Лекции по физике

Строение ядра атома.

 Согласно современным представлениям в состав ядра атома входят протоны и нейтроны. Размеры ядра очень малы – всего10'5 м. Частицы удерживаются в столь малых размерах с помощью особых ядерных сил. Эти силы характеризуются тем, что они действуют только на очень малых расстояниях. Кроме того, они сильно зависят от расстояния (не менее.чем 1/г3) и обладают свойством насыщения. Теория ядерных сил не может быть изложена в рамках настоящего курса ввиду отсутствия соответствующей математической базы, но некоторые представления о природе ядерных сил можно получить из гипотезы японского физика Х.Юкавы, который в 1935 году предположил, что нейтроны и протоны удерживаются благодаря тому, что они обмениваются друг с другом некими частицами, масса которых примерно равна 300 массам электрона. Эти частицы получили название мезонов ( для теории Юкавы это так называемый минус p мезон). Суть взаимодействия сводится к тому, что нейтрон испускает p мезон и превращается в протон, тогда как протон в ядре тут же захватывает получившийся мезон и превращается в нейтрон. В настоящее время идея Юкавы получила разразвитие в рамках другой теории так называемой теории глюонов ( от английского слова glue клей), однако изложение основ этой теории невозможно в курсе общей физики.

Число протонов в атоме определяет его как химический элемент, тогда как число нейтронов в атоме может меняться при этом образуются разные изотопы. У каждого элемента периодической таблицы может быть несколько изотопов. Например, существуют три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.

Массы нейтрона и протона измерены достаточно точно. При этом было замечено.что суммарная масса всех протонов и нейтронов, входящих в состав ядра атома, никогда не равняется массе данного химического элемента масса ядра меньше суммарной массы всех нейтронов и протонов. Это явление получило название дефекта масс. Сущность этого дефекта в том, что часть массы как бы превращается в энергию связи протонов и нейтронов в ядре( для численной оценки используется знаменитая формула Е = m с2). Чтобы атом снова распался на составные части, ему нужно сообщить энергию. Для большинства элементов средней части таблицы Менделеева величина энергии, необходимой для"разбиения" атома на составляющие, очень велика, но к концу таблицы энергия связи уменьшается, и может случится, что сообщение ядру сравнительно небольшой энергии окажется достаточным для преодоления притяжения протонов и нейтронов. Переносчиком такой "затравочной" энергии обычно служат свободные нейтроны. При распаде ядер тяжелых элементов энергия связи выделяется в виде большого количества тепла.

 Распад тяжелых элементов, в первую очередь, таких как уран и плутоний, используется на практике для получения энергии. Выделение энергии может происходить либо за малый промежуток времени (взрыв), либо достаточно плавно( атомный котел). Это выделение энергии достигается путем осуществления цепной реакции деления. Наиболее известна реакция деления изотопа урана U В природном уране концентрация 235 изотопа незначительна, поэтому добытую руду подвергают предварительному обогащению, однако даже в обогащенном уране превалирует основной изотоп уран238. Деление ядер урана происходит при попадании в них нейтронов, причем разные изотопы "требуют" различных нейтронов. Так 238изотоп делится при попадании в него быстрых нейтронов, тогда как 235 изотоп делится под действием медленных нейтронов (термин"медленный"означает, что скорость нейтронов сравнима с скоростью теплового движения молекул).При каждом элементарном акте деления кроме тепловой энергии получается некоторое число (от одного до трех) нейтронов, наличие которых и обеспечивает цепной характер реакции. Для осуществления цепной реакции деления урана235 необходимо выполнение трех условий:

1.нейтроны должны быть медленными,

2коэффициент размножения нейтронов должен быть больше единицы,

З.масса изотопа должна быть больше критической.

Для получения медленных (тепловых) нейтронов используются замедлители (тяжелая вода или графит). Скорость размножения нейтронов регулируется путем введения специальных поглотителей (бор или кадмий). Требование критической массы связано с тем, что процесс поглощения вторичных нейтронов является случайным нейтрон должен пролететь мимо достаточного числа делящихся атомов, прежде чем он будет поглощен. Требуемые для начала реакции первичные нейтроны всегда присутствуют в окружающей среде как следствие природной радиоактивности, или как результат воздействия на земную атмосферу космических лучей ( космические лучи это поток тяжелых частиц с очень большой энергией ). Кроме цепной реакции деления возможна реакция синтеза более тяжелых ядер из ядер легких элементов. Выделяющееся при этом количество тепла во много раз превышает тепло, образующееся при цепной реакции деления. Для возникновения такой реакции необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что достигается сообщением ядрам высоких скоростей встречного движения. Высокие скорости, а следовательно, и высокие энергии, достигаются тем, что атомы разогреваются до температур порядка 10 млн. градусов. В земных условиях это достижимо лишь при атомном взрыве. Реакция синтеза при этом носит неуправляемый характер. Устройство, где осуществляется реакция синтеза атомов гелия из смеси дейтерия и трития, называют водородной бомбой. Реакция синтеза сопровождается выделением большого числа нейтронов и также является цепной (пример Солнце).

Строение элементов и периодическая таблица.

 Как уже отмечалось, заряд ядра атома, а следовательно, и его положение в таблице Менделеева определяется количеством протонов. Число электронов, окружающих ядро, должно соответствовать числу протонов. Вследствие запрета Паули, электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Величина энергии зависит от значения главного квантового числа n. Форма орбиты (в рамках теории Бора) определяется орбитальным квантовым числом l, значения которого могут изменяться от ( n1) до ( n1). 0рбиты с разными l носят названия: s оболочек ( l = 0 ), р оболочек (l = 1), d (l = 2), f ( l = 3) и т.д. На каждой оболочке размещается 2( 2l + 1) электронов, т.е. их число равно 2 (одному значению l соответствуют два электрона с противоположными направлениями спинов), 6,10,14 и т.д. Общее число электронов в атомах, где оболочки полностью заполнены равно 2,8,18,32 и т.д. Рассматривая таблицу, можно заметить, что этим числам соответствуют атомы гелия, неона, аргона, криптона и т.д. ,т.е. атомы инертных газов. Свойства каждого элемента определяются тем, как выгоднее ему достроить свою внешнюю оболочку до замкнутой: отдавая. или получая электроны.

Заполнение оболочек происходит постепенно при переходе от одного элемента к другому, но порядок заполнения может нарушаться для так называемых переходных элементов. Электронам оказывается энергетически выгоднее занимать орбиты с большим квантовым числом, оставляя незаполненной внутреннюю оболочку. По названию незаполненной оболочки переходные элементы образуют 3d, 4d и 5d группы. Отдельные группы образованы редкоземельными и трансурановыми элементами.

На главную