2

РЕФЕРАТ

История взглядов на строение атома и ядра

Содержание

• Введение 3
• 1. Строение ядра 4
• 2. Открытие атомного ядра 4
• 3. Теория атома 6
• 4. Расщепление ядра 14
• 5. Протонно-нейтронная модель ядра 16
• 6. Строение атома 17
• 7. Энергия связи ядер. Дефект массы 18
• 8. Влияние многоэлектронного атома в магнитном поле 21
• 9. Существование отдельных многоэлектронных атомов 24
• Заключение 27
• Список литературы 28

Введение

Изучение ядра вынуждает заниматься элементарными частицами. Причина этого ясна: в ядрах атомов частиц так мало, что свойства каждой из них в отдельности не усредняются, а, напротив, играют определяющую роль.

Исследования радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории - с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда - Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

Правда, это не естественные магниты, а «электромагниты», т.е. железные массы, намагниченные электрическим током, проходящим по окружающей их обмотке. Но в обоих случаях действует сила одной и той же природы - магнетизм. Вещества, притягивающие железо, были известны человечеству более 2000лет назад.

Они получили название магнитов. Постоянный магнит в форме тонкой полоски, расположенный на плавающей в воде деревянной дощечке, поворачивается одним концом в направлении Северного полюса Земли, а другим - в направлении Южного. Поэтому концы магнита так и называются северным и южным полюсами. Это наблюдение привело к созданию компаса. Первые компасы появились в Китае.

В Европе компасом стали пользоваться с XII в. В 1600г. английский физик У. Гильберт опубликовал большой труд «О магните», в котором описал множество проведенных за 18 лет опытов Он первым пришел к заключению, что Земля сама является большим магнитом.

Казалось, что магнетизм и электричество - две разные области, не имеющие между собой ничего общего. Дальнейшее развитие научных знаний показало тесную связь электрических и магнитных явлений, а созданная Максвеллом теория позволила единым образом описать все электромагнитные явления.

1. Строение ядра

В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д. Томсону. Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся “планеты” - электроны.

При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны. В атоме Томсона положительное электричество “распределено” по сфере, в которую вкраплены электроны.

В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном.

Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И. Менделеева.

Позднее Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были открыты Резерфордом. В первую очередь следует отметить открытие ядерного строения атома.

2. Открытие атомного ядра

Уподобление атома планетной системе делалось еще в начале XX века. Но эту модель было трудно совместить с моделями электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 году начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели.

При изучении a-частиц Резерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание a-частиц не может давать больших углов отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели. 7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад “Рассеяние a и b-лучей и строение атома”.

В докладе он, в частности, говорил: “Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве a и b-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала”.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ±Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. “Точное значение заряда центрального ядра не было определено,- писал Резерфорд, - но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда”.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Бор писал: ”С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра.

Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом...”

После знакомства с Резерфордом Бор, отказавшись от изучения электронной модели, начал работу в его группе. Обратившись к планетарной модели, Бор создал на ее основе теорию атома Резерфорда-Бора. Резерфорд понял революционный характер идей Бора и обсудил с ним основы этой теории, высказал критические замечания, после чего статьи Бора были опубликованы.

Во время Первой Мировой войны Бор продолжает работать в лаборатории Резерфорда. В 1915 году он опубликовал работы “О сериальном спектре водорода” и “О квантовой теории излучения в структуре атома”. В 1916 году была опубликована статья Зоммерфельда, где он рассмотрел движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщил правила квантования Бора. Бор с восторгом отозвался об этой статье.

3. Теория атома

Теория атома после открытий Зоммерфельда стала называться теорией Бора - Зоммерфельда. В 1936 году Бор выступил со статьей “Захват нейтрона и строение ядра”, в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Странно, но ни Бор, ни другие не могли сразу предсказать деление ядра, подсказываемое капельной моделью, пока в начале 1939 г. не было открыто деление урана.

Бор, как и Томсон до него, ищет такое расположение электронов в атоме, которое объяснило бы его физические и химические свойства. Бор берет за основу модель Резерфорда. Ему также известно, что заряд ядра и число электронов в нем, равное числу единиц заряда, определяется местом элемента в периодической системе элементов Менделеева. Таким образом, это важный шаг в понимании физико-химических свойств элемента.

Но остаются непонятными две вещи: необычайная устойчивость атомов, несовместимая с представлением о движении электронов по замкнутым орбитам, и происхождение их спектров, состоящих из вполне определенных линий. Такая определенность спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность, очевидно, как-то связана со структурой атома.

Все это трудно увязать с универсальностью электрона, заряд и масса которого не зависят от природы атома, в состав которого они входят. Устойчивость атома в целом противоречит законам электродинамики, согласно которым электроны, совершая периодические движения, должны непрерывно излучать энергию и, теряя ее, “падать” на ядро.

К тому же и характер движения электрона, объясняемый законами электродинамики, не может приводить к таким характерным линейчатым спектрам, которые наблюдаются на самом деле.

Линии спектра группируются в серии, они сгущаются в коротковолновом “хвосте” серии, частоты линий соответствующих серий подчинены странным арифметическим законам. “Основным результатом тщательного анализа видимой серии линейчатых спектров и их взаимоотношений, - писал Бор, - было установление того факта, что частота u каждой линии спектра данного элемента может быть представлена с необыкновенной точностью формулой u = Tґ - Tґґ, где Tґ и Tґґ - какие-то два члена из множества спектральных элементов Т, характеризующих элемент”.

Бору удалось найти объяснение этого основного закона спектроскопии. Но для этого ему пришлось ввести в физику атома представления о стационарных состояниях атомов, находясь в которых электрон не излучает, хотя и совершает периодическое движение по круговой орбите.

История создания теории Бора не ограничивается тем кратким промежутком с 1912 года, когда он познакомился с Резерфордом и результата ми его исследований. Исследования которые привели Бора к его квантовой теории атома начались гораздо раньше с исследований оптических спектров и других явлений, связанных со строением вещества.

В конце XIX в. были открыты рентгеновские лучи (1895 - Вильгельм Конрад Рентген, впоследствии первый лауреат Нобелевской премии по физике), радиоактивность (1896 - Анри Беккерель), электрон (1897 - Томсон).

Рентген к своему открытию пришел в результате систематических поисков излучения, которое было бы способно проникать сквозь вещества, непрозрачные для обычного света.

Рентген работал с разрядной трубкой, в которой был достигнут довольно высокий вакуум. Для обнаружения излучения он пользовался флуоресцирующим экраном, покрытым платиносинеродистым барием. При излучении достаточно коротких волн он наблюдал свечение экрана, которое продолжалось и в том случае, когда разрядная трубка полностью закрывалась бумагой. В своем первом сообщении от 28 декабря 1895 года Рентген писал, что при достаточном затемнении флуоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки и что причины флуоресценции исходят именно от разрядной трубки, а не от какого-нибудь места проводника.

Опыты показали, что свечение вызывается особыми лучами, названые Рентгеном Х - лучами, которые проходят через бумагу, дерево, картон. Рентген обнаружил также, что эти лучи действуют на фотографическую пластинку, вызывая ее почернение. При возрастании плотности тел уменьшается их прозрачность в отношении рентгеновских лучей. Прозрачность мала у элементов с большим атомным весом.

Попытки Рентгена получить отражение и преломление рентгеновских лучей не увенчались успехом. Также не увенчались успехом первые попытки его и других исследователей обнаружить интерференцию, дифракцию и поляризацию рентгеновских лучей. Опыты Рентгена по отклонению лучей в магнитном поле привели к отрицательному результату. Возникла проблема какова же природа рентгеновских лучей?

В 1899 г. Хага и Винд, а затем в 1909 г. Вальтер и Поль пытались определить длину волны этих лучей по дифракции на очень узкой щели. Они фотографировали рентгеновскими лучами узкую клиновидную щель. Хотя ширина щель измерялась всего несколькими микронами, расширения изображения щели, которое указывало бы на дифракцию щели, достоверно обнаружить не удалось.

В феврале 1912 года П. Эвальд обратился к Лауэ с вопросом, о поведении световых волн в пространственной решетке из поляризующихся атомов. При обсуждении Лауэ пришла мысль, что если атомы образуют пространственные решетки, то должны наблюдаться явления интерференции, подобные световой интерференции.

