21. Модель атома Резерфорда. Какие элементарные частицы называют нуклонами? Структура атома с точки зрения современной физики.

В 1911 г. Резерфорд провел исключительные по своему значению эксперименты, доказавшие существование ядра атома. Ядерная модель атома Резерфорда Обобщая результаты опытов по рассеянию α-частиц золотой фольгой, Резерфорд установил: ♦ атомы по своей природе в значительной мере прозрачны для α-частиц; ♦ отклонения α-частиц на большие углы возможны только в том случае, если внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, создаваемое положительным зарядом, связанным с большой и сконцентрированной в очень малом объеме массой. Для объяснения этих опытов Резерфорд предложил ядерную модель атома: в ядре атома (области с линейными размерами 10-15-10-14 м) сосредоточены весь его положительный заряд и практически вся масса атома (99,9 %). Вокруг ядра в области с линейными размерами ~10-10 м (размеры атома оценены в молекулярно-кинетической теории) движутся по замкнутым орбитам отрицательно заряженные электроны, масса которых составляет лишь 0,1 % массы ядра. Следовательно, электроны находятся от ядра на расстоянии от 10 000 до 100 000 поперечников ядра, то есть основную часть атома составляет пустое пространство. Ядерная модель атомов Резерфорда напоминает солнечную систему: в центре системы находится «солнце» – ядро, а вокруг него по орбитам движутся «планеты» – электроны, поэтому данную модель называют планетарной. Электроны не падают на ядро потому, что электрические силы притяжения между ядром и электронами уравновешиваются центробежными силами, обусловленными вращением электронов вокруг ядра. В 1914 г., через три года после создания планетарной модели атома, Резерфорд исследовал положительные заряды в ядре. Бомбардируя электронами атомы водорода, он обнаружил, что нейтральные атомы превратились в положительно заряженные частицы. Так как атом водорода имеет один электрон, Резерфорд решил, что ядро атома является частицей, несущей элементарный положительный заряд +е. Эту частицу он назвал протоном. Планетарная модель хорошо согласуется с опытами по рассеиванию α-частиц, но она не может объяснить устойчивость атома. Рассмотрим, например, модель атома водорода, содержащего ядро-протон и один электрон, который движется со скоростью v вокруг ядра по круговой орбите радиуса r. Электрон должен по спирали падать на ядро, и частота его обращения вокруг ядра (следовательно, и частота излучаемых им электромагнитных волн) должна непрерывно изменяться, то есть атом неустойчив, и его электромагнитное излучение должно иметь непрерывный спектр. В действительности оказывается, что: а) атом устойчив;б) атом излучает энергию лишь при определенных условиях;в) излучение атома имеет линейчатый спектр, определяемый его строением. Таким образом, применение классической электродинамики к планетарной модели атома привело к полному противоречию с экспериментальными фактами. Преодоление возникших трудностей потребовало создания качественно новой – квантовой – теории атома. Однако, несмотря на свою несостоятельность, планетарная модель и сейчас принята в качестве приближенной и упрощенной картины атома. Таким образом, гипотеза Резерфорда о сосредоточении положительного заряда в ядре атома позволила установить физический смысл порядкового номера элемента в периодической системе элементов. В нейтральном атоме должно содержаться также Z электронов. Существенно, что число электронов в атоме, определенное различными методами, совпало с числом элементарных положительных зарядов в ядре. Это послужило проверкой справедливости ядерной модели атома.

22. Содержание понятия «элементарная частица» в современной физике. Свойства элементарных частиц. Характеристика новых элементарных частиц - кварков.

В настоящее время открыто более 350 микрочастиц. Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие,далее ни на что не разложимые частицы,лежащие в основе любых материальных образований. Основные характеристики: масса, заряд, среднее время жизни, спин, квантовые числа. Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. -фотоны –не имеющие массы покоя; -лептоны – легкие частицы (электрон,нейтрино); -мезоны – средние частицы с массой в пределах от1 до1000 масс электрона; -барионы – тяжелые частицы,чья масса превышает 1000 масс электрона и в состав которых входят протоны,нейтроны,гипероны и многие резонансы. Электрический заряд может быть положительным,отрицательным или нулевым.Каждой частице,кроме фотона и двух мезонов,соответствуют античастицы с противоположным зарядом. По времени жизни делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные: фотон,две разновидности нейтрино,электрон и протон (играют важнейшую роль в структуре макротел).Все остальные частицы нестабильные,существуют около 10 в –10 – 10 в –24 с,после чего распадаются.Резонансы – элем.частицы со средним временем жизни 10 в –23 – 10в-22 с,распадаются до того ,как успеют покинуть атом или ядро. Спина, или собственного момента количества движения микрочастиц, и понятием квантовых чисел. –фермионы (кварки и лептоны),составляют вещество. -бозоны (кванты полей – фотоны,векторные бозоны,глюоны,гравитино и гравитоны),переносят взаимодействие. Считаются истинно элементарными,т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы считаются условно элементарными,т.е. составные частицы,образованные из кварков и квантов полей. Различают 4 вида фундаментальных взаимодействий: 1)сильное –происходит на уровне атомных ядер,действует на расстоянии 10в-13см. 2)электромагнитное – слабее сильного, но дальнодействующее, носитель – фотон. 3)слабое – возможно между различными частицами и связано главным образом с распадом. 4)гравитационное – сила тяготения,расстояние бесконечно. Все 4 взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Кварки являются точечными частицами вплоть до масштаба примерно 0,5·10−19 м, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон Открытие новых элементарных частиц - кварков - Протоны состоят из еще более мелких частиц, которые впервые исследовал американский физик-теоритик Гелл-Манн и назвал их кварками. Предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u- кварк, d - кварк, странный кварк. очарованный кварк, b- кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый и синий. Это просто обозначение, т. к. размер кварков значительно меньше длины волны видимого света и поэтому цвета в обычном смысле слова у них нет. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.