Атомная физика. Релятивистское удлинение времени события
Исследования в ядерной физике после ВОВ.
После окончания войны с фашистской Германией и Японией, исследования в области ядерной физики в СССР получили дальнейшее развитие. Они позволили Советскому Союзу в короткий срок ликвидировать монополию США на ядерное оружие и приступить к использованию атомной энергии в промышленности и сельском хозяйстве, в медицине, науке и технике.
В СССР широким фронтом проводятся исследования по изучению атомного ядра, взаимодействий ядерных частиц, ядерных реакций, по синтезу новых элементов и т. д. В самостоятельные области выделились нейтронная физика, физика ядерных реакторов и изотопная технология. Исследования в области физики реакторов, начатые на первых реакторах на медленных (тепловых) нейтронах, стали развиваться применительно к реакторам на промежуточных и быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного горючего. Для проведения этих исследований и решения прикладных задач, необходимых для освоения физики атомных реакторов, используется большое число так называемых физических сборок - моделей реакторов, многочисленные экспериментальные реакторы, на которых определяют критические массы ядерного горючего, распределение нейтронных потоков и пр.
В результате исследований по ядерной физике открыты новые элементарные частицы, изменившие ранее существовавшее представление о структуре атомного ядра; разработаны теории, позволяющие предсказывать некоторые свойства ядерных частиц при их взаимодействии; синтезированы новые химические элементы, открыт новый вид радиоактивности, развиты и приобрели самостоятельное значение исследования по регулируемому термоядерному синтезу. Созданы и успешно применяются уникальные экспериментальные установки для обработки опытных данных, специальные автоматические или полуавтоматические просмотровые устройства, а также быстродействующие электронно-вычислительные машины.
Закончим этот раздел словами Игоря Васильевича Курчатова: «Необходимо и дальше развивать атомную теоретическую науку с тем, чтобы были надежно освещены пути будущей атомной техники. Перед нами пример работы по решению советскими учеными и инженерами задачи использования атомной энергии урана и других тяжелых элементов. Наши успехи в этом деле были в значительной мере обусловлены тем, что в институтах все время шла упорная теоретическая работа по изучению законов строения атома, законов цепной реакции, законов строения атомного ядра, теоретическая работа, которая определила развивающиеся у нас сейчас пути атомной техники...».
Это выступление И. В. Курчатова как бы подводило итог поистине огромной творческой работы, проделанной советскими учеными и инженерами. Эту работу продолжают и сейчас многочисленные коллективы ученых в научно-исследовательских институтах.
Вклад ученых в развитие ядерной физики и освоение атомной энергии.
В 1896 г. Антуан Анри Беккерель открыл, что урановая руда испускает какие-то невидимые с большой проникающей способностью (позднее это явление было названо радиоактивностью).
В 1898 г. Мария Склодовская и Пьер Кюри выделили несколько сотых грамма нового вещества - элемента, который излучал -частицы. Они назвали его полонием. В декабре того же года они открыли новый элемент - радий.
В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. Он же доказал, что почти вся атома сосредоточена в его ядре.
В 1913 г. Нильс Бор создал модель атома водорода и теорию строения атома. С этого времени и началось быстрое развитие квантовой механики, фактическое рождение ядерной физики.
В 1932 г. Джеймс Чедвик обнаружил не имеющую электрического заряда нейтральную ядерную частицу - нейтрон, будущий микроключ к большой атомной энергетике.
В 1932 г. Дмитрий Дмитриевич Иваненко предложил гипотезу строения атомного ядра из протонов и нейтронов.
В 1933 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио открыли искусственную бэтта-радиоактивность, т.е, новый вид радиоактивности. Это сыграло исключительную роль в создании новых радиоактивных элементов.
В 1934 г. Энрико Ферми обнаружил, что при бомбардировке урана нейтронами образуются радиоактивные элементы. Итальянские исследователи приняли их за элементы более тяжелые, чем уран, и назвали трансурановыми.
В 1934 г. Павел Алексеевич Черенков и Сергей Иванович Вавилов открыли одно из фундаментальных физических явлений - свечение жидкости при движении в ней электронов со скоростью, превышающей фазовую скорость в ней.
