Концепции современного естествознания. Курс лекций. Учебное пособие

Энергия электрона в атоме может принимать только определенные значения, иначе говоря она квантована. Возможные энергетические состояния электрона в атоме определяются величиной главного числа n (1, 2, 3 и т. д.). С увеличением n энергия электрона возрастает. Состояние электрона, характеризующееся определенным значением главного квантового числа, называется энергетическим уровнем электрона в атоме. Совокупность электронов, имеющих одинаковые значения главного квантового числа, образуют электронную оболочку. Форма электронного облака определяется орбитальным квантовым числом l, его называют также побочным или азимутальным. Принимает значения от 0 до n–1, определяет орбитальный момент импульса движения электрона в атоме. Состояние электрона, характеризующееся различными значениями l, принято называть энергетическими подуровнями электрона в атоме. Этим подуровням присвоены буквенные обозначения:

Орбитальное квантовое число: 0 1 2 3. Обозначение энергетического подуровня: s p d f . Некоторому значению l соответствует (2l + 1) возможных

значений квантового числа m, называемого магнитным, поскольку от его значения зависит взаимодействие магнитного поля, создаваемого электроном, с внешним магнитным полем.

Вотсутствие внешнего магнитного поля энергия электрона

ватоме не зависит от значения m. В этом случае электроны с одинаковыми значениями n и l, но с разными значениями m, обладают одинаковой энергией.

Кроме орбитального, электрон обладает и собственным моментом импульса. Соответствующая ему квантовая величина называется спиновым квантовым числом или просто спином и принимает значения + ½ или - ½.

Заполнение электронами энергетических состояний в атоме происходит в соответствии с принципом Паули: в любом атоме не может быть двух электронов, находящихся в двух одинаковых

Внешними (валентными) электронами атома называют электроны данного атома, которые в оболочке с наибольшим значением главного квантового числа входят в состав s и p – групп, т. е. имеют l = 0 или l = 1. Этими электронами определяются оптические и химические свойства атомов.

Периодичность заполнения электронами оболочек приводит к тому, что свойства элементов простых веществ и их соединений находятся в периодической зависимости от Z (числа протонов). Это отражено в периодической системе Менделеева.

8 (2S и 6р). Заполненность внешних оболочек определяет химическую активность элементов.

Различают основные виды химических связей. Ковалентная – возникает обобщенная пара электронов по

одному от каждого атома (Н2), образуется обобщенное электронное облако, которое может быть смещено в сторону одного атома (полярная или электрически несимметричная).

Ионная – один атом отдает другому один или несколько электронов и каждый становится обладателем стабильного набора электронов (у Na – 1 эл., у Cl – недостаток одного электрона Na + Cl → NaCl).

Металлическая – образуются элементы, атомы которых на внешнем уровне имеют мало валентных электронов, которые изза небольшой энергии ионизации образуют «электронный газ» и свободно перемещаются по всему металлу.

Водородная – возникает между молекулами, в состав которых входит водород и сильно электроотрицательный элемент

– фтор, кислород, реже хлор, сера.

Характеристика атомного ядра

Масса протона mp = 938,2 МэВ (в ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этого на с2).

42

(радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (е-) и еще одну частицу, называемую

антинейтрино ν :

n → p + e- + ν .

Масса покоя ν = 0. Масса нейтрона > массы протона на 2,5 mе. Разность энергий, связанная с разностью масс частиц в левой и правой частях уравнения, выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Большинство химических элементов имеет по несколько разновидностей изотопов, отличающихся значениями массового числа А.

Так, например, водород имеет 3 изотопа

1Н1 – обычный водород, или протий (Z=1, N=0); 1Н2 – тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1);

1Н3 – тритий (Z=1, N=2).

Уизотопов ядра имеют одинаковое число протонов Z. Ядра

содинаковым массовым числом А называются изобарами (18Аr40, 20Ga40). Ядра с одинаковым числом нейтронов N = A – Z называются изотонами (6С13, 7N14). Существуют радиоактивные

остальные радиоактивны. Для устойчивых ядер характерно определенное отношение числа нейтронов N к числу протонов Z. У легких ядер оно близко к 1. С увеличением числа нуклонов в ядре N/Z растет, достигая для урана значения 1,6.

