Презентация на тему "физика атома и атомного ядра". Атомная физика

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...

2 1. Введение 1.1. Предмет атомной физики, её краткая история развития, цели и задачи 1.2. Основные определения. Электрон, протон, нейтрон, атом, ион, молекула, нуклид, атомное ядро, химический элемент, изотопы 1.3. Ядерные и оболочечные свойства атома 1.4. Единицы измерения физических величин в атомной физике. Электрон-вольт. Моль, постоянная Авогадро, атомная единица массы, относительная атомная масса. Масштабы энергий, длин, частот, масс в атомной и ядерной физике 1.5. Классическая, релятивистская и квантовая физика. Импульс и энергия 1.6. Фотон. Шкала энергий фотонов (шкала электромагнитного излучения)

3 Физика атома Атомная физика (физика атома и атомных явлений) это раздел физики, изучающий строение и свойства атомов, а также элементарные процессы, в которых атомы принимают участие Объектами исследования атомной физики являются как атомы, так и молекулы, атомные и молекулярные ионы, экзотические атомы и другие микрочастицы В явлениях, изучаемых в рамках атомной физики, основную роль играют электромагнитные взаимодействия Результаты исследований в области атомной физики служат основой понимания химической связи, оптических и туннельных явлений, процессов в плазме, нейтральных жидкостях, твёрдых телах (в т. ч. полупроводниках и наноматериалах) Теоретической основой самой атомной физики являются квантовая теория и квантовая электродинамика Чёткой границы между атомной физикой и другими разделами физики не существует, и в соответствии с международной классификацией, атомная физика включена в область атомной, молекулярной физики и оптики

4 Краткая история развития атомной физики Понятие «атом» употреблялось древнегреческими учеными (V – II веках до н. э.) для обозначения наименьших, неделимых частиц, из которых состоит всё существующее в мире Экспериментальные подтверждения атомистических представлений были получены в XIX века в химических и физических исследованиях Представление о том, что атом состоит из положительно и отрицательно заряженных частей, было обосновано во второй половине XIX-го века В 1897 г. Дж.Дж. Томсоном был открыт электрон, и вскоре доказано, что он является составной частью всех атомов Представление об атоме как о системе, состоящей из ядра атомного и электронной оболочки, было обосновано Э. Резерфордом в 1911 году После того, как это представление стало общепринятым, из атомной физики выделилась ядерная физика и, несколько позже, физика элементарных частиц

5 Краткая история развития атомной физики Основы современной атомной физики были заложены в начале XX-го века, когда на основе модели атома Э. Резерфорда и развития квантовых представлений М. Планка (1900) и А. Эйнштейна (1905) Н. Бором были даны объяснения ряда важнейших свойств атома (1913) и выдвинуты два «квантовых» постулата Согласно первому из них, существуют особые (стационарные) состояния атома, в которых последний не излучает энергии, хотя входящие в его состав заряженные частицы (электроны) совершают ускоренное движение Согласно второму постулату, излучение атома происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое, а частота ν этого излучения определяется из условия h = E – E (правила частот Бора), где h постоянная Планка, E и E значения энергии атома в начальном и конечном состояниях Первый постулат отражает факт устойчивости атома, второй дискретность частот в атомных спектрах

6 Краткая история развития атомной физики На смену теории Бора, которая оказалась не в состоянии исчерпывающим образом объяснить свойства атомов и молекул, пришла последовательная квантовая теория, созданная в 20-х – 30-х годах XX-го века (В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, П. Дирак) Тем не менее, постулаты Бора по-прежнему сохраняют свою значимость и неотъемлемым образом входят в основы физики микроскопических явлений В рамках современной квантовой теории дано максимально полное объяснение свойств атома: принципы формирования оптических и рентгеновских спектров, поведение атомов в магнитных (эффект Зеемана) и электрических (эффект Штарка) полях, получили теоретическое обоснование периодическая система элементов и природа химической связи, были разработаны методы расчёта электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел (метод самосогласованного поля Хартри – Фока), созданы новые устройства для изучения структуры и свойств вещества (электронный микроскоп) Развитие идей квантовой теории (гипотеза спина, принцип Паули и др.), в свою очередь, опиралось на экспериментальные исследования в области атомной физики (линейчатые спектры атомов, фотоэффект, тонкая и сверхтонкая структура спектральных линий, опыты Франка и Герца, Дэвиссона и Джермера, Штерна и Герлаха, эффект Комптона, открытие дейтерия и других изотопов, эффект Оже и др.)

