Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Проблема строения атомного ядра⇐ ПредыдущаяСтр 11 из 11
1. Открытие протона. В 1919 г. Эрнст Резерфорд впервые осуществил искусственное превращение ядер азота. Схема установки показана на рис. 132. Альфа-активный препарат полоний наносился на держатель Д внутри кюветы К. Сцинтилляции α -частиц могли наблюдаться на стеклянной пластинке Пл с порошком ZnS через микроскоп М. Альфа-частицы имеют энергию 7,58 МэВ и длину пробега в воздухе при нормальном давлении около 7 см. Держатель Д был установлен на таком расстоянии от пластинки Пл, что при пониженном давлении газа в кювете α -чатисцы могли доходить до пластинки Пл и вызывать на ней сцинтилляции. При нормальном и повышенном давлении α -частицы до пластинки Пл не доходили. Кювета заполнялась разными газами, после чего наблюдались сцинтилляции α -частиц при малых давлениях и их исчезновение с ростом давления. При заполнении кюветы азотом N 2 на пластинке Пл наблюдались сцинтилляции и при давлениях, больших предельного. Поскольку α -частицы не могли дойти до люминофора, оставалось сделать предположение, что в процессе взаимодействия α -частиц с ядрами азота рождались какие-то другие ионизирующие частицы. Наложение электрического и магнитного полей позволили установить, что рождающаяся новая частица имеет положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона, и массу, приблизительно равную массе водорода. Очевидно, это ядро атома водорода, как α -частица – ядро атома гелия. Ещё в 1910-х годах была высказана идея, что ядра всех химических элементов состоят из ядер водорода – то есть ядер простейшего, первого в таблице элемента. Поэтому Резерфорд назвал новую частицу «протон», образовав это слово от греч. protos – первый. (Ещё раньше, в 1815 г., подобную идею в отношении состава химических элементов высказал химик Уильям Праут). Патрик Блэкетт продолжил в 1925 г. опыты с азотом с помощью усовершенствованной им камеры Вильсона (см. с.). Он автоматизировал съёмку туманных треков ионизирующих частиц двумя фотокамерами одновременно с разных направлений. Это позволило восстановить пространственную форму траекторий частиц. Сделав 23 000 снимков и посмотрев их, он установил, что α -частица при столкновении поглощается ядром азота, после чего это новое ядро выбрасывает протон. С учётом сохранения заряда и массы ядерная реакция может быть записана так:
Резерфорд, 1919 г. Открытие протона (18.1) Энергия протонов в опытах Резерфорда составляла около 6 МэВ, а длина пробега 28 см. 2. Свойства протона. Протон в свободном состоянии – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. В ядерных реакциях обозначается часто символом . Масса протона mp почти в 2000 раз превышает массу электрона me, mp = 1836 me = 1,67239 · 10–27 кг. Спин, то есть собственный момент импульса протона такой же, как у электрона. Его проекция на физическую ось может принимать только два значения, . Спиновое квантовое число s протона, как и у электрона, полуцелое, . Поэтому система протонов, как и система электронов, описывается статистикой Ферми-Дирака. Магнитный спиновый момент протона. Как уже говорилось в §2, в теории атома водорода Бора орбитальный магнитный момент электрона в низшем энергетическом состоянии (n = 1) равен Дж/Тл (см. ф. 2.18). На более высоком энергетическом уровне магнитный момент в n раз больше, где n – номер уровня, Mn = n · M 1. Минимальную величину магнитного момента называют магнетоном Бора. Это минимальный магнитный момент в физике электронных оболочек атомов. Поэтому магнетон Бора используется в качестве системы измерений магнитных моментов электронов. Из опытов Штерна и Герлаха по расщеплению атомных пучков в неоднородном магнитном поле следовало, что спиновый магнитный момент электрона равен магнетону Бора. Поэтому после открытия протона было естественным предположение, что спиновый магнитный момент протона определяется формулой магнетона Бора, в которой вместо массы электрона me должна стоять масса протона mp. Дж/Тл. (18.2) Величину М я называют ядерным магнетоном. Он в 1836 раз меньше магнетона Бора и используется в качестве единицы измерения магнитных моментов в ядерной физике. Но измерения показали, что спиновый магнитный момент протона больше магнетона Бора в 2,79 раз и составляет Дж/Тл. (18.3) 3. Ядерные реакции с испусканием протона наблюдались позднее при обстреле α -частицами бора , фтора , натрия , алюминия и фосфора . Заметим, что α -частицы могут результативно взаимодействовать лишь с лёгкими ядрами. Чтобы преодолеть электрическое отталкивание ядра, α -частица должна иметь кинетическую энергию Е, не меньшую потенциальной энергии необходимого для протекания реакции сближения с ядром.
(18.4) Отсюда можно найти максимальный номер Z элемента, ядро которого доступно для . (18.5) Радиус ядра м. Для α -частиц с энергией Е ≈ 10 МэВ получаем Это завышенное число. Как показывают опыты, эффективное взаимодействие 4. Открытие нейтрона. К 1930 г. выяснилось, что некоторые элементы, например, Be, Li, O 2 при обстреле α -частицами протонов не испускают. Поэтому возник вопрос: что же происходит в тех случаях, когда обстреливаемое α -частицами ядро не выбрасывает протон? В 1930 г. Вальтер Ботс и Г. Бекер поставили опыт, схема которого показана на рис. 133. На держателе Д помещался α -активный препарат . Его особенность в том, что испытав α -распад полония –210 превращается в ядро стабильного изотопа свинца . Поэтому никаких других излучений препарат полония –210 не даёт. Энергия α -частиц у меньше, чем у , она составляет 5,25 МэВ. Но для проникновения в ядра выбранного для опытов лёгкого бериллия, у которого Z = 4, этого было достаточно. Было опасение, что ядра, не испускающие протоны, испускают другое излучение, не дающее вспышек в сернистом цинке ZnS. Поэтому экран из сернистого цинка был заменён счётчиком Гейгера. Его действие основано на том, что ядерная частица, влетающая внутрь счётчика, ионизирует находящийся в нём газ. В результате в цепи счётчика возникает импульс тока (подробнее см. с.). Опыт показал, что при облучении α -частицами пластинок из бериллия , бора , лития возникает какое-то излучение, вызывающее слабые разряды счётчика Гейгера. Особенно сильное излучение давал бериллий. Эти бериллиевые лучи обладали огромным проникающим действием: пластина свинца толщиной 2 см уменьшала их интенсивность всего на 14%. Боте и Бекер предположили, что бериллиевые лучи представляют собой очень жёсткие γ -кванты. По поглощению в свинце было найдено, что энергия бериллиевых γ -квантов составляет 7 МэВ. Но энергия α -частиц составляла 5,25 МэВ. откуда же взялся прирост энергии? В 1931 г. к исследованиям бериллиевых лучей присоединились Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Помещая вместо свинцовых пластин листы парафина, они обнаружили, что из парафина под действием бериллиевых лучей исходили протоны, максимальный пробег в воздухе которых составлял 26 см. Такому пробегу соответствовала энергия протона 4,5 МэВ. Парафины – это насыщенные углеводороды с общей формулой СnH 2 n +2. В них большое число атомов водорода. Появление протонов при облучении парафина бериллиевыми лучами упруги Кюри истолковали как результат комптоновского рассеяния γ -квантов на протонах – ядрах атомов водорода. Протон отдачи уходит вперёд, когда рассеянный γ -квант отражается назад, θ = π. Отсюда где mp – масса протона, λ 0 – длина волны бериллиевых γ -квантов. Энергия Е выбитого протона должна быть равной убыли энергии γ -кванта, (18.6) Допустим для оценки, что Тогда Итак, энергия бериллиевых γ -квантов, вычисленная по поглощению в свинце, 7 МэВ, по энергии выбитых из парафина протонов – 46-48 МэВ. Кроме того получается, что
В 1932 г. в исследования природы бериллиевых лучей включается Джеймс Чедвик. Схема его установки практически ничем не отличалась от схемы Боте и Бекера, только вместо счётчика Гейгера он, как и Кюри, использовал ионизационную камеру. Чедвик исследовал рассеяние бериллиевых лучей не только парафином, но и другими веществами. Энергия γ -квантов, измеренная по энергии ядер отдачи азота оказалась равной hν = 150 МэВ. Итак, гипотеза, согласно которой бериллиевые лучи есть γ -кванты, приводила к противоречивым результатам. В зависимости от метода измерения энергия γ -квантов получалась разной и составляла 7, 48, 80, 150 МэВ. Это доказывало направленность данной гипотезы. В том же 1932 г. Чедвик пришёл к выводу, что бериллиевое излучение есть поток нейтральных частиц, которые он назвал нейтронами. Обозначают нейтроны символом . Ядерную реакцию рождения нейтронов можно записать так: Реакция открытия нейтронов, 1930-32 г. (18.7) Чедвик выполнил и первые измерения массы нейтрона. Оказалось, что масса нейтрона близка к массе протона. Точное значение массы нейтрона было получено из баланса масс различных ядерных реакций с участием нейтронов. 5. Свойства нейтрона. Нейтрон в свободном состоянии – нестабильная элементарная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино. (18.8) Среднее время жизни нейтрона τ ≈ 16 минут. Масса нейтрона несколько больше массы протона и составляет mn = 1838 me = Хотя «минус» означает, что направления собственных механического и магнитного моментов нейтрона противоположны. Отношение спиновых магнитных моментов протона и нейтрона составляет Mp/Mn = –3/2. Высокая проникающая способность нейтронов объясняется отсутствием у них электрического заряда. Нейтроны практически не взаимодействуют с электронными оболочками атомов и в отличие от α -частиц и протонов не отталкиваются от ядер. Поэтому даже при малых энергиях нейтроны могут вплотную подходить к атомным ядрам и захватываться ими. Для регистрации быстрых нейтронов используют их упругие столкновения с ядрами водорода. Благодаря практическому равенству масс протона и нейтрона при упругом ударе нейтрона с неподвижным протоном последнему передаётся большая часть кинетической энергии нейтрона. В результате нейтрон практически останавливается, а протон движется в том же направлении с энергией, близкой к первоначальной энергии нейтрона. По пути протон производит интенсивную ионизацию и потому может регистрироваться ионизационной камерой, счётчиком Гейгера или камерой Вильсона.
После нескольких последовательных столкновений с атомными ядрами быстрые нейтроны отдают свою избыточную энергию и в дальнейшем совершают хаотическое движение с тепловыми скоростями. Для таких тепловых нейтронов описанный выше метод регистрации путём рассеяния на ядрах атомов водорода непригоден. В этом случае используют ядерные реакции, при которых нейтрон, проникая в яро, приводит к вылету из последнего α -частицы большой энергии. Например, (18.10) 6. Проблема строения ядра. К началу 30-х годов 20 в. были открыты следующие структурные элементы атома: электрон, 1897 г., Томсон; протон, 1919 г., Резерфорд; Прежде всего стало очевидно, что ядро атома нельзя представлять в виде шара, сложенного из неких неподвижных ядерных кирпичей. Ядро атома – это очень малый объём пространства, в котором движутся ядерные элементы. то есть это система ядерных объектов, движущихся и взаимодействующих по каким-то специфическим, пока ещё неизвестным законам. В первую очередь надо было ответить на вопрос: из каких частиц состоит ядро. Исторически были рассмотрены два варианта: протон-электронное и протон-нейтронное ядро. а. Протон-электронное ядро. Ещё до открытия нейтрона в 1930 г. Поль Дирак проанализировал идею Праута о том, что все химические элементы состоят из водорода. Применительно к проблеме строения ядра эта идея сводилась к тому, что все ядра элементов состоят из ядер атома водорода, то есть из протонов. (Изотоп водорода дейтерий был открыт только через 2 года). Но это значит, что порядковый номер элемента в таблице Менделеева должен быть равен его массовому числу. Но таких элементов в таблице нет. Уже у гелия порядковый номер Z = 2, а массовое число А = 4. Как будто из 4-х протонов в ядре 2 нейтрализованы. Можно предположить, что ядро гелия содержит 4 протона и 2 электрона. Но в этом случае появляются противоречия с принципом неопределённости Гейзенберга. Действительно, неопределённость импульса в ядре, выраженная из соотношения неопределённости для координаты-импульса есть: (18.11) Но неопределённость координаты Δ х не может быть больше радиуса ядра, по крайней мере Δ х ≈ r 0. Из опытов Резерфорда 1909 г. r 0 ≈ 10–15 м. импульс электрона в ядре не может быть меньше неопределённости импульса, а его минимальная скорость движения в ядре из релятивисткой формулы.
(18.12) Здесь me – масса покоя электрона. После вычислений получаем v = 0,99998 c, где с – скорость света. Вычисленная по релятивистской формуле кинетическая энергия электрона в ядре составляет Но электроны, вылетающие из ядра при β -распаде, имеют энергию в пределах 10 МэВ. Столь разительному несоответствию очень трудно найти убедительное объяснение. Вторая трудность протон-электронной модели ядра носит название азотной катастрофы. Суть её в следующем. По величине сверхтонкого расщепления атомных спектров удалось вычислить магнитный момент атомных ядер. Он оказался примерно в 1000 раз меньше спинового магнитного момента электрона. Если в ядре чётное число электронов, то столь малый, магнитный момент ядра можно объяснить тем, что электроны в ядре образуют пары с противоположными спинами, поэтому магнитный момент ядра складывается из моментов протонов. А магнитный момент протона в 658 раз меньше момента электрона. Но в ядре атома азота должно быть 14 протонов и 7 электронов. Если 6 электронов образуют пары с противоположными спинами, то один электрон остаётся неспаренным. Этот неспаренный электрон должен обеспечить ядру азота такой же магнитный момент, какой он имеет, то есть в 1000 раз больше, чем у ядер с чётным числом электронов. Но этого нет. Магнитный момент ядра азота того же порядка, что и у других ядер. б. Протон-нейтронное ядро. Менее чем через полгода после открытия нейтрона практически одновременно и независимо друг от друга Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг предложили протон-нейтронный состав ядра. Разработанная позднее протон-нейтронная модель ядра прекрасно соответствует эксперименту и является сейчас общепринятой. Согласно этой модели ядро атома содержит Z протонов A–Z нейтронов. Здесь Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Заряд ядра q = Ze+, поэтому номер Z называют часто зарядовым числом. Величину А называют массовым числом. Это целое число, равное атомной массе элемента, выраженной в углеродных единицах и округлённой до целого числа. Протоны и нейтроны, находящиеся в составе ядра, называют нуклонами (от лат. Изотопы (от греч. isos – равный, topos – место) – ядра, содержащие одинаковое количество протонов, то есть имеющие одинаковое количество протонов, то есть имеющие одинаковый номер Z, и разное число нейтронов. Все изотопы помещаются в одной клетке таблицы Менделеева и являются разновидностями одного химического элемента. Различаются изотопы числом N нейтронов в ядре. Например, изотопы водорода: Протий, , ядро-протон, Z = 1, A = 1, N = A–Z = a, нейтронов нет. Дейтерий, , ядро-дейтрон, Z = 1, A = 2, N = 1, один нейтрон. Тритий, , ядро-тритон, Z = 1, A = 3, N = 2, два нейтрона. Изотопы гелия: , Z = 2 (два протона), A = 3, N = 1 (один нейтрон), стабилен. , Z = 2, A = 4, N = 2 (два нейтрона), стабилен. , Z = 2, A = 6, N = 4 (четыре нейтрона), нестабилен. , Z = 2, A = 8, N = 6 (шесть нейтронов), нестабилен. У известных ныне элементов число Z достигает примерно значения 105. На это число элементов приходится примерно 1500 известных изотопов. В среднем на один элемент – Изотопы одного химического имеют одинаковые химические и почти одинаковые физические свойства. Поэтому разделение изотопов – сложная физико-химическая задача. Наиболее заметно различаются изотопы водорода. Изобары (от изос- и греч. baros – тяжесть) – ядра с одинаковым массовым числом А. Например, тритий и гелий . У них по 3 нуклона, но соотношение между протонами и нейтронами разное. У трития Z = 1, N = 2, у гелия Z = 2, N = 1. Изотоны – ядра с одинаковым числом нейтронов. Как и изобары, изотоны – это ядра разных химических элементов. Например, ядра разных содержат по 3 нейтрона. Слова изобары и изотоны используются много реже, чем слово изотопы.
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-23; просмотров: 724; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.217.144.32 (0.053 с.) |