43

Энергия связи ядра

Масса ядра mя всегда меньше суммы масс входящих в него частиц. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Она равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом.

Следовательно, согласно взаимосвязи массы и энергии

(E=mc2)

Ecв = c2 {[Zmp + (A – Z)mn] – mя}.

Это соотношение можно изменить, заменив mp – массой mн (атома водорода), массу ядра – mа. Тогда

Ecв = c2 {[Zmн + (A – Z)mn] – mа}.

Добавили и вычли Zmе (т. к. Zmе входит и в Zmн и в mа). Пренебрегаем лишь энергией связи электронов с ядром - она

мала.

Энергия связи нуклонов в ядре 2Не4 = 28,4 МэВ. В расчете на один нуклон 7,1 МэВ (для сравнения энергия связи электронов имеет величину, меньшую в 106 раз).

Для ядер с массовыми числами 50-60 нуклоны связаны сильнее всего ( ~ 8,7 МэВ). С ростом А уменьшается, для урана – 7,5 МэВ/нуклон (рис. 3).

Рис. 3

44

Поэтому возможны энергетически два процесса:

1)деление тяжелых ядер на несколько более легких;

2)слияние (синтез) легких ядер в одно.

Оба процесса сопровождаются выделением большого

числами А = 120 (уд. энергия связи равна 8,5 МэВ) приведет к высвобождению энергии в 240 МэВ.

Чтобы разделиться, тяжелое ядро должно пройти через ряд промежуточных состояний, энергия которых превышает энергию основного состояния ядра. Следовательно, ядру требуется дополнительная энергия, которая затем возвращается обратно, приплюсовывается к энергии, выделяющейся при делении за счет изменения энергии связи. В обычных условиях ядру неоткуда взять энергию активации. Она может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захваченных ядрами нейтронов лежит в основе действия реакторов и атомной бомбы.

Для слияния легкие ядра должны подойти друг к другу на близкое расстояние (~ 10-13 см), чему препятствует кулоновское отталкивание между ними. Поэтому ядра должны обладать огромными скоростями (процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией). Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд.

Радиоактивность

Радиоактивностью называют самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся

распад; 3) протонная радиоактивность; 4) спонтанное деление тяжелых ядер. Бывает искусственная и естественная. Закон радиоактивного распада формулируется следующим образом: для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность

45

λ того, что оно испытает превращение в единицу времени. Количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt,

dN = - λN dt (« - » – рассматривается приращение

нераспавшихся атомов),

N = Noe-λt ,

где N – количество нераспавшихся атомов; No – начальное число нераспавшихся атомов; λ – постоянная распада (вероятность того, что атом радиоактивного вещества испытает превращение в единицу времени);

No – N = No (1 – e-λt).

Т – период полураспада, 1/2 No = Noe-λТ,

Т = ℓn2/λ = 0,693/ λ.

Период полураспада для известных в настоящее время радиоактивных веществ колеблется в пределах от 3·10-7 c до 5·1015 лет. Новые продукты распада могут также оказаться радиоактивными. В результате возникает целый ряд радиоактивных превращений. Впервые радиоактивность была открыта французским ученым Беккерелем. Большой вклад внесли Пьер и Мария Склодовская-Кюри. Радиоактивное вещество является источником 3 видов излучения.

α – Распад: α – лучи представляют собой поток ядер гелия

2Не4 :

ZXA → Z-2YA-4 + 2He4, 92U238 → 90Th234 + 2He4,

(образуется торий 90Th234).

Кинетическая энергия α - частиц возникает за счет избытка энергии покоя материнского ядра над суммарной энергией покоя дочернего ядра и α - частицы. Эта избыточная энергия распределяется между α - частицей и дочерним ядром в отношении, обратно пропорциональном их массам. Энергии α - частиц, испускаемых данным веществом, строго определенные. В большинстве случаев радиоактивное вещество испускает

46

несколько групп α - частиц близкой, но различной энергии, так как дочернее ядро может возникать не только в нормальных, но и

ввозбужденных состояниях.

β– Распад: Существуют три разновидности β - распада. Ядро может испускать электрон, позитрон, в третьем случае (К - захват) ядро поглощает один из электронов К - слоя атома.

Первый вид протекает по схеме:

ZXA → Z+1YA + -1eo + ν .

β - Распад может сопровождаться испусканием γ – лучей (λ ~ 10-8 см). Причина их та же, что и в случае α – распада – дочернее ядро возникает не только в нормальном, но и в возбужденном состояниях. Участие в β – распаде третьей частицы продиктовано законом сохранения момента импульса. Спин нейтрино (или антинейтрино) = ½.

Второй вид распада (β+ - распад) протекает по схеме:

ZXA → Z-1YA + +1eo + ν.

Процесс β+ - распада протекает так, как если бы один из протонов исходного ядра превратился в нейтрон, испустив при

этом позитрон и нейтрино

р → n + e+ + ν.

Третий вид распада (К – захват) заключается в том, что ядро поглощает один из К – электронов своего атома, в результате чего один из протонов превращается в нейтрон,

испуская при этом нейтрино

р + е- → n + ν.

Возникшее ядро может оказаться в возбужденном состоянии. Переходя затем в более низкие энергетические

состояния, оно испускает γ – фотоны

ZXA + -1eo → Z-1YA + γ.

Место в электронной оболочке, освобожденное захваченным электроном, заполняется электронами из вышележащих слоев, в результате чего возникают рентгеновские лучи.

47

Протонная радиоактивность

При протонной радиоактивности ядро претерпевает превращение, испуская один или два протона (набл. в 1963 году группой советских физиков, руководимой Г.Н. Фировым).

Единица активности – распад/с, внесистемные единицы – кюри, (активность такого препарата, в котором происходит 3,700 · 1010 актов распада в секунду).

Ядерное взаимодействие

Между нуклонами существует сильное взаимодействие. Поле ядерных сил имеет характерные черты.

1.Ядерные силы являются короткодействующими (обнаруживаются на расстоянии ~ 10-13 см).

2.Не зависят от зарядов нуклонов (зарядовая независимость ядерных сил).

3.Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтон, только в том случае, когда их спины параллельны друг другу.

4.Ядерные силы обладают свойством насыщения, каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов (так как энергия связи примерно одинакова для всех ядер).

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов, аналогично тому, как заряженные частицы взаимодействуют посредством электромагнитного поля. Заряженные частицы обмениваются фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Такие фотоны называются виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования

e- D e- + ħw.

Суммарная энергия (e- + ħw) > энергии электрона, что как будто противоречит закону сохранения энергии. Но согласно

48

квантовой механике, энергия состояния, существующего время t, определяется лишь с точностью Е:

Е t ~ ħ.

Если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени t =ħ/Е (Е = ħw), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено.

В1934 году Тамм сделал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается посредством каких-то виртуальных частиц. В 1935 году японский физик Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200-300 раз большей массы электрона.

В1936 году Андерсон и Неддермейер обнаружили в

это и есть частицы, обусловливающие ядерное взаимодействие.

виртуальных π - мезонов, образующих поле ядерных сил:

1)p + n D n + π+ + n D p + n;

2)n + p D p + π- + p D p + n;

3)p + n D p + πо + n D p + n; p + p D p + πо + p D p + p; n + n D n + πо + n D n + n.

Поглощение мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами.

КОСМОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ

Научная физическая космология возникла в ХХ веке. А. Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности). Поэтому релятивистская космология сформировалась на основе идей и принципов общей теории относительности. На первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной, в частности, кривизне четырехмерного пространства.

Космологические модели Вселенной

А. Эйнштейн считал, что надо строить статическую (не меняющуюся со временем) модель Вселенной. В этой модели Вселенная не эволюционирует. Хотя уравнения общей теории относительности не давали таких статических решений.

Идея статической Вселенной возникла еще в древности и казалась привлекательной, т. к. питалась фактом видимой стационарности, неизменности астрологических тел и систем. В настоящее время установлена эволюция всех тех небесных тел и систем небесных тел, где раньше видели только неизменное свечение или постоянное движение по круговым орбитам. Эволюция заключена уже в радиоактивном распаде. Если бы Земля существовала вечно, то все радиоактивные вещества давно бы распались. Значит, с момента образования Земли прошло конечное время.

50