В 1935 г. Игорь Васильевич Курчатов с группой сотрудников открыли явление ядерной изомерии искусственных радиоактивных атомных ядер и разработали теорию этого явления.
В 1936 г. Яков Ильич Френкель предложил капельную модель ядра и ввел термодинамические понятия в ядерную физику, выдвинул первую теорию ядерного деления.
В 1938 г. Отто Ган и Ф. Штрассман, повторяя опыты Ферми, обнаружили, что в облученном нейтронами уране появляются элементы, стоящие в середине периодической системы элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.
В 1938 г. Фредерик Жолио-Кюри также установил, что при попадании нейтрона в ядро урана ядро разваливается - делится на два меньших ядра.
В 1939 г. Юлий Борисович Харитон и Яков Борисович Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235.
В 1940 году Георгий Николаев Флёров и К. А. Петржак открыли спонтанное ядер урана, т.е, доказали, что ядра урана могут самопроизвольно распадаться. Когда подсчитали энергию, которую можно получить при расщеплении 1 кг урана, то оказалось, что она равна количеству энергии, которое выделяется при сжигании 2 300 000 кг самого лучшего каменного угля.
В 1940 году Юлий Борисович Харитон и Яков Борисович Зельдович предложили расчет цепной реакции деления ядер урана, установив, таким образом, принципиальную возможность ее осуществления.
Перечень научных открытий в области ядерной физики можно было бы и продолжить. Все это можно найти в различных научных и научно-популярных книгах.
Практическое задание.
Внимательно изучите презентацию. Ваша задача заключается в следующем определиться с темой своей презентации, возможно аналогичной, а может быть и чем-то уникальной в своём роде. Сегодня в течение данного урока вам предстоит создать или начать создавать презентацию по физике, а если быть точным вы должны посвятить её одному из важнейших и фундаментальных разделов этой прекрасной науки «Физика атома и атомного ядра».
Ваша работа будет поделена на несколько этапов:
Вы должны выбрать тему, которую будете разрабатывать – либо это будет презентация, посвящённая какому-либо из учёных, внёсших колоссальный вклад в эту науку; а может вы выберете - теоретической аспект этой науки или практический и освятите один из них. Презентация «Физика атома и атомного ядра» несомненно, должна помочь вам в этом.
Затем вам (речь идёт конечно же о тех, кто забыл как работать в программе Microsoft PowerPoint2007 ) стоит ознакомиться с презентацией PowerPoint2007, которая очень подробно расскажет о том, как с ним работать.
Слайд 2
Слайд 3
Слайд 4
А -18. 1.На рисунке представлен фрагмент Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Под названием элемента приведены массовые числа его основных стабильных изотопов, нижний индекс около массового числа указывает (в процентах) распростра- ненностьизотопа в природе. Число протонов и число нейтронов в ядре самого распространенного изотопа бора соответственно равно 1) 6 протонов, 5 нейтронов 2) 10 протонов, 5 нейтронов 3) 6 протонов, 11 нейтронов 4) 5 протонов, 6 нейтронов
Слайд 5
2. На рисунке приведены спектр поглощения разреженных атомарных паров неизвестного вещества (в середине) и спектры поглощения паров известных элементов (вверху и внизу). По анализу спектров можно утверждать, что неизвестное вещество содержит 1) только кальций (Са) 2) только стронций (Sr) 3) кальций и еще какое-то неизвестное вещество 4) стронций и еще какое-то неизвестное вещество
Слайд 6
3. Гамма-излучение - это 1) поток ядер гелия 2) поток протонов 3) поток электронов 4) электромагнитные волны
Слайд 7
4. Атом натрия 2311Na содержит 11 протонов, 23 нейтрона и 34 электрона 2) 23 протона, 11 нейтронов и 11 электронов 3) 12 протонов, 11 нейтронов и 12 электронов 4) 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов
Слайд 8
5. Какие заряд Z и массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа после одного α-распада и одного электронного β-распада? 1) A=213, Z=82 2) A=211, Z=83 3) A=219, Z=86 4) A=212, Z=83
Слайд 9
6. Ядро атома содержит 10 нейтронов и 9 протонов, вокруг него обращаются 8 электронов. Эта система частиц ион фтора 2) ион неона 3) атом фтора 4) атом неона
Слайд 10
7. В камере Вильсона, помещенной во внешнее магнитное поле таким образом, что вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас, были сфотографированы треки 2-х частиц.Какой из треков может принадлежать α-частице 1) только 1-й 2) только 2-й 3) 1-й и 2-й 4) ни один из приведенных
Слайд 11
8. В камере Вильсона, помещенной во внешнее магнитное поле таким образом, что вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас, были сфотографированы треки 2-х частиц. Какой из треков может принадлежать электрону? 1) только 1-й 2) только 2-й 3) 1-й и 2-й 4) ни один из приведенных
Слайд 12
9. α-излучение - это 1) поток ядер гелия 2) поток протонов 3) поток электронов 4) электромагнитные волны
Слайд 13
10. Детектор радиоактивных излучений помещен в закрытую картонную коробку с толщиной стенок ≈ 1 мм. Какие излучения он может зарегистрировать? 1) α и β 2) α и Ƴ 3) β и Ƴ 4) α, β,Ƴ
Слайд 14
11. Какой вид ионизирующих излучений из перечисленных ниже наиболее опасен при внешнем облучении человека? 1) альфа-излучение 2) бета-излучение 3) гамма-излучение 4) все одинаково опасны
Слайд 15
12. В результате электронного β-распада ядра атома элемента с зарядовым числом Z получается ядро атома элемента с зарядовым числом 1) Z – 2 2) Z + 1 3) Z – 1 4) Z + 2
Слайд 16
13. В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление импульса электрического тока в газе? 1) в счетчике Гейгера 2) в камере Вильсона 3) в фотоэмульсии 4) в сцинтилляционном счетчике
Слайд 17
14. Как изменится число нуклонов в ядре атома радиоактивного элемента, если ядро испустит -квант? 1) увеличится на 2 2) не изменится 3) уменьшится на 2 4) уменьшится на 4
Слайд 18
15. На основании исследования явления рассеяния альфа-частиц при прохождении через тонкие слои вещества Резерфорд сделал вывод, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия 2) альфа-распад является процессом самопроизвольного превращения ядра одного химического элемента в ядро другого элемента 3) внутри атомов имеются положительно заряженные ядра очень малых размеров, вокруг ядер обращаются электроны 4) при альфа-распаде атомных ядер выделяется ядерная энергия, значительно большая, чем в любых химических реакциях
11.1. Модель атома Резерфорда
До 1911 г. не было правильных представлений о строении атома. В 1911 г. Резерфорд и его сотрудники исследовали рассеяние -частиц при прохождении через тонкие металлические слои (-частицы испускают радиоактивные элементы. Они представляют собой ядра атомов гелия с зарядом 2е и массой, приблизительно в 4 раза большей, чем масса атома водорода. Скорость их достигает 10 7 м/с ). Было установлено, что при облучении листка золота толщиной 6 мкм значительное отклонение от первоначального направления движения испытывала лишь одна из 8000 -частиц. Результат получился таким же неожиданным для того времени, как если бы при обстреле кирпичами кирпичной стены толщиной в несколько тысяч кирпичей почти все кирпичи проходили бы сквозь стену и лишь некоторые отскакивали бы от стены.
На основании своих исследований Резерфорд предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом состоит из положительного ядра, имеющего заряд Z е (Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е - элементарный заряд), размер 10 -5 -10 -4 А (1А= 10 -10 м) и массу практически равную массе атома. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то вокруг ядра должно вращаться Z электронов, суммарный заряд которых - Z е. Размеры атома определяются размерами
внешних орбит электронов и составляют порядка единиц А.
Масса электронов составляет очень малую долю массы ядра (для водорода 0,054%, для остальных элементов менее 0,03%). Понятие “размер электрона” не удается сформулировать непротиворечиво, хотя r o 10 -3 А называют классическим радиусом электрона.
Итак, ядро атома занимает ничтожную часть объема атома и в нем сосредоточена практически вся ( 99,95%) масса атома. Если бы ядра атомов располагались вплотную друг к другу, то земной шар имел бы радиус 200 м а не 6400 км (плотность вещества атомных ядер 1,810 17 кг/м 3). Поэтому с точки зрения атомистических представлений всякую среду следует рассматривать как вакуум, в который вкраплены атомные ядра и электроны (или по другому - как вакуум, слегка испорченный вкрапленными в него атомными ядрами и электронами).
Результаты опытов по рассеиванию -частиц свидетельствуют в пользу ядерной модели атома. Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Покажем это.
Предположим, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r . При этом кулоновская сила взаимодействия между электроном и ядром сообщает электрону нормальное (центростремительное) ускорение, определяемое из второго закона Ньютона.
При r = 1А из (1) находим, что а n 10 22 м/с 2 . Согласно классической электродинамике ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны (см. параграф 2.4.) и вследствие этого терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него, что противоречит действительности.
Выход из создавшего тупика был найден в 1913 г. Нильсом Бором, который сформулировал 2 постулата, противоречащие классическим представлениям.
11.2. Постулаты Бора
1. Первый постулат заключается в следующем:
Существуют только некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты, по которым движется электроны. При движении по стационарным орбитам электроны, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн.
В стационарном состоянии атома электрон должен иметь дискретные (квантованные) значения момента импульса
L n = mr v = n, n = 1, 2, ... (2)
Здесь m , v - масса и скорость электрона, r - радиус его орбиты. С учетом (1) и (2) находим радиусы стационарных орбит электронов
.
(3)
Для атома водорода (Z =1 ) радиус первой орбиты электрона при n = 1 , называемый первым боровским радиусом (а), равен
r 1 = a = 0,528 А. (4)
внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона (Т = mv 2 /2 ) и потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром (U =- Ze 2 /(4 0 r )),
(5)
при выводе формулы (5) учли формулу (1). Подставляя в (5) квантовые радиусы орбит электронов (3), получим, что энергия атома (которая равна энергии электрона, так как ядро атома неподвижно) может принимать только следующие дозволенные дискретные (квантовые) значения
где знак минус означает, что электрон находится в связанном состоянии. (В атомной физике энергия измеряется в электронвольтах, 1 эВ = 1,6 10 -19 Дж ).
2. Второй постулат устанавливает:
При переходе атома (электрона) из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон с энергией
где Е n , Е m - энергии атома (электрона) в стационарных состояниях n и m , которые определяются согласно (6).
Исходя из своих постулатов Бор создал полуклассическую теорию простейшего водородоподобного атома и объяснил линейчатый спектр атом водорода. К водородоподобным атомам относятся атом водорода (z=1), ион гелия Не + (z=2), ион лития Li ++ (Z =3 ) и др. Для них характерно, что вокруг ядра с зарядом = Ze вращается только один электрон.
11.3. Линейчатый спектр атома водорода
Спектр излучения атомарного водорода состоит из отдельных спектральных линий, которые располагаются в определенном порядке. В 1885 г. Бальмер установил, что длины волн (или частоты) этих линий могут быть представлены формулой. Действительно, из (7) с учетом (6) для водорода (Z = 1), следует, что
где R = 2,07 10 16 с -1 - постоянная Ридберга
Учитывая, что 1/ = v /с = /2с и используя (8), найдем
,
(9)
где R =1,0974 10 7 м -1 - называется также постоянной Ридберга.
На рис. 1 изображена схема энергeтических уровней атома водорода, расчитанных согласно (6) при z=1.
0
n =
При переходе электрона с более высоких энергетических уровней на уровень n = 1 возникает ультрофиолетовое излучение или излучение серии Лаймана (СЛ). Когда электроны переходя на уровень n = 2 возникает видимое излучение или излучение серии Бальмера (СБ). При переходе электронов с более высоких уровней на уровень n = 3 возникает инфракрасное излучение, или излучение серии Пашена (СП) и т.д.
Частоты или длины волн, возникающего при этом излучения, определяются по формулам (8) или (9) при m =1 - для серии Лаймана, при m =2 - для серии Бальмера и при m = 3 - для серии Пашена. Энергия фотонов определяется по формуле (7), которую с учетом (6) можно привести для водородоподобных атомов к виду:
эВ
(10)
Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913 - 1925 г.) были сделаны важные открытия, например, в области атомной спектроскопии. Однако в теории Бора обнаружились существенные недостатки, например, с ее помощью невозможно создать теорию более сложных, чем атом водорода, атомов. Поэтому становилось очевидным, что теория Бора представляет собой переходной этап на пути создания последовательной теории атомных и ядерных явлений. Такой последовательной теорией явилась квантовая (волновая) механика.
11.4 Атом водорода согласно квантовой механики. Квантовые числа электрона в атоме
Результаты полученные согласно теории Бора в решении задачи об энергетических уровнях электрона в водородоподобных атомах, получены в квантовой механике без привлечения постулатов Бора. Покажем это.
Состояние электрона в водородоподобном атоме описывается некоторой волновой функцией , удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера [см.(9.22)]. Учитывая, что потенциальная энергия электрона
где r - расстояние между электроном и ядром, получим уравнение Шредингера в виде
(12)
Целесообразно воспользоваться сферической системой координат r , , и искать решение этого уравнения в виде следующих собственных функций
(13)
где n , l , m - целочисленные параметры собственных функций. При этом n - называют главным квантовым числом, l - орбитальным (азимутальным) и m - магнитным квантовым числом.
Доказывается, что уравнение (12) имеет решение только при дискретных отрицательных значениях энергии
где n = 1, 2, 3,... главные квантовые числа.
Сравнение с выражением (6) показывает, что квантовая механика приводит к таким же значениям энергии, какие получились и в теории Бора. Однако в квантовой механике эти значения получаются как следствие основных положений этой науки.
Подставив в (14) Z =1 и приняв n = 1 , получим значение энергии основного состояния (т.е. состояния с наименьшей энергией) атома водорода
эВ.
(15)
Из решения (13) уравнения Шредингера (12) также следует, что момент импульса электрона в атоме квантуется по формуле
(16)
где l = 0, 1, 2, ... (n -1), орбитальное (азимутальное) квантовое число.
Проекция момента импульса L электрона на направление Z магнитного поля может принимать лишь целочисленные значения, кратные (пространственное квантование) т.е.
m - называют магнитным квантовым числом. При данном магнитное квантовое число может принимать различных значений.
Из химии и предыдущих разделов физики мы знаем, что все тела построены из отдельных, очень малых частиц - атомов и молекул. Под атомами понимают мельчайшую частицу химического элемента. Молекулой называют более сложную частицу, состоящую из нескольких ато...
§ 195. Постоянная Авогадро. Размеры и массы атомов
Одной из важных постоянных атомной физики является постоянная Авогадро (см. том I, § 242) - число структурных элементов (атомов, молекул, ионов и т. п.) в моле вещества. Зная постоянную Авогадро, можно найти величины, характеризующие отдельный атом: массу...
§ 196. Элементарный электрический заряд
Законы электролиза, открытые Фарадеем, свидетельствуют в пользу существования мельчайших, неделимых количеств электричества. При электролизе один моль любого - валентного элемента переносит заряд кулонов (- постоянная Фарадея). На один атом (точнее, ио...
§ 197. Единицы заряда, массы и энергии в атомной физике
Итак, заряд любой частицы содержит всегда целое число элементарных зарядов. Для частицы атомных размеров это целое число будет к тому же и небольшим. Ввиду этого в атомной физике удобно за единицу электрического заряда принять элементарный заряд. За един...
§ 198. Измерение массы заряженных частиц. Масс-спектрограф
Из курса электричества мы знаем, что на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила, называемая силой Лоренца. Сила Лоренца перпендикулярна к магнитному полю и к скорости частицы, и ее направление определяется правилом левой руки (рис....
§ 199. Масса электрона. Зависимость массы от скорости
В опыте по измерению массы электрона с помощью масс-спектрографа на фотопластинке обнаруживается только одна полоска. Так как заряд каждого электрона равен одному элементарному заряду, мы приходим к заключению, что все электроны обладают одной и той же ма...
