Открытие атомного ядра: Резерфорд открывает атомное ядро

Содержание

Резерфорд открывает атомное ядро

    Первая страница статьи Э. Резерфорда в журнале Philosophical Magazine, 6, 21 (1911), в которой впервые водится понятие «атомное ядро».

    Открытое 100 лет назад Э.Резерфордом атомное ядро является связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. Каждое атомное ядро по-своему уникально. Для описания атомных ядер разработаны различные модели, описывающие отдельные специфические особенности атомных ядер. Изучение свойств атомных ядер открыло новый мир – субатомный квантовый мир, привело к установлению новых законов сохранения и симметрии. Полученные в ядерной физике знания широко используются в естествознании от изучения живых систем до астрофизики.

1. 1911 г. Резерфорд открывает атомное ядро.

    В июньском 1911 г. номере журнала «Philosophical Magazine» была опубликована работа Э. Резерфорда «Рассеяние α- и β-частиц веществом и строение атома», в которой впервые было введено понятие «атомное ядро»

.
    Э.Резерфорд проанализировал результаты работы Г. Гейгера и Э.Марсдена по рассеянию α-частиц на тонкой золотой фольге, в которой совершенно неожиданно было обнаружено, что небольшое число α-частиц отклоняется на угол больше 90°. Этот результат противоречил господствовавшей в то время модели атома Дж. Дж. Томсона, согласно которой атом состоял из отрицательно заряженных электронов и равного количества положительного электричества равномерно распределенного внутри сферы радиуса R ≈ 108 см. Для объяснения результатов, полученных Гейгером и Марсденом, Резерфорд разработал модель рассеяния точечного электрического заряда другим точечным зарядом на основе закона Кулона и законов движения Ньютона и получил зависимость вероятности рассеяния α-частиц на угол θ от энергии E налетающей α-частицы

    Измеренное Гейгером и Марсденом угловое распределение α-частиц можно было объяснить только в том случае, если предположить, что атом имеет центральный заряд, распределенный в области размером <10

-12 см. Результирующий заряд ядра приблизительно равен Ae/2, где A – вес атома в атомных единицах массы, e – фундаментальная единица заряда. Точность определения величины заряда ядра золота составила ≈ 20%. Так возникла планетарная модель атома, согласно которой атом состоит из массивного положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Так как в целом атом электрически нейтрален – положительный заряд ядра компенсировался отрицательным зарядом электронов. Число электронов в атоме определялось величиной заряда ядра Z.

1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена

В 1910 г. к Резерфорду в лабораторию приехал работать молодой ученый по имени Марсден. Он попросил Резерфорда дать ему какую-нибудь очень простую задачу. Резерфорд поручил ему считать α-частицы, проходящие через материю, и найти их рассеяние. При этом Резерфорд заметил, что по его мнению Марсден ничего заметного не обнаружит. Свои соображения Резерфорд основывал на принятой в то время модели атома Томсона.

В соответствии с этой моделью атом представлялся сферой размером 10–8 см с равнораспределенным положительным зарядом, в которую были вкраплены электроны. Гармонические колебания последних определяли спектры лучеиспускания. Легко показать, что α-частицы должны были легко проходить через такую сферу, и особенного рассеяния их нельзя было ожидать. Всю энергию на пути своего пробега α-частицы тратили на то, чтобы выбрасывать электроны, которые ионизировали окружающие атомы.
    Марсден под руководством Гейгера стал делать свои наблюдения и скоро заметил, что большинство α-частиц проходит через материю, но все же существует заметное рассеяние, а некоторые частицы как бы отскакивают назад. Когда это узнал Резерфорд, он сказал:
Это невозможно. Это так же невозможно, как для пули невозможно отскочить от бумаги.
Эта фраза показывает, как конкретно и образно он видел явление.
    Марсден и Гейгер опубликовали свою работу, а Резерфорд сразу решил, что существующее представление об атоме неправильно и его надо в корне пересмотреть.
    Изучая закон распределения отразившихся α-частиц, Резерфорд постарался определить, какое распределение поля внутри атома необходимо, чтобы определить закон рассеивания, при котором α-частицы могут даже возвращаться обратно. Он пришел к выводу, что это возможно тогда, когда весь заряд сосредоточен не по всему объему атома, а в центре. Размер этого центра, названного им ядром, очень мал: 10
–12
—10–13 см в диаметре. Но куда же тогда поместить электроны? Резерфорд решил, что отрицательно заряженные электроны надо распределить кругом — они могут удерживаться благодаря вращению, центробежная сила которого уравновешивает силу притяжения положительного заряда ядра. Следовательно, модель атома есть не что иное, как некая солнечная система, состоящая из ядра — солнца и электронов — планет. Так он создал свою модель атома.
    Эта модель встретила полное недоумение, так как она противоречила некоторым тогдашним, казавшимся незыблемыми, основам физики.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

1909–1911 г. Опыты Г. Гейгера и Э. Марсдена
1 – источник α-частиц, 3 – золотая фольга, 5 – микроскоп для наблюдения сцинтилляций, 7 – сцинтиллятор ZnS

    Г. Гейгер и Э. Марсден увидели, что при прохождении через тонкую фольгу из золота большинство α-частиц, как и ожидалось, пролетает без отклонения, но неожиданно было обнаружено, что часть α-частиц отклоняется на очень большие углы. Некоторые α-частицы рассеивались даже в обратном направлении. Расчеты напряженности электрического поля атомов в моделях Томсона и Резерфорда показывают существенное различие этих моделей. Напряжённость поля положительного заряда распределенного по поверхности атома в случае модели Томсона ~1013 В/м. В модели Резерфорда положительный заряд, находящийся в центре атома в области R < 10-12 см создаёт напряженности поля на 8 порядков больше. Только такое сильное электрического поле массивного заряженного тела может отклонить α-частицы на большие углы, в то время как в слабом электрическом поле модели Томсона это было невозможно.

Э. Резерфорд, 1911 г. «Хорошо известно, что α— и β-частицы при столкновении с атомами вещества испытывают отклонение от прямолинейного пути. Это рассеяние гораздо более заметно у β-частиц нежели у α-частиц, т.к. они обладают значительно меньшими импульсами и энергиями. Поэтому нет сомнения в том, что столь быстро движущиеся частицы проникают сквозь атомы, встречающиеся на их пути, и что наблюдаемые отклонения обусловлены сильным электрическим полем, действующим внутри атомной системы. Обычно предполагалось, что рассеяние пучка α— или β-лучей при прохождении через тонкую пластинку вещества есть результат многочисленных малых рассеяний при прохождении атомов вещества. Однако наблюдения проведенные Гейгером и Марсденом показали, что некоторое количество α-частиц при однократном столкновении испытывают отклонение на угол больше 90°.

Простой расчет показывает, что в атоме должно существовать сильное электрическое поле, чтобы при однократном столкновении создавалось столь большое отклонение».

1911 г. Э. Резерфорд. Атомное ядро
α + 197Au → α + 197Au
 

Эрнест Резерфорд
(1891-1937)

Исходя из планетарной модели атома, Резерфорд вывел формулу описывающую рассеяние α-частиц на тонкой фольге из золота, согласующуюся с результатами Гейгера и Марсдена. Резерфорд предполагал, что α-частицы и атомные ядра с которыми они взаимодействуют можно рассматривать как точечные массы и заряды и что между положительно заряженными ядрами и α-частицами действуют только электростатические силы отталкивания и что ядро настолько тяжелое по сравнению с α-частицей , что оно не смещается в процессе взаимодействия.

Электроны вращаются вокруг атомного ядра на характерных атомных масштабах ~10-8 см и из-за малой массы не влияют на рассеяние α-частиц.

    Вначале Резерфорд получил зависимость угла рассеяния θ α-частицы с энергией E от величины прицельного параметра b столкновения с точечным массивным ядром. b − прицельный параметр − минимальное расстояние на которое α-частица подошла бы к ядру, если бы между ними не действовали силы отталкивания, θ − угол рассеяния α-частицы, Z1e − электрический заряд α-частицы, Z2e − электрический заряд ядра.
    Затем Резерфорд рассчитал, какая доля пучка α-частиц с энергией E рассеивается на угол θ в зависимости от заряда ядра Z2e и заряда α-частицы Z

1e. Так исходя из классических законов Ньютона и Кулона была получена знаменитая формула рассеяния Резерфорда. Основным при получении формулы было предположение, что в атоме находится массивный положительно заряженный центр, размеры которого R < 10-12 см.

    Э. Резерфорд, 1911 г.: «Наиболее простым является предположение, что атом имеет центральный заряд, распределенный по очень малому объему, и что большие однократные отклонения обусловлены центральным зарядом в целом, а не его составными частями. В то же время экспериментальные данные недостаточно точны, чтобы можно было отрицать возможности существования небольшой части положительного заряда в виде спутников, находящихся на некотором расстоянии от центра … Следует отметить, что найденное приближенное значение центрального заряда атома золота (100e) примерно совпадает с тем значением, который имел бы атом золота, состоящий из 49 атомов гелия, несущих каждый заряд 2e. Быть может, это лишь совпадение, но оно весьма заманчиво с точки зрения испускания радиоактивным веществом атомов гелия, несущих две единицы заряда».


Дж. Дж. Томсон и Э. Резерфорд

    Э. Резерфорд, 1921 г.: «Представление о нуклеарном строении атома первоначально возникло из попыток объяснить рассеяние α-частиц на большие углы при прохождении через тонкие слои материи. Так как α частицы обладают большою массою и большою скоростью, то эти значительные отклонения были в высшей степени замечательны; они указывали на существование весьма интенсивных электрически! или магнитных полей внутри атомов. Чтобы объяснить эти результаты, необходимо было предположить, что атом состоит из заряженного массивного ядра, весьма малых размеров по сравнению с обычно принятой величиной диаметра атома. Это положительно заряженное ядро содержит большую часть массы атома и окружено на некотором расстоянии известным образом распределенными отрицательными электронами; число которых равняется общему положительному заряду ядра. При таких условиях вблизи ядра должно существовать весьма интенсивное электрическое поле и α-частицы, при встрече с отдельным атомом проходя вблизи от ядра, отклоняются на значительные углы. Допуская, что электрические силы изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния в области, прилегающей к ядру, автор получил соотношение, связывающее число α-частиц, рассеянных на некоторый угол с зарядом ядра и энергией α-частицы.
    Вопрос о том, является ли атомное число элемента действительной мерой его нуклеарного заряда, настолько важен, что для разрешения его должны быть применены все возможные методы. В настоящее время в кавендишевской лаборатории ведется несколько исследований с целью проверки точности этого соотношения. Два наиболее прямых метода основаны на изучения рассеяния быстрых α- и β-лучей. Первый метод применяется Chadwick’oм, пользующимся новыми приемами; последний – Crowthar’oм. Результаты, полученные до сих пор Chadwick’oм, вполне подтверждают тождество атомного числа с нуклеарным зарядом в пределах возможной точности эксперимента, которая у Chadwick’a составляет около 1%».

    Несмотря на то, что комбинация двух протонов и двух нейтронов исключительно устойчивое образование, в настоящее время считается, что α-частицы не входит в состав ядра в качестве самостоятельного структурного образования. В случае α-радиоактивных элементов энергия связи α-частицы больше, чем энергия которую необходимо затратить на то, чтобы по отдельности удалить из ядра два протона и два нейтрона, поэтому α-частица может быть испущена из ядра, хотя она не присутствует в ядре как самостоятельное образование.
    Предположение Резерфорда о том, что атомное ядро может состоять из какого-то количества атомов гелия или о положительно заряженных спутниках ядра, было вполне естественным объяснением открытой им α радиоактивности. Представления о том, что частицы могут рождаться в результате различных взаимодействий, в это время еще не существовало.
    Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире. Обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи.

Открытие атомных ядер — Справочник химика 21

    С открытием нейтрона (см. гл. 12) у химиков появились новые возможности. Нейтроны представляют собой незаряженные частицы, и атомные ядра их не отталкивают. Направив нейтрон в нужном направлении, его легко можно заставить столкнуться с ядром.[c.174]

    Период полураспада (Т. д)- время, за которое количество нестабильных частиц уменьшается наполовину. П. п.— одна из основных характеристик радиоактивных изотопов, неустойчивых элементарных (фундаментальных) частиц. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева — естественная система химических элементов. Расположив элементы в порядке возрастания атомных масс (весов) и сгруппировав элементы с аналогичными свойствами, Д. И. Менделеев составил таблицу элементов, выражающую открытый им периодический закон Физические и химические свойства элементов, проявляющиеся в свойствах простых и сложных тел, ими образуемых, стоят в периодической зависимости от их атомного веса (1869—1871 гг.). Периодический закон и периодическая таблица элементов Д. И. Менделеева позволяют установить взаимную связь между всеми известными химическими элементами, предсказать существование ранее неизвестных элементов и описать их свойства. На основе закона и периодической системы Д. И. Менделеева найдены закономерности в свойствах химических соединений различных элементов, открыты новые элементы, получено много новых веществ. Периодичность в изменении свойств элементов обусловлена строением электронной оболочки атома, периодически изменяющейся по мере возрастания числа электронов, равного положительному заряду атомного ядра Z. Отсюда современная формулировка периодического закона свойства элементов, а также образованных ими простых и сложных соединений находятся в периодической зависимости от величин зарядов их атомных ядер (Z). Поэтому химические элементы в П. с. э. располагаются в порядке возрастания Z, что соответствует в целом их расположению по атомным массам, за исключением Аг—К, Со—N1, Те—I, Th—Ра, для которых эта закономерность нарушается, что связано с нх изотопным составом. В периодической системе все химические элементы подразделяются на группы и периоды. Каждая группа в свою очередь подразделяется на главную и побочную подгруппы. В каждой подгруппе содержатся элементы, обладающие сходными химическими свойствами. Элементы главной и побочной подгрупп в каждой группе, как правило, обнаруживают между собой определенное химическое сходство главным образом в высших степенях окисления, которое, как правило, соответствует номеру группы. Периодом называют совокупность элементов, начинающуюся щелочным металлом и заканчивающуюся инертным газом (особый случай — первый период) каждый период содержит строго определенное число элементов. П. с. э. имеет 8 групп и 7 периодов (седьмой пока не завершен). [c.98]