7 Краткая история развития атомной физики Во второй трети XX-го века в рамках атомной физики и на основе идей квантовой теории были разработаны новые экспериментальные методы физических исследований: электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС), спектроскопия электронного удара (СЭУ), созданы устройства для их осуществления (мазер, лазер и др.) Непосредственное экспериментальное подтверждение получили фундаментальные принципы квантовой теории (интерференция квантовых состояний, лэмбовский сдвиг уровней и др.), предложены новые методы расчёта электронной структуры вещества (теория функционала плотности), предсказаны новые физические явления (сверхизлучение) Разработаны методы экспериментальных исследований процессов, происходящих с одиночными атомами, ионами и электронами, удерживаемыми электрическим и магнитным полями специальной конфигурации (атомными и ионными «ловушками»)

8 Краткая история развития атомной физики Новые результаты в области атомной физики последней трети XX-го – начала XXI века в основном связаны с использованием лазеров В научной практике широко применяются методы лазерной спектроскопии, в т. ч. нелинейной, на основе которых появилась возможность осуществлять спектроскопические измерения с одиночными атомами и молекулами, определять характеристики высоковозбуждённых состояний атомов, исследовать динамику внутриатомных и внутримолекулярных процессов длительностью до нескольких фемтосекунд (10 –15 с) С помощью лазеров удалось осуществить и детально исследовать многофотонные процессы взаимодействия излучения с атомными системами (многофотонный фотоэффект, умножение частоты), а также охлаждение отдельных атомов до сверхнизких температур Теоретические исследования последних десятилетий в области атомной физики связаны со стремительным прогрессом вычислительной техники и направлены на разработку эффективных методов и средств расчёта электронной структуры и свойств многоэлектронных атомных систем с учётом энергии электронной корреляции, релятивистских квантово-механических и квантово- электродинамических поправок

9 Атомная физика Исследования в области атомной физики нашли множество научных и практических применений В промышленных целях для определения элементного состава вещества используются методы атомного спектрального анализа, включая ЭПР, ФЭС и СЭУ Для решения геологических, биологических и медицинских задач используются методы дистанционного и локального лазерного спектрального атомного анализа, в промышленных и технических целях осуществляется лазерное разделение изотопов Экспериментальные и теоретические методы атомной физики находят применение в астрофизике (определение состава и физических характеристик вещества звёзд и межзвёздной среды, исследование ридберговских атомов), метрологии (атомные часы) и других областях науки и техники

10 Цели и задачи курса атомной физики Основная цель дисциплины «Физика атома и атомных явлений», как части курса общей физики, заключается в формировании базовых знаний по физике микроскопических явлений на атомно-молекулярном уровне и умения применять их для решения прикладных проблем Для достижения этой цели решаются следующие задачи: – анализ развития атомистических и становления квантовых представлений; – изучение важнейших экспериментальных фактов атомной физики и их взаимосвязи; – выявление специфики микроявлений и несостоятельности классической теории для их объяснения; – изучение основ квантовой механики и методов решения квантово- механических задач; – систематическое изучение и объяснение на основе квантовой теории строения и свойств атомов и молекул, их поведения во внешних полях и во взаимодействии друг с другом

12 Электрон Электрон стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом Абсолютная величина заряда электрона равна элементарному заряду q e = –e –1.610 –19 Кл Масса электрона m e = m –31 кг Спин электрона равен ½ Магнитный момент электрона по модулю примерно равен магнетону Бора μ e –μ Б – –4 эВ/Тл Для обозначения электрона используются символ e или e – Электроны образуют электронные оболочки всех атомов и ионов Электрон имеет античастицу позитрон (e +)

15 Протон Протон стабильная элементарная частица с положительным электрическим зарядом Заряд протона равен элементарному заряду q p = e –19 Кл Масса протона m p 1836m e –27 кг Спин протона равен ½ Магнитный момент протона μ p –8 эВ/Тл Протон обозначается символом p или p + Протон имеет античастицу антипротон (p –)

16 Аннигиляция антипротона Антипротон (голубой трек) сталкивается с протоном в пузырьковой камере В результате возникают четыре положительных пиона (красные треки) и четыре отрицательных (зелёные треки) Жёлтый трек принадлежит мюону, который рождается в результате распада пиона

17 Нейтрон Нейтрон элементарная частица с нулевым электрическим зарядом Время жизни нейтрона в свободном состоянии составляет примерно 886 с Масса нейтрона m n 1839m e –27 кг Спин нейтрона равен ½ Несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон обладает магнитным моментом μ n – –8 эВ/Тл Нейтрон обозначается символом n или n 0 Нейтрон имеет античастицу антинейтрон Протоны и нейтроны объединяют общим названием нуклоны Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов

18 Нейтрон Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они не оставляют треков в камерах-детекторах частиц Тем не менее нейтроны можно обнаружить по результатам их взаимодействия с другими, заряженными, частицами Расцвеченное изображение показывает треки частиц в камере Вильсона, наполненной смесью газообразного водорода, этилового спирта и воды Пучок нейтронов проникает в камеру снизу и вызывает трансмутации атомов кислорода и углерода, входящих в состав молекул этилового спирта

19 Атом Атом микрочастица, состоящая из атомного ядра и окружающих его электронов (электронной оболочки) Положительно заряженное ядро удерживает отрицательно заряженные электроны силами электрического притяжения Поскольку ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и при этом электрический заряд нейтрона равен нулю, протона элементарному заряду e, заряд электрона равен e, то при числе электронов в оболочке, равном числу протонов в ядре, суммарный электрический заряд атома равен нулю Размеры ядра (~ 10 –15 – 10 –14 м) крайне малы по сравнению с размерами атома (~10 –10 м), однако из-за того, что масса протона (как и нейтрона) почти в 2 тысячи раз больше массы электрона, практически вся масса атома () сосредоточена в ядре

20 Атом золота Au Изображение отдельного атома золота получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Увеличение в раз до размера в 35 мм

22 Атомы кремния Si Расцвеченное изображение атомов кремния получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Показана элементарная ячейка кристалла. Также видны связи между атомами Увеличение в раз до размера в 35 мм

24 Атомы урана U Расцвеченное изображение атомов урана получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Маленькие точки правильной формы – отдельные атомы, более крупные образования – кластеры, состоящие из 2–20 атомов Размер поля зрения – примерно 100 Å. Увеличение в раз до размера в 35 мм

25 Микрокристаллы уранила UO 2 2+ Расцвеченное изображение микрокристаллов уранила получено с помощью просвечивающего электронного микроскопа Каждое пятнышко представляет собой отдельный атом урана Увеличение в раз до размера в 35 мм

27 Химический элемент, нуклид, изотопы Атомы с определенным числом протонов Z в ядре принадлежат одному и тому же химическому элементу. Число Z называется атомным номером химического элемента. Совокупность атомов с определенным числом протонов Z и нейтронов N в ядре называется нуклидом. Нуклиды обозначают, добавляя к названию элемента значение массового числа А, равного сумме Z + N (например, кислород-16, уран-235), или помещая число А возле символа элемента (16 О, 235 U). Нуклиды одного и того же элемента называются изотопами. Масса самого легкого атома атома водорода, состоящего из одного протона и одного электрона, равна m H 1.67·10 –27 кг. Массы остальных атомов приближенно в А раз больше, чем m H. В природе встречается 90 химических элементов и более 300 различных нуклидов; 270 из них стабильны, остальные радиоактивны. Около радиоактивных нуклидов получено искусственным путем.

31 Ионы Процесс удаления или присоединения электронов к атому называют ионизацией При числе электронов в оболочке, меньшем Z, получается положительный атомный ион, при большем, чем Z отрицательный Таким образом, ион это электрически заряженный атом (или молекула), который образуется при отрыве или присоединении одного или нескольких электронов к нейтральному атому (или молекуле)

32 Ионы Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные анионами. Ионы обозначаются химическим символом с индексом, который указывает кратность (величину заряда в единицах элементарного заряда) и знак иона: H –, Na +, UO 2 2+ Ионы могут представлять собой как устойчивые образования (как правило, в растворах или кристаллах), так и неустойчивые (в газах при обычных условиях) Атомные катионы могут быть получены вплоть до заряда +(Z – 1). Так, на ускорителях ионов получены, например, U 90+ и U 91+ Атомные анионы с зарядом 2 и более в свободном состоянии не существуют

34 Молекула Молекула это наименьшая устойчивая частица вещества, состоящая более чем из одного атома Молекула характеризуется определённым составом атомных ядер, числом электронов и пространственной структурой Для обозначения количественного и качественного состава молекул используются химические формулы: O 2 (молекула кислорода), H 2 O (молекула воды), CH 4 (молекула метана), C 6 H 6 (молекула бензола), C 60 (молекула фуллерена)

39 Молекула ДНК Расцвеченное изображение молекулы ДНК получено при помощи просвечивающего электронного микроскопа В камере с высоким вакуумом образец ДНК покрывают тонким слоем платины Металлическое покрытие даёт контрастное изображение в электронном микроскопе

40 Ядерные и оболочечные свойства атома Ядерные свойстваОболочечные свойства Определяются составом ядра: радиоактивность, способность участвовать в ядерных реакциях и т. п. Определяются строением электронной оболочки: химические, физические (электрические, магнитные, оптические и т. д.) 42 Энергия Единицей энергии в СИ является джоуль (Дж), однако для величин энергии объектов и явлений атомной физики такая единица используется редко Более употребительной является внесистемная единица энергии, называемая электрон-вольтом (эВ, eV) Электрон-вольт это энергия, которую приобретает заряженная частица с элементарным зарядом, проходя ускоряющую разность потенциалов в 1 вольт: 1 эВ = Дж Для измерения энергий в атомной и ядерной физике используются кратные (кэВ, 1 кэВ = 10 3 эВ, МэВ, 1 МэВ = 10 6 эВ) и дольные (мкэВ, 1 мкэВ = 10 –6 эВ) единицы электрон-вольта, а также некоторые другие: ридберг (Rydberg, Ry), хартри (hartree, Ha, или атомная единица, а. е.) Ридберг численно равен энергии ионизации атома водорода из основного состояния в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ry эВ Хартри равен абсолютной величине потенциальной энергии электрона в основном состоянии атома водорода в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ha = 2 Ry эВ Энергии состояний атомных систем, а также переходов между состояниями могут измеряться и в других единицах

43 Масса Единицей массы в СИ является килограмм (кг), однако для измерения масс объектов атомной физики используется внесистемная единица измерения, называемая атомной единицей массы (а. е. м.) Атомная единица массы равна 1/12 массы несвязанного невозбуждённого атома углерода-12 (12 С): 1 а. е. м кг 1 а. е. м. приблизительно равна массе одного протона или нейтрона Относительная атомная масса масса атома, выраженная в а. е. м. Постоянная Авогадро N A физическая константа, численно равная количеству атомов в 12 г чистого изотопа углерода-12: N A моль –1 Моль (единица количества вещества в СИ) по определению содержит N A структурных элементов (атомов, молекул, ионов).

44 Длина Единицей длины в СИ является метр (м). 1 метр равен расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1/ секунды. За исключением измерений длин волн электромагнитного излучения радиодиапазона, такая единица длины редко применяется в атомной физике, а вместо неё для измерения линейных размеров, а также длин волн используются дольные единицы метра: сантиметр (см, 1 см = 10 –2 м), миллиметр (мм, 1 мм = 10 –3 м), микрометр (мкм, μм, 1 мкм = 10 –6 м), нанометр (нм, 1 нм = 10 –9 м), пикометр (пм, 1 пм = 10 –12 м) и другие, а также внесистемные единицы: ангстрем (Å, 1 Å = 0.1 нм = 10 –10 м), бор (или боровский радиус) (1 бор Å)

45 Время Единицей длительности промежутков времени в СИ является секунда (с) В настоящее время секунда определяется на основе т. н. атомного эталона времени: одна секунда (или атомная секунда) равна периодам электромагнитного излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния изотопа 133 Cs (цезия-133) Длительности быстропротекающих процессов в атомной физике принято измерять в дольных единицах секунды: нано-, пико- или фемтосекундах (нс, пс, фс, 1 фс = 10 –15 с)

46 Масштабы физических величин в атомной и ядерной физике Для явлений атомной физики характерны размеры от 10 –12 м (внутренние подоболочки тяжелых атомов) до десятых долей нанометра (размеры атомов и небольших молекул), энергии от 10 –6 эВ (сверхтонкая структура уровней) до 10 5 эВ (энергии связи электронов внутренних подоболочек), времена от десятков фемтосекунд (длительности сверхкоротких лазерных импульсов) до тысяч секунд (времена жизни метастабильных состояний атомов) Типичные размеры молекул составляют 0.1–1 нм. Межъядерное расстояние у наименьшей молекулы (H 2) равно нм Макромолекулы ДНК и многих полимеров могут иметь макроскопические размеры. Так, длина развёрнутой спирали ДНК может достигать нескольких сантиметров при ширине примерно 2 нм.

47 Фотон Фотон, или квант электромагнитного излучения (поля), безмассовая элементарная частица, не имеющая электрического заряда В вакууме фотон движется со скоростью c Фотон имеет спин, равный 1 Проекции спина на направления, перпендикулярные направлению распространению фотона, определяют состояние его поляризации Фотон обозначается символом γ

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами ).

Ядро было открыто Э. Резерфордом в 1911 г. при исследовании прохождения α -частиц через вещество. Оказалось, что почти вся масса атома (99,95%) сосредоточена в ядре. Размер атомного ядра имеет порядок величины 10 -1 3 -10 - 12 см, что в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки.

Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода , выбитых α -частицами из ядер других элементов (1919-1920 гг.), привели уче-ного к представлению о протоне . Термин протон был введен в начале 20-х гг XX ст.

Протон (от греч. protons — первый, символ p ) — стабильная элементарная частица, ядро ато-ма водорода.

Протон — положительно заряженная частица, заряд которой по абсолютной величине равен заряду электрона e = 1,6 · 10 -1 9 Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона m р = 1,6726231 · 10 -27 кг = 1,007276470 а.е.м.

Второй частицей, входящей в состав ядра, является нейтрон .

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ви другой, символ n ) — это эле-ментарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная.

Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: масса покоя свободного нейтрона m n = 1,6749286 · 10 -27 кг = 1,0008664902 а.е.м. и превосходит массу протона па 2,5 массы электрона. Нейтрон, наря-ду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардировке бериллия α -частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало пре-граду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало свое действие при прохождении через парафиновую пластину (см. рисунок). Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это γ -кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных ней-тронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвига. При попадании α -частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Здесь — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса прибли-зительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время ~ 15 мин. распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.

После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра . Согласно этой моде-ли, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева .

Заряд ядра Q определяется числом протонов Z , входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона e :

Q = +Ze.

Число Z называется зарядовым числом ядра или атомным номером .

Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содер-жащихся в нем. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N . Таким образом, массовое число равно:

А = Z + N.

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.

Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов .

Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый и topoa — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число прото-нов (Z ) и различное число нейтронов (N ).

Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного эле-мента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно атом) с заданными числами Z и N . Общее обозначение нуклидов имеет вид ……. где X — символ химического эле-мента, A = Z + N — массовое число.

Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и про-изошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (b почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемен-та определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1 Н — протий , 2 Н — дейтерий , 3 Н — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и хими-ческие свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е. не радиоактивен) и входит в качестве неболь-шой примеси (1: 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода . Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °С и замерзает при +3,8 ºС. Тритий β -радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактив-ные изотопы.

Изотопы урана. У элемента урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп составляет всего 1/140 часть от более распространенного .

> Атомная и ядерная физика

Атомная и ядерная физика

Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.: ИЛ, 1963 (djvu)
Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том 1. М.: Мир, 1972 (djvu)
Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том 2. М.: Мир, 1973 (djvu)
Адлер С., Дашен Р. Алгебры токов и их применение в физике частиц. М.: Мир, 1970 (djvu)
Ахиезер А.И., Рекало М.П. Биография элементарных частиц. Киев: Наук. думка, 1979 (djvu)
Ахиезер А., Померанчук И. Некоторые вопросы теории ядра (2-е изд.) М.-Л.: ГИТТЛ, 1950 (djvu)
Байер В.Н., Катков В.М., Фадин В.С. Излучение релятивистских электронов. М.: Атомиздат, 1973 (djvu)
Балдин A.M., Гольданский В.И., Розенталь И.Л. Кинематика ядерных реакций. М.: ГИФМЛ, 1959 (djvu)
Бартон Г. Дисперсионные методы в теории поля. М.: Атомиздат, 1968 (djvu)
Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973 (djvu)
Бернстейн Дж. Элементарные частицы и их токи. М.: Мир, 1970 (djvu)
Бете Г., Швебер С., Гофман Ф. Мезоны и поля. Том 1. Поля. М.: Ин. лит., 1957 (djvu)
Бете Г., Гофман Ф. Мезоны и поля. Том 2. Мезоны. М.: Ин. лит., 1957 (djvu)
Бете Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. М.: Ин. лит., 1958 (djvu)
Биленький С.М. Введение в диаграммную технику Фейнмана. М.: Атомиздат, 1971 (djvu)
Бор Н. Избранные научные труды. Том I. Статьи 1909-1925. М.: Наука, 1970 (djvu)
Бор Н. Избранные научные труды. Том II. Статьи 1925 -1961. М.: Наука, 1971 (djvu)
Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество. М.: ИЛ, 1950 (djvu)
Боргман И.И. (ред.) Новые идеи в физике. Вып. 1. Строение вещества. СПб.: Образование, 1911 (djvu)
Борн М. Лекции по атомной механике. Харьков-Киев: НТИУ, 1934 (djvu)
Борн M. Атомная физика. М.: Мир, 1965 (djvu)
Браун Дж.Е., Джексон А.Д. Нуклон-нуклонные взаимодействия. М.: Атомиздат, 1979 (djvu)
Бюклинг Е., Каянти К. Кинематика элементарных частиц. М.: Мир, 1975 (djvu)
Вайтман А.С. Проблемы в релятивистской динамике квантованных полей. М.: Наука, 1967 (djvu)
Васильев А.Н. Функциональные методы в квантовой теории поля и статистике. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976 (djvu)
Вентцель Г. Введение в квантовую теорию волновых полей. М.: Гостехиздат, 1947 (djvu)
Вильсон Дж. Камера Вильсона. М.: ИЛ, 1954 (djvu)
Волков М.К., Первушин В.Н. Существенно нелинейные квантовые теории, динамические симметрии и физика мезонов. М.: Атомиздат, 1978 (djvu)
Гайтлер В. Квантовая теория излучения. М.: ИЛ, 1956 (djvu)
Гейзенберг В. Введение в единую полевую теорию элементарных частиц. М.: Мир, 1968 (djvu)
Горбунова О.И., Зайцева А.М., Красников С.Н. Задачник-практикум по общей физике. Оптика. Атомная физика. М.: Просвещение, 1977 (djvu)
Гриб А.А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. М.: Атомиздат, 1978 (djvu)
Давыдов А.С. Теория атомного ядра. М.: Физматгиз, 1958 (djvu)
Де Альфаро B., Фубини C., Фурлан Г., Росетти К. Токи в физике адронов. М.: Мир, 1976 (djvu)
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Том 3. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика (3-е издание). М.: Высшая школа, 1979 (djvu)
Джеффрис К. Динамическая ориентация ядер. М.: Мир, 1965 (djvu)
Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс обшей физики. Том 3. Оптика, физика атомов и молекул, физика атомного ядра и микрочастиц (4-е издание). М.: Наука, 1970 (djvu)
Иваненко Д., Соколов А. Классическая теория поля (2-е изд.) М.-Л.: ГИТТЛ, 1951 (djvu)
Иваненко Д. Элементарные частицы и компенсирующие поля. Сборник статей. М.: Мир, 1964 (djvu)
Камал А. Задачи по физике элементарных частиц. М.: Наука, 1968 (djvu)
Коккедэ Я. Теория кварков. М.: Мир, 1971 (djvu)
Коллинз П. Введение в реджевскую теорию и физику высоких энергий. М.: Атомиздат, 1980 (djvu)
Коллинз П., Сквайрс Ю. Полюса Редже в физике частиц. М.: Мир, 1971 (djvu)
Ли Ц., Ву Ц. Слабые взаимодействия. М.: Мир, 1968 (djvu)
Ломсадзе Ю.М. Теоретико-групповое введение в теорию элементарных частиц. М.: Высш. школа, 1962 (djvu)
Лорентц Г.А. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения (2-е изд.). М.: ГИТТЛ, 1953 (djvu)
Лоудон Р. Квантовая теория света. М.: Мир, 1976 (djvu)
Марков М.А. Гипероны K-мезоны. М.: ГИФМЛ, 1958 (djvu)
Маршак Р., Судершан Э. Введение в физику элементарных частиц. М.: ИЛ, 1962 (djvu)
Матвеев А.Н. Квантовая механика и строение атома. М.: Высш. школа, 1965 (djvu)
Менский М.Б. Метод индуцированных представлении: пространство-время и концепция частиц. М.: Наука, 1976 (djvu)
Мигдал А.Б. Фермионы и бозоны в сильных полях. М.: Наука, 1978 (djvu)
Минлос Р.А. (ред.) Математика. Новое в зарубежной науке-12. Евклидова квантовая теория поля. Марковский подход. Сборник статей. М.: Мир, 1978 (djvu)
Мотт Н., Месси Г. Теория атомных столкновений. М.: ИЛ, 1951 (djvu)
Мошинский М. Гармонический осциллятор в современной физике: от атомов до кварков. М.: Мир, 1972 (djvu)
Мэтьюс П. Релятивистская квантовая теория взаимодействий элементарных частиц. М.: ИЛ, 1959 (djvu)
Нгуен Ван Хьеу Лекции по теории унитарной симметрии элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1967 (djvu)
Нелипа Н.Ф. Введение в теорию сильновзаимодействующих элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1970 (djvu)
Нишиджима К. Фундаментальные частицы. М.: Мир, 1965 (djvu)
Новожилов Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц. М.: Наука, 1972 (djvu)
Ньютон Р. Теория рассеяния волн и частиц. М.: Мир, 1969 (djvu)
Окунь Б. Слабое взаимодействие элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963 (djvu)
Очелков Ю.П., Прилуцкий О.Ф., Розенталь И.Л., Усов В.В. Релятивистская кинетика и гидродинамика. М.: Атомиздат, 1979 (djvu)
Паули В. Релятивистские полевые теории элементарных частиц. М.: 1947 (djvu)
Петрина Д.Я., Иванов С.С., Ребенко А.Л. Уравнения для коэффициентных функций матриц рассеяния. М.: Наука, 1979 (djvu)
Поль Р.В. Оптика и Атомная физика. М.: Наука, 1966 (djvu)
Попов В.Н. Континуальные интегралы в квантовой теории поля и статистической физике. М.: Атомиздат, 1976 (djvu)
Путилов К.А., Фабрикант В.А. Курс физики. Том 3. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика (2-е издание). М.: ГИФМЛ, 1963 (djvu)
Ракобольская И.В. Ядерная физика. М.: Изд-во МГУ, 1971 (djvu)
Романцов Ю.А. Исследование динамики релятивистских частиц в поле резонансных систем с распределенным взаимодействием. Препринт № 47. Харьков: РИ АН УССР, 1990 (djvu)
Румер Ю.Б., Фет А.И. Теория групп и квантованные поля. М.: Наука, 1977 (djvu)
Савельев И.В. Курс общей физики. Том З. Оптика. Атомная физика. М.: Наука, 1971 (djvu)
Сакураи Дж. Токи и мезоны. М.: Атомиздат, 1972 (djvu)
Синаноглу О. Многоэлектронная теория атомов, молекул и их взаимодействий. М.: Мир, 1966 (djvu)
Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: ГИФМЛ, 1963 (djvu)
Соколов А.А. Элементарные частицы (Расширенная публичная лекция, прочитанная в лектории МГУ 10 января 1962 г.) М.: МГУ, 1963 (djvu)
Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. М.: Просвещение, 1970

