Атомне ядро. Фізика, реферати, рефераты, реферат, курсова, доповідь

13.09.2015

Атомне ядро

«Атомне ядро»

Москва 1996

Зміст

1 Історія відкриттів в області будови атомного ядра

1.1 Моделі атома до Бору

1.2 Відкриття атомного ядра

1.3 Атом Бору

1.4 Розщеплення ядра

1.5 Протонно-нейтронна модель ядра

1.6 Штучна радіоактивність

2 Будова і найважливіші властивості атомних ядер

2.1 Основні властивості і будова ядра

2.2 Енергія зв’язку ядер. Дефект маси

2.3 Ядерні сили

2.4 Радіоактивність, g-випромінювання, a і b-розпад

Література

1 Історія відкриттів в області будови атомного ядра

Вивчення атомного ядра змушує займатися елементарними частинками. Причина цього зрозуміла: в ядрах атомів частинок настільки мало, що властивості кожної з них не усереднюються, а, навпаки, відіграють визначальну роль.

1.1 Моделі атома до Бору

Розвиток досліджень радіоактивного випромінювання, з одного боку, і квантової теорії — з іншого, привели до створення квантової моделі атома Резерфорда — Бору. Але створенню цієї моделі передували спроби побудувати модель атома на основі уявлень класичної електродинаміки і механіки. У 1904 році з’явилися публікації про будову атома, одні з яких належали японському фізику Хантаро Нагаока, інші — англійському фізику Д. Д. Томсону.

Нагаока представив будову атома аналогічною до будови сонячної системи: роль Сонця грає позитивно заряджена центральна частина атома, навколо якого по встановлених кільцеподібним орбітах рухаються «планети» — електрони. При незначних зсувах електрони збуджують електромагнітні хвилі.

В атомі Томсона позитивну електрику «розподілено» по сфері, у яку вкраплені електрони. У найпростішому атомі водню електрон знаходиться в центрі позитивно зарядженої сфери. У многоэлектронных атомах електрони розташовуються по стійких конфігурацій, розрахованим Томсоном. Томсон вважав кожну таку конфігурацію визначальною хімічні властивості атомів. Він зробив спробу теоретично пояснити періодичну систему елементів Менделєєва Д. І.. Пізніше Бор вказав, що з часу цієї спроби ідея про поділ електронів в атомі на групи зробилася вихідним пунктом.

Але незабаром виявилося, що нові досвідчені факти спростовують модель Томсона і, навпаки, свідчать на користь планетарної моделі. Ці факти були відкриті Резерфордом. В першу чергу слід зазначити відкриття ядерної будови атома.

1.2 Відкриття атомного ядра

Уподібнення атома планетній системі робилося ще на початку XX століття. Але цю модель було важко сполучити з моделями електродинаміки, і вона була залишена, уступивши місце моделі Томсона. Проте у 1904 році почалися дослідження, що призвели до утвердження планетарної моделі.

При вивченні a-часток Резерфорд, виходячи з моделі Томсона, підрахував, що розсіювання a-часток не може давати великих кутів відхилень навіть при багатьох зіткненнях з частинкою. І тут Резерфорд звернувся до планетарної моделі.

7 березня 1911 року Резерфорд зробив у філософському товаристві в Манчестері доповідь «Розсіяння a і b-променів і будова атома». У доповіді він, зокрема, говорив: «Розсіювання заряджених часток може бути пояснено, якщо припустити такий атом, що складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці й оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому влаштуванні a і b-частки, коли вони проходять на близькій відстані від центра атома, відчувають великі відхилення, хоча імовірність такого відхилення мала».

Важливим наслідком теорії Резерфорда була вказівка на заряд атомного центра, що Резерфорд поклав рівним ±Ne. Заряд виявився пропорційним атомному вазі. «Точне значення заряду центрального ядра не було визначено,- писав Резерфорд, — але для атома золота воно приблизно дорівнює 100 одиницям заряду».

З наступних досліджень і експериментів Гейгера і Мардсена, які здійснили перевірку формул Резерфорда, виникло уявлення про ядро, як стійку частини атома, що несе в собі майже всю масу атома й володіє позитивним (Резерфорд вважав знак заряду невизначеним) зарядом. При цьому число елементарних зарядів виявилося пропорційним атомному вазі.

Заряд ядра виявився найважливішою характеристикою атома. У 1913 році було показано, що заряд ядра збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Бор писав: «З самого початку було ясно, що завдяки великій масі ядра і його малої довжини в просторі порівняно з розмірами всього атома будова електронної системи повинне залежати майже винятково від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом. «

Після знайомства з Резерфордом Бор, відмовившись від вивчення електронної моделі, почав роботу в його групі. Звернувшись до планетарної моделі, Бор створив на її основі теорію атома Резерфорда-Бора. Резерфорд зрозумів революційний характер ідей Бора й обговорив з ним основи цієї теорії, висловив критичні зауваження, після чого статті Бора були опубліковані.

Під час Першої Світової війни Бор продовжує працювати в лабораторії Резерфорда. У 1915 році він опублікував роботи «Про серіальному спектрі водню» і «Про квантову теорію випромінювання в структурі атома». У 1916 році була опублікована стаття Зоммерфельда, де він розглянув рух електрона по еліптичних орбітах і узагальнив правила квантування Бора. Бор із захватом відгукнувся про цю статтю. Теорія атома після відкриттів Зоммерфельда стала називатися теорією Бора — Зоммерфельда.

У 1936 році Бор виступив зі статтею «Захоплення нейтрона і будова ядра», в якій запропонував краплинну модель ядра і механізм захоплення нейтрона ядром. Дивно, але ні Бор, ні інші не могли відразу пророчити розподіл ядра, подсказываемое краплинною моделлю, поки на початку 1939 р. не було відкрито розподіл урану.

1.3 Атом Бору

Бор, як і Томсон до нього, шукає таке розташування електронів в атомі, що пояснило б його фізичні і хімічні властивості. Бор бере за основу модель Резерфорда. Йому також відомо, що заряд ядра і число електронів у ньому, дорівнює числу одиниць заряду, визначається місцем елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. Таким чином, це важливий крок у розумінні фізико-хімічних властивостей елемента. Але залишаються незрозумілими дві речі: надзвичайна стійкість атомів, несумісна з уявленнями про рух електронів по замкнутих орбітах, і походження їхніх спектрів, що складаються з цілком визначених ліній. Така визначеність спектра, його яскраво виражена хімічна індивідуальність, мабуть, якось зв’язана зі структурою атома. Усе це важко пов’язати з універсальністю електрона, заряд і маса якого не залежать від природи атома, до складу якого вони входять. Стійкість атома в цілому суперечить законам електродинаміки, згідно яким електрони, роблячи періодичні рухи, повинні безупинно випромінювати енергію і, втрачаючи її, «падати» на ядро. До того ж і характер руху електрона, объясняемый законами електродинаміки, не може приводити до таких характерних лінійчатим спектром, що спостерігаються насправді. Лінії спектра групуються в серії, вони згущуються в коротковолновом «хвості» серії, частоти ліній відповідних серій підпорядковані дивним арифметичним законами.

«Основним результатом ретельного аналізу видимої серії лінійчатих спектрів і їх взаємин, — писав Бор, — було встановлення того факту, що частота u кожної лінії спектра цього елемента може бути представлена з незвичайною точністю формулою u = Тґ — Тґґ, де Тґ і Тґґ — якісь два члени з безлічі спектральних елементів Т, що характеризують елемент».

Бору вдалося знайти пояснення цього основного закону спектроскопії. Але для цього йому довелося ввести у фізику атома уявлення про стаціонарних станах атомів, перебуваючи в яких електрон не випромінює, хоча і здійснює періодичне рух по круговій орбіті.

1.4 Розщеплення ядра

Резерфордом У 1919 році було зроблено нове сенсаційне відкриття — розщеплення ядра.

Резерфорд вивчав зіткнення a-частинок із легкими атомами. Зіткнення a-частинки з ядрами таких атомів повинні їх прискорювати. Так, при ударі а-частинки про ядро водню воно збільшує свою швидкість у 1,6 рази, і ядро відбирає у a-частинки 64% її енергії.

Прилад, що застосовувався Резерфордом для випромінювання таких зіткнень, представляв собою латунну камеру довжиною 18 см, висотою 6 см і шириною 2 див Джерелом a-частинок служив металевий диск, покритий активною речовиною. Диск містився всередині камери і міг встановлюватися на різних відстанях від екрані із сірчистого цинку. Камера могла заповнюватися різними газами. Зокрема, її заповнювали азотом.

З допомогою численних дослідів Резерфорд показав, що в результаті таких зіткнень виходять частинки з максимальним пробігом, таким же, як у Н-атомів. «З отриманих досі результатів, — писав Резерфорд, — важко уникнути висновку, що атоми з великим пробігом, які виникають при зіткненні a-частинок з азотом, є не атомами азоту, але, ймовірно, атомами водню або атомами з масою 2. Якщо це так, то ми повинні укласти, що атом азоту розпадається унаслідок величезних сил, які розвиваються при зіткненні зі швидкою a-частинкою, і що освобождающийся водневий атом утворює складову частину атома».

Так було відкрито явище розщеплення ядер азоту при ударах швидких a-частинок і вперше висловлена думка, що ядра водню являють собою складову частину ядер атомів. Згодом Резерфорд запропонував термін «протон» для цієї складової частини ядра. Резерфорд закінчував свою статтю словами: «Результати в цілому вказують на те, що якщо a-частинки або подібні їм швидко рухомі частинки зі значно більшою енергією могли б застосовуватися для дослідів, то можна було б виявити руйнування ядерних структур багатьох легких атомів».

У 1920 році Резерфорд лекції «Нуклеарное будова атома» робить припущення про те, що існують ядра з масою 3 і 2 ядра з масою ядра водню, але з нульовим зарядом. При цьому він виходив з гіпотези, висловленої вперше М. Склодовської-Кюрі, що до складу ядра входять електрони.

Резерфорд пише, що йому «здається досить правдоподібним, що один електрон може зв’язати два Н-ядра і, можливо, навіть і одне Н-ядро. Якщо справедливим є перше припущення, то воно вказує на можливість існування атома з масою близько 2 і з одним зарядом. Таку речовину потрібно розглядати як ізотоп водню. Друге припущення містить у собі думка про можливості існування атома з масою 1 і нуклеарным зарядом, рівним нулю. Подібні утворення видаються цілком можливими». Так була висловлена гіпотеза про існування нейтрона і важкого ізотопу водню.

1.5 Протонно-нейтронна модель ядра

У 1932 році Д. Д. Іваненко опублікував замітку, в якій висловив припущення, що нейтрон є поряд з протоном структурним елементом ядра. Однак протонно-нейтронна модель ядра була зустрінута більшістю фізиків скептично. Навіть Резерфорд вважав, що нейтрон — це лише складне утворення протона й електрона.

У 1933 році Іваненко на конференції в Ленінграді зробив доповідь про моделі ядра, в якому він захищав протонно-нейтронну модель, сформулювавши основна теза: в ядрі є тільки важкі частинки. Іваненко відкинув ідеї про складну структуру нейтрона й протона. На його думку, обидві частинки повинні володіти однаковим ступенем елементарності, тобто і нейтрон, і протон можуть переходити один в одного. Надалі протон і нейтрон почали розглядатися як два стани однієї частинки — нуклона, й ідея Іваненко стала загальноприйнятою, а в 1932 році в складі космічних променів була відкрита ще одна елементарна частинка — позитрон.

1.6 Штучна радіоактивність

У 1934 році Фредерік Жоліо і Ірен Кюрі повідомили про відкриття ними нового виду радіоактивності. Їм вдалося довести методом камери Вільсона, що деякі легкі елементи (берилій, бор, алюміній) випускають позитивні електрони при бомбардуванні їх a-частинками полонію. Жоліо Кюрі і, досліджуючи це явище, показали, що в цьому випадку виникає новий етап радіоактивності, що супроводжується випущенням позитивних електронів. Вони вперше штучно викликали радіоактивність, створивши нові радіоактивні ізотопи, не спостережувані до цього в природі і були нагороджені за це видатне відкриття Нобелівською премією.

На сьогоднішній день теорія атомного ядра одержала подальший розвиток, і в наступній главі розглядається її актуальний стан.

2 Будова і найважливіші властивості атомних ядер

2.1 Основні властивості і будова ядра

1. Ядром називається центральна частина атома, у якій зосереджена практично вся маса атома і його позитивний електричний заряд. Всі атомні ядра складаються з елементарних часток: протонів і нейтронів, що вважаються двома зарядовыми станами однієї частинки — нуклона. Протон має позитивний електричний заряд, що дорівнює по абсолютній величині заряду електрона. Нейтрон не має електричного заряду.

2. Зарядом ядра називається величина Ze, де е — величина заряду протона, Z — порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва, дорівнює числу протонів у ядрі. В даний час відомі ядра з Z від Z=1 до Z=107. Для всіх ядер, крім і деяких інших нейтронодефицитных ядер NіZ, де N — число нейтронів у ядрі. Для легких ядер N/Z»1; для ядер хімічних елементів, розташованих наприкінці періодичної системи, N/Z»1,6.

3. Число нуклонів у ядрі A=N+Z називається масовим числом. Нуклонамм (протону і нейтрону) приписується масове число, рівне одиниці, електрону — нульове значення А.

Ядра з однаковими Z, але різними А називаються ізотопами. Ядра, що при однаковому А мають різні Z, називаються изобарами. Ядро хімічного елемента X позначається. де Х — символ хімічного елемента.

Усього відомо близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів і більш 2000 природних і штучно отриманих радіоактивних ізотопів.

4. Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що має умовний зміст через розмитість границі ядра. Емпірична формула для радіуса ядра м, може бути витлумачена як пропорційність об’єму ядра числу нуклонів у ньому.

Густина ядерної речовини складає по порядку величини 1017 кг/м3 і постійна для всіх ядер. Вона значно перевершує щільності найбільш щільних звичайних речовин.

5. Ядерні частинки мають власні магнітні моменти, якими визначається магнітний момент ядра Рмяд в цілому. Одиницею вимірювання магнітних моментів ядер служить ядерний магнетон мяд:

(в СІ)

(СГС).

Тут е — абсолютна величина заряду електрона, mp — маса протона, з — електродинамічна постійна. Ядерний магнетон в разів менше магнетона Бора, звідки випливає, що магнітні властивості атомів визначаються магнітними властивостями його електронів.

6. Розподіл електричного заряду протонів по ядру в загальному випадку несиметрично. Мірою відхилення цього розподілу від сферично симетричного є квадрупольний електричний момент ядра Q. Якщо щільність заряду вважається скрізь однакової, то Q визначається тільки формою ядра.

2.2 Енергія зв’язку ядер. Дефект маси

1. Нуклони в ядрах перебувають у станах, що істотно відрізняються від їх вільних станів. За винятком звичайного ядра водню у всіх ядрах є не менше двох нуклонів, між якими існує особлива ядерна сильна взаємодія — тяжіння — забезпечує стійкість ядер, незважаючи на відштовхування однойменно заряджених протонів.

2. Енергією зв’язку нуклона в ядрі називається фізична величина, що дорівнює тій роботі, яку потрібно здійснити для видалення нуклона з ядра без повідомлення йому кінетичної енергії.

Енергія зв’язку ядра визначається величиною тієї роботи, яку потрібно зробити, щоб розщепити ядро на складові його нуклони без надання їм кінетичної енергії. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така ж енергія, яку потрібно затратити при розщепленні ядра на складові його нуклони. Енергія зв’язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, складових ядро, і їх енергією в ядрі.

3. При утворенні ядра відбувається зменшення його маси: маса ядра менше, ніж сума мас його складових нуклонів. Зменшення маси ядра при його утворенні пояснюється виділенням енергії зв’язку. Якщо Wсв — величина енергії, що виділяється при утворенні ядра, то відповідна їй маса Dm, рівна

називається дефектом маси і характеризує зменшення сумарної маси при утворенні ядра з його складових нуклонів. Якщо ядро з масою Мяд утворено з Z протонів з масою mp і з (A-Z) нейтронів з масою mn, то

Dm=Zmp+(A-Z)mn-Мяд.

Замість маси ядра Мяд величину Dm можна виразити через атомну масу Мат:

Dm=ZmН+(A-Z)mn-Мат,

де mH — маса водневого атома.

При практичному обчисленні Dm маси всіх часток і атомів виражаються в атомних одиницях маси.

Дефект маси служить мірою енергії зв’язку ядра:

Wсв=Dmс2=[Zmp+(A-Z)mn-Мяд]с2

Однією атомної одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії (а.е.е.): а.е.е.=931,5016 Мев.

4. Питомою енергією зв’язку ядра wсв називається енергія зв’язку, яка припадає на один нуклон: wсв=. Величина wсв становить у середньому 8 Мев/нуклон. У міру збільшення числа нуклонів у ядрі питома енергія зв’язку убуває.

5. Критерієм стійкості атомних ядер є співвідношення між числом протонів і нейтронів у стійкому ядрі для даних изобаров. (А=const).

2.3 Ядерні сили

1. Ядерна взаємодія свідчить про те, що в ядрах існують особливі ядерні сили, не зводяться ні до одного з типів сил, відомих у класичній фізиці (гравітаційних і електромагнітних).

2. Ядерні сили є короткодействующими силами. Вони проявляються лише на дуже малих відстанях між нуклонами в ядрі близько 10-15 м. Довжина (1,5ј2,2)10-15 м називається радіусом дії ядерних сил.

3. Ядерні сили виявляють зарядову незалежність: притягання між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів — протонного або нуклонного. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв’язку в дзеркальних ядрах. Так називаються ядра, в яких однаково загальне число нуклонів, але число протонів в одному дорівнює числу нейтронів в іншому. Наприклад, ядра гелію важкого водню-тритію — .

4. Ядерні сили мають властивість насичення, яке проявляється в тому, що нуклон у ядрі взаємодіє лише з обмеженим числом найближчих до нього сусідніх нуклонів. Саме тому спостерігається лінійна залежність енергії зв’язку ядер від їх масових чисел А. Практично повне насичення ядерних сил досягається у a-частинки, яка є дуже стійким утворенням.

2.4 Радіоактивність, g-випромінювання, a і b-розпад

1. Радіоактивністю називається перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента в ізотопи іншого елемента, що супроводжується випущенням деяких частинок.

Природною радіоактивністю називається радіоактивність, що спостерігається в існуючих у природі нестійких ізотопів.

Штучною радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, отриманих в результаті ядерних реакцій.

2. Зазвичай всі типи радіоактивності супроводжуються випусканням гамма-випромінювання — жорсткого, короткохвильового электроволнового випромінювання. Гамма-випромінювання є основною формою зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень. Ядро, випробовує радіоактивний розпад, називається материнським; виникає дочірнє ядро, як правило, виявляється порушеною, і його перехід в основний стан супроводжується випущенням g-фотона.

3. Альфа-розпадом називається випущення ядрами деяких хімічних елементів a-частинок. Альфа-розпад є властивістю важких ядер з масовими числами А>200 і зарядами ядер Ze>82. Всередині таких ядер відбувається утворення відокремлених a-часток, що складаються кожна з двох протонів і двох нейтронів.

4. Терміном бета-розпад позначають три типи ядерних перетворень: електронний (b-) і позитронний (b+) розпади, а також електронний захоплення. Перші два типи перетворення полягають у тому, що ядро випускає електрон (позитрон) і електронне антинейтрино (електронне нейтрино). Ці процеси відбуваються шляхом перетворення одного виду нуклона в ядрі в інший: нейтрона в протон або протона в нейтрон. У разі електронного захоплення перетворення полягає в тому, що зникає один з електронів в найближчому до ядра шарі. Протон, перетворюючись в нейтрон, як би «захоплює» електрон; звідси виник термін «електронний захоплення». Електронний захоплення на відміну від b± -захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням.

5. b-розпад відбувається у природно-радіоактивних, а також штучно-радіоактивних ядер; b+-розпад характерний тільки для явища штучної радіоактивності.

Література

1. Григор’єв в. І. Мякишев Р. Я. Сили в природі.

// М. Наука, 1983 р.

2. Кудрявцев П. С. Курс історії фізики.

// М. Просвітництво, 1982 р.

3. Яворський Б. М. Детлаф А. А. Довідник з фізики.

Короткий опис статті: атомна енергія Атомне ядро, Фізика, реферати ,скачати реферати безкоштовно (реферати українскою) банк рефератів, ще можна і знайти реферат, є пошук по рефератів

Джерело: Атомне ядро / Фізика — реферати, рефераты, реферат, курсова, доповідь, контрольна, диплом, завантажити

Також ви можете прочитати