В феврале 1912 г. два ученика Рентгена Фридрих и Книппинг, по предложению Лауэ поставили опыт по дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Опыт состоял в следующем. При помощи ряда свинцовых диафрагм выделяли узкий пучок рентгеновских лучей. Этот пучок падал на тонкий кристалл цинковой обманки. Пройдя сквозь кристалл, рентгеновские лучи попадали на фотопластинку. Пластинка была поставлена перпендикулярно начальному направлению лучей. После проявления на пластинке получалось интенсивное центральное пятно и ряд правильно расположенных пятнышек. Было наглядно доказано, что кристаллы являются подходящей дифракционной решеткой для рентгеновских лучей.

Это открытие позволило исследовать с большей точностью спектры рентгеновских лучей, что сыграло важную роль в создании теории Бора. Макс Лауэ разработал простую математическую теорию, которая позволила сравнить длину волны рентгеновских лучей с постоянной решетки кристалла. Абсолютная величина длинны волны, в теории Лауэ, не определялась. У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг и одновременно с ними Г. В. Вульф дали объяснения диаграммам Лауэ и разработали метод абсолютного измерения длины волны рентгеновских лучей. Основная мысль принадлежала Брэггу - сыну. Брэгги стали исследовать не прохождение рентгеновских лучей через кристаллическую пластинку, а отражение их от поверхности пластинки. Бор писал, что самой важной новой информацией на Сольвеевском конгрессе в 1913 году была информация об открытии дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, сделанном Лауэ в 1912 году.

Опыты Рентгена привлекли к себе внимание Анри Беккереля, много занимавшегося фосфоресценцией. В начале 1896 г., в тот самый день, когда в Париже стало известно об опытах Рентгена, Беккерель решил проверить, не испускают ли рентгеновские лучи всякое фосфоресцирующее вещество. Опыты не подтвердили его предположения, но он произвел следующий опыт. Фотографическая пластинка с бромжелатиновой эмульсией была завернута в слой черной бумаги. Плоский кристалл сернокислой соли урана был положен сверху. Когда пластинку проявили, на ней был обнаружен черный отпечаток фосфоресцирующего кристалла. Поместив между фосфоресцирующим веществом и бумагой монеты, Беккерель обнаружил на пластинке изображение. Он заключил, что взятое им фосфоресцирующее вещество испускает излучение, проникающее через светонепроницаемую бумагу и действующее на соли серебра.

После того, как Беккерель установил, что источником открытых им лучей является уран, естественно возник вопрос о том, не существуют ли другие химические элементы, обладающие такими же свойствами. В 1898 г. открытие Беккереля привлекло к себе внимание Г. Шмидта в Германии и М. Кюри во Франции. Кюри исследовала на радиоактивность различные минералы. Некоторые из них оказались радиоактивными, в том числе урановая смоляная обманка, хальколит, отенит и другие. Эти минералы содержат или уран или торий.

Бор многократно обращался к оценке работ М. Кюри. Он полагал, что решающий прогресс в атомной физике стал возможным благодаря порази- тельному открытию радиоактивности некоторых элементов, в истории которого замечательной вехой явилось выделение радия Марией Кюри.

Для рассматриваемого периода существенную роль сыграли работы Дж. Дж. Томсона. Исследуя прохождение электрического тока сквозь разряженные газы, Томсон в 1897 г. показал, что отношение электрического заряда к массе (е/m) для частиц - носителей катодных лучей (электронов) во много раз больше, чем для ионов водорода при электролизе. На основании полученного отношения e/m он высказал гипотезу, что в катодных лучах электрические заряды переносятся «корпускулами», размер и массы которых во много раз меньше размеров атома водорода.

В 1898 г. Томсон определил заряд «корпускулы» и нашел его равным заряду иона водорода при электролизе. Впервые Томсон сделал вывод о существовании элементарной частицы, названой электроном.

Оптические и рентгеновские спектры, модели атома, учение Планка об излучении - основные вехи на пути создания теории атома Бора. До теории атома Бора было выдвинуто много различных гипотез относительно строения атомов («модели атома»). В 1902 г. Вильям Томсон (Лорд Кельвин) предположил, что атом имеет вид сферы, равномерно наполненной положительным электричеством. Внутри сферы находится такое число электронов, которое эквивалентно заряду самого шара. Дж. Дж. Томсон широко разработал и усовершенствовал модель атома Вильяма Томсона. Он изучил условия равновесия различных групп электронов внутри сферы с положительным зарядом. Электроны, находящиеся внутри положительного шара, должны совершать гармонические, колебательные движения, вызывая, тем самым, испускание атомами лучистой энергии, которое дает резкие спектральные линии.

Бор придавал большое значение стремлению Дж. Дж. Томсона объяснить периодическую систему исходя из устойчивости различных электронных конфигураций. Он писал: «Со времени знаменитой попытки Дж. Дж. Томсона истолковать периодическую систему на основании исследования устойчивости различных электронных конфигураций идея о разделении электронов в атоме на группы стала исходным пунктом и более новых воззрений. Предположение Томсона, о распределении положительного заряда в атоме, оказалась несовместимо с опытными результатами, полученными на основании изучения радиоактивных веществ. Тем не менее, эта работа содержит много оригинальных мыслей, и оказала большое влияние на дальнейшее развитей атомной теории».

Вместе с тем Бор отметил, что объяснение спектральных законов не удавалось согласовать с оценкой числа электронов в атоме, произведенной Дж. Дж. Томсоном из наблюдения рассеяния рентгеновских лучей, использую при этом классическую теорию.

Бор особенно ценил Дж.Дж. Томсона за то, что в те времена, когда многие физики скептически относились к существованию атомов, Томсон начал исследование внутриатомного мира. Существенно для Бора было то, что из общих идей Томсона о соотношении между числом электронов и местом элемента в периодической таблице следовало обобщение, что для любого элемента число электронов вне ядра в нейтральном атоме определяется атомным номером, указывающим положение элемента в таблице Менделеева.

Решающими, однако, для возникновения теории атома Бора были работы Резерфорда и Планка. В 1895 г. в Кавендишскую лабораторию пришел Резерфорд. Первое время он продолжал начатые им ранее работы по приему электромагнитных волн и совершенствовал свой магнитный детектор. Затем он приступил к работе по ионизации газов рентгеновскими лучами. В сентябре 1898 г. Резерфорд переехал в Монреаль, где стал изучать радиоактивные свойства урана и тория. С января 1901 г. Резерфорд работает вместе с Фредериком Соди. Ими было обнаружено, что радиоактивность сопровождают такие превращения, при которых возникают новые элементы. Они показали, что радиоактивность есть атомное явление, связанное с химическими превращениями, в результате которых появляются новые элементы.

Об этом периоде Бор писал, что благодаря экспериментальным открытиям в области радиоактивности положение с изучением составных частей атома значительно изменилось. Изучение прохождения частиц, испускаемых радиоактивными веществами, привело Резерфорда к мысли о ядерном строении атома. Он предположил, что в атоме имеется ядро, заряженное положительным электричеством. Это ядро очень мало по сравнению с размерами всего атома, однако, в нем сосредоточена большая часть массы атома. Вокруг ядра движется строго определенное число электронов.

Бор многократно обращался к оценке деятельности Резерфорда. В 1913 г. в статье «Теория торможения заряженных частиц при прохождении через вещество» он анализировал работу Резерфорда 1911 г., посвященную теории рассеяния - частиц веществом. Бор писал, что в соответствии с теорией рассеяния -частиц веществом, развитой Резерфордом, предполагается, что:

1) атомы вещества состоят из облаков электронов и ядра;

2) электроны удерживаются силами притяжения к ядру;

3) ядро обладает положительным зарядом, равным сумме отрицательных зарядов электронов;

4) на ядро приходится основная часть массы атома;

5) Размеры ядра малы по сравнению с размерами атома;

6) -частица есть ядро атома гелия.

Расчеты Резерфорда навели Бора на мысль, что очень быстрый электрон, пролетающий через атом и сталкивающийся со связанными электронами, теряет свою энергию определенными конечными порциями - квантами. Рассматривая столкновение между свободным и связанным электроном, Бор заключил, что связанный электрон не может приобрести энергию меньшую, чем разность энергий между двумя последовательными стационарными состояниями, а, следовательно, свободный электрон, сталкиваясь с ним, не может терять меньшее количество энергии.

В то время Бор считал, что необходимым следствием теории атома Резерфорда является внутриядерное происхождение частиц и что быстрые частицы испускаются ядром.

4. Расщепление ядра

В 1919 году Резерфордом было сделано новое сенсационное открытие - расщепление ядра. Резерфорд изучал столкновение a-частиц с легкими атомами. Столкновения a-частицы с ядрами таких атомов должны их ускорять. Так, при ударе a-частицы о ядро водорода оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза, и ядро отбирает у a-частицы 64% ее энергии.

Прибор, применявшийся Резерфордом для излучения таких столкновений, представлял собой латунную камеру длиной 18 см, высотой 6 см и шириной 2 см. Источником a-частиц служил металлический диск, покрытый активным веществом.

Диск помещался внутри камеры и мог устанавливаться на разных расстояниях от экрана из сернистого цинка. Камера могла заполняться различными газами. В частности, ее заполняли азотом.

С помощью многочисленных опытов Резерфорд показал, что в результате таких столкновений получаются частицы с максимальным пробегом, таким же, как у Н-атомов. “Из полученных до сих пор результатов, - писал Резерфорд, - трудно избежать заключения, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении a-частиц с азотом, являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой 2.

Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой a-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть атома”.

Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быстрых a-частиц и впервые высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер атомов. Впоследствии Резерфорд предложил термин “протон” для этой составной части ядра.

Резерфорд заканчивал свою статью словами: “Результаты в целом указывают на то, что если a-частицы или подобные им быстро движущиеся частицы со значительно большей энергией могли бы применяться для опытов, то можно было бы обнаружить разрушение ядерных структур многих легких атомов”.

В 1920 году Резерфорд в лекции “Нуклеарное строение атома” делает предположение о том, что существуют ядра с массой 3 и 2 и ядра с массой ядра водорода, но с нулевым зарядом. При этом он исходил из гипотезы, высказанной впервые М. Склодовской-Кюри, что в состав ядра входят электроны.

Резерфорд пишет, что ему “кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом.

Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне возможными”. Так была высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого изотопа водорода.

5. Протонно-нейтронная модель ядра

В 1932 году Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Резерфорд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона.

В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона.

По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили об открытии ими нового вида радиоактивности. Им удалось доказать методом камеры Вильсона, что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их a-частицами полония.

Жолио и Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных электронов. Они впервые искусственно вызвали радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе и были награждены за это выдающееся открытие Нобелевской премией.

На сегодняшний день теория атомного ядра получила дальнейшее развитие, и в следующей главе рассматривается ее актуальное состояние.

6. Строение атома

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы - нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

Зарядом ядра называется величина Ze, где е - величина заряда протона, Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева, равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z=1 до Z=107. Для всех ядер, кроме и некоторых других нейтронодефицитных ядер NіZ, где N - число нейтронов в ядре. Для легких ядер N/Z»1; для ядер химических элементов, расположенных в конце периодической системы, N/Z»1,6.

Число нуклонов в ядре A=N+Z называется массовым числом. Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону - нулевое значение А.

Ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами. Ядро химического элемента X обозначается, где Х - символ химического элемента. Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 1017 кг/м3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра Рmяд в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон mяд:

Здесь е - абсолютная величина заряда электрона, mp - масса протона, с - электродинамическая постоянная. Ядерный магнетон в  раз меньше магнетона Бора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов.

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

7. Энергия связи ядер. Дефект массы

Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от их свободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрах имеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое сильное ядерное взаимодействие - притяжение - обеспечивающее устойчивость ядер, несмотря на отталкивание, одноименно заряженных протонов.

Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если Wсв - величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с массой Mяд образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с массой mn, то Dm=Zmp+(A-Z)mn-Mяд. Вместо массы ядра Мяд величину Dm можно выразить через атомную массу Мат: Dm=ZmН+(A-Z)mn-Mат, где mH - масса водородного атома. При практическом вычислении Dm массы всех частиц и атомов выражаются в атомных единицах массы. Дефект массы служит мерой энергии связи ядра: Wсв=Dmс2=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд]с2 Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

Удельной энергией связи ядра wсв называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон: wсв=. Величина wсв составляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А=const).

Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы, не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.

Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах.

Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития.

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

Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений.

Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.

Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов a-частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов.

Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват. Первые два типа превращения состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (электронное нейтрино).

Эти процессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой: нейтрона в протон или протона в нейтрон. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое.

Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b± -захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением. Распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.

8. Влияние многоэлектронного атома в магнитном поле

После изобретения в 1800 г. источника постоянного тока возможности экспериментаторов значительно расширились. Первое фундаментальное открытие было сделано в 1820г. датским физиком Г.Х. Эрстедом (1777-1851).

Убежденный в том, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны, он хотел выяснить, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит. В феврале 1820г. Эрстед показывал студентам тепловое действие тока.

Рядом с проводником случайно оказался компас. При включении тока стрелка отклонилась от первоначального положения. В этом эффекте Эрстед увидел подтверждение своих идей. Описание опыта вышло в свет 21 июля 1820г. Этот простой опыт произвел сильное впечатление на современников и положил начало новой области физики - электродинамике.

Дальнейшие исследования развивались стремительно. 11 сентября 1820г. опыт был показан на заседании Французской академии наук. Академики спокойно разошлись, и только один из них - А.М. Ампер - поспешил заказывать приборы для проведения новых опытов. Он был уверен, что они должны были подтвердить его догадки, сводящие магнетизм к чисто электрическим явлениям.

Все считали, что ток, проходя по проводник, превращает его в магнит, который и заставляет отклоняться стрелку компаса. Ампер высказал гениальную мысль: магнит представляет совокупность токов, движущихся по замкнутым контурам; отклонение стрелки вызвано взаимодействием токов. 25 сентября он демонстрирует новый эффект: два незаряженных параллельных провода, по которым текут одинаково направленные токи, притягиваются друг к другу.

На каждый из проводников действует сила, зависящая от величины силы тока и расстояния между проводами. При перемене направления одного из токов силы притяжения сменяются силами отталкивания. В новой серии опытов спирали, по которым пропускали ток, вели себя подобно магнитам. Новую область знаний о явлениях, обусловленных протеканием токов, Ампер назвал электродинамикой.

Открытие явлений электромагнетизма оказало влияние не только на развитие науки, но и техники. В том же году Д. Арго изобрел электромагнит. В 1821г. Фарадею удалось осуществить вращение проводника с током в магнитном поле. Это был первый электродвигатель. Ампер предложил использовать отклонение электромагнитной стрелки для передачи сигналов в электромагнитном телеграфе.

Исследования природы подобных явлений проводились и в нашей стране. Так, например, исследования, проведенные русским физиком А.А. Эйхенвальдом в 1901г., показали, что если заряженное тело покоится относительно наблюдателя, то вокруг этого тела существует электрическое поле. Если же оно движется относительно наблюдателя, то возникает магнитное поле, которое вызывает отклонение легкоподвижной магнитной стрелки.

Аналогичное действие на магнитную стрелку оказывает и проводник с током. Если по прямому проводнику, расположенному по магнитному меридиану, а направлении к север-юг, пропустить ток, то расположенная под ним магнитная стрелка отклонится. Если поместить стрелку над проводником, то стрелка отклонится в другую сторону. Согласно теории близкодействия, взаимодействие неподвижных электрических зарядов осуществляется посредством электрического поля. Проводники с током электрически нейтральны.

Но, пропустив по двум параллельным проводникам ток, мы увидим, что проводники, по которым токи текут в одном направлении, притягиваются, а проводники, по которым токи текут в противоположных направлениях, отталкиваются. Взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным.

Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами. Причиной возникновения сил магнитного взаимодействия является магнитное поле, которое появляется вокруг проводника с током.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Термин «магнитное поле» в 1845г. ввел М. Фарадей.

Экспериментальным доказательством реальности магнитного и электрического полей является факт существования электромагнитных волн. Магнитное поле, как и электрическое, является частным проявлением единого электромагнитного поля.

Характерной отличительной особенностью электрического поля является способность действовать на неподвижные заряды. Главное свойство магнитного поля заключается в том, что оно действует на движущиеся заряды (электрический ток).

Неподвижные заряды не создают магнитного поля. Только движущиеся заряды (электрический ток) и постоянные магниты создают магнитное поле. При изучении взаимодействия постоянных магнитов было установлено: постоянные магниты имеют два полюса: северный и южный; одноименные полюсы отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются.

Это наводило на мысль о существовании «магнитных зарядов» в природе. Если бы магнитные заряды существовали в природе, то их можно было бы разделить подобно электрическим, т.е. получить постоянный магнит только с одним полюсом. Однако если разделить магнит на две половины, то каждая часть снова будет иметь два полюса.

Процесс деления можно продолжать сколько угодно, и каждый полученный маленький кусочек магнита будет представлять собой магнит с двумя полюсами. Позднее было доказано, что даже электроны, протоны, нейтроны ведут себя подобно крошечным магнитам.

9. Существование отдельных многоэлектронных атомов

Если отдельные тела можно зарядить положительно или отрицательно, так как существует элементарный электрический заряд, то никогда нельзя отделить северный полюс магнита от южного. Таким образом, нет оснований считать, что в природе существуют отдельные магнитные заряды.

Эта мысль была высказана Ампером в гипотезе об элементарных электрических токах. Согласно гипотезе Ампера, внутри атомов и молекул вещества циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи расположены хаотически по отношению друг к другу, то их действие взаимно компенсируется и никакими магнитными свойствами тело не обладает.

В намагниченном состоянии (например, в постоянных магнитах) элементарные токи ориентированы определенным образом. Следовательно, магнитные свойства любого тела объясняются замкнутыми электрическими токами внутри него, т.е. магнитное взаимодействие - это взаимодействие токов.

Результаты опытов Ампера и последующих многочисленных исследований можно сформулировать следующим образом. Способность магнитного поля вызывать появление механической силы, действующей на какой-либо элемент тока, можно количественно описать, задавая в каждой точке поля некоторый вектор В.

Вектор В называется магнитной индукцией и является основной характеристикой магнитного поля. Подобно тому, как электрические поля графически изображаются с помощью электрических силовых линий, магнитные поля изображаются с помощью линий магнитной индукции (или магнитных силовых линий).Линии магнитной индукции - это линии, касательные к которым в данной точке совпадают по направлению с вектором В в этой точке.

Линии магнитной индукции можно сделать «видимыми» с помощью железных опилок. Если на стеклянную пластинку, через которую пропущен прямой проводник с током, насыпать железных опилок и слегка постучать по пластинке, то железные опилки расположатся вдоль силовых линий. Из опытов следует, что линии магнитной индукции прямого проводника с током представляют концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной току.

Центр этих окружностей находится на оси проводника. С помощью железных опилок можно получить изображение линий магнитной индукции проводников с током любой формы. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами. Это отличает их от линий напряженности электростатического поля.

Такие поля называют вихревыми в отличие от потенциальных, примером которых является электростатическое поле. Направление линий магнитной индукции связано с направлением тока в проводнике. Направление силовых линий магнитного поля, создаваемого проводником с током, определяется по правилу буравчика (если правовинтовой буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки буравчика совпадет м направлением линий магнитной индукции).

Одним из проявлений магнитного поля является его силовое воздействие на движущиеся электрические заряды и проводники с током. В 1820г. А. Ампером был установлен закон, определяющий силу, действующую на элемент тока в магнитном поле.

Заключение

Итак, так как создать обособленный элемент нельзя, то Ампер изучал поведение подвижных проволочных замкнутых контуров различной формы. Им было установлено, что на проводник с током помещенный в однородное магнитное поле индукции В, действует сила, пропорциональная длине отрезка проводника L, силе тока I, протекающего по проводнику, и индукции магнитного поля В.

Впоследствии этот вывод получил название закона Ампера. Используя закон Ампера, можно вычислить силу, действующую на проводник с током в магнитном поле. Движущиеся электрические заряды создают вокруг себя магнитные поля, которые распространяются в вакууме со скоростью света с.

Если же заряд движется во внешнем магнитном поле, то происходит силовое взаимодействие магнитных полей, определяемое по закону Ампера. Процесс взаимодействия магнитных полей исследовался Лоренцем, который вывел формулу для расчета силы действующей со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу.

Данная сила получила название силы Лоренца.

Таким образом, магнитное поле обладает следующими свойствами: 1) Действует на движущиеся заряды (электрический ток) - основное свойство, 2)Непрерывное, 3)Вихревое, 4)Ослабевает при удалении от источника, 5)Существует вокруг постоянных магнитов, Земли, проводников с током, 6)Основная характеристика: магнитная индукция.

Список литературы

1. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. // М., Наука, 1983 г.

2. Кудрявцев П.С. Курс истории физики. // М., Просвещение, 1982 г.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. // М., Наука, 1990 г.

4. Павленко Ю.Г. Физика. Учебное пособие. М.,1998г.

5. Дмитриева В.Ф. Физика. М., 1993г.

6. Перельман Я.И. Занимательная физика, кн.2. Чебоксары,1994г.

7. Савельев И.В.. Курс общей физики, т.2. М.,1982г.

8. Сивухин Д.В.. Общий курс физики, т.3. М., 1977г.