    Но только когда на основе открытия атомного ядра Резерфордом (1911 г.) Нильс Бор создал свою модель атома (1ЙЗ г.), возникли сразу две следующие проблемы в применении к атомам состав—строение и строение-свойство из них, как и прежде, самой важной оказалась последняя. Ибо она замыкала новый цикл исследований (виток спирали) и возвращала мысль ученых к исходному пункту всего научного движения на данном его уровне. [c.260]

    Использование продуктов радиоактивного распада в качестве снарядов привело к открытию атомного ядра. В свою очередь открытие явления естественной радиоак- [c.264]

    Методы, основанные на ядерных реакциях—радиоактивационный, или (его главная часть)—нейтронно-активационный метод анализа. Нейтронно-активационный метод возник после открытия атомной энергии и создания действующих атомных реакторов. Принцип метода заключается в следующем. Анализируемый материал подвергают действию нейтронного излучения в атомном реакторе или посредством нейтронного генератора. При взаимодействии нейтронов с ядрами элементов происходят ядерные реакции и образуются радиоактивные изотопы всех элементов, входящих в состав пробы. Затем пробу переводят в раствор и разделяют элементы химическими методами. Завершающим этапом определения является измерение интенсивности радиоактивного излучения каждого элемента пробы. [c.32]

    Как и при открытии атомного ядра, успех при его разрушении был достигнут с помощью достаточно мощ-го снаряда , каким является уже знакомая нам а-частица. В 1919 г. Резерфорд подверг бомбардировке а-частицами ядра атомов азота, рассчитывая, что быстролетающий снаряд достигнет цели, преодолев силы электростатического отталкивания, которые вследствие малости заряда ядра азота относительно невелики. Резерфорд использовал весьма простой прибор, представлявший собой камеру, заполненную газообразным азотом, внутри которой помещался радий 1, испускавший а-частицы (рис. 71). Стенка камеры имела окошко 2, закрытое очень тонкой серебряной пластинкой. Снаружи [c.275]

    Этот метод визуального счета сцинтилляций сыграл важную роль в развитии экспериментальной ядерной физики в период с 1906 г. до начала 30-х годов. С его помощью были определены природа и заряд а-частиц, открыто атомное ядро и зарегистрировано первое искусственное деление ядра. Одним из последних важных экспериментов, выполненных в 1932 г. с использованием визуального счета сцинтилляций, был опыт Кокрофта и Уолтона, которые применили этот метод для определения энергии и направления разлета двух а-частиц, испускаемых при расщеплении протонами ядра Li. [c.151]


    Изучение явления радиоактивности первоначально привело к предположению, что ядра различных атомов построены из протонов и электронов. Эта гипотеза долгое время была общепризнанной. Однако последующее изучение ядерных реакций, открытие нейтронов Чедвиком и выявившаяся возможность выделения нейтронов из любых атомных ядер (кроме протона) привели к отказу от ранее принятой гипотезы. Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон (1932) и Гейзенберг (в том же году) высказали и обосновали положение, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, и предложили протонно-нейтронную теорию атомных ядер. [c.51]

    Использование рассмотренных в настоящем параграфе методов воздействия на атомные ядра дает возможность искусственно осуществлять превращения всех элементов. Однако, в отличие от естественных радиоактивных превращений, описанные выше ядерные реакции протекают лишь до тех пор, пока имеет место внешнее воздействие. Мост между теми и другими процессами был перекинут открытием искусственной радиоактивности. [c.517]

    Гамма-спектроскопия основана на эффекте резонансного поглощения атомными ядрами у-квантов. Это явление было открыто немецким ученым Мессбауэром в 1958 г. (эффект Мессбауэра). Как указывалось (стр. 42), при радиоактивном распаде образуются изотопы в возбужденном состоянии, которое существует около 10 сек. При переходе ядер из возбужденного в основное состояние происходит у-излучение. Невозбужденные атомные ядра в свою очередь могут поглощать V-кванты и переходить в возбужденное состояние. [c.179]

    Это открытие дало новое обоснование расположению элементов в периодической системе. Вместе с тем оно устраняло и кажущееся противоречие в системе Менделеева — положение некоторых элементов с большей атомной массой впереди элементов с меньшей атомной массой (теллур и йод, аргон и калий, кобальт и никель). Оказалось, что противоречия здесь нет, так как место элемента в системе определяется зарядом атомного ядра. Было экспериментально установлено, что заряд ядра атома теллура равен 52, а атома йода — 53 поэтому теллур, несмотря на большую атомную массу, должен стоять до йода. Точно так же заряды ядер аргона и калия, никеля и кобальта полностью отвечают последовательности расположения этих элементов в системе. [c.39]

    Метод Оже-спектроскопии основан на явлении эмиссии вторичных электронов, которые возникают при облучении вещества потоком электронов. Сущность этого явления, открытого в 1925 г. французским ученым П. Оже, состоит в следующем. Электроны, окружающие атомное ядро, располагают на последовательных уровнях К, L, М [c.84]

    Открытие сложности строения атома и его изменяемости (конец XIX и начало XX в.) вызвало к жизни целый ряд теорий химической связи и образования молекул. Было совершенно ясно, что образование химической связи идет только за счет электронов, окружающих атомное ядро, так как заряд ядра и место атома в периодической системе элементов в химических процессах не изменяются. Однако электронная теория валентности оказалась весьма сложной, и прошло много времени, прежде чем она стала современным учением о химической связи.[c.69]

    Одним из наиболее важных положений химической теории является положение о разделении веществ на два класса —на элементарные (простые) вещества и соединения. Такая классификация была предложена в 1787 г. французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье (1743—1794) на основании выполненных им за предшествующие 15 лет количественных исследований множества веществ (реагентов и продуктов реакций), участвующих в химических процессах. Лавуазье определял соединение как вещество, которое можно разложить на два или несколько других веществ, а элементарное вещество (или элемент)— как вещество, которое нельзя разложить. В своем Элементарном курсе химии , опубликованном в 1789 г., Лавуазье перечислил 33 элемента и среди них 10 еще не выделенных в виде простых веществ (но уже известных по своим окислам, сложную природу которых он предугадал точно). После открытия электрона и атомного ядра определения элементарных веществ и соединений были пересмотрены этому вопросу посвящены последующие разделы данной главы.[c.77]

    За последние сравнительно немногие годы достигнуты огромные успехи в познании окружающего мира. Так, было установлено, что атомы состоят из электронов и ядер, а атомные ядра из протонов и нейтронов. Помимо электрона, протона и нейтрона, были открыты многие другие Частицы. [c.584]

    После открытия нейтрона в 1932 г.. стало очевидным, что более тяжелые атомные ядра можно считать построенными из протонов и нейтронов, причем электрический заряд их должен быть равен числу протонов, а массовое число — сумме числа протонов и нейтронов, т. е. должно быть равно числу нуклонов в ядре, если понимать под нуклоном как протон, так и. нейтрон. Тогда сразу же возник вопрос о природе сил, удерживающих вместе нейтроны и протоны. Если бы между [c.591]


    Исследования рассеяния электронов на атомных ядрах и связанные с ними открытия в области структуры нуклонов [c. 778]

    Разработка т.наз. обобщенной модели атомного ядра Открытие тяжелой элементарной частицы нового типа [c.779]

    Для всех остальных элементов масса атомов больше суммы масс электронов и протонов, входящих в их состав. В начале 1920-х гг. разность указанных величин стали приписывать наличию в атомах еще одного типа частиц, названных нейтронами, однако в то время эти частицы еще не были обнаружены экспериментально. Нейтроны были открыты только в 1933 г. английским ученым Чедвиком при исследованиях ядерных реакций, и с этих пор считается установленным, что нейтроны являются элементарными частицами, входящими в состав атомного ядра наряду с протонами. [c.60]

    Атомное ядро может вступать в реакции и, следовательно, изменяться несколькими различными способами. Некоторые ядра неустойчивы и самопроизвольно испускают субатомные частицы и электромагнитное излучение. Такое самопроизвольное испускание частиц или излучения из атомного ядра называется радиоактивностью. Открытие этого явления Анри Беккерелем в 1896 г. описано в разд. 2.6, ч. 1. Изотопы, обладающие радиоактивностью, называются радиоактивными, или радиоизотопами. В качестве примера приведем уран-238, который самопроизвольно испускает альфа-лучи эти лучи представляют собой поток ядер гелия-4, называемьк альфа-частицами. Когда ядро урана 238 теряет альфа-частицу, оставшийся фрагмент ядра имеет атомный номер 90 и массовое число 234. Таким образом, он представляет собой не что иное, как ядро изотопа торий-234. Обсуждаемую реакцию можно описать следующим ядерным уравнением  [c.245]

    Из работ Мозли следовало, что с помощью рентгеновских лучей, образующихся при столкновении пучка электронов с металлической мишенью, можно измерить заряд атомного ядра. Именно в этой характеристике заключалось основное различие между атомными ядрами разных элементов, и Мозли назвал ее порядковым (атомным) номером элемента (рис. 4.11). Это позволило установить строгую последовательность элементов, не обращаясь к свойствам внешних частей атома, различным спектрам, связанным с его внешними частями (см. разд. 5.1), и к химическим свойствам элементов. Оказалось, что Мозли нашел способ измерения числа единичных положительных зарядов (позднее названных протонами) в атомном ядре. Это открытие позволило разрешить несколько невыясненных вопросов [c.64]

    Открытие нейтрона сыграло исключительно важную роль в науке. Оно привело прежде всего к созданию протонно-нейтронной модели атомного ядра, предложенной советским физиком Д. Д. Иваненко. Она существует и в настоящее время. [c.19]

    Атомное ядро. Раннее развитие теории внутриатомной структуры во многом обязано открытию радиоактивности. Встречающиеся в природе радиоактивные элементы испускают три вида лучей, одни из которых, а-лучи, представляют собой атомы гелия с двойным положительным зарядом. Энергия частиц, из которых состоят а-лучи, очень велика, и их можно использовать для бомбардировки вещества с целью выяснения деталей строения атомов. Если эти снаряды , обладающие высокой энергией, направить на тонкий лист из любого вещества, то большая часть их пройдет через него без заметного отклонения — результат, который подтверждает, что внутриатомные частицы очень малы по сравнению с объемом свободного пространства, которое они занимают. Однако иногда а-частица довольно заметно отклоняется, как будто бы она прошла вблизи материальной частицы, которая ее сильно оттолкнула. На основании таких наблюдений Резерфорд разработал теорию строения атомов, в которой атомы рассматриваются как частицы, состоящие из положительно заряженного ядра, занимающего исключительно малый объем, и окружающих его электронов. [c.21]

    Открытие атомного номера привело к установлению заряда ядра атома и соответственно к установлению числа планетарных электронов у каждого вида атомов. Но порядок расположения электронов, уровни их вращения по орбитам оставались неизвестными. Между тем становилось все более очевидным, что электронной структурой атомов определяются их химические и физические свойства, в частности валентность. [c.216]

    Первое искусственное осуществление ядерной реакции (Резерфорд, 1919) положило начало новому методу изучения атомного ядра. Открытие нейтронов (Чэдвик, 1932) привело к возникновению протонно-нейтронной теории атомных ядер, предложенной сначала Д. Д. Иваненко и Е, Н. Гапоном (1932) н в том же году Гейзенбергом. Вскоре Фредерик и Ирен Жолио-Кюри (1934) открыли явление искусственной радиоактивности В 1938 г. Хан и Штрассман осуществили деление атомного ядра урана, а в 1940 г. К. Д. Петржак и Г. Н. Флеров открыли явление самопроизвольного деления атомных ядер. В 40-х годах была осуществлена цепная ядерная реакция (Ферми) и вскоре был открыт новый вид ядерных превращений — термоядерные реакции. Дальнейшее развитие ядерной физики сделало возможным использование ядерной энергии. Позднее эти явления стали использовать при химических и биологических исследованиях. В настоящее время разрабатывается проблема осуществления управляемых термоядерных реакций. [c.19]

    В конечном итоге попытка открыть первый заурановый элемент обернулась великим открытием расщепления атомного ядра. С другой стороны, опыты, целью которых было изучение процессов деления, привели к открытию нептуния, а затем и других трансурановых элементов.[c.387]

    В статьях В. И. Ленин и физика , Ленин и современная физика , Ленин и философские проблемы современной физики С. И. Вавилов показывает образцы практического применения ленинского наследия для дальнейшего, развития науки об атоме и атомном ядре. Исходя из ленинского положения о неисчерпаемости электрона, о бесконечности материи вглубь , он анализирует выдающиеся открытия XX века в области строения вещества  [c.43]

    Одной из главных вех на пути создания новой физики было открытие Резерфордом в 1911 г. атомного ядра. Само существование атома Резерфорда находилось в вопиющем противоречии с основными законами классической физики. На смену старой физике пришла новая, квантовая физика, которая призвана была объяснить устойчивость атомов и их удивительные линейчатые спектры. [c.7]

    О важности кристаллофосфоров для современной техники уже упоминалось. Но еще до того как они получили распространение в промышленности, началось их использование в научных исследованиях, причем в этой области они сыграли исключительно большую роль. Достаточно упомянуть, что по свечению экрана из пла-тиносенеродистого бария, Ва [Р1(СМ)4] 4НгО, Рентген обнаружил названное его именем излучение, и что наблюдение сцинтилляций (вспышек люминесценции) под действием а-частиц на экране из сернистого цинка привело Резерфорда к открытию атомного ядра. И в настоящее время сцинтиллирующие монокристаллы Ыа1-Т1 и Сз1-Т1 и многочисленные приборы с люминесцентными экранами находят широчайшее применение в ядерной физике. Люминесценция является важнейшим средством изучения кристаллических материалов для оптических квантовых генераторов. Немаловажное значение имеет и то обстоятельство, что многие полупроводники (в том числе сульфид кадмия) являются в то же время кристалло-фосфорами. [c.9]