Атомная физика возникла на рубеже XIX и XX столетий на основе исследований оптических спектров газов, открытия электрона и радиоактивности. На первом этапе своего развития (первая четверть XX в.) атомная физика занималась главным образом выявлением строения атома и изучением его свойств. Опыты Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц тонкой металлической фольгой (1908-1911) привели к созданию планетарной модели атома; используя эту модель, Н. Бор (1913) и А. Зоммерфельд (1915) разработали первую количественную теорию атома (см. Атом). Последующие исследования свойств электрона и атомов завершились созданием в середине 20-х гг. квантовой механики - физической теории, описывающей законы микромира и позволяющей количественно рассматривать явления, в которых участвуют микрочастицы (см. Квантовая механика).

Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики. В то же время атомная физика играет роль своеобразного «испытательного полигона» для квантовой механики. Представления и выводы квантовой механики, часто не согласующиеся с нашим повседневным опытом, проходят экспериментальную проверку в атомной физике. Ярким примером могут служить знаменитые опыты Франка - Герца (1913) и Штерна - Герлаха (1922); ниже остановимся на них подробнее.

К началу XX в. был накоплен богатый материал по оптическим спектрам атомов. Было установлено, что каждому химическому элементу соответствует свой линейчатый спектр, характеризующийся закономерным, упорядоченным расположением спектральных линий. Квантовая механика связывает наблюдаемые закономерности в спектре с системой энергетических уровней данного атома. В 1913 г. немецкие физики Дж. Франк и Г. Герц выполнили опыт, давший прямое экспериментальное подтверждение тому, что внутренняя энергия атома квантуется и поэтому может изменяться лишь дискретно, т. е. определенными порциями. Они измерили энергию свободных электронов, затрачиваемую на возбуждение атомов ртути. Основной элемент установки - стеклянный откачанный баллон с тремя впаянными электродами: катодом, анодом, сеткой (прообраз современного вакуумного триода). В баллоне находились пары ртути под давлением 1 мм рт. ст. Электроны, покинувшие катод, ускорялись в поле между катодом и сеткой (ускоряющее напряжение U) и затем тормозились в поле между сеткой и анодом (тормозящее напряжение U 1). На пути от катода к аноду электроны сталкивались с атомами ртути. Напряжение U 1 выбиралось значительно меньше, чем U\ поэтому от анода отталкивались только достаточно медленные электроны - те, которые потеряли энергий) в результате неупругих столкновений с атомами ртути. В опыте измерялась сила анодного тока в зависимости от ускоряющего напряжения U. Экспериментальная кривая имеет ряд четких максимумов, отстоящих друг от друга на 4,9 В. Вид этой кривой объясняется так. При U< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.

При более тщательной постановке опытов этого типа удалось обнаружить возбуждение следующих энергетических уровней атомов: для ртути это 6,7; 8,3 эВ и т. д. (10,4 эВ - потенциал ионизации). Наблюдение свечения газа показывает при этом появление полного спектра для атомов ртути.

Движущийся вокруг атомного ядра электрон можно уподобить элементарному электрическому току; он порождает магнитное поле. Магнитные поля различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома. Для его характеристики вводится векторная величина, называемая магнитным моментом. Если электроны полностью заполняют ту или иную оболочку (1s, 2s, 2р и т. д.), то их магнитные поля взаимно компенсируются; магнитные моменты соответствующих атомов равны нулю.

В 1922 г. в Германии О. Штерн и В. Герлах выполнили опыт, показавший, что магнитный момент атома пространственно квантуется. Они посылали пучок атомов, имеющих магнитный момент, сквозь неоднородное магнитное поле и исследовали отклонения атомов под действием этого поля. Степень и характер отклонения зависят от ориентации магнитного момента атома по отношению к направлению поля. Если бы в пучке находились атомы со всевозможными ориентациями магнитных моментов, то наблюдалось бы непрерывное угловое «размытие» первоначального пучка. На опыте же наблюдалось четкое расщепление пучка атомов на несколько пучков; это и означало, что магнитный момент атома пространственно квантуется - его проекция на направление магнитного поля может иметь лишь некоторые определенные (дискретные) значения.

Обратимся к распределению отклонений атомов натрия в неоднородном магнитном поле (оно получено в 1930 г.). Это распределение имеет два четких максимума. У атома натрия три заполненные оболочки (1s, 2s, 2р) и один 3s-электрон. Электронное облако s-электронов сферически симметрично (см. Атом), поэтому их движение в поле ядра не приводит к появлению магнитного момента. Чтобы объяснить наблюдаемое расщепление пучка атомов натрия на две составляющие, необходимо принять, что у электрона есть собственный магнитный момент, не связанный с движением электрона вокруг ядра. Этот магнитный момент условно связывают с вращением электрона вокруг собственной оси и называют спиновым моментом (см. Спин). Магнитный же момент электрона, связанный с его движением вокруг ядра, называют орбитальным моментом. Итак, в случае атома натрия взаимно скомпенсированы как орбитальные, так и спиновые моменты электронов заполненных оболочек; орбитальный момент 3s-электрона равен нулю, а спиновый момент этого электрона обусловливает расщепление пучка атомов натрия в неоднородном магнитном поле. Тот факт, что наблюдается расщепление на два пучка, означает, что спиновый момент электрона имеет две проекции на направление магнитного поля.

В 30-х гг. нашего столетия начался новый этап в развитии атомной физики. В эти годы выяснилось, что природа взаимодействий, ответственных за процессы внутри атомного ядра и объясняющих стабильность либо радиоактивность ядер, является совершенно иной по сравнению с взаимодействиями, обусловливающими процессы, происходящие в электронных оболочках атома (см. Единство сил природы). В связи с этим из атомной физики выделилось отдельное научное направление, связанное с исследованиями физики атомных ядер; в 40-х гг. это направление оформилось в самостоятельную физическую науку - ядерную физику. Наконец, в 50-х гг. от ядерной физики отпочковалось направление, связанное с изучением систематики и взаимопревращений элементарных частиЦ, - физика элементарных частиц.

В итоге выявился вполне определенный круг вопросов, составляющих содержание современной атомной физики. Ее не интересуют процессы, происходящие в атомном ядре, равно как и взаимопревращения элементарных частиц. Атомная физика изучает процессы с участием атомов или ионов, притом только такие процессы, которые не приводят к каким-либо изменениям в атомных ядрах. Следовательно, речь идет о процессах, затрагивающих лишь электронные оболочки атомов. К подобным

процессам относятся: изменения состояний электронов в атоме под действием внешних электрических или магнитных полей (так, под действием внешних полей происходит расщепление энергетических уровней атомов); поглощение и испускание атомами электромагнитного излучения (см. Спектроскопия, Рентгеновские лучи, Фотоэффект, Лазеры); столкновения атомов со свободными электронами, а также с другими атомами, ионами, молекулами (в результате столкновений с электронами или другими микрообъектами атомы могут возбуждаться, переходить из возбужденного состояния в менее возбужденное, превращаться в ионы, см. Электрический разряд в газах); взаимодействия электронных оболочек различных атомов, приводящие к образованию молекул и кристаллов. Все эти процессы обусловлены электромагнитным взаимодействием. Вероятности указанных процессов вычисляют, используя аппарат квантовой механики.

Современная атомная физика исследует также специальный тип атомов, называемых мезоатомами. Мезоатом возникает из обычного атома в результате замены одного из электронов мюоном (μ-), антимезоном (π-, К-), антипротоном либо отрицательно заряженным гипероном (см. Адроны, Лептоны). Существуют и аномальные «водородные» атомы - позитроний, мюоний, у которых роль протона играют позитроны или положительно заряженные антимюоны (μ+). Все эти атомы нестабильны; их время жизни ограничено временем жизни указанных выше частиц или процессами е+ е- и рр-аннигиляции. Мезоатомы образуются в процессе торможения частиц - в результате захвата отрицательно заряженных частиц кулоновским полем атомных ядер или при захвате позитронами и антимюонами атомных электронов. Опыты с различными аномальными атомами представляют большой интерес как для исследования свойств вещества, так и для изучения ядер и элементарных частиц.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства