lecture-6

Открытие

радиоактивности

В1896 году, экспериментируя с солями урана, А. Беккерель обнаруживает естественную радиоактивность - регистрирует засветку фото-пластинок неизвестным до этого момента видом лучей, обладающих высокой проникающей способностью.

Вдальнейших исследованиях с участием Э. Резерфорда и супругов Марии и Пьера Кюри было изучено действие на это излучение магнитного поля. Оказалось, что излучение представляет собой смесь «лучей». П. Кюри обнаружил, что при действии магнитного поля на излучение радия одни лучи отклоняются, а другие нет. На тот момент уже было известно, что магнитное поле отклоняет только заряженные летящие частицы, причем положительные и отрицательные в разные стороны. Опыты показали, что между катодными и бета-лучами нет принципиальной разницы, откуда следовало, что они представляют собой поток электронов. Чуть позднее было показано, что излучение также содержит и положительные альфа-частицы, оказавшиеся ядрами гелия, и нейтральные гамма-лучи.

Опыты Резерфорда

В 1911 г. ученик Томсона Э. Резерфорд доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из маленького положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Резерфорд пришел к этому выводу, изучая, как отклоняются альфа-частицы при столкновениях с атомами.

Модель атома Резерфорда из-за внешнего сходства с Солнечной системой получила название планетарной.

Детали строения атома и физические закономерности, их определяющие, стали уточняться по мере накопления опытных данных и развития квантовой механики.

Законы радиоактивного распада

- количество атомов распадающегося элемента убывает с течением времени экспоненциально. Величина λ определяет характерное время распада.

В 1913 году были сформулированы (Содди) правила превращения элементов:

1)испускание альфа-частиц уменьшает атомную массу элемента на 4 и смещает его на два места влево по периодической таблице

2)испускание бета-частицы смещает элемент вправо на одно место, почти не меняя атомной массы.

Так было показано, что химические свойства элементов связаны не с

атомной массой, а с внутриатомным электрическим зарядом.

В 1913 году Содди пришел к выводу и показал, что в одной клетке периодической таблицы могут быть элементы с разной атомной массой, но обладающие одним зарядом ядра и одинаковыми свойствами – их назвали изотопами. Появились все основания предполагать (хотя пока бездоказательно), что

ядра атомов также имеют внутреннюю структуру.

Открытие субъядерных частиц

Первая субъядерная частица была обнаружена в опытах Резерфордом и Марсденом в 1919 г. в виде положительных ионов водорода, названных протонами. Протон (как и водород, чьим ядром он является) оказался чрезвычайно стабильной частицей.

Следующим шагом к пониманию структуры атомного ядра стало обнаружение в 1932 г. Джеймсом Чедвиком (за это он был удостоен Нобелевской премии), коллегой Резерфорда, еще одного сорта частиц - нейтронов. Их масса почти равна массе протона, но электрический заряд равен нулю. Кроме того, нейтроны в свободном состоянии нестабильны и распадаются в среднем за 11,7 мин.

Еще в 1930 г. В.А. Амбарцумян и Д.Д. Иваненко и независимо от них П. Дирак высказали идею, что электронов в ядре вообще нет, как предполагал Резерфорд. После открытия нейтронов в 1932 г. Иваненко (и независмо В. Гейзенберг) предположил, что ядра состоят только из протонов и нейтронов. Эта гипотеза вскоре была подтверждена исследованиями ядерных превращений. Протоны и нейтроны как основу строения ядра стали называть нуклонами.

В 1928 г П. Дирак предложил уравнение для описания релятивистской квантовой механики электрона. Согласно его решению существует частица аналогичная электрону, но имеющая положительный электрический заряд.

Эта частица была открыта в 1932 г. американским физиком К. Андерсоном при наблюдении космического излучения и была им названа «позитрон». Он обнаружил следы частиц, которые очень напоминали следы электронов, но имели изгиб под действием магнитного поля, противоположный следам электронов, что свидетельствовало о положительном заряде обнаруженных частиц.

Позитрон был первой открытой частицей из целого класса частиц, которые получили название античастиц.

Античастица — частица-двойник другой элементарной частицы, обладающая той же массой (и тем же спином), но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия, например, электрического заряда.

В естественных условиях античастицы рождаются при взаимодействии первичных космических лучей с веществом, например, с атмосферой Земли. Однако рождение всегда происходит парой — частица+античастица. Также происходит обратный процесс — аннигиляция, т.е. превращение пары частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных, чаще всего в γ-кванты и нейтрино.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Возможны как спонтанные, так и превращения при столкновениях частиц.

Именно это свойство навело на мысль, что некоторые нестабильные частицы также имеют структуру, т.е. в полном смысле этого слова элементарными не являются.