    Эту проблему разрешил Мозли (1914 г.). Он пока-… противоречия зал, что гораздо большее значение, чем относитель-устранили, расположив ные атомные массы, играют атомные номера (числа элементь в порядке протонов в атомных ядрах). Это открытие (разд. 1.5) увеличения зарядов послужило последним этапом в обосновании Перио-их ядер дической системы элементов. В современной Периодической системе элементы расположены в порядке возрастания их атомных номеров (зарядов атомных ядер). [c.50]

    Большой объем информации о фундаментальных частицах получен за последнее десятилетие. Ученые, работавшие в этой области, сделали множество совершенно еожиданиых открытий, изменяющих представления об окружающем мире. И как открытия в области науки об атомах и молекулах (рассмотренные в предшествующих главах), как открытия в области науки об атомных ядрах (о чем будет сказано в последующих разделах данной главы) глубоко воздействовали на повседневную жизнь, изменяя характер цивилизации ла Земле и, в частности, методы ведения войны, точно так же следует ожидать, что и овые знания в области фундаментальных частиц окажут столь же глубокое влияние на жизнь человечества. Если бы Бенджамин Франклин был жив сегодня, он имел бы все основания сказать Нельзя даже вообразить, каких высот достигнет в ближайшие двадцать лет власть человека над материей .[c.584]

    После проведения в 1945 г. последнего из таких экспериментов физики снова лишились возможности объяснить межнуклонные силы, но ненадолго, поскольку вскоре были открыты сильно взаимодействующие мезоны, получившие название пионов. Эксперименты по изучению космических лучей с использованием многослойной фотоэмульсии для фиксирования треков заряженных частиц, выполненные в 1947 г. английским физиком К. Ф. Пауэллом (1903—1969) и его сотрудниками, привели к открытию трех частиц положительного пиона, нейтрального пиона и отрицательного пиона с массовым числом 273,3 для я+ и я и 264,3 для я° эти частицы обладали способностью к сильному взаимодействию-с нуклонами, как это и было предсказано Юкавой. В настоящее время не вызывает сомнений, что межнуклонные силы, действующие в атомных ядрах, реализуются при участии пионов. Экспериментально было показано участие в межнуклонных силах как заряженных пионов, так  [c.594]

    Теория конденсированной матфии, в особеиностн жидкого гелия Вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц Открытие оболочечной структуры атомного ядра [c. 778]

    Синтезы циклопентадиенил-аниона и циклооктатетраена, осуществленные в начале двадцатого столетия, совпали с новым пробуждением интереса к природе вещества. Открытие электрона, радиоактивности и атомного ядра активизировали научную мысль успехи в области физики были вскоре использованы при обсуждении строения молекул. Теории Косселя, Лангмюра, Льюиса и других позволили формально описать химические связи с участием электронов. Особенно плодотворной оказалась октетная теория Льюиса, в которой магическому числу восемь приписывалась важнейшая роль в образовании электронной валентной оболочки вокруг атомов. В 1925 г. Армит и Робинсон [17], модифицировав гексацентричесКую теорию Бамбергера на основе электронных представлений, предположили, что ароматический секстет, подобно октету, представляет собой особо устойчивую комбинацию электронов. Как и в случае октета, причина, почему шесть, а не четыре или восемь электронов принимают устойчивую конфигурацию, оставалась непонятной. Примерно в то же время Ингольд [18] предположил, что помимо структур Кекуле в основное состояние бензола могут вносить вклад структуры ара-связанного бензола Дьюара, и таким образом была создана резонансная картина бензола. [c.286]

    Открытие нейтрона привлекло к с бе пристальное внимание физиков. Возник вопрос какую роль играют нейтроны в Tpyji-туре атомного ядра В мае 1932 г. советский физик Д. Д. Иваненко (1904) выступил с идеей, что нейтроны наряду с протонами входят в структуру атомного ядра. Через две недели эта же идея была высказана В. Гейзенбергом (1901) и вскоре получила всеобщее признание. [c.218]

    О составе атомных ядер и энергии их образования. Изучение явления радиоактивности первоначально привело к предположению, что ядра различных атомов построены из протонов и электронов. Эта гипотеза долгое время была общепризнанной. Однако последующее изучение ядерных реакций, открытие нейтронов Чедвиком и выявившаяся возможность выделения нейтронов из любых атомных ядер (кроме протона) привели к отказу от ранее принятой гипотезы. Д. Д. Иваненко и Е.Н. Га-пон (1932) и Гейзенберг (в том же году) высказали и обосновали положение, что атомные ядра состоят 8 88 90 92 9 из протонов и нейтронов, и предложили протонно-нейтронную теорию Рис. 8. Энергетические уровни 5/ атомных ядер и 6 -подуровией электронов в ато- [c.51]

    Этот факт был осознан довольно давно. Например, вскоре после открытия электрона в 1897 г. Томсон пытался разработать электронную теорию валентности. Аналогичные попытки предпринимали другие ученые, в особенности Льюис, Ирвинг Ленгмюр и Коесель. Указанные теории имели один весьма серьезный дефект — электроны рассматривались как покоящиеся электрические заряды. Эта ситуация хорошо иллюстрируется геометрической моделью Ленгмюра, в которой каждое атомное ядро находится в центре воображаемого куба, а в вершинах последнего располагаются электроны. Предполагалось, что при химическом соединении двух атомов их кубы [c.15]

    Радиохимия имеет ряд фундаментальных достижений открытие радия и синтез множества радиоактивных изотопов, выяснение сути радиоактивного распада ядер. Достопримечательно, что явление, лежащее в основе всей атомной энергетики, — деление атомного ядра — открыто именно ири помощи радиохимических методов (О. Ган и Ф. Штрасман). [c.22]

    Начиная с работ Кюри, химики всегда играли главную роль в фундаментальных исследованиях радиоактивности и свойств ядер, а также в разработке методов применения радиоактивных веществ в других областях. Так, Нобелевская премия 1944 г. за открытие деления ядер была присуждена химику Отто Гану. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в Периодической системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его коллеге — физику Эдварду Мак-Миллану. Большая часть достижений в нашем понимании природы атомного ядра — это плод совместной работы химиков и физиков, где искусство и подходы дополняют друг друга. Более того, использование явления радиоактивности и основанных на ней методов в таких различных областях J aк биология, астрономия, геология, археология и медицина, а также в различных областях химии до сих пор было и продолжает оставаться ареной пионерских работ специалистов, получивших подготовку по ядерной химии. Поэтому ядерная химия имеет междисциплинарный характер. [c.200]


Строение атомного ядра — презентация онлайн

1. Строение атомного ядра

МОУ Ишненская СОШ
Тема урока
Строение атомного
ядра
© Автор: Хомченко О.В.,
учитель физики

2. Вопросы для повторения:

1. В чём сущность явления радиоактивности?
Кем оно было открыто и исследовано?
2. Опишите
опыт
Резерфорда
по
исследованию радиоактивного излучения.
3. В чём суть атомных моделей Томсона и
Резерфорда?
4. Опишите и объясните опыт Резерфорда по
рассеянию альфа-частиц.

3. Радиоактивность

Цели урока
Познакомиться
со
строением
атомного ядра и открытием его
составляющих
Раскрыть
сущность
понятия
«изотопы»

4. Опыт Резерфорда

Состав атомного ядра
ядро
нуклоны
протоны
нейтроны

5. Модели атомов

Обозначение состава ядра
Массовое число = числу а. е.м. в ядре
Z
AX
56Fe
26
mя = 56 а.е.м.,
qя = +26e
Зарядовое число = числу е [ е = 1,6 • 10-19 Кл]
Число нейтронов: N = A – Z = 56 – 26 = 30

6. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц

Радиоактивные
превращения атомных ядер
В 1903 г. Э.Резерфорд и Ф.Содди обнаружили
самопроизвольное превращение металла радия в
инертный газ радон с испусканием альфа-частицы
226Rd
88
86222Rn + 24He
ΔA = — 4 а.е.м., ΔZ = — 2е
Ядра атомов имеют сложный состав.
Радиоактивность – это способность атомных ядер
самопроизвольно превращаться в другие ядра с
испусканием частиц (излучения).

7. Цели урока

Открытие протона
В 1919 г. Резерфорд поставил опыт по
исследованию взаимодействия альфа-частиц с
ядрами атомов азота, в результате был открыт
протон
ядро атома водорода
р+ или 11р (11Н)
mp = 1 а.е.м., qp = +1e

8. Состав атомного ядра

Открытие протона
14N
7
+ 24He 817O + 11H
Протоны входят в состав ядер атомов
всех химических элементов.

9. Обозначение состава ядра

Открытие нейтрона
В 1932 г. Дж. Чедвик , исследуя бериллиевое
излучение,открыл
нейтрон
n0 или 01n
mn = 1 а.е.м., qn = 0

10. Радиоактивные превращения атомных ядер

Открытие нейтрона
9
4
Ве + 24Не 612C + 01n

11. Открытие протона

Протонно-нейтронная
модель ядра
В 1932 г. Д.Д.Иваненко и В.Г.Гейзенберг выдвинули
гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра:
атомные ядра состоят из
нуклонов.
Гейзенберг Вернер Карл
(1901 – 1976 г.г.)

12. Открытие протона

Протонно-нейтронная
модель ядра
Общее число нуклонов в ядре называется массовым
и обозначается буквой А.
Число протонов в ядре называется зарядовым и
обозначается буквой Z.
Число нейтронов в ядре обозначается буквой N и
рассчитывается по формуле N = A – Z.
Зарядовое число равно порядковому номеру
химического элемента в периодической системе
Д.И. Менделеева.

13. Открытие нейтрона

Изотопы
В 1911 г. Ф.Содди предположил, что ядра с
одинаковым числом протонов, но разным числом
нейтронов являются ядрами одного и того же
химического элемента, и назвал их изотопами.
Изотопы – это разновидности данного
химического элемента, различающиеся
по массе атомных ядер.

14. Открытие нейтрона

Изотопы

1
1р+

1
1р+; 1n0

1
1p+; 2n0

15. Протонно-нейтронная модель ядра

Относительная атомная масса
химического элемента
100 атомов Cl
75 атомов
35Cl
17
25 атомов
37Cl
17
Ar=mср= 35 а.е.м. · 75 + 37 а.е.м. · 25 / 100=
=35,5 а.е.м.
Существование изотопов – причина
нецелочисленной Аr.

16. Протонно-нейтронная модель ядра

Закрепление изученного
Сборник задач Лукашик
№ 1656
№1658
№1661
упр. 51 № 3-5, с. 234-235

17. Изотопы

Правило смещения Содди
(радиоактивный распад)

18.

Изотопы Правило смещения
( — распад)

19. Относительная атомная масса химического элемента

Правило смещения
( — распад)

20. Закрепление изученного

Домашнее задание:
§ 67, 69 – 71; вопросы;
упр. 51 № 1, с. 234;
упр. 53 № 2, с. 244 (письменно)
№ 1, 3 (устно).

Протонно-нейтронная модель ядра. Энергия связи частиц в ядре. Физика, 9 класс: уроки, тесты, задания.

1. Строение атома

Сложность: лёгкое

1
2. Выбери правильный ответ

Сложность: лёгкое

1
3. Изотоп химического элемента

Сложность: лёгкое

2
4. Количество нуклонов в изотопе атома

Сложность: лёгкое

2
5. Единицы измерения массы ядра

Сложность: среднее

2
6. Переводной коэффициент

Сложность: среднее

2
7. Дефект массы изотопа

Сложность: среднее

2
8. Энергия связи ядра

Сложность: среднее

2
9. Удельная энергия связи иона

Сложность: среднее

2
10. Определи химический элемент

Сложность: среднее

3
11. Выделившаяся энергия

Сложность: сложное

3
12. Масса угля

Сложность: сложное

4

Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы

Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы

Подробности
Просмотров: 576

«Физика — 11 класс»

Строение атомного ядра. Ядерные силы

Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий ученый В. Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра.
Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.

Протонно-нейтронная модель ядра

Согласно протоннонейтронной модели ядра состоят из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке.
Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов Д. И. Менделеева.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

A = Z + N

Массы протона и нейтрона близки друг к другу, и каждая из них примерно равна атомной единице массы.
Масса электронов в атоме много меньше массы его ядра.
Поэтому массовое число ядра равно округленной до целого числа относительной атомной массе элемента.
Массовые числа могут быть определены путем приближенного измерения массы ядер приборами, не обладающими высокой точностью.

Изотопы представляют собой ядра с одним и тем же значением Z, но с различными массовыми числами А, т. е. с различными числами нейтронов N.

Ядерные силы

Так как ядра весьма устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими.
Это не гравитационные силы, которые слишком слабые.
Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами, так как между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание.
А нейтроны не имеют электрического заряда.

Значит, между ядерными частицами — протонами и нейтронами, их называют нуклонами — действуют особые силы, называемые ядерными силами.

Каковы основные свойства ядерных сил? Ядерные силы примерно в 100 раз превышают электрические (кулоновские) силы.
Это самые мощные силы из всех существующих в природе.
Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

Сильные взаимодействия проявляются не только во взаимодействиях нуклонов в ядре.
Это особый тип взаимодействий, присущий большинству элементарных частиц наряду с электромагнитными взаимодействиями.

Другая важная особенность ядерных сил — их коротко- действие.
Электромагнитные силы сравнительно медленно ослабевают с увеличением расстояния.
Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных размерам ядра (10-12—10-13 см), что показали уже опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц атомными ядрами.
Законченная количественная теория ядерных сил пока еще не разработана.
Значительные успехи в ее разработке были достигнуты совсем недавно — в последние 10—15 лет.

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Эти частицы удерживаются в ядре ядерными силами.


Изотопы

Изучение явления радиоактивности привело к важному открытию: была выяснена природа атомных ядер.

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений постепенно обнаружилось, что существуют вещества, тождественные по своим химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства (т. е. распадающиеся по-разному).
Их никак не удавалось разделить ни одним из известных химических способов.
На этом основании Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но различающихся, в частности, своей радиоактивностью.
Эти элементы нужно помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева.
Содди назвал их изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди получило блестящее подтверждение и глубокое толкование год спустя, когда Дж. Дж. Томсон провел точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях.
Он обнаружил, что неон представляет собой смесь двух видов атомов.
Бо́льшая часть их имеет относительную массу, равную 20.
Но существует незначительная часть атомов с относительной атомной массой 22.
В результате относительная атомная масса смеси была принята равной 20,2.
Атомы, обладающие одними и теми же химическими свойствами, различались массой.

