![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •3.5. Магнитостатика
- •3.5.1. Природа магнитного поля
- •3.5.2. Свойства магнитного поля. Закон Био-Савара
- •3.5.3. Силы в магнитном поле
- •А. Сила Лоренца
- •Б. Сила Ампера
- •В. Силы, действующие на замкнутый контур с током в однородном магнитном поле. Магнитный момент тока
- •3.5.4. Магнитное поле в веществе. Магнетики
- •3.5.5. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля. Поле соленоида
- •3.5.6. Электромагнитная индукция
- •3.5.7. Энергия магнитного поля
- •3.6. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля.
- •3.6.1. Ток смещения. Возникновение магнитного поля при изменении электрического поля
- •3.6.2. Уравнения Максвелла.
- •IV. Колебания и волны
- •4.1. Механические колебания
- •4.1.1. Гармонические колебания. Осциллятор
- •4.1.2. Сложение колебаний
- •4.2. Электрические колебания
- •4.2.1. Свободные колебания в электрическом контуре
- •4.2.2. Вынужденные колебания. Резонанс
- •4.2.3. Переменный электрический ток
- •4.3. Волновое движение
- •4.3.1. Связанные гармонические осцилляторы. Упругие волны
- •4.3.2. Свойства бегущих волн
- •4.3.3. Энергия, переносимая волной. Стоячие волны
- •4.4. Генерация электромагнитных волн
- •4.4.1. Электромагнитные волны и уравнения Максвелла. Скорость распространения электромагнитных волн
- •4.4.2. Свет как электромагнитная волна. Шкала электромагнитных волн
- •4.4.3. Энергия электромагнитной волны.
- •4.4.4. Импульс электромагнитного поля
- •4.4.6. Заключение
- •Контрольная работа 4.
- •4.5. Равновесное электромагнитное излучение
- •4.5.1. Абсолютно черное тело
- •4.5.2. Классическое рассмотрение излучения черного тела. Ультрафиолетовая катастрофа
- •Глава 5.ОПТИКА.
- •5.1. Геометрическая оптика
- •5.1.1. Принцип Ферма
- •5.2. Волновая оптика
- •5.2.1. Опыт Юнга. Интерференция волн. Принцип Гюйгенса.
- •5.2.2. Метод графического сложения амплитуд. Дифракция от простейших преград.
- •5.2.3. Дифракционная решетка. Дифракция рентгеновских лучей
- •5.3. Физическая оптика
- •5.3.1. Поляризация света
- •5.3.2. Дисперсия света
- •Глава 6. ФОТОНЫ.
- •6.1. Коротковолновая граница рентгеновского спектра
- •6.2. Внешний фотоэффект
- •6.3. Эффект Комптона
- •Контрольная работа №5
- •7.1. Строение атома
- •7.1.1 Планетарная модель
- •7.1.2. Атомные спектры
- •7.1.3 Постулаты Бора
- •7.1.4. Упругие и неупругие столкновения
- •7.1.5. Опыты Франка и Герца
- •7.2. Волновые свойства микрочастиц
- •7.2.1. Гипотеза де Бройля
- •7.2.2. Свойства микрочастиц
- •7.2.3. Соотношение неопределенностей
- •7.2.4. Волна де Бройля.
- •7.3. Уравнение Шредингера.
- •7.3.1. Волновые функции
- •7.3.2. Уравнение Шрёдингера
- •7.3.3 Прохождение частиц через потенциальный барьер
- •7.3.4. Квантование энергии
- •7.3.5. Собственные значения физических величин
- •7.3.6. Квантование момента импульса
- •7.3.7. Гармонический осциллятор
- •7.3.8. Атом водорода
- •Глава 8. АТОМНОЕ ЯДРО
- •8.1. Ядерные силы
- •8.2. Некоторые свойства ядер
- •8.3. Энергия связи ядра
- •8.4. Радиоактивность
- •8.5. Постоянная распада
- •8.6. Период полураспада
- •8.7. Кривая роста дочерних ядер
- •8.8. Радиоактивные семейства ядер
- •8.9. Датировка событий методом радиоактивных распадов
- •Контрольная работа №6
![](/html/2706/242/html_JGnoVI6czP._3ch/htmlconvd-yFTYPN205x1.jpg)
Глава 8. АТОМНОЕ ЯДРО
К 1911 г. эксперименты Эрнеста Резерфорда показали, что атом имеет очень малое ядро (~10-14 м в диаметре), вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с размерами ядра размеры атомов огромны, и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объема атома фактически является пустым пространством. Напомним, что резерфордовская модель атома должна была быть динамической, потому что в противном случае электростатическое притяжение, действующее между положительным ядром и отрицательными электронами, сразу бы
205
привело к коллапсу атома.
Мы уже говорили в предыдущих главах, что, хотя модель Резерфорда основывалась на классической механике, а уточняющая ее модель Бора на раннем варианте квантовой механики, все же только современная квантовая теория Шредингера и Гейзенберга смогла правильно описать структуру атомов. Поэтому квантовая механика служит той теорией, которую нужно использовать, чтобы описать структуру ядра. Однако сразу заметим, что полная теория ядра все еще не создана. В теории ядра мы сталкиваемся с намного более сложной проблемой, чем в теории атомов. Поэтому физики в настоящее время используют главным образом две модели ядра, о которых мы будем говорить ниже, — модель жидкой капли и модель ядерных оболочек (правда, иногда используются и другие модели).
Атомная физика главным образом изучает электроны, группирующиеся в оболочках и подоболочках в атоме вокруг ядра. Энергия, связанная с удалением или присоединением электрона к атому, а также с переходами атомных электронов из одного стационарного состояния в другое, имеет порядок нескольких электронвольт. Напомним, что требуется энергия только в 13,6 эВ для того, чтобы удалить из атома водорода электрон, находящийся в основном энергетическом состоянии.
Простейшим ядром является дейтрон; он состоит из одного протона и одного нейтрона, связанных друг с другом сильными ядерными силами притяжения. Чтобы разрушить ядро дейтрона, требуется энергия 2,24 МэВ. В ядерных реакциях, например в реакции деления урана-235, расщепляющегося на криптон-89 и ба- рий-144, высвобождается энергия порядка 200 МэВ на один атом урана.
Элементарные частицы, образующие ядра, т. е. протоны и нейтроны, называют также нуклонами. Тип атомного ядра обозначают
символом ZA BN , где Z — атомное число, т. е. число протонов в яд-
ре; N — нейтронное число, обозначающее число нейтронов в ядре; A = N + Z — массовое число, т. е. полное число протонов и нейтронов в данном ядре.
206
Например, ядро хлора 1735 Cl18 имеет Z = 17 протонов, N = 18
нейтронов и A = 17 + 18 = 35 нуклонов. Часто число N, не несущее дополнительной информации, опускают и рассматриваемое ядро обозначают символом 17Cl35.
Изотопами называются ядра с одним и тем же атомным числом Z и различными массовыми числами. Например, ядра 14Si28, 14Si29, 14Si30 — изотопы кремния. Ядра с одинаковым массовым числом A и разными атомными числами Z называют изобарами. Например, ядра 8О16 и 7N16 являются изобарами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, т. е. имеющие одинаковое значение числа N, называ-
ются изотонами. Примером изотонов могут служить ядра 146 C8 ,
157 N8 и 168 O8 .
8.1. Ядерные силы
Согласно закону Кулона положительно заряженные протоны, находящиеся на очень близких расстояниях в атомном ядре, сильно отталкивают друг друга. Так что они должны были бы мгновенно разлететься. Поэтому вряд ли можно объяснить стабильное существование атомного ядра, если не сделать допущения, что нуклоны в нем подвержены влиянию каких-то мощных сил притяжения. Эти силы считают проявлением так называемого сильного взаимодействия. Их изучал довольно долгое время японский физик Хидеки Юкава. В 1935 г. он понял основные характерные особенности ядерных сил и для их объяснения постулировал существование особой частицы, названной впоследствии пионом. Пион имеет массу покоя 270 me (в 270 раз большую массы покоя электрона). Пионы играют важную роль в образовании ядерных сил. Юкава отметил следующие характерные особенности ядерных
сил:
1.Они являются короткодействующими.
2.Они обладают зарядовой независимостью.
3.Они самые мощные из всех известных сил в природе.
4.Они имеют способность к насыщению.
Рассмотрим по отдельности эти характерные особенности
207
![](/html/2706/242/html_JGnoVI6czP._3ch/htmlconvd-yFTYPN208x1.jpg)
ядерных сил.
Короткодействующий характер. Эксперименты по рассеянию протонов на ядрах показывают, что ядерные силы имеют заметное значение только тогда, когда расстояние между двумя нуклонами оказывается порядка 10-15 м и меньше. Будем бомбардировать атомное ядро протонами и учтем, что радиус действия ядерных сил имеет примерно тот же порядок, что и радиус действия сил кулоновского отталкивания. Как бы близко ни подлетали протоны к ядру, они будут обязательно подвержены силам обоих типов, а потому распределение по углам протонов, рассеянных на ядрах, будет отличным от распределения, соответствующего чистому кулоновскому рассеянию.
Падающие протоны, которые не подходят слишком близко к ядру, будут рассеиваться силами электрического отталкивания. Но если энергия падающих протонов достаточно велика, чтобы протон мог преодолеть отталкивательное действие кулоновских сил ядра, он может подлететь очень близко к ядру и попасть в область действия ядерных сил притяжения. Распределение рассеянных протонов в этом случае будет определяться главным образом ядерными силами, а потому распределение будет отлично от кулоновского.
208
Кроме того, некоторые эксперименты свидетельствуют о том, что при совсем малых расстояниях порядка 0,5 фм (1 ферми = 10-15 м) нуклоны отталкивают друг друга.
На рисунке показан справа протон налетающий на ядро. Когда протон находится очень далеко от ядра, вся его энергия кинетическая. Но по мере приближения протона к ядру он будет все сильнее отталкиваться положительно заряженным ядром и все больше будет испытывать действие отталкивательных кулоновских сил от ядра.
По мере увеличения потенциальной энергии кинетическая энергия налетающего протона будет уменьшаться. На рисунке полная энергия изображается отрезком
АВ = АС + СВ,
где А В = Е — полная энергия, АС = U — потенциальная энергия, СВ = К — кинетическая энергия.
На рисунке показан такой случай, когда полная энергия налетающего на ядро протона меньше, чем высота кулоновского потенциального барьера. По классической механике, когда протон достигнет точки В', в которой его кинетическая энергия в точности будет равна нулю, он испытает «классическое столкновение» с ядром и отскочит назад, не будучи в состоянии проникнуть сквозь потенциальный барьер и подвергнуться действию короткодействующих ядерных сил.
По квантовой механике имеет место туннельный эффект, и приближающийся к ядру протон обладает определенной, отличной от нуля вероятностью «протуннелировать» через потенциальный барьер и «упасть» в юкавскую потенциальную яму.
Зарядовая независимость. Эксперименты показывают, что силы ядерного взаимодействия двух нуклонов не зависят от их электрических зарядов. С большой степенью точности силы взаимодействия, действующие между протоном и нейтроном, нейтроном и нейтроном, протоном и протоном, за вычетом кулоновских сил, оказываются одинаковыми.
Силы очень мощные. Силы, действующие между нуклонами, относятся к силам так называемого сильного взаимодействия, т. е.
209