9. Элементы атомной и ядерной физики

9.1. Физика атома

В конце XIX столетия атом рассматривался как неделимая, элементарная частица. Открытие электрона и явление радиоактивного распада показало, что атом является сложным образованием. Спектроскопические исследования светящихся газов подтвердили это положение.

В 1913 г. Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель атома, которая, однако, оказалась в противоречии с законами классической механики и термодинамики. Необходимо было найти новые закономерности. Это сделал Бор, положив в основу своей теории следующие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса. Этот постулат находится в противоречии с классической теорией.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией: = hν = Е₂ – Е₁, Дж,

где Е₂ и Е₁ - соответственно энергии стационарных состояний атома до и после излучения (поглощения).

Немецкие физики Франк и Герц, изучая методом задерживающего потенциала столкновение электронов с атомами газов (1913 г.), экспериментально подтвердили существование стационарных состояний и дискретность значений энергии атомов.

Теория Бора была крупным шагом в развитии теории атома. Но её слабой стороной являлось то, что она была ни последовательно классической, ни последовательно квантовой.

Только с помощью квантовой механики (уравнение Шрёдингера и др.) стало возможным ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств любых элементов.

9.2. Строение атомного ядра

Примерно через 20 лет после того, как Резерфорд «разглядел» в недрах атома его ядро, был открыт нейтрон – частица по всем своим свойствам такая же, как ядро атома водорода протон, но только без электрического заряда.

Вскоре после этого открытия Гейзенберг и Иваненко выдвинули гипотезу о том, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. На этом постулате базируется современный взгляд на строение атома.

Протоны и нейтроны называются, одним словом нуклоны. Протоны – это элементарные частицы, которые являются, например, ядрами атомов легчайшего элемента – водорода. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается Z (число нейтронов - N). Протон имеет положительный электрический заряд.

В ядре нуклоны связаны силами особого рода – ядерными. Одна из характерных их особенностей – короткодействие: на расстояниях порядка и меньше они превышают любые другие силы, вследствие чего нуклоны не разлетаются под действием электростатического отталкивания одноименно заряженных протонов. При больших расстояниях ядерные силы очень быстро уменьшаются до нуля.

9.3. Дефект массы и энергия связи ядра. Явление радиоактивности. Виды радиоактивного распада

Масса ядра определяется массой входящих в его состав нейтронов и протонов. Поскольку любое ядро состоит из Z протонов и N = A – Z нейтронов, где A – массовое число (число нуклонов в ядре), то на первый взгляд масса ядра должна просто равняться сумме масс протонов и нейтронов. Однако, как показывают результаты измерений, реальная масса ядра всегда меньше такой суммы. Их разность получила название дефекта массы Δm.

Энергия – одна из важнейших характеристик протекания любых физических процессов. В ядерной физике её роль особенно велика, поскольку незыблемость закона сохранения энергии позволяет делать достаточно точные расчёты даже в тех случаях, когда многие детали явлений остаются неизвестными.

Разорвать ядро на отдельные нуклоны можно, лишь введя в него извне каким-либо способом энергию не меньше той, что выделилась в процессе его образования. Это и есть энергия связи ядра Есв. С энергией связи непосредственно связано происхождение дефекта массы. В соответствии с формулой Эйнштейна: Е_СВ = Δmc², Дж, уменьшение энергии системы при образовании ядра на какую-то величину должно неизбежно приводить к уменьшению общей массы.

В общем виде формулу для определения дефекта массы Δm можно представить так: Δm = Z ∙ m_P + (A – Z)m_n – m_Я,

где A – массовое число, Z – число протонов, (A – Z) – число нейтронов, m_Я – масса ядра, m_Р и m_n – массы протона и нейтрона.

У каждого нуклона есть ограниченный запас возможностей взаимодействия, и если этот запас уже израсходован на связь с двумя-тремя соседними нуклонами, то остальные связи оказываются ослабленными даже на очень близких расстояниях.

Наиболее прочными являются ядра со средними массовыми числами. В лёгких ядрах все или почти все нуклоны лежат вблизи на поверхности ядра, и поэтому не в полной мере используют свои возможности взаимодействия, что несколько уменьшает удельную энергию связи. С ростом массового числа увеличивается доля нуклонов, лежащих в глубине ядра, которые свои возможности могут использовать полностью, поэтому значение удельной энергии связи постоянно увеличивается. При дальнейшем увеличении массового числа начинает всё сильнее сказываться взаимное отталкивание протонов, которое стремится разорвать ядро и поэтому уменьшает удельную энергию связи. Это приводит к тому, что все тяжёлые ядра оказываются нестабильными.

Радиоактивность – способность некоторых ядер самопроизвольно (спонтанно) превращаться в другие ядра с испусканием микрочастиц.

К радиоактивным превращениям относятся: альфа-распад, все виды бета-распада, спонтанное деление ядер и др. Существует естественная и искусственная радиоактивность. Процесс радиоактивного превращения в обоих случаях подчиняется закону радиоактивного распада:

где N₀ - количество ядер в начальный момент отсчёта (t = 0),

N - число еще не распавшихся ядер в момент времени t,

λ - постоянная радиоактивного распада.

Время, за которое распадается половина первоначального количества ядер, называют периодом полураспада T: T = ℓn2/λ = 0,693/λ