Оба вида атомов неона, естественно, занимают одно и то же место в таблице Д. И. Менделеева и, следовательно, являются изотопами.
Таким образом, изотопы могут различаться не только своими радиоактивными свойствами, но и массой.
Именно поэтому у изотопов заряды атомных ядер одинаковы, а значит, число электронов в оболочках атомов и, следовательно, химические свойства изотопов одинаковы.
Но массы ядер различны.
Причем ядра могут быть как радиоактивными, так и стабильными.
Различие свойств радиоактивных изотопов связано с тем, что их ядра имеют различную массу.

В настоящее время установлено существование изотопов у большинства химических элементов.
Некоторые элементы имеют только нестабильные (т. е. радиоактивные) изотопы.
Изотопы есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

Особенно интересны изотопы водорода, так как они различаются по массе в 2 и 3 раза.
Изотоп с относительной атомной массой 2 называется дейтерием.
Он стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1 : 4500) в обычный водород.
При соединении дейтерия с кислородом образуется так называемая тяжелая вода.
Ее физические свойства заметно отличаются от свойств обычной воды.
При нормальном атмосферном давлении она кипит при 101,2 °С и замерзает при 3,8 °С.

Изотоп водорода с атомной массой 3 называется тритием.
Он β-радиоактивен, и его период полураспада около 12 лет.

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома.
Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.

Примечательно, что при точном измерении относительных атомных масс изотопов выяснилось, что они близки к целым числам.
А вот атомные массы химических элементов иногда сильно отличаются от целых чисел.
Так, относительная атомная масса хлора равна 35,5.
Это значит, что в естественном состоянии химически чистое вещество представляет собой смесь изотопов в различных пропорциях.
Целочисленность (приближенная) относительных атомных масс изотопов очень важна для выяснения строения атомного ядра.

Большинство химических элементов имеют изотопы.
Заряды атомных ядер изотопов одинаковы, но массы ядер различны.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин



Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц — Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения — Радиоактивные превращения — Закон радиоактивного распада. Период полураспада — Открытие нейтрона — Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы — Энергия связи атомных ядер — Ядерные реакции — Деление ядер урана — Цепные ядерные реакции — Ядерный реактор — Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии — Получение радиоактивных изотопов и их применение — Биологическое действие радиоактивных излучений — Краткие итоги главы — Три этапа в развитии физики элементарных частиц — Открытие позитрона. Античастицы

состав, характеристики, модели, ядерные силы. Масса. Размеры ядер

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом .
В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы , у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом Z {\displaystyle Z} — это число равно порядковому номеру элемента , к которому относится атом, в таблице (Периодической системе элементов) Менделеева . Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом N {\displaystyle N} . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами . Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами . Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом A {\displaystyle A} ( A = N + Z {\displaystyle A=N+Z} ) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами .

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами .

Энциклопедичный YouTube

    1 / 5

    Строение атомного ядра. Ядерные силы

    Ядерные силы Энергия связи частиц в ядре Деление ядер урана Цепная реакция

    Строение атомного ядра Ядерные силы

    Химия. Строение атома: Атомное ядро. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

    Ядерные реакции

    Субтитры

История

Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер.

После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. С 1920 года ядро атома водорода имеет официальный термин — протон . После промежуточной протон-электронной теории строения ядра, имевшей немало явных недостатков, в первую очередь она противоречила экспериментальным результатам измерений спинов и магнитных моментов ядер , в 1932 году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном . В том же году Иваненко и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена .

Теории строения атомного ядра

В процессе развития физики выдвигались различные гипотезы строения атомного ядра; тем не менее, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели могут взаимоисключать друг друга.

Наиболее известными являются следующие:

  • Капельная модель ядра — предложена в 1936 году Нильсом Бором .
  • Оболочечная модель ядра — предложена в 30-х годах XX века.
  • Обобщённая модель Бора — Моттельсона
  • Кластерная модель ядра
  • Модель нуклонных ассоциаций
  • Сверхтекучая модель ядра
  • Статистическая модель ядра

Ядерно-физические характеристики

Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в 1913 году . Свои экспериментальные наблюдения учёный интерпретировал зависимостью длины волны рентгеновского излучения от некоторой константы Z {\displaystyle Z} , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

1 / λ = a Z − b {\displaystyle {\sqrt {1/\lambda }}=aZ-b} , где

A {\displaystyle a} и b {\displaystyle b} — постоянные.

Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли .

Масса

Из-за разницы в числе нейтронов A − Z {\displaystyle A-Z} изотопы элемента имеют разную массу M (A , Z) {\displaystyle M(A,Z)} , которая является важной характеристикой ядра. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы (а. е. м. ), за одну а. е. м. принимают 1/12 часть массы нуклида 12 C . Следует отметить, что стандартная масса, которая обычно приводится для нуклида — это масса нейтрального атома . Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов (более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром).

Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы . {1/3}} .

Моменты ядра

Как и составляющие его нуклоны, ядро имеет собственные моменты.

Спин

Поскольку нуклоны обладают собственным механическим моментом, или спином, равным 1 / 2 {\displaystyle 1/2} , то и ядра должны иметь механические моменты. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Орбитальные моменты принимают только целочисленные значения ℏ {\displaystyle \hbar } (постоянная Дирака). Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра.

Несмотря на то, что число нуклонов в ядре может быть очень велико, спины ядер обычно невелики и составляют не более нескольких ℏ {\displaystyle \hbar } , что объясняется особенностью взаимодействия одноимённых нуклонов. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: 1, 2, 3 и т. д. .

Магнитный момент

Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов . Они измеряются в магнетонах и у различных ядер равны от −2 до +5 ядерных магнетонов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов , поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами , наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса .

Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона .

Электрический квадрупольный момент

Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольные моменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина (веретенообразное тело), и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина (чечевицеобразное тело). Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии у электрического поля , создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры , расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента .

Энергия связи

Устойчивость ядер

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми A {\displaystyle A} энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез , приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими A {\displaystyle A} — процесс деления . {14}{\textrm {N}}} . Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных A {\displaystyle A} часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее — нечётно-нечётные. Это явления свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами , что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от A {\displaystyle A} .

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов .

Ядерные силы

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами .

Уровни ядра

В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения (так называемый непрерывный спектр), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике , могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро — система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным . Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние .

Расположение энергетических уровней ядра в первом приближении:

D = a e − b E ∗ {\displaystyle D=ae^{-b{\sqrt {E^{*}}}}} , где:

D {\displaystyle D} — среднее расстояние между уровнями,

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 … 10 -15 м (линейные размеры атома – 10 -10 м).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц  протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д. Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом.

Протон (р ) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоят p = 1,6726∙10 -27 кг 1836m e , гдеm e масса электрона. Нейтрон (n )нейтральная частица с массой покояm n = 1,6749∙10 -27 кг 1839т e ,. Массу протонов и нейтронов часто выражают в других единицах – в атомных единицах массы (а.е.м., единица массы, равная 1/12 массы атома углерода
). Массы протона и нейтрона равны приблизительно одной атомной единице массы. Протоны и нейтроны называют­сянуклонами (от лат.nucleus ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называ­етсямассовым числомА ).

Радиусы ядер возрастают с увеличением массового числа в соответствии с соотношением R = 1,4А 1/3 10 -13 см.

Эксперименты показывают, что ядра не имеют резких границ. В центре ядра существует определенная плотность ядерного вещества, и она постепенно уменьшается до нуля с увеличением расстояния от центра. Из-за отсутствия четко определенной границы ядра его «радиус» определяется как расстояние от центра, на котором плотность ядерного вещества уменьшается в два раза. Среднее распределение плотности материи для большинства ядер оказывается не просто сферическим. Большинство ядер деформировано. Часто ядра имеют форму вытянутых или сплющенных эллипсоидов

Атомное ядро характеризуетсязарядом Ze, гдеZ зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом:
, гдеX символ химического элемента,Z атомный номер (число протонов в ядре),А массовое число (число нуклонов в ядре). Массовое числоА приблизительно равно массе ядра в атомных единицах массы.

Так как атом нейтрален, то заряд ядра Z определяет и число электронов в атоме. От числа электронов зависитих распределение по состояниям в атоме. Заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электро­нов в атоме, конфигурациюих электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми зарядовыми числами Z , но с разными массовыми числамиА (т. е. с разными числами нейтронов N = A – Z ), называются изотопами, а ядра с одинаковымиА, но разнымиZ – изобарами. Например, водород (Z = l) имеет три изотопа: Н – протий (Z = l,N = 0), Н – дейтерий (Z = l,N = 1), Н – тритий (Z = l,N = 2), олово – десять изотопов и т. д. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами.

Е , МэВ

Уровни энергии

и наблюдаемые переходы для ядра атома бора

Квантовая теория строго ограничивает значения энергий, которыми могут обладать составные части ядер. Совокупности протонов и нейтронов в ядрах могут находиться только в определенных дискретных энергетических состояниях, характерных для данного изотопа.

Когда электрон переходит из более высокого в более низкое энергетическое состояние, разность энергий излучается в виде фотона. Энергия этих фотонов имеет порядок нескольких электронвольт. Для ядер энергии уровней лежат в интервале примерно от 1 до 10 МэВ. При переходах между этими уровнями испускаются фотоны очень больших энергий (γ–кванты). Для иллюстрации таких переходов на рис. 6.1 приведены пять первых уровней энергии ядра
.Вертикальными линиями указаны наблюдаемые переходы. Например, γквант с энергией 1,43 МэВ испускается при переходе ядра из состояния с энергией 3,58 МэВ в состояние с энергией 2,15 МэВ.

Размеры планет и даже самого Солнца малы по сравнению с размерами солнечной системы. Так, напри­мер, расстояние от Земли до Солнца больше диаметра Солнца, примерно, в 100 раз, а расстояние от Солнца до самой удалённой планеты Плутона больше диамет­ра Солнца в 4 000 раз. Объём Солнца составляет лишь

■iwuoiuoььoJ — Объёма шара с радиусом, равным рас­стоянию от Солнца до Плутона. Такое же положе­ние имеет место и в атоме, несмотря на то, что почти вся тяжесть атома сосредоточена в его ядре, 10 размеры ядра очень малы по сравнению с размерами атома.

Диаметры ядер атомов разных элементов несколько отличаются друг от друга, но в общем диаметр ядра, примерно, в 100 000 раз меньше диаметра атома. Таким

Образом, ядро занимает в атоме лишь «Т»оооооо ооо ооо ооо»

Часть его объёма (напоминаем, что объём пропорцио-

Нален кубу диаметра). Ядро в атоме занимает в 2 000 раз меньше места, чем Солнце в солнечной системе.

Если увеличить ядро до размеров булавочной голов­ки, то атом с трудом поместился бы в огромном сто­метровом зале. Если же мы увеличили бы ядро до размеров винтика карманных часов, то атом был бы больше огромного океанского парохода (рис. 3).

Предположим теперь, что удалось бы сжать веще­ство до такой степени, что ядра атомов касались бы друг друга. Тогда огромный линкор водоизмещением в 45 000 тонн поместился бы в булавочной головке!

Наша задача состоит в том, чтобы рассказать об атомном ядре и его энергии. Об атоме и его строении мы подробно говорить здесь не собираемся, и если выше нам пришлось кратко остановиться на этом

Вопросе, то лишь потому, что ядро является частью атома. Не зная строения атома, изучать свойства ядра невозможно. Поэтому физики вначале энергично заня­лись атомом. Изучение ядра оказалось в центре вни­мания лишь лет 15 тому назад, когда строение атома стало хорошо известно, В настоящее время исследова­ние свойств и строения атомного ядра как раз и яв­ляется основным вопросом, которым занимаются мно­гие физики.

Мы знаем, что ядро является центром атома, знаем уже его заряд, вес и размеры.

Но как ядро устроено? Состоит ли ядро из других более простых частичек или само является простейшей частицей? Нельзя ли разрушить ядро и как это сде­лать? Все эти вопросы сейчас же встают перед нами и на них нужно ответить.

Применение ядерной энергии является совсем новой областью науки и техники. Поэтому многое здесь ещё неизвестно. Фантазировать же на эту тему мы не будем. Использование ядерной энергии, о котором мы гово­рили, …

Кроме урана, под влиянием нейтронов делятся также ядра элементов протактиния (заряд 91) и тория (заряд 90). Использование протактиния не имеет абсо­лютно никакого значения, так как этот элемент очень редок: во …

235 Деление ядер урана 92 в природном уране, смешан* ном с графитом, приводит, как это ясно из сказанного выше, к образованию плутония. Замечательно, что плу­тоний обладает такими же свойствами, как …

Вопросы «Из чего состоит материя?», «Какова природа материи?» всегда занимали человечество. Еще с древнейших времен философы и ученые искали ответы на эти вопросы, создавая как реалистичные, так и совершенно удивительные и фантастические теории и гипотезы. Однако буквально столетие назад человечество подошло к разгадке этой тайны максимально близко, открыв атомарную структуру материи. Но каков состав ядра атома? Из чего все состоит?

От теории к реальности

К началу двадцатого века атомарная структура перестала быть только гипотезой, а стала абсолютным фактом. Оказалось, что состав ядра атома — понятие очень сложное. В его состав входят Но возник вопрос: состав атома и включают в себя разное количество этих зарядов или нет?

Планетарная модель

Изначально представляли, что атом построен очень похоже на нашу Солнечную систему. Однако довольно быстро оказалось, что подобное представление не совсем верно. Проблематика чисто механического переноса астрономического масштаба картины в область, которая занимает миллионные доли миллиметра, повлекла за собой существенное и резкое изменение свойств и качеств явлений. Главное различие заключалось в гораздо более жестких законах и правилах, по которым построен атом.

