Атомная физика - основные понятия, формулы и определение с примерами

Содержание:

Атомная физика:

Атом гелия содержит положительно заряженное ядро и два электрона, обращающиеся вокруг него. В физике и химии ядро атома гелия (

Наименьший электрический заряд называется элементарным: е = 1,6 •

Древнегреческий ученый Демокрит в V в. до н. э. пришел к идее о существовании мельчайших и неделимых частиц, которые он назвал атомами.

Атом в переводе с греческого атом означает «неделимый».

Только спустя более 2,5 тысячи лет, с открытием электрона, которое связывают с исследованиями Эмиля Вихерта и Джозефа Джона Томсоиа (1897 г.), было доказано, что атом делим и в природе существуют частицы — электроны, которые входят в состав атома. Решающим толчком к созданию теории атома послужило открытие в 1896 г. французским физиком Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности. Вследствие того что радиоактивное излучение содержало положительно и отрицательно заряженные частицы, вполне естественно было предположить, что эти частицы входят в состав атомов.

Назвать наименьший заряд «электроном» предложил в 1891 г. Джордж Джонстон Стони, а в 1897 г. Джордж Френсис Фипджеральд предложил использовать этот термин для названия самой частицы.

В начале XX в. широкое распространение получила модель атома Дж. Дж. Томсона. Согласно этой модели положительный заряд равномерно распределен по всему объему атома. Так как атом электрически нейтрален, то электроны плавают в этой положительно заряженной среде и полностью компенсируют ее положительный электрический заряд (рис. 94).

Для экспериментальной проверки справедливости такой модели атома английский физик Эрнест Резерфорд с сотрудниками провел эксперименты, результаты которых вступили в противоречие с моделью атома Томсона.

Пучок а-частиц направлялся на сверхтонкую золотую фольгу толщиной около 400 нм (рис. 95). Частицы, прошедшие через фольгу, регистрировали на экране с помощью микроскопа.

Исходя из модели Томсона, ожидалось, что вследствие слабого отталкивания а-частицы будут незначительно отклоняться от прямолинейной траектории (рассеиваться) и легко пройдут через фольгу. При этом картина их рассеяния должна была быть примерно такой, как на рисунке 96.

Однако полученные результаты совершенно не соответствовали этим предсказаниям. В экспериментах значительная часть а-частиц действительно отклонялась на малые углы 6 (4°—6°) от направления своего первоначального движения. Но были и такие частицы, которые рассеивались на углы больше 90° (рис. 97) или даже возвращались назад.

Как писал сам Резерфорд: «Это было почти столь же неправдоподобным, как если бы вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».

Фольга в экспериментах Резерфорда имела толщину, соответствующую примерно 1600 слоям атомов.

Примерно одна из 20 ООО а-частиц испытывала отклонение на угол больше 90°, одна из 40 000 — на угол больше 120°, а одна из 70 000 — на угол больше 150°.

Результаты экспериментов свидетельствовали о том, что внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создается положительным зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме. Название «ядро» для этого заряда было предложено Резерфордом. В ядре сосредоточена также практически вся масса атома.

Поскольку размер ядра мал, то при приближении к нему а-частицы возникают в соответствии с законом Кулона (рис. 98, а) большие силы отталкивания, которые существенно изменяют траекторию а-частиц.

В модели Томсона электрическое иоле атома соответствует электрическому полю равномерно заряженного по объему шара (рис. 98, б) и при приближении к центру атома его напряженность стремится к нулю. В этом случае не было бы а-частиц, отклоняющихся на большие углы.

На основании проведенных экспериментов Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную модель атома (рис. 99):

1. в центре атома расположено ядро размером м, его заряд q = +Ze, где Z — порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева;
2. почти вся масса атома (99,96 %) сосредоточена в положительно заряженном ядре;
3. электроны под действием кулоновских сил движутся по замкнутым орбитам вокруг ядра; число электронов равно Z; суммарный заряд электронов q = -Ze, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Такую модель атома называют также планетарной, поскольку она напоминает Солнечную систему, в которой планеты вращаются вокруг массивного центра — Солнца.

Модель атома Резерфорда с изображением электронных орбит в XX в. стала популярной эмблемой. Так, на рисунке 100 показана эмблема физического факультета Белорусского государственного университета.

Ядерная модель атома объяснила экспериментальные данные, полученные при изучении рассеяния а-частиц, но не смогла объяснить факт устойчивости существования атома.

Во-первых, в соответствии с законами классической электродинамики Максвелла электроны при движении по орбитам с ускорением должны непрерывно излучать электромагнитные волны. Частоты этих волн равны частотам обращения электронов вокруг ядра.

Во-вторых, из-за потери энергии на излучение электроны должны были «упасть» на ядро за промежуток времени порядка с (рис. 101). В таком случае атомы должны быть неустойчивыми и иметь очень короткое время жизни.

В-третьих, частота обращения электрона по мере приближения к ядру должна была непрерывно изменяться, т. е. спектр излучения атома должен быть непрерывным, а не линейчатым.

Таким образом, при объяснении модели атома механика Ньютона и электродинамика Максвелла дошли до пределов своей применимости — они не могли объяснить того, что существовало согласно всем экспериментальным данным.

Квантовые постулаты Бора

Гипотеза Планка: излучение и поглощение света веществом происходит не непрерывно, а порциями, или квантами.

Постоянная Планка

Для преодоления противоречий и недостатков ядерной модели атома Резерфорда датский физик Нильс Бор в 1913 г. в своей работе «О строении атомов и молекул» предложил квантовую модель атома, основанную на двух постулатах:

I постулат Бора (постулат стационарных состояний):

• атом может находиться в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает.

Стационарные состояния можно пронумеровать, присвоив им порядковый номер n = 1, 2, 3, ..., причем каждому состоянию соответствует определенная энергия .

В первом постулате Бора была сохранена основа ядерной модели атома, предложенной Резерфордом: электроны движутся вокруг ядра по определенным (разрешенным) орбитам. Бор для простоты полагал, что эти орбиты представляют собой окружности, но немецкий физик Арнольд Зоммерфельд показал, что орбиты могут иметь форму эллипса и ядро располагается в одном из его фокусов (рис. 102).

Всякую орбиту в пространстве можно характеризовать тремя целыми числами n, l, m которые принято называть квантовыми числами. Их целочисленность отражает квантовый характер свойств атомных объектов. Их количество связано с трехмерностью нашего пространства.

F Квантовым числам можно для наглядности дать геометрическую интерпретацию. Для водородоподобных атомов с одним валентным электроном орбиты имеют вид окружностей или эллипсов. Число п определяет «размеры» орбиты — ее радиус или большую полуось. Число l характеризует вытянутость орбиты. Чем ближе оно к нулю, тем больше форма орбиты приближается к окружности. Квантовое число определяет ориентацию электронной орбиты в пространстве.

Планеты Солнечной системы также движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Это обстоятельство делает аналогию между атомом Резерфорда и Солнечной системой еще более тесной.

II постулат Бора (правило частот):

• атом может переходить из одного стационарного состояния в другое. При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитной энергии, частота которого определяется разностью энергий атома в данных состояниях:

где — частота поглощенного или испущенного кванта излучения, — энергии атома в k-м и п-м стационарных состояниях, h — постоянная Планка. Если , то происходит излучение энергии, если — поглощение.

Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния, которым соответствуют большие значения энергии,— возбужденными. Впоследствии было показано, что в основном энергетическом состоянии электрон в атоме может находиться неограниченно долго, а в остальных стационарных состояниях — порядка с. Это так называемое время жизни атома в возбужденном состоянии.

Как следует из II постулата Бора, частота излучения атома не связана с частотой обращения электрона по орбите, она определяется энергиями атома в начальном и конечном состояниях. Переход атома из одного стационарного состояния в другое сопровождается электромагнитным излучением с длиной волны

Таким образом, II постулат Бора позволил объяснить линейчатую структуру атомных спектров: частоты излучения атома определяются значениями энергий атома в возбужденных состояниях.

Бор предложил также количественное «условие квантования» для нахождения радиусов орбит электронов, движущихся по круговой орбите. Стационарные (разрешенные) орбиты электронов в атоме находятся из условия

где п = 1, 2, 3, ..., — номер орбиты, m — масса электрона, v — скорость электрона, — радиус n-й орбиты, h — постоянная Планка.

Таким образом, постулаты Бора основывались на трех экспериментальных предпосылках — результатах исследования атомных спектров, квантовой теории излучения, развитой Планком и Эйнштейном, и ядерной модели атома Резерфорда.

Квантовые представления в теории атома Бора явились важнейшим этапом на пути создания последовательной теории микроскопических явлений — квантовой механики.

Строение атома водорода по Бору

Согласно закону Кулона модуль силы F электростатического взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов , находящихся в вакууме на расстоянии г друг от друга, определяется по формуле

Кинетическая энергия материальной точки массой т, движущейся со скоростью v (vс), определяется по формуле

Потенциальная энергия электростатического взаимодействия зарядов находящихся в вакууме на расстоянии г друг от друга, определяется по формуле

Покажем, как на основании постулатов Бора можно объяснить структуру энергетических уровней простейшего атома (ядро плюс один электрон) — атома водорода.

Рассмотрим движение электрона по круговой орбите вокруг ядра. Из второго закона Ньютона следует

    (I)

Подставляя выражения для модуля силы Кулона и модуля центро-

стремительного ускорения формулу (1), получаем

Отсюда  .    (2)

Используем условие квантования орбит для нахождения радиуса стационарной орбиты с номером n:

  (3)

Как видно из формулы (3), с увеличением номера п радиус орбиты возрастает пропорционально . По этой формуле можно определить размер атома водорода в основном состоянии, найдя радиус первой (ближайшей к атомному ядру) орбиты электрона (n = 1).

Энергия атома водорода равна сумме кинетической энергии движения электрона по круговой орбите и его потенциальной энергии в электростатическом поле ядра. Поскольку взаимодействуют частицы, имеющие заряды противоположных знаков (), потенциальная энергия их взаимодействия отрицательна:

Полная энергия атома (системы из атомного ядра и электрона)

      (4)

Подставив в формулу (3) выражение (2), получим

Так как радиус г орбиты (см. выражение (3)) может принимать только дискретные (квантованные) значения , то и энергия атома в различных стационарных состояниях может также принимать только дискретные значения . С учетом выражения (3) для значений энергетических уровней атома получаем

  (5)

Как видно из формулы (5), энергия атома водорода определяется только номером орбиты n, поскольку все остальные величины в этой формуле фундаментальные константы.

Таким образом, энергия атома водорода в основном (низшем) (n= 1) энергетическом состоянии будет выражаться формулой

В низшем состоянии атом может находиться бесконечно долго, поэтому оно и называется основным. Во всех остальных стационарных состояниях атом находится очень малый промежуток времени с (время жизни). Поэтому они называются возбужденными состояниями. Энергия второго возбужденного состояния (n = 2) будет , третьего (n = 3) эВ и т. д.

Поскольку энергия атома водорода может принимать только дискретный набор значений то говорят, что она квантована.

Для того чтобы удалить электрон, находящийся в основном состоянии, из атома водорода (электрон и ядро существуют независимо друг от друга), электрону необходимо сообщить энергию Е= 13,6 эВ. Эта энергия называется энергией связи электрона в атоме, а процесс удаления электрона из атома — ионизацией.

Ионизация может быть однократной (атом теряет один электрон), двукратной ; (два электрона) и т. д.

Для наглядного представления стационарных энергетических состояний атома используется энергетическая диаграмма (рис. 103). Каждому энергетическому состоянию атома соответствует горизонтальная линия, называемая энергетическим уровнем. Переходы атома из одного стационарного состояния в другое показаны стрелками. Энергетическую диаграмму можно считать своеобразной «лестницей» с «нижней площадкой» (основным состоянием) и поднимающимися вверх «ступенями» (возбужденными состояниями).

Поскольку при возбуждении атома радиус орбиты электрона возрастает, то можно сказать, что излучение света атомом происходит при переходах электронов в атоме с внешних орбит на внутренние (рис. 104).

Каждому веществу присущ собственный набор значений энергии. Модель атома Бора позволяет описать не только атом водорода, но и ионизированные атомы (ионы) других элементов, вокруг ядер которых, как и в атоме водорода, движется один электрон. Такие ионы называются водородоподобными. Примерами таких ионов являются однократно ионизированный атом гелия (Не+), двукратно ионизированный атом лития (Li++) и т. д.

В 1922 г. Нильсу Бору была присуждена Нобелевская премия «за заслуги в исследовании строения атомов и излучении». Модель атома Бора фактически положила начало современной спектроскопии, которая из эмпирической схемы исследования газов превратилась в эффективный метод изучения атомной структуры. Спустя полвека по этому поводу Бор скажет: «Я увидел путь рождения спектров!»

В 1949 г. Эйнштейн писал: «Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — найти главнейшие законы спектральных линий и электронных оболочек, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая музыкальность в области мысли».

Излучение и поглощение света атомами

Известно, что энергия атома квантована, т. е. она не может принимать произвольные значения, а характеризуется определенным набором энергетических уровней :

Испускание излучения происходит при переходе атома с высших энергетических уровней на один из низших энергетических уровней (k> n), другими словами, при переходе электрона с внешней орбиты на внутреннюю. Атом в этом случае излучает фотон с энергией . Частота излучения при этом

где — постоянная Ритберга, n и k — номера стационарных состояний.

Поглощение света — процесс, обратный испусканию. Атом, поглощая фотон (квант электромагнитной энергии), переходит из низшего k состояния в более высокое n (n > k), т. е. электрон в атоме переходит с внутренней орбиты на внешнюю. Частота поглощенного фотона

Таким образом, спектры атомов позволяют определять изменения энергии атома при испускании или поглощении им излучения. Формула для энергетических уровней энергии атома показывает важную закономерность: чем выше поднимается над основным (первым) уровнем «энергетическая лестница», тем менее «крутыми» становятся ее «ступени».

Другими словами: чем дальше от ядра, тем на меньшую величину отличаются соседние уровни энергии, т. е. густота энергетических уровней растет. Квантовые скачки при этом уменьшаются, вследствие чего переходы между стационарными состояниями атома все больше и больше становятся «похожими» на непрерывное изменение энергии. Это приводит к переходу линейчатых спектров в сплошные. Таким образом, по мере удаления от ядра (с ростом n) энергетическая «лестница» постепенно превращается в пологий «плавный подъем» (рис. 105).

С помощью модели атома Бора удалось:

1. Вычислить энергию ионизации атома водорода, хорошо согласующуюся с экспериментом. Согласно теории W= 13,6 эВ, эксперимент дал значение W= 13,6 эВ.
2. Значительно продвинуться в объяснении закономерностей периодической системы химических элементов Менделеева (согласно модели Бора электроны движутся по определенным орбитам, образующим различные группы — электронные оболочки). Структура электронных оболочек определяет химические свойства элементов, которые периодически повторяются по мере заполнения оболочек электронами. Это позволило «предсказывать» свойства неизвестных элементов. Так, например, был открыт элемент с порядковым номером Z = 72 — гафний, по своим свойствам аналогичный цирконию (Z = 40).

Модель атома Бора объяснила основные закономерности спектра атома водорода, но, по сути, сохранила классический характер, поскольку в ней предполагалось, что электроны движутся по орбитам вокруг ядра. Поэтому на основе этой модели не удалось построить теорию более сложных атомов, например, объяснить линейчатый спектр атома гелия, который содержит всего два электрона. Соответственно, не могло быть и речи об объяснении на основании данной модели строения молекул, так как в них картина движения и взаимодействия электронов и атомных ядер намного сложнее, чем в атомах.

Помимо этого, на основе модели атома Бора невозможно объяснить, почему одни спектральные линии ярче других, поскольку в ней не обсуждались причины, приводящие к самопроизвольным (спонтанным) переходам электронов с одной орбиты на другую.

В 1923 г. для объяснения спектров испускания и поглощения атомов Бор сформулировал принцип соответствия, который требовал совпадения физических следствий квантовой и классической теорий в случае больших значений квантовых чисел (предельном случае).

Согласно этому принципу квантовые эффекты существенны лишь при рассмотрении малых значений квантовых чисел, а для больших значений квантовых чисел система с высокой степенью точности подчиняется классическим законам.

В настоящее время под принципом соответствия понимают следующее более общее положение:

• любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физических явлений (соответственно и на более широкую область применимости), должна включать в себя предыдущие теории как предельные случаи.

Объяснение стабильности атома, закономерности периодической системы химических элементов Менделеева и многое другое впервые было найдено только в квантовой механике в 1925 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом и австрийским физиком Эрвином Шредингером.

Квантово-механическая модель атома

Теория Бора предложила физикам пользоваться по понедельникам, средам и пятницам классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми.

Вильям Брэгг-старший

(Повторение из курса химии.) Атомная орбиталь — область околоядерного пространства, в которой наиболее вероятно нахождение данного электрона (рис. 106). Орбитали, в зависимости от энергии электронов, имеют различные формы и размеры. Например, орбиталь единственного электрона в невозбужденном атоме водорода имеет сферическую форму (рис. 107) и обозначается буквой s, а электроны, которые ее занимают, называют s-электронами.

На одной орбитали может находиться не более двух электронов, причем имеющих противоположные (антипараллельные) спины.

В классической механике движение частицы описывается заданием ее координат и скорости в каждой точке траектории. Чтобы описать движение любой сложной системы, достаточно задать координаты и скорости всех частиц, входящих в систему, в определенный момент времени, после этого, используя уравнения движения (второй закон Ньютона), можно найти координаты и скорости в любой момент времени и определить, где будет находиться частица в тот или иной момент времени.

При переходе в область микромира оказывается, что такой способ описания не применим. Для описания явлений микромира была разработана квантовая механика. Квантовая механика — раздел физики, в котором изучаются свойства микрочастиц.

Согласно квантово-механическим представлениям микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Так, например, электрон является частицей, имеющей определенную массу и заряд, но при его движении вокруг ядра необходимо учитывать его волновые свойства, так как у него отсутствует определенная траектория движения и точное расположение в пространстве. Для объяснения двойственного поведения атомных объектов требовался кардинальный пересмотр установившихся представлений.

В квантовой механике движение частицы описывается волновой функцией (х, у, z, t) — функцией координат и времени. Зная волновую функцию микрочастицы, можно получить сведения о ее поведении, которые дают макроскопические измерительные приборы. Немецкий физик Макс Борн дал объяснение

физического смысла волновой функции. Квадрат ее модуля |определяет вероятность пребывания частицы в точке с координатами (х, у, z) в момент времени t Согласно Борну в квантовой механике, даже задав все начальные условия в какой-то момент времени и полностью решив систему уравнений для волновых функций, можно установить только вероятность тех или иных процессов. Например, вероятность обнаружить электрон в данном месте может оказаться в 10 раз больше вероятности попадания в другое место. Однако предсказать его положение со стопроцентной достоверностью, как это было в классической механике, уже нельзя.

В зависимости от того, что и как измеряется в состоянии частицы, на первый план выступают то качества, приписываемые «настоящей» частице, так называемые корпускулярные свойства, то волновые свойства. Применение волновой функции позволяет учесть как корпускулярные, так и волновые свойства микрочастиц.

Важнейшим физическим положением квантовой механики является знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга:

• ни при каком увеличении точности измерений невозможно добиться того, чтобы произведение неопределенностей координаты и импульса частицы стало меньше постоянной Планка.

Этот принцип математически выражается в виде следующего неравенства, связывающего неопределенность координаты х с неопределенностью  проекции импульса:

которое называют соотношением неопределенностей Гейзенберга.

По мысли Бора координаты и импульсы или же энергия и время подобны двум половинам предмета, который может быть сфотографирован либо спереди, либо сзади, но не сразу со всех сторон. Они не отвергают, а дополняют друг друга.

Эта неопределенность не связана с несовершенством измерительных приборов, она присуща микрообъектам. Сама по себе микроскопическая частица, как правило, не обладает никакой координатой или импульсом, а характеризуется величиной другого типа — волновой функцией.

Только в результате физического контакта — взаимодействия частицы с макроскопическим прибором — появляется возможность говорить о ее положении и скорости. Поэтому точность, с какой могут быть найдены эти или другие величины, зависит от вида прибора. Соотношение неопределенностей Гейзенберга устанавливает на такую точность общие ограничения, которые вытекают из квантовой теории и лежащего в ее основе корпускулярно-волнового дуализма. При этом волновая функция характеризует вероятность любого результата измерения.

Таким образом, в квантовой механике для системы, находящейся в некотором известном состоянии, можно однозначно предсказать результаты измерений либо ее положения, либо ее импульса в отдельности.

Для квантово-механических состояний реализуется принцип суперпозиции: ; если измерение некоторой величины в состоянии А всегда дает результат а, а в состоянии В — результат b, то суперпозиция состояний А и В даст состояние, в котором в результате измерения той же величины может быть получено либо а, либо b с некоторыми вероятностями.

Следовательно, важнейшей отличительной чертой состояний системы в квантовой теории является то, что, находясь в некотором состоянии, она может в то же время частично находиться и в других.

В квантовой теории появляются новые понятия: состояния системы, удовлетворяющие принципу суперпозиции, измерения динамических величин, не приводящие к определенному результату, вероятности частных результатов измерений.

Наиболее важный вывод квантовой механики состоит в том, что существует наинизший уровень энергии, которому соответствует основное состояние системы. Это просто минимальная энергия, которую может иметь система в силу соотношения неопределенностей. Для системы, находящейся в покое в положении устойчивого равновесия, и координата, и импульс имели бы определенные значения, что принципом неопределенности запрещено.

В современной квантовой механике взаимодействие электрона с ядром описывается классически, на основе закона Кулона, а движение электрона — с учетом его волновых свойств.

Геометрическая интерпретация квантовых чисел базируется на представлении об определенных орбитах электрона в атоме, которое лежит в основе модели атома Бора. С позиций квантовой механики такое представление является упрощенным и слишком «классическим». Понятие орбиты имеет только приближенный смысл, поскольку оно характеризует уже не «истинную траекторию» частицы, а геометрическое место точек, около которых последняя может быть обнаружена с наибольшей вероятностью.

Ядерная модель атома не означает, что обязательно должны существовать орбиты движения электронов и что электрон необходимо уподобить твердому шарику, движущемуся вокруг ядра. Отказ от такого механического представления об электроне и его движении позволил Гейзенбергу и Шредингеру построить квантовую теорию атома, в которой постулаты Бора оказались следствиями более общих принципов.

В квантовой механике для задания каждого состояния атома необходимы четыре различных квантовых числа

Квантовое число п из модели атома Бора в квантовой механике сохраняется под названием равного квантового числа. Оно принимает целочисленные значения от 1 до . От него зависит полная энергия состояния атома водорода.

Число l называется орбитальным квантовым числом и применяется для описания состояния атомов с двумя и большим числом электронов. Оно принимает целочисленные значения от 0 до n - 1.

Число называется магнитным квантовым числом и может принимать целочисленные значения от

Спиновое квантовое число  Это связано с тем, что электрон может находиться в двух различных состояниях, характеризуемых спином.

В таблице 9 представлены допустимые значения всех четырех квантовых чисел электрона.

Так как внутри каждого атома не могут существовать электроны с одинаковыми квантовыми числами, то спектр каждого химического элемента уникален.

Паули предложил простое правило (принцип запрета Паули) — в одном и том же квантовом состоянии может находиться не более одного электрона.

Этот принцип означает, что два электрона не могут иметь одинакового набора квантовых чисел: он объяснял наличие групп из 2, 8, 18 и 32 элементов периодической системы элементов Менделеева.

Эти группы элементов являются следствием принципа запрета Паули () а также квантово-механического правила, согласно которому значение целочисленного квантового числа l не превосходит n - 1 (0 ln-1), а квантовое число т пробегает ряд целочисленных значений от -l до +l (-l m +l).

В 1925 г. Паули написал: «В атоме не может существовать двух или больше эквивалентных электронов, для которых значения всех квантовых чисел в магнитном поле одинаковы. Если в атоме находится электрон, для которого все эти числа имеют определенное значение, то это состояние "занято"». В физике группы орбит, представленные квантовым числом п, соответствуют электронным оболочкам в химии.

Построение основ квантовой механики было завершено в 1926 г. Впоследствии эта теория использовалась главным образом как готовый математический аппарат для решения проблем микромира. Начав с описания простейшего из атомов — атома водорода, квантовая механика в настоящее время применяется для описания гораздо более сложных явлений.

• Английский физик Дуглас Хартри и советский физик Владимир Александрович Фок разработали приближенные методы расчета многоэлектронных систем.
• Физики Вальтер Гайтлер и Фриц Лондон в 1927 г. развили квантово-механи-ческую теорию химической связи.
• Вернеру Гейзенбергу удалось объяснить явление ферромагнетизма как результат квантово-механического взаимодействия спинов электронов. Квантовая теория электромагнитного излучения позволила создать источники света совершенно нового типа — лазеры.
• В 1932 г. Гейзенбергу была присуждена Нобелевская премия по физике за разработку основ квантовой механики.
• В 1933 г. за открытие новых форм атомной теории Шредингер был удостоен Нобелевской премии по физике.
• В 1945 г. Паули была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие принципа запрета.

Спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры

Когерентность — согласованное прохождение во времени нескольких коле-~ бательных или волновых процессов, разность фаз которых не меняется с течением времени. Колебание, происходящее с неизменной частотой, называется монохроматическим. Электромагнитная волна называется поляризованной, если в ней существует выделенное направление колебаний вектора напряженности электрического поля .

Согласно квантовой теории электрон в атоме может находиться на дискретных энергетических уровнях . При переходах между ними атом излучает кванты энергии электромагнитного поля. Существуют два вида переходов: спонтанные и вынужденные.

Если атом, находящийся на верхнем энергетическом уровне , переходит на более низкий уровень  самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий, то происходит так называемый спонтанный переход (рис. 108, а). При этом испускается электромагнитное излучение, частота которого определяется соотношением

 (1)

Переход такого рода является случайным (вероятностным) процессом, совершаемым в момент времени, принципиально непредсказуемый. Спонтанным переходам соответствует спонтанное излучение.

Случайность спонтанных переходов в атомах и молекулах различных веществ означает то, что они происходят неодновременно и независимо друг от друга, поэтому фазы излучаемых при переходах электромагнитных волн не согласованы. Случайным является не только момент испускания фотонов, но и направление их распространения и их поляризация. Вследствие этого спонтанное излучение вещества немонохроматическое, ненаправленное, неполяризованное и некогерентное. Примером такого излучения является свет ламп накаливания.

Атом может перейти с верхнего уровня на нижний не спонтанно, а под действием электромагнитного излучения, если его частота совпадает с частотой, определяемой по формуле (1) (рис. 108, б). Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются вынужденными или индуцированными.

При таком переходе излучается квант энергии  который добавляется к падающему от внешнего источника излучению. Отличительной особенностью вынужденного излучения является тождественность излученного фотона и фотона, индуцировавшего данный переход. Оба фотона при этом имеют одинаковые частоту, фазу, направление распространения и поляризацию, т. е., образно говоря, «клонируют» друг друга. Именно поэтому вынужденное излучение является монохроматическим, когерентным, направленным и поляризованным.

Кроме рассмотренного вынужденного перехода «сверху вниз», могут происходить и вынужденные переходы «снизу вверх» (рис. 108, в). Если атом находится на нижнем уровне , то он может перейти на верхний уровень  под действием внешнего электромагнитного излучения, частота которого определяется формулой (1). При этом атом поглощает фотон:

Вынужденные переходы отличаются от спонтанных зависимостью от внешних условий. Их вероятность прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность спонтанного перехода постоянна для данного энергетического уровня.

Дискретность энергетического спектра характерна не только для атомов, но и для любой системы взаимодействующих микрочастиц — молекул, ионов, твердых тел. В естественных условиях в веществе число атомов в возбужденном состоянии с большей энергией меньше, чем в состоянии с меньшей энергией т. е. говорят, что населенность уровня с энергией меньше, чем населенность уровня с энергией (рис. 109, а).

При падении на такое вещество электромагнитного излучения частотой:

(2)

одновременно с его усилением за счет вынужденных переходов «вверх» происходит его существенное ослабление за счет индуцированных переходов «вниз». Таким образом, в естественных условиях при падении на вещество электромагнитного излучения частотой, определяемой формулой (2), оно ослабляется. Для его усиления необходимо искусственно изменить населенности уровней в веществе. Для эффективного усиления необходимо выполнение условия инверсной населенности, при которой населенность верхнего уровня больше населенности нижнего (рис. 109, б).

Процесс перевода атомов из основного состояния в возбужденное, т. е. процесс создания инверсной населенности, называется накачкой. Вещество с инверсной населенностью называется активным.

В веществе, имеющем два энергетических уровня, никакой накачкой нельзя создать необходимую инверсию населенностей, так как число возбужденных атомов будет не больше числа невозбужденных вследствие индуцированных переходов с верхнего уровня на нижний. Поэтому такое вещество не может генерировать излучение.

В веществе, имеющем три и более энергетических уровня, можно, используя накачку, создать инверсию населенностей. У некоторых атомов имеются долго-живущие возбужденные состояния (их называют метастабильными), время жизни в которых может доходить до нескольких секунд.

Вещество, в котором имеются метастабильные уровни, можно использовать для усиления света. В этом случае, если накачка производится на частоте перехода между нижним и верхним уровнями, то можно перевести атомы из основного состояния l в возбужденное состояние 3 (рис. 110). За короткое время (порядка с) большая часть этих атомов самопроизвольно перейдет в метаста-бильное состояние 2 без излучения. Избыточная энергия передается веществу, вследствие чего оно нагревается.

Населенность промежуточного (метастабильного) уровня, увеличиваясь за счет спонтанных переходов с верхнего уровня на промежуточный, может превысить населенность нижнего уровня. Пропустив через эту систему находящихся в

метастабильном состоянии атомов излучение с частотой , получаем дополнительно к исходным фотонам еще и индуцированно испущенные фотоны. Вследствие этого результирующий поток фотонов будет превышать исходный. Таким образом, на частоте перехода с метастабильного уровня на нижний будет происходить усиление и генерация излучения.

При взаимодействии внешнего излучения с активным веществом (средой) излучение усилится, поскольку к исходной волне добавится индуцированное излучение с тождественными характеристиками. Тождественность фотонов приводит к тому, что при взаимодействии каждого из них с новым возбужденным атомом получается вместо 2 уже 4 фотона, затем 8, 16 и т. д. Это позволяет использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн и создания генераторов монохроматического когерентного излучения — лазеров.

Слово «лазер» является сокращенной записью английской фразы — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (laser), которая переводится так: усиление света путем вынужденного испускания излучения.

Таким образом, принцип работы лазеров заключается в использовании вынужденного излучения в системах с инверсией («перевернутостью») населенности для генерации когерентных световых волн.

Для усиления лазерного излучения активная среда помещается в оптический резонатор. Он состоит из двух параллельных зеркал, одно из которых — полностью отражающее l, другое — полупрозрачное 2 (рис. 111, а), служащее для выхода излучения.

Накачка (рис. 111,6) создает инверсию населенностей уровней. В результате спонтанных переходов между уровнями с инверсной населенностью излучаются волны различных направлений. Чем больше путь, проходимый волнами в активной среде, тем больше они усиливаются (рис. 111, в).

Дойдя до зеркал, волны, направления распространения которых перпендикулярны плоскости зеркал, отражаются в противоположном направлении, поворачивают назад и вновь распространяются в активной среде, вследствие чего их амплитуда снова увеличивается (рис. 111, г).

Если гребни отраженных волн совпадают с гребнями падающих, то волны усиливают друг друга. Для этого расстояние между зеркалами должно быть кратно целому числу полуволн. Излученная атомами (молекулами) энергия накапливается в резонаторе и, воздействуя на активную среду, вызывает новые индуцированные переходы (рис. 111, д). На языке фотонов это означает, что происходит лавинообразное «размножение» фотонов в веществе. Далее пучок монохроматического лазерного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало (рис. 111, е).

Эксперименты показывают, что для эффективной генерации интенсивность падающего на вещество излучения накачки должна превысить некоторое пороговое значение. Действительно, мощность индуцированного излучения должна превысить мощность неизбежных потерь на поглощение излучения, его рассеяние, нагревание зеркал резонатора и т. п.

Таким образом, для работы лазера необходимо наличие активной среды, резонатора и превышения порога генерации в системе.

Для понимания различий между спонтанным и индуцированным излучениями приведем «футбольную» аналогию. На трибунах большого стадиона, заполненного до отказа болельщиками, перед началом игры создается сильный и ровный шум, так как каждый из них говорит или выкрикивает что-то независимо друг от друга. Но во время матча при голевом моменте звук достигает оглушительной силы, поскольку все кричат в унисон, синхронно. Этим достигается эффект многократного усиления звука, подобный эффекту лазерного излучения.

Теория индуцированного излучения, способы его получения и первые экспериментальные образцы, свидетельствовавшие об осуществимости подобных устройств, были созданы советскими физиками Александром Михайловичем Прохоровым, Николаем Геннадьевичем Басовым и их американским коллегой Чарльзом Хардом Таунсом в середине пятидесятых годов XX в. В 1964 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Басову, Прохорову и Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазера».

Основными характеристиками лазерного излучения являются когерентность, малая расходимость (узкая направленность), монохроматичность, возможность получать сверхкороткие импульсы, большая мощность.

По виду активной среды и способу накачки лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные, химические, газодинамические.

В рубиновом лазере используется оптическая накачка светом мощной импульсной лампы-вспышки, в полупроводниковых лазерах неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через р—n-переход, а в газовых лазерах атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Длина волны излучения рубинового лазера = 694,3 нм. В очень узком интервале шириной = 0,01 нм вблизи длины волны заключена вся мощность лазерного излучения. Ширина спектра излучения видимого света составляет примерно 300 нм, т. е. в 30 000 раз больше. Солнце с одного квадратного сантиметра поверхности в диапазоне видимого света излучает мощность Р= 8· Вт. При этом на интервал длин волн = 0,01 нм приходится только Р = 0,02 Вт. Рубиновые лазеры дают в этом интервале мощность Р~ Вт. Соответствующие напряженности электрических полей составляют  Солнце в этом интервале длин волн создает поле напряженностью

Первый рубиновый лазер был создан американским ученым Теодором Мейманом в 1960 г.

Лазеры находят широкое применение в голографии, передаче оптической информации, обработке материалов (сварка, резка, сверление и т. п.), медицине, локации, рекламе (рис. 112).

При использовании лазерного луча и специального отражателя, установленного на Луне, было уточнено расстояние от Земли до Луны. Точность измерения расстояния (до 4 м) при этом была значительно выше, чем при радиолокации Луны.

Знак опасности, предупреждающий о лазерном излучении, приведен на рисунке 113.

Белорусский физик, академик Николай Александрович Борисевич в 1978 г. открыл явление «стабилизации» электронно-возбужденных многоатомных молекул. Он впервые получил генерацию излучения многоатомных молекул в газовой фазе. Разработал газовые и одночастотные гелий-неоновые лазеры со значительной выходной мощностью. Им также разработана статистическая теория фотофизических процессов в сложных молекулах, введены новые понятия и спектральные характеристики молекул, разработаны методы их определения.

В 1957 г. белорусский физик, академик Борис Иванович Степанов вывел универсальное соотношение между спектрами поглощения и испускания сложных молекул и полупроводников, которое получило название «соотношение Степанова». Он (совместно с А. Н. Рубиновым и В. А. Мостовниковым) открыл новый класс генерирующих соединений — органических красителей. Под его руководством в Институте физики НАН РБ также разработаны теория колебаний молекул, квантово-механическая теория люминесценции сложных молекул, вероятностный метод расчета оптических свойств квантовых систем.

Итоги:

К числу первых моделей атомов относятся модель атома Томсона и ядерная (планетарная) модель Резерфорда. Они были построены в рамках классической физики.

Для объяснения линейчатых спектров атомов и стабильности атомов Бор предложил модель атома, основу которой составляют следующие два постулата:

I постулат Бора (постулат стационарных состояний):

• атом может находиться в особых стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает.

II  постулат Бора (правило частот):

• атом может переходить из одного стационарного состояния в другое. При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитной энергии, частота которого определяется разностью энергий атома в данных состояниях:

где , — частота поглощенного или испущенного кванта излучения, — энергии атома в k-м и n-м стационарных состояниях, h — постоянная Планка.

Условие квантования орбит в атоме:

Принцип дополнительности утверждает, что для описания свойств материи (как поля, так и вещества) необходим учет как волновых, так и корпускулярных свойств.

Квантовая механика — раздел физики, в котором изучаются свойства микрочастиц.

В квантовой механике движение частицы описывается волновой функцией — функцией координат и времени. Квадрат ее модуля  определяет вероятность пребывания частицы в точке с координатами (х, у, r) в момент времени t.

Принцип неопределенности Гейзенберга: ни при каком увеличении точности измерений невозможно добиться того, чтобы произведение неопределенностей координаты и импульса частицы стало меньше постоянной Планка:

Принцип запрета Паули: в одном и том же квантовом состоянии может находиться не более одного электрона.

Принцип соответствия: любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физических явлений (соответственно и на более широкую область применимости), должна включать в себя предшествующие теории как предельные случаи.

Состояние, в котором больше половины атомов вещества находится в возбужденном состоянии, называется состоянием с инверсной населенностью.

Среда с инверсной населенностью уровней энергии — активная среда.

Процесс перевода атомов из основного состояния в возбужденное называют накачкой.

Основной физический процесс, определяющий действие лазера, — это индуцированное испускание излучения.

Основные характеристики лазерного излучения:

• когерентность;
• малая расходимость (узкая направленность);
• монохроматичность;
• возможность получать сверхкороткие импульсы;
• большая мощность излучения.

Сложное строение атома и опыты Резерфорда

Еще, быть может, каждый атом — Вселенная, где сто планет; Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет.

В. Брюсов

Атом гелия содержит положительно заряженное ядро и два электрона, которые обращаются вокруг него. Ядро атома гелия  является -частицей.

Древнегреческий ученый Демокрит в V в. до н. э. пришел к идее о существовании мельчайших и неделимых частиц, которые он назвал атомами. Спустя более 2,5 тыс. лет было доказано, что атом имеет сложную структуру. Последнее десятилетие XIX в. ознаменовалось крупнейшими открытиями в физике — естественной радиоактивности французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1896 г.) и электрона английским физиком Джозефом Джоном Томсоном и немецким физиком Эмилем Вихертом (1897 г.). Радиоактивное излучение содержало положительно и отрицательно заряженные частицы, поэтому естественно было предположить, что эти частицы входят в состав атомов. А с открытием электрона стало ясно, что именно электроны входят в состав атома.

Назвать наименьший отрицательный заряд «электроном» предложил в 1891 г. Джордж Джонстон Стони, а в 1897 г. Джордж Френсис Фицджеральд предложил использовать этот термин для названия самой частицы.

В начале XX в. в научном мире широкое распространение получила модель атома английского физика Джозефа Джона Гомсона. Согласно этой модели положительный заряд равномерно распределен по всему объему атома в виде некой однородной массы, которую Томсон называл «сферой однородной положительной

электризации». Так как атом электрически нейтрален, то электроны плавают в этой положительно заряженной - _ \ среде и полностью компенсируют ее положительный о    ^ электрический заряд (рис. 122).

Рис. 122. Модель атома Томсона: 1 — положительно заряженный шар; 2 —электроны

Для проверки справедливости такой модели атома английский физик Эрнест Резерфорд с сотрудниками в 1911 г. выполнил эксперименты, результаты которых оказались в противоречии с моделью атома Томсона.

Пучок -частиц направлялся на тонкую золотую фольгу толщиной около 400 нм (рис. 123). Световые вспышки от частиц, прошедших через фольгу, регистрировались на сцинтилляционном экране с помощью микроскопа.

Исходя из модели атома Томсона, вследствие равномерного распределения заряда по всему объему атома ожидалось, что при столкновении -частиц с атомами они легко пройдут через фольгу и будут незначительно отклоняться от прямолинейной траектории (рассеиваться). При этом картина их рассеивания должна была быть примерно такой, как на рисунке 124.

Однако полученные результаты совершенно не соответствовали этим предсказаниям. В экспериментах значительная часть -частиц действительно отклонялась на малые углы  от нуля до  от направления своего начального движения. По были и такие частицы, которые рассеивались на углы больше  (рис. 125) или даже возвращались назад.

Как писал сам Резерфорд: «Это было почти столь же неправдоподобным, как если бы вы произвели выстрел по кусочку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».

Толщина фольги в экспериментах Резерфорда соответствовала примерно 1600 слоям атомов.

Примерно одна из 20 000 -частиц испытывала отклонение на угол больше  одна из 40 000 — на угол больше  а одна из 70 000 — на угол больше 

Из результатов экспериментов следовало то, что внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создается положительным зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме. Название «ядро» для этого заряда было предложено Резерфордом. Размер ядра мал, но в нем сосредоточена практически вся масса атома. При сближении -частицы и ядра в соответствии с законом Кулона между ними возникают большие силы отталкивания, которые существенно изменяют траекторию -частиц (рис. 126, а).

В модели атома Томсона электрическое поле соответствует электрическому полю равномерно заряженного по объему шара (рис. 126, б), и при приближении к центру атома модуль его напряженности стремится к нулю. В этом случае не было бы -частиц, рассеянных на большие углы.

На основании анализа результатов проведенных экспериментов Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную модель атома (рис. 127):

1. в центре атома расположено ядро размером  его заряд  где  — порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева;
2. почти вся масса атома  сосредоточена в положительно заряженном ядре;
3. ядро окружают электроны, образуя электронную оболочку атома; число электронов равно  суммарный заряд электронов  поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Внутри атома электроны не могут покоиться, так как под действием сил Кулона они упали бы на ядро. Поэтому они вращаются вокруг ядра по определенным орбитам.

Такую модель атома называют также планетарной, поскольку она напоминает нашу Солнечную систему, в которой планеты вращаются вокруг массивного центра — Солнца.

Модель атома Резерфорда с изображением электронных орбит стала популярной эмблемой XX в. Так, на рисунке 128 показана эмблема физического факультета Белорусского государственного университета.

На основании ядерной модели атома были объяснены экспериментальные данные, полученные при изучении рассеивания -частиц. Но она противоречила законам классической механики и электродинамики, так как не позволяла объяснить факт стабильности существования атома.

Действительно, во-первых, в соответствии с законами классической электродинамики Максвелла при ускоренном движении электронов по орбитам они должны непрерывно излучать электромагнитные волны, частота которых должна быть равна частоте вращения электронов вокруг ядра.

Во-вторых, при излучении электроны должны были терять энергию и «упасть» на ядро за промежуток времени порядка  (рис. 129). Соответственно, в таком случае атомы должны были быть неустойчивыми и иметь очень короткое время жизни.

В-третьих, частота обращения электрона вокруг ядра (по мере приближения к ядру) должна была изменяться непрерывно, что привело бы к непрерывному характеру спектра излучения атома (частота излучения равна частоте колебаний источника). Однако в проведенных экспериментах наблюдался линейчатый спектр.

Таким образом, полное объяснение строения атома на основании механики Ньютона и электродинамики Максвелла было невозможно.

Квантовые постулаты Бора

Для преодоления противоречий, возникающих при описании строения атома на основе законов классической механики и электродинамики, с экспериментальными данными датский физик Нильс Бор в 1913 г. в работе «О строении атомов и молекул» предложил квантовую модель атома, основанную на двух постулатах. В современном виде они формулируются следующим образом.

1 постулат Бора (постулат стационарных состояний): атом может находиться в особых стационарных (квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает.

Стационарные состояния можно пронумеровать, присвоив им порядковые номера  причем каждому состоянию соответствует определенное дискретное значение энергии 

Согласно модели Бора стационарным состояниям атома соответствуют определенные (разрешенные) орбиты, по которым электроны движутся вокруг ядра.

Бор для простоты полагал, что эти орбиты представляют собой окружности, хотя в общем случае орбиты могут иметь форму эллипса, причем ядро располагается в одном из его фокусов (рис. 130).

Планеты Солнечной системы также движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Это обстоятельство делает аналогию между ядерной моделью атома и Солнечной системой еще более тесной.

Первый постулат противоречит как законам классической механики (энергия движущихся электронов может быть любой), так и законам классической электродинамики (ускоренно движущиеся электроны всегда излучают электромагнитные волны).

II постулат Бора (правило частот):

атом может переходить из одного стационарного состояния в другое. При этом переходе может испускаться или поглощаться квант электромагнитного излучения, частота которого определяется разностью энергий атома в данных состояниях:

где  — частота поглощенного или испущенного кванта излучения,  — энергия атома в  стационарном состоянии,  — постоянная Планка.

Если  то при переходе происходит излучение энергии, если  — ее поглощение.

Состояние атома, которому соответствует наименьшая энергия, называется основным, а состояния, которым соответствуют большие значения энергии, — возбужденными. В основном энергетическом состоянии атом может находиться неограниченно долго, а в остальных стационарных состояниях порядка  Это так называемое время жизни атома в возбужденном состоянии.

Как следует из II постулата Бора, частота излучения атома не связана с частотой вращения электрона по орбите, она определяется разностью значений энергии атома  в начальном и конечном состояниях. Переход атома из одного стационарного состояния в другое сопровождается электромагнитным излучением длиной волны

Таким образом, постулаты Бора позволили объяснить линейчатую структуру атомных спектров — она обусловлена дискретностью значений энергии атома в стационарных состояниях.

Бор предложил также количественное условие квантования для нахождения радиусов орбит электронов, движущихся по круговым орбитам. Стационарные (разрешенные) орбиты электронов в атоме находятся из условия

где  — номер орбита,  — масса электрона,  — модуль скорости электрона на  орбите,  — радиус  орбиты,  — постоянная Планка.

Таким образом, постулаты Бора основывались на трех экспериментальных предпосылках — результатах исследования атомных спектров, квантовой теории излучения, развитой Планком и Эйнштейном, и ядерной (планетарной) модели атома Резерфорда.

Исходя из постулатов Бора и условия квантования орбит (3), можно объяснить структуру энергетических уровней простейшего атома — атома водорода, состоящего из ядра (протона) и одного электрона, вращающегося вокруг него.

На основании второго закона Ныотона и закона Кулона, а также условия квантования орбит (3) Бор смог определить радиусы орбит электронов, а также энергии стационарных состояний. Радиус первой (ближайшей к атомному ядру) орбиты электрона  определяет размер атома водорода в основном состоянии. Он равен 

Из второго закона Ньютона следует, что при движении электрона по круговой орбите радиусом  вокруг ядра с линейной скоростью, модуль которой  сила Кулона  сообщает электрону центростремительное ускорение

где  — масса электрона,  — модуль заряда электрона.

Отсюда

Из условия квантования орбит (3) находим модуль скорости на орбите с номером 

Подставляем выражение (6) в соотношение (5) и находим радиус стационарной орбита электрона с номером 

Как видно из формулы (7), радиус орбиты возрастает пропорционально 

Модуль скорости электрона на орбите находим, подставляя выражение (7) в формулу (6):

Так как радиус  орбиты может принимать только дискретные (квантованные) значения  (3), то и энергия атома в различных стационарных состояниях может также принимать только дискретные значения  Энергия атома водорода определяется только номером орбиты 

Энергия электрона в атоме водорода равна сумме его кинетической энергии  при движении по круговой орбите и потенциальной энергии  в электростатическом поле ядра. Поскольку взаимодействуют частицы, имеющие заряды противоположных знаков (заряд ядра  заряд электрона  то между ними действует сила кулоновского притяжения и потенциальная энергия их взаимодействия отрицательна:

Энергия электрона в атоме совпадает с полной энергией атома — системы, состоящей из атомного ядра и электрона:

Подставив в формулу (10) выражение для модуля скорости (8) и радиуса   орбиты (7) для значений энергетических уровней атома  получаем:

Как видно из формулы (11), энергия атома водорода определяется только номером орбиты  поскольку все остальные величины в этой формуле — фундаментальные константы. Знак «минус» показывает, что система является связанной.

Согласно формуле (11) энергия атома водорода в основном состоянии  получается равной  а его энергия в ионизированном состоянии (когда электрон находится бесконечно далеко от ядра, т. е.  -  Во втором состоянии энергия в третьем 

Энергию атома водорода можно считать по формуле:
 

Так как энергия атома может принимать только дискретный набор значений, то говорят, что она квантованна.

Для наглядного представления стационарных энергетических состояний атома используется энергетическая диаграмма (рис. 131). Графически возможные значения энергии атома изображают в виде схемы уровней энергии (энергетических уровней ) — горизонтальных прямых, проведенных на расстояниях, в определенном масштабе, соответствующем разностям разрешенных значений энергии. Переходы атома из одного состояния в другое изображаются на диаграмме вертикальными линиями между соответствующими уровнями. Направление перехода обозначается стрелками.

Энергетическую диаграмму можно считать своеобразной «лестницей» с «нижней площадкой» (основным состоянием) и поднимающимися вверх «ступенями» (возбужденными состояниями). Формула для энергетических уровней энергии  атома показывает важную закономерность: чем выше поднимается над основным (первым) уровнем энергетическая «лестница», тем менее «крутыми» становятся ее ступени (на рисунке 132 это хорошо видно при 

Следовательно, чем электрон дальше от ядра, тем на меньшую величину отличаются соседние уровни энергии, т. е. густота энергетических уровней растет. Квантовые скачки при этом уменьшаются, вследствие чего переходы между стационарными состояниями атома все больше и больше становятся «похожими» на непрерывное изменение энергии. Таким образом, по мере  132 удаления от ядра (с ростом  энергетическая  «лестница» постепенно превращается в пологий «плавный подъем» (см. рис. 132), т. е. энергия становится почти непрерывной величиной, как в классической теории. Для удаления электрона из атома водорода, находящегося в основном состоянии, атому необходимо сообщить энергию  Энергия  называется энергией связи электрона в атоме, а процесс удаления электрона из атома — ионизацией. Разность энергий  равна энергии ионизации атома водорода. Выше уровня  электрон является свободным и может иметь любую энергию.

^jtf! В соответствии с представлениями квантовой механики свободное движение электрона, оторванного от атома, подобно распространению бегущей волны в неограниченном пространстве. Для нее возможны любые значения длин волн. Следовательно, энергия свободного электрона не квантуется, и спектр его энергий излучения непрерывный. Вследствие этого линия, обозначенная на энергетической диаграмме  соответствует коротковолновой границе линейчатой структуры излучения (поглощения) атома. К ней примыкает непрерывный спектр излучения электрона.

Ионизация сложных атомов может быть однократной (атом теряет один электрон), двукратной (два электрона) и т. д.

Поскольку при возбуждении атома радиус орбиты электрона возрастает, то испускание излучения атомом происходит при переходах электронов в атоме с внешних орбит на внутренние (рис. 133).

Модель атома Бора позволяет описать не только атом водорода, но и ионизированные атомы (ионы) других элементов, вокруг ядер которых, как и в атоме водорода, движется только один электрон. Такие ионы называются водородоподобными. Примерами таких ионов являются однократно ионизированный атом гелия  двукратно ионизированный атом лития  и т. д.

Необходимо отметить, что энергия атома может изменяться не только при испускании или поглощении энергии, но и при столкновении атомов. При неупругом столкновении изменяется внутренняя энергия сталкивающихся атомов и электроны в них переходят Рис. 133. Переходы электронов в атоме на другие уровни энергии.  
В 1922 г. Нильсу Бору была присуждена Нобелевская премия «за заслуги в исследовании строения атомов и излучения».

Исследования Бора фактически положили начало новому этапу развития спектроскопии, которая из эмпирической науки превратилась в эффективный метод изучения атомной структуры. Спустя полвека по этому поводу Бор скажет: «Я увидел путь рождения спектров!»

С помощью модели атома Бора удалось:

во-первых, вычислить энергию ионизации атома водорода, хорошо согласующуюся с экспериментом: как теория, так и эксперимент дали значение 

во-вторых, значительно продвинуться в объяснении закономерностей периодической системы химических элементов Менделеева. Согласно модели атома Бора электроны движутся по определенным орбитам, образующим различные группы — электронные оболочки. Структура электронных оболочек определяет химические свойства элементов, которые периодически повторяются по мере заполнения оболочек электронами. Это позволило «предсказывать» свойства неизвестных элементов. Так, например, был открыт элемент с порядковым номером  — гафний, по своим свойствам аналогичный цирконию 

Модель атома Бора объяснила основные закономерности спектра атома водорода, хотя частично сохранила классический характер, поскольку в ней предполагалось, что электроны движутся по орбитам вокруг ядра. На основе данной модели не удалось построить теорию более сложных атомов, например объяснить спектр излучения следующего за водородом атома гелия, который содержит всего два электрона. Соответственно, не могло быть и речи об объяснении на основании данной модели строения молекул, так как в них картина движения и взаимодействия электронов и атомных ядер намного сложнее, чем в атомах.

Теория атома Бора явилась важнейшим этапом на пути создания последовательной теории микроскопических явлений — квантовой механики.

Квантово-механическая модель атома

Теория Бора предложила физикам пользоваться по понедельникам, средам и пятницам классическими законами, а по вторникам, четвергам и субботам — квантовыми.

Вильям Брэгг-старший

Атомная орбиталь — область околоядерного пространства, в котором наиболее вероятно нахождение данного электрона (рис. 134). В зависимости от энергии электронов орбитали имеют различные формы и размеры. Каждый электрон характеризуется собственным механическим моментом движения, который называется спином (от англ. spin — вращать), проекция которого принимает два значения. На одной орбитали может находиться не более двух электронов, имеющих противоположные (антипараллельные) спины.

В классической механике движение частицы описывается заданием ее координат и импульса (скорости) в каждой точке траектории. Чтобы рассчитать параметры движения любой сложной системы, достаточно задать координаты и импульсы (скорости) всех частиц, входящих в систему, в начальный момент времени и условия, при которых происходит

движение (действующие силы, поля). После этого, используя уравнения движения (второй закон Ньютона), можно найти координаты и импульсы (скорости) в любой момент времени, т. е. определить, где будет находиться частица в тот или иной момент времени.

При переходе в область микромира оказывается, что такой способ не применим. Для описания явлений микромира была разработана квантовая механика.

Квантовая механика — раздел физики, в котором изучаются свойства и поведение микрочастиц, а также связь величин, характеризующих частицы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в экспериментах.

Результаты экспериментов показывали, что микрообъекты обладают одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Так, например, электрон является частицей, имеющей определенную массу и заряд, но при его движении вокруг ядра необходимо учитывать его волновые свойства, так как у него отсутствует определенная траектория движения и точное расположение в пространстве. Для объяснения двойственного поведения микрообъектов требовался кардинальный пересмотр установившихся представлений.

В квантовой механике движение частицы описывается волновой функцией  — функцией координат и времени. Зная волновую функцию частицы, используя измерительные приборы, можно получить сведения о поведении этой частицы и о результатах любого ее взаимодействия. При этом волновая функция характеризует вероятность любого результата измерения. Квадрат ее модуля  определяет вероятность пребывания частицы в окрестностях точки с координатами  в момент времени  В квантовой механике, даже если задать все начальные условия в какой-то момент времени и полностью решить

систему уравнений для волновых функций, можно установить только вероятность тех или иных процессов. Например, вероятность обнаружить электрон в данном месте может оказаться в 10 раз больше вероятности его нахождения в другом месте. Однако предсказать его положение со стопроцентной достоверностью, как это было в классической механике, уже нельзя.

Электроны в атоме приближенно рассматриваются как «размазанные» в пространстве и образующие вокруг ядра электронное облако (см. рис. 134). Электронное облако, которое соответствует основному состоянию, концентрируется в области, находящейся достаточно близко к ядру. Для возбужденных состояний оно распределяется на все большие расстояния от ядра. Слабее всего связаны с ядром электроны самой внешней оболочки, которые определяют размеры атома в целом.

В зависимости от того, что и как измеряется в определенном состоянии частицы, на первый план выступают то ее корпускулярные свойства, то ее волновые свойства. Применение волновой функции позволяет описать как корпускулярные, так и волновые свойства микрочастиц.

Важнейшим физическим положением квантовой механики является знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, согласно которому:

ни при каком увеличении точности измерений невозможно добиться того, чтобы произведение неопределенностей измерения координаты и импульса частицы стало меньше постоянной Планка.

Этот принцип математически выражается в виде следующего неравенства, связывающего неопределенность  координаты  с неопределенностью  проекции импульса 

которое обычно называют соотношением неопределенностей Гейзенберга.

По мнению Бора, координаты и импульсы подобны двум проекциям предмета, который может быть сфотографирован либо спереди, либо сбоку, но не сразу со всех сторон. Они не отвергают, а дополняют друг друга.

Таким образом, в квантовой механике для системы, находящейся в некотором известном состоянии, можно предсказать результаты измерений либо ее положения, либо ее импульса по отдельности. Вероятностная интерпретация предсказывает, что измерения одинаковым детектором для одинаковых частиц в одинаковых состояниях одной и той же величины будут давать разные результата. В частности, вероятность координаты определяется как 

Один из важнейших выводов квантовой механики состоит в том, что существует наинизший уровень энергии, которому соответствует основное состояние системы. В этом состоянии система обладает минимальной кинетической энергией, Причем 

Ядерная модель атома не означает, что существуют орбиты электронов и что электрон необходимо уподобить твердому шарику, движущемуся вокруг ядра. Отказ от такого механического представления об электроне и его движении позволил В. Гейзенбергу и Э. Шредингеру построить квантовую теорию атома, в которой постулата Бора оказываются следствиями более общих принципов.

В квантовой механике для задания каждого состояния электрона в атоме необходимы четыре различных квантовых числа  В таблице 9 представлены допустимые значения всех четырех квантовых чисел электрона.

Рассмотрим основы квантово-механического описания наиболее простого атома — атома водорода. Квантовое число  из модели атома Бора сохраняется под называнием главного квантового числа. Оно принимает целочисленные значения от  От него зависит полная энергия состояния атома водорода:

Число  называется орбитальным квантовым числом, которое (при заданном  принимает целочисленные значения

Число  называется магнитным квантовым числом и принимает (при заданном  целочисленные значения от 

Для описания состояний электрона в атоме вводится еще одно квантовое число — спиновое  которое принимает два значения:

Это связано с тем, что при заданных  электрон может находиться в двух различных состояниях, характеризуемых проекцией спина.

Швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули предложил простое правило (принцип запрета Паули) — в одном и том же квантовом состоянии может находиться не более одного электрона.

В 1925 г. Паули написал: «В атоме не может существовать двух или больше электронов, для которых значения всех квантовых чисел одинаковы. Если в атоме находится электрон, для которого все эти числа имеют определенное значение, то это состояние «занято».

Согласно этому принципу два электрона не могут иметь одинакового набора квантовых чисел, и на его основе объясняется наличие групп из 2, 8, 18 и 32 элементов периодической таблицы Менделеева.

Эти группы элементов являются следствием принципа запрета Паули, а также квантово-механического правила, согласно которому значение квантового числа  не превосходит  а квантовое число  пробегает ряд целочисленных значений от 

Атом водорода может иметь одно и то же значение энергии, находясь в различных состояниях (рис. 135). Энергия атома водорода зависит только от главного квантового числа  но уровню энергии с заданным  соответствуют несколько

состояний, отличающихся значениями  Состояния с заданными значениями  принято обозначать как  где цифры указывают значения  а буквы  — соответствующие значения  Уровень, которому соответствует лишь одно квантовое состояние, называется невырожденным..

Полное число всех возможных состояний электрона с различными  при фиксированном значении главного квантового числа  получится  С учетом двух возможных значений спина общее число электронов в оболочке оказывается равным  Это и есть максимальное число электронов в оболочке с номером 

Спектр излучения (поглощения) атома водорода можно полностью описать как результат переходов электронов в атоме из одних состояний, описываемых квантовыми числами  в другие, описываемые иным набором. Однако, как доказано теоретически и подтверждено экспериментально, разрешены не все переходы, а только удовлетворяющие правилам отбора.

Правила отбора касаются изменений орбитального  и магнитного  квантовых чисел при переходах с излучением (т. е. испусканием или поглощением). Их изменение удовлетворяет условиям:

В то же время правила отбора не накладывают никаких ограничений на изменения главного квантового числа 

Совокупность в многоэлектронном атоме электронов, имеющих одно и то же главное квантовое число, называют электронной оболочкой или слоем.

Основные законы квантовой механики были открыты в 1900—1928 гг. В это же время произошло ее становление как новой науки — полноправного раздела теоретической физики. Были выдвинуты новые фундаментальные идеи — кванта энергии и света, стационарных состояний атомных систем и переходов между ними, принципа соответствия и корпускулярно-волнового дуализма для излучения и микрочастиц.

После успешного описания атома водорода квантовая механика стала применяться для решения разнообразных проблем современной физики микроскопических явлений — в теориях атомов и молекул, ядер, элементарных частиц, столкновений и излучения. Как было установлено в прошлом веке, квантовые свойства частиц проявляются в таких физических явлениях, как сверхпроводимость, ферромагнетизм, сверхтекучесть.

• В 1932 г. Вернеру Гейзенбергу была присуждена Нобелевская премия по физике за разработку основ квантовой механики.
• В 1933 г. «за открытие новых форм атомной теории» Эрвин Шредингер был удостоен Нобелевской премии по физике.
• В 1945 г. В. Паули была присуждена Нобелевская премия по физике за открытие принципа запрета.
• В 1954 г. М. Борн был удостоен Нобелевской премии за фундаментальные исследования в квантовой механике, в особенности за статистическую интерпретацию волновой функции.

Излучение и поглощение света атомом. Спектры испускания и поглощения

Вследствие того что энергия атома квантована, она характеризуется определенным набором энергетических уровней  Испускание излучения происходит при переходе электронов атома с высших энергетических уровней  на один из низших энергетических уровней  Атом излучает фотон (квант электромагнитной энергии) с энергией  Частота излучения при этом:

Атом самопроизвольно переходит в основное состояние не только сразу, но и поэтапно — через промежуточные состояния, излучая при этом соответствующие кванты света. Набор их частот образует линейчатый спектр излучения атома.

Поглощение света — процесс, обратный испусканию. Атом, поглощая фотон  переходит из низшего состояния  в более высокое состояние  При этом частота поглощенного фотона будет равна:

Данные переходы дают линейчатый спектр поглощения атома. Частоты переходов испусканием и поглощением, происходящие между одними и теми же энергетическими уровнями, совпадают.

Таким образом, спектры атомов позволяют определять изменения энергии атома при испускании или поглощении им излучения.

Спектры, полученные от самосветящихся тел, называются спектрами испускания. Они бывают трех типов: линейчатые, полосатые и сплошные.

Линейчатые спектры имеют все вещества в газообразном атомарном состоянии. Обычно (например, при нормальных условиях) атомы газа находятся в основном состоянии и не излучают света. Если нагревать такой газ, то электроны в некоторых атомах переходят на более высокие энергетические уровни. Такие (возбужденные) атомы при переходе электронов на более низкие энергетические уровни и испускают фотоны. В результате атомарные спектры состоят из отдельных узких линий различного цвета, разделенных темными промежутками (рис. 136).

Изучение линейчатых спектров показало, что каждый химический элемент обладает своим строго индивидуальным спектром. Такие спектры отличаются друг от друга цветом отдельных светящихся линий, их положением и числом.

Полосатые спектры имеют газы, состоящие из молекул. Для объяснения молекулярных спектров необходимо принимать во внимание большую сложность структуры молекул. В молекулах, кроме движения электронов, происходят колебательное движение ядер около положения равновесия и вращательное движение молекулы как целого. Согласно квантовой механике энергия всех видов движения может принимать только определенные дискретные значения (квантуется). Полная энергия молекулы определяется тремя видами ее внутренних движений. Электронному, колебательному и вращательному движениям молекулы соответствуют три типа уровней энергии: электронные, колебательные и вращательные. При соединении атомов в молекулы каждый атомный уровень превращается в ряд близких уровней, соответствующих колебательным и вращательным движениям. Так как расстояние между этими уровнями очень мало, особенно в случае вращательных уровней (характерное расстояние между уровнями  то в результате переходов между этими уровнями возникает множество очень близких спектральных линий. Это обусловливает появление системы полос

в спектрах таких молекул (рис. 137). Спектры молекул можно использовать для идентификации молекул и их структуры.

Непрерывные (сплошные) спектры имеют нагретые тела, находящиеся в твердом и жидком состоянии, а также газы при высоком давлении и плазма. Вследствие интенсивного взаимодействия между молекулами индивидуальные черты, присущие отдельным частицам, в таких спектрах неразличимы. В них представлены все длины волн, нет темных промежутков и на экране видна сплошная разноцветная полоса (рис. 138).

Прозрачные вещества поглощают часть падающего на них излучения, и в спектре, полученном после прохождения белого света через такие вещества, появляются темные линии, или полосы поглощения. Такой спектр называется спектром поглощения (рис. 139).

Так, вещество в газообразном состоянии поглощает наиболее сильно свет тех длин волн, которые оно испускает в нагретом состоянии.

Это означает, что темные линии в спектре поглощения будут находиться как раз в тех местах, где находятся светящиеся линии в спектре испускания данного химического элемента.

Эти строго установленные закономерности в линейчатых спектрах дают возможность обнаружить те или иные элементы в данном веществе.

Спектр поглощения атома водорода при нормальных условиях содержит только одну серию линий (серию Лаймана), частоты которых находятся в ультрафиолетовой области. Это объясняется тем, что при относительно небольших температуре и давлении атомы водорода не возбуждены и поглощение будет происходить только с первого энергетического уровня.

Для определения качественного и количественного состава вещества применяется метод, основанный на получении и исследовании его спектров. Этот метод называется спектральным анализом. Это самый быстрый и простой способ определения состава различных химических соединений.

Основатели спектрального анализа немецкие физики Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф, исследуя спектры паров соединений щелочных металлов лития, натрия и калия, обнаружили новые элементы — рубидий и цезий, названные так по цвету наиболее ярких линий в их спектрах. У рубидия — красная линия, у цезия — синяя.

Спектральный анализ базируется на двух основных положениях:

1. каждый химический элемент или химическое соединение характеризуется определенным спектром;
2. интенсивность линий и полос в спектре зависит от концентрации того или иного элемента в веществе.

К достоинствам спектрального анализа можно отнести:

высокую чувствительность (обнаруживает элементы с относительной концентрацией  т. е. один атом вещества на сто миллионов других атомов);

• малое время измерения;
• малые количества исследуемого вещества (достаточно  и даже до I  вплоть до возможности детектирования отдельных молекул;
• дистанционность измерений (можно проводить исследования, например, состава атмосферы далеких планет).

По спектрам определяют, из каких химических элементов состоит вещество и их количество.

Белорусский физик академик Михаил Александрович Ельяшевич разработал основы теории колебаний многоатомных молекул и их колебательных спектров. Он внес значительный вклад в теорию спектров редкоземельных элементов и низкотемпературной плазмы.

Спонтанное и индуцированное излучение

Излучение, происходящее с неизменной частотой, называется монохроматическим.

Энергия атома квантована, т. е. имеет дискретный ряд значений энергии   Электроны в атоме могут находиться в одном из состояний, определяемых этими уровнями энергии. Вследствие этого при переходах электронов с одного уровня на другой атом излучает или поглощает кванты энергии электромагнитного поля. Существуют два вида переходов: спонтанные и вынужденные.

Если электрон в атоме, находящийся в возбужденном состоянии на верхнем энергетическом уровне  переходит на более низкий уровень  самопроизвольно, без каких-либо внешних воздействий, то происходит так называемый спонтанный переход (рис. 140, а). При таком переходе излучается фотон, частота которого определяется соотношением:

Переход такого рода является случайным (вероятностным) процессом, происходящим в принципиально непредсказуемый момент времени. Этим переходам соответствует спонтанное излучение. Такие процессы происходят в нагретых телах и светящихся газах. При нагревании или электрическом разряде часть атомов переходит в возбужденное состояние. Затем они излучают свет, переходя в основное состояние.

Случайность спонтанных переходов электронов в атомах и молекулах различных веществ означает то, что они происходят неодновременно и независимо друг от друга, поэтому фазы излучаемых при переходах электромагнитных волн не согласованны. Случайным является не только момент испускания фотонов, но и направление их распространения и их поляризация (направление  электрического поля и  магнитного поля в электромагнитной волне). Вследствие этого спонтанное излучение вещества ненаправленно, некогерентно и неполяризованно. Примером такого излучения является свет ламп накаливания.

Переход атома из одного состояния в другое может происходить также безызлучательным путем. В этом случае избыток энергии выделяется в какой-либо иной форме. Например, он может перейти в кинетическую энергию окружающих молекул.

В атоме, находящемся в возбужденном состоянии, электрон может перейти с верхнего уровня  на нижний  не только спонтанно, но и под действием электромагнитного излучения, частота которого  совпадает с частотой (1) (рис. 140, в). Переходы, происходящие под действием внешнего электромагнитного излучения, называются индуцированными или вынужденными. При таком переходе излучается квант энергии  который добавляется к исходящему от внешнего источника излучению. Отличительной особенностью индуцированного излучения является тождественность излученного фотона и фотона, индуцировавшего данный переход. Оба фотона при этом имеют одинаковые частоту, фазу, направление распространения, т. е., образно говоря, «клонируют» друг друга. Именно поэтому индуцированное излучение приобретает свойства монохроматичности, когерентности, направленности.

Понятие индуцированного излучения было введено А. Эйнштейном в 1916 г.

Кроме рассмотренного индуцированного перехода «сверху вниз», могут происходить и вынужденные переходы «снизу вверх» (рис. 140, б). Если электрон в атоме находится на нижнем уровне  то он может перейти на верхний уровень  под действием внешнего электромагнитного излучения частотой (1). Атом при этом поглощает фотон, энергия которого 

Дискретность энергетического спектра характерна не только для атомов, но и для любой системы взаимодействующих микрочастиц — молекул, ионов, твердых тел.

Важнейшей характеристикой любого квантового перехода является вероятность перехода, которая определяет, как часто происходит данный квантовый переход. Вынужденные переходы отличаются от спонтанных зависимостью от внешних условий. Их вероятность прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения, в то время как вероятность спонтанного перехода постоянна для данной пары энергетических уровней.

Число атомов, электроны которых находятся на данном энергетическом уровне в единице объема вещества, называют населенностью этого уровня. В естественных условиях (в условиях теплового равновесия) в веществе число атомов  в возбужденном состоянии с большей энергией  меньше, чем число атомов  в состоянии с меньшей энергией  т. е. при  населенность уровня  меньше, чем населенность уровня с энергией  (рис. 141, а).

Для усиления излучения необходимо искусственно изменить населенности уровней в веществе. Рассмотрим два энергетических уровня атома  Если при падении на такое вещество электромагнитного излучения частотой  (1) достигнуто неравновесное состояние вещества, для которого на верхнем энергетическом уровне находится большее количество электронов в атоме, чем на нижнем  то излучаться будет большее число квантов, чем поглощаться. В этом случае будет происходить усиление падающего излучения, и вещество будет действовать как усилитель.

Состояние вещества, при котором для некоторой пары уровней населенность верхнего уровня больше, чем нижнего, получило название состояния с инверсной населенностью (рис. 141, б). Процесс создания инверсной населенности получил название накачки. Вещество, в котором осуществлена инверсия населенностей, называется активным (или активной средой).

Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую «обратную связь». Смысл обратной связи заключается в том, что часть усиленного излучения остается в активном веществе и подвергается повторному когерентному усилению.

Явление индуцированного излучения позволяет управлять излучением атомов, усиливать и генерировать когерентное излучение.

Основная трудность в практическом осуществлении данной идеи — создание инверсной населенности. Советскими физиками Николаем Геннадьевичем Басовым и Александром Михайловичем Прохоровым в середине пятидесятых годов XX в. был предложен универсальный метод создания инверсной населенности посредством воздействия на молекулы внешнего электромагнитного излучения на резонансной частоте. Впоследствии он получил название метода трех уровней.

Вещество, в котором имеются метастабильные уровни, можно эффективно использовать для усиления света. Рассмотрим, как была решена эта проблема на примере трехуровневой системы. Общее число уровней в веществе всегда велико, но в нем существуют три «рабочих» энергетических уровня, которые позволяют создать инверсию населенностей. У некоторых атомов имеются долгоживущие промежуточные возбужденные состояния (их называют метастабильными), время жизни в которых может доходить до нескольких секунд, в то время как в обычных возбужденных состояниях время жизни 

В этом случае, если накачка производится на частоте перехода между нижним и верхним уровнями, то можно перевести часть атомов из основного 1 в возбужденное состояние 3 (рис. 142). За короткое время (время жизни порядка  большая часть этих атомов самопроизвольно перейдет в метастабильное долгоживущее возбужденное состояние 2 без излучения. Избыточная энергия передается веществу, вследствие чего оно нагревается.

Населенность промежуточного (метастабильного) уровня, увеличиваясь за счет спонтанных переходов с верхнего уровня на промежуточный, может превысить населенность нижнего уровня. Пропустив излучение с частотой через эту систему находящихся в метастабильном состоянии атомов, получаем дополнительно к исходным фотонам еще и индуцировано испущенные фотоны (см. рис. 142). Вследствие этого результирующий поток фотонов будет превышать исходный. Таким образом, на частоте перехода с метастабильного уровня 2 на основной уровень 1 будет происходить усиление и генерация излучения.

Лазеры

При взаимодействии с активным веществом (средой) внешнее излучение усилится, поскольку' к исходным фотонам добавятся индуцированные фотоны с тождественными характеристиками. Тождественность фотонов приводит к тому, что при их взаимодействии с новым возбужденным атомом получается вместо 2 уже 4 фотона, затем 8, 16 и т. д. Это позволяет использовать вынужденное излучение для усиления электромагнитных волн и создания генераторов монохроматического когерентного излучения — лазеров.

Слово лазер является сокращенной записью английской фразы — Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (laser), которая переводится так: усиление света путем вынужденного испускания излучения.

Таким образом, принцип работы лазеров заключается в использовании вынужденных излучательных переходов в системах с инверсией населенности для генерации когерентных световых волн.

Принципиальная схема рубинового лазера представлена на рисунке 143. Обратная связь в лазере достигается размещением активного вещества 1 в оптическом резонаторе. Он состоит из двух параллельных плоских зеркал, одно из которых — полностью отражающее 2, другое — полупрозрачное 3, служащее для выхода излучения 5 из резонатора.

Накачка 4 создает инверсию населенностей уровней. На начальной стадии генерации фотоны, спонтанно испущенные атомами активной среды, распространяются в различных направлениях. Но только фотоны, которые распространяются перпендикулярно зеркалам, многократно проходят через активную среду в результате отражений от зеркал резонатора.

Излученная атомами энергия накапливается в резонаторе и, воздействуя на активную среду, вызывает новые индуцированные переходы. Происходит лавинообразное «размножение» фотонов в веществе. Далее пучок монохроматического лазерного излучения выходит наружу через полупрозрачное зеркало.

Мощность индуцированного излучения должна превысить мощность неизбежных потерь на поглощение, рассеивание излучения, нагревание зеркал резонатора и т. п. Поэтому для эффективной генерации интенсивность падающего на вещество излучения накачки должна превысить некоторое пороговое значение.

Таким образом, для работы лазера необходимо наличие активной среды, резонатора и превышения порога генерации в системе.

Основными характеристиками лазерного излучения являются когерентность, малая расходимость (узкая направленность), монохроматичность, возможность получать сверхкороткие импульсы, большая мощность.

В рубиновом лазере используется оптическая накачка светом мощной импульсной лампы-вспышки (лампой накачки), в полупроводниковых лазерах неравновесное состояние достигается при пропускании электрического тока через переход, а в газовых лазерах атомы рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

По виду активной среды и способу накачки лазеры можно разделить на газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные, химические, газодинамические.

Лазеры находят широкое применение в голографии, передаче оптической информации, обработке материалов (сварка, резка, сверление и т. п.), медицине, локации, рекламе.

При работе с лазерами необходимо быть внимательными и осторожными. Наибольшую опасность лазерное излучение представляет для глаз и кожи. При попадании в глаз луч лазера фокусируется в пятно очень малых размеров, что может за доли секунды привести к ожогам сетчатки глаза, частичной или полной необратимой потере зрения. Прямое, а в некоторых случаях лазерного излучения и рассеянное излучение лазеров большой мощности способно вызывать ожоги кожи. Оно представляет также пожарную опасность.

Знак опасности, предупреждающий о лазерном излучении, приведен на рисунке 144.

В 1964 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Н. Г. Басову, А. М. Прохорову и Ч. Таунсу «за фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию лазера».

Белорусский физик академик Николай Александрович Борисевич в 1978 г. открыл явление «стабилизации» электронно-возбужденных многоатомных молекул. Он впервые получил генерацию излучения многоатомных молекул в газовой фазе; разработал газовые и одночастотные гелиево-неоновые лазеры со значительной выходной мощностью.

В 1957 г. белорусский физик академик Борис Иванович Степанов вывел универсальное соотношение между спектрами поглощения и испускания сложных молекул и полупроводников, которое получило название соотношение Степанова. Он (совместно с А. Н. Рубиновым и В. А. Мостовниковым) открыл новый класс генерирующих соединений — органические красители.

Итоги:

К числу первых моделей атомов относятся модель атома Томсона и ядерная (планетарная) модель атома Резерфорда.

Постулаты Бора.

I постулат Бора (постулат стационарных состояний):

атом может находиться в особых стационарных квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает.

II постулат Бора (правило частот):

атом может переходить из одного стационарного состояния в другое. При этом переходе испускается или поглощается квант электромагнитной энергии, частота которого определяется разностью энергий атома в данных состояниях:

где  — частота поглощенного или испущенного кванта излучения,  — энергия атома в  стационарном состоянии,  — постоянная Планка.

Условие квантования орбит в атоме:

Квантовая механика — раздел физики, в котором изучаются свойства и поведение микрочастиц, а также связь величин, характеризующих частицы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в экспериментах.

В квантовой механике для задания состояния электрона в атоме необходимы четыре различных квантовых числа: главное квантовое  орбитальное квантовое  магнитное квантовое  спиновое квантовое 

Принцип запрета Паули: в одном и том же квантовом состоянии может находиться не более одного электрона.

Принцип соответствия: любая новая теория, претендующая на более глубокое описание физических явлений (соответственно и на более широкую область применимости) должна включать в себя «предшествующие» теории как предельные случаи.

Состояние вещества, при котором для некоторой пары уровней населенность верхнего больше, чем нижнего, получило название состояния с инверсной населенностью.

Среда с инверсной населенностью уровней энергии — активная среда.

Процесс перевода атомов из основного состояния в возбужденное называют накачкой.

Основной физический процесс, определяющий действие лазера, — это индуцированное испускание излучения.

Основные характеристики лазерного излучения: когерентность, малая расходимость (узкая направленность), монохроматичность, реализация сверхкоротких импульсов, большая мощность излучения.

Атомная физика

В древние времена греческие ученые Демокрит, Эпикур и Лукреций выдвигали мысль о том, что все вещества состоят из многочисленных неделимых частиц - атомов (атом по-гречески «атомос» означает «неделимый»). Однако на это по разным причинам долгое время не обращали серьезного внимания. В восемнадцатом веке в результате научно-исследовательских работ таких ученых, как А. Лавуазье (француз) (1743-1794 гг.), Ж. Дальтон (англичанин) (1766-1844 гг.), А. Авогадро (итальянец) (1776-1856 гг.), М. Ломоносов (русский) (1711-1765 гг.), Ю. Берцелиус (швед) (1979-1848 гг.), не осталось сомнений в существовании атомов. Д.И. Менделеев в 1869 году создал периодическую систему элементов, где показал, что атомы всех веществ имеют похожее друг на друга строение. Вместе с тем к началу двадцатого века возникли проблемы изучения строения атома, который считался неделимым. Английский физик Дж.Дж. Томсон в 1904 году предложил первую модель строения атома. Другой английский физик Э. Резерфорд на основе своих экспериментов показал несостоятельность модели Томсона и предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Позже установили, что атомное ядро состоит из комплекса положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов.

Атомная модель Бора и постулаты Бора

В 1904 году английский физик Дж.Дж. Томсон предложил первую модель строения атома. Согласно этой модели атом представляет собой положительно заряженный шар размером м, с равномерно распределенной массой. Внутри шара имеются отрицательные заряды (электроны), совершающие вокруг равновесного положения колебательные движения (здесь атом можно рассматривать как арбуз, а электроны, как размещенные внутри косточки). Сумма положительных и отрицательных зарядов равна.

Другой английский физик Э. Резерфорд в 1911 году на основе своих экспериментов отверг модель Томсона и предложил ядерную (планетарную) модель атома. Согласно этой модели атом представляет собой маленькую солнечную систему: в центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а электроны вращаются по замкнутым орбитам (электронным оболочкам) атома и их заряд равен положительному заряду ядра.

Размер атома чрезвычайно мал и непосредственно изучать его строение очень сложно. Поэтому целесообразно это делать с помощью других характеристик, позволяющих получать информацию о внутреннем строении атома. Одной из таких характеристик, которая достаточно подробно изучена, - спектр излучения атома (оптический спектр), который появляется при испускании (или поглощении) электромагнитного излучения.

Швейцарский физик И. Бальмер в 1885 году на основе результатов экспериментов вывел формулу для частоты линий спектра водорода:

Где: - постоянная Ридберга, постоянные числа, - принимает значения Согласно этой формуле спектр водорода состоит из прерывистых линий.

Ядерная модель Резерфорда не смогла объяснить спектральные закономерности атома. Кроме того, эта модель противоречит законам классической механики и электродинамики.

Во-первых, движение электрона вокруг ядра по орбите является криволинейным, т.е. движение происходит с ускорением. При этом движении энергия электрона уменьшается, что ведет к уменьшению орбиты вращения, и он будет приближаться к ядру. Иначе говоря, через определенное время электрон должен упасть на ядро и атом должен прекратить свое существование. Согласно модели Резерфорда атом не является стабильной системой. На практике атом является очень прочной системой.

Во-вторых, чем ближе электрон подходит к ядру, тем меньше радиус орбиты вращения  при этом скорость не меняется В
результате увеличения ускорения частота излучения электрона

должна непрерывно увеличиваться, а значит, должен наблюдаться спектр непрерывного излучения. Опыты и согласованная с ними формула И. Бальмера показывают, что в действительности спектр излучения атома прерывистый (линейный).

В 1913 году к ядерной модели Резерфорда применили квантовую теорию и создали модель атома водорода, которая может полностью объяснить результаты опытов.

В основу теории Бора легли следующие два постулата. Каждый из этих постулатов направлен на устранение двух вышеизложенных недостатков модели Резерфорда.

1. Постулат о стационарных состояниях: в атоме существуют стационарные орбиты электронов с определенным моментом количества движения, кратным постоянной Планка.

Электроны на этих стационарных орбитах, даже при движении с ускорением, находятся в устойчивом состоянии.

Момент количества движения (момент импульса) электрона на стационарной орбите квантуется и определяется следующим условием:

Здесь: - масса электрона; - радиус  -орбиты; - скорость электрона на этой орбите; — момент импульса электрона на этой

орбите; - целое число, не равное нулю, его называют главным квантовым числом; - постоянная Планка).

Следовательно, по первому постулату Бора, электрон в атоме может двигаться только по определенным орбитам, которые называются стационарными. В ходе этого движения электрон не излучает энергию, следовательно, она не уменьшается. А если энергия не уменьшается и электрон не падает на ядро, то атом не исчезает. Таким образом, этот постулат ликвидирует первый недостаток модели Резерфорда.

2. Постулат о частотах: электрон, только при переходе из одной стационарной орбиты на другую, испускает (или поглощает) фотон с энергией, равной разнице энергий этих стационарных состояний:

здесь: - соответственно энергии электрона на стационарных орбитах.

Если фотон испускается. При этом электрон переходит из состояния с большой энергией в состояние с меньшей энергией, т.е. переходит с дальней на ближнюю от ядра стационарную орбиту.

Если фотон поглощается, происходит обратный процесс.

Из выражения (7-2) можно определить частоту, происходящего излучения, т.е. найти линейный спектр атома:

Согласно второму постулату Бора, электрон не может испускать излучение любой частоты, а может испускать только излучение, удовлетворяющее условию (7-4). Поэтому спектр излучения атома не является непрерывным, а имеет прерывистый (линейный) вид. Значит, второй постулат Бора устраняет второй недостаток модели Резерфорда.

Радиус орбиты электрона определяется с помощью следующего выражения:

здесь:-показывает порядковый номер стационарной орбиты электрона (точнее, стационарного состояния атома). Например, если возьмем мы создаем значение радиуса первой стационарной орбиты электрона в атоме водорода. Этот радиус называется первый радиус Бора и в атомной физике используется в качестве единицы длины:

Энергия атома на любом энергетическом уровне определяется по следующей формуле:

Как видно из этого выражения, полная энергия атома водорода отрицательная, и показывает, сколько энергии требуется израсходовать для разделения электрона и протона на свободные частицы. Иначе говоря, именно эта энергия удерживает эти две частицы в виде единого атома. Поэтому состояние считается самым устойчивым состоянием. В этом состоянии атом имеет самую маленькую энергию, и его называют основным энергетическим состоянием. Для ионизации атома водорода в этом состоянии требуется самое большое количество энергии. Состояние  называется возбужденным состоянием и в этом состоянии энергия атома меньше. Тогда для ионизации атома в этом состоянии расходуется меньше энергии.

Согласно второму постулату Бора, электрон при переходе с одного уровня на другой, испускает или поглощает фотон с энергией.

Если электрон переходит со второй орбиты на первую он испускает фотон (рис. 7.1). В обратном случае - поглощает. Чтобы перевести электрон из орбиты на иначе говоря, чтобы отнять электрон у ядра (ионизация атома), расходуется самая большая энергия. Значение этой энергии равно 13,6 эВ. Эта энергия ионизации атома водорода.

Значит, энергия электрона в основном состоянии атома водорода равна - 13,6 эВ. Как было сказано выше, отрицательное значение энергии показывает, что электрон находится в связанном состоянии. Энергия свободного электрона принята равной нулю.

С помощью выражения (7-7) можно определить частоту или длину волны, испускаемого или поглощаемого фотона:

Эта запись является формулой Бальмера, где постоянная Ридберга. 

Пример №1

Сравните длину волны излучения при переходе электрона атома водорода с третьей орбиты на вторую орбиту с длиной волны излучения при переходе электрона со второй орбиты на первую

Дано:  Найти:

Формула и решение:

Ответ:

Лазер и его разновидности

Что такой лазер? Появление оптического квантового генератора, называемого лазером, является высоким достижением новой отрасли физической науки - квантовой электроники. Под лазером понимается источник точно направленного когерентного излучения.

Слово «лазер» состоит из первых букв английских слов «усиление света в результате вынужденного колебания» (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Первые квантовые генераторы созданы русскими физиками Н. Басовым, А. Прохоровым и американским физиком Ч. Таунсом. Эти ученые за работы в этой области стали лауреатами Нобелевской премии в 1964 году. Чтобы понимать принцип работы этих генераторов, давайте подробно ознакомимся с процессами излучения.

Вынужденные излучения атома

Как было сказано в предыдущей теме, при нахождении атома в основном состоянии он не излучает фотон и в этом состоянии будет находиться бесконечное время. Но в результате других воздействий атом может переходить в возбужденное состояние. Обычно атом в возбужденном состоянии долго не бывает и снова переходит в свое основное состояние и при этом испускает фотон с энергией, равной разнице энергетических уровней. Из-за того что такой переход происходит сам по себе, исходящее излучение называется спонтанным излучением и не будет когерентным. Но, по утверждению А. Эйнштейна, такие переходы

происходят не только сами по ссбс, но могут быть и вынужденными. Такой вынужденный переход может быть под воздействием фотона, пролетающего рядом с возбужденным атомом (рис. 7.2).

В результате фотон, испускаемый при переходе атома из возбужденного состояния в основное, будет одинаковым с фотоном, вызывающим этот переход. Иначе говоря, оба фотона имеют одинаковые частоты, направления, фазу и направления поляризации. Русский физик В. Фабрикант предложил метод усиления света, с помощью вынужденного излучения. Для понимания смысла этого метода рассмотрим следующий пример. В некоторых атомах имеются такие возбужденные состояния, при которых атомы в этих состояниях могут находиться долгое время. Такие состояния называются мстастабильными состояниями. С метастабильным состоянием ознакомимся на примере кристалла рубина.

Рубиновый лазер

Кристалл рубина состоит из оксида алюминия где места некоторых атомов А1 занимают трехвалентные ионы хрома  В результате сильного освещения атомы хрома вынужденно переходят из основного состояния в возбужденное состояние 3 (рис. 7.3).

Время жизни в возбужденном состоянии атома хрома очень маленькое и он может спонтанно (самопроизвольно) переходить в основное состояние или без излучения переходить во 2 метастабильное состояние (рис. 7.3). Излишняя часть энергии передается решетке кристалла рубина. Запрет перехода из состояния 2 в состояние по правилам отбора приведет к концентрации атомов хрома в состояние 2. Если вынужденные возбуждения слишком большие, концентрация атомов в состоянии 2 будет очень большой относительно состояния , происходит очень плотное размещение электронов в состоянии 2 (рис. 7.4). Если в рубин попадает фотон с энергией равной разнице энергий между метастабильным состоянием и основным состоянием атома хрома, тогда происходят вынужденные переходы ионов из состояния 2 в состояние , и излучаются фотоны с энергией равной первоначального фотона.

Этот процесс развивается лавинообразно, что приводит к резкому увеличению количества фотонов (рис. 7.5). Фотоны будут иметь одинаковые частоты, фазы, направления распространения и плоскости поляризации этих фотонов. В результате рубин испускает усиленный пучок когерентного излучения, т.е. лазерный луч.

На рис. 7.6 приводится схема для получения лазера с использованием рубина. Стержень из рубина окружен газовой лампой 2, который обеспечивает переход атома хрома в метастабильное состояние. Для обеспечения поддержания необходимой температуры рубина используется система охлаждения 3.

Механизм создания других лазеров аналогичен.

Разновидности лазеров

Квантовые генераторы, на основе законов квантовой механики, любую энергию (электрическая, тепловая, световая, химическая и др.) могут превратить в энергию луча когерентного излучения.

Благодаря этим свойствам лазерные лучи стали очень широко применять в различных отраслях науки, медицины и промышленности.

Лазеры, в зависимости от вида активирующих веществ, т.е. какая энергия превращается в энергию луча когерентного излучения, разделяется на несколько видов. Это твердые лазеры, полупроводниковые лазеры, газовые лазеры, химические лазеры, волоконные лазеры, рентгеновские лазеры и другие.

Они могут работать в импульсном, непрерывном и квазинепрерывном режимах.

Свойства лазерного излучения:

обладают когерентностью высокой степени, т.е. фотоны одинаковой фазы.

обладают строгой монохроматичностью. Разности длины волны фотонов, входящих в пучок, составляют не более

имеют большую мощность излучения. Мощность излучения лазерного луча может быть до Это считается очень большим значением. Например, мощность излучения Солнца по полному спектру излучения составляет

имеют малый угол расхождения. Например, лазер, направленный от Земли на Луну, на поверхности Луны освещает площадь диаметром 3 км. Луч от обычного прожектора осветил бы площадь диаметром 40 ООО км.

Применение лазера

Удобство в эксплуатации и малый расход энергии создал возможность для обработки и сварки очень твердых материалов. Например, раньше для получения маленького отверстия на алмазе требовалась 24 часа, а сейчас с помощью лазера это выполняется за 6-8 минут.

Отверстия на сапфирах и алмазных камнях диаметрами 1-10 мм, глубиной 10-100 мкм, необходимые в часовой промышленности, создаются с помощью лазера.

Еще одна область, где широко применяется лазер, - это резка и сварка материалов. Эти работы делаются не только в высокотехнологичных областях, таких как микроэлектроника, полиграфия, но и в машиностроении, автомобилестроении и производстве строительных материалов.

Лазерные лучи являются очень хорошими помощниками в определении дефектов изделий, изучении механизмов и ускорения химических реакций, в получении особо чистых материалов. В настоящее время с помощью лазера выделяются изотопы, в частности, изотопы урана.

Лазер также широко применяется в измерительных работах. С их помощью можно измерить дистанционно показатели преломления среды, давление, температуру.

Лазерный луч помог при уточнении расстояния от Земли до Луны, при внесении точности на карту Луны.

Лазер также широко применяется в медицине. Он выполняет функцию скальпеля, позволяющего проводить операции без разрезов кровеносных сосудов, что помогает быстрейшему восстановлению организма, продлению жизни людей, а также проводить операции по восстановлению зрения.

Еще одной из перспективных областей применения лазера является создание высокотемпературной плазмы. Эта область находится в центре внимания благодаря тому, что открываются хорошие возможности для управления термоядерным синтезом с помощью лазера.

Понятие лазерный диск превратилось в неотъемлемую часть повседневной жизни пользователей компьютеров и любителей музыки.

В настоящее время область применения лазера настолько велика, что остановиться на каждом нет возможности. Но мы надеемся, что наши учащиеся эту задачу выполнят самостоятельно.

Состав атомного ядра

Атомное ядро:

Резерфорд на основе своих экспериментов пришел к выводу, что у атома есть положительно заряженное ядро. Если размер атома равен то размер ядра равен: Иначе говоря, ядро в 10 000-100 000 раз меньше, чем атом.

При этом 95 процентов массы атома собрано в ядре. Если учитывать, что 95 процентов массы какого-либо тела собрано в объеме в 100 000 раз меньшем, чем занимает это тело, нас удивляет, что все вещества состоят из пустот, т.е. из внутриатомных промежутков. Теперь рассмотрим строение ядра.

Русский физик Д.И. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвигали идею, что ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Протон (р) - ядро атома водорода, открыт в 1919 году Резерфордом и его сотрудниками. Имеет положительный заряд, равный заряду электрона. Масса покоя масса электрона. (Proton в переводе с греческого означает «первый»).

Нейтрон (n) - открыт в 1932 году английским физиком Дж. Чедвиком. Электрически нейтральная частица. Масса покоя кг (Nеytron - в переводе с греческого «ни тот, ни другой», т.е. «нейтральный»).

Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом (А).

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze. Здесь: и характеризует заряд фотона. Z - называется зарядовым числом ядра, оно равно числу протонов в ядре и соответствует порядковому номеру химических элементов в периодической системе Менделеева.

Ядро обозначается как нейтральный атом: здесь: X - символ химического элемента, Z - порядковый номер атома (количество протонов в ядре); А - массовое число (число нуклонов в ядре). Из-за того, что атом является электрически нейтральным, число протонов в ядре равно числу электронов в атоме.

Изотопы

Изотопы (от греч. Izotop, izos - равно, одинаково; topos - место). Элементы, имеющие одинаковый порядковый номер (Z), но разные массовые числа (А), называются изотопами. Изотопы отличаются количеством нейтронов в ядре (N = A-Z).

Изобары

Элементы, имеющие одинаковые массовые числа (А), но разные порядковые номера (Z), называются изобарами. Изобары отличаются количеством протонов (Z= A-N).

Размер ядра

Радиус ядра определяется по формуле, вычисленной на основе результатов эксперимента

Здесь: Следует отметить, что когда говорят радиус атомного ядра, понимается линейный размер области проявления действий ядерных сил. Объем ядра зависит от нуклонов (А), входящих в ядро, плотность во всех нуклонах одинакова. Плотность ядра очень высокая, около Иначе говоря, ядерный материал с объемом имеет массу 200 миллион тонн. Как такая большая масса удержится связанной?

Силы притяжения, которые удерживают ядро от распада под воздействием кулоновских сил, называются ядерными силами.

Энергия связи ядра

Как показывают исследования, атомное ядро имеет достаточно прочное строение. Значит, между нуклонами в ядре имеется определенная связь. Энергия, необходимая для разделения ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра. Энергия связи ядра является мерой его устойчивости. По закону сохранения энергии, сколько энергии расходуется на расщепление ядра, столько же требуется энергии при создании ядра.

Так чему же равна эта энергия и как она появляется?

Дефект массы

Массу ядра можно с высокой точностью измерить на приборе, называемом масс-спектрометром. Как показывают такие измерения, масса ядра меньше, чем сумма массы нуклонов, входящих в его состав. Иначе говоря, при создании ядра из нуклонов появляется недостаток массы, равный

Здесь: - массы протона, нейтрона и ядра соответственно. Недостающая часть массы называется дефектом массы. Нам известно, что любому изменению массы соответствует изменение энергии Именно эта энергия удерживает ядро целым и называется энергией связи ядра:

Естественно, для разных ядер энергия связи отличается. Сравнивая их, можно определить, какая из них стабильная, а какая нестабильная. Единственный путь определения стабильности ядра - сравнение энергии связи, приходящейся на каждый нуклон.

Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, т.е.::

здесь: А - количество нуклонов в ядре.

На рис. 7.7 приведен график зависимости удельной энергии связи от массового числа. Как видно, для различных ядер значения разное. Ядра элементов, расположенные в середине периодической системы, относительно стабильные. Для таких ядер энергия связи равна 8,7 МэВ.

С увеличением числа нуклонов в ядре уменьшается энергия связи. Для элементов в конце периодической системы (например, для урана) она равна около 7,6 МэВ. Причиной этого является увеличение силы отталкивания между нуклонами с ростом количества протонов в ядре.

Энергия связи электрона в атоме имеет значение Значит, энергия связи нуклона в ядре в миллион раз больше, чем энергия связи электрона в атоме.

Точно так же для легких элементов - удельная энергия связи тоже намного меньше. Для дейтерия она составляет всего 1,1 МэВ.

Поэтому имеется два метода выделения ядерной энергии, а значит ядерная энергетика тоже имеет два направления. Первый - синтез легких ядер, второй - расщепление тяжелых ядер.

Пример №2

Каков состав ядра натрия

Что такое атомная физика

Информация на оптических дисках записывается на мельчайших выемках спиралевидных дорожек. При вращении диска в компьютере или в плеере лазерный луч скользит вдоль этой дорожки. Лучи, отраженные от поверхности дорожки, попадают в специальное устройство. Там возникает явления фотоэффекта - световой луч превращается в электрические сигналы. Эти сигналы в компьютере снова превращаются в видео- и звуковую информацию. Фотоэффект широко применяется в космических кораблях, метро и др. областях.

• Что представляет собой явление фотоэффекта?
• Какова связь этого явления с физикой?

Самым верным способом проверки, проводились ли на определенной территории ядерные испытания, является обнаружение на этой территории радиоактивного загрязнения, состоящего из радиоактивного цезия и стронция . Эти изотопы не существовали в природе до применения ядерного оружия в 1945 году. Например, во время аварии на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглась на 70% территории Украины, Беларуси и России - всего 200 ООО км². Более всего загрязнение затронуло леса. Из-за непрерывной циркуляции радиоактивного изотопа цезия-137 грибы и ягоды в лесах, а также мясо и молоко живущих там диких животных до сих пор считаются опасными для употребления.

• Почему после ядерных испытаний на окружающей территории появляются изотопы цезия-137 и стронция-90?

В 2008 году завершилась постройка Большого Адронного Коллайдера (БАК), длина основного кольца которого равна 26659 м. В БАК, на строительство которого было потрачено 10 миллиардов евро, осуществилось столкновение ускоренных протонов с энергией 7 ТэВ. В результате внутри БАК стало возможным получение температуры, в тысячи раз больше температуры внутри Солнечного ядра.

• Почему проводятся такие дорогостоящие эксперименты?
• Каких целей добиваются ученые этими экспериментами?

Карта атомной физики:

Квантовая природа электромагнитного излучения

При совершении механической работы над телом его внутренняя энергия возрастает, если тело само совершает работу, его внутренняя энергия уменьшается.

Процесс передачи тепла от более нагретого тела (или более нагретой части тела) менее нагретому (или менее нагретой части тела) называется теплопередачей. Существует 3 вида теплопередачи: теплопроводность, излучение и конвекция. При конвекции между частями тела происходит перенос вещества и энергии. Теплопроводность и излучение являются процессами переноса только энергии.

Процесс переноса энергии от одной части тела к другой его части или от одного из соприкасающихся тел другому называется теплопередачей. При достижении равенства температур говорят, что между ними установилось тепловое равновесие.

Излучение - передача энергии от одного тела другому с помощью лучей (видимых и невидимых). Самым мощным естественным источником излучения для планеты Земля является Солнце, которое излучает и свет, и тепло.

Энергия излучения одного тела, достигнув поверхности другого, частично поглощается этой поверхностью, частично отражается от нее. Внутренняя энергия тела, поглощающего энергию излучения, увеличивается - тело нагревается. Поверхности разного цвета обладают различной поглощающей и отражающей способностью. Так, темные поверхности лучше поглощают энергию излучения, а светлые поверхности лучше отражают её. Механизм излучения и поглощения телами энергии объясняется внутренним строением атомов, из которых тела состоят. Согласно планетарной модели, предложенной Резерфордом, в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по круговым орбитам вращаются электроны. Однако эта модель не смогла объяснить стабильное существование атома, так как по законам классической физики движущийся по круговой орбите электрон должен излучать энергию. Излучающий энергию электрон должен постепенно переходить на более близкие к ядру орбиты и, в конечном счете, упасть на ядро - существованию атома должен наступить конец. Но на самом деле атом существует как устойчивая система. Выход из этого затруднительного положения, которое никак не мог объяснить Резерфорд, был найден датским ученым Нильсом Бором (1885-1962) в 1913 году и выражен двумя постулатами.

Первый постулат: атомная система может существовать только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях атом не излучает и не поглощает электромагнитные волны.

Второй постулат: излучение происходит при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. При этом электрон переходит с дальней орбиты на орбиту, близкую к ядру. И наоборот, поглощение атомом энергии сопровождается переходом атома из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Электрон при этом переходит с ближней к ядру орбиты на более отдаленную от него орбиту.

 Вода, льющаяся в стакан, на первый взгляд кажется непрерывной -она льется в форме потока, и в любой момент этот поток можно прервать. Сахарный песок тоже кажется сплошным при пересыпании, однако рассматривая отдельные его кристаллики, перетаскиваемые муравьями в муравейник, видим дискретность сахарного песка, состоящего из кристалликов. Значит, произвольное тело, в зависимости от условий, может быть (выглядеть) сплошным или дискретным. На самом деле мы все знаем, что все тела дискретны и состоят из атомов и молекул.

• Интересно, непрерывен или дискретен процесс излучения?

Гипотеза Планка

Исследуя условия теплового равновесия между веществом и излучением, ученые обнаружили серьезные расхождения между теорией и результатами экспериментов. Так, согласно электромагнитной теории Максвелла, тепловое равновесие между веществом и излучением возможно только при абсолютном нуле температуры (—273°С). Это значит, что если температура тела выше абсолютного нуля, то оно должно будет непрерывно передавать свою внутреннюю энергию электромагнитному полю, т.е. излучать электромагнитные волны, охлаждаясь до температуры абсолютного нуля. Если бы так происходило в действительности, то все тела во Вселенной, в том числе и Солнце, отдав свою энергию электромагнитному нолю, давно охладились бы до температуры —273°С. Однако опыты и измерения показывают, что тепловое равновесие между веществом и излучением существует при любых температурах и создается путем излучения и поглощения телом электромагнитных волн.

В декабре 1900 года немецкий ученый Макс Планк (1858-1947) выступил в Немецком физическом обществе и, выдвинув новую гипотезу, внес серьезные поправки в теорию, которая противоречила эксперименту.

Согласно гипотезе Планка:

Излучение электромагнитной энергии атомами не является непрерывным процессом, а носит дискретный характер. Энергия излучается малыми порциями — квантами (лат. quantum - "число, количество"). Энергия кванта (впоследствии его назвали фотоном) прямо пропорциональна частоте излучения:

Здесь h - коэффициент пропорциональности, постоянная Планка - основная постоянная квантовой теории, значение которой определено экспериментально:

Эйнштейн обосновывал эту гипотезу, утверждая, что дискретность заключена не в механизме излучения (или поглощения), а вытекает из дискретного строения самого излучения - то есть излучение само состоит из квантов (порций).

Свойства фотона (кванта)

Согласно современным представлениям фотон обладает следующими свойствами:

1.    Фотон не существует в атоме в свободном состоянии, он возникает при изменениях энергетических состояний электронов в атоме.

2.    По времени жизни фотон - устойчивая частица.

3.    Фотон является неделимой частицей — его составные частицы не обнаружены.

4.    Фотон электрически нейтрален и его взаимодействие с другими фотонами не обнаружено.

5.    Скорость фотона в любой системе отсчета постоянна и равна скорости света в вакууме:

Скорость фотона не зависит от его энергии.

6.    Фотон обладает импульсом. Согласно теории относительности импульс фотона:

Эта формула "узаконивает " двойственную природу (дуализм) света: то есть свет является и потоком частиц (фотонов), обладающих импульсом, и электромагнитной волной длиной  Таким образом, выражение (2) подтверждает фундаментальную закономерность — волновой и корпускулярный дуализм материи. Наличие импульса у фотона впервые экспериментально наблюдал английский физик и химик Вильям Крукс (1832-1919) с помощью изготовленных им вакуумных весов. Этот прибор, называемый "радиометром Крукса ", приходит в движение под действием импульсов фотонов (см. а).

7.    При взаимодействии с веществом фотон может поглощаться, рассеиваться и способствовать возникновению новых фотонов.

8.    В поле ядра фотон может превратиться в пару электрон — позитрон:

Это превращение подтверждает другую фундаментальную закономерность, подтверждающую существование взаимной связи между веществом и физическим полем.

Теория фотоэффекта

Фотоэлемент - прибор, превращающий световую энергию в электрическую.

Полупроводниковый фотоэлемент состоит из кристалла кремния n-типа с добавлением примеси в состав, на поверхности которого создан участок с проводимостью р-типа.

На контактах р-n перехода в результате диффузии электронов и дырок возникают противоположные по знаку заряды. Поэтому эти контакты можно рассматривать как источники, создающие кратковременный ток. При непрерывном освещении в р-n переходе будут возникать все новые пары электрон-дырка - получится непрерывно работающий экологически чистый источник тока, например, солнечная батарея.

Чтобы превратить газ в проводник, необходимо наличие в нем источника, создающего в газе несвязанные свободные носители заряда - электроны и ионы. Такими источниками являются ионизаторы внешнего воздействия (высокая температура, излучение, бомбардировка высокоскоростными частицами и др.). При самостоятельном разряде положительные ионы, разогнанные сильным электрическим полем, приобретают значительную кинетическую энергию и, ударяясь о катод, выбивают с его поверхности электроны. Этот процесс называется ударной эмиссией. Таким образом, самостоятельный газовый разряд протекает при помощи ударной ионизации и эмиссии электронов с поверхности катода.

В результате нагревания катода электронно-лучевой трубки происходит термоэлектронная эмиссия - испарение электронов с его поверхности. Эти электроны сначала ускоряются электрическим полем между катодом и анодом напряжением в десятки киловольт, а затем резко тормозятся, сталкиваясь с анодом, и возникает рентгеновское излучение (X-ray radiation).

Исследование. Как под действием луча света возникает электрический ток?

Оборудование: осветитель с дуговой лампой, обычная лампа накаливания, электрометр, эбонитовая и стеклянная палочки, шерстяная и шелковая ткань, цинковая и медная пластина, стеклянная пластина (а).

Ход работы:

1. Наэлектризуйте цинковую пластину, закрепленную на электрометре, отрицательным зарядом (с помощью эбонитовой палочки, потертой о шерсть).
2. Направьте на пластину свет от дуговой лампы и следите за происходящим.
3. Снова зарядите цинковую пластину отрицательным зарядом и постепенно приближайте его к дуговой лампе. Продолжайте наблюдения.
4. Продолжите опыт и наблюдения, поместив между цинковой пластиной и дуговой лампой стеклянную пластину.
5. Продолжите наблюдения, освещая поверхность отрицательно заряженной цинковой пластины обычной лампой накаливания.
6. Повторите опыт, зарядив цинковую пластину положительным зарядом (с помощью стеклянной палочки, потертой о шелк) и продолжайте наблюдения.
7. Закрепив на электрометре медную пластину, и, наэлектризовав её отрицательным зарядом, повторите опыт и наблюдения.

Обсуждение результата:   

• Что вы наблюдали при освещении поверхности цинковой пластины, наэлектризованной отрицательным и положительным зарядом, дуговой лампой?
• К каким выводам могут привести эти наблюдения?
• Что наблюдалось при освещении отрицательно заряженной цинковой пластины лампой накаливания?
• К каким выводам могут привести эти наблюдения?
• Какие различия в явлениях, происходящих при освещении отрицательно заряженной пластины, вы наблюдали свозь стекло и без стекла?
• Что доказал этот опыт?
• Что вы наблюдали, приближая отрицательно заряженную пластину к дуговой лампе?
• К каким выводам привело вас увиденное?
• Что наблюдалось при повторении опыта с медной пластиной?
• К каким выводам вы пришли в результате этих опытов?

Экспериментальное подтверждение фотоэффекта.

Проведенные в исследовании опыты показали, что лучи ультрафиолетового диапазона видимого света (стекло не пропускает ультрафиолетовые лучи) обладают способностью вырывать электроны с поверхности металла. Впервые такие исследования в 1887 году провел немецкий ученый Генрих Герц (1857-1894) и обнаружил явление фотоэффекта.

Фотоэффектом (или фотоэлектрическим эффектом) называется явление испускания электронов веществом под действием света.

Электроны, вырванные из вещества (например, из металла) под действием света, называются фотоэлектронами, а созданный ими ток - фототоком.

Установлены несколько видов фотоэффекта, это - внешний, внутренний, вентильный и др. фотоэффекты.

Внешний фотоэффект заключается в вырывании фотоэлектронов с поверхности вещества во внешнее пространство под действием света.

Внутренний фотоэффект — вырывание электронов из атомов вещества (диэлектрика и полупроводника) под действием света и переход их из связанного состояния в свободное, в результате чего концентрация электронов проводимости и дырок в веществе увеличивается.

Вентильный фотоэффект - возникновение ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или контакта полупроводника и металла.

      

Закономерности возникновения фотоэффекта экспериментально были исследованы российским ученым Александром Столетовым (1839-1896) в 1888-1890-х годах с помощью вакуумного фотоэлемента (b). Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянный электровакуумный прибор, внутри которого находятся катод (К) и анод (А). Свет, падающий на катод, вырывает с его поверхности фотоэлектроны, часть которых, долетая до анода, создает между катодом и анодом фототок. Сила фоготока измеряется миллиамперметром, а напряжение - вольтметром (см. b). В результате этих опытов была получена ВЛХ фотоэлемента (с). Из графика видно, что если разность потенциалов между анодом и катодом положительна, то с увеличением напряжения сила тока растет, но достигая некоторого значения, называемого током насыщения (), перестает расти - это означает, что все образованные фотоэлектроны достигают анода.

Если разность потенциалов между катодом и анодом отрицательна (катод соединен к положительному полюсу, а анод к отрицательному полюсу источника) и по модулю больше так называемого задерживающего напряжения (U_з), сила фототока равна нулю. Это объясняется тем, что кинетическая энергия вырванных фотоэлектронов недостаточна для преодоления кулоновского отталкивания от отрицательно заряженного электрода. Использовав закон сохранения энергии и связь между напряжением и работой электрического поля, можно определить закономерную связь между максимальной кинетической энергией фотоэлектронов и задерживающим напряжением:

На основе многочисленных экспериментов были выяснены следующие законы фотоэффекта:

1. Число фотоэлектронов, вырванных светом с поверхности металла за одну секунду, прямо пропорционально поглощенной за это время энергии света (интенсивности излучения).
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растет с увеличением частоты падающего света и не зависит от интенсивности света (d).
3. Для каждого вещества существует минимальная частота падающего света ниже которой фотоэффект не наблюдается (см: d). Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта (она названа так потому, что для произвольного металла наименьшей частоте соответствует частота красного излучения).

Теория фотоэффекта

Теория фотоэффекта была дана Эйнштейном, использовавшим для объяснения этого явления гипотезу Планка. Согласно идее Эйнштейна, при фотоэффекте каждый электрон вырывается одним фотоном (квантом света):

Поглощая фотон, электрон приобретает его энергию Эта энергия тратится на совершение работы выхода электрона из металла и сообщение ему максимальной кинетической энергии:

Это уравнение, представленное Эйнштейном, объясняет законы фотоэффекта и существование красной границы фотоэффекта для каждого вещества (таблица 4.1). Величина работы выхода зависит от рода вещества, поэтому красная граница для каждого из них различна (е):

Если учесть в формуле (1) выражения (2) и (3), можно установить зависимость значения задерживающего напряжения от частоты:

Таким образом, фотоэффект подтвердил корпускулярную природу света. Стало известно, что при распространении света на первый план выступают его волновые свойства - дисперсия света, дифракция света, интерференция света, поляризация света подтверждают это. Однако явление фотоэффекта доказало, что при взаимодействии с веществом свет поглощается и излучается порциями - квантами, энергия каждой из которой зависит от частоты излучения и равна . Поэтому говорят, что свет обладает корпускулярно-волновым дуализмом.

За объяснение теории закономерностей фотоэффекта Эйнштейн был удостоен в 1921 году Нобелевской премии.

Эффект Комптона и волны Де Бройля

При работе над презентацией можете воспользоваться приведенным ниже коротким теоретическим материалом и указанными электронными адресами.

Эффект Комптона

В 1923 году американский физик Артур Комптон (1892-1962) экспериментальным путем обнаружил явление, указывающее на существование импульса у фотона и подтверждающее корпускулярную природу света. Изучая рассеяние рентгеновского излучения легкими атомами различных веществ (водорода, углерода, бора, алюминия и т.д.), он обнаружил, что длина волны этих лучей изменяется в результате рассеяния. Так, в составе рассеянного излучения, кроме падающего луча длиной волны , существует луч длиной волны (а).

Объяснить это явление, названное впоследствии эффектом Комптона, на основе электромагнитной теории света невозможно. Так как согласно этой теории, находящийся в покое свободный электрон под действием падающей электромагнитной волны приходит в колебательное движение с частотой падающей волны. Совершающий вынужденное колебательное движение электрон, в свою очередь, должен излучать вторичные электромагнитные волны той же частоты.

Но если предположить, что свет состоит из потока фотонов, каждый из которых обладает энергией и импульсом то процесс рассеяния света на электронах объясняется как результат столкновения фотона с электроном. То есть, сталкиваясь с электроном, фотон отдаёт ему часть своей энергии, в результате чего меняется и его собственная энергия, и направление движения. Таким образом, на основе представлений о свете, как потоке частиц эффект Комптона приводит к следующим выводам:

1.    Фотон, подвергаясь упругому столкновению со свободным электроном, рассеивается от него.

2.    Вследствие уменьшения энергии рассеянного фотона, согласно формуле уменьшение энергии становится причиной уменьшения частоты и увеличения длины волны рассеянного фотона:

3.    Выполняется закон сохранения импульса:

4. В процессе рассеивания фотона на электронах изменение длины волны фотона не зависит от длины волны падающего излучения, оно определяется только углом рассеяния фотона:

Здесь - масса электрона, - угол отклонения фотона (см. а).

Волны де Бройля

В 1923 году французский физик де Бройль (1892-1987) выдвинул предположение, что свойством корпускулярно-волнового дуализма могут обладать все частицы - электрон, протон, нейтрон и атом. Он считал, что если каждая частица обладает энергией и импульсом то движение этой частицы можно рассматривать как распространение волны частотой и длиной волны

Спустя несколько лет, в 1927-1928 годах эта теория была подтверждена экспериментально. Чтобы обнаружить волновые свойства электрона, требовался прибор с геометрическими параметрами порядка предполагаемой длины волны электрона; например, если электрон движется со скоростью то длина волны должна быть:

Полученное значение длины волны того же порядка, что и расстояние между атомами в кристаллических решетках. Попытки были увенчаны успехом: в проведенных экспериментах были обнаружены интерференция и дифракция электронного пучка, прошедшего сквозь кристаллическую решетку. Таким образом один из основных законов природы - корпускулярно-волновой дуализм материи подтвердился экспериментально.

Квантовые постулаты Бора о строении атома

Первая модель строения атома была выдвинута английским физиком Джоном Джозефом Томсоном (1856-1940) в 1903 году. Согласно этой модели, атом имеет форму сферы радиусом приблизительно 10^-10°м. Положительные заряды составляют весь объем этой сферы, а отрицательные электроны размещены внутри сферы как "изюминки в кексе". Однако эта модель не смогла объяснить радиоактивность, электромагнитные явления и др. В 1910-1911 годах, проведя серию экспериментов, английский физик Эрнест Резерфорл (1871-1937) обнаружил, что атом обладает строением, совершенно отличным от предложенного Томсоном:

• Почти вся масса атома (99.96%) сосредоточена в его ядре. Размер ядра очень мал по сравнению с размером атома, диаметр ядра атома равен 10^-15м.
• Заряд ядра равен (произведению элементарного заряда е на порядковый номер в периодической системе элементов).
• Электроны под действием сил кулоновского взаимодействия с ядром атома вращаются вокруг него. Число электронов в атоме равно Z, поэтому общий заряд электронов равен Эту модель атома называют планетарной из-за сходства со строением Солнечной системы.

Квантовые постулаты Бора

В 1913 году датский ученый Нильс Бор (1885-1962) опубликовал свои работы по квантовой теории атома, основанные на гипотезе Планка о световых квантах. В этой публикации он с помощью 3-х постулатов устранил затруднения планетарной модели атома на основе квантовых представлений.

В первом постулате Бор обосновывает существование состояний, в которых ускоренно движущийся электрон не излучает электромагнитные волны.

•    I постулат — атом может существовать не в состояниях, подчиняющихся законам классической физики, а только в особых квантовых (или в стационарных) состояниях. Каждому квантовому состоянию соответствует определенная Е_n энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитные волны (b).

Второй постулат Бора объясняет процессы погло-щения и излучения света атомом.

•    II постулат — при переходе из одного стационарного состояния в другое атом поглощает или излучает один квант света, энергия которого равна Энергия поглощенного или излученного кванта равна разности энергий этих стационарных состояний:

Отсюда для частоты излучения получаем:

При переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией происходит излучение:

В этом случае электрон, излучая один квант света, переходит с удаленной от ядра орбиты на орбиту, близкую к ядру (с).

Поглотив один квант света, атом переходит из стационарного состояния с меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией:

В этом случае электрон переходит с орбиты, близкой к ядру, на орбиту, удаленную от ядра (d).

Энергетические уровни атома

Для стационарных состояний атома водорода Бор вывел следующую формулу:    

Здесь - энергия ионизации атома водорода в состоянии с минимальной энергией, n - главное квантовое число. Стационарное состояние с главным квантовым числом n = 1 является основным состоянием атома, и в этом состоянии он не излучает энергию. Все состояния атома с n > 1 являются возбужденными состояниями. Атом не может существовать продолжительное время в возбужденном состоянии и, излучив энергию, возвращается в основное состояние.

Таким образом, согласно формуле (3), энергия атома водорода в первом квантовом состоянии во втором , в третьем и т.д. Это значит, что при переходе атома водорода из состояния с минимальной энергией во второе энергетическое состояние его энергия увеличивается в 4 раза, при переходе в третье энергетическое состояние - в 9 раз и т.д.

Энергетические уровни атома изображаются горизонтальными линиями. Переход атома из одного стационарного состояния в другое изображается вертикальными стрелками: направленная вниз стрелка соответствует излучению одного кванта энергии, направленная вверх стрелка соответствует поглощению одного кванта энергии (е).

Из диаграммы энергетических уровней атома видно, что в квантовом состоянии его энергия . Это означает, что электрон, прервав связь с ядром, в свободном состоянии находится в покое. Поэтому энергетические уровни электронов, связанных с ядром, должны быть меньше нуля, соответствуя отрицательным значениям. Так как электрон притягивается ядром, то для отрыва его от ядра необходимо совершить положительную работу.

Согласно III постулату Бора возможные частоты излучения атома водорода определяются формулой:

Здесь —постоянная Ридберга. Экспериментально установлено, что при переходе электрона в атоме водорода с верхних энергетических уровней на второй уровень происходит излучение фотона видимого света.

Виды излучения и их применения

При работе над презентацией можете воспользоваться представленным кратким теоретическим материалом и электронными адресами.

Люминесцентное излучение

Люминесценция (лат. lumen - свет, -escent-слабое) - в результате поглощения энергии определенными материалами составляющие их атомы, возбуждаясь, излучают относительно холодное излучение. Это излучение отличается от излучения тлеющих тел (веществ), например, горящего дерева или угля, свечения плавящегося под действием электрического тока металла и спирали лампы накаливания. Люминесцентное излучение наблюдается: в люминесцентных и неоновых лампах; в телевизорах; на экранах радаров и флюроскопов; в органических веществах - люминоле светлячков; в некоторых пигментах, используемых во внешних рекламах; в северном сиянии и др. Во всех этих явлениях излучение света происходит при температуре, можно сказать, ниже комнатной. Практическое значение люминесцентных материалов заключается в превращении в них энергии из невидимой формы в видимую. На практике широко используются фотолюминесценция, электролюминесценция, хемилюминесценция, катодолюминесценция и др.

Лазерное излучение

Одним из изобретений прошлого века, имеющих важное практическое значение, является создание оптического квантового генератора - лазера.

Лазер - устройство, превращающее тепловую, химическую, электрическую энергию в энергию электромагнитного поля, - лазерный луч. Физический механизм (принцип) работы лазера основан на индуцированном (вынужденном) излучении. Это устройство получило свое название из сочетания первых букв английских слов "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ", т.е. "Усиление света при помощи индуцированного излучения ".

Индуцированное излучение - переход атома из высшего энергетического состояния в низшее не самопроизвольно (спонтанно), а под влиянием внешнего воздействия.

Представим себе, что атом может существовать в двух энергетических состояниях - в основном состоянии с энергией Е₁ и в возбужденном состоянии с энергией Е₂. Между этими уровнями возможны три оптических перехода: поглощение света, спонтанное излучение и индуцированное (вынужденное) излучение (таблица 4.2).

Из таблицы видно, что, находясь в возбужденном состоянии Е₂, атом может перейти в основное состояние, излучив один фотон с энергией . Частота, фаза и направление распространения излучаемых при этом волн совпадают с соответствующими параметрами падающей на вещество волны, поэтому они являются когерентными. А это значит, что под действием электромагнитной волны вещество вместо одного фотона с энергией hv излучает два фотона: фотон возбуждающего излучения и порожденный фотон.

Таким образом, происходит усиление проходящего через вещество света в два раза. Однако, одновременно с возникающим под действием электромагнитных волн индуцированным излучением, происходит и поглощение света, в результате чего уменьшается интенсивность проходящего сквозь вещество света.

Для усиления светового излучения необходимо добиться значительного превосходства числа возбужденных атомов над числом атомов, находящихся в основном состоянии (на минимальном энергетическом уровне).

Существуют различные способы приведения атома в возбужденное состояние; например, вещество подвергается дополнительному облучению. Однако возбужденные таким способом атомы в течение очень короткого времени спонтанно излучают и возвращаются в состояние с минимальной энергией, не успевая принять участие в индуцированном излучении. Поэтому для осуществления индуцированного излучения используют три энергетических уровня (основной и два возбужденных) атома. В этом случае атомы могут находиться в одном из возбужденных состояний более длительное время относительно другого. Такие уровни существуют в различных кристаллах, например, в кристалле корунда (рубина, оксида алюминия)  в котором небольшая часть атомов алюминия замещена атомами хрома В этом кристалле ионы хрома могут находиться на трех энергетических уровнях, условно обозначенные буквами А, В и С (а). При освещении рубинового кристалла мощной лампой происходит переход ионов хрома на возбужденный уровень С, энергия которого равна Е_с. Эти ионы не сразу возвращаются на основной уровень, они сначала, спонтанно излучая, переходят на промежуточный уровень В с энергией Е_в, на котором они могут оставаться дольше, чем на уровне С.

В результате количество "жителей" возбужденного уровня превосходит их количество на основном уровне. Фотон внешней электромагнитной волны с энергией создает в кристалле индуцированное излучение красного цвета длиной волны 693 нм, соответствующее переходу (см. а)

Усиление излучения в лазерах осуществляется обеспечением многократного прохождения света сквозь один и тот же слой вещества. Такой эффект добивается путем размещения соответствующего слоя вещества между двумя параллельными друг другу зеркалами. Это можно ясно увидеть на упрощенной модели рубинового лазера (b).

       

Здесь 1 - среда, в которой происходит усиление света, 2 - зеркало, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - источник света: он переводит атомы среды в возбужденное состояние. Фотон возбуждающего излучения, движущийся параллельно оси кристалла рубина, создает новые поколения фотонных потоков (с). Часть этого потока проходит через полупрозрачное зеркало 3, другая часть, отразившись от зеркала, усиливается в среде 1 (d). Отразившись от зеркала 2, поток фотонов еще более усиливается и движется в направлении возбуждающего излучения (е). Таким образом, усиленный в рубиновом кристалле поток фотонов, обладая большой энергией, выходит через полупрозрачное зеркало 3 в виде красного света. Полученное красное лазерное излучение отличается от белого солнечного света и от обычного красного света (таблица 4.3).

Строение атомного ядра

В 1932 году русский ученый Дмитрий Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели:

Атомное ядро —устойчивая связанная система, состоящая из протонов и нейтронов. Протон (греч. "protos" - первичный; обозначают буквой р) обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона и равна

Нейтрон (электрически нейтрален) обозначается буквой n, его масса приблизительно равна массе протона:

Протоны и нейтроны имеют общее название - нуклоны (лат. "nucleus" - частицы ядра). Устойчивость атомного ядра объясняется существованием между нуклонами мощных ядерных сил неэлектричеекой природы.

Ядерными силами называют силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Ядерные силы являются короткодействующими - радиус их действия равен размеру ядра: Ядерные силы, действующие на этих расстояниях между одинаковыми по знаку протонами, в десятки раз больше кулоновских сил отталкивания между ними.

Массовым числом ядра называют общее число нуклонов в ядре. Оно обозначается буквой А: (Z - число протонов; N - число нейтронов). Число нейтронов произвольного элемента будет определяться как:  Массовое число записывается в виде верхного индекса химического элемента.

Зарядовым числом ядра является число протонов в ядре. Его обозначают буквой Z и записывают нижним индексом элемента.

Таким образом, произвольный химический элемент может быть выражен в виде Здесь X - символ химического элемента. Например, массовое число ядра кислорода равно А = 16, его зарядовое число Z = 8, поэтому записывается следующим образом:

После открытия Резерфордом планетарного строения атома и предложенной Бором квантовой теории атома возник вопрос: а что же представляет из себя ядро атома? Состоит  ли оно из каких-либо частиц или является сплошной  неделимой частицей?

Резерфорд направил свои экспериментальные исследования на изучение атомного ядра, применив уже известный вам метод - бомбардировку изучаемого объекта - частицами. Бомбардируя азот - частицами, Резерфорд обнаружил вылет из атомов частиц, заряд и масса которых равны заряду и массе ядра водорода. Этот метод позволил Резерфорду в 1919 году подписаться еще под одним открытием — подтверждением сложного состава ядра.

Строение атомного ядра

Атомное ядро состоит из называемых нуклонами двух видов частиц (с общим названием нуклоны) - положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов (а).

Обычно ядро атома водорода называют протоном. Его обозначают символом или . Характеристики протона следующие: время жизни в свободном состоянии вне ядра лет.

Нейтрон обозначается символом и имеет следующие характеристики:

время жизни в свободном состоянии вне ядра

Согласно модели строения элементарных частиц, протон состоит из двух и кварков u одного d кварка (b). Кварки обладают дробным зарядом:

Таким образом, заряд прогона: или

Нейтрон также состоит из кварков, но одного u и двух d (с). Поэтому нейтрон электрически нейтрален (его заряд равен нулю):  или

Ядерные силы

Устойчивость атомных ядер объясняется существованием между составляющими его протонами и нейтронами мощных сил взаимодействия, называемых ядерными силами и носящих характер притяжения.

Ядерные силы - удерживающие нуклоны в ядре силы, обеспечивающие устойчивость ядра.

В этих силах обнаружены следующие особенности:

1. носят характер притяжения;
2. в пределах размера ядра они в сто раз больше кулоновского отталкивания между протонами;
3. являются короткодействующими - действуют только на расстояниях, равных размеру ядра (м);
4. сила взаимодействия между нуклонами не зависит от их заряда: прогон с протоном, протон с нейтроном и нейтрон с нейтроном взаимодействуют с одинаковой силой;
5. обладают свойством насыщения - это значит, что внутри ядра нуклон может взаимодействовать только с "соседними" нуклонами;
6. не являются центральными, т. е. ядерные силы не направлены вдоль прямой, соединяющей центры нуклонов.

Изотопы

Атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами (греч. "изос" — одинаковый и "топос" — место) данного химического элемента.

Определение можно сформулировать следующим образом:

Атомы с одинаковым числом протонов, но разным массовым числом называются изотопами.

Например, известны три изотопа водорода: изотоп (протий) состоит только из одного протона, изотопы (дейтерий) и (тритий) состоят из одного протона и соответственно одного и двух нейтронов (d). Отметим, что нейтроны не оказывают никакого действия на химические свойства элемента, поэтому все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства. Однако эти изотопы отличаются по физическим свойствам (например, по энергетическим уровням атома).

Энергия связи ядра

Из многочисленных экспериментов было установлено, что массы атомных ядер всегда меньше суммарной массы нуклонов (протонов и нейтронов), составляющих это ядро:

Это значит, что существует разница между суммой масс нуклонов, из которых состоит ядро, и массой этого ядра, которую называют дефектом масс: Здесь М_я - масса ядра, Z и N - соответственно число протонов и нейтронов, - масса протона, - масса нейтрона, - дефект массы.

Уменьшение массы при образовании ядра из системы нуклонов соответствует уменьшению энергии этой системы на энергию связи (Е_св).

Энергия связи — минимальная энергия, необходимая для разделения ядра на свободные нуклоны.

Для вычисления энергии связи ядра используется формула связи энергии и массы, предложенная Эйнштейном:

Для вычисления энергии связи различных ядер вместо массы протона и ядра удобно использовать значения соответственно массы ядра водорода () и масс ядер химических элементов (М_А). В этом случае энергия связи:

Согласно формуле связи массы и энергии определено, что масса 1 а.е.м. эквивалентна энергии 931,5 МэВ. Учитывая эту эквивалентность, энергию связи можно вычислить и с помощью выражения:

Устойчивость ядер характеризуется величиной, называемой удельном энергией связи.

Удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

Единица ее измерения: 

В таблице 4.4. приведены массы электрона, нуклонов и некоторых изотопов, а также эквивалентные им энергии. С помощью данных таблицы проведите исследование
"Выполняется ли закон сохранения энергии между ядром и его нуклонами?"

Энергия связи ядра

В результате проведения многочисленных экспериментов выяснилось, что масса атома меньше масс покоя составляющих его частиц (протонов, нейтронов и электронов). Поэтому энергия ядра атома E₁ меньше энергии покоя составляющих его нуклонов Е₂ на величину . Проведя исследование, вы выяснили, что для ядра гелия разность энергий  Однако это совсем не значит, что при образовании ядра из нуклонов был нарушен фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. При расщеплении ядра на отдельные нуклоны необходимо совершить работу против действующих между нуклонами мощных ядерных сил притяжения - израсходовать энергию. Значит, суммарная энергия нуклонов в свободном состоянии должна быть больше энергии ядра, чтобы при соединении нуклонов и образовании ядра эта энергия излучилась.

Минимальная энергия, необходимая для деления атомного ядра на свободные нуклоны, называется энергией связи ядра:

Выражение, стоящее в квадратных скобках в формуле (1), называют дефектом массы.

Дефект массы — это разность между суммой масс всех составляющих ядро нуклонов и массой самого ядра:

Если масса выражена в атомных единицах массы (а.е.м.), то энергию связи, выраженную в МэВ, можно определить с помощью выражения:

Вычислив энергию связи ядра на основе формулы (3) и поделив полученное ее значение на количество нуклонов, можно определить энергию связи, приходящуюся на каждый нуклон ядра, - удельную энергию связи:

Удельная энергия связи различных элементов принимает различные значения.

Максимальное значение удельной энергии связи, близкое к 8,7 , имеют элементы с массовым числом между . Удельная энергия связи тяжелых элементов меньше 8, например, удельная энергия связи природного урана

Ядра с большим значением удельной энергии связи являются более устойчивыми, поэтому легкие и тяжелые ядра менее устойчивы по сравнению с ядрами элементов, обладающих средним массовым числом. Это видно и по графику зависимости удельной энергии связи ядер от их массового числа (а). Значит, удельная энергия связи - физическая величина, характеризующая устойчивость ядер.

Радиоактивные превращения ядер

Явление самопроизвольного (без внешнего воздействия) излучения атомов называется естественной радиоактивностью, а излучение называется радиоактивным излучением.

Проведение многочисленных опытов показало, что естественная радиоактивность элемента связана только с составом и строением его ядра. Внешние факторы (механическое давление, изменение температуры, электрические и магнитные поля и др.) не оказывают влияния на это свойство элемента. В опытах, проведенных под руководством Эрнеста Резерфорда в 1899 году, была исследована физическая природа радиоактивного излучения. Выяснили, что радиоактивное излучение состоит из потока различных частиц. Пропустив излучение через магнитное поле, обнаружили, что отдельные части этого потока под действием силы Лоренца отклоняются в разные стороны от первоначального направления:

• -    часть, являясь потоком положительно заряженных частиц, отклоняется в соответствии с правилом левой руки, в направлении, указанном большим пальцем левой руки - это излучение было названо -излучением;
• -    часть, являясь потоком отрицательно заряженных частиц, отклонялась в направлении, противоположном направлению отклонения -излучения. Эту часть излучения назвали -излучением;
• -    часть излучения представляла поток незаряженных частиц - они не отклонялись магнитным полем, эту часть назвали -излучением. В дальнейшем были обнаружены свойства радиоактивного превращения радиоактивных веществ.

Самопроизвольное превращение одного радиоактивного ядра в другое ядро называется радиоактивным превращением. Существует два вида радиоактивного превращения: радиоактивное -превращение и радиоактивное -превращение.

При -превращении зарядовое число ядра уменьшается на 2 единицы, массовое число уменьшается на 4 единицы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы:

При -превращении зарядовое число увеличивается на единицу, массовое число не меняется. В результате превращения элемент смещается на одну клетку к концу периодической системы:

 Резерфорд экспериментально обнаружил, что различные виды радиоактивного излучения отличаются и по проникающей способности. Тогда как один из них (1) не проходит сквозь лист бумаги, для другого (2) преградой становится алюминиевая пластина толщиной 3 мм. Распространению третьего вида лучей (3) не может помешать даже свинцовая стена толщиной несколько сантиметров (а).

• Сможете ли вы различать виды радиоактивного излучения по их проникающей способности?

В 1896 году французский физик Анри Бсккерель (1852-1908), исследуя явление люминесценции в солях урана, обнаружил спонтанное испускание ураном излучения неизвестного состава. Явление спонтанного излучения вещества назвали радиоактивностью (лат. "радиус" - луч, "активус" - действенный), спонтанно испускаемое веществом излучение назвали радиоактивным излучением, а вещества, обладающие свойством спонтанного излучения, радиоактивными веществами.

В 1898 году французские ученые Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодов-ская-Кюри (1867-1934) обнаружили новые радиоактивные вещества - радий 2|ц/?а и полоний 21ЧРо (назван в честь родины Марии Склодовской-Кюри - Польши).

В 1903 году английские ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877-1956) опытным путем установили, что радиоактивные лучи состоят из трех излучений, обладающих отличающимися свойствами. Они были названы гремя последовательными буквами греческого алфавита: и излучениями.

  -излучение — представляет собой поток ядер гелия . Электрические и магнитные поля оказывают на него действие. Это излучение обладает сильным ионизирующим действием: на пути свободного пробега может создать 10⁵ ионных пар. Оно обладает слабой проникающей способностью: для твердых тел 0,1 мм, а для газов несколько сантиметров.

Испускание радиоактивными ядрами -частиц называется -распадом. Заряд ядра, подвергшегося -распаду, уменьшается на 2 е, а его массовое число уменьшается на 4 единицы, в результате чего исходное ядро, переместившись на две позиции ближе к началу таблицы Менделеева, превращается в ядро другого химического элемента:

Примером -распада является реакция превращения урана в радиоактивный торий:

  - излучение — представляет собой поток электронов  (или ), или позитронов  (или ⁺). Это излучение сильно отклоняется электрическими и магнитными полями, распространяется в вакууме со скоростью, близкой к скорости света, и полностью поглощается алюминиевой пластиной толщиной в несколько миллиметров.

Испускание радиоактивными ядрами  -частиц называется -распадом.

Заряд ядра, подвергшегося -распаду, увеличивается на 1е, а его массовое число не изменяется, и исходное ядро, переместившись на одну позицию ближе к концу таблицы Менделеева, превращается в ядро нового элемента:

Заряд ядра, подвергшегося ⁺ -распаду, уменьшается на 1е, а его массовое число не меняется, в результате исходное ядро превращается в новое ядро и перемещается на одну позицию к началу таблицы Менделеева:

Примерами -распада радиоактивных ядер могут служить следующие реакции:

На что указывают символы и в реакциях (5) и (6)?

В 1934 году физик США итальянского происхождения Энрико Ферми (1901-1954) разработал квантовую теорию -распада. Согласно этой теории, при ^—-распаде внутри ядра происходит процесс превращения одного нейтрона в протон. Согласно закону сохранения электрического заряда и закону сохранения энергии, этот процесс сопровождается испусканием двух частиц — электрона и частицы, зарядовое и массовое числа которой равны нулю. Ферми назвал эту частицу нейтрино (итал. "нейтрино " - уменьшительное от слова нейтрон):

Аналогично при ⁺-распаде внутри ядра происходит процесс превращения одного протона в нейтрон и наблюдается испускание двух частиц — наряду с позитроном образуется частица с равным нулю зарядовым и массовым числом — антинейтрино:

 -излучение — представляет собой поток фотонов, характеризующихся чрезвычайно большой частотой ( Гц). Это излучение обладает высокой проникающей способностью - может пройти сквозь свинцовую стену толщиной несколько сантиметров. Так как это излучение не содержит электрически заряженных частиц, электрические и магнитные поля не оказывают на него какое-либо действие, -излучение обычно сопровождает - и -излучение. Ядро, возникшее при - или -распаде, обычно является возбужденным. При возвращении в основное или переходе в менее возбужденное энергетическое состояние ядро испускает -фотон. Итак:

• При -излучении зарядовое и массовое числа ядра не изменяются - радиоактивное смещение не происходит.
• Во всех ядерных превращениях и ядерных реакциях соблюдается безусловное выполнение законов сохранения зарядового и массового чисел.

Закон радиоактивного распада

Для каждого радиоактивного вещества существует определенный промежуток времени, спустя который половина ядер исходного вещества испытывает превращение.

Периодом полураспада называется промежуток времени, за который распадается половина начального количества радиоактивных ядер. Период полураспада обозначается буквой Т, единица его измерения в системе СИ - секунда.

Через промежуток времени, равный число нераспавшихся в веществе ядер будет выражаться законом радиоактивного распада:

Закон радиоактивного распада был открыт в 1902 году Э. Резерфордом и Ф. Содди. Этот закон дает возможность определить число нераспавшихся радиоактивных ядер в произвольный момент времени. Для каждого радиоактивного изотопа имеется свой период полураспада, например, период полураспада для изотопа урана-238 равен 4,5 миллиарда лет, а для радия-226 - 1600 лет.

В 1960 году физик Френк Либби (1908-1980, США) был удостоен Нобелевской премии по химии, за открытие радиоуглеродного метода геохронологии. С помощью этого метода события, которые произошли в истории Земли и человеческой культуры, - от наскальных рисунков до пирамид египетских фараонов, начиная с "Ледникового периода" до уничтожения животных и растений, можно было определить возраст археологических находок относительно "близкого исторического периода".

• Почему определение геохронологии называется радиоуглеродным методом?
• На какой физической закономерности основывается радиоуглеродный метод?

Э.Резерфорд, исследуя процесс радиоактивных превращений веществ, определил:

• -    активность радиоактивных веществ пропорциональна массе этого вещества;
• -    существует стабильный временной интервал для одного и того же радиоактивного вещества, при котором его активность уменьшается в среднем в 2 раза. Такое уменьшение не зависит от состояния вещества (от смешивания с другими веществами, от температуры, давления и т. д.);
• -    скорость снижения радиоактивности различных веществ различна.

Таким образом, в науку было введено понятие "период полураспада" для характеристики скорости уменьшения радиоактивности.

Период полураспада - это промежуток времени, в течение которого в среднем половина радиоактивных ядер распадается.

Учитывая, что период радиоактивного полураспада для каждого вещества постоянный, легко можно определить закономерность превращения радиоактивных ядер (снижение активности). Для этого будем считать, что в начальный момент времени (t₀ = 0) число радиоактивных ядер равно N₀. Через промежуток времени, равный периоду полураспада (t₁ = Т), число радиоактивных ядер уменьшится в 2 раза:

Еще через такой же промежуток времени (т.е. t₂ = 2Т) число радиоактивных ядер уменьшится еще в 2 раза:

По этому правилу можно определить закономерность сокращения числа радиоактивных ядер:

Формулу для определения количества радиоактивных ядер в произвольный t момент времени можно записать так:

Из формулы (2), учитывая, что можно получить выражение для закона радиоактивного распада:

Здесь N - количество нераспавшихся ядер, оставшихся после радиоактивного превращения. Согласно этой формуле мы можем графически описать зависимость закономерности убывания числа радиоактивных ядер от времени в произвольном веществе (а).

Количество ядер, которые подвергаются распаду за произвольный промежуток времени t, определяется по формуле:

Из формулы (4) можно определить, какую часть начального количества радиоактивного ядра составляют распавшиеся ядра: 

Кроме периода полураспада, радиоактивные ядра характеризуются и средним временем жизни (— тау), для которого справедливо соотношение с периодом полураспада:

Отношение числа имеющихся в момент времени t радиоактивных ядер к их среднему времени жизни называется активностью радиоактивных ядер: 

Физический смысл активности радиоактивного ядра заключается в количестве радиоактивных распадов, происходящих в ядре за единицу времени. С течением времени активность убывает по тому же закону, что и число радиоактивных ядер:

Единицей активности в системе СИ является беккерель (1Бк): 7 Бк равен активности такого радиоактивного вещества, в котором за 1с происходит 1 распад.

Ядерная реакция

Превращение атомного ядра в другое атомное ядро при взаимодействии с какой-либо частицей называется ядерной реакцией.

Для возникновения ядерной реакции необходимо, чтобы взаимодействующие между собой частицы или ядра приблизились друг к другу на расстояние радиуса действия ядерных сил (м). Для этого частицам необходимо сообщить большую кинетическую энергию. С этой целью используется специальная установка, называемая ускорителем элементарных частиц. Первая ядерная реакция с ускоренной частицей (протоном) была проведена в 1932 году. Это реакция превращения ядра лития в два ядра гелия:

Открытие нейтрона сыграло очень важную роль в изучении ядерных реакций. Так, электронейтральный нейтрон даже без ускорения может беспрепятственно входить в ядро атома, превращая его в другое ядро.

B 1911 году Э.Резерфорд в знаменитом эксперименте, бомбардировав атомы золота -частицами (ядро ), обосновал планетарную модель атома. В этом эксперименте никаких изменений в атоме золота не было обнаружено, просто всего одна частица из 2000 отскакивала на 180 градусов от ядра атома золота. Но в опытах, проведенных Резерфордом в 1919 году, - при бомбардировке ядра атома азота -частицами было получено ядро нового химического элемента с испусканием дополнительной частицы.

• Почему при бомбардировке тяжелого ядра -частицами не происходит преобразования в этом ядре, но бомбардировка "легких" ядер этими же частицами приводит к их изменению?

Характер ядерной реакции и закон сохранения энергии.

Характер ядерной реакции может быть разным в зависимости от типа и энергии частиц, находящихся во взаимодействии:

• После захвата частицы, с которой взаимодействует ядро, оно возвращается в исходное состояние путем излучения нескольких гамма-квантов. В ядре никаких изменений не происходит.
• Ядро, захватывая бомбардирующиеся частицы, превращается в новое ядро с относительно большим массовым числом. Такое ядро обычно находится в возбужденном состоянии и оно, испуская частицы (нейтрон, протон, электрон, -частицу и др.), превращается в ядро другого элемента.
• После захвата частицы ядро распадается на осколки, они, в свою очередь, путем испускания частиц превращаются в ядра других элементов.

Символически ядерные реакции записываются в следующем виде:

здесь X — исходное ядро, — частица, бомбардирующая исходное ядро, Y — получаемое новое ядро, — частица, получаемая из реакции. Во время ядерных реакций выполняются законы сохранения энергии, массового и зарядового числа. В таких реакциях происходит превращение ядер, и поэтому их внутренняя энергия, следовательно, и их удельная энергия связи изменяется. А это приводит к изменению кинетической энергии частиц в соответствии с законом сохранения энергии.

Изменение кинетических энергий частиц, участвующих в ядерной реакции, называется энергетическим выходом ядерной реакции:

Здесь и — соответственно начальное и конечное значения кинетической энергии частиц, участвующих в ядерной реакции; — энергетический выход ядерной реакции.

Если энергетический выход ядерной реакции > 0, то такая реакция называется экзотермической ядерной реакцией. Поскольку в экзотермической ядерной реакции суммарная масса исходных частиц больше суммарной массы образовавшихся частиц, то эта реакция идет с выделением энергии.

Если энергетический выход ядерной реакции < 0, то реакция называется эндотермической. Поскольку в эндотермической ядерной реакции суммарная масса исходных частиц меньше суммарной массы образовавшихся частиц, то это реакция идет с поглощением энергии.

Согласно закону сохранения энергии формулу (2) можно записать в виде разности энергии связи ядер:

или

Здесь — суммарная масса исходных частиц, — суммарная масса образовавшихся (конечных) частиц.

Энергетический выход ядерной реакции равен разности энергии связи конечного и исходного ядер.

Согласно представлениям Н.Бора, ядерные реакции протекают в два этапа.

На первом этапе: происходит поглощение частицы исходным ядром и образованием составного ядра, находящегося в возбужденном состоянии. Энергия распределяется между всеми нуклонами этого ядра. Нуклоны обмениваются между собой энергией, в результате в одном из них или в нескольких нуклонах может сконцентрироваться энергия, достаточная для преодоления сил ядерной связи.

На втором этапе: составное ядро за очень короткое время  ( с), выделяя путем излучения лишнюю энергию, возвращается в состояние с минимальной энергией - в стабильное состояние. В результате происходит превращение возбужденного составного ядра в другое ядро и частицу:

Первые ядерные реакции

Первую искусственную ядерную реакцию в 1919 году осуществил Резерфорд. Это была реакция превращения азота в кислород и открытие протона:

В 1932 году учеником Резерфорда Джеймсом Чедвиком (1891-1974) был открыт нейтрон в реакции радиоактивного превращения ядер бериллия в изотоп углерода при бомбардировке -частицами:

В 1934 году французскими физиками Фредериком Жолио-Кюри (1890-1958) и Иреном Жолио-Кюри (1897-1956) впервые было получено ядро радиоактивного изотопа фосфора в ходе ядерной реакции:

Далее изотоп самопроизвольно превращается в изотоп  с испусканием позитрона ⁺ (а):

Деление ядер урана и цепная ядерная реакция

При бомбардировках тяжелых ядер нейтронами, проводимых в одинаковых условиях, наблюдаются странные явления: а) образуются ядра элементов средней части периодической системы химических элементов; b) образуется новое поколение нейтронов; с) новые нейтроны участвуют в новых ядерных реакциях деления, и этот процесс повторяется в растущем режиме; d) выделяется большое количество энергии.

При столкновении нейтронов нового "поколения", возникающих при реакции распада ядер урана, с новыми ядрами урана происходит реакция их распада. При каждой такой реакции возникает следующее поколение нейтронов, также способное осуществить деление и, таким образом, под влиянием первичных нейтронов возникает длинная цепь распада ядер урана.

Цепная реакция - это лавинообразное увеличение числа делящихся ядер урана.

Для осуществления цепной ядерной реакции необходимо выполнение двух условий:

I    условие: при цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть равен единице или превышать ее.

Коэффициентом размножения нейтронов называется отношение числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем поколении:

Значит, для протекания цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть . При число нейтронов, вызывающих распад ядра, со временем увеличивается и происходит неуправляемая цепная ядерная реакция, приводящая к взрыву. При коэффициенте размножения нейтронов число нейтронов постепенно убывает, и реакция затухает. А при коэффициенте размножения нейтронов число нейтронов, вызывающих распад ядра, не меняется, и цепная ядерная реакция носит управляемый характер.

II    условие: масса урана не должна иметь значение, меньшее определенного, называемого критической массой.

Минимальное значение массы урана, требуемое для протекания цепной ядерной реакции, называется критической массой.

Механизм деления ядра урана Нильс Бор объяснил на основе капельной модели ядра. По его мнению, ядро напоминает каплю жидкости, состоящую из сгустка нуклонов. Эта капля при столкновении с нейтроном возбуждается. В результате нарушается баланс между силами, действующими между нуклонами. Ядро, деформируясь, приобретает вытянутую форму, и нуклоны на его концах отодвигаются друг от друга. Наконец, настигает такой момент, что ядро делится на два осколка, и они с очень большим значением кинетической энергией выбрасываются в сторону (а).

• Между какими силами нарушается баланс, действующими между нуклонами возбужденного ядра при приеме им нейтрона?
• Почему осколки (ядра), полученные при делении, имеют очень большую кинетическую энергию?
• Чему равна суммарная кинетическая энергия этих осколков, согласно закону сохранения энергии?
• Какими элементами могут быть в периодической системе химических элементов эти осколки, полученные при делении ядра?
   

Деление ядра урана

Особый тип ядерных реакций представляют ядерные деления "тяжелых" ядер (элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов). Такие реакции сопровождаются выделением огромного количества энергии. Это видно из графика удельной энергии связи нуклонов (см. тема 4.7). Например, для ядра урана удельная энергия связи составляет Ядра химических элементов из середины периодической системы химических элементов обладают максимальной удельной энергией связи - примерно до Это означает, что при делении тяжелого ядра на 2-3 более легких осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка 1 МэВ. Число нуклонов в каждом ядре урана равна 235, а это значит, что реакция деления одного ядра приводит к выделению 200 МэВ энергии. Согласно закону сохранения энергии такое же количество энергии выделится при каждом делении ядра. Эти теоретические вычисления были подтверждены независимыми экспериментами, осуществленными немецкими учеными Огго Ганом (1879-1968) и Фрицем Штрассманом (1902-1980), австрийскими учеными Лизе Мейтнерой (1878-1968) и Отто Фришем (1904-1979) в 1939 году. В результате многочисленных экспериментов было установлено, что при бомбардировке ядра урана нейтронами оно делится на два радиоактивных ядра-осколка с массовыми числами, примерно близкими друг другу. Каждое такое деление сопровождается испусканием 2-3-х новых нейтронов и выделением 200 МэВ энергии:

Образовавшиеся ядра-осколки обычно являются радиоактивными. Поэтому после ряда распадов они превращаются в стабильные изотопы (b).

Суммарная кинетическая энергия этих осколков () составляет основную долю всей энергии, остальную часть составляют энергии различных излучений, освобождаемые при делении ядра (с).

Цепная ядерная реакция

Процесс каждого деления, сопровождаемый испусканием 2-3-х новых "поколений" нейтронов, является очевидным фактом практического использования энергии при делении ядра урана. Если освобождающиеся в первой реакции эти нейтроны попадут в другие ядра, то они могут вызвать реакции их деления - возникают следующие "поколения" нейтронов. Таким образом, под действием первичных нейтронов происходит цепная реакция деления ядра урана (d).

Цепная реакция — это такая реакция, которая вызывается частицей (нейтроном), появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Если при осуществлении цепной реакции число делящихся ядер урана и появление новых "поколений" нейтронов лавинообразно возрастает, реакция становится неуправляемой - происходит взрыв. На этом основан принцип действия атомной бомбы.

Если в цепной реакции число делящихся ядер остаётся постоянным, то реакция протекает не в виде взрыва, а стационарно. Такая цепная реакция называется управляемой.

Как осуществляется управляемая цепная ядерная реакция

Первое, осуществление цепной ядерной реакции делением ядер урана при облучении их медленными нейтронами. Энергия таких нейтронов меньше, чем кинетическая энергия нейтронов, образующихся при делении ядер, поэтому возникает необходимость в замедлителях нейтронов. В качестве замедлителя нейтронов используется тяжёлая вода, или чистый графит. Замедляющие свойства дейтерия и графита обусловлены тем, что ядра этих веществ сравнительно лёгкие. Благодаря этому при столкновениях с нейтронами они эффективно отбирают у нейтронов значительную часть их кинетической энергии (см. d).

Второе, в цепной реакции ядер урана коэффициент размножения нейтронов должен быть Для обеспечения постоянства числа нейтронов используются "поглотители нейтронов". В качестве поглотителей обычно применяют стержни из кадмия или бора: нейтроны хорошо поглощаются ядрами этих веществ.

Третье, необходимо создать условия, чтобы основная часть нейтронов, образовавшихся при делении ядер, оставалась в уране, вызывая новые реакции деления. А это значит, что нейтроны должны пройти в веществе достаточно большой путь, то есть размеры образца, а следовательно, и его масса должны быть в размере критической массы. Для шарообразного образца - "горючего" изотопа урана критическая масса равна примерно 48 кг. Однако её можно намного уменьшить, окружив образец бериллиевой оболочкой, так как она отражает вылетающие нейтроны обратно в зону реакции, тем самым увеличивает их путь в образце.

Термоядерная реакция

 Для слияния (синтеза) двух ядер они должны преодолеть кулоновскую силу отталкивания имеющих одинаковые электрические заряды протонов и сблизиться до расстояния действия ядерных сил (10^—15м). Для этого ядра должны иметь очень большую кинетическую энергию. Для получения ядер таких энергий реакцию синтеза необходимо проводить при очень высокой температуре (К), так как высокая температура является причиной резкого увеличения скорости и кинетической энергии ядер.

Реакция слияния (синтеза) легких ядер, протекающая при очень высокой температуре, называется термоядерной реакцией.

Исследования показали, что внутри Солнца и других звезд, вероятнее всего, протекают следующие ядерные реакции:

Солнце и другие звезды —ото самоуправляемые естественные термоядерные реакторы.

Неуправляемая термоядерная реакция было получена при взрыве водородной бомбы. Боеголовка бомбы состоит из смеси дейтерия и трития, называемой LiD. В качестве запала (детонатора) используется атомная бомба. Сначала внутри водородной бомбы взрывают атомную бомбу. В результате резко возрастает температура, и возникает мощный поток нейтронов. Происходит реакция слияния нейтронов с изотопом лития. При ядерной реакции синтеза возникают ядра гелия и трития:

При слиянии ядер дейтерия и лития с нейтроном при высокой температуре происходит неуправляемая термоядерная реакция - выделяется огромное количество энергии, и водородная бомба взрывается.

Работающие на основе цепной реакции тяжелых ядер атомные электростанции (АЭС) имеют два важных преимущества по сравнению с тепловыми электростанциями: экологически более чистые, чем тепловые, и производит большое количество энергии, используя малое количество ядерного топлива. Но вместе с тем АЭС ставит перед лицом человечества две серьезные проблемы: во-первых, радиоактивные элементы (в основном, уран и торий) составляют около от массы земной коры, и их добыча все усложняется; во-вторых, проблема безопасного захоронения растущего количества радиоактивных отходов.

• Существуют ли какие-либо ядерные реакции, которые, заменяя реакцию деления тяжелых ядер, сохраняя преимущества АЭС, устраняли бы се недостатки?
• Что может быть таким эффективным топливом?

Недостатки цепных ядерных реакций тяжелых ядер можно устранить, если для получения энергии использовать не реакции деления тяжелых ядер, а реакции синтеза (слияния) легких ядер. Реакции синтеза ядер эффективно протекают при сверхвысоких температурах порядка и самоподдерживаются за счет значительного выделения в них энергии. Причина выделения колоссальной энергии в таких реакциях, названных термоядерными, та же, что и в случае реакции деления. То есть удельная энергия связи ядер, являющихся продуктами реакции, выше, чем у исходных ядер. Суммарная масса двух легких ядер, участвующих в реакции синтеза, больше, чем масса образованного из них результирующего ядра. Поэтому в результате реакции возникающий дефект массы является причиной выделения огромного количества энергии, определяемой по формуле:

Термоядерная реакция в природе происходит только в ядре Солнца и других звезд. Для осуществления их в условиях Земли необходимо разогреть вещество либо ядерным взрывом, либо мощным газовым разрядом, либо гигантским импульсом лазерного излучения, либо бомбардировкой интенсивным пучком частиц.

Для получения управляемой реакции синтеза необходимо создать термоядерный реактор. В таких реакторах, вероятнее всего, можно осуществить следующие ядерные реакции синтеза:

Как видно, наиболее энергетически выгодной является реакция (4), так как при этой реакции синтеза на один нуклон выделяется 3,5 МэВ энергии. В то время как в реакциях деления ядра урана на один нуклон выделяется всего 1 МэВ энергии.

Если было бы возможно создать термоядерный реактор, то он имел бы неоспоримое преимущество по сравнению с АЭС. Эти преимущества следующие:

1)    производство энергии в огромном количестве;

2)    имеется запас топлива в гигантском количестве: на Земле существуют практически неисчерпаемые запасы дейтерия (в воде морей и океанов), а тритий можно получать из лития при облучении его нейтронами в самом реакторе:

3)    высокая экологическая безопасность реактора, так как при реакциях синтеза не образуются радиоактивные отходы.

К сожалению, на Земле не удаётся создать управляемый термоядерный реактор, работающий на сверхвысоких температурах, чтобы вырабатывать энергию в промышленных масштабах. Если бы можно было создать такой реактор, то энергетическая проблема на Земле была бы решена раз и навсегда. На Земле удалось осуществить в настоящее время лишь неуправляемую термоядерную реакцию синтеза при взрыве водородной бомбы (см. Физика 9).

Элементарные частицы и методы их регистрации

Для возникновения ядерной реакции необходимо, чтобы взаимодействующие между собой частицы или ядра приблизились друг к другу на расстояние радиуса действия ядерных сил По этой причине этим частицам необходимо сообщить большую кинетическую энергию. С этой целью используется специальная установка, называемая ускорителем элементарных частиц. На рисунке представлена блок-схема установки подземного ускорителя элементарных частиц длиной в десятки километров (а). В таких ускорителях, например, частице сообщается кинетическая энергия, в сотни тысяч раз превышающая энергию частицы при радиоактивном превращении. Первая ядерная реакция с ускоренной частицей (протоном) была проведена в 1932 году. Это реакция превращения ядра лития в два ядра гелия: 

 Когда вы ознакомились с ядерными реакциями, вероятно, обратили внимание на такой факт: почти во всех реакциях участвуют элементарные частицы - фотоны, электроны, нейтроны, позитроны, нейтрино, антинейтрино. Эти частицы возникают из ядерных реакций либо путем взаимодействия ядер, либо путем создания других частиц, которые сами исчезают.

Что такое элементарные частицы и чем они отличаются от других частиц

Элементарные частицы:

Элементарными частицами называются такие частицы материи, которые невозможно расщепить на составные части.

В современной физике к элементарным частицам относится большая группа частиц, которые не содержатся в атоме и атомном ядре. В эту группу входят фотон, электрон, нейтрон, протон, а также мезоны, мюопы, нейтрины, барио-иы, кварки и др. - всего приблизительно 400 частиц.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса, время жизни, электрический заряд и спин.

Первоначальная классификация элементарных частиц осуществлялась но их массе, что и получило отражение в названиях типов частиц: лептоны - легкие, мезоны - средние, барионы - тяжелые.

Электрические заряды элементарных частиц являются кратными положительным или отрицательным, дробным и нулевым значением величины элементарного электрического заряда. Например, электрический заряд фотона, нейтрино, бозона , мезона равен нулю, а кварки обладают дробной величиной элементарного электрического заряда.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на три группы: стабильные, квазистабильные и нестабильные. В пределах точности современных измерений стабильными являются протон, электрон, фотон и нейтрино. Например, у протона продолжительность жизни равна 10³²лет. Среднее время жизни у квазистабильных частиц с, а у нестабильных - с. Так как большинство элементарных частиц являются нестабильными, они почти не встречаются в природе. Такие частицы появляются в лабораторных условиях. Основным методом их получения является метод столкновения ускоренных стабильных частиц. В этот момент часть кинетической энергии этих частиц преобразуется в энергию вновь образовавшихся частиц. Можно сказать, что почти все элементарные частицы были получены лабораторными методами в ускорителях частиц. Пробный запуск самого большого в мире ускорителя элементарных частиц Большого адронного коллайдера (БАК) - состоялся 10 сентября 2008 года.

Большой адронный коллайдер (БАК) — это установка, дающая возможность, сконцентрировать очень большую энергию в очень малой области пространства в результате ускорения стабильных частиц и их столкновений (b).

Энергии частиц в БАКе измеряются в тераэлектронвольтах. Там сталкиваются пучки одинаковых частиц - прогонов или ионов свинца. Пучки создаются в существующем циклическом ускорителе и вводятся в БАК. Там они движутся по окружности и могут делать до миллиона оборотов. На каждом круге пучки получают дополнительную энергию, и энергия двух сталкивающихся протонов повышается до 14 ТэВ.

Ученые выявили новую частицу, называемую бозоном Хиггса, в результате эксперимента, проведенного на установке БАК в 2012 году.

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным постоянной Планка h механического момента частицы.

Фундаментальные взаимодействия

По современным представлениям, все взаимодействия в природе являются проявлениями четырёх видов фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами (таблица 4.5).

Сильное взаимодействие, обеспечивает существование атомных ядер: существование протона и нейтрона в ядре, кварков в составах протона и нейтрона. Носителями сильного взаимодействия между кварками являются частицы, называемые глюонами. Современная классификация элементарных частиц определяется по их участию в сильном взаимодействии: группа частиц адронов (от греч. "adros"— большой, сильный), которые участвуют в сильных взаимодействиях, и группу лептонов (от греч. "leptos" - тонкий, легкий), которые не участвуют в сильном взаимодействии.

Электромагнитное взаимодействие характерно для всех частиц, обладающих электрическим зарядом. Оно осуществляется благодаря обмену фотонами между частицами. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает возможность существования атомов, молекул, кристаллов и определяет свойства вещества (твердых тел, жидкостей, газов и плазмы). В зависимости от знака заряда частиц оно проявляется либо в виде сил притяжения, либо отталкивания.

Слабое взаимодействие обеспечивает преобразование элементарных частиц. Поэтому это взаимодействие характерно для всех элементарных частиц (кроме фотона). Примером слабого взаимодействия может служит распад нейтрона:

Слабое взаимодействие осуществляется благодаря обмену между гремя очень массивными частицами, которые назвали промежуточными векторными бозонами. Масса каждой из них почти в сто раз больше массы нуклона.

Из всех фундаментальных взаимодействий лишь гравитационное является универсальным. Гравитационное взаимодействие проявляется в виде сил тяготения между всеми частицами, у которых имеется масса.

Методы регистрации элементарных частиц

Для регистрации частиц и для того, чтобы охарактеризовать их свойства, используются различные установки. Регистрация элементарных частиц основана на их свойстве вызывать ионизацию атомов вещества. Ознакомимся с двумя из них.

Счетчик Гейгера

Счетчик Гейгера — это устройство, используемое для подсчета частиц. (с) Его принцип работы основан на ударной ионизации.

Счетчик состоит из стеклянной трубки, запаянной с обоих концов. Трубка заполнена инертным газом аргоном под давлением в 10 кПа и покрыта изнутри металлическим слоем - катодом. Тонкая металлическая нить, идущая вдоль оси трубки, является анодом (с). Между анодом и катодом создается высокое постоянное напряжение. Заряженная частица, попадая в трубку, вызывает ионизацию газа аргона. Электрическое поле, увеличивая скорость образованных ионов и электронов, направляет их соответственно к катоду и аноду. Ускоренные электроны при взаимодействии с нейтральными атомами газа вызывают вторичную ионизацию. Таким образом, возникает лавина ионов и электронов, и ток через счетчик резко возрастает. При этом на нагрузочном резисторе R  образуется импульс напряжения. Этот импульс передаётся к регистрирующему устройству, которое регистрирует радиоактивные частицы (в основном кванты).

Камера Вильсона

Камера Вильсона - это устройство, позволяющее наблюдать следы быстрых частиц или сфотографировать эти следы. Действие устройства основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах с образованием капелек воды.

Камера Вильсона представляет собой цилиндр с поршнем (d). Рабочий объем камеры заполнен насыщенным паром воды или спирта. При резком перемещении поршня вниз пар в объеме адиабатически расширяется и охлаждается, при этом становясь перенасыщенным. В этом состоянии пар легко конденсируется. Когда в этом пространстве пролетает частица, создающая на своем пути ионы, то на этих ионах образуются капельки сконденсировавшегося пара. Эти капельки образуют видимый след пролетевшей частицы - грек. По длине трека можно определить значение кинетической энергии, а по числу капелек на единицу длины трека оценивается ее скорость. Чем длиннее трек частицы, тем больше ее кинетическая энергия, а чем больше капелек воды образуется на единицу длины трека, тем меньше ее скорость. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. Если камеру поместить в однородное магнитное ноле, то траектория заряженной частицы искривляется (е). По радиусу кривизны можно определить удельный заряд частицы.

Физика атомного ядра

В связи с открытием естественной радиоактивности Беккерелем и оценкой размеров атомного ядра Резерфордом начались исследования атомных ядер, которые уже с начала XX века привели к ряду открытий. В результате искусственных ядерных реакций были обнаружены частицы ядер: протоны и нейтроны, получены радиоактивные изотопы большинства химических элементов, обнаружены элементарные частицы с различными свойствами. Исследование ядер и внутриядерных процессов привело к практическому использованию ядерной энергии; искусственные радиоизотопы получили широкое применение в различных отраслях деятельности человека.

Естественная радиоактивность и законы радиоактивного распада

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. французским физиком А.А. Беккерелем. Он обнаружил, что соли урана испускают невидимые лучи, способные вызывать люминесценцию, проникать сквозь слои непрозрачных веществ, ионизировать газы, вызывать почернение фотографической пластинки. Дальнейшие исследования, проведенные П. Кюри и М. Склодовской-Кюри, показали, что естественная радиоактивность свойственна не только урану, но и многим тяжелым химическим элементам, в частности, актинию, торию, полонию и радию. Два последних элемента были открыты в 1898 году Пьером и Марией Кюри. Все эти элементы были названы радиоактивными, а испускаемые ими лучи – радиоактивными лучами.

Естественная радиоактивность – это самопроизвольное превращение одних ядер в другие, которое сопровождается испусканием радиоактивного излучения.

Антуан Анри Беккерель (1852–1908)  – французский физик, один из первооткрывателей радиоактивности, исследователь спонтанного испускания ядерного излучения. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1903 г.

Свойства альфа-лучей

В результате опытов установлено, что частицы вылетают из ядер радиоактивных элементов со скоростями от 14 000 до 20 000 км/с, несут два элементарных положительных заряда +2e и обладают массовым числом 4. Они представляют собой поток атомных ядер гелия Путь, пройденный частицей в веществе до остановки, называют проникающей способностью, а число пар ионов, созданных на всем пути − ионизирующей способностью. Чем больше ионизирующая способность частицы, тем меньше ее пробег. Пробег частицы в воздухе при нормальном давлении составляет от 3 до 9 см, а ионизирующая способность – от 100 000 до 250 000 пар ионов. лучи полностью поглощаются обычным листом бумаги.

Свойства бета-лучей

лучи представляют собой поток быстрых электронов, которые называют частицами, их масса в7350 раз меньше массы частицы. Средняя скорость частиц составляет около 160 000 км/с. В отличие от a-излучения, в излучении присутствуют электроны со всевозможными значениями энергии. Ядра одного и того же радиоактивного элемента выбрасывают частицы как со скоростью, близкой к нулю, так и со скоростью, близкой к скорости света. Пробег электрона высокой энергии достигает в воздухе 40 м, в пластине алюминия – 2 см.

Свойства гамма-лучей

лучи представляют собой поток фотонов, имеющих очень высокую частоту, порядка 1020 Гц, что соответствует очень короткой длине волны, порядка 10–12 м. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями, распространяются со скоростью света. Ионизирующая способность лучей невелика; в воздухе она имеет порядка 100 пар ионов. лучи являются одним из самых проникающих излучений. Наиболее жесткие лучи проходят через слой свинца толщиной 5 см или через слой воздуха толщиной в несколько сотен метров; тело человека они пронизывают насквозь.

Закон радиоактивного распада

Радиоактивный распад ведет к постепенному уменьшению числа атомов радиоактивного элемента. Уменьшение числа атомов распадающихся за малый промежуток времени t , пропорционально времени и общему числу атомов N радиоактивного элемента:

где − коэффициент пропорциональности, который назван постоянной распада данного элемента − это величина, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени. Знак «минус» указывает на уменьшение числа атомов радиоактивного элемента со временем. Разделим переменные в записанном выражении:

Интегрируя уравнение (5) в пределах изменения времени от  и числа частиц от получим:

Полученное выражение является законом радиоактивного распада, в полученном соотношении число атомов элемента в начальный момент времени; число атомов этого же элемента, оставшееся по истечении времени t . Графически закон радиоактивного распада представлен на рисунке 241.

Запомните! В процессах  распадов выполняются законы сохранения массы, заряда, энергии.

Период полураспада. Среднее время жизни радиоактивного атома

Периодом полураспада Т называется время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.

Из (6) следует, что при выполняется равенство:

откуда связь периода полураспада Т с постоянной распада имеет вид:

Выразим постоянную распада из соотношения (7) и подставим ее в формулу (6), получим:

Формула (8) позволяет определить число нераспавшихся атомов радиоактивного элемента по значению периода полураспада.

Введем понятие «среднее время жизни ядра» − это время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается в е = 2,7182 раза.

Величина, обратно пропорциональная постоянной распада, представляет собой среднее время жизни радиоактивного атома:

Следовательно,  откуда

Среднее время жизни приблизительно в полтора раза больше периода полураспада.

Значения периода полураспада Т, среднего времени жизни радиоактивного атома  и постоянной распада  у различных радиоактивных элементов различны. Наряду с такими «долгоживущими» радиоактивными элементами, как уран с периодом полураспада лет, встречаются и «короткоживущие» элементы. Например, период полураспада полония равен Т = 103 годам. Период полураспада радона равен 3,8 суток.

Закон имеет случайный характер, нельзя предсказать, когда и какой именно атом распадется. Можно говорить только о вероятности распада каждого атома за определенный промежуток времени.

Активность радиоактивного элемента

Скорость распадов ядер радиоактивного элемента называют А активностью этого элемента:

Из формул (4) и (7) следует, что: 

Таким образом, активность элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада.

Единица измерения активности в СИ – беккерель.

Один беккерель определяется как активность источника, в котором за одну секунду происходит в среднем один радиоактивный распад 

Обратите внимание! Для измерения активности используется также внесистемная единицы измерения 1 кюри − это активность одного грамма радия: расп/с.

Связь между величинами: Бк,

Пример №3

Активность изотопа углерода  в деревянных предметах составляет 4/5 активности этого изотопа в свежесрубленных деревьях. Определите возраст предметов.

Дано: 

Т = 5720 лет

t - ?

Решение: Активность радиоактивного вещества – это число ядер, распавшихся в единицу времени, запишем: В начальный момент времени:

По закону радиоактивного распада следовательно: Прологарифмируем полученное выражение, получим: отсюда определим возраст предметов: 

Ответ: 1800 лет.

Атомное ядро и нуклонная модель ядра

Согласно гипотезе, высказанной в 1932 г. советским ученым Д.Д. Иваненко и независимо от него немецким ученым В. Гейзенбергом, в состав всех атомных ядер входит два вида элементарных частиц: протоны − p и нейтроны − n ; общее название этих частиц – нуклоны.

Заряд атомного ядра любого химического элемента, выраженный в элементарных зарядах, равен его порядковому номеру Z в таблице Менделеева. Поскольку заряд ядра складывается из зарядов протонов, то число протонов в атомном ядре элемента равно атомному номеру Z этого элемента:

Массу ядер и элементарных частиц с высокой точностью можно определить с помощью масс-спектрографа. В атомной физике массу принято выражать в а.е.м. − атомных единицах массы. За атомную единицу массы принята массы атома углерода

Следовательно,   таким образом,

Поскольку масса ядра слагается из масс всех нуклонов, входящих в ядро, то сумма числа протонов и нейтронов должна быть равна массовому числу атома, т.е. целому числу À , ближайшему к атомной массе, выраженной в а.е.м.:

 или, учитывая формулу (1),

Следовательно, число нейтронов в атомном ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента:

Таким образом, по массовому числу и атомному номеру химического элемента можно непосредственно определять число протонов и число нейтронов, содержащихся в атомном ядре этого элемента.

Вспомните! В 1919 г. Э. Резерфордом был обнаружен протон. Заряд протона масса покоя В 1932 г. Дж. Чедвиком был открыт нейтрон. Нейтрон не имеет заряда. Масса нейтрона:

Атомные ядра химических элементов принято обозначать символом − символ элемента, A − массовое число, Z − порядковый номер. Например, обозначение ядра атома кислорода −  азота − На рисунке 242 схематически изображены ядра атомов гелия и лития

Изотопы

Изотопы занимают одну и ту же клетку в таблице Менделеева. Например, у водорода существует три изотопа: протий H − легкий водород, дейтерий D − тяжелый водород, тритий T − сверхтяжелый водород. Ядро протия – протон, с массовым числом, равным единице A = 1 , состоит из одного протона; ядро дейтерия – дейтрон, с массовым числом, равным двум A = 2 , состоит из протона и нейтрона; ядро трития – тритон, с массовым числом, равным трем A = 3 , состоит из протона и двух нейтронов. В соединении с кислородом дейтерий образует тяжелую воду тритий – сверхтяжелую воду

Атомы, ядра которых состоят их одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называют изотопами.

Все изотопы одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек. Поэтому у изотопов данного элемента одинаковы как химические свойства, так и те физические свойства, которые обусловлены структурой электронной оболочки. Физические свойства, обусловленные структурой ядра, например, свойство радиоактивности, заметно отличаются.

В настоящее время установлено, что большинство химических элементов, встречающихся в природе, представляют собой смесь изотопов. В частности, природный водород состоит на 99,985 % из протия и на 0,015 % из дейтерия.

Ядерные силы и их свойства

Ядерные силы, удерживающие нуклоны в ядре, обладают рядом свойств. Из курса для 9 класса известно, что они короткодействующие: действуют только внутри ядра, превышают кулоновские силы примерно в сотни раз. За эти свойства ядерные силы называют «богатыри с короткими руками». Они обладают зарядовой независимостью и свойством насыщения, что проявляется во взаимодействии только соседних нуклонов не зависимо от наличия заряда. Необходимо отметить, что в отличие от кулоновских сил и сил гравитации ядерные силы не являются центральными.

Природа ядерных сил и их свойства изучены еще недостаточно. В настоящее время наиболее вероятной считается мезонная или обменная теория ядерных сил, разработанная японским физиком X. Юкава. Согласно теории обменных сил нуклоны взаимодействуют друг с другом путем обмена особыми элементарными частицами – мезонами.

Энергия связи. Дефект массы атомного ядра

Нуклоны в ядре атома прочно связаны ядерными силами. Для разрыва этой связи необходимо затратить некоторое количество энергии, т.е. совершить работу.

Энергию, необходимую для расщепления ядра на нуклоны, называют энергией связи ядра.

Согласно закону сохранения энергии, энергия нуклонов, связанных в ядре, должна быть меньше энергии разобщенных нуклонов на значение энергии связи Из уравнения Эйнштейна следует, что изменение энергии системы сопровождается пропорциональным изменением массы системы

где c − скорость света в вакууме. Так как в рассматриваемом случае и есть энергия связи ядра, то масса атомного ядра должна быть меньше суммы масс нуклонов, составляющих ядро, на величину , которую называют дефектом массы ядра:

где Z − число протонов, N_n − число нейтронов, M_я − масса ядра.

Дефект масс – это разность суммы масс покоя нуклонов, из которых состоит ядро и массы покоя ядра самого атома.

В настоящее время массы атомных ядер определены с высокой степенью точности посредством масс-спектрографа. Это дает возможность определить дефект масс и энергию связи любого ядра. Формула расчета энергии связи по дефекту масс, выраженного в килограммах, имеет вид:

где − масса ядра, − масса атома, − масса атома водорода. Если дефект масс выражен в атомных единицах массы, то уравнения (7, 8) примут другой вид, для их записи выразим энергию покоя частицы массой 1 а.е.м. в МэВ − мегаэлектронвольтах, учитывая, что

Запишем формулы расчета энергии связи нуклонов в ядре в МэВ в следующем виде:

Удельная энергия связи ядер

Энергию связи ядра, приходящуюся на один нуклон, называют удельной энергией связи

Удельная энергия связи характеризует устойчивость атомных ядер: чем больше тем более устойчивое ядро. Результаты расчетов удельных энергий связи для ядер представлены графически на рисунке 243.

По оси ординат отложены удельные энергии связи, по оси абсцисс – массовые числа A.

Из графика следует, что удельная энергия связи максимальна у ядер с массовыми числами порядка 30–100 и составляет около У тяжелых и легких ядер она несколько меньше, например,  для урана; для гелия. У атомного ядра водорода удельная энергия связи равна нулю, поскольку оно состоит только из одного нуклона.

Ядра тяжелых элементов менее устойчивые в связи с большим числом протонов в ядре, что приводит к увеличению кулоновских сил отталкивания. В легких ядрах уменьшение удельной энергии связи и, следовательно, устойчивости ядер происходит из-за малого числа нуклонов. Нуклоны, расположенные у поверхности ядра, обладают меньшей удельной энергией связи, поскольку взаимодействуют с меньшим количеством нуклонов. В легких ядрах доля поверхностных нуклонов от общего их числа в ядре возрастает.

Ядерные реакции и искусственная радиоактивность

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г., в результате которой из ядер атома азота были получены ядра атома кислорода. В качестве бомбардирующих частиц он использовал a-частицы. В дальнейшем ученые стали применять и другие заряженные частицы, предварительно сообщая им высокую скорость в специальных ускорителях.

Процесс превращения атомных ядер в другие, обусловленный воздействием на них быстрых элементарных частиц или ядер других атомов, называют ядерной реакцией.

Приборы для наблюдения и регистрации микрочастиц

Для наблюдения внутриядерных процессов и регистрации полученных частиц используют различные приборы.

1) Счетчик Гейгера – Мюллера (рис. 244) состоит из металлической или металлизированной изнутри стеклянной трубки и тонкой металлической нити, натянутой по оси цилиндра (рис. 245). Нить служит анодом, трубка – катодом. Трубка заполняется разреженным аргоном или неоном. Между катодом и анодом создается напряжение от сотен до тысяч вольт. Работа счетчика основана на ударной ионизации. Гамма-кванты, испускаемые радиоактивным изотопом, попадая на стенки счетчика, выбивают из него электроны. Электрическое поле ускоряет электроны до энергий, при которых начинается ударная ионизация, возникает лавина ионов, ток через счетчик резко возрастает. При этом на сопротивлении R образуется импульс тока, который подается в регистрирующее устройство. Гашение разряда происходит автоматически: увеличение падения напряжения на сопротивлении R приводит к резкому уменьшению напряжения между анодом и катодом.

Недостатком счетчика Гейгера – Мюллера является то, что он не дает возможность идентифицировать частицы и определять их энергию.

2) Камера Вильсона состоит из цилиндра, герметически закрытого стеклянной крышкой, и поршня (рис. 246). При быстром движении поршня вниз объем, предоставленный воздуху в камере над поршнем, резко увеличивается. Воздух адиабатически расширяется и охлаждается. Водяной пар, содержащийся в воздухе, становится перенасыщенным и конденсируется на ионах, созданных частицами, влетевшими в камеру. Вдоль траектории движения частиц образуются треки из капель жидкости. При увеличении давления капли испарятся, камера вновь готова к работе.

3) Пузырьковая камера. Принцип действия пузырьковой камеры напоминает принцип действия камеры Вильсона. В пузырьковой камере используют свойство перегретой жидкости образовывать пузырьки пара вдоль трека частиц.

Камера представляет собой сосуд с расширительным устройством, наполненный жидкостью с низким значением температуры кипения, например: жидким водородом или гелием, фреоном или пропаном. Перегретое состояние достигается резким уменьшением внешнего давления с помощью расширительного устройства. Жидкость закипает, на ионах возникают мельчайшие пузырьки пара. После фотографирования треков давление поднимают до прежней величины, пузырьки «схлопываются» и камера вновь готова к работе.

   

Интересно знать! В 1924 г. П. Л. Капица и  Д. В. Скобельцин разработали метод исследования свойств частиц по их трекам в камере Вильсона, помещенной в сильное магнитное поле. Треки заряженных частиц под воздействием магнитного поля искривляются (рис. 247). По радиусу кривизны можно определять массу, заряд, скорость и энергию ионизирующих частиц.

Интересно знать! Последняя пузырьковая камера была построена к 1971 г. в Европейском центре ядерных исследований и  называлась «Гаргамель». Это был цилиндр диаметром 1,85 м и длиной 4,85 м, наполненный 18 т фреона (рис. 248). Именно с ней связано открытие необычных взаимодействий элементарных частиц, названных нейтральными токами – последнее открытие с использованием камер. 

Преимуществом пузырьковой камеры является то, что в ней используется жидкость, что многократно увеличивает вероятность ядерных взаимодействий. Прослужив науке почти 30 лет, камеры уступили место электронным детекторам, которые могут регистрировать гораздо больше событий с гораздо большей энергией и с большей точностью.

Первая искусственная ядерная реакция. Открытие протона

Первая искусственная ядерная реакция, в результате которой было доказано, что в состав ядра входит протон, была проведена в камере Вильсона Э. Резерфордом. При столкновении a-частица поглощается ядром азота образуется ядро изотопа фтора Оно неустойчивое, превращается в атомное ядро изотопа кислорода в результате мгновенного выброса одного протона. Реакцию, проведенную Резерфордом, можно записать в виде:

В сокращенном виде запись реакции имеет вид:

На рисунке 249 приведена фотография, на которой зафиксирован процесс превращения одного из атомных ядер азота в камере Вильсона. Веерообразно расходящиеся нити являются треками a-частиц. На конце одного из треков имеется характерное разветвление – вилка. В этой точке a-частица столкнулась с ядром азота, в результате чего образовались ядро изотопа кислорода и протон.

Запомните! Ядерную реакцию принято записывать в виде: или используют более сокращенный способ записи: где А − начальное ядро, а – бомбардирующая частица, В – полученное ядро, b – вылетевшая из ядра частица.

Открытие нейтрона

В 1932 г. английский физик Д. Чедвик провел серию экспериментов, в результате которых был обнаружен нейтрон. При бомбардировке бериллиевой пластинки частицами ядро бериллия  захватывает частицу и испускает нейтрон n, при этом превращается в ядро углерода

Нейтроны, вылетающие из бериллия, направляют в камеру Вильсона, наполненную азотом. При попадании нейтрона в ядро азота образуется ядро бора и частица:

Сам нейтрон не дает трека в камере, но по трекам ядра бора и частицы можно рассчитать, что данная реакция вызвана нейтральной частицей массой 1 a.e.м., т.е. нейтроном.

Свободный нейтрон радиоактивен, он превращается в протон, испуская частицу и антинейтрино:

Согласно опытным данным, период полураспада нейтрона составляет 11,7 мин.

Искусственная радиоактивность

Продукты многих ядерных реакций оказываются радиоактивными; их называют искусственно-радиоактивными изотопами. Явление искусственной радиоактивности было открыто в 1934 г. французскими физиками Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Как и естественно-радиоактивным веществам, искусственно-радиоактивным изотопам свойственны  распады. Однако имеются и такие искусственно-радиоактивные изотопы, которые обладают нейтронным и позитронным распадом. Примером распада позитронно-радиоактивного изотопа может служить реакция бомбардировки алюминия частицами, открытая Жолио-Кюри. В данном случае ядро алюминия испускает нейтрон и превращается в ядро радиоактивного изотопа фосфора период полураспада которого T = 2,5 мин. Этот изотоп, испуская позитрон превращается в стабильный изотоп кремния

Реакция идет по схеме:

Применение искусственной радиоактивности. «Меченые атомы»

Искусственно-радиоактивные изотопы получают путем облучения соответствующих химических элементов в ядерном реакторе. В настоящее время получено по несколько изотопов для каждого химического элемента; их общее число порядка 3000. Многие из них широко применяются в качестве «меченых атомов» в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности: в сельском хозяйстве, промышленности, археологии, медицине, науке.

Метод «меченых атомов» в результате замещения ключевого элемента биологической или химической реакции одним из его радиоизотопов позволяет наблюдать за ходом данного процесса. Такое замещение не влияет на ход процесса, поскольку радиоизотоп не отличается по химическим свойствам. Но он радиоактивен, его движение можно проследить по излучению, применяя счетчики Гейгера. Например, любое соединение, содержащее водород, может быть помечено путем замены обычного водорода тритием.

Деление тяжелых ядер – экзотермические ядерные реакции

График зависимости удельной энергии связи от числа нуклонов в ядре À (рис. 243,) позволяет определить, при каких превращениях ядра происходит выделение энергии и при каких – ее поглощение. При делении тяжелого ядра на ядра с массовыми числами À порядка 100 и немногим более происходит выделение ядерной энергии. В этом можно убедиться в результате следующих рассуждений. Пусть происходит деление ядра урана на два «осколка» с массовыми числами A₂ = 119 . Удельная энергия связи ядра урана Удельная энергия связи каждого из новых ядер Для расщепления ядра урана на нуклоны необходимо затратить энергию, равную энергии связи ядра урана:

Энергия связи образовавшихся двух новых атомных ядра с массовыми числами 119 равна:

Следовательно, в результате реакции деления ядра урана выделится ядерная энергия в количестве равном разности между энергией связи новых ядер и энергией связи ядра урана:

Капельная модель ядра

В 1938–1939 гг. ряд ученых: Жолио-Кюри, П. Савич, О. Ганн, Ф. Штрассман, О. Фриш, Л. Мейтнер приступили к активному изучению механизма деления ядер урана, обстреливаемых нейтронами. Деление ядер урана легко объяснялось на основе капельной модели ядра, предложенной Н. Бором, Дж. Уиллером и Я. Френкелем. Согласно этой теории, атомное ядро можно представить в виде сферической равномерно заряженной капли из особой ядерной материи, которая обладает характерными для жидкости свойствами: несжимаемостью, насыщенностью и «испарением» частиц – нуклонов (рис. 250). Ядерные силы, притягивающие нуклоны друг к другу, проявляются лишь на очень малых расстояниях, порядка поэтому каждый нуклон взаимодействует только

со своими ближайшими соседями, а не со всеми имеющимися в ядре нуклонами. Так же обстоят дела и в капле жидкости − силы межмолекулярного притяжения действуют на расстояниях, не превышающих расстояния между молекулами. Число соседей у каждого нуклона можно считать постоянным. Таким образом, вклад в энергию связи, обусловленный ядерными силами, оказывается пропорциональным числу нуклонов в ядре, то есть массовому числу: Сходство свойств жидкости и ядерной материи проявляется в таких явлениях как: дробление на мелкие капли и слияние мелких капель в крупную. Для ядерной материи применимо понятие «поверхностное натяжение».

У нуклонов на поверхности «ядерной капли» соседей меньше, чем внутри ядра, поэтому в энергию связи они дают несколько меньший вклад. Но они обладают поверхностной энергией пропорциональной числу нуклонов на поверхности ядра, а, следовательно, и площади его поверхности:

Аналогично с каплей жидкости, в которой молекулы, находящиеся на поверхности, стремятся уйти вглубь и создают силы поверхностного натяжения, с которыми связана поверхностная энергия жидкости.

Механизм деления тяжелых ядер

Ядерная «капля», поглотив нейтрон, переходит в возбужденное состояние, начинает колебаться, периодически принимая вытянутую форму (рис. 251). Минимальную поверхность при заданном объеме имеет сферическая капля, следовательно, у вытянутой капли поверхностная энергия увеличивается, а энергия связи ядра соответственно уменьшается. Если кулоновские силы отталкивания при вытянутом состоянии ядра становятся больше ядерных, то ядро делится на осколки. С ростом порядкового номера элемента энергия электростатического отталкивания возрастает быстрее поверхностной энергии, поэтому делиться могут только тяжелые ядра.

В процессе деления тяжелого ядра всегда испускается еще несколько нейтронов, которые могут вызвать деление других ядер, для урана обычно 2–3 нейтрона. Именно эти нейтроны и позволяют реализовать на практике управляемую цепную ядерную реакцию деления, которая сопровождается выделением огромного количества энергии. 

Энергетический спектр полученных нейтронов лежит в интервале от 1 эВ до 10 МэВ. Нейтроны, обладающие энергией, большей 1,5 МэВ, называют быстрыми. Нейтроны меньшей энергии – медленными, нейтроны с очень малыми энергиями, сравнимыми с энергией теплового движения, называют тепловыми. Способностью делиться на две части под действием нейтронов обладают ядра всех тяжелых элементов. Наиболее важным в практическом отношении делящимся материалом являются: искусственный изотоп урана Ядра делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов, а ядра – только под действием быстрых нейтронов.

Продукты деления тяжелых ядер разнообразны: их массовые числа лежат в пределах от 70 до 160. Однако чаще всего массы осколков данного ядра относятся как 2 : 3. Примером такого деления может служить распад урана-235 на изотопы криптона и бария с испусканием трех нейтронов:

Энергия выхода ядерной реакции

Энергию выхода ядерной реакции можно определить несколькими способами. Пример расчета энергии выхода по удельной энергии связи нуклонов в ядрах представлен в первой части параграфа:

где − энергия связи ядер, получившихся в результате ядерной реакции, − энергия связи ядер, вступивших в ядерную реакцию.

Энергию выхода при известных значениях масс ядер, вступающих в реакцию m₁ и получившихся в результате реакции m₂ , определяют по формуле Эйнштейна:

Формула (2) справедлива в том случае, когда массы ядер выражены в килограммах, тогда энергия выхода будет рассчитана в Дж (джоулях). Если массы ядер выражены в атомных единицах массы, то с учетом коэффициентов перевода энергию выхода рассчитывают в МэВ (мегаэлектронвольтах) по формуле:

Цепная ядерная реакция

Для получения больших количеств ядерной энергии необходимо, чтобы делению подверглась значительная часть ядер, содержащихся в массе «ядерного горючего». Поэтому ядерная реакция деления должна быть саморазвивающейся, или цепной: при каждом делении ядер должны появляться новые нейтроны, вызывающие последующие деления тяжелых ядер элемента.

Наиболее просто цепная реакция осуществляется под действием медленных нейтронов в уране-235. Попадание случайного теплового нейтрона приводит к делению ядра урана-235 (рис. 252). Возникающие при этом 2–3 нейтрона попадут в 2–3 другие ядра урана, вызвав их деление. В результате появится 4–9 нейтронов, способных вызвать деление следующих 4–9 ядер и т.д. Несмотря на то, что при делении каждого ядра урана возникает 2–3 нейтрона, не все они вызывают деление других ядер: часть нейтронов может быть захвачена ядрами неделящимися или трудно делящихся примесей, присутствующих в ядерном горючем, часть нейтронов может вылететь через поверхность объема горючего материала, не успев столкнуться с его ядрами.

Коэффициент размножения и критическая масса

Развитие цепной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов k.

Коэффициент размножения нейтронов – это отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

Например, цепная реакция, изображенная на (рис. 252), соответствует размножению нейтронов Коэффициент размножения зависит от природы и количества делящихся веществ, а также от геометрической формы занимаемого им объема.

Массу делящегося вещества, в которой цепная реакция идет с коэффициентом k = 1, называют критической массой данного вещества. Для чистого актиноурана критическая масса составляет около 40 кг при шарообразной форме объема. Если масса ядерного горючего меньше критической, то   и реакция деления не будет развиваться, она затухнет. Если масса горючего равна критической, то k = 1 и цепная реакция идет с постоянной интенсивностью; такая реакция происходит в ядерных реакторах. Если же масса горючего больше критической, то k > 1; в этом случае цепная реакция развивается бурно, взрывообразно.

Биологическое действие радиоактивных лучей. Защита от радиации

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Радиационный фон Земли складывается из космического излучения и излучения природных радионуклидов, рассеянных в земной коре, воздухе, воде, теле человека и других объектах внешней среды. Радиоактивное облучение организма человека может быть внешним и внутренним. При внешнем облучении опасны те виды излучения, которые обладают большой проникающей способностью. При внутреннем облучении наибольшую опасность представляют радиоактивные изотопы с большим периодом полураспада и высокой ионизирующей способностью. К естественному облучению прибавились антропогенные источники внешнего и внутреннего облучения. Ядерные взрывы, выбросы радионуклидов предприятиями ядерной энергетики и широкое использование источников ионизирующих излучений в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и научных исследованиях привели к глобальному повышению облучения населения Земли. Наибольшее радиационное загрязнение местности происходит после ядерных взрывов на полигонах (рис. 253, 254) и аварий на АЭС.

В случае ядерного взрыва на местности возникает очаг ядерного поражения. Радиоактивное заражение местности происходит в результате перемещения радиоактивного облака с воздушными потоками. Наиболее опасным радионуклидом в начальный период заражения является радиоактивный йод, позже − долгоживущие радионуклиды: цезий-137 и стронций-90. Радионуклиды, выпавшие на поверхность земли, становятся источником длительного облучения лучами.

Обратите внимание! «Опытное поле» было первой испытательной площадкой Семипалатинского испытательного полигона (СИП) и предназначалось для проведения атмосферных ядерных испытаний в период с 1949 по 1962 гг. «Опытное поле» занимает площадь размером около 300 км² . Эта площадка является наиболее загрязненной из-за несовершенства первых ядерных зарядов: в цепную реакцию входили 700 г из 64 кг урана, остальная часть превращалась в радиоактивную пыль.

Площадка «Балапан» площадью 720 км² была предназначена для проведения подземных ядерных взрывов. В настоящее время наблюдаются признаки протекания под землей процессов горения, что представляет реальную опасность внезапных выбросов подземного газа. К примеру, в скважине «Глубокая» произошел взрыв, приведший к формированию воронки диаметром более 100 м и глубиной 30 м через 17 лет после проведения ядерного испытания.

 Дозы облучения и единицы их измерения

При оценке доз облучения определяющими являются сведения о количественном содержании радиоактивных веществ в теле человека, а не данные о концентрации их в окружающей среде. Даже небольшая радиоактивная загрязненность создает условия для занесения этих веществ внутрь организма. Эффект облучения зависит от величины поглощенной дозы, объема облученных тканей и органов, вида излучения. Снижение дозы облучения уменьшает биологический эффект, в результате появляется возможность восстановления поврежденного облучением организма. Доза поглощенного излучения – это величина, равная энергии излучения, поглощенного единицей массы облучаемого тела:

Единицей измерения поглощенной дозы в СИ принят 1 Гр (грей):

Возьмите на заметку:

1. Площадь для ядерных испытаний в РК составила 18500 км² .
2. Ядерный гриб при взрыве термоядерного заряда в 1953 г. достиг в диаметре 30 км, наблюдался жителями 59 населенных пунктов, взрывная волна выбила стекла в зданиях, расположенных в 200 км от эпицентра. 
3. За период действия полигона с 1949 г. по 1989 г. взорвано 616 снарядов общей мощностью 38000 кт.

Доза в 1 Гр − это очень большое количество поглощенной радиации, намного больше, чем обычно получает человек во время естественного или медицинского облучения. Дозы от 10 до 20 Гр при однократном облучении являются смертельными для взрослого человека.

В практике используют внесистемную единицу измерения 1 рад, приблизительно равному 1 Р (рентгену) – единице измерения экспозиционной дозы облучения:

Степень поражения, наносимая тканям и органам тела разными видами ионизирующего излучения, отличается. В связи с этим введена величина – «эквивалентная доза облучения». Ее вычисляют с учетом коэффициента относительной биологической эффективности ионизирующих излучений. Например, вред, наносимый гамма-излучением и рентгеновскими лучами в 20 раз слабее, чем вред от облучения альфа-частицами. Эквивалентную дозу облучения вычисляют, умножив поглощенную дозу облучения на коэффициент относительной биологической эффективности радиоактивных частиц (КОБЭ):

КОБЭ рентгеновских лучей и гамма-излучения принимают равным единице k = 1, для частиц k = 20.

Единица измерения эквивалентной дозы радиации в СИ −1 зиверт (Зв), он равен 1 грею, на практике применяют внесистемную единицу измерения − биологический эквивалент рентгена (бэр):

Интенсивность радиоактивного излучения характеризуют мощностью поглощенной дозы излучения − дозы, поглощенной за единицу времени:

Единицами мощности поглощенной дозы служат Гр/с, рад/с, для мощности эквивалентной дозы облучения − Зв/с, бэр/с.

Знание дозы облучения человека играет решающую роль в диагностике и раннем прогнозировании течения острой лучевой болезни, в определении терапевтической тактики до развития основных симптомов заболевания.

Воздействие радиационного излучения на живые организмы

Большая опасность радиоактивного излучения заключается в том, что его воздействие не обнаруживается органами чувств человека. Радиоактивные вещества поступают в организм при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду, через кожу, а также при заражении открытых ран. Альфа-лучи, почти безвредные при наружном облучении, особенно опасны при попадании внутрь.

В результате лучевого поражения нарушается обмен веществ с изменением соответствующих функций органов. Под влиянием радиоактивных излучений в организме происходит торможение функций кроветворных органов, нарушение нормальной свертываемости крови и увеличение хрупкости капилляров; расстройство деятельности желудочно-кишечного тракта и истощение организма; снижение сопротивляемости организма инфекционным заболеваниям.

Увеличение дозы поглощенного излучения приводит к повышению риска развития опухолей, к сокращению продолжительности жизни и нарушениям функции органов. В последующем поколении могут наблюдаться генетические изменения: врожденные уродства, мутации. У людей, получающих малые дозы облучения, наблюдается повышенное содержание клеток крови с хромосомными нарушениями. Исследования показали, что доза в 1 Гр, полученная при низком уровне радиации, индуцирует появление от 1000 до 2000 мутаций, приводящих к серьезным последствиям у новорожденных.

Возьмите на заметку:

• – Острые поражения наступают при облучении большими дозами в течение короткого промежутка времени. Поражаются все органы и системы: кроветворные клетки костного мозга, лимфатическая система, желудочно-кишечный тракт, кожа, клетки печени, легких.
• – Хроническое облучение слабее действует на живой организм по сравнению с однократным облучением в той же дозе, что связано с постоянно идущими процессами восстановления радиационных повреждений.
• – При хорошо поставленной диспансеризации, тщательном регулярном онкологическом осмотре и исследовании крови удается предупредить развитие запущенных форм рака, и продолжительность жизни таких больных приближается к нормальной.
• – В условиях хорошо организованной радиологической службы случаев хронической лучевой болезни в стране не наблюдается. Плохой контроль за источниками радиации, нарушение персоналом техники безопасности в работе с рентгенотерапевтическими установками приводят к появлению случаев хронической лучевой болезни.

Средства защиты населения от радиоактивного излучения

Противорадиационная защита населения включает в себя следующие мероприятия:

• – оповещение о радиационной опасности;
• – использование коллективных и индивидуальных средств защиты;
• – соблюдение режима поведения населения на зараженной радиоактивными веществами территории;
• – защиту продуктов питания и воды от радиоактивного заражения;
• – использование медицинских средств индивидуальной защиты;
• – определение уровней заражения территории (рис. 256);
• – дозиметрический контроль за облучением населения;
• – экспертизу заражения радиоактивными веществами продуктов питания и воды.

Для лиц, работающих на АЭС, в исследовательских лабораториях по изучению радиоактивных препаратов также есть общие методы защиты, такие как:

• – увеличение расстояния между оператором и источником;
• – сокращение продолжительности работы в поле излучения;
• – экранирование источника излучения;
• – дистанционное управление;
• – использование манипуляторов и роботов;
• – полная автоматизация технологического процесса;
• – использование средств индивидуальной защиты и предупреждение знаком радиационной опасности;
• – постоянный контроль над уровнем излучения и за дозами облучения персонала.

Специалисты, которые во время работы подвергаются воздействию радиации, обычно используют дозиметры − специальные устройства, которые определяют общую суммарную дозу радиации. Это космонавты, работники атомных электростанций, врачи, занимающиеся радиотерапией или радиоизотопной диагностикой, а также те, кто занимается дезактивацией.

Роль естественной радиации для организма человека

Радиационное облучение нельзя считать безусловно вредным. До некоторых доз облучение является необходимым условием существования всего живого, в том числе и человека. Данные исследований свидетельствуют, что только при наличии в организме ионов, которые образуются под действием излучения, в нем нормально протекают метаболические процессы − процессы обмена веществ и энергии. При отсутствии облучения у человека отключается природный механизм, отвечающий за приспособляемость организма к внешним условиям.

В медицине используют радиационную терапию в лечении онкологических заболеваний, в частности, уничтожении раковой опухоли. Раковые клетки, как правило, активно делятся и быстро растут. Следовательно, повреждающее действие радиационного излучения причиняют им больший вред, чем клеткам здоровой ткани. Современные медицинские установки для лучевой терапии позволяют сфокусировать ионизирующее излучение в патологический очаг и уменьшить поражение здоровых тканей.

Пример №4

Человек массой 60 кг подвергался облучению 12 ч. Какова мощность поглощенной дозы и энергия, поглощенная человеком за это время, если поглощенная доза излучения 35 мГр?

Дано:

m = 60 кг

t = 12 ч

D = 35 мГр

Е - ?

Р - ?

СИ 12 ∙ 3600 с

0,035 Гр

Решение: Энергия поглощенного излучения равна

Мощность излучения

Е = 0,035 Гр ∙ 60 кг = 2,1 Дж;

Ответ: Е = 2,1 Дж; Р = 0,81 мкГр/с.

Устройство и принцип действия ядерного реактора на медленных нейтронах

Первый реактор на медленных нейтронах был создан в США в 1942 г., в СССР − в 1946 г. Основная часть реактора – это активная зона (1), где происходит деление тяжелых ядер и выделяется ядерная энергия (рис. 257). Обычно она имеет форму цилиндра, объем которой в зависимости от назначения реактора колеблется от нескольких см³ до кубических метров. Активная зона представляет собой совокупность тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) с ураном или плутонием, погруженных в замедлитель (2). В качестве замедлителя используют графит или воду, в том числе и тяжелую Активную зону реактора окружает отражатель (3) из бериллия и материалов, способных хорошо рассеивать нейтроны. Этот слой возвращает вылетающие из активной зоны нейтроны, повышая скорость протекания цепной реакции и снижая критическую массу. Вокруг отражателя размещают радиационную биологическую защиту из бетона (4) для снижения излучения за пределами реактора до допустимого уровня. Энергия, выделяющаяся в результате ядерной реакции, выводится из активной зоны с помощью теплоносителя: газа, воды или другого вещества, которое постоянно прокачивается через активную зону, омывая ТВЭЛы.

Ядерный реактор – это установка, в которой осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер.

Для управления скоростью протекания цепной реакции деления применяют регулирующие стержни из кадмия или бора (5). Введение их в активную зону снижает скорость цепной реакции и при необходимости полностью останавливает ее. По мере извлечения регулирующих стержней из активной зоны поглощение нейтронов уменьшается, и цепная реакция может быть доведена до стадии самоподдерживающейся.
 

Ядерные реакторы используются в атомной энергетике и в исследовательских целях.

Особенности в работе реактора на быстрых нейтронах

Преимуществом реактора на быстрых нейтронах является возможность использования урана-238 – основного изотопа, содержащегося в природном уране. Кроме того, реактор позволяет нарабатывать плутоний-239 – топливо для ядерных реакторов на медленных нейтронах.

Ядро поглотив быстрый нейтрон, превращается, испуская фотон, в ядро радиоактивного изотопа с периодом полураспада T = 23 мин. В свою очередь это ядро испускает частицу и превращается в ядро трансуранового элемента нептуния с периодом полураспада Ядро нептуния, испуская частицу, превращается в ядро трансуранового элемента плутония Описанная реакция идет по схеме:

Плутоний делится под действием медленных нейтронов подобно ядрам урана при делении испускает лучи. Период полураспада T = 24100 лет, благодаря чему плутоний в реакторах накапливается в большом количестве.

Ядерные реакторы на быстрых нейтронах используют для изготовления искусственно-радиоактивных изотопов. Вещества, которые надо подвергать облучению, помещаются в специальные каналы, проделанные в защитном корпусе реактора. Они дают возможность расширенного воспроизводства ядерного горючего.

К достоинствам быстрых реакторов можно отнести большую степень выгорания топлива, а к недостаткам – дороговизну, из-за невозможности использования простейшего теплоносителя – воды, а также из-за конструкционной сложности. Массового ввода быстрых реакторов в энергетику не произошло. Во всем мире после 1980 г. было установлено только 3 промышленных реактора на быстрых нейтронах: Superphenix во Франции, Monju в Японии и БН-600 на Белоярской АЭС в России. Промышленные реакторы на медленных нейтронах экономически более выгодные.

Интересно знать! Сравнительно мощные энергетические реакторы БН-350, БН-600, БН-800 с натриевым теплоносителем были построены в СССР в 70-е годы. Реактор БН-350, установленный в  г. Актау в 1972 г. для опреснения морской воды, дал большой опыт промышленного масштаба и явился экспериментальной базой для освоения технологии натриевого теплоносителя, физических исследований и испытаний топливных сборок и других элементов активной зоны (рис. 258). В 2010 г. ядерный реактор был остановлен в связи с истечением срока эксплуатации.

Обратите внимание! Внедрение реакторов на быстрых нейтронах могло бы шестидесятикратно увеличить эффективность использования урана. Быстрые реакторы открывают возможность использования не делящихся в реакторах на тепловых нейтронах изотопов тяжелых элементов. В топливный цикл могут быть вовлечены запасы которых в природе значительно больше чем – основного горючего для реакторов на тепловых нейтронах. В том числе может быть использован и так называемый «отвальный уран», оставшийся после обогащения

Термоядерная реакция синтеза и условия ее осуществления

В реакциях синтеза легких ядер происходит выделение ядерной энергии. В реакции синтеза ядер дейтерия и трития в ядро гелия выделяется энергия

Если такой реакции подвергнутся все ядра, содержащиеся в 1 кг смеси дейтерия с тритием со средним значением молярной массы

Она почти в четыре раза превышает энергию, которая выделяется при делении 1 кг урана-235:

Для объединения двух ядер в одно необходимо, преодолев кулоновскую силу, сблизить их на расстояние порядка см. Тогда дальнейшее их объединение совершат ядерные силы. Это является необходимым условием осуществления реакции синтеза.

Расчеты показывают, что для осуществления реакции синтеза дейтерия и трития в гелий дейтроны и тритоны должны обладать кинетической энергией порядка 0,01 МэВ. Это возможно при высокой температуре смеси, при которой средняя кинетическая энергия теплового движения атомов приблизится к значению 0,01 МэВ. Такая температура измеряется десятками миллионов кельвин. Используя формулу расчета средней кинетической энергии W теплового движения частицы:

где k − постоянная Больцмана, определим температуру смеси:

Реакция синтеза может идти только при температуре в десятки миллионов кельвин, в связи с этим она получила название термоядерной реакции. При этой температуре смесь находится в плазменном состоянии, она состоит из ядер и свободных электронов.

Термоядерная реакция – это реакция слияния легких ядер при температуре в сотни миллионов кельвин.

Термоядерные реакторы

Осуществление управляемой термоядерной реакции встречается с большими трудностями. Необходимо обеспечить регулируемое нагревание плазмы до десятков миллионов кельвин и полностью устранить соприкосновение со стенками сосуда. Одним из способов реализации технологии является использование реактора «Токамак» − реактора, где плазма удерживается магнитным полем в форме тора, и использующего в качестве топлива тритий и дейтерий.

Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) – это тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.

Первый Токамак был построен в 1956 г. в Институте Атомной Энергии им. И.В. Курчатова в Москве. В настоящее время Токамак считается наиболее перспективным устройством для осуществления управляемого термоядерного синтеза. Всего в мире построено около 300 Токамаков, в том числе и в Казахстане. Казахстанский Материаловедческий Токамак (КМТ) – это экспериментальная термоядерная установка. Она запущена 5 сентября 2010 г. в г. Курчатове для исследований и испытаний материалов (рис. 259). В настоящее время рекорд удержания плазмы для Токамаков – 30 секунд – был поставлен в Китае в 2013 году.

Перспективы ядерной энергетики

Ядерной энергетикой называют осуществляемое в промышленных масштабах преобразование ядерной энергии в другие виды энергии: механическую, электрическую и другие, используемые затем для производственных и бытовых нужд. Эксплуатация атомных электростанций целесообразна в тех районах, которые удалены от месторождений органического топлива: угля, нефти, газа, и бедны гидроресурсами.

Многими исследователями энергия синтеза рассматривается в перспективе в качестве основного источника энергии. Сторонники использования термоядерных реакторов для производства электроэнергии приводят следующие аргументы в их пользу:

1. Водород – самый распространенный элемент на Земле и в космосе, запасы топлива практически неисчерпаемые.
2. Топливо можно добывать из морской воды на любом побережье мира, что делает невозможным монополизацию топливных ресурсов одной или группой стран.
3. Отсутствие продуктов сгорания.
4. Нет необходимости использовать материалы, которые могут быть использованы для производства ядерного оружия.
5. По сравнению с ядерными реакторами вырабатываются радиоактивные отходы с коротким периодом полураспада.
6. Малый расход топлива: наперсток, наполненный дейтерием, производит энергию, эквивалентную 20 тоннам угля. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет.
7. Реакция синтеза не производит углекислотных выбросов в атмосферу, являющихся одной из главных причин глобального потепления.
8. В отличие от электростанций на возобновляемых источниках энергии термоядерные реакторы можно устанавливать где угодно, в том числе на транспорте; в каких угодно количествах и без серьезного вреда для окружающей среды (затопления водохранилищ, поражение птиц лопастями ветровых электростанций).
9. В космосе термоядерные реакторы незаменимы, так как дальше пояса астероидов и на ночных сторонах планет солнечные батареи неэффективны.

Итоги:

Глоссарий:

• Активность радиоактивного элемента – скорость распада его ядер.
• Доза поглощенного излучения – величина, равная энергии излучения, поглощенного единицей массы облучаемого тела.
• Естественная радиоактивность − самопроизвольное превращение одних ядер в другие, которое сопровождается испусканием радиоактивного излучения.
• Изотопы – атомы, ядра которых состоят их одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов.
• Период полураспада − время, в течение которого количество атомов исходного элемента уменьшается вдвое.
• Термоядерная реакция – реакция слияния легких ядер при температуре в сотни миллионов кельвин.
• Токамак (тороидальная камера с магнитными катушками) – тороидальная установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза.
• Удельная энергия связи – энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон.
• Энергия связи ядра – энергия, необходимая для расщепления ядра на нуклоны.
• Ядерная реакция − процесс превращения атомных ядер в другие, обусловленный воздействием на них быстрых элементарных частиц или ядер других атомов.
• Ядерный реактор – установка, в которой осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер.

История развития учения о строении атома. Ядерная модель атома

В конце XIX и в начале XX в. в физике было получено несколько весомых опытных фактов, привернувших внимание ученых к микромиру. Это открытие рентгеновского излучения (1895 г., В.К. Рентген, И. Пулюй), радиоактивности (1896 г., А. Беккерель), электрона (1897 г., Дж.Дж. Томсон). Они вызвали сомнения ученых относительно неделимости атома, противоречили сложившимся классическим представлениям о строении вещества, побуждали к углублению понимания явлений, происходящих в микромире. Как следствие, в науке появилась новая область физического знания атомная физика, которая изучает строение и свойства атомов, элементарные процессы на атомном уровне.

Для атомной физики характерны расстояния, соизмеримые с размерами атома (~ 10^-10 м), и энергия порядка 10^-19 Дж (несколько эВ).

В 1897 г. английский физик Дж.Дж. Томсон экспериментально открыл электрон как частицу, входящую в состав атома и носителя наименьшего электрического заряда. Он предположил, что атом это положительно заряженный пap, внутри которого находятся отрицательно заряженные электроны. Равномерность их распределения в объеме шара и равенство положительного и отрицательного зарядов обусловливают электрическую нейтральность атома.

Модель атома Томсона называют <пудинговой> - по аналогии с традиционным британским пирогом с изюмом.

Однако такая модель атома имела свои ограничения и не согласовалась с экспериментальными фактами, полученными в то время физиками. Предложить более правдоподобную модель атома удалось лишь после опытов Э. Резерфорда и формулирования Н. Бором квантовых постулатов.

В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд, исследуя со своими сотрудниками прохождение альфа-частицами топких металлических пластин, установил, что данные заряженные частицы рассеиваются определенным образом (рис. 5.1). Узкий пучок быстрых альфа-частиц 1 направлялся на тонкую золотую или платиновую пластинку 2, за которой находился экран 3, обладающий свойством фиксировать их попадание на экран вспышками. При помощи специального оптического устройства 4 можно было наблюдать и измерять угол отклонения φ альфа-частиц.

Pиc. 5.1. Схема опыта Э. Резерфорда

Альфа-частица - это положительно заряженная частица, заряд которой равен двум зарядам электрона, а масса в четыре раза больше массы атома Гидропена.

Большинство частиц имело почти прямолинейную траекторию (угол отклонения φ составлял 1-2°). Однако незначительная их часть отклонялась на большие углы; были зафиксированы даже такие альфа-частицы, которые после рассеивания изменяли направление движения на противоположное (φ > 90°).

Чтобы объяснить полученные результаты, Э. Резерфорд предположил, что атом является сложным образованием, похожим на Солнечную систему: внутри которого находится положительно заряженное ядро, вокруг него вращаются электроны (рис. 5.2). Произведенные им расчеты показали, что в ядре сосредоточена практически вся масса атома, однако его размеры намного меньше самого атома. Измерения показали, что линейные размеры атома составляют 10^-10 м, а радиус его ядра равен приблизительно 10^-15 м.

Puc 5.2 Ядерная модель атома

Таким образом, па основании полученных экспериментальных данных Э. Резерфорд предложил ядерную модель атома, которая согласовалась с результатами его опытов и позволила объяснить много других явлений, связанных со строением атома.

Действительно, быстрые альфа-частицы легко преодолевают пространство электронных оболочек атомов, не испытывая с их стороны значительного воздействия, и поэтому они почти не отклоняются от прямолинейной траектории движения. Вместе с гем, когда они пролетают достаточно близко от положительно заряженного ядра, кулоновское взаимодействие между ядром и частицами вынуждает их искривлять траекторию и отклоняться на определенный угол (рис. 5.3).

Pиc. 53. Траектория альфа-частиц

Благодаря законам электромагнитного взаимодействия Э. Резерфорд вывел формулу, позволяющую вычислить число альфа-частиц, рассеянных на угол φ в зависимости от их энергии и химической природы исследуемого образца. Позже эта теоретически выведенная формула получила экпериментальное  подтверждение, вследствие чего окончательно утвердила в физике ядерную модель атома.

Квантовые постулаты Н.Бора

Триумф классической физики в объяснении сложного строения микромира, приведший Э. Резерфорда к ядерной модели атома, длился недолго. При первой же попытке применить законы классической механики и электродинамики к описанию простейшего атома Гидрогена ученые встретились с трудностями, которые поначалу казались непреодолимыми.

Как известно, атом Гидрогена является устойчивым образованием, состоящим из ядра-протона и одного электрона, который вращается вокруг него под действием кулоновской силы взаимодействия (рис. 5.4).

Pиc. 5.4. Модель атома Гидрогена

Если считать орбиту электрона окружностью, то получим

Из теории электродинамики Дж. Максвелла известно, что движущийся с ускорением электрон должен излучать электромагнитные волны и постепенно будет терять энергию. Т. е. со временем он упадет на ядро, и атом прекратит свое существование как целостная система «ядро электрон». Следовательно, исходя из классических представлений, атомы не могут быть устойчивыми образованиями и все время должны излучать сплошной спектр электромагнит-них волн. На самом же деле такой вывод противоречит практике, ведь реально они «живут» длительное время и излучают энергию лишь при определенных условиях.

Учитывая размер атома r ≈ 10^-15 м и скорость электрона v ≈ 10⁵ м/с, а его ускорение a ≈ 10²² м/с².

Данное противоречие между классической теорией и практикой устранил в 1913 г. известный датский ученый Нильс Бор, сформулировав квантовые постулаты:

1. атомы находятся в определенных стационарных состояниях, в которых они не излучают электромагнитные волны;
2. при переходе атома из одного стационарною состояния, характеризующегося энергией Е_n, в другое с энергий Em он излучает либо поглощает квант, равный:

Таким образом, квантовые постулаты Н. Бора окончательно устранили трудности классической физики относительно строения вещества. Они связали между собой ядерную модель атома Э. Резерфорда, построенную на классической физической теории, и квантовый характер изменений состояния атома, подтвержденных экспериментально. Их значение в развитии современной физики проявилось позже, во время становления квантовой механики, в основу которой положена идея квантования некоторых физических величин.

Первый постулат Бора, опровергающий фундаментальные положения классической физики, был экспериментально подтвержден в 1913 г. опытами Д. Франка и Г. Герца. Они исследовали зависимость силы тока от напряжения паров ртути, находящихся в стеклянной колбе (рис. 5.5).

Puc. 5.5. Схема опыта Д Франка u Г. Герца

«Электроны с катода К под действием электрического поля устремляются к сетке C и аноду А. Между сеткой C и анодом А существует незначительное напряжение (0,5 В), задерживающее медленные электропы, не давая им достичь анода.

Результаты исследования зависимости силы тока I цепи анода от напряжения U показали, данная зависимость имеет нелинейный сложный характер (рис. 5.6).

Puc. 5.6. Зависимость силы тока от напряжения в опыте Франка а Герца

Существование максимумов тока при напряжении 4,9 В, 9,8 В и 14,7 В может быть объяснено лишь одной причиной - существованием в атомах ртути стационарных состояний. Действительно, при напряжении U < 4,9 В электроны, вылетающие с катода, сталкиваясь с атомами ртути, практически не изменяют свою энергию (m_e < M_Hg) и поэтому легко преодолевают тормозящее напряжение между сеткой и анодом. При достижении напряжения U = 4,9 В происходит их неупругое столкновение и электроны теряют энергию, возбуждая тем самым атомы ртути; их энергии недостаточно для преодоления тормозящего напряжения и сила тока в цепи анода в таком случае резко падает. Во время дальнейшего возрастания напряжения между катодом К и сеткой C сила анодного тока вновь растет, достигая максимума при 9,8 В. Следовательно, энергия атомов ртути изменяется на значения, кратные энергии 4,9 эВ.

Электрон-вольт (эВ) - это энергия, которую приобретает электрон под действием напряжения 1 В:
1 эВ = 1,6 ^. 10^-19 Дж.

В возбужденном состоянии атомы могут находиться довольно короткий промежуток времени (≈ 10^-8 с), после чего они самопроизвольно возвращаются в основное состояние, излучая квант света частотой v = В опытах Франка и Герца при напряжении 4,9 В наблюдалось ультрафиолетовое свечение паров ртути, что подтверждало справедливость квантовых постулатов Бора.

Поглощение и излучение света атомом. Оптические спектры

Электромагнитное излучение любой природы характеризуется диапазоном частот, в пределах которых оно проявляет определенные свои свойства. В оптическом диапазоне, в зависимости от характера распространения электромагнитных волн, выделяют спектры излучения, спектры поглощения, спектры рассеивания, и спектры отражения.

Оптические спектры излучения наблюдаются у источников света, испускающих волны в результате возбуждения вещества под действием внешнего фактора. Например, раскаленная вольфрамовая нить электрической лампы излучает свет благодаря протеканию по ней электрического тока. Последние три вида спектра наблюдаются во время прохождения излучения через вещество, в результате которого происходит поглощения, рассеивание или отражение света, в зависимости от длины волны λ или частоты v.

Оптические спектры поглощения, рассеивания и отражения характеризуют свойства вещества.

Puc. 5.7. Bиды оптических спектров

Оптические спектры наблюдают визуально при помощи спектральных приборов и фиксируют, как правило, фотографическим способом либо фотоэлементами. Они могут быть (рис. 5.7):

• а)    сплошными - охватывающие широкий диапазон длин волн;
• б)    линейчатыми поглощения - состоящие из отдельных спектральных линий определенной длины волны λ;
• в)    линейчатыми излучения - набором отдельных спектральных линий, которые излучаются атомами определенного химического элемента.

Сплошной оптический спектр можно получить при условии термодинамического равновесия вещества и излучения при данной температуре. Однако в реальных условиях достичь такою состояния практически невозможно. Поэтому чаще всего одновременно наблюдают различные виды спектра. Например, обычно в спектроскопе солнечный свет имеет вид сплошного спектра с темными линиями поглощения.

Механизм образования сплошных оптических спектров объясняется нн основе классической теории Дж. Максвелла. В ее толковании поглощенное электромагнитное излучение возбуждает в веществе волны, частота которых соответствует частоте падающего света.

В соответствии с классической теорией монохроматический свет возбуждает волны той частоты, что и падающий свет, а естественный свет образует сплошной спектр излучения.

Однако классическая физика не смогла объяснить образование спектров излучения и поглощения света атомами и молекулами. Их природу можно понять лишь на основе квантовых постулатов Н. Бора, благодаря интерпретации квантовых переходов между уровнями энергии в атомах и молекулах.

Для наглядного представления состояний атома используют энергетические диаграммы, на которых уровни .энергии обозначают горизонтальными линиями (рис. 5.8). Достаточно долго атом может находиться лишь в основном стационарном состоянии, характеризуемом минимальной энергией E₁. Остальные состояния атома или молекулы (E₂, E₃, ..., E_n) будут стационарными лишь условно, поэтому их называют возбужденными состояниями. Например, если невозбужденный атом поглощает квант hv, то может произойти его переход в условно стабильное, возбужденное состояние E₃; но со временем, излучая квант частотой   атом может перейти в более стабильное состояние E₂. Следует отметить, что излучение происходит при квантовом переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, и наоборот, поглощение энергии атомом сопровождается его переходом из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией.

Puc. 5.8. Энергетические уровни атома

Переход атома из одного энергетического состояния в другое скачком, удовлетворяя условию второго постулата Бора, называется квантовым переходом.

Молекулярные спектры представляют собой совокупность полос, по набору которых можно получить информацию о составе и структуре молекулы, состоянии ее электронных оболочек. Поэтому их широко используют в химии, в спектральном анализе веществ.

Спектральный анализ и его применение

Изучение атомных и молекулярных спектров излучения и поглощения положено в основу специальных методов исследования состава и строения вещества - спектрального анализа. Он основывается на количественных и качественных методах исследования спектров электромагнитных излучений при помощи специальных приборов - спектрометров.

Метод определения качественного состава и количественного содержания веществ на основе их спектра называется спектральным анализом.

Принцип действия этих приборов основывается на их способности выделять в пространстве и времени из всего светового потока отдельные участки излучения» которые можно фиксировать фотографическим способом или измерять различные их характеристики - изменение  светового потока, длину волны спектральной линии и т. д. (рис. 5.9). Поэтому главный их элемент - селективное устройство (дисперсионная призма, дифракционная решетка, интерферометр и пр.), при помощи которого выделяется часть спектра в определенном интервале длин волн.

Pиc. 5.9. Схема спектрометра

Для изучения спектров поглощения световой поток от источника Д направляется на исследуемый объект О, после прохождения которого он попадает на селективное устройство Ф. Выделенная определенным способом часть спектра фиксируется устройствами отображения П (сканирующие экраны, фотоэлементы, фотопленки и пр.). Затем стандартные характеристики излучения сравниваются с полученным спектром и, в зависимости от избранного метода спектроскопии, на основе их анализа делаются выводы относительно исследуемых спектров поглощения.

Каждый химический элемент обладает особым набором спектральных линий, присущим лишь ему одному.

На основании атомного спектрального анализа определяют элементный состав образца, сравнивая его спектр со спектральными линиями химических элементов, приведенных в специальных таблицах и атласах. Для получения спектра излучения исследуемое вещество необходимо, как правило, перевести в газообразное состояние, а его атомы - в возбужденное состояние. Проще всего это можно сделать путем нагревания исследуемого образца, например, поместив его в пламя.

Если исследуемое вещество пребывает в газообразном состоянии, то для получения его линейчатого спектра применяют искровой разряд: подавая высокое напряжение на электроды, в газовой среде возникает электрический разряд, в столбе которого атомы вещества возбуждаются. Для спектрального анализа твердых тел часто применяют дуговой разряд: исследуемый образец в плазме электрической дуги превращается в пар при высокой температуре.

При высоких температурах атомы переходят в возбужденное состояние E₂, E₃, E₄, E₅, в котором они могут находиться недолго (рис. 5.10). Со временем они возвращаются в свое стабильное состояние E₁ излучая при этом световой квант определенной частоты:

Pиc. 5.10. Энергетическая диаграмма образования линейчатого спектра

Каждый химический элемент обладает своим, присущим только ему набором спектральных линий, так называемым атомным спектром. Па основании линий атомного спектра образца при помощи специальных таблиц, в которых содержатся серии длин волн спектров излучения различных веществ, определяют химический состав исследуемого образца.

В основе молекулярного спектрального анализа лежит сравнение полученного спектра образца со спектрами отдельных веществ. Молекулярные спектры схожи с атомными. Они тоже линейчатые, однако имеют свои особенности — спектральных линий больше и они образуют достаточно широкие полосы. Это объясняется тем, что энергетические уровни атомом, составляющих молекулу, расщепляются, ведь их энергия обусловлена двумя факторами - собственными колебаниями атомов в молекуле и их вращением.

Линейчатый атомный и полосатый молекулярный спектры отображают возможные электронные переходы с одного энергетического уровня на другие.

Спектр молекулы является ее однозначной характеристикой. Благодаря этому производят идентификацию веществ. Их количественное содержание определяют по интенсивности излучения полосатого спектра, в частности применение современных фотоэлектрических приборов вместе с вычислительной техникой дает возможность определить содержание вещества н очень малых дозах - до 1 мкг и меньше. Поэтому данный метод нашел широкое применение в науке и технике, к частности в металлургии на основании его контролируют содержание примесей в сплавах, чтобы получать материалы с заданными свойствами.

В горнодобывающей промышленности при помощи спектрального анализа определяют химический состав найденных образцов полезных ископаемых.

На основании спектрального анализа в астрономии изучают химический состав небесных тел, находящихся далеко за пределами нашей галактики.

Рентгеновское излучение

Среди всех видов электромагнитных излучений особое место принадлежит рентгеновским лучам, длина волны которых меньше 6 нм. В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с данным излучением, в частности, когда обследуем состояние своего здоровья в специальном «рентгеновском» кабинете больницы или поликлиники.

Интересна сама история открытия рентгеновских лучей. Первые вакуумные трубки для получения Х-лучей (первоначально рентгеновское излучение имело такое название) были созданы известным физиком, украинцем по происхождению Иваном Пулюем, который жил и работал длительное время в Австрии.

Он впервые доказал, что излучение в вакуумных трубках, в которых течет электрический ток, имеет волновые свойства. Ученый выяснил природу лучей и изучил их основные свойства. Полученные И. Пулюем фотоснимки внутренних органов человека до сих пор приводятся как пример в учебной литературе. Однако первым об открытии нового вида электромагнитного излучения сообщил в 1895 г. немецкий физик В. Рентген. После публикаций В. Рентгена и получения им Нобелевской премии данное излучение начали называть рентгеновским.

Пулюй Иван Павлович (1845-1918) - известный украинский физик и общественный деятель. Научные труды посвящены главным образом электрическому току в вакууме. Открыл Х-лучи, получившие впоследствии название рентгеновских, сделал весомый вклад в развитие электротехники.

Для получения рентгеновского излучения применяют специальные электронные приборы, называемые рентгеновскими трубками (рис. 5.11). Это стеклянный или металлический  него двумя электродами. Один из электродов - катод К подогревается спиралью, по которой течет электрический ток. При нагревании в результате термоэлектронной эмиссии из катода вылетают электроны, образуя вокруг него электронное облако. Если между катодом и другим электродом - анодом А -приложить высокое напряжение, то электроны начнут ускоренно двигаться от катода к аноду. При приближении к аноду в результате резкого торможения они будут излучать лучи, получившие название рентгеновских.

Pиc. 5.11. Устройство рентгеновской трубки

Спектр частот данного излучения достаточно широк и может иметь либо фиксированную длину волны или быть сплошным. Это объясняется тем, что электроны, попадая на анод, имеют разные скорости, и поэтому излучают широкий спектр электромагнитного излучения. Увеличение ускоряющего напряжения между анодом и катодом обусловливает расширение спектра, который смещается в сторону уменьшения длины волны. При достаточно высоком напряжении электроны, попадая на анод, могут возбуждать его атомы. В таком случае начинает преобладать излучение строго определенной длины волны, создавая так называемый характеристический спектр рентгеновского излучения. Данный вид спектра позволяет изучить внутреннее строение вещества, из которого сделан анод, и определить его химический состав.

Рентген Вильгельм Конрад (1845-1923) - известный немецкий физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии 1901 г. В 1895 г. опубликовал сообщение об открытии Х-лучей, названных позже рентгеновскими. Значительная часть научных трудов посвящена исследованию рентгеновского излучения, свойствам жидкостей и газов, электромагнитных явлений.

Способ измерения длины волны рент ген о нс кого излучения предложил немецкий физик М. Дауэ в 1912 г. В его основу положено явление дифракции рентгеновских лучей во время прохождения их через кристаллические вещества. Для рентгеновского излучения они представляют собой своеобразные дифракционные решетки. Рассеивание рентгеновских лучей на таких естественных решетках ведет к созданию дифракционной картины, в которой отклонение лучей определяется формулой максимума dsinα - kλ, где d - период решетки; а угол, под которым наблюдается максимум; k - его порядковый номер; λ - длина волны. Из данной формулы, измерив угол отклонения а для первого максимума (k = 1), можно найти длину падающей волны.

Рентгеновское излучение имеет большую проникающую способность, поэтому’ его используют в промышленности для исследования внутреннего строения вещества, я также для выявления дефектов металлических деталей.

Данное излучение оказывает сильное физиологическое действие на человеческий организм, и поэтому при длительном воздействии может вызнать тяжелые последствия. В связи с этим врачи не рекомендуют долго находиться вблизи электронных приборов, работающих при высоком напряжении (например, электронно-лучевых кинескопов телевизоров, дисплеев компьютера). Они могут быть источником рентгеновского излучения, поскольку быстрые электроны, ускоренные действием высокого напряжения (десятки тысяч вольт), попадая на экран кинескопа при резком торможении могут излучать «мягкие» рентгеновские лучи. Несмотря на то что их интенсивность небольшая, в отличие от специальных рентгеновских трубок, длительное их воздействие на организм человека может привести к негативным последствиям.

Квантовые генераторы. Лазеры и их применение

Как уже отмечалось, атом не может длительное время находиться в возбужденном состоянии — через некоторое время (приблизительно на протяжении 10^-8 с) он перейдет в условно стабильное или абсолютно стабильное состояние. Такой самопроизвольный его переход из одного энергетического состояния в другое сопровождается, как правило, спонтанным излучением кванта света определенной частоты. Поскольку это происходит произвольно с каждым атомом, то в обычных условиях наблюдается спонтанное излучение света атомами, являющееся в совокупности разночастотным, немонохроматическим и некогерентным по своей природе.

Электромагнитное излучение определенной частоты (длины волны) называется монохроматическим излучение, имеющее одинаковую фазу, называется когерентным.

В 1917 г. А. Эйнштейн предположил, что излучение при определенных условиях может быть вынужденным. В частности , если электрон в атоме переходит с одного энергетического уровня на другой под действием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает с собственной частотой квантового перехода электрона    то излучение будет индуцированным.    

Индуцированное электромагнитное излучение является монохромным и когерентным.

Особенностью данного излучения является то, что оно распространяется в том же направлении, что и падающий свет, аномонохромно и когерентно с ним, т. е. не отличается от поглощенной атомом электромагнитной волны ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. Следовательно, в результате распространения электромагнитной волны в веществе может произойти когерентное усиление света за счет индуцированного излучения фотонов (рис. 5.12).

Pиc. 5.12. Усиление света вынужденным излучением

Такое усиление возможно лишь в том случае, если большинство атомов вещества пребывает в возбужденном метастабильном состоянии. C этой целью могут использоваться различные способы активизации атомов вещества. В частности, в кристалле рубина это достигается при помощи мощной лампы, которая вынуждает электрон осуществить квантовый переход па более высокий уровень за счет поглощения фотона. В таком состоянии атом может находиться недолго, поэтому через некоторое время он возвращается в стабильное состояние, излучая при этом световой квант с частотой падающего излучения:

Данное явление, предсказанное А. Эйнштейном, положено в основу принципа действия квантовых генераторов и усилителей.

В 1954 г. русские ученые Н.Г. Басов и А.Н. Прохоров и независимо от них в 1955 г. американский физик Ч. Таунс создали первый квантовый усилитель электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн так называемый мазер. За это открытие и фундаментальные работы в области квантовой электроники они в 1964 г. были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. американский физик Т. Мейман создал на кристалле рубина первый квантовый генератор оптического диапазона, названный лазером.

Лазер - аббревиатура слов английского выражения «Light Amphficatian by Stimulated Emission of Radiation», что значит «усиление света при помощи вынужденного излучения»

Рубиновый .тазер состоит из кристалла рубина (оксид алюминия Al₂O₈ с примесью хрома), сделанного в форме стержня 1 с плоскопараллельными торцевыми сторонами 2 (рис. 5.13). Один из торцов имеет зеркальную поверхность, а второй - полупрозрачен. Вокруг рубинового стержня рамeщена спиральная газоразрядная лампа 3 импульсного режима, в спектре с лазера излучения которой имеется частота, которая соответствует активации атомов рубина.

Рис. 5.13. Строение лазера

Атом хрома в кристалле рубина, поглощая квант света длиной волны 560 нм, возбуждается и переходит из основного, стабильного состояния E₁ на более высокий уровень с энергией E_s (рис. 5.14). В данном состоянии он находится недолго (приблизительно 10^-3 с), после чего самопроизвольно переходит на метастабильный уровень E₂ в котором пребывает дольше (приблизительно 10^-3 с). Такая трехуровневая система активизации рубина позволяет насыщать его метастабильный энергетический уровень. Благодаря тому, что большинство атомов хрома находится в возбужденном состоянии, становится возможным усиление света за счет вынужденного электромагнитного излучения в результате квантового перехода атома с метастабильного энергетического уровня E₂ на основной с энергией E₁.

Рис. 5.14. Трехуровневая система возбуждения рубинового кристалла

В усилении излучения основную роль играют волны, идущие вдоль оси стержня. Многократно отражаясь от плоскопараллельных торцов, они создают интенсивное монохромное когерентное излучение.

Лазерное излучение света обладает свойствами, выделяющими его среди других источников света. Прежде всего это узконаправленный луч с малым углом расхождения (до 10 ⁵ рад). Благодаря этому становится возможной локализация луча и его выборочное действие на освещаемую поверхность. Например, воздействуя на атомы, ионы, молекулы фотоматериалов, оп вызывает фотохимические реакции, фотодиссоциацию и другие фотоэлектрические явления, используемые в лазерной химии, в технологиях записи информации на дисках, при лечении зрения и т. д.

Лазерный луч, направленный с Земли на Луну, высвечивает на ее поверхности точку диаметра 3 см.

Исключительная монохромность и когерентность лазерного излучения позволяет использовать его при создании стандартов частоты, в спектроскопии, голографии, волоконной оптике, при астрофизических исследованиях небесных тел и т. п. Например, при помощи лазерной локации удалось уточнить параметры движения Луны и Венеры, скорость движения Меркурия по орбите, наличие атмосфер у планет.

При помощи лазеров можно достичь интенсивности кратковременных импульсов 10¹⁴ Вт/см², которая превышает излучение Солнца в 10¹⁰ раз.

Высокая концентрация энергии лазерного луча позволяет достичь значительной интенсивности излучения, сверхвысоких температур и давлений, которые используются при сварке и плавлении металлов, при получении сверхчистых материалов, в лазерной хирургии, для термоядерного синтеза.
C появлением лазеров в физике образовались такие новые разделы, как нелинейная оптика и голография.

Атомное ядро

Открытие в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем естественной радиоактивности солей урана и дальнейшее исследование данного явления П. Кюри и М. Склодовской-Кюри положило начало развитию ядерной физики.

Для ядерной физики характерны расстояния, соизмеримые с размером ядра (~10^-15 м), и энергии от мегаэлектрон-вольт (МэВ) до гигаэлектрон-вольт (ГэВ).

Опыты Э. Резерфорда, обосновавшие ядерную модель атома, показали, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, которое имеет положительный заряд. Дальнейшие его исследования взаимодействия альфа-частиц с атомами азота привели к открытию протона — второй элементарной частицы, открытой после электрона. Со временем выяснилось, что в составе атомного ядра имеется еще одна элементарная частица нейтрон.

Протон (от греч. prоtos - первый) — элементарная частица, которая образует ядро атома Гидрогена и имеет положительный заряд, равный заряду электрона.

Изучение свойств протона показало, что он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона е =1,602 ∙ 10^-19Кл; его масса т_р = 1,6726485 ∙ 10^-27 кг. Поскольку в ядерной физике принято пользоваться атомной единицей массы (а. е. м.) и ее энергетическим эквивалентом электронвольтом (эВ), то масса покоя протона равна соответственно т_р = 1.007276470 а. е. м. - 938,2796 МэВ.

Изотопы (от греч. isos - одинаковый и topos - место) - разновидность одного и того же химического элемента, отличающищегося атомными массами.

Открытие в начале XX в. изотопов установило, что их атомные массы кратны массе ядра Гидрогена. В этой связи Э. Резер форд предположил, что ядра всех химических элементов состоят из протонов. Протонно-электронная модель атома хорошо согласовалась с экспериментальными данными, касающимися свойств Гидрогена. Однако ученые столкнулись с рядом трудностей при объяснении строения ядер более тяжелых химических элементов. Поэтому Э. Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании других элементарных частиц - нейтронов, которые входят в состав ядра, но не обладают электрическим зарядом.

Нейтрон (от лат. neutron - не принадлежащий ни к тому ни к другому), т. е. такой, что не имеет электрического заряда.

В 1932 г. английский физик Дж. Чедвик, исследуя свойства излучения, возникающего во время бомбардирования бериллия альфа-частицами, установил, что это поток нейтральных частиц, масса которых приблизительно равна массе протона. Измерения показали, что масса покоя нейтрона m_n = 1,6749543 • 10^-27 кг = 1,008665012 а. е. м. = 939,5731 МэВ.

Украинский ученый Д.Д. Иваненко (родился в г. Полтаве) и немецкий физик В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра. Они высказали предположение, что атомное ядро образуют нуклоны протоны и нейтроны, которые группируются внутри него, образуя ядерпые оболочки. Каждый нуклон, находясь в такой оболочке, пребывает в некотором квантовом состоянии. Его характеризуют энергия и набор квантовых величин (спин, орбитальный момент, четность состояния), которые однозначно его определяют.

В современной физике протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, называются нуклонами (от лат. nukleus - ядро).

В соответствии с данной моделью общее количество нуклонов, т. е. сумма протонов и нейтронов, равно массовому числу А; количество протонов соответствует заряду ядра Z, а количество нейтронов N=A — Z. В ядерной физике изотоп любого химического элемента X принято обозначать соответствующим символом, указывая при этом его массовое число А (слева вверху) и зарядовое число Z (слева снизу), т. е. в виде . Например, самый легкий изотоп Гидрогена Протий, ядро которого состоит из одного протона, обозначается ; альфа-частицу, представляющую собой ядро атома Гелия, обозначают и т. д.

Заполнение ядерных оболочек подчиняется определенной закономерности - принципу Паули: два одинаковых нуклона не могут одновременно пребывать в одном и том же квантовом состоянии, т. е. характеризоваться одним и тем же набором квантовых величин. Поэтому существует ряд чисел - 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, называемых магическими, которые определяют максимальное количество нуклонов в заполненных ядерных оболочках.

Принцип Паули вначале был предложен для объяснения закономерностей заполнения электронных орбит в атоме, а затем перенесен на формирование ядерных оболочек.

Переход ядра из одного состояния в другое, например из стабильного в возбужденное или наоборот, объясняется оболочечной моделью ядра как квантовый переход нуклона из одной оболочки в другую. Каждый раз, когда количество протонов или нейтронов в данной оболочке достигает магического числа, происходит скачкообразное изменение величин, характеризующих свойства ядра. Этим, в частности, объясняется существование периодичности в свойствах химических элементов, отраженное Периодической системой элементов Д.И. Менделеева.

Принцип Паули раскрывает физическую сущность периодического закона Д.И. Менделеева.

Оболочечная модель атомного ядра является одной из самых продуктивных в ядерной физике, в частности при объяснении периодичности свойств химических элементов и механизма ядерных реакций. Однако она не единственная и также имеет свои ограничения, поскольку не в состоянии объяснить все типы взаимодействия нуклонов в ядре и истолковать свойства тяжелых ядер. Поэтому существуют и другие модели атомных ядер, например капельная, в представлении которой атомное ядро - это капля особой квантовой жидкости задающая свойства ядра.

Физика атома

Атом гелия содержит положительно заряженное ядро и два электрона, которые обращаются вокруг него. Ядро атома гелия является -частицей.

Древнегреческий ученый Демокрит в V в. до н. э. пришел к идее о существовании мельчайших и неделимых частиц, которые он назвал атомами. Спустя более 2,5 тыс. лет было доказано, что атом имеет сложную структуру. Последнее десятилетие XIX в. ознаменовалось крупнейшими открытиями в физике — естественной радиоактивности французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1896 г.) и электрона английским физиком Джозефом Джоном Томсоном и немецким физиком Эмилем Вихертом (1897 г.). Радиоактивное излучение содержало положительно и отрицательно заряженные частицы, поэтому естественно было предположить, что эти частицы входят в состав атомов. А с открытием электрона стало ясно, что именно электроны входят в состав атома.

Назвать наименьший отрицательный заряд «электроном» предложил в 1891 г. Джордж Джон стон Стони, а в 1897 г. Джордж Френсис Фицджеральд предложил использовать этот термин для названия самой частицы.

В начале XX в. в научном мире широкое распространение получила модель атома английского физика Джозефа Джона Томсона. Согласно этой модели положительный заряд равномерно распределен по всему объему атома в виде некой однородной массы, которую Томсон называл «сферой однородной положительной

электризации». Так как атом электрически нейтрален, то электроны плавают в этой положительно заряженной среде и полностью компенсируют ее положительный электрический заряд (рис. 122).

Рис. 122. Модель атома Томсона: 1 — положительно заряженный шар; 2 — электроны

Для проверки справедливости такой модели атома английский физик Эрнест Резерфорд с сотрудниками в 1911 г. выполнил эксперименты, результаты которых оказались в противоречии с моделью атома Томсона.

Пучок -частиц направлялся на тонкую золотую фольгу толщиной около (рис. 123). Световые вспышки от частиц, прошедших через фольгу, регистрировались на сцинтилляционном экране с помощью микроскопа.

Исходя из модели атома Томсона, вследствие равномерного распределения заряда по всему объему атома ожидалось, что при столкновении -частиц с атомами они легко пройдут через фольгу и будут незначительно отклоняться от прямолинейной траектории (рассеиваться). При этом картина их рассеивания должна была быть примерно такой, как на рисунке 124.

Однако полученные результаты совершенно не соответствовали этим предсказаниям. В экспериментах значительная часть -частиц действительно отклонялась на малые углы от нуля до от направления своего начального движения. Но были и такие частицы, которые рассеивались на углы больше (рис. 125) или даже возвращались назад.

Рис. 124. Предполагаемое рассеяние -частиц атомами золота согласно модели атома Томсона

Рис. 125. Наблюдаемое рассеяние -частиц атомами золота в опытах Резерфорда

Рис. 126. Модели атома и зависимости модуля напряженности электрического поля от расстояния: а — ядерная модель; б — модель атома Томсона

Как писал сам Резерфорд: «Это было почти столь же неправдоподобным, как если бы вы произвели выстрел по кусочку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в вас».

Толщина фольги в экспериментах Резерфорда соответствовала примерно слоям атомов.

Примерно одна из -частиц испытывала отклонение на угол больше , одна из — на угол больше , а одна из — на угол больше .

Из результатов экспериментов следовало то, что внутри атома имеется очень сильное электрическое поле, которое создается положительным зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме. Название «ядро» для этого заряда было предложено Резерфордом. Размер ядра мал, но в нем сосредоточена практически вся масса атома. При сближении -частицы и ядра в соответствии с законом Кулона между ними возникают большие силы отталкивания, которые существенно изменяют траекторию -частиц (рис. 126, а).

В модели атома Томсона электрическое поле соответствует электрическому полю равномерно заряженного по объему шара (рис. 126, б), и при приближении к центру атома модуль его напряженности стремится к нулю. В этом случае не было бы -частиц, рассеянных на большие углы.

На основании анализа результатов проведенных экспериментов Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную модель атома (рис. 127):

Рис. 127. Модель атома Резерфорда

1. в центре атома расположено ядро размером , его заряд , где  — порядковый номер элемента в периодической системе элементов Менделеева;
2. почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре;
3. ядро окружают электроны, образуя электронную оболочку атома; число электронов равно ; суммарный заряд электронов , поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Внутри атома электроны не могут покоиться, так как под действием сил Кулона они упали бы на ядро. Поэтому они вращаются вокруг ядра по определенным орбитам.

Такую модель атома называют также планетарной, поскольку она напоминает нашу Солнечную систему, в которой планеты вращаются вокруг массивного центра — Солнца.

Модель атома Резерфорда с изображением электронных орбит стала популярной эмблемой XX в. Так, на рисунке 128 показана эмблема физического факультета Белорусского государственного университета.

Рис. 128. Эмблема физического факультета БГУ

На основании ядерной модели атома были объяснены экспериментальные данные, полученные при изучении рассеивания -частиц. Но она противоречила законам классической механики и электродинамики, так как не позволяла объяснить факт стабильности существования атома.

Действительно, во-первых, в соответствии с законами классической электродинамики Максвелла при ускоренном движении электронов по орбитам они должны непрерывно излучать электромагнитные волны, частота которых должна быть равна частоте вращения электронов вокруг ядра.

Во-вторых, при излучении электроны должны были терять энергию и «упасть» на ядро за промежуток времени порядка (рис. 129). Соответственно, в таком случае атомы должны были быть неустойчивыми и иметь очень короткое время жизни.

В-третьих, частота обращения электрона вокруг ядра (по мере приближения к ядру) должна была изменяться непрерывно, что привело бы к непрерывному характеру спектра излучения атома (частота излучения равна частоте колебаний источника). Однако в проведенных экспериментах наблюдался линейчатый спектр.

Таким образом, полное объяснение строения атома на основании механики Ньютона и электродинамики Максвелла было невозможно.

Физика атома и атомного ядра

История физической науки насчитывает почти 2500 лет, но только в прошлом веке физики — преподаватели и кабинетные ученые — стали консультировать руководителей государств. Количество специалистов-физиков возросло в сотни раз, были созданы огромные предприятия для производства физических приборов и оборудования (рис. 22.1). И произошло это прежде всего благодаря успехам ядерной физики, изучающей структуру и свойства атомных ядер, процессы, которые в них происходят, и механизмы преобразования атомных ядер. Из данного параграфа вы подробнее узнаете об атоме и атомном ядре.

Рис. 22.1. Крупнейшая на сегодня исследовательская установка — ускоритель заряженных частиц, первый запуск которого состоялся в 2008 г.: а — вид изнутри; б — схематическое изображение. Поражают размеры ускорителя: элементарные частицы разгоняются в огромном кольце длиной 26 км. Странам Европы пришлось объединить усилия, чтобы построить это чудо техники

Классический опыт Резерфорда

Эксперименты ученых XIX в. доказали, что атом имеет сложную структуру. Было установлено, что в состав атома входят электроны, имеющие отрицательный заряд, а в целом атом нейтрален.

В 1908-1911 гг. под руководством Эрнеста Резерфорда (рис. 22.2) опытный исследователь Ганс Гейгер (1882-1945) и молодой аспирант Эрнест Марсден (1889-1970) провели серию опытов по выяснению структуры атома. Для опытов использовалось вещество, из которого с большой скоростью вылетали положительно заряженные частицы — так называемые частицы (альфа-частицы).

Рис. 22.2. Эрнест Резерфорд (1871-1937) — выдающийся английский физик. Заложил основы учения о радиоактивности и строении атома, осуществил первую ядерную реакцию. Лауреат Нобелевской премии (1908 г.), член всех академий наук мира

Узкий пучок частиц направлялся из свинцового контейнера на тонкую золотую фольгу, а затем попадал в экран, покрытый слоем кристаллов цинк сульфида (рис. 22.3). В месте попадания частицы в экран происходила слабая вспышка света. Ученые наблюдали вспышки с помощью микроскопа, регистрируя попадания.

Рис. 22.3. Схема опыта по рассеянию частиц (опыт Резерфорда)

В результате опытов обнаружилось, что, как правило, частицы проходят сквозь золотую фольгу, не изменяя направления движения, некоторые отклоняются от начальной траектории, а вот примерно одна из 20 000 частиц отскакивает от фольги, будто натыкаясь на препятствие (рис 22.4).

Рис. 22.4. Траектории а-частиц, пролетающих вблизи ядра Аурума. Чем ближе к ядру пролетает частица, тем больше действующая на нее сила отталкивания и тем больше частица отклоняется от первоначальной траектории

Понятно, что Э. Резерфорд не мог видеть внутреннюю структуру атома, поэтому он опирался на логику. Если положительный заряд и масса равномерно распределены по всему объему атома (именно такое представление об атоме было в то время), то все частицы должны были пролететь сквозь фольгу практически не отклоняясь, ведь их энергия колоссальна (это примерно как бить мячом сквозь паутину).

Если же положительный заряд и масса сосредоточены в небольшом объеме внутри атома, а вокруг — «пустота», бомбардировка частицами будет напоминать броски теннисными мячиками через поле, на котором расположена закрепленная на шесте металлическая банка. Только в ничтожно малом количестве случаев мячики попадут в банку и отскочат от нее, в остальных же случаях они пролетят мимо. Очевидно, что данное предположение больше подходит для объяснения результатов опытов.

Итак, в 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель строения атома: атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными частицами — электронами; именно в ядре сосредоточена едва ли не вся масса атома.

Хотя в ядре сосредоточена почти вся масса атома, размер ядра по сравнению с атомом чрезвычайно мал (диаметр атома порядка м, ядра - м). Для наглядности представьте, что атом удалось увеличить до размера большого стадиона. Разумеется, размер ядра такого атома тоже увеличится. На сколько? Вычисления показывают, что диаметр ядра атома был бы равен размеру муравья, ползущего по траве стадиона.

Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, была развита в работах выдающегося датского физика Нильса Бора (1885-1962). Именно на ядерной модели основано современное представление о строении атома (рис. 22.5).

Рис. 22.5. «Эволюция» модели атома

Строение атомного ядра

Из курсов физики и химии вы знаете, что атомное ядро состоит из частиц двух видов: протонов, имеющих положительный электрический заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Масса протона примерно равна массе нейтрона и почти в 2000 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра атома, называют нуклонами. Суммарное количество протонов и нейтронов в атоме называют нуклонным (массовым) числом и обозначают символом

Атом является электрически нейтральным: суммарный заряд протонов в ядре равен суммарному заряду электронов, расположенных вокруг ядра. Так как заряд протона по модулю равен заряду электрона, то понятно, что в атоме число протонов равно числу электронов.

Число протонов в ядре называют зарядовым (протонным) числом и обозначают символом Порядковый номер элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева соответствует числу протонов в ядре (зарядовому числу).

Зная зарядовое и нуклонное числа ядра атома, можно определить количество нейтронов в данном ядре:

Вид атомов, который характеризуется определенным значением зарядового числа и определенным значением массового числа, называют нуклидом (рис. 22.6).

Рис. 22.6. Обозначение нуклида химического элемента

Если разные нуклиды имеют одинаковое зарядовое число, то их химические свойства одинаковы — нуклиды принадлежат одному химическому элементу.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами («одинаковые по месту»).

Каждый химический элемент имеет несколько изотопов (рис. 22.7).

Рис. 22.7. Изотопы Гидрогена, существующие в природе. Символом обозначены электроны, - протоны, - нейтроны

Электроны, имея отрицательный заряд, удерживаются вокруг положительного ядра благодаря электромагнитному взаимодействию. Но как в составе одного ядра и на очень близком расстоянии друг от друга удерживаются протоны, ведь одноименно заряженные частицы отталкиваются?

Оказывается, что все частицы в ядре притягиваются друг к другу благодаря взаимодействию, которое в сотни раз сильнее, чем электромагнитное отталкивание протонов (рис. 22.8). Именно поэтому взаимодействие нуклонов называют сильным взаимодействием.

Рис. 22.8. Силы взаимодействия нуклонов ядра

Силы, которые действуют между протонами и нейтронами в ядре и обеспечивают существование атомных ядер, называют ядерными силами.

Основные свойства ядерных сил:

1. являются только силами притяжения;
2. близкодействующие: проявляются только на расстояниях порядка м (размер нуклона);
3. не зависят от заряда: на одинаковом расстоянии силы, действующие между двумя протонами, между двумя нейтронами или между протоном и нейтроном, одинаковы;
4. имеют свойство насыщения: нуклон способен к ядерному взаимодействию одновременно только с небольшим количеством нуклонов-«соседей».

Открытие строения атомного ядра можно назвать «международным».

Протон открыл английский физик, уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд (1911 г.), нейтрон — английский физик Джеймс Чедвик (1932 г.). Гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра атома впервые независимо друг от друга выдвинули советский ученый, уроженец Полтавщины Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг (1932 г.). С тех пор представления о строении ядра практически не изменились.

Подводим итоги:

В результате опытов под руководством Э. Резерфорда была создана ядерная модель строения атома, согласно которой весь положительный заряд атома сосредоточен в его ядре — части, размеры которой незначительны по сравнению с размерами атома.

Ядра атомов состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Число протонов в ядре атома данного элемента равно порядковому номеру этого элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, число нуклонов — нуклонному числу.

Вид атомов, характеризующийся определенным количеством протонов и определенным общим количеством нуклонов, называют нуклидом.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами данного химического элемента.

Нуклоны удерживаются в ядре благодаря действию ядерных сил притяжения. Ядерные силы — близкодействующие: на расстояниях, которые больше размера нуклона, они не проявляются.

Радиоактивность. Радиоактивные излучения

В XXI в. вряд ли найдется взрослый человек, который хотя бы раз в жизни не сделал рентгеновский снимок. А вот в конце XIX в. изображение руки человека с видимой структурой костей (рис. 23.1) обошло страницы газет всего мира, а для физиков стало настоящей сенсацией. Ученые начали исследование рентгеновских лучей и поиск их источников. Одним из таких ученых был французский физик А. Беккерель (рис. 23.2). Какими неожиданными результатами завершились его исследования, вы узнаете из этого параграфа.

Рис. 23.1. Первый рентгеновский снимок руки человека

Рис. 23.2. Анри Антуан Беккерель (1852-1908) — французский физик, в 1896 г. открыл радиоактивное излучение солей Урана

История открытия радиоактивности

С открытия рентгеновских лучей началась история открытия радиоактивности, и помог в этом случай.

Толчком к исследованиям стало предположение, что рентгеновские лучи возникают при кратковременном свечении некоторых веществ, облученных перед этим солнечным светом*. К таким веществам относятся, например, некоторые соли Урана.

Чтобы проверить указанное предположение и зная, что рентгеновские лучи, в отличие от световых, проникают сквозь плотную черную бумагу, А. Беккерель взял завернутую в такую бумагу фотопластинку**, положил на нее крупинки урановой соли и на несколько часов вынес фотопластинку на яркий солнечный свет. После проявления на фотопластинке оказались темные пятна именно в тех местах, где лежала урановая соль. То есть выяснилось, что урановая соль действительно испускает излучение, которое имеет большую проникающую способность (проходит сквозь плотную бумагу) и действует на фотопластинку.

Такое свечение называют флюоресценцией.

Фотопластинка — стеклянная пластинка, покрытая чувствительным к излучению веществом.

Альберт Эйнштейн сравнивал открытие радиоактивности с открытием огня, считая, что огонь и радиоактивность — одинаковые по значению вехи в истории человечества.

Беккерель решил продолжить исследования и подготовил опыт, который несколько отличался от предыдущего. Но ученому помешала пасмурная погода, и он с сожалением положил приготовленные для опыта фотопластинку с урановой солью и медным крестом между ними в ящик стола. Через несколько дней, так и не дождавшись солнца, ученый решил на всякий случай проявить фотопластинку. Результат оказался неожиданным: на пластинке появился контур креста. Следовательно, солнечный свет был ни при чем, и соль Урана сама, без влияния внешних факторов, испускает невидимое излучение, которому не является преградой даже слой меди!

Позже такое излучение назовут радиоактивным излучением (от лат. radio — излучаю, activus — действенный); способность веществ к радиоактивному излучению — радиоактивностью; нуклиды, ядра которых имеют такую способность, — радионуклидами.

Радионуклиды:

«Только ли Уран испускает "лучи Беккереля"?» — с поиска ответа на этот вопрос начала свою работу по изучению радиоактивности М. Склодовская-Кюри (рис. 23.3). Тщательно проверив на радиоактивность практически все известные к тому времени элементы, она выяснила, что радиоактивные свойства имеет также Торий. Кроме того, М. Склодовская-Кюри и ее муж П. Кюри (рис. 23.4) открыли новые радиоактивные элементы, в частности Полоний и Радий.

Рис. 23.3. Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) — французский физик и химик (родилась в Польше), лауреат двух Нобелевских премий. Такой чести за всю историю были удостоены только три исследователя

Рис. 23.4. Пьер Кюри (1859-1906) — французский физик, лауреат Нобелевской премии

Указанные выше элементы были выделены из естественных минералов, поэтому их назвали естественными радиоактивными элементами.

Со временем выяснилось, что радиоактивность присуща всем без исключения нуклидам химических элементов, порядковый номер которых больше Однако и другие элементы имеют радиоактивные нуклиды (естественные или полученные искусственно).

Состав радиоактивного излучения

Опыты по изучению природы радиоактивного излучения показали, что радиоактивные вещества могут испускать лучи трех видов: положительно заряженные частицы (альфа)-излучение), отрицательно заряженные частицы (бета)-излучение) и нейтральные лучи (гамма)-излучение). На рис. 23.5 изображена схема одного из таких опытов: пучок радиоактивного излучения попадает в сильное магнитное поле постоянного магнита, а затем на фотопластинку. После проявления на фотопластинке четко видны три темных пятна.

Рис. 23.5. Схема опыта по исследованию природы радиоактивного излучения

Наибольший вклад в исследование излучения сделал Э. Резерфорд. Ученый одним из первых выяснил, что излучение — это поток ядер атомов Гелия движущихся со скоростью порядка м/с. Заряд частицы равен двум элементарным зарядам:

излучение, как и излучение, отклоняется магнитным полем, но в противоположную сторону, излучение — это поток электронов летящих с огромной скоростью (близкой к скорости света).

Исследование излучения показало, что это электромагнитные волны очень высокой частоты (свыше 1018 Гц). Скорость распространения этих волн в вакууме равна м/с.

Защита от радиоактивного излучения:

У большинства людей слово «радиация» ассоциируется с опасностью. И это, безусловно, правильно. Радиоактивное излучение не фиксируется органами чувств человека, но известно, что оно может привести к губительным последствиям. От влияния радиации можно защититься, возведя на пути излучения препятствие.

Виды радиоактивного излучения

• частицы — ядра атомов Гелия
• частицы — быстрые электроны
• лучи — высокочастотное (коротковолновое) электромагнитное излучение

Проще всего защититься от и излучений. Хотя и частицы летят с огромной скоростью, их поток легко останавливает даже тонкое препятствие. Как показали эксперименты, достаточно листа бумаги толщиной 0,1 мм, чтобы остановить частицы; излучение полностью поглощается, например, алюминиевой пластинкой толщиной 1 мм (рис. 23.6).

Рис. 23.6. Защита от радиоактивного излучения

Труднее всего защититься от излучения — оно проникает сквозь достаточно толстые слои материалов. В отдельных случаях для защиты от излучения необходимы бетонные стены толщиной несколько метров.

Определение радиоактивности

Изучение радиоактивности показало, что радиоактивное излучение — это следствие преобразований ядер атомов. Причем эти преобразования происходят самопроизвольно (без каких бы то ни было причин), их нельзя ускорить или замедлить, они не зависят от внешнего воздействия, то есть на них не влияют изменения давления, температуры, освещенности, действия магнитного и электрического полей, химические реакции и т. п.

Радиоактивность — это способность ядер радионуклидов самопроизвольно

превращаться в ядра других элементов с излучением микрочастиц.

Излучая или частицы, исходное ядро (материнское ядро) преобразуется в ядро атома другого элемента (дочернее ядро); и распады могут сопровождаться излучением. Установлено, что радиоактивные преобразования ядер подчиняются так называемым правилам смещения.

1. При распаде количество нуклонов в ядре уменьшается на 4, протонов — на 2, поэтому образуется ядро элемента, порядковый номер которого на 2 единицы меньше порядкового номера исходного элемента (рис. 23.7):

2. При распаде количество нуклонов в ядре не изменяется, при этом количество протонов увеличивается на 1, поэтому образуется ядро элемента, порядковый номер которого на единицу больше порядкового номера исходного элемента (рис. 23.8):

Рис. 23.7. При распаде материнское ядро спонтанно делится на две части: частицу и дочернее(новое) ядро

Рис. 23.8. При распаде один из нейтронов материнского ядра преобразуется в протон и электрон; электрон излучается, а протон остается в ядре (образуется новое ядро)

Радиоактивные ряды

Получается, что после объяснения радиоактивности мечта алхимиков Средневековья о превращении веществ в золото сбылась? На самом деле — нет. Ученые выяснили, что исходное (материнское) ядро атома радиоактивного элемента может претерпевать целый ряд преобразований: ядро атома элемента превращается в ядро атома элемента затем в ядро атома элемента и т. д., однако в этой цепочке не может быть случайных «гостей».

Совокупность всех изотопов, возникающих в результате последовательных радиоактивных преобразований данного материнского ядра, называют радиоактивным рядом. Одна из цепочек таких преобразований показана на рис. 23.9. Установлено, что существуют четыре радиоактивных ряда, объединяющих все известные в природе радиоактивные элементы: ряд Тория (начинается с Тория-232), ряд Урана — Радия (начинается с Урана-238); ряд Урана — Актиния (начинается с Урана-235); ряд Нептуния (начинается с Нептуния-237).

Рис. 23.9. Радиоактивный ряд Тория. Ряд начинается с Тория-232, встречающегося в природе, и заканчивается Плюмбумом-208, являющимся стабильным (не радиоактивным)

Подводим итоги

Радиоактивное излучение открыл в 1896 г. французский физик А. Беккерель. Большинство существующих в природе и искусственно полученных нуклидов радиоактивны: их ядра самопроизвольно распадаются, излучая микрочастицы и преобразуясь в другие ядра.

Виды радиоактивного излучения
частицы	частицы	лучи
поток ядер Гелия	поток электронов	электромагнитные волны
порядка	около
		не заряжены
задерживаются листом бумаги толщиной 0,1 мм	задерживаются листом алюминия толщиной 1 мм	задерживаются слоем бетона толщиной несколько метров

Активность радиоактивного вещества. Применение радиоактивных изотопов

Какое именно ядро в радиоактивном веществе распадется первым, какое — следующим, какое — последним? Физики утверждают, что узнать это невозможно: распад того или иного ядра радионуклида — событие случайное. Вместе с тем поведение радиоактивного вещества в целом подчиняется четким закономерностям.

Период полураспада

Если взять закрытую стеклянную колбу, содержащую некоторое количество Радона-220, окажется, что примерно через 56 с количество атомов Радона в колбе уменьшится в два раза, в течение следующих 56 с — еще в два раза и т. д. Таким образом, понятно, почему интервал времени 56 с называют периодом полураспада Радона-220.

Период полураспада — это физическая величина, которая характеризует радионуклид и равна времени, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида.

Единица периода полураспада в СИ — секунда:

У каждого радионуклида — свой период полураспада (см. таблицу).

Период полураспада некоторых радионуклидов

Радионуклид	Период полураспада
Йод-131	8 суток
Карбон-14	5700 лет
Кобальт-60	5,3 года
Плутоний-239	24 тыс. лет
Радий-226	1600 лет
Радон-220	56 с
Радон-222	3,8 суток
Уран-235	0,7 млрд лет
Уран-238	4,5 млрд лет
Цезий-137	30 лет

Определение активности радиоактивного источника

И Уран-238, и Радий-226 являются а-радиоактивными (их ядра могут спонтанно распадаться на а-частицу и соответствующее дочернее ядро). Из какого образца за 1 с вылетит больше частиц, если число атомов Урана-238 и Радия-226 одинаково?

Надеемся, вы правильно ответили на вопрос и, учитывая, что периоды полураспада данных радионуклидов отличаются почти в 3 млн раз, установили, что за одно и то же время в образце радия произойдет намного больше распадов, чем в образце урана.

Физическую величину, численно равную количеству распадов, происходящих в радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника.

Активность радиоактивного источника обозначают символом Единица активности в СИ — беккерель.

1 Бк — это активность такого радиоактивного источника, в котором за 1 с происходит 1 акт распада:

1 Бк — это очень малая активность, поэтому используют внесистемную единицу активности — кюри (Ки):

Если образец содержит атомы только одного радионуклида, то активность этого образца можно определить по формуле:

где — число атомов радионуклида в образце на данный момент времени; — постоянная радиоактивного распада радионуклида (физическая величина, являющаяся характеристикой радионуклида и связанная с периодом полураспада соотношением:

Со временем количество нераспавшихся ядер радионуклидов в радиоактивном образце уменьшается, поэтому уменьшается и активность образца (рис. 24.1).

Рис. 24.1. График зависимости активности Радия-226 от времени. Период полураспада Радия-226 — 1600 лет

История открытия искусственных радиоактивных изотопов

Первый искусственный радиоактивный изотоп был получен в 1934 г. супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Облучая частицами алюминий, они наблюдали излучение нейтронов, то есть происходила следующая ядерная реакция:

Итальянский физик Энрико Ферми известен несколькими достижениями, но свою высшую награду — Нобелевскую премию — он получил за открытие искусственной радиоактивности, вызванной облучением вещества медленными нейтронами. Сейчас метод облучения нейтронами широко применяют в промышленности для получения радиоактивных изотопов.

Можно выделить два направления использования радиоактивных изотопов.

1. Использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов. Радиоактивность является своеобразной меткой, с помощью которой можно определить наличие элемента, проследить за поведением элемента во время физических и биологических процессов и т. д. (см., например, рис. 24.2).
2. Использование радиоактивных изотопов как источников излучения (см., например, рис. 24.3).

Рис. 24.2. Чтобы выяснить, как растения усваивают фосфорные удобрения, в эти удобрения добавляют радиоактивный изотоп Фосфора, затем исследуют растения на радиоактивность и определяют количество усвоенного фосфора

Рис. 24.3. Использование излучения для лечения онкозаболеваний. Чтобы лучи не уничтожали здоровые клетки, используют несколько слабых пучков лучей, которые фокусируются на опухоли

Рассмотрим несколько примеров.

Как используют радиоактивные изотопы для диагностики заболеваний

Организм человека имеет свойство накапливать в своих тканях определенные химические вещества. Известно, например, что щитовидная железа накапливает йод, костная ткань — фосфор, кальций и стронций, печень — некоторые красители и т. д. Скорость накопления веществ зависит от состояния здоровья органа. Например, при базедовой болезни активность щитовидной железы резко возрастает.

За количеством йода в щитовидной железе удобно следить при помощи его радиоактивного изотопа. Химические свойства радиоактивного и стабильного йода не отличаются, поэтому радиоактивный Йод-131 будет накапливаться так же, как и его стабильный изотоп. Если щитовидная железа в норме, то через некоторое время после введения в организм Йода-131 излучение от него будет иметь определенную оптимальную интенсивность. А вот если щитовидная железа функционирует с отклонением от нормы, то интенсивность излучения будет аномально высокой или, наоборот, низкой. Аналогичный метод применяют для исследования обмена веществ в организме, выявления опухолей и др.

Понятно, что, используя указанные методы диагностики, необходимо тщательно дозировать количество радиоактивного препарата, чтобы внутреннее облучение оказывало минимальное негативное воздействие на организм человека.

Определяем возраст древних предметов

В атмосфере Земли всегда имеется некоторое количество радиоактивного Карбона-14 который образуется из Нитрогена в результате ядерной реакции с нейтронами. В составе углекислого газа этот изотоп поглощается растениями, а через них — животными. Пока животное или растение живы, содержание радиоактивного Карбона в них остается неизменным. После прекращения жизнедеятельности количество радиоактивного Карбона в организме начинает уменьшаться, уменьшается и активность излучения. Зная, что период полураспада Карбона-14 составляет 5700 лет, можно определить возраст археологических находок (рис. 24.4).

Рис. 24.4. Полученный из молодого дерева 1 г углерода имеет активность 14-15 Бк (излучает 14-15 частиц в секунду). Через 5700 лет после гибели дерева количество распадов в секунду уменьшается вдвое

Применяем излучение в технике:

Особое значение в технике имеют гамма-дефектоскопы, с помощью которых проверяют, например, качество сваренных соединений. Если мастер, приваривая петли к воротам, допустил брак, через некоторое время петли отвалятся. Это неприятно, но ситуация поправима. А вот если брак случился при сварке элементов конструкции моста или ядерного реактора, трагедия неминуема. Благодаря тому что лучи по-разному поглощаются массивной сталью и сталью с пустотами, гамма-дефектоскоп «видит» трещины внутри металла, а следовательно, выявляет брак еще на стадии изготовления конструкции.

Уничтожение микробов с помощью радиации:

Известно, что определенная доза облучения убивает организмы. Но ведь не все организмы полезны человеку. Так, медики постоянно работают над тем, чтобы избавиться от болезнетворных микробов. Вспомните: в больницах моют пол со специальными растворами, облучают помещение ультрафиолетом, обрабатывают медицинские инструменты и т. д. Такие процедуры называют дезинфекцией и стерилизацией.

Поставить процесс стерилизации на промышленную основу позволили особенности излучения (рис. 24.5). Такая стерилизация осуществляется в специальных установках с надежной защитой от проникающей радиации. В качестве источника лучей используют искусственно созданные изотопы Кобальта и Цезия и

Рис. 24.5. Самую распространенную медицинскую продукцию: шприцы, системы переливания крови и т. п. — перед отправкой потребителю тщательно стерилизуют с использованием излучения

Пример №5

Определите массу Радия-226, если его активность составляет 5 Ки. Постоянная радиоактивного распада Радия-226 равна

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся формулой для определения активности: Зная активность, выясним количество атомов Радия. Массу вещества можно определить, умножив число атомов на массу одного атома:

Из курса химии вы знаете:

• 1 моль вещества содержит атомов;
• масса атома где — молярная масса вещества (масса 1 моль).

Дано:

Найти:

Решение

где следовательно,

Поскольку то

Подставим выражение для в формулу для массы:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ:

Подводим итоги

Время, в течение которого распадается половина имеющегося количества ядер данного радионуклида, называют периодом полураспада Период полураспада является характеристикой данного радионуклида. Физическую величину, которая численно равна количеству распадов, происходящих в данном радиоактивном источнике за единицу времени, называют активностью радиоактивного источника. Если источник содержит атомы только одного радионуклида, активность источника можно определить по формуле где — количество атомов радионуклида в образце; — постоянная радиоактивного распада радионуклида. Единица активности в СИ — беккерель (Бк).

Со временем активность радиоактивного образца уменьшается, и это используют для определения возраста археологических находок.

Искусственные изотопы применяют для стерилизации медицинских изделий, диагностики и лечения заболеваний, выявления дефектов в металлах и др.

Ионизирующее действие радиоактивного излучения. Естественный радиоактивный фон. Дозиметры

Радиоактивное излучение может быть опасным для организмов. Из этого параграфа вы узнаете, почему это так, с помощью каких приборов можно измерить уровень радиации, какой уровень радиации опасен, а при каком можно быть спокойными.

Воздействие ионизирующего излучения на организмы:

Радиоактивные излучения оказывают значительное воздействие на организмы. Попадая в вещество, радиоактивное излучение передает ему энергию. В результате поглощения этой энергии некоторые атомы и молекулы вещества ионизируются (рис. 25.1) — их химическая активность изменяется и образуются новые, чрезвычайно активные химические соединения.

Рис. 25.1. В результате поглощения энергии ионизирующего излучения электрон вылетает из атома и атом преобразуется в положительный ион

Жизнедеятельность любого организма обеспечивается химическими реакциями, происходящими в его клетках, поэтому мощное радиоактивное облучение приводит к нарушению функций почти всех органов. Так, у человека увеличиваются хрупкость и проницаемость сосудов, снижается сопротивляемость организма, происходит разлад деятельности желудочно-кишечного тракта, нарушаются функции кроветворных органов, нормальные клетки перерождаются в злокачественные.

Характеристика ионизирующего излучения

Чем больше поглощенная веществом энергия излучения, тем большее воздействие оказывает это излучение на вещество.

Отношение энергии ионизирующего излучения, поглощенной веществом, к массе этого вещества называют поглощенной дозой ионизирующего излучения

Единица поглощенной дозы в СИ — грей (в честь английского физика Л. Грея (рис. 25.2)):

Рис. 25.2. Льюис Харольд Грей (1905-1965) — английский физик, работал над проблемами, связанными с действием облучения на биологические системы; основатель радиобиологии

Коэффициенты качества некоторых видов ионизирующего излучения

Вид излучения	Коэффициент качества
излучение	20
излучение	1
излучение	1
Нейтроны	5-10
Протоны	5

Биологическое действие на организмы разных видов излучения неодинаково при одинаковой поглощенной дозе. Так, при одинаковой энергии излучение значительно опаснее, чем или излучение.

Физическую величину, характеризующую биологическое действие поглощенной дозы ионизирующего излучения, называют эквивалентной дозой ионизирующего излучения

где — поглощенная доза; — коэффициент качества, характеризующий опасность данного вида излучения: чем больше коэффициент качества, тем опаснее излучение (см. таблицу).

Единица эквивалентной дозы в СИ — зиверт (названа в честь шведского ученого Р. Зиверта (рис. 25.3)):

Рис. 25.3. Рольф Максимилиан Зиверт (1896-1966) — шведский ученый. Работал в области медицинской физики, изучал воздействие радиации на биологические системы

Особенности воздействия радиации

Повреждения организмов, обусловленные действием радиации, имеют ряд особенностей.

Во-первых, наиболее чувствительны к радиации быстро делящиеся клетки. Так, действие радиоактивного излучения первым ощущает костный мозг, вследствие чего нарушается процесс кроветворения.

Во-вторых, разные типы организмов имеют разную чувствительность к радиоактивному излучению (рис. 25.4). Самые стойкие к радиации — одноклеточные.

Рис. 25.4. Змеи очень устойчивы к радиации. Некоторые из них могут выдержать радиоактивное излучение до 150 Гр

В-третьих, последствия воздействия одинаковой поглощенной дозы излучения зависят от возраста организма.

Отметим, что кроме внешнего облучения существует опасность и внутреннего облучения, ведь радионуклиды могут попасть в организм, например, с пищей или водой. Повышенная опасность внутреннего облучения обусловлена несколькими причинами.

Во-первых, некоторые радионуклиды способны выборочно накапливаться в определенных органах. Например, 30 % йода накапливается в щитовидной железе, масса которой составляет лишь 0,03 % массы тела человека. Радиоактивный Йод, таким образом, всю свою энергию отдает небольшому объему ткани.

Во-вторых, внутреннее облучение является длительным: радионуклид, попавший в организм, не сразу выводится из него, а проходит ряд радиоактивных преобразований внутри организма. При этом возникает радиоактивное излучение, которое ионизирует молекулы, изменяя тем самым их биохимическую активность.

Радиационный фон

Все люди на Земле испытывают воздействие радиации, ведь в любой местности всегда есть радиационный фон (рис. 25.5).

Радиационный фон Земли складывается из нескольких компонентов: космическое излучение; излучение естественных радионуклидов, содержащихся в земной коре, воздухе и других объектах внешней среды; излучение искусственных радиоактивных изотопов.

Излучение естественных радионуклидов и космическое излучение создают естественный радиационный фон.

В результате деятельности человека естественный радиационный фон Земли значительно изменился — произошло техногенное повышение естественного радиационного фона. Пример такой деятельности — добыча полезных ископаемых, имеющих повышенную концентрацию радионуклидов. Так, повышенное содержание естественных радионуклидов имеется в граните. А далее выстраиваем цепочку. Гранитный щебень — компонент бетона, из которого сооружают дома. Значит, повышенный радиационный фон следует искать прежде всего внутри зданий из бетона, особенно в закрытых непроветриваемых помещениях (концентрация радона в закрытых помещениях в среднем в восемь раз выше, чем снаружи.

Рис. 25.5. Средние эквивалентные дозы ионизирующего излучения, которые получает человек в течение года от некоторых источников радиации

Дозиметр

Жизнь на Земле возникла и развивается в условиях непрерывного воздействия радиации, поэтому естественный радиационный фон существенно не влияет на жизнь и здоровье людей. Современные радиобиологические исследования показывают, что при дозах, соответствующих естественному радиационному фону 1-2 мЗв в год, воздействие радиации безопасно для человека.

Но даже небольшое превышение уровня радиации может вызвать генетические дефекты, которые, возможно, проявятся у детей или внуков облученного человека. Большие дозы радиации служат причиной серьезных поражений тканей. Например, полученная за несколько часов эквивалентная доза ионизирующего облучения 1 Зв вызывает опасные изменения в крови, а доза 3-5 Зв в 50 % случаев служит причиной гибели. Поэтому работники, имеющие дело с радиацией или некоторое время находящиеся на радиационно загрязненной территории, обязательно пользуются дозиметрами.

Дозиметр — прибор для измерения дозы ионизирующего излучения, полученной прибором (и, следовательно, тем, кто им пользуется) за некоторый интервал времени, например за время пребывания на определенной территории или в течение рабочей смены.

Приборы для измерения интенсивности радиоактивного излучения от определенного источника (жидкости, газа, загрязненной поверхности) называют радиометрами (или дозиметрами второго типа) (рис. 25.6, а). Основной составляющей любого дозиметра и радиометра является детектор — устройство для регистрации ионизирующего излучения (см. рис. 25.6, б). При попадании ионизирующего излучения на детектор возникают электрические сигналы (импульсы тока или напряжения), которые считываются измерительным устройством. Данные о дозе ионизирующего излучения подаются на выходное устройство (выводятся на дисплей дозиметра); информация о повышении радиации может подаваться свечением, звуковым сигналом и т. п.

Рис. 25.6. Бытовые дозиметры (радиометры): а - вид; б - типовая блок-схема

В организме человека содержится около г радиоактивного калия и г радия. В результате в теле человека ежесекундно происходит 6000 распадов и 220 распадов. Еще 2500 распадов в секунду происходит благодаря радиоактивному углероду. В целом в теле человека ежесекундно происходит 10 000 актов распада.

Подводим итоги:

Попадая в вещество, радиоактивное излучение передает ему энергию. В результате некоторые атомы и молекулы вещества ионизируются, изменяется их химическая активность. Так как жизнедеятельность организмов базируется на химических реакциях, радиоактивное излучение оказывает биологическое действие.

Отношение энергии ионизирующего излучения, поглощенной веществом, к массе этого вещества называют поглощенной дозой ионизирующего излучения

Биологическое действие ионизирующего излучения зависит как от поглощенной дозы, так и от особенностей самого излучения; характеристикой биологического действия является эквивалентная доза ионизирующего излучения: где — коэффициент качества.

Единица поглощенной дозы ионизирующего излучения в СИ — грей (Гр), единица эквивалентной дозы — зиверт (Зв). Для измерения доз ионизирующего излучения используют дозиметры.

На поверхности Земли регистрируется определенный уровень радиации — радиационный фон, состоящий из космического излучения, излучения естественных и искусственных радионуклидов.

Цепная ядерная реакция и ядерный реактор

«...Предыдущие эпохи получили свои названия от различных материалов: был век каменный, бронзовый, железный. Но ни одного из них не было бы, если бы человек не знал огня. Истинное богатство мира — его энергия», — писал английский радиохимик, лауреат Нобелевской премии Фредерик Содди (1877-1956) в своей книге «Материя и энергия». XX век можно назвать атомным, ведь именно в этом столетии человек открыл и начал укрощать энергию атомного ядра. О том, как исследования по ядерной физике помогают обеспечить человечество энергией, вы узнаете из этого параграфа.

Делении тяжелых ядер и цепная ядерная реакция

В конце 1938 г. немецкие радиохимики Отто Ган (1879-1968) и Фриц Штрассман (1902-1980) проводили опыты с облучением урана нейтронами. К величайшему удивлению ученых, в ходе опытов были обнаружены Барий и некоторые другие элементы средней части Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Изучая неожиданные для того времени результаты опытов, австралийский радиохимик Лиза Мейтнер (1878-1968) и английский физик Отто Фриш (1904-1979) пришли к выводу, что ядро Урана (тяжелое ядро), поглощая нейтрон, распадается на более легкие ядра. Так было открыто расщепление ядра — деление тяжелого атомного ядра на два (реже три) ядра, которые называют осколками деления* (рис. 26.1).

* В 1945 г. за открытие расщепления тяжелых атомных ядер О. Ган получил Нобелевскую премию по химии.

Рис. 26.1. Схема деления ядра Урана. Поглощая нейтрон (а), ядро Урана возбуждается и приобретает вытянутую форму (б); постепенно растягиваясь (в), новое неустойчивое ядро распадается на два осколка (г)

Рассматривая схему на рис. 26.1, вы, наверное, обратили внимание на то, что при расщеплении ядра Урана кроме осколков деления высвобождаются нейтроны. Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер Урана, которые, в свою очередь, тоже выпустят нейтроны, способные вызвать деление следующих ядер, и т. д. Количество расщепляющихся ядер будет быстро расти — в урановом образце будет протекать цепная ядерная реакция деления (рис. 26.2).

Рис. 26.2. Схематическое изображение цепной ядерной реакции: во время одного акта деления ядра Урана высвобождаются 2 или 3 нейтрона, благодаря которым и развивается цепная ядерная реакция

Цепная ядерная реакция сопровождается выделением колоссальной энергии. При делении одного ядра Урана выделяется всего лишь Дж энергии, но если распадутся все ядра, содержащиеся, например, в 1 моль урана (235 г урана; ядер Урана), выделившаяся энергия будет равна примерно Дж. Столько же энергии выделится, если сжечь 450 т нефти.

Строение ядерного реактора

Цепная реакция деления, происходящая в уране и некоторых других веществах, является основой для преобразования ядерной энергии в тепловую и электрическую. Вспомните: при цепной реакции непрерывно появляются все новые и новые осколки деления, движущиеся с большой скоростью. Если урановый стрежень погрузить в холодную воду, то осколки будут сталкиваться с молекулами воды и отдавать им свою энергию. В результате холодная вода нагреется или даже превратится в пар. Именно так работает ядерный реактор, в котором ядерная энергия преобразуется в тепловую.

Ядерный реактор — устройство, предназначенное для осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления, которая всегда сопровождается выделением энергии.

В ядерных реакторах (рис. 26.3) ядерное топливо (уран или плутоний) размещают внутри так называемых тепловыделителъных элементов (ТВЭЛов). Продукты деления нагревают оболочки ТВЭЛов, и те передают тепловую энергию воде, которая в данном случае является теплоносителем. Полученная энергия преобразуется в электрическую (рис. 26.4) подобно тому, как это происходит на обычных тепловых электростанциях.

Рис. 26.3. Схема устройства ядерного реактора

Рис. 26.4. Принцип работы атомной электростанции

Чтобы управлять цепной ядерной реакцией и исключить вероятность взрыва, используют регулирующие стержни, изготовленные из материала, который хорошо поглощает нейтроны. Так, если температура в реакторе увеличивается, стержни автоматически углубляются в промежутки между ТВЭЛами. В результате количество нейтронов, вступающих в реакцию, уменьшается и цепная ядерная реакция замедляется.

Термоядерная реакция

Вы уже знаете, что в результате деления тяжелых ядер образуются элементы средней части Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и выделяется энергия (рис. 26.5, а). Эту энергию называют ядерной, ведь она «скрыта» в ядре атома. Если бы нам «вздумалось» снова соединить осколки деления, нужно было бы затратить такую же энергию.

А вот если взять ядра изотопов легких элементов, например ядро Дейтерия и ядро Трития, то в результате их соединении энергия будет выделяться* (рис. 26.5, б).

Данное свойство объясняется разной удельной энергией связи атомных ядер, о которой вы узнаете, изучая физику в старшей школе.

Рис. 26.5. Распад тяжелых ядер (а) и синтез легких ядер (б) сопровождаются выделением энергии

Реакцию слияния легких ядер в более тяжелые, которая происходит при очень высоких температурах (свыше °С) и сопровождается выделением энергии, называют термоядерным синтезом.

Высокие температуры, то есть большие кинетические энергии ядер, нужны для того, чтобы преодолеть силы электрического отталкивания ядер (одноименно заряженных частиц). Без этого невозможно сблизить легкие ядра на такие расстояния, на которых начинают действовать ядерные силы притяжения.

В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд, где изотопы Гидрогена преобразуются в Гелий (см. рис. 26.5, б). Так, в результате термоядерных реакций, протекающих в недрах Солнца, оно ежесекундно излучает в космическое пространство Дж энергии. Это колоссальная энергия: чтобы получить столько энергии, нужно сжечь в тысячу раз больше угля, чем содержат все известные запасы на Земле.

Термоядерные реакции — это практически неисчерпаемый источник энергии. Физики уже научились создавать условия для возникновения таких реакций, а вот их использование в промышленном масштабе пока остается на уровне экспериментов.

Пример №6

Определите массу Урана-235, расходуемого за сутки реактором атомной электростанции, если выходная электрическая мощность соответствующего блока электростанции равна 1000 МВт, а его КПД — 30 %. Масса одного ядра Урана-235 равна кг, а при каждом делении выделяется Дж энергии.

Анализ физической проблемы, поиск математической модели

Для решения задачи воспользуемся определением

Здесь — электрическая энергия, которую вырабатывает блок атомной электростанции за сутки: (время выражено в секундах); — полная энергия, выделяющаяся в реакторе: где — энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра, — количество распавшихся ядер. Количество ядер Урана-235 выразим через массу Урана-235 в топливе и массу одного ядра

Дано:

Найти:

Решение

По определению где

Подставим выражения для определения и в формулу КПД:

Из последней формулы найдем массу ядерного топлива:

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Ответ:

Даже один блок атомной электростанции вырабатывает энергии больше, чем потребляет крупный город. Действительно, за сутки блок атомной электростанции вырабатывает: энергии, а, например, Киев в летние месяцы потребляет в сутки всего лишь 300 МВт ч.

Подводим итоги

Поглощение нейтрона ядром Урана может вызвать распад ядра. Эта реакция сопровождается высвобождением нейтронов, содержащихся в ядре, а те, в свою очередь, могут вызвать деление других ядер Урана — будет происходить цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением огромной энергии. Процесс преобразования ядерной энергии в тепловую происходит в ядерных реакторах — устройствах, предназначенных для проведения управляемой цепной ядерной реакции деления.

Выделением энергии сопровождается и процесс синтеза некоторых легких ядер. Такую реакцию называют термоядерной, поскольку для ее начала необходима очень высокая температура. Термоядерные реакции синтеза происходят в недрах звезд. Сейчас ученые работают над созданием термоядерных реакторов — устройств для получения энергии за счет реакции термоядерного синтеза легких ядер, протекающей в плазме при очень высоких температурах (свыше

«Физика атома и атомного ядра. Физические основы атомной энергетики»

1. Изучая раздел IV, вы вспомнили строение атома и атомного ядра, узнали о ядерных силах.

2. Вы узнали, как было открыто явление радиоактивности, выяснили природу радиоактивного излучения.

3. Вы ознакомились с физическими величинами, характеризующими радиоактивное излучение, радионуклиды и радиоактивные образцы.

4. Вы выяснили, что вследствие поглощения нейтрона тяжелым ядром может произойти самопроизвольное деление ядра, сопровождающееся выделением энергии, и что реакция синтеза легких ядер тоже сопровождается выделением энергии.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ	ТЕРМОЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
реакция деления тяжелых ядер, в ходе которой непрерывно выделяются нейтроны, вызывающие деление новых тяжелых ядер	реакция слияния легких ядер, происходящая при очень высоких температурах
Ядерный реактор	Энергия Солнца и звезд

Физика атома и атомного ядра

Все электрические явления - электризация тел при трении, возникновение электрического тока в металлах и полупроводниках, газах и электролитах -убедительно свидетельствуют о том, что электрически заряженные частицы входят в состав атомов, а следовательно, и в состав всех веществ.

Важную роль в понимании природы атома сыграл периодический закон, открытый в 1868 г. Дмитрием Менделеевым, свидетельствующий о сложности строения атомов элементов. В курсе химии вы изучали этот закон: свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от заряда их атомных ядер - и широко использовали данный закон для объяснения свойств химических элементов и химических явлений.

Джозеф Томсон открыл электрон еще в 1897 г. Исходя из представлений об электронейтральности атома, ученый создал модель: атом состоит из положительно заряженного шара, заряд которого равномерно распределен по всему объему, и отрицательно заряженных электронов, размещенных в этом объеме. Модель была похожа на кекс с изюмом (рис. 244).

Исходя из модели атома Томсона, можно было объяснить явления ионизации атомов, электролиза, периодическую систему элементов, но она не давала возможности объяснить электромагнитные и оптические явления, результаты опыта Резерфорда и явление радиоактивности, которые будут описаны ниже.

Немецкий физик Филипп Ленард в 1903 г. предложил модель «пустого» атома, внутри которого летают никем не установленные (ни ранее, ни теперь) нейтральные частицы, состоящие из взаимно уравновешенных положительных и отрицательных зарядов. Ученый назвал эти несуществующие частицы динамидами.

Проблемой строения атома занимались выдающиеся мировые ученые Эрнест Резерфорд, Ханс Гейгер, Александр Лебедев, Нильс Бор и др. Наиболее важную роль для понимания строения атома сыграли опыты Резерфорда. Он знал, что электрон в 2000 раз легче атома Гидрогена. Атом электронейтрален. Следовательно, именно на положительный заряд приходится вся его масса.

Если выяснить, как распределен положительный заряд, то станет ясно, как распределена масса атома. Ученый приходит к мысли о бомбардировке атома а-частицами, имеющими массу приблизительно в 7300 раз больше массы электрона. Их положительный заряд в два раза больше по модулю заряда электрона (это дважды ионизированные атомы Гелия), а скорость их движения равна приблизительно 15 000 км/с.

Рассмотрим экспериментальную установку Резерфорда (рис. 245, а). На столе 5, вращающемся вокруг вертикальной оси, в вакууме размещался свинцовый контейнер 1 с источником а-частиц; в центре стола -

золотая фольга 2; на краю стола - неподвижные экран 3 из цинк сульфида (ZnS) и микроскоп 4.

а-частица - это своего рода «снаряд» атомного мира, который можно направить на слой вещества, чтобы исследовать, как оно будет влиять на траекторию частицы. Сплошные атомы Томсона должны были бы тормозить частицы и не пропускать их дальше. Чтобы частица встретила как можно меньше атомов, на ее пути следует установить как можно более тонкую пластинку. Самую тонкую фольгу можно получить из золота. Те частицы, которые пройдут сквозь фольгу, вызовут сцинтциляции (световые вспышки) на экране, которые будут зафиксированы глазом с помощью микроскопа.

Если в установке достигнут высокий вакуум и нет фольги, то на экране появляется светлое пятно, образованное свечениями, вызванными тонким пучком а-частиц. Если на пути а-частиц установить золотую фольгу, то они будут рассеиваться, а пятно - размываться на большую площадь. Почти все частицы свободно проходят сквозь фольгу и практически не отклоняются от прежней траектории, лишь 2-3 % из них рассеиваются, отклоняясь на несколько градусов от начального направления.

Во время продолжительных наблюдений ученик Резерфорда изредка замечает вспышки, соответствующие значительным отклонениям а-частиц от начального направления движения после прохождения сквозь фольгу.

В поисках ответа на вопрос, почему резко отклоняются одиночные а-частицы, Резерфорд предлагает исследовать, бывают ли частицы, которые, отражаясь от фольги, рассеиваются на углы, больше 90°, а то и на все 180°? И такие одиночные частицы - одна из тысячи - бывают (рис. 245, б). Этот факт казался непонятным.

Выясним, по каким причинам а-частица может изменить направление полета: а-частица имеет массу и заряд, поэтому на нее могут действовать как сила тяготения, так и кулоновская сила. Известно, что электрические силы взаимодействия заряженных частиц значительно превосходят силы тяготения между ними. Например, электрическая сила взаимодействия а-частицы с протоном или электроном в 10 раз превышает силу тяготения между а-частицей и массивным атомом Плюмбума. Это означает, что во взаимодействии а-частиц с атомами фольги роль сил тяготения незначительна, и ими можно пренебречь. Следовательно, отклонение а-частицы от начального направления полета обусловлено действием электрически заряженных частиц, содержащихся внутри атомов.

Какие же это частицы? Как они размещены в атомах? Ответы на эти вопросы и должны были дать опыты Резерфорда. Очевидно, что заряженная частица, отклоняющая а-частицу на большой угол, не может быть электроном. Ведь масса электрона приблизительно в 7300 раз меньше массы а-частицы. Поскольку столкновения с электронами не изменяют направления движения а-частиц, то их отклонения на большие углы обусловлены взаимодействием не с электронами, а с положительно заряженными частицами. Но в «сплошном» атоме в модели Томсона электрическое поле положительного заряда недостаточно сильное, чтобы отклонить быструю и массивную а-частицу на большой угол.

Результаты опытов Резерфорда свидетельствуют, что хотя атомы в твердом теле очень плотно прилегают друг к другу, подавляющее большинство а-частиц пронизывают, почти не отклоняясь, несколько тысяч атомов. Отсюда ученый сделал вывод, что атомы почти пустые, и только в центре их есть положительно заряженное ядро размером порядка 10-lj м. Из опытов также следует, что в ядре сосредоточена почти вся масса атома. Значит, масса положительно заряженного ядра, с которым сталкивается а-частица, отклоняющаяся на угол, близкий к 180°, значительно превышает массу самой а-частицы (рис. 245, б).

Опыты Резерфорда вместе с установлением ядерной структуры атома свидетельствуют еще и о высокой «прочности» атомных ядер, не разрушающихся даже при лобовых столкновениях с а-частицами.

В мае в 1911 г. Резерфорд печатает статью в «Философском журнале», в которой высказывает мысль о планетарной модели атома.

Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного массивного ядра, размером порядка 10-15 м. Вокруг ядра движутся электроны, образуя так называемую электронную оболочку атома (рис. 246). Заряд ядра по значению равен модулю суммарного заряда всех электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (99,95 %).

Планетарная модель атома хорошо объясняла результаты опытов по рассеиванию а-частиц веществом. Исходя из этой модели английский физик Генри Мозли на основе результатов своих опытов установил, что заряд атомного ядра равен произведению порядкового номера Z элемента в таблице Менделеева и элементарного электрического заряда е:

где

Порядковый номер химического элемента Z (зарядовое число) определяет количество протонов в ядре и тем самым - количество электронов вокруг ядра.

ЭТО ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ

Ханс Гейгер, коллега и ученик знаменитого физика Эрнеста Резерфорда, упоминая как-то о важном событии в истории физики, происшедшем в первых числах 1911 г., написал в письме к другому ученику своего учителя - Джеймсу Чедвику: «Однажды Резерфорд вошел в мою комнату, очевидно, в прекрасном настроении и сказал, что теперь он знает, как выглядит атом...». Резерфорд утвердился в планетарной модели атома на основе результатов своих опытов, но ему было известно, что сам Эйнштейн дважды приходил к мысли о планетарном строении атома и не осмеливался это опубликовать. Еще за 10 лет до эт

Протонно-нейтронная модель ядра атома и ядерные силы

!Вам уже известно, что ядро атома - это центральная, положительно заряженная часть атома, в которой сконцентрирована почти вся его масса. Заряд этой сердцевины атома равен модулю суммарного заряда электронов оболочки, вследствие чего атом в целом электронейтрален. Линейные размеры разных ядер неодинаковы. Они находятся в пределах от что враз меньше поперечного размера самого атома. Ядерное вещество имеет чрезвычайно большую плотность - Масса чайной ложки, наполненной только ядрами, составляла бы сотни миллионов тонн.

Убедившись, что атом не является «неделимым», физики старались установить, из каких «кирпичиков» он состоит, то есть найти структурные элементы материи, внутреннее строение которых на данный момент неизвестно и которые назвали элементарными частицами. Электрон - первая из известных элементарных частиц, структура атомного ядра еще не была установлена.

В 1913 г. Резерфорд предположил, что ядро атома Гидрогена является элементарной частицей, которую назвали протоном и которая входит в состав других атомных ядер. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально в 1919 г., когда в опытах обнаружили отдельные протоны.

Масса протона в 1840 раз больше массы электрона, его электрический заряд по значению такой же, как у электрона, но положительный. У сле-
 

дующего элемента - Гелия - ядро в четыре раза тяжелее ядра Гидрогена, а у последнего природного элемента Урана - в 238 раз. Массовое число А является ближайшим целым числом к значению относительной атомной массы химического элемента, для Урана А = 238. Но зарядовое число для Урана Z = 92, то есть в его состав входят 92 протона, и остальная масса ядра должна приходиться еще на какие-то частицы.

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик на опыте установил, что неизвестное излучение с большой проникающей способностью, которое наблюдали он и другие ученые, является потоком нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Существование такой частицы еще в 1920 г. предполагал Резерфорд, ее назвали нейтроном. В том же году Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома, в дальнейшем подтвержденную всеми исследованиями.

Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтронов -нуклонов. Количество нейтронов N в ядре химического элемента равно разности между массовым и зарядовым числами, то есть:

N = А - Z.

Ядра атомов обобщенно называют нуклидами.

Нуклиды обозначают символом химического элемента с указанием значений массового числа А сверху и зарядового числа Z внизу с левой стороны Например, - ядро атома Гидрогена, - ядро атома Гелия (а-частица), - ядро атома Урана.

Но как удерживаются в ядре одноименно заряженные частицы? Что удерживает нуклоны в ядре?

Ведь электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре должны обусловить их разлет в разные стороны. Но протоны не только не разлетаются, а еще и противодействуют попыткам разрушить ядро. Ученые выяснили, чтобы расщепить ядро, следует сообщить бомбардирующим частицам значительную энергию.

Силы, удерживающие частицы в ядре, называют ядерными силами.

Ядерные силы являются короткодействующими, в отличие от дально-действующих электромагнитных сил и сил тяготения. Радиус действия ядерных сил приблизительно равен м, то есть размеру нуклонов. На этих расстояниях ядерные силы притяжения в сотни раз превышают электрические силы отталкивания между протонами. О ядерных силах образно говорят, что это - «богатырь с очень короткими руками».

Ядерные силы зарядонезависимы, это свойство проявляется в том, что протон с протоном взаимодействуют так же, как и протон с нейтроном.

Ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям, для расщепления ядра необходима значительная энергия, поэтому ядра очень «прочные». Наименьшее значение энергии, при котором происходит расщепление ядра на составляющие частицы, может быть мерой энергии связи ядра, то есть его «прочности». Ядра химических элементов имеют разную «прочность». Слабее всего связаны частицы в ядрах легких элементов, расположенных в начале периодической системы элементов. Энергия связи быстро растет с увеличением количества частиц в ядре, возрастает и «прочность» ядер,
 

достигая максимума для ядер Феррума и близких к нему элементов. Однако, поскольку ядерные силы являются короткодействующими, то, начиная с некоторого элемента, связь между нуклонами не увеличивается, хоть их количество в ядре возрастает. Вот почему «прочность» ядер элементов средней части периодической системы элементов почти одинакова. В ядрах тяжелых элементов возрастает роль электрических сил отталкивания. Именно эти силы и «расталкивают» все, даже самые отдаленные, протоны ядра, делают их менее «прочными». Следовательно, становится понятным поведение последнего среди природных элементов - Урана, ядра которого являются радиоактивными, неустойчивыми именно из-за значительной роли электрических сил. Остальные элементы, расположенные после Урана, в природе вовсе не встречаются, их получают искусственно.

В ядре атома сосредоточена огромная энергия взаимодействия составляющих частиц, она в миллионы раз превышает энергию взаимодействия электронов с ядром в атомах, которая может выделяться при химических реакциях. Позже вы узнаете, что вследствие описанных выше свойств ядер элементов во время ядерных превращений можно добиться выделения значительной энергии при синтезе (слиянии) легких ядер или при делении (расщеплении) тяжелых ядер Урана, Плутония и т. д.

Изотопы и их использование

Изотопы. Такое название ученые присвоили атомам, занимающим в таблице Менделеева одно и то же место, но отличающимся между собой атомной массой. Ведь в переводе с греческого isos значит «одинаковый», а topos - «место».

Изотопы — это разновидности атомов химических элементов, ядра которых содержат одинаковое количество протонов и неодинаковое число нейтронов.

Например, у элемента Гидрогена три изотопа: Протий - Дейтерий -и Тритий - (рис. 247, а).

Ядро Протия состоит из единственного протона, Дейтерий имеет два протона, а Тритий - два нейтрона. Природный элемент Оксиген имеет три изотопа:(рис. 247, б). Самым распространенным в природе является изотоп Оксигена доля которого составляет 99,759 %.

Физико-химические свойства изотопов почти одинаковы, так как они определяются строением электронных оболочек атомов, а в атомах изотопов электронная оболочка одинакова. Однако, используя некоторые различия в свойствах изотопов, ученые научились отделять один изотоп от

другого, обогащать химический элемент тем или иным изотопом. Все элементы периодической системы элементов имеют изотопы - стабильные или радиоактивные, природные или полученные искусственно.

Радиоактивные изотопы широко применяются в разных областях науки, техники и производства. По своим химическим свойствам радиоактивный изотоп ничем не отличается от основного изотопа химического элемента. Поэтому, наблюдая за движением изотопов, можем точно исследовать, как проявляет себя химический элемент в различных процессах.

С помощью изотопов контролируют металлургические процессы, следят за состоянием доменных и мартеновских печей. Так, применяя радиоактивный фосфор, можно быстро узнать во время плавки, насколько полно прошла очистка металла от фосфора - одной из вредных примесей. Раньше химический анализ на содержание фосфора длился около 30 мин, и все время металл сверх нормы выдерживался в мартеновской печи, снижая ее производительность. С помощью изотопов степень очистки металла определяют очень быстро. Для этого надо лишь измерить радиоактивность шлака, в который перешел фосфор. Следовательно, время плавки значительно сокращается. Чтобы выяснить степень износа домны, в ее стенку на определенную глубину помещают небольшое количество радиоактивного изотопа. После того как домна начала работать, пробы металла из каждой плавки проверяют на радиоактивность. Наличие радиоактивных атомов в чугуне является четким признаком износа домны. Следовательно, не надо прерывать работу печи с целью проверки состояния стенок домны, достаточно лабораторного контроля.

Хорошо известно, как изменяются свойства железа в зависимости от содержимого в нем углерода. Ведь железо, сталь и чугун отличаются лишь содержимым последнего. Химический метод определения процентного содержания углерода в железе продолжителен и кропотлив. Вместо него пробу железа облучают быстрыми протонами. При этом углерод превращается в радиоактивный азот. По радиоактивности азота и определяют содержание углерода.

Методом радиоактивных изотопов исследуют также скорость износа подшипников. Медные детали подшипника облучают нейтронами, при этом атомы меди становятся радиоактивными.

Во время работы подшипника, вследствие износа вкладыша, частицы меди, а значит и ее радиоактивные атомы, переходят в смазку. Измеряя радиоактивность смазки, быстро и точно определяют степень износа подшипника. Радиоизотопы, введенные в химические соединения, являются мощным средством в руках химиков для изучения и усовершенствования технологических процессов на химических заводах, а также для контроля химических процессов без остановки, дистанционно, без вмешательства в действующий технологический процесс. Этот метод не только упрощает решение различных технологических задач, сокращает необходимые для этого время и средства. Иногда он является единственным, с помощью которого можно установить оптимальные параметры технологического процесса, а также разработать совершенную химическую аппаратуру.

Широко применяют радиоактивные изотопы и в сельском хозяйстве. С помощью меченых атомов изучают круговорот кальция и фосфора в природе с целью улучшения условий использования искусственных удобрений. Добавляя к пыльце растений радиоактивный фосфор, изучают процесс их опыления. Изотопы дают возможность проследить миграцию вредителей.

Добавляя в пищу изотопы, ученые установили, что почти все вещества, содержащиеся в организме человека, все время обновляются. Быстрее всего обновляются жиры. Радиоактивные атомы позволили определить время жизни белка в разных тканях и органах, скорость кровообращения и т. п. Они дают возможность изучать процессы, протекающие в головном мозге.

С помощью радиоактивных препаратов можно диагностировать болезни. Например, с помощью радиоактивного йода исследуют функцию щитовидной железы, с помощью радиофосфора изучают процесс и место образования опухолей в мозге. На рисунке 248 показано использование -облучения пациента с лечебной целью. Источником -лучей является изотоп

Радиоактивность и ее природа и свойства

Открытие радиоактивности в 1896 г. стало переворотом в науке. Французский физик Анри Беккерель исследовал фосфоресценцию (свечение) солей урана. Его интересовало, могут ли открытые незадолго до этого Х-лучи (рентгеновские лучи) излучаться телами, в которых наблюдается явление фосфоресценции под действием солнечного облучения. Беккерель подверг кристаллы солей урана сильному солнечному облучению и поместил их на фотопластинку, которую завернул в черную бумагу. После проявления фотопластинки на ней были видны контуры образца. «Очевидно, урановая соль испускает какие-то лучи, которые проходят сквозь бумагу и засвечивают фотопластинку. Интересно, связано ли это с фосфоресценцией?» - подумал ученый.

В пасмурный день, когда провести очередной опыт не удалось, ученый спрятал препарат в ящик. На фотопластинке, завернутой в черную бумагу, лежал медный крест, а на нем -препарат из двойного сульфата калия и урана. Проявив пластинку, Бекке-рель неожиданно увидел, что на ней образовался четкий контур креста. Значит, излучение происходит в темноте и без предварительного освещения соли урана солнечными лучами.

Необычным было то, что излучение подобно Х-лучам имеет чрезвычайную проникающую способность.

В 1898 г. Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри после продолжительной и упорной работы выделили из урановой руды новые химические элементы - Радий и Полоний (рис. 249), которые подобно Урану спонтанно (самопроизвольно) испускали невидимые лучи, но в несколько тысяч раз интенсивнее.

В 1899 г. Резерфорд исследовал прохождение лучей, открытых Беккере-лем, сквозь сильное магнитное поле и установил, что «излучение урана является сложным и образуется по крайней мере из двух разных видов». Он наблюдал, что пучок лучей, выходящий из источника, в магнитном поле расщеплялся: один из его компонентов отклонялся от начального направления в одну сторону, а другой - в противоположную. Это означало, что лучи переносят электрический заряд разных знаков. Тот, который переносил положительный заряд, отклонялся на меньший угол и сильно поглощался, он назвал a-излучением, а тот, который переносил отрицательный заряд, отклонялся на больший угол и больше проникал, - -излучением.

Важным свойством этого излучения оказалась его полная независимость от внешних условий: освещенности, температуры, давления, электрического и магнитного полей и т. п. Свойство самопроизвольно (спонтанно) испускать излучение назвали радиоактивностью, а вещества, испускающие такое излучение, - радиоактивными.

В 1900 г. французский ученый Поль Вийяр показал, что существует и третья составляющая излучения урана с очень высокой проникающей способностью, не отклоняющаяся в магнитном поле (рис. 250). Ее назвали третьей буквой греческого алфавита - -излучением. Резерфорд своими знаменитыми опытами доказал, что ос-излучение состоит из относительно тяжелых частиц, которые оказались ядрами атомов Гелия.

Электроны, летящие с большой скоростью, называют -частицами, ядра атомов Гелия - а-частицами. По своей природе -лучи подобны рентгеновским лучам, видимому свету и радиоволнам, но имеют значительно меньшую длину волны и очень большую проникающую способность.

Отличительным признаком а-частиц является их огромная энергия. Радиоактивные вещества излучают а-частицы разной определенной энергии. Чаще всего радиоактивное вещество излучает не одну, а несколько групп а-частиц, каждой из которых присущи определенные значения начальной энергии.

Пролетая сквозь вещество, а-частица постепенно теряет энергию, расходуя ее на ионизацию молекул вещества, и, в конце концов, останавливается. Чем больше плотность вещества, тем короче путь частиц до остановки. Так, в воздухе при нормальном давлении путь частицы равен нескольким сантиметрам. В твердом веществе путь частиц составляет всего несколько десятков микрон (а-частицы задерживаются обычным листом бумаги).

Излучение -частиц является потоком электронов. В отличие от а-частиц значения их энергии лежат в пределах от нуля до определенного максимального значения . Максимальная энергия является характерной постоянной для данного химического элемента.

Из-за относительно малой массы -частиц при прохождении сквозь вещество возможны отклонения их на значительный угол - рассеивание в разные стороны. Траектории -частиц в веществе очень изломанны. Однако суммарная толщина слоя, на которую -частица проникает в вещество, в десятки раз превышает пробег а-частиц.

Отсутствие отклонений в электрическом и магнитном полях, огромная проникающая способность -лучей указывали на то, что по своей природе они аналогичны рентгеновским лучам.

Проникающая способность -лучей увеличивается с уменьшением длины волны -излучения и уменьшается с ростом плотности вещества-поглотителя.

Радиоактивность — это явление спонтанного (самопроизвольного) превращения неустойчивых ядер одного элемента в ядра другого элемента, сопровождающееся излучением различных частиц и электромагнитных волн.

Природа радиоактивных излучений указывает на то, что их причиной является самопроизвольный распад атомных ядер радиоактивных элементов. При этом одни ядра испускают лишь а-частицы, другие - -частицы. Есть радиоактивные ядра, испускающие оба вида частиц. Большинство ядер одновременно испускают и -лучи и т. п.

Исследуя превращения радиоактивных веществ, ученые установили, что интенсивность излучения одних веществ уменьшается со временем быстро, других - намного медленнее. Для каждого радиоактивного вещества существует определенное время, в течение которого количество его атомов уменьшается вдвое. Этот интервал называют периодом полураспада Т.

Период полураспада — это интервал времени, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается в два раза.

Пусть в начальный момент времени (t = 0) количество радиоактивных атомов равно . Через время, равное периоду полураспада Т, число атомов будет составлять, по определению, Через время, равное двум периодам полураспада, их будет через n периодов полураспада радиоактивных атомов останется

Посколькуто

Это выражение называют законом радиоактивного распада, он устанавливает зависимость числа радиоактивных атомов вещества от времени распада. Его открыли в 1902 г. Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди.

График этой зависимости приведен на рисунке 251.

Период полураспада - физическая величина, характеризующая скорость радиоактивного распада.

Скоростью радиоактивного распада, или активностью радиоактивного вещества, называют число распадов, происходящих за единицу времени.

Из закона радиоактивного распада следует, что активность прямо пропорциональна количеству ядер или массе препарата и обратно пропорциональна периоду полураспада.

Чем меньше период полураспада, тем короче время жизни атомов, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ его значения значительно отличаются.

Ионизирующее действие радиоактивного излучения

При работе на ядерных установках и с радиоактивными препаратами, использующимися в разных областях науки и техники (дефектоскопия в машиностроении, радиоактивные приборы для контроля толщины, уровня жидкости, лучевые датчики, устройства для автоматизации производственных процессов, применение излучений в медицине, добыча и переработка урановых руд и т. п.), человек подвергается внешнему радиоактивному облучению.

Ионизирующим называют излучение, которое при взаимодействии с веществом вызывает ионизацию составляющих его атомов и молекул, то есть превращает нейтральные атомы или молекулы в ионы.

К известным вам видам ионизирующего излучения -излуче-ние, рентгеновские лучи) принадлежат потоки нейтронов, протонов и т. п. Когда излучение проходит через вещество, атомы и молекулы, из которых оно состоит, ионизируются. Вследствие возбуждения молекул в живом организме, их функции могут нарушаться. В случае ионизации атомов живой клетки она повреждается. Электроны, входящие в состав атомов или молекул среды, отрываются от них и могут перемещаться по всему веществу. Например, при облучении увеличивается степень диссоциации молекул воды на ионы Гидрогена и гидроксид-ионы.

Ионы и радикалы, образующиеся в тканях организма под действием излучения, начинают взаимодействовать с другими молекулами. Продукты вторичных реакций, в свою очередь, реагируют с новыми молекулами, вследствие чего состав веществ в тканях изменяется. Состав соединений, регулирующих деятельность организма, изменяется, и в зависимости от интенсивности облучения могут возникнуть так называемые лучевая болезнь, раковые опухоли, лейкемия (белокровие) и т. п.

Нейтроны непосредственно ионизации не вызывают, но, вступая в реакцию с различными тканями тела человека, служат причиной возникновения вторичного ионизирующего излучения.

Любые изменения в облученном объекте, вызванные ионизирующим излучением, называют радиационно индуцированным эффектом.

В зависимости от уровня биологической организации живого вещества радиобиологи различают следующие виды биоповреждений ионизирующим излучением: молекулярный - повреждения молекул ДНК, РНК, ферментов; отрицательное влияние на процессы обмена; субклеточный -повреждения биомембран и составляющих элементов клеток; клеточный -торможение и прекращение деления клеток и частичное преобразование их в злокачественные; тканевый - повреждение наиболее чувствительных тканей и органов (например, красный костный мозг); организменный -заметное сокращение продолжительности жизни или быстрая гибель организма; популяционный - изменение генетических характеристик у отдельных индивидов.

Для количественной характеристики действия ионизирующего излучения на окружающую среду введены следующие физические величины и их единицы.

Основную физическую величину, характеризующую радиоактивный источник, называют активностью А:

где N - число радиоактивных распадов; t - время распада. В СИ за единицу активности принят один беккерель (1 Бк). Активности 1 беккерель соответствует один распад в секунду. Исторически первым веществом, на котором изучали закон радиоактивного распада, был радий-226. В одном грамме радия происходит распадов в секунду. Поэтому в практической дозиметрии и радиационной физике пользуются и другой единицей активности - 1 кюри (1 Ки):

Принято считать, что изменения, происходящие в облученном веществе, определяются поглощенной энергией радиоактивного излучения.

Поглощенной дозой излучения D называют отношение поглощенной дозы энергии Е к массе m облученного вещества:

За единицу поглощенной дозы излучения принят 1 рад (англ, radation absorbed dose - «поглощенная доза излучения»).
1 рад — это доза, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия
В СИ поглощенная доза излучения определяется в греях (Гр).
1 грей равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

Однако, если бы даже удалось измерить поглощенную дозу излучения непосредственно в живой ткани, несмотря на сложность, ценность этих измерений была бы невелика, поскольку одинаковая энергия различных частиц вызывает неодинаковый биологический эффект. Поэтому для медицинской диагностики используют способность рентгеновских лучей, проходящих сквозь ткани организма, ионизировать также тканеэквивалентное вещество - воздух. Измерение степени этой ионизации привело к появлению дозиметрической величины -экспозиционной дозы как меры ионизирующего действия на воздух.

Экспозиционная доза — количественная характеристика и рентгеновского излучений, которая характеризует их ионизирующее действие и определяется суммарным электрическим зарядом ионов одного знака, образованных в единице массы воздуха:
где q - заряд образованных ионов; m - масса воздуха.

Единицей экспозиционной дозы является один кулон на килограмм (1 Кл/кг). При такой экспозиционной дозе вследствие ионизирующего действия излучения на воздух и мягкие ткани в 1 кг сухого воздуха при нормальных условиях образуются ионы каждого знака, имеющие заряд 1 Кл.

Эта единица дала возможность связать поглощенную энергию с ионизирующим и биологическим эффектами. В практической дозиметрии используют экспозиционную дозу излучения - один рентген (1 Р).

Один рентген — это такая экспозиционная доза рентгеновского или у-излучения, при которой в 1 сухого воздуха при О°С и давлении 760 мм рт. ст. образуются ионы, имеющие заряд каждого знака, равный Кл.

Экспозиционная доза практически удобна, поскольку ионизацию воздуха легко измерить с помощью дозиметра. Можно использовать связь между внесистемной (1 Р) и системной (Кл/кг) единицами:

1 рад = 1,1 Р.

При дозе 1 Р образуется приблизительно 2,08 • пар ионов.

Отметим, что в воздухе и мягких тканях организма человека одинаковые экспозиционные дозы рентгеновского или излучений создают приблизительно одинаковое количество ионов в 1 . Поэтому можно оценивать поглощение энергии мягкими тканями не по поглощенной дозе излучения (£>), а по эквивалентной дозе

Эквивалентная доза — это поглощенная доза, умноженная на коэффициент К, отображающий способность излучения определенного типа оказывать действие на ткани организма:

Коэффициент К называют относительной биологической эффективностью (ОБЭ), или коэффициентом качества. Для рентгеновского,-из-лучений К = 1, для тепловых нейтронов К = 5, для быстрых нейтронов и протонов К = 10, для а-частиц К = 20.

Единицей эквивалентной дозы в СИ является один зиверт (1 Зв), в честь шведского радиобиолога Рольфа Зиверта. 1 Зв =  для рентгеновского,-излучений.

Надо учесть и то, что различные части тела имеют разную чувствительность к облучению. Из-за этого дозы облучения органов и тканей необходимо рассчитывать с разными коэффициентами радиационного риска (рис. 252).

Умножив эквивалентные дозы на соответствующие коэффициенты радиационного риска для всех органов и тканей и сложив их, получим значение эффективной эквивалентной дозы, отображающей суммарный эффект облучения организма. Эффективная эквивалентная доза введена Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ). Ее единицей в СИ является также один зиверт (1 Зв).

Сложив индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, определим коллективную эффективную эквивалентную дозу. Ее единицей в СИ является один человеко-зиверт.

Однако возникает необходимость еще в одном определении, поскольку многие радиоактивные нуклиды (атомы с определенными характеристиками) распадаются довольно медленно и надолго остаются радиоактивными.

Коллективную эффективную дозу, которую получат многие поколения людей от радиоактивного источника в течение всего времени его дальнейшего существования, называют ожидаемой (полной) коллективной эффективной эквивалентной дозой.

Проблемы биологического влияния ионизирующих излучений на живые организмы и установление значений безопасных доз облучения тесно связаны с существованием естественного радиационного фона на поверхности Земли. Дело в том, что в любом месте на поверхности Земли, под землей, в воде, в атмосферном воздухе и в космическом пространстве имеются ионизирующие излучения различных видов и разного происхождения. Эти излучения существовали, когда еще не было жизни на Земле, они есть и сейчас, будут и в дальнейшем. В условиях существования естественного радиационного фона на Земле возникла жизнь, которая прошла эволюционный путь до нынешнего состояния. Поэтому можно с уверенностью сказать, что дозы облучения, близкие к уровню естественного фона, не представляют серьезной опасности для живых организмов.

Чем же обусловлено существование естественного радиационного фона и каково значение фоновой дозы облучения?

В большинстве мест на Земле значительная часть дозы естественного фона обусловлена внешним облучением, создаваемым излучением естественных радиоактивных изотопов земной коры - Урана, Тория, Калия и других элементов. Интенсивность дозы внешнего облучения зависит от типа пород земной коры в данной местности, от материалов, из которых построены дома. Наибольшую радиоактивность имеют гранитные породы и стены каменных домов, наименьшую - стены деревянных домов. Доза внешнего фонового излучения колеблется в большинстве мест от 0,3 до 0,6 мЗв в год.

На Земле есть местности, в которых почвы содержат большое количество Урана и Тория, поэтому уровень внешнего облучения в них может достигать 8-15 мЗв в год. Среднее значение эквивалентной дозы от внешнего фонового излучения можно принять равным 0,4 мЗв в год.

Второй источник облучения - космическое излучение. Космическим излучением у поверхности Земли (вторичное космическое излучение) называют поток излучения и быстрых заряженных частиц, возникающих в атмосфере под действием первичного космического излучения, которое состоит в основном из протонов, приходящих из космоса. Земная атмосфера эквивалентна десятиметровому слою воды, поглощает большую часть космического излучения и надежно защищает все живое на Земле от его действия. На уровне моря доза облучения равна 0,3 мЗв в год. При подъеме в верхние слои атмосферы интенсивность потока космического излучения возрастает. На высоте 3000 м над уровнем моря она увеличивается почти в три раза.

Кроме внешнего облучения, каждый живой организм подвергается внутреннему облучению. Оно обусловлено тем, что с пищей, водой и воздухом в организм попадают различные химические элементы, имеющие естественную радиоактивность: Карбон, Калий, Уран, Торий, Радий, Радон. Количество этих элементов в организме человека зависит от потребляемой пищи. В целом среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленного природными радиоактивными изотопами, попадающими в организм человека с пищей и водой, равно приблизительно 0,3 мЗв в год.

Значительную долю дозы внутреннего облучения в большинстве мест на Земле составляет радиоактивный Радон и продукты его распада, попадающие в организм человека при дыхании. Радон постоянно образуется в почве повсюду на Земле. Это инертный газ, поэтому в почве он не удерживается и постепенно выходит в атмосферу. Концентрация Радона повышается в закрытых непроветриваемых помещениях, особенно она высока в подвальных помещениях, в нижних этажах домов, близких к почве. В большинстве домов удельная активность Радона и продуктов его распада близка к 50 , это приблизительно в 25 раз выше среднего уровня удельной активности атмосферного воздуха вне домов.

Среднее значение годовой эквивалентной дозы облучения, обусловленной Радоном и продуктами его распада, равно 1 мЗв. Это приблизительно половина средней годовой дозы облучения, которую получает человек от естественных источников радиации. Следовательно, среднее значение эквивалентной дозы облучения, обусловленной естественным радиационным фоном, равно приблизительно 2 мЗв в год.

В наше время все люди на Земле подвергаются действию ионизирующего излучения не только естественного, но и искусственного происхождения. Искусственными источниками радиации, созданными человеком, являются рентгеновские диагностические и терапевтические установки, средства автоматического контроля и управления, использующие радиоактивные

изотопы, ядерные энергетические и исследовательские реакторы, ускорители заряженных частиц и разные высоковольтные электровакуумные приборы, отходы тепловых и атомных электростанций, продукты ядерных взрывов.

Из всех искусственных источников ионизирующего излучения больше всего влияют на человека источники рентгеновского излучения, используемые в медицине. Средняя эквивалентная доза, получаемая человеком за год в промышленно развитых странах, равна приблизительно 1 мЗв, то есть около половины дозы естественного фона.

При работе с радиоактивными источниками существует радиационная опасность, и она очень коварна, поскольку тяжелые, часто неисправимые патологические изменения в организме наступают под воздействием излучения без малейших субъективных признаков, сигнализирующих об опасности. Эти изменения накапливаются в организме и могут проявиться спустя очень большое время (десятилетия) после облучения, когда лечение оказывается запоздалым. Поэтому легкомысленное отношение к радиации абсолютно недопустимо.

Уменьшить поглощенную дозу излучения (защита от излучения) при работе с источниками радиации можно следующими мероприятиями и требованиями.

«Защита расстоянием» - с увеличением расстояния от точечного источника радиации интенсивность излучения и поглощенная доза уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния.

«Защита временем» - чем меньше время пребывания в зоне действия излучения, тем меньше поглощенная доза.

Установление защитных экранов, поглощающих излучение. Степень экранирования зависит от проникающей способности различных типов излучения.

Обязательное знание и выполнение персоналом правил безопасности во время работы в зоне действия излучения, а также информирование персонала и населения о наличии опасности радиоактивного облучения или загрязнения.

На рисунке 253, а показан основной знак радиационной опасности, а на рисунке 253, б - введенный в 2007 г. дополнительный знак радиационной опасности. Обычно такими знаками обозначают транспортные средства для перевозки радиоактивных веществ, тару для их хранения и транспортировки, места хранения радиоактивных веществ, рабочие зоны, в которых есть радиация, за-Рис. 253    грязненные участки территории и т. п.

Дозиметры и биологическое действие радиоактивного излучения

Для контроля за облучением используют дозиметрические приборы. В помещениях для работы с излучениями устанавливают дозиметры — приборы для измерения доз излучения в данном месте помещения, их часто обеспечивают устройством, автоматически подающим звуковой или световой сигнал, если доза излучения превышает допустимое значение. Каждый человек при работе с радиоактивными веществами должен иметь при себе контрольный прибор, показывающий дозу, полученную им в течение рабочего дня. С этой целью в специальные кассеты вкладывают кусочки фотопленки и заряженную кассету кладут в карман. В конце рабочего дня (или недели) пленки проявляют и по степени ее почернения определяют полученную дозу. В качестве карманных дозиметров используют также интегрирующие ионизационные камеры, напоминающие по форме авторучку.

В Украине бытовые дозиметрические приборы начали выпускать после аварии на Чернобыльской АЭС. Дозиметрические приборы подразделяют по назначению на индикаторы - простые приборы для обнаружения излучения и приблизительной оценки его интенсивности («Рось», «СОЭКС» и т. п.); рентгенометры - предназначены для измерения дозыизлучения («Стриж-Ц», «ДП» и т. и.); радиометры - универсальные приборы, которые могут измерять дозы основных видов излучения, активность образцов почвы и пищевых продуктов, радиоактивное загрязнение поверхностей («ТЕРРА», «СТОРА», «Бета» и т. п.).

Отметим, что лишь радиометры со свинцовыми камерами (например, радиометр «Бета») дают достоверные значения измерений. Работа дозиметрических приборов основывается на физических методах регистрации ионизирующего излучения.

На рисунке 254 показаны дозиметры разных типов.

Поскольку радиоактивное излучение вредно влияет на живые клетки, то необходимо организовывать защиту от него. Для этого надо иметь конкретные сведения о действии радиоактивного излучения и радиоактивных осадков на человека и окружающую среду.

С этой целью Генеральная Ассамблея ООН в декабре 1955 г. создала Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) для оценки в мировом масштабе доз облучения, их эффекта и связанного с ним риска.

С учетом проведенных исследований установлены предельно допустимые дозы облучения. Для населения любого возраста, независимо от места проживания, предельно допустимая доза облучения равна 0,05 Гр в год. Доза общего облучения человека 2 Гр приводит к лучевой болезни, б Гр и больше - почти всегда смертельна.

Для снижения дозы облучения вокруг источников радиоактивного излучения размещают биологическую защиту из веществ, сильно поглощающих излучение. Самым простым методом защиты является удаление от источников излучения на достаточное расстояние. Если это невозможно, то для защиты от излучения используют препятствия из поглощающих материалов, поскольку а-частицы имеют малые длины пробега. -активные источники, даже малой активности, необходимо экранировать, например слоем пластмассы или специального стекла, содержащих свинец.

Для защиты от излучения нужна более мощная защита, как правило, свинцовые контейнеры. Работы с радиационными отходами проводятся с помощью манипуляторов в специальных камерах (рис. 255).

Для защиты от особенно мощных источников излучения (работающие реакторы, ускорители и т. п.) сооружают бетонные стены необходимой толщины.

Радиоактивные вещества могут попасть в организм при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными элементами, с загрязненными пищевыми продуктами или водой, через кожу. Вероятность попадания твердых частиц в органы дыхания зависит от их размеров. Частицы размерами более 5 мкм почти все задерживаются в носовой полости.

Если радионуклиды, попавшие в организм, однотипны с элементами, употребляемыми человеком с пищей, то они делятся на те, которые усваиваются организмом, то есть становятся его частью, и те, которые долго не задерживаются в организме и выводятся естественным путем.

Одни радиоактивные вещества, попадая в организм, распределяются в нем более или менее равномерно, другие - концентрируются в определенных внутренних органах. Элементы, химически связанные с тканями организма, очень медленно выводятся из него.

Чтобы в какой-то мере защитить организм от радиации, применяют вещества-оксиданты, являющиеся радиопротекторами (защитниками), но их необходимо употреблять до облучения. Организация постоянного медицинского контроля среди населения, соблюдение правил гигиены в местах проживания и личной гигиены значительно снижают риск для здоровья человека.

Биологическое действие радиации на организм человека можно оценить по результатам испытаний атомного оружия в атмосфере, а также радиационных катастроф, которые пережило человечество. Первой катастрофой был взрыв двух атомных бомб над городами Хиросимой и Нагасаки в 1945 г. В Японии людей, пострадавших от атомных взрывов, называют хибакуся. Одной из катастроф стал взрыв четвертого энергетического блока на Чернобыльской АЭС 26 апреля 1986 г.

Анализ последствий этих катастроф показал, что радиационное излучение влияет на функции организма и сопровождается активным делением клеток. Повреждаются также иммунная, кровеобразующая системы, эпителии кишечного тракта, бронхов, легких.

В Японии сначала наблюдался резкий рост заболеваемости лейкемией, раком желудка, молочной железы. Такие заболевания наблюдались и у пожарных и ликвидаторов аварии на ЧАЭС. В 1986 г. характерным следствием аварии был рак щитовидной железы (свыше 600 сверхфоновых заболеваний).

В Японии через 25-30 лет после бомбардировки увеличилось количество сердечно-сосудистых заболеваний. Это явление наблюдается также и в Украине. У хибакуся средняя продолжительность жизни равна 82-83 годам, то есть они являются долгожителями, несмотря на радиационное облучение.

Период полураспада Йода-131 равен 8,04 суток. Через 8 суток после аварии на ЧАЭС осталась половина его исходного количества, еще через 8 суток - 1/4, потом - 1/8, 1/16 и т. д. То есть за 2 месяца активность йода снизилась почти до нуля. Его же биологическое действие на организм человека проявилось лишь через 3 года.

Следствием ядерных превращений стало появление радиоактивного цезия. У него период полураспада больше, чем у йода, поэтому интенсивность излучения меньше.

Особенно опасны для человека и животных изотопы Стронция и Цезия. Химические свойства Sr-90 и Cs-137 подобны свойствам соответственно кальция и калия, которые входят в состав костей и мышц человека и животных. Содержание калия в массе мышц составляет 0,3 %, а кальция -14,7 % массы костей.

Если человек потребляет загрязненные цезием и стронцием пищевые продукты, а в его рационе недостаточно калия (богаты калием - фасоль, горох, бобы, картофель, помидоры, шпинат, абрикосы, изюм, яблоки) или кальция (богаты кальцием - капуста, орехи, горох, сыр, яйца, рыба, морковь, овсяная крупа), то в организме человека атомы Цезия в мышцах замещают атомы Калия, а атомы Стронция - в костях замещают атомы Кальция.

Период полураспада Sr-90 составляет 28 лет, а период, на протяжении которого организм человека освобождается от половины стронция, составляет 50 лет (физиологический период полувывода изотопа из организма). Практически стронций, попавший в кости человека или животных, из них уже не выходит. До испытаний ядерного оружия в организме человека цезий не был обнаружен.

Об отдаленных последствиях действия в малых дозах радиоактивного излучения на живые организмы можно сделать определенные выводы, наблюдая за растениями. Отклонения в развитии растений становятся

заметными через несколько поколений после их облучения. Исследователи брали пшеницу, выросшую близ реактора. В первый год высева не происходило никаких изменений. Чернобыльские «гены» проявились, начиная с третьего поколения. С каждым высевом количество мутантов возрастает.

Следовательно, радиоактивное излучение может поражать человеческий организм тремя способами: 1) внешним действием - поражение высокой дозой радиации большого количества клеток организма. В этом случае тяжелые повреждения живой ткани и признаки лучевой болезни проявляются в течение нескольких дней. Если организм подвергся очень тяжелому поражению, то человек умирает. Степень болезни зависит от уровня радиации и способности организма противостоять радиации; 2) внутренним действием - через органы пищеварения, если туда попадают радиоактивно «загрязненные» пища и вода. Поражение имеет продолжительный характер и наступает вследствие повреждения отдельной клетки. Поврежденная клетка может выжить и оставаться в «сонном» состоянии много лет, однако это значительно измененная клетка. Со временем начинают развиваться генетические мутации, приводящие к тяжелым болезням; 3) внутренним действием через легкие, если человек вдыхает радиоактивную пыль.

В результате действия ионизирующего излучения в организме человека происходят сложные физические, химические и биологические процессы, приводящие к изменениям в функциональной деятельности разных органов и систем организма в целом. Влияние разных доз облучения на организм человека представлено в таблице.

Деление тяжелых ядер. Цепная ядерная реакция

Процессы, в которых одни ядра переходят в другие, называют ядерными превращениями. Ядерные превращения разделяют на радиоактивность (радиоактивный распад) и ядерные реакции.

При радиоактивном распаде одно ядро (оно называется материнским)превращается в одно или два дочерних вследствие самопроизвольного испускания элементарных частиц, ядер и электромагнитного излучения.

Ядерные реакции происходят тогда, когда вследствие столкновений частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил, которые и вызывают изменение ядер.

Ядерные превращения обычно записывают подобно химическим реакциям: слева записывают частицы и ядра, вступающие во взаимодействие, а справа - продукты реакции, то есть новые частицы, ядра и электромагнитное излучение. Вы уже знаете, что нуклиды обозначают символом . Элементарные частицы обозначают так: - электрон, р (или } - протон, - нейтрон, электромагнитное излучение (свет, рентгеновские лучи или излучение). а-частицу обозначают буквой а, или символом (ядро Гелия).

Вам известно, что явление радиоактивности открыл Беккерель во время опытов с солями урана. При этом происходил а-распад ядер который сопровождался образованием ядер изотопа Тория с испусканием а-частиц и излучения:

Превращение ядер происходит по так называемому правилу смещения, которое впервые сформулировал английский химик Содди. При а-распаде ядро теряет положительный заряд 2е, а масса уменьшается приблизительно на 4 атомные единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы элементов:

При распаде ядро приобретает дополнительный положительный заряд е, и элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы:

Например, при -распаде изотопа Калия продуктом распада
является ядро изотопа Кальция упрощенно это можно записать так:

Излучениечастиц не сопровождается изменением заряда, масса ядра изменяется чрезвычайно мало.

Изменения атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами или между собой называют ядерными реакциями.

Для осуществления ядерной реакции частицы надо приблизить к ядру на расстояние около м. Если реакция происходит под действием положительно заряженной частицы, необходимо, чтобы она имела кинетическую энергию, достаточную для преодоления действия сил электрического отталкивания. Такую энергию сообщают протонам, ос-частицам и тяжелым ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц и ионов.

Известно, что единицей энергии является один джоуль, но это слишком крупная единица для записи значений энергий, характерных для элементарных ядерных процессов. Для этого обычно применяют один электрон-вольт (1 эВ), один килоэлектрон-вольт (1 кэВ) и один мегаэлектрон-вольт (1 МэВ). Один электрон-вольт равен кинетической энергии, которую приобретает электрон, ускоряясь в электрическом поле при напряжении один вольт.

Исторически первой ядерной реакцией, осуществленной человеком, была реакция превращения ядра Нитрогена в ядро Оксигена в опытах Резерфорда в 1919 г.:

Для осуществления ядерных реакций ускоренные частицы более эффективны, чем а-частицы, испускаемые природными радиоактивными элементами. Во-первых, им можно сообщить значительно большую энергию (порядка МэВ), чем у обычных а-частиц с энергией 9 МэВ. Во-вторых, можно использовать протоны, которые при радиоактивном распаде не образуются (так как их заряд в два раза меньше заряда а-частиц, то сила, действующая на протоны со стороны ядер, тоже в два раза меньше). В-третьих, можно ускорять ядра, которые тяжелее ядер Гелия.

Первое превращение атомных ядер с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, осуществлено в 1932 г., когда удалось расщепить Литий на две а-частицы:

Открытие нейтрона стало поворотным пунктом в исследованиях ядерных реакций. Поскольку нейтроны не имеют заряда, то они без

препятствий проникают в атомные ядра и вызывают их превращения. Например, происходит следующая реакция:

Великий итальянский физик Энрико Ферми, первым начавший изучать реакции с использованием нейтронов, обнаружил, что ядерные превращения вызывают даже медленные нейтроны. Причем эти медленные нейтроны эффективнее, чем быстрые. Поэтому быстрые нейтроны целесообразно сначала замедлять. Замедляются нейтроны до тепловых скоростей с помощью веществ-замедлителей, одним из которых может быть и обычная вода. Этот эффект объясняется тем, что в воде содержится много ядер Гидрогена - протонов, масса которых почти равна массе нейтронов. При столкновении шаров одинаковой массы кинетическая энергия передается наиболее эффективно. При центральном столкновении нейтрона с протоном он полностью передает протону свою кинетическую энергию, то есть реально замедляется до скоростей теплового движения.

Подобно химическим реакциям одни ядерные реакции происходят с выделением энергии, а другие - с поглощением (соответственно экзотермические и эндотермические реакции).

Деление атомных ядер - это особенный вид ядерных реакций, когда ядро тяжелого элемента делится на две части, одновременно испуская два-три нейтрона и излучение с выделением значительной энергии.

Деление ядер Урана открыли в 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман. Им удалось установить, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа Урана образуются элементы из средней части периодической системы: Барий Криптон и несколько нейтронов:

Но правильное толкование этого факта, именно как деления ядра Урана, захватившего нейтрон, в 1939 г. дали физики - англичанин Отто Фриш и австрийка Лиза Мейтнер.

Непосредственные измерения энергии, выделяющейся при делении ядра Урана подтвердили приведенные соображения и дали значение  200 МэВ.

Большая часть этой энергии (168 МэВ) приходится на кинетическую энергию ядер-осколков. Энергия, выделяющаяся при делении ядер, электростатического, а не ядерного происхождения. Ядерные силы между нуклонами короткодействующие, подобно силам, действующим между молекулами жидкости. Одновременно с большими силами электростатического отталкивания между протонами, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще большие ядерные силы притяжения. Эти силы не дают ядру распадаться.

Ядро Урана-235 имеет форму шара (рис. 256, а). Захватив лишний нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться, принимая вытянутую форму (рис. 256, б). Ядро растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между концами вытянутого ядра не начнут превосходить силы сцепления, действующие на перешейке (рис. 256, в). Растягиваясь все сильнее, ядро разрывается на две части (рис. 256, г).

Под действием электрических сил отталкивания эти обломки, или осколки, разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости распространения света.

Фундаментальным фактом ядерного деления является испускание в этом процессе двух-трех нейтронов. Именно благодаря этому стало возможным практическое использование внутриядерной энергии. Понять, почему выделяются свободные нейтроны, можно, исходя из следующих рассуждений. Известно, что относительное количество нейтронов в стабильных ядрах возрастает с увеличением атомного номера. Поэтому в осколках, образующихся при делении, отношение числа нейтронов к числу протонов больше допустимого для ядер атомов, находящихся в середине периодической системы элементов. Вследствие этого несколько нейтронов освобождаются в процессе деления. Их энергия имеет разные значения - от нескольких мегаэлектрон-вольт до совсем малых, близких к нулю. Это позволяет осуществить цепную реакцию деления урана.

Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, при которых частицы, их вызывающие, образуются как продукты этих реакций.

Любой из нейтронов, вылетевший из ядра в процессе деления, может, в свою очередь, послужить причиной распада соседнего ядра, которое также выделяет нейтроны, способные вызвать деление. Поэтому число делящихся ядер быстро увеличивается и возникает самоподдерживающая цепная реакция, схема которой показана на рисунке 257.

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При каждом делении ядра выделяется около 200 МэВ энергии. От деления всех ядер 1 г урана выделяетсяэнергии, эквивалентной энергии, образующейся при сжигании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Цепная реакция практически осуществимая лишь на трех изотопах.

Один з них - содержится в природном уране, а два других -

и Плутоний - получают искусственно.

Атомные электростанции

Вам уже известно, что цепная реакция сопровождается выделением колоссальной энергии.

После проведения опытов Резерфорд считал, что его работы - это чистая теория, и человечество никогда не использует энергию, «дремлющую» в атоме. Но после того как в 1938 г. Фредерик Жолио-Кюри открыл цепную реакцию, стало понятным, что энергия атома - это огромный источник энергии, которая может быть использована во благо человечества, а может привести и к трагическим последствиям.

С 1940 г. в Америке и Англии полностью прекратились публикации по атомной физике и стали государственной тайной. Контроль над атомной энергией перешел к военно-политическим силам.

В июле в 1945 г. в Лос-Аламосе (США) созданы атомные бомбы, которые б и 9 августа были сброшены на японские города Хиросиму и Нагасаки. Энергия атома была использована для уничтожения людей и окружающей среды. Таким образом, именно в ядерном оружии была использована неуправляемая цепная реакция деления урана.

Впервые управляемую цепную ядерную реакцию деления урана осуществил в США коллектив ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г.

В январе 1947 г. Игорь Курчатов осуществил первую на Европейском континенте управляемую цепную реакцию деления урана. Он был убежден, что людям будет служить мирный атом. В 1955 г. в Женеве состоялась первая международная конференция по вопросам мирного использования атомной энергии.

Научно-технический прогресс определяется развитием энергетики страны. Энергетика - важнейшая отрасль, охватывающая энергетические ресурсы, производство, преобразование, передачу и использование различных видов энергии, основа экономики страны.

Ядерной энергетикой называют осуществляемое в промышленных масштабах преобразование ядерной энергии в другие виды (механическую, электрическую и т.п.), используемые для производственных и бытовых потребностей.

Преобразование ядерной энергии в электрическую происходит на атомных электростанциях (АЭС). Они отличаются от обычных тепловых электростанций только тем, что источником тепловой энергии для получения водяного пара, который приводит в действие турбину и электрогенератор, является не органическое топливо, а энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе в ходе управляемой цепной ядерной реакции (рис. 258).

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

Использовать ядерную энергию для преобразования ее в электрическую начали в 1954 г. в г. Обнинске на первой атомной электростанции

мощностью 5000 кВт. Исторически первым был реализован реактор на медленных (тепловых) нейтронах.

Главной частью реактора является активная зона 1, состоящая из таких компонентов: ядерное топливо, замедлитель нейтронов, отражатель нейтронов 2.

В качестве топлива используют природный уран, обогащенный до 5 % нуклидом Медленные нейтроны в ядерных реакциях более эффективны, чем быстрые, поэтому быстрые нейтроны, образующиеся при делении ядер , замедляют до тепловых скоростей с помощью вещества-замедлителя (графит, обычная вода, тяжелая вода , в которой обычный водород замещен на его изотоп Дейтерий). Одним из первых способов смешивания топлива с замедлителем было поочередное заполнение активной зоны урановыми и графитовыми блоками. В современных конструкциях реакторов ядерное топливо (уран) вводят в активную зону, как правило, в виде стержней, между которыми размещен замедлитель нейтронов.

Для уменьшения потерь вторичных нейтронов, вылетающих из области активной зоны, ее окружают стенками-отражателями 2 из материалов, ядра атомов которых хорошо отражают нейтроны, обычно из графита или бериллия. Для защиты персонала от ионизирующего излучения реактор извне обнесен защитными стенками 3 из железобетона и слоями воды.

В процессе цепной реакции температура в активной зоне достигает 500-600 °С. Для отвода теплоты от активной зоны реактора по трубам 5 пропускают теплоноситель 6, например обычную воду или жидкий металлический натрий. В теплообменнике 7 энергия передается водяному пару 8, поступающему в турбину .9, а потом из конденсатора 11 вода возвращается в теплообменник. Электрогенератор 10 вырабатывает электрический ток, готовый для использования в промышленности, на транспорте и в быту.

Управляют цепной реакцией с помощью регулирующих стержней 4, изготовленных из бора или кадмия, которые хорошо поглощают тепловые нейтроны. Эти стержни можно полностью или частично вводить в активную зону, параметры которой рассчитаны так, чтобы при полностью введенных стержнях реакция не проходила. Постепенно вытягивая стержни, увеличивают количество нейтронов в активной зоне до определенного порогового значения, когда реактор начинает работать.

В случае внезапного повышения интенсивности реакции в реакторе предусмотрены дополнительные аварийные стержни, введение автоматически которых в активную зону немедленно прекращает реакцию.
 

Как и любой технически-промышленный объект, атомные электростанции вместе с преимуществами имеют также потенциальную экологическую угрозу, особенно в плотнонаселенных регионах.

Преимуществами АЭС перед тепловыми электростанциями является то, что они не требуют дефицитного органического топлива и не загружают железную дорогу для перевозки угля. Атомные электростанции не расходуют атмосферный кислород и не загрязняют окружающую среду золой и продуктами сгорания. Выбросы АЭС в атмосферу содержат радиоактивных веществ меньше, чем выбросы тепловых электростанций.

Но АЭС свойственны также вредные и опасные факторы влияния на окружающую среду, в первую очередь угроза радиоактивного загрязнения окружающей среды во время аварийных ситуаций.

Проекты АЭС гарантируют безопасность персонала станции и населения. Мировой опыт эксплуатации АЭС свидетельствует, что биосфера надежно защищена от радиационного влияния станции в нормальном режиме эксплуатации. Но ошибки персонала и просчеты в конструкциях реакторов не исключают риска аварий, как это произошло при взрыве четвертого реактора Чернобыльской АЭС.

После этих событий резко возросла интенсивность научных исследований в отрасли гарантирования безопасности объектов атомной энергетики. Однако результаты многих исследований проблем безопасности АЭС хотя и выявили недостатки, упущения, даже ошибки в гарантировании безопасности АЭС, но и подтвердили уверенность специалистов в том, что высокого уровня безопасности АЭС можно достичь на основе современных знаний и технологий.

Теоретически ядерная энергия близка к идеальной. Однако самые пылкие сторонники ядерной энергетики признают, что с ее производством связано немало проблем.

Во время работы атомных реакторов накапливаются радиоактивные отходы. Распадаясь, они выделяют тепло, и поэтому их необходимо еще длительное время охлаждать после окончания управляемого процесса деления. Сегодня пока нет приемлемого способа сохранения отходов, надолго остающихся высокорадиоактивными.

Существуют проблемы надежности хранилищ радиоактивных веществ, дамб, которые должны защищать реки и водоемы от радиационного загрязнения. Высокорадиоактивные отходы невозможно уничтожить: их необходимо изолировать от окружающей среды на десятки тысяч лет - лишь тогда они не будут причинять никакого вреда. Надо создать независимую от человека систему обезвреживания ядерных отходов.

Производство ядерной энергии - от производства ядерного оружия, являющегося самым разрушительным. С помощью ракет это оружие можно доставить в любую точку земного шара.

Ядерный реактор по ряду причин не может взорваться, как ядерная бомба. Однако он содержит такое количество радиоактивных веществ, которое в тысячу раз превышает количество веществ, высвобожденных над Хиросимой. Следовательно, высвобождение даже незначительной части этих материалов может нанести большой урон и человеку, и окружающей среде.

Загрязнение окружающей среды происходит и в результате техногенных выбросов, имеющих место при работе атомных реакторов. До 1994 г. построено почти 430 энергетических атомных реакторов, которые в десятки раз увеличили выбросы в окружающую среду радиоактивных веществ сравнительно с выброшенными в атмосферу, водоемы и похороненными как отходы.

Выбросы не должны превышать то количество веществ, которое может поглотить, переработать биосфера без вреда для себя. Следовательно, загрязнение биосферы является важнейшей проблемой потому, что ее решение касается других проблем - энергии, ресурсов, питьевой воды и т. п.

Загрязнение территории Украины радиоактивными выбросами вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС не имеет аналогов ни по масштабам, ни по тяжести экологических, социальных и экономических последствий. Во время аварии было загрязнено около 12 млн гектаров, из них 8,4 млн гектаров сельскохозяйственных угодий.

При эксплуатации АЭС - выработке ее ресурса, что приводит к утрате больших площадей земель, пригодных для хозяйственной деятельности человека, - вокруг АЭС необходимо создавать санитарную зону.

Производство атомной энергии требует чрезвычайно высокой квалификации персонала, обслуживающего атомные реакторы, что позволяет избегать ошибок, которые могут стать причиной аварии.

Термоядерные реакции

Термоядерные реакции — это реакции синтеза (слияния) легких ядер при очень высокой температуре.

Чтобы такие ядра, например Гидрогена, слились, они должны сблизиться на расстояние около м, то есть попасть в сферу действия ядер-ных сил. Этому сближению противодействует кулоновское отталкивание ядер, которое они могут преодолеть лишь тогда, когда будут иметь большую кинетическую энергию теплового движения.

Энергия, выделяющаяся при термоядерных реакциях в одном акте синтеза из расчета на один нуклон, больше выделенной в цепных реакциях деления ядер. Так, при слиянии тяжелого Гидрогена - Дейтерия с изотопом Гидрогена - Трития выделяется около 3,5 МэВ на один нуклон, тогда как при делении Урана на один нуклон выделяется энергия, равная приблизительно 1 МэВ.

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и других звезд - термоядерного происхождения. По современным представлениям, на ранней стадии развития звезда состоит преимущественно из водорода. Температура внутри звезды настолько велика, что в ней происходят реакции слияния протонов и образуется Гелий. Потом от слияния ядер Гелия образуются более тяжелые элементы. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, благодаря которой звезды излучают свет на протяжении миллиардов лет. На Земле неуправляемая термоядерная реакция происходит при взрыве водородной бомбы.

Осуществление управляемых термоядерных реакций на Земле даст человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния Дейтерия с Тритием:

В этой реакции выделяется энергия 17,6 МэВ на один нуклон. Поскольку Трития в природе нет, его надо получать в самом термоядерном реакторе из лития.

Согласно проекту ИТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) в г. Кадараш (Франция) ведется строительство первого в мире международного экспериментального термоядерного реактора. Цель этого проекта - продемонстрировать научную и техническую возможность получения тепловой и электрической энергии на основе термоядерного синтеза. По прогнозам специалистов, через 30-40 лет может начаться эра промышленного использования термоядерной энергии.

Каждый раз, как только в физике делали какое-либо серьезное открытие, астрономы начинали «примерять» его к своим проблемам. Так, в конце XIX в. почти сразу после открытия Беккерелем явления радиоактивности была выдвинута гипотеза, что светимость Солнца поддерживается за счет распада ядер тяжелых химических элементов, например Радия (открыт в 1898 г.) или Урана.

Период полураспада Радия равен 1620 лет, а изотопа Урана, который на 99,27 % составляет природный Уран, - 4,51 млрд лет. Следовательно, например, радиевое Солнце высветило бы основную часть своей энергии всего за несколько тысяч лет, а урановое Солнце было бы существенно слабее современного.

К тому же урановое Солнце вспыхнуло бы как громадная ядерная бомба сразу во время своего образования (следует отметить, что цепные реакции и существование критической массы были выявлены значительно позже). И хотя в настоящее время известно, что в современном природном уране, содержащем всего 0,72 % , цепная реакция не возможна (в существующих ядерных реакторах она происходит только при условии использования замедлителей нейтронов). Но 5 млрд лет назад она обязательно бы началась, поскольку период полураспада составляет всего 713 млн лет, поэтому его часть тогда была » 30 % (для цепной реакции достаточно 3 %).

Идея о термоядерном источнике звездной энергии за счет синтеза гелия из водорода имеет долгий и сложный путь становления, который можно датировать 1919 г., когда английский физик и химик Фрэнсис Астон сконструировал масспектрограф. При его помощи он нашел точные значения масс атомов Гидрогена и Гелия. Это один из примеров в науке, когда точность измерения имела решающее значение. Оказалось, что масса атома Гелия составляет 3,97 массы атома Гидрогена. Вполне естественно было предположить, что при определенной температуре четыре ядра атома Гидрогена могут объединяться в ядро атома Гелия.

Следует отметить, что термоядерное «горение» водорода отличается наивысшей эффективностью по сравнению с другими химическими элементами.

Синтез гелия из водорода как источник энергии звезд предложил в 1920 г. Артур Эддингтон - один из творцов теории внутреннего строения звезды. В книге «Звезды и атомы» он писал: «Точка зрения, по которой энергия звезды возникает при построении других элементов из водорода, имеет большое преимущество, ибо не существует сомнений относительно возможности этого процесса, тогда как мы не имеем доказательств того, что в природе может происходить аннигиляция материи... С моей точки зрения, существование гелия служит самым лучшим доказательством того, что гелий может образовываться». Правда, здесь Эддингтон ошибался. Сегодня общепризнанным является то, что существующее количество гелия не могло образоваться в звездах, а возникло в результате первобытного нуклеосинтеза на ранних этапах эволюции нашей Вселенной.

Солнечные, да и в целом звездные недра казались физикам 20-х годов XX в. слишком холодными, чтобы там могло происходить преобразование водорода в гелий.

Эддингтон считал, что физики должны продолжать исследование и тогда со временем поймут, как при сравнительно низких температурах водород может превращаться в гелий. Так и случилось. Эту проблему решили физики Роберт Аткинсон и Фридрих Хоутерманс. Они воспользовались предположениями Георгия Гамова о туннельном эффекте (в 1928 г.). Из новой физической теории - квантовой механики, которая как раз создавалась в те времена, следовало, что микрочастицы благодаря своим волновым свойствам могут проникать под потенциальные барьеры и просачиваться сквозь них.

Гамов решил проблему распада радиоактивных ядер, а Аткинсон и Хоутерманс, воспользовавшись этим, решили обратную задачу. В марте в 1929 г. они послали в редакцию немецкого журнала статью под названием «К вопросу о возможности синтеза элементов в недрах звезд». В этой статье они объяснили, что, хотя в рамках классической физики протоны могут сливаться друг с другом только при температурах в несколько десятков миллиардов кельвинов, туннельный эффект допускает вероятность такого процесса уже при относительно низких температурах, существующих в недрах звезд. Хоутерманс писал в своей книге «Ярче тысячи солнц» (в 1961 г.): «В тот же вечер, после того как мы закончили нашу статью, я пошел гулять с прелестной девушкой. Когда стемнело и одна за другой стали появляться звезды во всем их великолепии, моя спутница воскликнула: “Как прекрасно они сверкают! Не правда ли?”. Я выпятил грудь и произнес важно: “Со вчерашнего вечера я знаю, почему они сверкают”».

Судьба Хоутерманса связана с Украиной. Его, уже как выдающегося физика и немецкого коммуниста, в 1934 г. пригласили работать в Советский Союз. С 1935 по 1937 г. он был сотрудником Украинского физико-технического института (г. Харьков), где уже с 1932 г. работал Лев Ландау. В 1937 г. Хоутерманс был арестован НКВД как немецкий шпион. Его жестоко били и пытали многодневными конвейерными допросами, но он не потерял достоинства и не дал лживых свидетельств о своих коллегах. Можно считать, что ему посчастливилось - в 1940 г. его освободили и выслали из СССР как «нежелательного иностранца».

Следовательно, после статьи Аткинсона и Хоутерманса стало понятно, что источником энергии звезд все же могут быть термоядерные реакции. Но какие именно? По каким каналам? Конкретные ответы на эти вопросы появились лишь через 10 лет.

Первый ответ на эти вопросы нашли независимо друг от друга Карл Вайцзеккер в Германии и Ханс Бете в США. В 1938 г. они выявили первый цикл последовательной трансформации водорода в гелий, который мы сегодня называем карбоново-нитрогеновым. Другой вариант преобразования водорода в гелий известен в настоящее время как протон-протонный цикл, который предложили в том же 1938 г. Ханс Бете и Чарльз Критчфилд.
 

Пример №7

Что произойдет, если изолированный медный шарик покрыть полонием, излучающим а-частицы, и поместить его в вакуум?

Ответ: полоний, теряя положительный заряд, сообщает шарику отрицательный заряд.

Пример №8

Какой опыт объясняет рисунок 261?

Ответ:    опыт Резерфорда доказывает, что атом имеет планетарное строение.

Пример №9

Почему основное количество а-частиц свободно проходит сквозь золотую фольгу?

Ответ: потому что положительно заряженное ядро атома сконцентрировано в малом объеме и только отдельные а-частицы могут столкнуться с ядром.

Историческая справка:

Иваненко Дмитрий Дмитриевич (1904-1994) - доктор физико-математических наук, профессор Московского университета им. М.В. Ломоносова. Родился в Полтаве. Дед Дмитрия со стороны отца, как и многие из его рода, был священником. Отец издавал газету «Полтавский вестник». В 1920 г. Дмитрий окончил полтавскую гимназию, где за высокую эрудицию получил прозвище Профессор.

В 1920-1923 гг. работал учителем физики и математики в Полтавской трудовой школе. Одновременно учился в Полтавском педагогическом институте, который успешно окончил. Тогда же поступил в Харьковский университет, работая еще и в Полтавской астрономической обсерватории. Со временем его перевели в Ленинградский университет, который окончил в 1927 г.

Возглавлял отдел теоретической физики в Украинском физико-техническом институте в Харькове, работал в Ленинградском физико-техническом институте, в научно-исследовательских учреждениях Томска и Свердловска. В 1940-1941 гг. был профессором, заведующим кафедрой теоретической физики Киевского университета. С 1943 г. - профессор Московского университета, с 1949 г. также работал в Институте истории естествознания и техники.

Основные направления научной деятельности: теоретическая физика, теория гравитации (тяготения), история физики. В конце февраля 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик на страницах английского журнала «Nature» сообщил об открытии третьей элементарной частицы - нейтрона, а уже в мае 1932 г. Иваненко выступил на страницах этого же журнала со статьей «Гипотеза о роли нейтронов», в которой впервые высказал мысль, что нейтрон наряду с протоном является структурным элементом ядра, и впервые сформулировал протонно-нейтронную модель ядра, в настоящее время общепризнанную.

За исследования по теории электрона, «светящегося» при быстром движении по окружности в магнитном поле, и современных проблем электродинамики, изложенных в монографии «Классическая теория поля» (1949) в 1950 г. вместе с И.Я. Померанчу-ком и А.А. Соколовым удостоен государственной премии.

Автор многочисленных научных работ, в частности «Квантовой теории поля» (1952).

Пионером в области ядерных исследований в Украине был Харьковский физико-технический институт. В 1932 г. впервые было осуществлено расщепление ядра атома Лития быстрыми протонами на две а-частицы (К.Д. Синельников, А.И. Лейпунский, А.К. Вальтер, Г.Д. Латишев). В 1939 г. в Харькове построен первый электростатический ускоритель заряженных частиц на 2,5 МэВ, с помощью которого Синельников и Вальтер исследовали поглощение быстрых электронов веществом. Весомый вклад в развитие ядерной физики и ядерной энергетики сделал Александр Ильич Лейпунский.

Он получил в 1934 г. первое косвенное подтверждение гипотезы нейтрино, исследуя импульсы отдачи ядер во время а-распада. В 1935-1939 гг. под руководством Лейпунс-кого исследовано взаимодействие нейтронов с различными веществами - водой, парафином, железом и никелем (Г.О. Голобородько, Л.В. Розенкевич, Д.В. Тимощук).

В Киеве ядерные исследования начались в 1944 г. под руководством Лейпунского. С 1946 г. этими исследованиями в Институте физики АН УССР руководил Митрофан Васильевич Пасечник. Ученые изучали взаимодействия ядер с нейтронами радон-бериллиевого источника в 100 мКи.

В 1960 г. в Украине к ряду действующих установок введен экспериментальный ядерный реактор ВВР-М с тепловой мощностью 10 МВт. С целью ускорения протонов построен электростатический генератор в сжатом газе на энергию 2,5 МэВ для протонов.

В.И. Стрижак, М.Д. Борисов с коллективом разработали низковольтные генераторы протонов. С 1953 г. в Институте физики АН УССР действовал циклотрон У-120, на котором можно ускорять протоны, ядра Дейтерия и а-частицы до энергий соответственно 6,8; 13,6 и 27,2 МэВ. Исследования на ядерном реакторе дали важные сведения о взаимодействии нейтронов с разными веществами, необходимыми для выбора конструкционных материалов при строительстве промышленных атомных электростанций.

На ядерном реакторе ученые исследуют влияние нейтронов и у-лучей на различные материалы, растения, микробы и другие биологические объекты. В 1964 г. был создан электростатический генератор на 5 МэВ. На базе ядерных отделов Института физики в 1970 г. в Академии наук Украины образован Институт ядерных исследований. В 1977 г. здесь был введен в эксплуатацию изохронный циклотрон У-240.

Наряду с экспериментальными проводились широкие теоретические исследования по ядерной физике. Первой по теории ядра была работа Льва Давидовича Ландау (1937), посвященная статистической теории ядер, которую он выполнил в Харьковском физико-техническом институте. Большое значение для развития ядерной физики имели работы одного из основателей Харьковской школы физиков-теорети-ков, руководителя отдела теоретической физики Украинского физико-технического института (теперь - Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»), академика НАН Украины (1964), Александра Ильича Ахиезера, в частности его монография «Некоторые вопросы теории атомного ядра» (в соавторстве с И.Я. Померанчуком).

Лекции по предметам:

1. Физика
2. Ядерная физика
3. Квантовая физика
4. Молекулярная физика