§ 200. Закон Эйнштейна
В предыдущем параграфе мы установили связь между кинетической энергией тела и его массой: если телу сообщается кинетическая энергия, то его масса возрастает на величину. Эта связь носит общий характер: она относится к любым телам - большим и малым, заря...
§ 201. Массы атомов, изотопы
Рассмотрим результаты опытов по измерению массы положительных ионов. На рис. 352 представлена масс-спектрограмма положительных ионов неона. На спектрограмме четко видны три полоски различной интенсивности. Сравнивая расстояния от полосок до щели, можно по...
§ 202. Разделение изотопов. Тяжелая вода
Все изотопы данного элемента вступают в одни и те же химические реакции и образуют химические соединения, почти неотличимые по растворимости, летучести и подобным свойствам, используемым в химии для разделения элементов. Поэтому обычные химические методы...
§ 203. Ядерная модель атома
В предыдущих параграфах мы познакомились с данными о размерах и массах атомов. Перейдем теперь к вопросу о внутреннем строении атома. Изучению строения атома способствовало открытие явлений радиоактивности. Мы подробно остановимся на этих явлениях в гл. X...
§ 204. Энергетические уровни атомов
Опыты по рассеянию - частиц обнаружили существование в атомах тяжелого положительного ядра и электронной оболочки. Дальнейшие сведения о свойствах атомов дало изучение таких атомных процессов, которые сопровождаются изменением внутренней энергии атома. С...
§ 205. Вынужденное излучение света. Квантовые генераторы
Представление о квантовых энергетических уровнях атомов было введено в физику Н. Бором в 1913 г. Оно очень естественно объяснило линейчатые атомные спектры как результат процессов спонтанного (самопроизвольного) излучения и резонансного (избирательного) п...
§ 206. Атом водорода. Своеобразие законов движения электрона в атоме
Существование дискретных энергетических уровней является фундаментальным свойством атомов (так же как и молекул, и атомных ядер). Попробуем применить известные нам законы физики, чтобы представить себе устройство атома, объясняющее дискретность его энерге...
§ 207. Многоэлектронные атомы. Происхождение оптических и рентгеновских спектров атомов
Точно так же, как и в атоме водорода, в более сложных атомах электроны могут двигаться вокруг ядра только по определенным избранным орбитам. Различные экспериментальные данные указывают, что возможные орбиты электронов в атоме группируются в систему оболо...
§ 208. Периодическая система элементов Менделеева
Периодический закон изменения химических свойств элементов, открытый Д. И. Менделеевым, является отражением глубоких закономерностей строения атомов; он имеет поэтому первостепенное значение не только для химии, но и для физики. Правильная теория строения...
§ 209. Квантовые и волновые свойства фотонов
Как отмечалось в § 184, законы фотоэффекта были объяснены в 1905 г. А. Эйнштейном с помощью представления о световых квантах (фотонах). Согласно этим представлениям энергия электромагнитного поля не может делиться на произвольные части, а излучается и пог...
§ 210. Понятие о квантовой (волновой) механике
Изучение строения атома привело к выводу, что поведение электронов в атоме, так же как поведение фотонов, противоречит привычным законам классической физики, т. е. законам, установленным в опытах с телами макроскопических размеров. Существование дискретны...
§ 211. Открытие радиоактивности. Радиоактивные элементы
Уран, торий и некоторые другие элементы обладают свойством непрерывно и без каких-либо внешних воздействий (т. е. под влиянием внутренних причин) испускать невидимое излучение, которое подобно рентгеновскому излучению способно проникать сквозь непрозрачны...
§ 212. a-, b- и y-излучение. Камера Вильсона.
Как мы видели, радиоактивные излучения обладают ионизационным и фотографическим действием. Оба эти действия свойственны как быстрым заряженным частицам, так и рентгеновскому излучению, представляющим собой электромагнитные волны. Чтобы выяснить, обладает...
§ 213. Способы регистрации заряженных частиц
В развитии знаний о «микромире», в частности в изучении явлений радиоактивности, исключительную роль сыграли приборы, позволяющие регистрировать ничтожное действие одной-единственной частицы атомных размеров. Одним из таких замечательных приборов является...
§ 214. Природа радиоактивного излучения
1. излучение. По своим свойствам излучение подобно рентгеновскому излучению. Как и рентгеновское излучение, оно ионизует воздух, действует на фотопластинку и не отклоняется магнитным полем. При прохождении через кристаллы излучение, подобно рентгеновскому...
§ 215. Радиоактивный распад и радиоактивные превращения
Изучение радиоактивности убеждает нас в том, что радиоактивные излучения испускаются атомными ядрами радиоактивных элементов. Это очевидно в отношении частиц, так как в электронной оболочке их просто нет. Ядерное происхождение частиц доказывается химическ...
§ 216. Применения радиоактивности
1. Биологические действия. Радиоактивные излучения гибельно действуют на живые клетки. Механизм этого действия связан с ионизацией атомов и разложением молекул внутри клеток при прохождении быстрых заряженных частиц. Особенно чувствительны к воздействию и...
АТОМНАЯ ФИЗИКА, раздел физики, в котором изучают строение и свойства атомов и элементарные процессы, связанные с ними. Атом - система электрически заряженных частиц, поэтому его строение и свойства определяются в основном электромагнитными взаимодействиями между частицами, действующими на расстояниях порядка 10 -8 см с энергией порядка 1 эВ.
Первые представления о существовании атомов как мельчайших неделимых и неизменных частицах вещества высказаны в 5-3 веках до нашей эры в Древней Греции (Демокрит, Эпикур и др.). В 17-18 веках, в период становления точного естествознания, атомистические представления развивали И. Кеплер, П. Гассенди, Р. Декарт, Р. Богинь, И. Ньютон, М. В. Ломоносов и др. Однако лишь в конце18 - начале 19 века экспериментальные исследования привели к созданию первых атомистических теорий. На основе количественных химических законов и законов идеальных газов в начале 19 века стала развиваться химическая атомистика (Дж. Дальтон, А. Авогадро, И. Берцелиус), а к середине 19 века были разграничены понятия атома и молекулы (С. Канниццаро). В 1869 году Д. И. Менделеев открыл периодический закон и создал периодическую систему химических элементов, носящую его имя. Атомистические представления легли в основу молекулярной физики, в частности кинетической теории газов (середина 19 века), и статистической физики (Р. Клаузиус, Дж. К. Максвелл, Л. Больцман, Дж. У. Гиббс). Одновременно развивалось учение о внутреннем атомном строении кристаллов и их симметрии (Р. Гаюи, О. Браве, Е.С. Фёдоров, немецкий кристаллограф А. Шёнфлис).
Построению современной атомной физики в начале 20 века предшествовали открытия электрона (1897, Дж. Дж. Томсон) и радиоактивности (1895, А. Беккерель), которые опровергли мнение о неделимости атома. Важнейшим событием в атомной физике явилось открытие Э. Резерфордом в 1911 году атомного ядра, обладающего малыми по сравнению с атомом размерами и сосредоточившего в себе основную массу и положительный заряд атома. Резерфорд предложил так называемую планетарную модель атома: вокруг положительно заряженного массивного ядра двигаются по орбитам лёгкие отрицательно заряженные электроны. Однако в соответствии с законами классической электродинамики такой атом был бы неустойчивым, так как электроны при этом непрерывно излучали бы электромагнитную энергию и за доли секунды упали на ядро. В 1913 году Н. Бор создал теорию устойчивого атома, положив в её основу эмпирически введённые им квантовые постулаты (Бора постулаты).
1) атом может существовать только в дискретных стационарных состояниях, характеризуемых определёнными внутренними энергиями, причём, находясь в этих состояниях (на определённом уровне энергии), атом устойчив и не испускает электромагнитную энергию;
2) переходы между стационарными состояниями происходят скачкообразно (т.е. его энергия меняется не непрерывно, а скачкообразно); при таком переходе (квантовом переходе) атом поглощает или испускает определённую порцию электромагнитной энергии - квант энергии Е =hv ik , где h - постоянная Планка, a v ik - так называемая частота квантового перехода, определяемая энергиями стационарных состояний i и к, между которыми совершается переход.
Теория атома Н. Бора позволила объяснить не только устойчивость атома, но и линейчатость атомных спектров, наблюдавшиеся закономерности оптических и рентгеновских спектров, а также периодический закон Менделеева. Для определения возможных дискретных значений энергии атома водорода Бор предположил, что при очень малых v квантовые и классические результаты должны совпадать (так называемый соответствия принцип), и применил для описания движения электрона и вычисления его энергии классические законы электродинамики. Однако теория Бора оказалась неприменимой к атому гелия и более сложным атомам.
В 1923 году Л. де Бройль выдвинул гипотезу корпускулярно-волнового дуализма: всем частицам материи присущи свойства, как частицы, так и волновые свойства, каждой частице материи можно поставить в соответствие определённую длину волны. Идея де Бройля позволила объяснить существование стационарных состояний атома: возможны лишь такие из них, при которых длина волны электрона укладывается на его орбите целое число раз. Таким образом, электрон в определённом состоянии аналогичен стоячей волне с длиной λ, определяющей его энергию Е = hc/λ (где с - скорость света) и импульс ρ = h/λ. Развитие идеи де Бройля привело к созданию квантовой механики (В. Гейзенберг, М. Борн, Э. Шрёдингер), на основе которой была создана последовательная теория атома. В соответствии с этой теорией каждое стационарное состояние атома описывается волновой функцией, которая является решением Шрёдингера уравнения. Представления о движении электронов по определённым орбитам оказалось неправильным, так как невозможно одновременно точно указать координаты нахождения электрона в данной точке пространства и значение его импульса (неопределённостей соотношение, введённое В. Гейзенбергом в 1927). Можно лишь говорить о распределении электронной плотности или вероятности нахождения электрона в данный момент времени в данной точке пространства, что и определяет его волновая функция.
В 1925 году в теорию была введена (Дж. Уленбек и С. Гаудсмит) новая физическая величина - спин электрона - его собственный механический момент, с которым связан собственный магнитный момент электрона. Оказалось, что спином обладают и другие атомные частицы, и атом в целом. Учёт спина позволил объяснить расщепление уровней энергии и спектральных линий атома в электрическом и магнитных полях (Зеемана эффект и Штарка эффект), уяснить порядок расположения электронов в атомах различных химических элементов (смотри Паули принцип, Числа заполнения).
Квантовая механика объяснила образование ковалентной химической связи (1927, В.Гайтлер, Ф. Лондон), связь атомов в кристаллах, влияние на них внутрикристаллического поля (1929, Х. Бете), межатомные взаимодействия и так далее.
В 1930-х годах выяснилось, что в атомном ядре между входящими в него частицами действует не электромагнитное взаимодействие, а новый тип взаимодействия - сильное взаимодействие. Физика атомного ядра выделилась в самостоятельную область - ядерную физику. В 1940-50-х годах сформировались физика элементарных частиц и физика плазмы. Современная атомная физика включает теорию и экспериментальные методы исследования атомных спектров в оптическом, рентгеновском и радиодиапазонах. Она позволяет получать точные значения энергий стационарных состояний, моментов количества движения и других характеристик атомов, изучает механизмы их возбуждения, столкновительные и внутренние процессы. Эти данные необходимы для создания различных типов лазеров, для физики плазмы, решения астрофизической и космологической задач, для изучения электрических, магнитных и других свойств вещества. Уширение и сдвиг спектральных линий позволяет судить о локальных полях в конденсированных средах, вызвавших эти изменения, о температуре и плотности среды, измерять высокие давления и т.п. Распределение электронной плотности в конденсированных средах, которые определяют, например, методами рентгеновского структурного анализа, позволяет устанавливать характер межатомных связей.
Для определения точных значений атомных характеристик необходимо устранить влияние на атом окружающей среды и «остановить» его, так как движение атомов искажает их спектры (например, вызывает доплеровское уширение спектральных линий). Развитие методов изучения «холодных» (остановленных) атомов позволяет получать атомные спектры с шириной спектральных линий, близкой к естественной. Важным достижением науки явилось получение реального изображения отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа.
Литературу смотри при статье Атом.
В.И. Балыкин. М. А. Ельяшевич.