Недостатки планетарной модели

Во-первых, так как атомы одного рода и элемента по параметрам и свойствам должны быть совершенно одинаковы, то и орбиты у электронов этих атомов тоже должны быть одинаковы. Однако законы движения астрономических тел не смогли дать ответы на эти вопросы. Второе противоречие заключается в том, что движение электрона по орбите, если применить к нему хорошо изученные физические законы, должно обязательно сопровождаться перманентным выделением энергии. В результате этот процесс привел бы к истощению электрона, который в конечном итоге затухнул бы и даже упал на ядро.

Волновая структура матери

и

В 1924 году молодой аристократ Луи де Бройль выдвинул мысль, которая перевернула представления научного сообщества о таких вопросах как состав атомных ядер. Идея заключалась в том, что электрон — это не просто движущийся шарик, который вращается вокруг ядра. Это размытая субстанция, которая движется по законам, напоминающим распространение волн в пространстве. Довольно быстро это представление распространили и на движение любого тела в целом, пояснив, что мы замечаем только одну сторону этого самого движения, а вот вторая фактически не проявляется. Мы можем видеть распространение волн и не заметить движение частицы, либо же наоборот. На самом же деле обе эти стороны движения всегда существуют, и вращение электрона по орбите — это не только перемещение самого заряда, но также и распространение волн. Такой подход кардинально отличается от принятой ранее планетарной модели.

Элементарная основа

Ядро атома — это центр. Вокруг него и вращаются электроны. Свойствами именно ядра обусловлено все остальное. Говорить о таком понятии как состав ядра атома необходимо с самого важного момента — с заряда. В составе атома наблюдается определенное которые несут отрицательный заряд. Само же ядро обладает положительным зарядом. Из этого можно сделать определенные выводы:

  1. Ядро — это заряженная положительно частица.
  2. Вокруг ядра находится пульсирующая атмосфера, создаваемая зарядами.
  3. Именно ядро и его характеристики определяют количество электронов в атоме.

Свойства ядра

Медь, стекло, железо, дерево обладают одинаковыми электронами. Атом может потерять пару электронов или даже все. Если ядро остается заряжено положительно, то оно способно притянуть нужное количество отрицательно заряженных частиц из других тел, что позволит ему сохраниться. Если атом теряет некоторое количество электронов, то положительный заряд у ядра будет больше, чем остаток отрицательных зарядов. В этом случае и весь атом приобретет избыточный заряд, и его можно будет назвать положительным ионом. В некоторых случаях атом может привлечь большее количество электронов, и тогда он станет отрицательно заряженным. Следовательно, его можно будет назвать отрицательным ионом.

Сколько весит атом

?

Масса атома в основном определяется ядром. Электроны, которые входят в состав атома и атомного ядра, весят мене одной тысячной от общей массы. Так как массу считают мерой запаса энергии, которым обладает вещество, то этот факт считается неимоверно важным при изучении такого вопроса, как состав ядра атома.

Радиоактивность

Наиболее сложные вопросы появились после открытия Радиоактивные элементы излучают альфа-, бета- и гамма-волны. Но такое излучение должно иметь источник. Резерфорд в 1902 году показал, что таким источником является сам атом, а точнее сказать, ядро. С другой стороны, радиоактивность — это не только испускание лучей, а и перевод одного элемента в другой, с совершенно новыми химическими и физическими свойствами. То есть радиоактивность — это изменение ядра.

Что мы знаем о ядерной структуре?

Почти сто лет назад физик Проут выдвинул мысль о том, что элементы в периодической системе не являются бессвязными формами, а представляют собой комбинации Поэтому можно было ожидать, что и заряды, и массы ядер будут выражаться через целые и кратные заряды самого водорода. Однако это не совсем так. Изучая свойства атомных ядер при помощи электромагнитных полей, физик Астон установил, что элементы, атомные веса у которых не являлись целыми и кратными, на самом деле — комбинация разных атомов, а не одно вещество. Во всех случаях, когда атомный вес не целое число, мы наблюдаем смесь разных изотопов. Что это такое? Если говорить про состав ядра атома, изотопы — атомы с одинаковыми зарядами, но с разными массами.

Эйнштейн и ядро атома

Теория относительности говорит, что масса — это не мера, по которой определяют количество материи, а мера энергии, которой обладает материя. Соответственно, материю можно измерить не массой, а зарядом, который составляет эту материю, и энергией заряда. Когда одинаковый заряд приближается к другому такому же, энергия будет увеличиваться, в обратном случае — уменьшаться. Это, несомненно, не означает изменение материи. Соответственно, с этой позиции ядро атома — это не источник энергии, а скорее, остаток после ее выделения. Значит, существует некое противоречие.

Нейтроны

Супруги Кюри при бомбардировке альфа-частицами бериллия открыли некие непонятные лучи, которые, сталкиваясь с ядром атома, отталкивают его с огромной силой. Однако они способны проходить сквозь большую толщину вещества. Это противоречие разрешилось тем, что данная частица оказалась с нейтральным электрическим зарядом. Соответственно, ее и назвали нейтроном. Благодаря дальнейшим исследованиям оказалось, что почти такая же, как и у протона. В общем-то говоря, нейтрон и протон невероятно похожи. С учетом этого открытия определенно можно было установить, что в состав ядра атома входят и протоны, и нейтроны, причем в одинаковых количествах. Все постепенно становилось на места. Число протонов — атомный номер. Атомный вес — это сумма масс нейтронов и протонов. Изотопом можно же назвать элемент, в котором количество нейтронов и протонов будет не равным друг другу. Как уже говорилось выше, в таком случае, хотя элемент остается фактическим тем же самым, его свойства могут существенно измениться.

Задолго до появления достоверных данных о внутреннем устройстве всего сущего греческие мыслители представляли себе материю в виде мельчайших огненных частиц, которые находились в постоянном движении. Вероятно, это видение мирового устройства вещей было выведено из чисто логических умозаключений. Несмотря на некоторую наивность и абсолютную бездоказательность этого утверждения, оно оказалось верным. Хотя подтвердить смелую догадку ученые смогли лишь двадцать три века спустя.

Строение атомов

В конце XIX века были исследованы свойства разрядной трубки, через которую пропущен ток. Наблюдения показали, что при этом испускается два потока частиц:

Отрицательные частицы катодных лучей были названы электронами. В дальнейшем частицы с тем же отношением заряда к массе были обнаружены во многих процессах. Электроны казались универсальными составляющими различных атомов, довольно легко отделяющимися при бомбардировке ионов и атомов.

Частички, несущие положительный заряд, представлялись осколками атомов после потери ими одного или нескольких электронов. На самом деле положительные лучи представляли собой группы атомов, лишенных отрицательных частиц, и вследствие этого имеющих положительный заряд.

Модель Томпсона

На основании опытов было выяснено, что положительные и отрицательные частички представляли суть атома, были его составляющими. Английский ученый Дж. Томсон предложил свою теорию. По его мнению, строение атома и атомного ядра представляли собой некую массу, в которой отрицательные заряды были втиснуты в положительно заряженный шар, как изюм в кекс. Компенсация зарядов делала «кекс» электрически нейтральным.

Модель Резерфорда

Молодой американский ученый Резерфорд, анализируя треки, оставшиеся после альфа-частиц, пришел к выводу, что модель Томпсона несовершенна. Некоторые альфа-частицы отклонялись на небольшие углы — в 5-10 o . В редких случаях альфа-частицы отклонялись на большие углы в 60-80 o , а в исключительных случаях углы были очень большими — 120-150 o . Модель атома Томпсона не могла объяснить такую разницу.

Резерфорд предлагает новую модель, объясняющую строение атома и атомного ядра. Физика процессов утверждает, что атом должен быть пуст на 99%, с крошечным ядром и вращающимися вокруг него электронами, которые движутся по орбитам.

Отклонения при ударах он объясняет тем, что частицы атома имеют собственные электрические заряды. Под воздействием бомбардирующих заряженных частиц атомные элементы ведут себя как обыкновенные заряженные тела в макромире: частицы с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а с противоположными — притягиваются.

Состояние атомов

В начале прошлого века, когда были запущены первые ускорители элементарных частиц, все теории, объяснявшие строение атомного ядра и самого атома, ждали экспериментальной проверки. К тому времени были уже досконально изучены взаимодействия альфа- и бета-лучей с атомами. Вплоть до 1917 года считалось, что атомы либо стабильны, либо радиоактивны. Стабильные атомы нельзя расщепить, распад радиоактивных ядер невозможно контролировать. Но Резерфорду удалось опровергнуть это мнение.

Первый протон

В 1911 году Э. Резерфорд выдвинул идею о том, что все ядра состоят из одинаковых элементов, основой для которых является атом водорода. На эту идею ученого натолкнул важный вывод предыдущих изучений строения вещества: массы всех химических элементов делятся без остатка на массу водорода. Новое предположение открывало невиданные возможности, позволяющие по-новому видеть строение атомного ядра. Ядерные реакции должны были подтвердить или опровергнуть новую гипотезу.

Опыты проводились в 1919 году с атомами азота. Бомбардируя их альфа-частицами, Резерфорд добился удивительного результата.

Атом N поглотил альфа-частицу, превратился после этого в атом кислорода О 17 и испустил ядро водорода. Это стало первым искусственным превращением атома одного элемента в другой. Подобный опыт вселял надежду на то, что строение атомного ядра, физика существующих процессов позволяют осуществлять и другие ядерные превращения.

Ученый использовал в своих опытах метод сцинтилляции — вспышки. По частоте вспышек он делал выводы о том, каким является состав и строение атомного ядра, о характеристиках рожденных частиц, об их атомной массе и порядковом номере. Неизвестная частица было названа Резерфордом протоном. Она имела все характеристики атома водорода, лишенного своего единственного электрона — одиночный положительный заряд и соответствующую массу. Таким образом было доказано, что протон и ядро водорода являются одними и теми же частицами.

В 1930 году, когда были построены и запущены первые большие ускорители, модель атома Резерфорда удалось проверить и доказать: каждый атом водорода состоит из одинокого электрона, положение которого невозможно определить, и рыхлого атома с одиноким положительным протоном внутри. Поскольку при бомбардировке из атома могут влетать протоны, электроны и альфа-частицы, ученые думали, что они и есть составляющие любого ядра атома. Но подобная модель атома ядра казалась неустойчивой — электроны были слишком велики для того, чтобы умещаться в ядре, кроме этого, существовали серьезные затруднения, связанные с нарушением закона количества движения и сохранения энергии. Эти два закона, как строгие бухгалтеры, говорили о том, что количество движения и масса при бомбардировке исчезают в неизвестном направлении. Поскольку эти законы являлись общепринятыми, следовало отыскать объяснения для подобной утечки.

Нейтроны

Ученые всего мира ставили эксперименты, направленные на открытие новых составляющих ядер атомов. В 1930-х годах немецкие физики Беккер и Боте бомбардировали атомы бериллия альфа-частицами. При этом было зарегистрировано неизвестное излучение, которое было решено назвать G-лучами. Подробные исследования рассказали о некоторых особенностях новых лучей: они могла распространяться строго по прямой, не взаимодействовали с электрическими и магнитными полями, обладали высокой проникающей способностью. Позднее частицы, образующие этот вид излучения, были найдены при взаимодействии альфа-частиц с другими элементами — бором, хромом и прочими.

Гипотеза Чедвика

Тогда Джеймс Чедвик, коллега и ученик Резерфорда, в журнале «Нэйчур» дал короткое сообщение, которое позднее стало общеизвестным. Чедвик обратил внимание на тот факт, что противоречия в законах сохранения легко разрешаемы, если допустить, что новое излучение является потоком нейтральных частиц, каждая из которых имеет массу, приблизительно равную массе протона. Рассматривая это предположение, физики существенно дополнили гипотезу, объясняющую строение атомного ядра. Кратко суть дополнений сводилась к новой частице и ее роли в строении атома.

Свойства нейтрона

Обнаруженной частице было дано имя «нейтрон». Новооткрытые частички не образовывали вокруг себя электромагнитных полей, легко проходили через вещество, не теряя при этом энергии. При редких столкновениях с легкими ядрами атомов нейтрон в состоянии выбить из атома ядро, теряя при этом значительную часть своей энергии. Строение атомного ядра предполагало наличие различного количества нейтронов в каждом веществе. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но с различным количеством нейтронов получили название изотопов.

Нейтроны послужили отличной заменой альфа-частицам. В настоящее время именно их используют для того, чтобы изучить строение атомного ядра. Кратко их значение для науки описать невозможно, но именно благодаря бомбардировке нейтронами атомных ядер физики смогли получить изотопы практически всех известных элементов.

Состав ядра атома

В настоящее время строение атомного ядра представляет собой совокупность протонов и нейтронов, скрепленных между собой ядерными силами. Например, ядро гелия представляет собой комочек из двух нейтронов и двух протонов. Легкие элементы имеют практически равное число протонов и нейтронов, у тяжелых элементов количество нейтронов значительно больше.

Такая картина строения ядра подтверждается экспериментами на современных больших ускорителях с быстрыми протонами. Электрические силы отталкивания протонов уравновешиваются ядреными силами, которые действуют только в самом ядре. Хотя природа ядерных сил еще до конца не изучена, их существование является практически доказанным и полностью объясняет строение атомного ядра.

Связь массы и энергии

В 1932 камера Вильсона запечатлела удивительный фотоснимок, доказывающий существование положительных заряженных частиц, с массой электрона.

До этого положительные электроны были предсказаны теоретически П. Дираком. Реальный положительный электрон был обнаружен также в космическом излучении. Новую частичку назвали позитроном. При столкновении со своим двойником — электроном, происходит аннигиляция — взаимное уничтожение двух частиц. При этом освобождается определенное количество энергии.

Таким образом, теория, разработанная для макромира, полностью подходила для описания поведения мельчайших элементов вещества.

12.6: Открытие атомного ядра

Цели обучения

  • Опишите, как были открыты электроны.
  • Опишите эксперимент Резерфорда с золотой фольгой и его роль в открытии атомного ядра.
  • Опишите планетарную модель атома Резерфорда.

Многие студенты-физики сегодня считают само собой разумеющимся, что атомы составляют всю материю и что эти атомы состоят из субатомных частиц, электронов, протонов и нейтронов.В этом разделе мы рассмотрим открытие этих частей, чтобы взглянуть на концепции квантовой механики, которые были разработаны для построения непротиворечивой модели атома.

Электрон

Хотя мы уже использовали идею (и физический объект) электрона для обсуждения электричества и некоторых фундаментальных концепций квантовой механики, мы еще не рассмотрели, как впервые были открыты электроны, задолго до открытия других субатомных частиц. Электроны были обнаружены, и их свойства были измерены в газоразрядных трубках, подобных показанным на рисунке \(\PageIndex{1}\), которые также были известны как электронно-лучевые трубки . Он состоит из вакуумированной стеклянной трубки, содержащей два металлических электрода и разреженный газ. Когда на электроды подается высокое напряжение, газ светится. Впервые они были серьезно изучены Генрихом Гейсслером, немецким изобретателем и стеклодувом, начиная с 1860-х годов. Английский ученый Уильям Крукс в числе прочих продолжал их изучение (иногда электронно-лучевые трубки называют «трубками Крукса»). Газ светится из-за взаимодействия « катодных лучей » и разреженного газа.Частицы катодных лучей (теперь мы называем их «электронами») разгоняются от отрицательно заряженного катода под действием приложенного к нему высокого напряжения. Когда электроны сталкиваются с атомами и молекулами газа (чаще всего используется аргон, но могут использоваться и другие типы инертного газа), атомы и молекулы газа флуоресцируют и светятся, делая путь электронов видимым в виде луча, который распространяется и исчезает. по мере удаления от катода.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Газоразрядная трубка светится, когда на нее подается высокое напряжение. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются к аноду; они возбуждают атомы и молекулы газа, которые в ответ светятся. Когда-то они назывались трубками Гейсслера, а затем трубками Крукса, теперь они известны как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и используются в старых телевизорах, экранах компьютеров и рентгеновских аппаратах. При приложении магнитного поля луч изгибается в направлении, ожидаемом для отрицательного заряда. (Фото: Пол Дауни, Flickr)

Английский физик Дж. Дж. Томсон (1856–1940) усовершенствовал и расширил объем экспериментов с газоразрядными трубками.(См. Рисунок \(\PageIndex{2}\) и Рисунок \(\PageIndex{3}\).) Он проверил отрицательный заряд катодных лучей как с магнитным, так и с электрическим полем. Кроме того, он собрал лучи в металлическую чашку и обнаружил избыток отрицательного заряда. Томсон также смог измерить отношение заряда электрона к его массе \(q_{e} / m_{e}\) — важный шаг к нахождению фактических значений обоих \(q_{e}\) и я}\). На рисунке \(\PageIndex{4}\) показана электронно-лучевая трубка, которая создает узкий пучок электронов, проходящий через зарядные пластины, подключенные к высоковольтному источнику питания. Между зарядными пластинами создается электрическое поле \(\mathbf{E}\), а электронно-лучевая трубка помещается между полюсами магнита так, что электрическое поле \(\mathbf{E}\) перпендикулярно магнитное поле \(\mathbf{B}\) магнита. Эти поля, будучи перпендикулярными друг другу, производят противоположные силы на электронах, причем две силы уравновешивают друг друга, когда скорость заряженной частицы \(v=E/B\). Таким образом Томсон определял скорость электронов, а затем перемещал луч вверх и вниз, регулируя электрическое поле.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Дж. Дж. Томсон (кредит: www.firstworldwar.com, через Wikimedia Commons) Рисунок \(\PageIndex{3}\): Схема ЭЛТ Томсона. (кредит: Kurzon, Wikimedia Commons) Рисунок \(\PageIndex{4}\): На этой схеме показан электронный луч в ЭЛТ, проходящий через скрещенные электрические и магнитные поля и вызывающий свечение люминофора при ударе о конец трубки.

Это отклонение с дополнительным приложением электрического поля может быть использовано для измерения и расчета отношения заряда к массе, \(q_{e} / m_{e}\), с учетом электрической силы и кинематики заряженного частица, движущаяся с постоянным ускорением под действием электрической силы. {7} \mathrm{C} / \mathrm{kg} \text { (протон)}, \nonumber \]

, где \(q_{p}\) – заряд протона, а \(m_{p}\) – его масса. Это отношение (до четырех значащих цифр) в 1836 раз меньше заряда на килограмм, чем у электрона. Поскольку заряды электронов и протонов равны по величине, отсюда следует \(m_{p}=1836 m_{e}\).

Томсон провел множество экспериментов, используя различные газы в разрядных трубках и применяя другие методы, такие как фотоэлектрический эффект, для высвобождения электронов из атомов.Он всегда находил одни и те же свойства для электрона, доказывая, что это независимая частица. За свою работу, важные части которой он начал публиковать в 1897 году, Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике 1906 года. Оглядываясь назад, трудно понять, насколько удивительно было обнаружить, что у атома есть субструктура. Сам Томсон сказал: «Только когда я убедился, что эксперимент не оставил мне выхода, я опубликовал свою веру в существование тел меньшего размера, чем атомы. {-27} \mathrm{~kg} \text { (масса протона). } \номер\]

Учитывая чрезвычайно малую массу электрона, масса протона почти идентична массе атома водорода. То, что сделал Томсон (и другие, измерившие свойства электрона), заключалось в том, чтобы доказать существование одной субструктуры атомов, электрона, и, кроме того, показать, что он имеет лишь крошечную часть массы атома. То, что мы теперь знаем как атомное ядро, содержит большую часть массы атома, и, как мы увидим, природа ядра была совершенно неожиданной.

Ядро

Здесь мы исследуем первое прямое свидетельство размера и массы ядра.

Ядерная радиоактивность была открыта в 1896 году, и вскоре она стала предметом интенсивного изучения рядом лучших ученых мира. Среди них был новозеландец лорд Эрнест Резерфорд, совершивший множество фундаментальных открытий и заслуживший титул «отца ядерной физики». Родившийся в Нельсоне, Резерфорд учился в аспирантуре Кавендишских лабораторий в Англии, прежде чем занять должность в Университете Макгилла в Канаде, где он выполнил работу, которая принесла ему Нобелевскую премию по химии в 1908 году. В области атомной и ядерной физики химия и физика во многом пересекаются, причем физика обеспечивает фундаментальные поддерживающие теории. Он вернулся в Англию в более поздние годы, и у него было шесть будущих лауреатов Нобелевской премии в качестве студентов. Резерфорд использовал ядерное излучение для непосредственного изучения размера и массы атомного ядра. Разработанный им эксперимент показан на рисунке \(\PageIndex{5}\). Радиоактивный источник, испускающий альфа-излучение, был помещен в свинцовый контейнер с отверстием на одной стороне для получения пучка альфа-частиц, которые представляют собой тип ионизирующего излучения, испускаемого ядрами радиоактивного источника.В пучок помещали тонкую золотую фольгу и наблюдали за рассеянием альфа-частиц по свечению, которое они вызывали при попадании на люминофорный экран.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Эксперимент Резерфорда дал прямые доказательства размера и массы ядра путем рассеяния альфа-частиц тонкой золотой фольгой. Альфа-частицы с энергией около \(5~\mathrm{МэВ}\) испускаются радиоактивным источником (который представляет собой небольшой металлический контейнер, в котором запечатано определенное количество радиоактивного материала), коллимируются в пучок и падать на фольгу.Количество частиц, которые проникают сквозь фольгу или разлетаются под разными углами, указывает на то, что ядра золота очень малы и содержат почти всю массу атома золота. На это особенно указывают альфа-частицы, которые рассеиваются под очень большими углами, как футбольный мяч, отскакивающий от головы вратаря. Было известно, что

альфа-частицы представляют собой двухзарядные положительные ядра атомов гелия, которые имеют кинетическую энергию порядка \(5 ~\mathrm{МэВ}\) при испускании при ядерном распаде, то есть при распаде ядра нестабильного нуклида в результате спонтанного испускания заряженных частиц.Эти частицы взаимодействуют с веществом в основном посредством кулоновской силы, и то, как они рассеиваются от ядер, может указывать на размер и массу ядра. Это аналогично наблюдению за тем, как шар для боулинга рассеивается объектом, который вы не можете видеть напрямую. Поскольку энергия альфа-частицы настолько велика по сравнению с типичными энергиями, связанными с атомами (\(\mathrm{МэВ}\) по сравнению с \(\mathrm{эВ}\)), можно ожидать, что альфа-частицы просто прорвутся сквозь тонкую фольга очень похожа на то, как сверхзвуковой шар для боулинга врезается в несколько десятков рядов кеглей.Томсон представлял себе атом как небольшую сферу, в которой равномерно распределены равные количества положительного и отрицательного заряда. В такой модели падающие массивные альфа-частицы претерпели бы лишь небольшие отклонения. Вместо этого Резерфорд и его сотрудники обнаружили, что альфа-частицы иногда рассеиваются под большими углами, а некоторые даже возвращаются в том направлении, откуда они пришли! Детальный анализ с использованием закона сохранения импульса и энергии — особенно небольшого числа, которое сразу же вернулось — показал, что существовала тесно связанная, очень маленькая субструктура атома золота, содержащая почти всю массу атома (теперь мы называем это ядром золота). .Поскольку ядро ​​золота в несколько раз массивнее альфа-частицы, лобовое столкновение разбросает альфа-частицу прямо к источнику.

Хотя результаты эксперимента были опубликованы его коллегами в 1909 году, Резерфорду потребовалось два года, чтобы убедиться в их значении. Как и Томсон до него, Резерфорд не хотел принимать такие радикальные результаты. Природа в малых масштабах настолько не похожа на наш классический мир, что даже те, кто находится на переднем крае открытий, иногда удивляются.{3}\), совершенно непохожий на любую макроскопическую материю. Также подразумевается существование ранее неизвестных ядерных сил, противодействующих огромным кулоновским силам отталкивания положительных зарядов ядра. Огромные силы также согласовывались бы с большими энергиями, излучаемыми ядерным излучением.

Небольшой размер ядра также подразумевает, что атом в основном пуст внутри — сегодня мы используем «электронное облако», чтобы описать, какая часть объема атома заполнена электронами, но поскольку электроны имеют такие малые массы, энергетические альфа-частицы проходят через них в основном без изменений. {-10} \mathrm{~m}\)) и точки, обозначающие ядра. (Точки не в масштабе — если бы они были, вам понадобился бы микроскоп, чтобы увидеть их.) Большинство альфа-частиц не попадает в маленькие ядра и лишь слегка рассеиваются дальнодействующей кулоновской силой. Иногда (примерно один раз из 8000 в эксперименте Резерфорда) альфа-частицы сталкиваются с ядром лоб в лоб и рассеиваются прямо назад.

Рисунок \(\PageIndex{6}\): увеличенный вид атомов в золотой фольге в эксперименте Резерфорда.{-15} \mathrm{~м}\) в диаметре). Чтобы быть видимыми, точки намного больше масштаба. Большинство альфа-частиц прорываются сквозь них, но практически не подвергаются воздействию из-за их высокой энергии и малой массы электрона. Некоторые, однако, направляются прямо к ядру и рассеиваются прямо назад. Подробный анализ дает размер и массу ядра.

Основываясь на размерах и массе ядра, обнаруженных в его эксперименте, а также на массе электронов, Резерфорд предложил планетарную модель атома . Планетарная модель атома изображает электроны с малой массой, вращающиеся вокруг ядра с большой массой. Размеры электронных орбит велики по сравнению с размером ядра, внутри атома в основном вакуум. Эта картина аналогична тому, как планеты с малой массой в нашей Солнечной системе вращаются вокруг Солнца с большой массой на расстояниях, больших по сравнению с размером Солнца. В атоме кулоновская сила притяжения аналогична гравитации в планетной системе. Рисунок \(\PageIndex{7}\) является иллюстрацией этой модели или мысленной картиной.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): Планетарная модель атома Резерфорда включает в себя характеристики ядра, электронов и размер атома. Эта модель была первой, которая признала структуру атомов, в которой электроны с малой массой вращаются вокруг очень маленького массивного ядра по орбитам, намного большим, чем ядро. Атом в основном пуст и аналогичен нашей планетной системе.

Планетарная модель атома Резерфорда имела решающее значение для понимания характеристик атомов, их взаимодействий и энергий. Кроме того, это было указанием на то, насколько природа отличается от знакомого классического мира в мелком квантово-механическом масштабе. Открытие субструктуры всей материи в форме атомов и молекул теперь сделало еще один шаг вперед, чтобы открыть субструктуру атомов, которая была проще, чем 92 известных тогда элемента. Мы продолжали поиски более глубоких субструктур, таких как внутри ядра, с некоторым успехом. В одной из последующих глав мы проследим за этим поиском, обсуждая кварки и другие элементарные частицы, и посмотрим, в каком направлении сейчас идут поиски.{-27} \mathrm{~кг}. \номер\]

  • Планетарная модель атома изображает электроны, вращающиеся вокруг ядра так же, как планеты вращаются вокруг Солнца.

Глоссарий

электронно-лучевая трубка
вакуумная трубка, содержащая источник электронов и экран для просмотра изображений
планетарная модель атома
самая знакомая модель или иллюстрация строения атома

Экспериментальные данные о структуре атома

Экспериментальные данные о структуре атома

Георгий Сивулка


23 марта 2017 г.

Представлено в качестве курсовой работы для Ph341, Стэнфордский университет, зима 2017 г.

Введение

Рис.1: Трехмерный вид аппарат, аналогичный последнему цилиндрическому прибору Гейгера и Марсдена итерация, наглядно показывающая рассеяние альфа-частиц по золотой фольге. (Источник: Викимедиа Коммонс)

Резерфордский эксперимент с золотой фольгой предложил первое экспериментальное свидетельство, которое привело к открытию ядра атом как маленькое, плотное и положительно заряженное атомное ядро.Также известные как эксперименты Гейгера-Марсдена, открытие на самом деле включало серия экспериментов, проведенных Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом при Эрнесте Резерфорде. Эксперимент Гейгера и Марсдена доказательства, Резерфорд вывел модель атома, открыв атомную ядро. Его «Модель Резерфорда», описывающая крошечный положительно заряженный атомный центр, окруженный вращающимися электронами, был ключевым научным Открытие, раскрывающее структуру атомов, составляющих все материя во Вселенной.

Экспериментальные доказательства открытия связано с рассеянием пучка частиц после прохождения через тонкую закупорка золотой фольгой. Частицы, использованные для эксперимента — альфа частицы — положительны, плотны и могут испускаться радиоактивным источник. Эрнест Резерфорд открыл альфа-частицу как положительную радиоактивный выброс в 1899 г. и вывел его заряд и массовые свойства. в 1913 году, проанализировав заряд, который он индуцировал в воздухе вокруг себя.[1] Как эти альфа-частицы имеют значительный положительный заряд, любой значительные потенциальные помехи должны быть вызваны большим концентрация электростатической силы где-то в структуре атом. [2]

Предыдущая модель атома

Рис. 2: Сравнение J.J. Модель атома Томпсона «сливовый пудинг» и модель Резерфорда Модель и ее ядро.Альфа-частицы и их рассеяние или их отсутствие изображаются дорожками черного стрелы. (Источник: Викимедиа Коммонс)

Рассеяние пучка альфа-частиц должно иметь было невозможно согласно принятой в то время модели атома. Эта модель, изложенная лордом Кельвином и расширенная Дж. Дж. Томпсоном. после открытия электрона считал, что атомы состоят из сферы положительного электрического заряда, усеянной присутствием отрицательно заряженные электроны.[3] Описание атомной модели, аналогичной «сливовый пудинг», предполагалось, что электроны распределяются во всем этом поле положительного заряда, как сливы, распределенные в Десерт. Однако в этой модели сливового пудинга отсутствовало какое-либо присутствие значительная концентрация электромагнитной силы, которая может ощутимо влияют на любые альфа-частицы, проходящие через атомы. Таким образом, альфа частицы не должны иметь признаков рассеяния при прохождении через тонкие иметь значение.[4] (см. рис. 2)

Эксперименты Гейгера Марсдена

Проверка этой общепринятой теории, Ганс Гейгер и Эрнест Марсден обнаружил, что атомы действительно рассеивают альфа-частицы. экспериментальный результат полностью противоречит модели атома Томпсона. В 1908 году была опубликована первая статья из серии экспериментов, описание аппарата, используемого для определения этого рассеяния, и происходит рассеяние на малые углы.Гейгер построил двухметровую стеклянная трубка, закрытая с одного конца радиевым источником альфа-частиц а на другом конце фосфоресцирующим экраном, который излучал свет, когда попадание частицы. (см. рис. 3) Альфа-частицы прошли по длине трубки, через щель посередине и попала в экран детектора, производя мерцания света, которые отмечали их точку падения. Гейгер отмечал, что «в хорошем вакууме вряд ли и мерцания были бы наблюдается вне геометрического образа щели, «в то время как при щель была покрыта позолотой, площадь наблюдаемых мерцаний был гораздо шире, и «различие в распределении можно было отметить с невооруженным глазом. [5]

Рис. 3: Схема оригинала Двухметровая трубка, которую Гейгер сконструировал и использовал для сначала обнаружить рассеяние альфа-частиц на атомном ядро. В точке, обозначенной R, находится частица радона. источник излучения и Z экран детектора. (Источник: Викимедиа Коммонс)

По просьбе Резерфорда Гейгер и Марсден продолжал тестировать рассеяние на большие углы и под разными параметры эксперимента, собирая данные, которые позволили Резерфорду далее собственные выводы о природе ядра.К 1909 г. Гейгер и Марсден показали отражение альфа-частиц под углами более чем на 90 градусов, наклоняя источник альфа-частиц к отражатель из листа фольги, который теоретически отражал бы падающее частицы на экране обнаружения. Разделение источника частиц и экран детектора свинцовым барьером для уменьшения паразитного излучения, они отметил, что 1 из каждых 8000 альфа-частиц действительно отражается тупые углы, необходимые для отражения металлического листа и на экран с другой стороны. [6] Более того, в 1910 г. Гейгер усовершенствовал дизайн своего первого эксперимента с вакуумной трубкой, упрощающий измерение расстояние отклонения, варьировать типы и толщину фольги, а также регулировать скорость потока альфа-частиц с препятствиями из слюды и алюминия. Здесь он обнаружил, что как более толстая фольга, так и фольга из элементов увеличение атомного веса привело к увеличению наиболее вероятного угол рассеяния. Кроме того, он подтвердил, что вероятность угол отражения более 90 градусов был «исчезающе малым» и отметил, что повышенная скорость частиц, скорее всего, уменьшилась. угол рассеяния.[7]

Атом Резерфорда

Опираясь на эти экспериментальные данные, Резерфорд изложил свою модель строения атома, рассуждая, что, поскольку атомы четко рассеянные падающие альфа-частицы, структура содержала гораздо большая электростатическая сила, чем предполагалось ранее; как большой угол рассеяние было редким явлением, источник электростатического заряда был содержится лишь в доли общего объема атома. Как он заключает это рассуждение «простейшим объяснением» в своем 1911 г. бумаге, «атом содержит центральный заряд, распределенный по очень малый объем» и «большие одиночные отклонения обусловлены центральным заряд в целом». Фактически, он математически смоделировал рассеяние закономерности, предсказанные этой моделью с этим маленьким центральным «ядром», будут точечный заряд. Позже Гейгер и Марсден экспериментально проверили каждое из отношения, предсказанные в математической модели Резерфорда с методы и устройства рассеяния, которые улучшили свои предыдущие работу, подтверждающую атомную структуру Резерфорда.[4, 8, 9] (см. 1)

С экспериментально проанализированным характером прогиба альфа-лучей тонкой золотой фольгой, правда, обрисовывающей в общих чертах структуру атом становится на место. Хотя позже немного поправил Quantum Эффекты механики, понимание строения атома сегодня почти полностью следует из выводов Резерфорда о Эксперименты Гейгера и Марсдена. Это знаменательное открытие принципиально продвинули все области науки, навсегда изменив мировоззрение человечества. понимание окружающего нас мира.

© Георгий Сивулка. Автор дает разрешение копировать, распространять и демонстрировать это произведение в неизмененном виде, с ссылка на автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, сохраняются за автором.

Каталожные номера

[1] Э. Резерфорд, «Урановое излучение и Электрическая проводимость, производимая им», Philos. Mag. 47 , 109 (1899 г.).

[2] Э.Резерфорд «Строение атома». Филос. Маг. 27 , 488 (1914).

[3] Дж. Дж. Томсон, «О структуре атома: Исследование устойчивости и периодов колебаний ряда Тельца, расположенные через равные промежутки по окружности Круг; с приложением результатов к теории атомных Структура», Philos. Mag. 7 , 237 (1904).

[4] Э. Резерфорд, Рассеяние α и β-частицы материи и структура атома», Philos.Маг. 21 , 669 (1911).

[5] Гейгер Х., О рассеянии α Particles by Matter, Proc. R. Soc. A 81 , 174 (1908).

.

[6] Х. Гейгер и Э. Марсден, «О диффузном Отражение α-частиц», Proc. R. Soc. A 82 , 495 (1909).

[7] Г. Гейгер, «Рассеяние α Particles by Matter, Proc. R. Soc. A 83 , 492 (1910).

.

[8] Э.Резерфорд, «Происхождение α и β Rays From Radioactive Substances, Philos. Mag. 24 , 453 (1912).

.

[9] Х. Гейгер и Э. Марсден, «Законы отклонения α-частиц под большими углами, Philos. Mag. 25 , 604 (1913).

Атомные ядра – обзор

2.2 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СО СТАТИЧЕСКИМИ МАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ

Атомные ядра с ненулевым полным угловым моментом взаимодействуют с электромагнитными полями, присутствующими в их окружении, через ядерный магнитный дипольный момент и, в случае ядер с I > 1/2 — ядерный электрический квадрупольный момент. Основное взаимодействие, необходимое для понимания ЯМР, — это так называемое зеемановское взаимодействие, возникающее между магнитным дипольным моментом и магнитными полями (приложенными плюс локальные поля), существующими на ядерной площадке. В этом разделе речь пойдет об этом магнитном взаимодействии, которое составляет основу всех экспериментов по ЯМР. Обсуждение деталей взаимодействия между ядерным электрическим квадрупольным моментом квадрупольных ядер и локальными градиентами электрического поля будет отложено до другого раздела.

Зеемановское взаимодействие между ядерным магнитным диполем и внешним постоянным магнитным полем порождает многообразие энергетических уровней ядра в зависимости от его ориентации относительно оси, определяемой магнитным полем. Поглощение и излучение энергии, связанные с переходами между этими уровнями, составляют физические явления, наблюдаемые в эксперименте по магнитному резонансу.

Классическое взаимодействие тела с магнитным дипольным моментом μ и внешним статическим магнитным полем B 0 описывается потенциальной энергией, зависящей от ориентации –μ · 9001 и соответствующий крутящий момент μ × B 0 . Если магнитный дипольный момент параллелен и пропорционален угловому моменту L тела, как это имеет место, например, при вращении заряженных тел, то этот момент вызовет прецессию тела вокруг оси B 0 , в полной аналогии с движением детской волчки под действием силы тяжести (рис. 2.1). Результирующее движение называется ларморовской прецессией , а частота прецессии (называемая ларморовой частотой ) легко получается путем решения динамического уравнения движения.Задается (см. задачу P2.1):

Рисунок 2.1. Аналогия между волчком в гравитационном поле и магнитным моментом в магнитном поле.

(2.2.1)ωL=−γnB0

Эта прецессия магнитного момента вокруг поля — это именно то, что происходит для атомных ядер с ненулевым ядерным спином в присутствии постоянного магнитного поля. Когда атомное ядро ​​с магнитным дипольным моментом (2.1.5) помещается во внешнее статическое магнитное поле B 0 , ядерные состояния | m 〉 принимают различные значения энергии в зависимости от ориентации ядерного спина относительно направления B 0 . Это расщепление известно как ядерный эффект Зеемана, а взаимодействие, зависящее от ориентации, описывается гамильтонианом вида (названным гамильтонианом Зеемана ): −ℏωLIz

, где ω L — положительное число (для более обычного случая γ n  >  0 [5]), которое дает величину ларморовской частоты. Направление z соответствует оси, определяемой магнитным полем B 0 , и все квантовые операторы действуют в подпространстве, натянутом | м 〉 где м = — I,–I +  1,…, I – 1, I .Под действием такого гамильтониана средние значения декартовых компонент оператора ядерного спина в плоскости, перпендикулярной направлению z (т. е. 〈 I x 〉 и ) демонстрируют колебательное поведение во времени с частотой, определяемой (2.2.1), тогда как 〈 I z 〉 является стационарным (см. задачу P2.2). Поэтому можно считать, что ядро ​​совершает прецессионное движение вокруг B 0 , что полностью аналогично ларморовской прецессии классического магнитного диполя.

Собственные значения гамильтониана Зеемана (2.2.2), которые явно пропорциональны собственным значениям оператора I z , , представляют уровни энергии ядра, определяемые формулой:

(2.2.3)Em =−mℏωL

Следовательно, для ядра со спином I существует 2 I  + 1 энергетических уровней, расположенных на равном расстоянии друг от друга на величину ћω L . Более низкие энергетические состояния соответствуют более высоким (положительным) значениям m .Таким образом, основное состояние — это состояние с m = I , что означает в полуклассической картине, что ядро ​​максимально выровнено по направлению поля B 0 .

Для ансамбля идентичных ядер, находящихся в тепловом равновесии, заселенность каждого энергетического уровня определяется распределением Больцмана [6]. Например, в случае I = 1/2 имеется двухуровневая система с населенностями n и n + из m  = − 1/2 и м  = + 1/2 уровня соответственно, связанные коэффициентом Больцмана:

(2. 2.4)n−n+=e−ℏωL/kBT

, где k B — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура ансамбля. Для протонов (ядер 1 H) в магнитном поле 5 Тл ћω L составляет около 10 − 6 эВ, тогда как при комнатной температуре кТ ≅ 2,5 × 10 92903 В эВ , так что фактор Больцмана e−ћωL/kT очень близок к единице. Долевое различие заселенностей в этом случае составляет около 1 части на 10 5 , что свидетельствует о принципиально низкой чувствительности таких экспериментов с магнитными свойствами ядерных заселенностей (таких как ЯМР).

Результат (2.2.4) можно наивно интерпретировать как означающий, что ядер больше в параллельном, чем в антипараллельном направлении по отношению к магнитному полю (см., однако, приведенные в [5] аргументы против этого упрощенного утверждения зрения). Таким образом, этот небольшой дисбаланс в населенностях уровней m = − 1/2 и m = + 1/2 является причиной появления суммарной равновесной намагниченности вдоль направления z (параллельного приложенному магнитному полю). поле).Квазиклассически можно представить эту результирующую намагниченность как результат ларморовской прецессии ядерных спинов вокруг направления B 0 , что приводит к неисчезающей составляющей намагниченности вдоль направления z и нулевой составляющей в направлении z . поперечной плоскости из-за хаотичности движения спинов вокруг конуса прецессии (см. рис. 2.2).

Рисунок 2.2. В присутствии постоянного магнитного поля будет больше спинов, прецессирующих вокруг направления, параллельного полю, чем против него.Этот дисбаланс создает макроскопическую намагниченность, указывающую направление поля.

Таким образом, результатом приложения постоянного магнитного поля является появление ядерной намагниченности, параллельной этому полю. Тепловая равновесная намагниченность ансамбля ядер с I = 1/2 определяется выражением [4,7]: ядер в единице объема. Зависимость намагниченности, линейно возрастающая с напряженностью поля и обратно пропорциональная температуре, характерна для ядерного парамагнетизма, аналогичного электронному парамагнетизму, но по величине значительно меньшей. Это означает, что статические магнитные свойства атомных ядер полностью подавляются электронным магнетизмом даже в случае диамагнетиков, и такие эффекты никогда не наблюдаются в обычных условиях (см., однако, [8] обсуждение экзотических случаев, когда эти эффекты можно наблюдать).

Развитие атомной теории

 

Модерн Атомная теория: Модели

Модель Бора

В 1913 году Нильс Бор, студент Резерфорда, разработал новую модель атома.Он предположил, что электроны расположены в концентрические круговые орбиты вокруг ядра. Эта модель выполнена по образцу на Солнечной системы и известна как планетарная модель. Модель Бора может быть обобщены следующими четырьмя принципами:

  1. Электроны занимают только определенные орбиты вокруг ядро. Эти орбиты стабильны и называются «стационарными».
  2. каждый орбита имеет связанную с ним энергию.Орбита ближайшее ядро ​​имеет энергию E1, следующая орбита E2 и т. д.
  3. Энергия является поглощается, когда электрон перескакивает с нижнего орбиту на более высокую, и энергия излучается, когда электрон падает с а с более высокой орбиты на более низкую орбиту.
  4. энергия и частота излучаемого или поглощаемого света можно рассчитать, используя разницу между двумя орбитальными энергии.

Квантово-механическая модель

В 1926 году Эрвин Шредингер, Австрийский физик, взял атом Бора смоделируйте еще один шаг. Шредингер использовал математический уравнения для описания вероятность нахождения электрона в определенном положении. Этот атомный модель известная как квантово-механическая модель атома. В отличие от Бора модель, квантово-механическая модель не определяет точный путь электрона, но скорее, предсказывает вероятность местоположения электрона. Эта модель возможно изображается как ядро, окруженное электронным облаком. Где облако больше всего плотно, вероятность найти электрон наибольшая, и и наоборот, электрон с меньшей вероятностью окажется в менее плотной области облака. Таким образом, это модель ввела понятие субэнергетических уровней.

До 1932 г., в атом был считается состоящим из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженные электроны.В 1932 году Джеймс Чедвик бомбил атомы бериллия с альфа-частицами. Произошло неизвестное излучение. Чедвик истолкованный это излучение как состоящее из частиц с нейтральным электрическим заряжать и приблизительная масса протона. Эта частица стала известна как нейтрон. С открытием нейтрон, химикам стала доступна адекватная модель атома.

С 1932 г. через продолжение экспериментов было обнаружено много дополнительных частиц в атом.Кроме того, новые элементы были созданы путем бомбардировки существующих ядер атомами. различный субатомные частицы. Атомная теория получила дальнейшее развитие благодаря концепция что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких единиц, называемых кварками. Сами кварки находятся в очередь из вибрирующих нитей энергии. Теория композиции принадлежащий атом продолжает оставаться захватывающим приключением.

В АТОМЕ НАЙДЕНА НОВАЯ ЧАСТИЦА; Ученые сообщили об открытии в ядре

ВАШИНГТОН, октябрь.14 — Ученые из Европейского центра ядерных исследований в Женеве обнаружили новый компонент «ядерного клея», связывающего сердцевину атома.

Новая элементарная частица получила имя эпсилон. Это член семейства частиц, известных как мезоны. Там обеспечивают силу сцепления, удерживающую вместе протоны и нейтроны в атомном ядре.

Отчет об открытии был представлен доктором Богданом С. Магликом на осеннем собрании Национальной академии наук на этой неделе в Мэдисоне, штат Висконсин.

Доктор Маглич, бежавший из Югославии 15 лет назад и прошедший обучение в США, возглавил группу ученых из 21 человека, открывших эпсилон в экспериментах с ускорителем на 30 миллиардов электрон-вольт в Европейском центре.

Двухмесячная серия экспериментов была завершена только в прошлую пятницу, и доктор Мэглик вылетел в Мэдисон, чтобы сообщить об открытии.

Открытие способствует пониманию и путанице в отношении частиц, которые объединяются, чтобы составить внутреннюю структуру атома.С помощью эпсилон было открыто 34 элементарные частицы. Шестнадцать из них — мезоны, частицы с массой примерно в четыре пятых массы протонов и нейтронов.

Открытие эпсилон не помогает решить загадку родственных отношений между всеми этими членами «ядерного зоопарка». Он также не проясняет сложную работу семейства мезонов в ядерной структуре.

Открытие эпсилон действительно помогает прояснить научную путаницу в отношении ро, еще одной мезонной частицы.С тех пор, как он был открыт в 1961 году, ро озадачил физиков из-за очевидных вариаций его атомного веса.

Теперь выясняется, что загадочные вариации возникли из-за того, что ученые наблюдали за двумя частицами — ро и эпсилон. Их отдельные личности были затемнены тем фактом, что их массы были почти одинаковыми.

Открытие эпсилон стало возможным благодаря новому тонкому методу обнаружения, разработанному доктором Мэгликом и доктором Фредом Кирстен, когда они были коллегами в Радиационной лаборатории Лоуренса в Беркли, Калифорния., 1962 г. Устройство обнаружения, известное как акустическая искровая камера.

Аппарат позволяет «прослушать» ядерные осколки, образующиеся при столкновении пучка протонов ускорителя с мишенью.

Осколки генерируют электрические искры в камере. Звуки, сопровождающие их прохождение через камеру, записываются точно настроенными микрофонами, а затем передаются непосредственно в электронный компьютер для анализа.

Ученые впервые измерили размер однонейтронного гало с помощью лазеров — ScienceDaily

Атомные ядра обычно представляют собой компактные структуры, ограниченные резкой границей.Около двадцати пяти лет назад в Калифорнийском университете в Беркли было обнаружено, что есть исключения из этой картины: некоторые экзотические атомные ядра содержат частицы, которые отрываются от центрального ядра и создают облако, которое окружает центральное ядро, как «heiligenschein» или ореол.

Пример такого гало встречается в бериллии-11, особом изотопе металлического бериллия. Здесь гало состоит из одного нейтрона. Впервые ученым из Института ядерной химии Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга в сотрудничестве с коллегами из других институтов удалось точно измерить это однонейтронное гало с помощью лазера и оценить размеры облака. .Изучая нейтронные гало, ученые надеются получить дальнейшее понимание сил внутри атомного ядра, которые связывают атомы вместе, принимая во внимание тот факт, что степень смещения нейтронов гало из ядра атомного ядра несовместима с представлениями классической ядерной физики. .

«Мы интуитивно представляем себе атомное ядро ​​как компактную сферу, состоящую из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов», — объясняет доктор Вильфрид Нёртерсхойзер из Института ядерной химии.«На самом деле, с 1980-х годов мы знаем, что атомные ядра некоторых богатых нейтронами изотопов легчайших элементов — лития, гелия и бериллия — полностью противоречат этой концепции». Эти изотопы состоят из компактного ядерного ядра и облака, состоящего из разбавленного ядерного материала, называемого «heiligenschein» или «гало». Гало состоит в основном из нейтронов, которые очень слабо связаны с ядром ядра, «обычно имея только одну десятую обычной энергии связи нейтрона внутри ядра», — объясняет Нёртерсхойзер.

Открытие этих экзотических атомных ядер создало новую область исследований, которую Нёртерсхойзер как руководитель группы молодых исследователей, финансируемой Немецкой ассоциацией Гельмгольца, проводит с 2005 года в Университете Майнца и в Центре исследований тяжелых ионов им. Гельмгольца GSI. в Дармштадте. Измерение ядер гало чрезвычайно сложно, поскольку их можно искусственно создать только в ничтожных количествах. Кроме того, эти синтезированные ядра распадаются за секунды, в основном даже за миллисекунды.

Группе Нёртерсхойзера впервые удалось измерить радиус ядерного заряда в бериллии-11. Это ядро ​​состоит из плотного ядра с 4 протонами и 6 нейтронами и одним слабо связанным нейтроном, образующим гало. Чтобы выполнить это сверхточное лазерное спектроскопическое измерение, ученые использовали метод, разработанный 30 лет назад в Университете Майнца, но теперь впервые объединили его с самыми современными методами точного измерения частоты лазера, т.е.е., используя гребенку оптических частот.

Однако одной этой комбинации было недостаточно. Только путем дальнейшего расширения метода с использованием дополнительной лазерной системы удалось достичь нужного уровня точности. Затем этот метод был применен к изотопам бериллия на установке изотопного сепаратора на линии (ISOLDE) для пучков радиоактивных ионов в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Профессиональный журнал Physical Review Letters опубликовал эту работу в последнем номере от 13 февраля.

Измерения показали, что среднее расстояние между нейтронами гало и плотным ядром ядра составляет 7 фемтометров. Таким образом, гало-нейтрон находится примерно в три раза дальше от плотного ядра, чем самый дальний протон, поскольку само ядро ​​имеет радиус всего 2,5 фемтометра. «Это впечатляющая прямая демонстрация гало-характера этого изотопа. Интересно, что нейтрон гало таким образом находится намного дальше от других нуклонов, чем это было бы допустимо в соответствии с эффективным диапазоном сильных ядерных сил в классической модели», — объясняет Нёртерсхойзер.Сильное взаимодействие, удерживающее атомы вместе, может распространяться только на расстояние от 2 до 3 фемтометров.

Загадку, как гало-нейтрон может существовать на таком большом расстоянии от основного ядра, можно разрешить только с помощью принципов квантовой механики: в этой модели нейтрон должен быть охарактеризован в терминах так называемой волновой функция. Из-за низкой энергии связи волновая функция очень медленно падает с увеличением расстояния от ядра. Таким образом, весьма вероятно, что нейтрон может расширяться на классически запрещенные расстояния, тем самым вызывая экспансивную «хейлигеншайн».

Источник истории:

Материалы предоставлены Mainz, Universitaet . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Физики разгадывают 35-летнюю загадку, скрытую внутри атомных ядер

Вот загадочная истина, которую ученые знают с 1983 года: протоны и нейтроны ведут себя по-разному, когда они находятся внутри атома, а не свободно парят в космосе. В частности, субатомные частицы, из которых состоят эти протоны и нейтроны, называемые кварками, сильно замедляются, когда они ограничены ядром в атоме.

Физикам это очень не понравилось, потому что нейтроны остаются нейтронами независимо от того, находятся они внутри атома или нет. А протоны есть протоны. И протоны, и нейтроны (которые вместе составляют класс частиц, называемых «нуклонами») состоят из трех меньших частиц, называемых кварками, связанных вместе сильным взаимодействием.

«Когда вы помещаете кварки в ядро, они начинают двигаться медленнее, и это очень странно», — сказал соавтор исследования Ор Хен, физик из Массачусетского технологического института. Это странно, потому что мощные взаимодействия между кварками в основном определяют их скорость, тогда как силы, связывающие ядро ​​(а также действующие на кварки внутри ядра), должны быть очень слабыми, добавил Хен.

И нет другой известной силы, которая могла бы так сильно изменять поведение кварков в ядре. Тем не менее, эффект остается: физики элементарных частиц называют его эффектом ЭМС, названным в честь Европейского мюонного сотрудничества, группы, которая его открыла. И до недавнего времени ученые не знали, чем это вызвано.[Самые большие неразгаданные тайны физики]

Две частицы в ядре обычно притягиваются друг к другу силой около 8 миллионов электрон-вольт (8 МэВ), что является мерой энергии в частицах. Кварки в протоне или нейтроне связаны друг с другом примерно на 1000 МэВ. Поэтому не имеет смысла то, что сравнительно слабые взаимодействия ядра сильно влияют на мощные взаимодействия внутри кварков, сказал Хен в интервью Live Science.

«Сколько будет восемь рядом с 1000?» он сказал.

Но эффект ЭМС не выглядит легким толчком внешней силы. Хотя он варьируется от одного типа ядра к другому, «это не полпроцента. Эффект появляется из данных, как только вы достаточно креативны, чтобы разработать эксперимент для его поиска», — сказал Хен.

В зависимости от задействованного ядра видимый размер нуклонов (который зависит от их скорости) может изменяться на 10–20 процентов. Например, в ядре золота протоны и нейтроны на 20 % меньше, чем в свободном плавании.

Теоретики придумали множество различных моделей, чтобы объяснить, что здесь происходит, сказал Хен.

«Мой друг пошутил, что EMC расшифровывается как «Модель для всех — это круто», потому что казалось, что каждая модель может это объяснить, — сказал он.

Но со временем физики проводили больше экспериментов, проверяя разные модели, и одна за другой отпадали.

«Никто не мог объяснить все данные, и мы остались с большой загадкой. Сейчас у нас есть много данных, измерений того, как кварки движутся внутри самых разных ядер, и мы не можем объяснить, что происходит», — сказал он.

Вместо того, чтобы пытаться объяснить всю загадку сразу, Хен и его коллеги решили рассмотреть только один частный случай взаимодействия нейтрона и протона.

В большинстве случаев протоны и нейтроны в ядре не перекрываются друг с другом, вместо этого соблюдая границы друг друга, даже если на самом деле они представляют собой просто системы связанных кварков. Но иногда нуклоны соединяются внутри существующего ядра и начинают ненадолго физически перекрываться друг с другом, становясь тем, что ученые называют «коррелированными парами».В любой момент таким образом перекрываются около 20 процентов нуклонов в ядре.

Когда это происходит, огромное количество энергии течет между кварками, коренным образом меняя их связанную структуру и поведение — явление, вызванное сильным взаимодействием. В статье, опубликованной 20 февраля в журнале Nature, исследователи утверждали, что этот поток энергии точно объясняет эффект ЭМС. [Стандартная модель физики элементарных частиц]

Команда бомбардировала множество различных типов ядер электронами и обнаружила прямую связь между этими парами нуклонов и эффектом ЭМС.

Их данные убедительно свидетельствуют, сказал Хен, что кварки в большинстве нуклонов вообще не меняются, когда они входят в ядро. Но те немногие, кто участвует в нуклонных парах, меняют свое поведение настолько резко, что искажают средние результаты любого эксперимента. То, что множество кварков упаковано в такое маленькое пространство, вызывает драматические сильные силовые эффекты. Эффект ЭМС является результатом лишь небольшой части аномалий, а не изменения поведения всех протонов и нейтронов.

На основе данных команда вывела математическую функцию, которая точно описывает, как эффект ЭМС проявляется от одного ядра к другому.

«Они [авторы статьи] сделали предсказание, и их предсказание было более или менее подтверждено», — сказал Джеральд Фельдман, физик из Университета Джорджа Вашингтона, написавший сопроводительную статью News & Views в том же номере журнала Nature, но не участвует в исследовании.

Это убедительное доказательство того, что этот эффект сопряжения является реальным ответом на загадку EMC, сказал Фельдман в интервью Live Science.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.