его энергии. Логично предположить, что у
же, как и планеты вращаются вокруг светила, с той лишь раз-
электрона можно забрать любое количество энергии из той,
ницей, что расстояния между небесными телами относительно
которой он обладает, тогда соответственно будет изменяться
малы по сравнению с расстояниями, которые отделяют элек-
и частота излученной волны. Однако на самом деле электро-
троны от ядра. Объясняется это тем, что гравитационные силы,
ны конкретных атомов способны излучать волны лишь стро-
удерживающие планеты возле Солнца, гораздо слабее элект-
го определенной частоты.
ромагнитных сил, действующих внутри атома. Эта модель по-
лучила название планетарной модели атома. Согласно ей, вы- Такое положение физикам казалось безвыходным: с од-
ходило так, что если бы можно было увидеть атом воочию, то ной стороны, модель, которая построена на основе твердо ус-
наблюдателю представилась бы миниатюрная Солнечная сис- тановленных и неоднократно проверенных законов механики,
тема, где траекторию движения и положение каждой состав- с другой — эксперимент, в надежности которого нельзя сомне-
ляющей можно определить в какой угодно момент времени, ваться. И они противоречит друг другу, да так, что примирить
так же, как это задолго до Резерфорда было сделано для мно- их невозможно!
гих небесных тел. Выход был найден в 1913 году датским физиком Ниль-
сом Бором, который не пытался примирить противников, а
В то время физики полагали, что все явления в природе
изменил планетарную модель так, чтобы она согласовалась с
подчинены законам привычной логики. С позиций этой логи-
опытом. При этом вышло так, что внесенные Бором измене-
ки планетарная модель Резерфорда была удачна и красива, но
ния посягнули на самые основы механики Ньютона, а соответ-
с ней совершенно не согласовались некоторые неопровержи-
ственно, и на здравый смысл. Бор допустил то, что ранее каза-
мые факты. Во-первых, известно, что тело, вращающееся во-
80 Физика

ствами волны. Если на его пути поставить препятствие, он
лось совершенно недопустимым, а именно: существование ста-
способен его обогнуть, причем даже с обеих сторон одновре-
ционарных орбит электровоз с определенными радиусами и
менно! Экспериментально была доказана невозможность точ-
скоростью вращения. Находясь на одной из таких стационар-
но предсказать траекторию поступательно движущегося
ных орбит, электрон не излучает и не поглощает энергию, дру-
электрона. У экспериментаторов складывалось такое впечат-
гими словами, он находится вне действия окружающих сил,
ление, что летящий электрон в некотором суысле занимает
которые по идее не могут на него не действовать. Далее, все
определенную область пространства, которая во много раз
электроны, вращающиеся вокруг ядра, находятся исключи-
больше его самого, причем имеется вероятность обнаружить
тельно на стационарных орбитах. Излучая или поглощая энер-
электрон в любой из точек этой области. Электрон, ранее
гию, они переходят с одной из таких орбит на другую. Причем
казавшийся твердым и оформленным телом, на самом деле
энергия, как показал Планк, излучается и поглощается лишь
оказался словно размазанным в пространство. Математиче-
определенными порциями.
ски эта ситуация нашла выражение в так называемом соотно-
Вот формулы, которыми Нильс Бор, согласно своей тео-
шении неопределенностей Гейзенберга, которое заключено в
рии, описывал поведение электрона:
простой формуле:
meVT " яп, (1)
где тг — масса электрона; (3)
AxDn т %,
h — постоянная Планка; где х — координата микрочастицы;
п — целое число, обозначающие порядковый но- я — ее импульс;
мер орбиты электрона. Оно было названо главным кван- h — постоянная Планка.
товым числом. Для объяснения значения этой формулы возвратимся к
Величина ттзг обозначает момент количества движения примеру электрона. Допустим, экспериментатсг, наблюдая кон-
электрона, это аналог величины импульса для вращающегося кретный электрон, желает знать его точное местонахождение
тела. в пространстве и его точный импульс. Для этсго исследуемая
частица наблюдается в микроскоп. Для того чтобы световые
ДЕ = hv; (2)
волны, используемые для получения изображения, отразились
где h " 2nh.
от электрона, а не прошли сквозь него, как это умеют делать
Формула показывает, как величина излучаемой энергии
волны, нужно, чтобы они обладали как можно меньшей дли-
зависит от частоты излученной волны.
ной. Но, как известно, чем меньше длина волм тем больше их
Сам Бор называл свою теорию «сумасшедшей». В са-
частота, другими словами — больше их энергия. А чем боль-
мом деле, ведь физики того времени полагали, что в микро-
шей энергией обладает отраженный от электрона свет, тем
мире все происходит точно так же, как в макромире, разни-
больше энергии от него невольно получит электрон. Итак,
ца только в размерах. Если бы теория Бора была верна для
координата электрона в момент его соприкосновения со све-
макромира, это означало бы, что, например, искусственный
товой волной установлена с максимальной точностью. Но та
спутник Земли при движении в атмосфере не тормозился
дополнительная энергия, которую электрон лолучил в ходе
бы ею и смог бы удержаться лишь на орбитах с определен-
эксперимента, изменила его импульс так, что ) же невозможно
ными радиусами, напоимер 100, 200, 300 км, а на остальные
сказать, каким он был в исследуемый момент. Стараясь как
орбиты, например 101, 202 км, его ни в коем случае не уда-
можно точнее установить местонахождение частицы, экспери-
лось бы запустить.
ментатор вынужден уменьшать длину световых волн в своем
Не имея возможности логически и математически обо-
микроскопе, а это еще больше исказит показатель значения
сновать свои предположения, Бор постулировал их, то есть
импульса. Получается: чем больше точность очного показате-
предложил ученым принять их на веру, без доказательств, ведь
ля, тем меньше точность второго. Причем, как показывает
эти предположения каким-то немыслимым образом подтверж-
уравнение Гейзенберга, если перемножить степени неопреде-
дались на опыте. К тому же, опираясь на них, Бор смог точно
ленности этих показателей, то производное всегда будет рав-
предсказать ранее неизвестные частоты излучаемого электро-
но величине постоянной Планка. Другими словами, закон Гей-
нами света.
зенберга говорит о том, что, пытаясь получать сведения об
Теория Бора получила название квантовой теории ато- объекте, экспериментатор в ходе исследования изменяет со-
ма. Некоторое время спустя она была усовершенстьована стояние этого объекта и получает таким образом уже иска-
другими физиками. Круговые орбиты были заменены эллип- женную информацию.
тическими, движение по ним стали рассчитывать не по класси-
ческой, а по релятивистской механике. Вслед за главным кван- Эти факты убедили физиков в том, что бесполезно пы-
товым числом п были введены другие постоянные (орбиталь- таться применить обычную механику для объяснения процес-
ное /, магнитное т,, спиновое s, квантовые числа), которые сов, происходящих внутри атома. В гениальных прозрениях
позволяли более полно описать поведение элементарных час- Нильса Бора еще не содержалось информации о том, как учесть
тиц. двойственную природу микрочастиц, ведущих себя одновре-
менно как частица и как волна.
Однако наряду с успехами квантовой теории атома на-
капливались и возражения против нее. Дело в том, что Бор, Эта задача в общих чертах была решена в 1926-1928 го-
несмотря на всю революционность своих взглядов, все же дах Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и Полем
переносил методы обычной физики на мир микрочастиц. В Дираком. Эти ученые создали собственно теорию, которой
частности, вслед за Резерфордом Бор полагал, что движение посвящен данный реферат: квантовую, или, как ее еще назы-
электронов в атоме происходит по определенным траектори- вают, волновую механику.
ям, тогда как на самом деле для микрочастицы понятие тра- В основе обычной механики лежат уравнения Ньюто-
ектории не имеет смысла. Рассмотрим это на примере того же на, которые были усовершенствованы Эйнштейном для ско-
электрона. Было обнаружено, что электрон, который в со- ростей, близких к скоростям света (т. е. для релятивист-
ставе атома ведет себя как частица, обладает также и свой- ских скоростей). В этих уравнениях используется понятие
Строение и свойства атомного ядра 81

траектории. В основу же квантовой механики должно было Уравнения Шредингера и Дирака это волновые урав-
быть положено такое уравнение, которое позволило бы опи- нения необычного типа. Они составлены так, чтобы решения
сать двойственную природу элементарных частиц, ведущих имели тот же двойственный характер, что и сами свойства
себя то как волна, то как частица. Такое уравнение было элементарных частиц. С помощью этих уравнений можно точ-
предложено Шредингером. Релятивистский вариант урав- но предсказать, в какой области окажется движущийся элек-
нения для электрона был дан Дираком. Ограничимся толь- трон, но в какой именно точке его можно будет зарегистриро-
вать, предсказать невозможно.
ко ик словесным описанием.




СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
АТОМНОГО ЯДРА
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.



послужили основой для создания современной протонно-
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
нейтронной модели атома.
О СТРОЕНИИ АТОМНОГО ЯДРА

Все тела окружающей нас живой и неживой природы со- 1.1. Механические модели строения атома
стоят из мельчайших частиц — атомов. Первыми, кто выска-
Изучение атомного ядра неотделимо от изучения эле-
зал предположение об этом, считаются древнегреческие фи-
ментарных частиц. Дело в том, что в ядрах атомов частиц так
лософы Левкипп и Демокрит. Именно они назвали атомом
мало, что свойства каждой из них не усредняются, а играют
мельчайшую неделимую частицу образующую вещество. Они
важную роль в формировании свойств ядра. Поэтому после
считали, что вещества образуются в результате столкновения
открытия электрона в науке возникло множество теорий о
атомов и появления связей между ними. Ни природу, ни меха-
строении атома.
низм образования этих связей они не уточняли, зато строили
Японский физик Хантаро Нагаока представил строение
предположения о форме атомов. Они полагали, что атомы име-
атома аналогичным строению Солнечной системы' в центре
ют форму правильных многогранников: куба («атомы зем-
атома располагается его положительно заряженная часть (она
ли»), тетраэдра («атомы огня».), октаэдра (.«атомы воздуха»),
сравнивалась с Солнцем;, вокруг которой по установленным
икосаэдра («атомы воды»;
кольцеобразным орбитам подобно планетам движутся элек-
Более двадцати веков понадобилось ученым для того,
троны Смещение электронов со своих орбит приводит к воз
чтобы экспериментально подтвердить атомистическую тео-
буждению электромагнитных волн
рию строения вещества. Окончательно эта идея утверди-
Этот взгляд на строение атома сохранялся до начала двад
лась в науке во второй половине девятнадцатого века. К т
цатого века. Но акую модель было трудно совместить с элек
началу двадцатого века физики уже имели достаточно ин-
тродинамическими представлениями, и она была отвергнута,
формации о массе и размерах атома. К тому времени стало
уступив место модели Томсона.
ясно, что атомы не являются мельчайшими частицами в со-
Английский физик Джизеф Джон Томсон предложил мо-
ставе вещества. Они обладают определенной внутренней
дель атома в виде положительно заряженной по всему объему
структурой, разгадка которой позволила бы объяснить пе-
сферы диаметром 10 10 м, внутрь которой, подобно изюму в
риодичность свойств химических элементов. Однако толь-
пудинг, вкраплены электроны Положительный заряд сферы
ко эксперименты английского физика Эрнеста Резерфорда


4-2195
82 Физика

13. Модель атома Бора
компенсируется суммарным отрицательным зарядом электро- •
нов. Излучение света происходит в результате колебания ато-
Проникнувшись идеями Резерфорда, Бор на основе пла-
мов относительно центра сферы.
нетарной модели развивает теорию строения атома, которая
Томсон расположил электрон в атоме водорода в центре
впоследствии была названа моделью Резерфорда—Бора.
положительно заряженной сферы. В многоэлектронных ато-
Дело в том, что классическая модель Резерфорда не
мах электроны помещались в устойчивые конфигурации, па-
могла объяснить некоторые явления в атоме. Так. остава-
раметры которых могли быть рассчитаны. Томсон считал, что
лась непонятной устойчивость атома. Теоретически двига-
именно конфигурация электронов определяет химические свой-
ясь по своим орбитам с большим ускорением электрон дол-
ства атомов. Позднее идея Томсона разделить электроны в
жен излучать электромагнитные волны, что сопровождает
атоме на группы привела к появлению теории атомных орби-
ся потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен при-
талей. Однако более поздние открытия, заставили отказаться
ближаться к ядру и очень скоро упасть на него. Кроме того,
от теории Томсона в пользу планетарной модели атома.
не удавалось объяснить происхождение спектров атомов,
состоящих из определенных линий. Если характер движе-
1.2. Открытие Резерфорда. Ядро атома
ния электрона объяснять законами электродинамики, то
спектр атома должен быть сплошной, в то время как экспе-
В модели Томсона масса атома равномерно распределена
риментально были получены линейчатые спектры. Линии в
по его объему. Резерфорд доказал, что это предположение
них группируются в серии и сгущаются в коротковолновой
неверно. В результате опытов по рассеянию а-частиц метал-
части спектра. Предполагалось, что частоты линий соответ-
лической фольгой он установил, что в редких случаях (1 из 10
ствующих серий подчиняются определенным математичес-
000) а-частица отклоняется на угол больше 90°, тогда как
ким законам
большинство а-частиц свободно проходило через тонкую
•«Основным результатом тщательнрго анализа видимой
фольгу, отклоняясь на очень незначительный угол.
серии линейчатых спектров и их взаимоотношений, — писал
Резерфорд писал: «Это было почти так же невероятно,
Бор, - было установление того факта, что частота v каждой
как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист па-
линии спектра данного элемента может быть представлена с
пиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».
необыкновенной точностью формулой V - Тг - Тгт, где Тг и Тгг
Это позволило Резерфорду предположить, что в атоме
— какие-то два члена из множества спектральных элементов Г,
существует положительно заряженное ядро малого размера,
характеризующих элемент».
сосредоточившее в себе почти всю массу атома. Опыты Ре-
Бору удалось найти объяснение этого основного закона
зерфорда доказали, что ядра атомов обладают большой проч-
спектроскопии. Но для этого ему пришлось цвести понятие
но-стью, так как не разрушаются даже при столкновениях с
стационарных орбит или состояний атомов, в которых элек-
массивными а-частицами, которые ударяют о них с большой
трон совершает движение по орбите, не излучая при этом энер-
силой.
гии.
На основании своих исследований Резерфорд модифи-
Эта идея сейчас широко известна под названием первого
цировал планетарную модель атома. Согласно его теории, атом
постулата Бора. Он противоречит и классиче:кой механике,
состоит яз положительно заряженного массивного ядра и элек-
и электродинамике Максвелла. Во-первых, он четко опреде-
тронов, которые движутся вокруг него, образуя электронную
ляет энергию электронов в каждом стационарном состоянии, а
оболочку атома. Ядро имеет очень маленький размер ^поряд-
во-вторых, допускает возможность ускоренного движения без
:5
ка 10 м), однако в нем сосредоточено 99,9% всей массы ато-
излучения электромагнитных волн.
ма. Заряд ядра по величине равен сумме зарядов электронов
Второй постулат Бора также противоречит электро-
атома.
динамике Максвелла, связывая частоту излучения исклю-
Определение заряда ядра вооружило ученых одной из
чительно с изменением энергии атома, а не г частотой обра-
наиболее важных характеристик атома. В 1913 году было до-
щения электрона по орбите. Однако эти постулаты подтвер-
казано, что заряд ядра совпадает с порядковым номером эле-
ждаются квантово-механическими расчетами. Поэтому на
мента в периодической системе Д. И. Менделеева. Нильс Бор
сегодняшний день модель атома Бора является главной от-
писал: «С самого начала было ясно, что, благодаря большой
правной точкой для разработки единой последовательной
массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравни-
теории атомного ядра
тельно с размерами всего атома, строение электронной систе-
мы должно зависеть почти исключительно от полного элек
трического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили 1.4. Расщепление ядра. Протон
на мысль о том, что вся совокупность физических и химичес-
В 1919 году Резерфорд сделал очередное сенсационное
ких свойств каждого элемента может определяться одним це-
открытие. Ему удалось расщепить ядро.
лым числом...»
Изучая столкновения а-частиц с легкими атомами, Ре-
Эксперименты Резерфорда послужили основой для со-
зерфорд установил, что при ударе а-чагтицы о ядро водорода
здания современной нротонно-нейтронной модели атома. Со-
оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза и отбирает 64%
гласно ей, в центре атома находится ядро, весь остальной объем
энергии сх-частицы. В результате столкновений атомов азота с
атома занимают электроны. Ядро состоит из положительно
а-частицами получаются частицы г максимальным пробегом,
заряженных протонов и нейтронов, которые не имеют заряда.
соответствующим пробегу атомов водорода
Разные электроны притягиваются к ядру с разной силой, по-
«Из полученных до сих пор результатов. - писал Резер-
лому некоторые из них могут «отрываться», превращая атом
форд, - трудно избежать заключения, что атомы с большим
ч положительно заряженный ион (катион). Если же атом при-
пробегом, возникающие при столкновении а-истиц с азотом,
соединяет электроны, то он превращаете в отрицательно за-
являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами
ряженный нон (анион)

<< Пред. стр.

страница 17
(всего 138)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign