Вопрос Модель атома по Резерфорду.

Представление об атомном строении материи, т.е. о существующих мельчайших неделымых частиц из которых состоит материя, исходит из античной философии(Демокрит, 2,5 тыс. лет назад). Идея атома была забыта вплоть до 17 века. 1804г.-Дальтон ввел понятие химич-го элемента.

1865г.-Лашмидт определил размеры атомов(~10^-27м) и вес атома водорода(~10^-27кг).

Во второй половине 19 века стали накаплив-ся сведения о сложном строении атома: 1.был открыт элементарный отриц-ый заряд(1897г. Томсон). 2. было показано, что электроны входят в состав атома.

Модель атома Томсона: Атом предст-ет

собой равномерно полож-но заряженный шардиаметром

порядка 10^-10м, в котором плавают отриц-но заряженные элетроны(10^-15м).

Устойчивость атома обеспечивается квазиупругими силами между электронами.

Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц.

Основой современных представлений об атоме явились опыты Резерфорда по рассенянию α-частиц, в рез-те которых выяснилось, что представления о полож-ом заряде атома Томсона неверны.

Р- источник

α-частиц

Д – диафрагма

F – тонкая фольга

(металич-я)

Э – экран

М – микроскоп

Для получения инфо-ии о полож-ом заряде атома надо было прозондировать электрич-ое поле атома с помощью пробного полож-го заряда. В качестве пробного заряда Резерфорд использовал α-частицы. α-частица – сотавляющая радиоактивного излучения.

1896г. – Анри Беккерело открыл радиоактивность(р/акт-испускание ядрами некот-х элем-ов различных частиц сопровождающийся переходом ядра в др. состояние и изменение его параметра).

α-частицы способны проникать через вещество толщиной 0,01 мм. На основе опытов опеределялось распределение α-частиц рассеяных металлич-ми фольгами. Большинство α-частиц испытывали незначительные отклонения от первоначального положения, но имелись частицы отклоняющиеся на углы

θ = 135⁰ ÷ 150⁰.

Выводы из опытов Резерфорда:

1.отклонения α-частиц от прямолинейного направления вызываются действием электрич-х зарядов, нах-ся внутри атомов.

2.в большей части пространства занятого атомов, электрич-ие поля невелики поскольку большинство частиц не испытывают заметного отклонения.

3.Е_к^α = (m_α υ_α²/2) = E_n =¹_4Пε ^2e_r → r ~ 10^-15м. таким образом, в атомах сущ-ют электрич-е заряды, сконцентрир-е в малой области размерами 10^-15м.

4. отклонение α-частицы обусловлено взаимодействием с полож-ми зарядом. Таким образом, полож-ый заряд атома не распределен по всему объему атома, а сконцентрирован в его малой области

(r ~ 10^-15м) –в ядре.

5 с положит-ым зарядом атома связана также и значит-ая часть массы, т.е. в атоме имеется всего лишь один полож-ый заряд, с которым связана почти вся масса атома.

На основании выводов из опытов по рассеянию α-частиц была предложена ядерная модель атома, согласно которой весь положит-ый заряд и почти вся масса атома сосредоточены в атомном ядре.

Ядерные силы.

Нуклоны связаны между собой особыми силами притяжения – ядерными силами. Основные свойства:

1. f_яд >> f_кул, f_грав.

2.они короткодействующие, т.е. действуют на расстояниях ~ 10^{-15 м = 1 Ф.}

3. они явл-ся силами особого рода, их природа и свойства изучены недостаточно.

Вопрос Энергия связи ядра. Деффект масс.

Энергия связи – это энергия, необходимая для разобщения нуклонов, состовляющих ядро. Ее можно определить, исходя из законов сохранения энергии и пропорциональности массы и энергии. Из закона сохранения энергии следует, что энергия нуклонов связанных в ядре должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на величину энергии связи в ядре: Е_я = Е_н – ε.

 

Из закона пропорц-ти массы и энергии

следует, что:

Е_я = m_я c² и Е_н = m_н c² { → ε = Е_н - Е_я = (m_н – m_я)c² = ∆m c²,

где ∆m – дефект массы. Дефект массы характеризует уменьшение суммарной массы нуклонов при образовании из них ядра.

ε = {[Zm_р + (A-Z) m_n] – m_я} c²;

ε (МэВ)=931,5[Zm_р+(A-Z) m_n – m_я]. m_р,m_n,m_я в а.е.м.

удельная энергия связи – энергия связи приходящаяся на один нуклон: ε₀=^ε_А. (характер-ет устоячивость атомных ядер).

Изобразим зависимость удельной энергии связи от массового числа: т.е. удельная энергия связи слабо меняется с ростом массового числа. Это отражает св-ва насыщения ядерных сил связанных малым радиусом их действия.

ε₀, МэВ

Модели атомного ядра.

1. Капельная модель: в основе модели лежит аналогия между свойствами ядра и капли жидкости.

Общее:

а) силы, действующие между молекулами жидкости, имеют малый радиус действия.

б) ядерные частицы, также как и молекулы жидкости, обладают достаточной подвижностью. Доказательством этого служит установление у p и n значительных моментов импульсов.

в) плотность вещества в жидком состоянии при данной темпер-ре и давлении постоянна и не зависит от числа молекул, а ядро имеет постоянну удельную энергию связи, и плотность, не зависящую от числа нуклонов в ядре.

Отличие: ядро-капля заряжено и подчиняется законам квантовой механики.

Капельная модель хорошо поясняет многие свойства ятомных ядер. С ее помощью установлен критерий устоячивости атомных ядер:

Z =А/1,98+0,015А → Z = А/2*(N_р ≈ N_n) – для легких ядер.

2. оболочечная модель: нуклоны в ядре нах-ся в определенных энергетич-х состояниях и подобно электронам в атоме образуют определенные электронные оболочки и подоболочки. Ядра имеющие только заполненые оболочки обладают повышенной устойчивостью и большей распространненостью. Рассчеты по оболочечной модели показали, что наиболее устойчивыми положениями оказались с числом p или n: 2,8,20,28,50,82,126,152 (магические числа). Дважды магические элементы:₂⁴He, ₈¹⁶O, ₂₀⁴⁰Ca,₈₂²⁰⁸Pb.

 

6. Радиоактивность. Природа α, β, γ распадов. Закон радиоакт-го распада. Период полураспада. Активность радиоакт-го вещества.

р/акт - испускание ядрами некот-х элем-ов различных частиц сопровождающийся переходом ядра в др. состояние и изменение его параметра.

У достаточно тяжелых элементов(после ₈₂Pb) ядерные силы уже не обеспечивают устойчивости ядра. Такие ядра могут самопроизвольно распадаться, превращаясь в ядра более легких элементов. Это явление наз-ся р/акт распадом. Распад атомных ядер сопровожд-ся испусканием различных видов з/акт излучений и некоторых элементов частиц.

1896г –Анри Беккерель обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи со сле-ми свойствами: 1.способны вызывать люминисценцию

2.проникать сквозь слои непрозрачных веществ.

3.ионизируют газы.

4.обладают фотографич-им действием.

Дальнейшее исследование было проделано Марией и Пьером Кюри, Э.Резерфордом. Ими были установлено, что естественная р/акт свойственна не только урану, но и многим тяжелым элементам: ₈₉Ас, ₉₀Тh_{, 84}²¹⁰Ро, ₈₈Ra.

Все эти элементы были названы р/акт, а испускаемые ими лучи-р/акт-ым излучением. Радиоактивное излучение явл-ся сложным и состоит из трех видов излучения. Анализ его состава был сделан Кюри по отклонению в магн-ом поле.

Характер отклонения лучей

в магн-ом поле показывает,

что α-лучи несут полож-ый,

β-лучи отриц-ый заряд, γ-лучи

не заряжены.

α-лучи – поток ядер гелея (₂⁴Не → Z_α = +2e). пролетая сквозь вещество α-частица ионизирует его атомы действуя на них своим электр-им полем. Израсходовав свою энергию, α-частица останавл-ся, захватывает электрон из вещ-ва и превращается в нейтральный атом гелия.

Пробег (проникающая способность)-путь, проходимый р/акт излучателем в вещ-ве.

Ионизирующая способность - число пар ионов, создаваемых излучением на пробеге.

β-лучи – поток быстрых электронов(υ_β~10⁸м/с). β-частицы обладают меньшей иониз-ей спос-тью, но большим пробегом, чем α-частицы. Энергия β-частиц идет на: ионизацию; возбуждение вторичного рентген-го излучения, источником которого явл-ся оболочка атома.

Γ-лучи – эл/магн волна(λ_γ ~ 10^-12м). источником γ-излучения явл-ся атомное ядро. Энергия идет на: фотоэффект, эффект Комптона; образование электронно-позитронных пар ε_γ ≥ 1,02 МэВ – ядро распадается на отриц-ый электрон и полож-ый.

Вид рентг-го изл-ия	Пробег	Ионизир-ая спос-ть.
воздух	металл	Биотк.
α(Еα~4-9МэВ)	3-9см	Al: 0,06мм	0,12мм	~3*10^4п/л на 1 см пробега
β(0,01-5МэВ)	40м	Al:2см	6см	~300
γ(1МэВ)	Сотни метров	Pb:5см	Прониз-т тело	~1-2

Закон р/акт распада.

Радиоакт.распад- естеств-е радиоакт-е превращ-е ядер, происходящее самопроизвольно.

р/акт распад ведет к постепенному уменьшению числа атомов р/акт излучения.

Пусть dN-число атомов, распадающихся за время dt:

dN =-λNdt (1), где λ-постоянная распада (минус указывает на уменьшение числа атомов).

dN/N характе-ет относительное уменьшение

dt атомных ядер в единицу времени.

dN/N = - λdt → ln N = -λt + ln с (2), ln c-определ-ся из нач-ых условий: t=0 → N=N₀/

N = N₀ e^-λt (3) – закон р/акт распада.

N₀-число атомов р/акт элемента в нач-ый момент времени, N-число атомов этого же элемента, оставшихся к моменту времени t.

Для характер-ки быстроты

рапада вводят понятие периода

полураспада (время, в течение

которого распадается половина

атомов ядер р/акт вещ-ва).

Т = ^{ln 2}_λ = ^0,693_λ/

Время жизни р/акт атома – величина обратно пропорц-ая постоянной распада:

τ = ¹_λ = ^Т_ln2 =1,44 Т

Активность р/акт распада – число атомных распадов, совершающихся в р/акт элементе за един-цу времени:

а = |^dN_dt| = λ N.

Продукт р/акт распада сам может бать р/акт и проходить несколько промежуточных стадий, образуя цепочку р/акт элементов, заканчивающуюся стабильным элементом. Такая цепочка элементов наз-ся семейством:

1-ое семейство урана:

 

2-ое сем-во нептуния:

 

3-е сем-во актиноурана:

 

4-ое сем-во тория: