III часть

Лекция 12

Элементы физики атомного ядра и элементарных

Частиц. Современная физическая картина мира

ПЛАН:

1. Введение.

2. Строение атома. Постулаты Бора.

3. Элементы квантовой механики.

4. Строение атомного ядра. Элементарные частицы.

5. Современная физическая картина мира.

I. Введение.

Гипотеза с том, что все вещества состоят из большего числа атомов, вводилась свыше 2 тысяч лет тому назад. Сторонники атомистической теории рассматривали атом как мельчайшую неделимую частицу (от греч. "атомос'' - неделимый) и считали, что все многообразие мира есть не что иное, как сочетание неизменных частиц -атомов.

Конкретные представления о строении атомов развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества.

Большая роль в этой области физической науки принадлежит* 8-н, впервые на научной основе поставил вопрос о единой природе атомов.

Открытия, совершенные во второй половине XIXв., заставили постепенно усомниться в справедливости представления об атомах как неделимых частицах. Очень важным стало открытие немецких ученых К. Кирхгофа и Р.Бунзена. Они обнаружили: каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий лишь этому элементу набор спектральные линий в спектрах испускания и поглощения. Это означало: свет испускается и поглощается отдельными атомами, а атом, в свою очередь; представляет собой сложную систему, способную взаимодействовать с электромагнитным полем.

Об этом же свидетельствовало явление ионизации атомов, обнаруженное при исследовании электролиза и газового разряда. Это явление можно было объяснить лишь предположив, что атом в про­цессе ионизации теряет часть своих зарядов или приобретает новые. Ответ на вопрос, что является носителем заряда, теряемого или приобретаемого атомом в процессе ионизации, был дан в самом конце Х1Хв. Оказалось, что таким носителем является электрон -отрицательно заряженная частица с массой me=9,1 10^-31кг и зарядом е=1,6 10^-19Кл.

2. Опираясь на эти открытия, английский физик Дж.Томсон в 1898г. предложил первую модель атома в виде положительно заряженного шарика радиусом порядка 10^-10м., в который вкраплены отдельные электроны, нейтрализующие положительный заряд.

Экспериментальная проверка модели атома Томсона была осу­ществлена в 1811г. английским физиком Э.Резерфордом. Для этой цели Резерфорд использовал поток быстрых положительно заряженных д* - частиц, испускаемых некоторыми так называемыми радиоактивны­ми веществами (например, полонием) и имеющих заряд +2е и массу, равную 6,64 10^-27кг.

Пропуская пучок -частиц через тонкую золотую фольгу, Резерфорд обнаружил, что некоторая часть частиц отклоняется на довольно значительный угол значительный угол от первоначального направления, а часть даже отражается от фольги. Этот результат был совершенно непонятен в рамках модели Томсона, т.к. положительный заряд атома, распределенный по всему объему, не мог оказать столь значительного воздействия на массивные и быстрые-частицы.

Обобщая результаты опытов, Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома,в которой атом представлен в виде миниатюрной Солнечной системы. Согласно этой модели, весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в атомном ядре. Размер ядра (~10^-15м) ничтожно мал по сравнению с размером атома (~10^-10м). Вокруг ядра по замкнутым эллиптическим орбитам, которые в первом приближении можно считать круговыми, движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Заряд ядра равен суммарному заряду электронов.

Модель атома Резерфорда была значительным шагом вперед. Однако предложенная Резерфордом модель строения атома и даже оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики.

В самом деле, движение электрона по орбите, как и всякое криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно за­конам классической электродинамики, криволинейное движение, есть движение с ускорением. Согласно законам классической электроди­намики, криволинейное движение должно сопровождаться излучением света соответствующей частоты. Следовательно, при движении электрона вокруг ядра атом должен непрерывно излучать энергию. Но уменьшение энергии приводит к уменьшению радиуса орбиты электрона - электрон должен двигаться по спирали, приближаясь к ядру. А так как скорость движения электронов остается неизмен­ной, то должна увеличиться и круговая частота излучения, т.е. спектр излучения должен быть сплошным. Непрерывно приближаясь к ядру, электрон через малое время должен упасть на ядро, т.е. в модели Резерфорда атом является неустойчивой системой. В действительности же атомы являются весьма устойчивыми системами и имеют линейчатые, а не сплошные спектры излучения.

Выход из затруднительного положения был предложен в 1913г. великим физиком нашего века Н.Бором. Он ввел идеи квантовой теории в ядерную модель Резерфорда и разработал теорию атома водорода, полностью подтвержденную экспериментально. В основе боровской теории атома лежат два основных положения - постулата:

1. Электроны могут двигаться в атоме только по определенным орбитам, находясь на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают.

Эти орбиты соответствуют стационарным состояниям электронов в атоме и определяются условием* mevnrn=nh/2, гдеrn- радиусn-й орбиты;Vn- скорость электрона на этой орбите;me- масса электрона;meVnrn- момент импульса электрона на этой орбите;n- целое число (n0).

2. Атом излучает и поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в дру­гое. Энергия кванта равна разности энергий стационарных состоя­ний электрона до (Е2) и после (E1) перехода:hv=E₂-E₁(h-постоянная планка, равная 6,62 10³⁴Джс;v- частота излучения)/*

Таким образом, частота электромагнитных волн, излучаемых атомом, определяется не частотой обращения электронов в атоме, а разностью энергий стационарных состояний атома.

Полная энергия электрона в атоме слагается из кинетической энергии при его движении по орбите и потенциальной энергии при­тяжения электрона к ядру.

Значение полной энергии электрона, находящегося на размещенной орбите, называется энергетическим уровнем атома.

Минимальной энергией атом обладает при движении электрона по ближайшей к ядру орбите; максимальной энергией - при удалении электрона из атома.

Частота колебаний соответствующего излучения при переходе электрона с одной разрешенной орбиты на другую определяется по формуле: v=E₂-E₁/h;

Итак, атом может излучать и поглощать энергию только вполне определенными порциями, которые соответствуют некоторым опреде­ленным длинам волн. Этим и объясняется природа линейных спектров.

3. Рождение теории Бора ознаменовало начало нового этапа в развитии современной физики, однако эта теория обладала рядом недостатков. Сам Бор первым заметил и подчеркнул слабые стороны предложенной им теории: искусственность планетарной модели, своеобразие понятий стационарных состояний, т.е. сочетание классических и квантовых понятий, теория Бора явилась промежу­точным звеном между классическими представлениями и новыми иде­ями волновой механики, которые сформировались к 1923 году.

Дальнейшее развитие атомной физики связано с именем фран­цузского физика Луи де Бройля. В 1924 году он высказывает мысль о том что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только излу­чению, но и частицам, например электронам; де Бройль предполо­жил, что движение электрона или какой-либо другой частицы, обла­дающей массой покоя, связано с волновым процессом. Этому процес­су соответствует волна (волна де Бройля), длина которой:

 = h/mv, гдеmv- модуль импульса движущейся частицы.

Основываясь на гипотезе де Бройля, можно объяснить постулат Бора: стационарными являются лишь те орбиты, на которых уклады­вается целое число волн де Бройля, т.е. 2rn=n.

Т.к. частицы вещества обладают волновыми свойствами, то мож­но наблюдать их интерференцию и дифракцию. Именно с этой стороны гипотеза де Бройля и получила экспериментальное подтверждение в целом ряде опытов, обнаруживших дифракцию электронов, протонов, нейтронов, атомов (опыты К.Девиссона и Л. Джермера в 1927 г. - рассеяние электронов на монокристалле никеля; опыты советского ученого П.С. Тартаковского - наблюдение дифракции электронов при прохождении ими тонкой алюминиевой фольги).

Идеи де Бройля и выявленные на опыте волновые свойства час­тиц вещества послужили толчком к созданию принципиально новой теории, описывающей поведение микрочастиц о учетом их волновых свойств. Этой теорией стала квантовая (волновая) механика, основой которой были созданы в 1925-1926 г.г. В. Гейзенбергом и В. Шредингером.

Для того, чтобы описать поведение любой частицы, нужно опре­делить ее координату X, импульс Р, энергию Е и т.д. В классичес­кой физике нет каких-либо ограничений, запрещающих с любой сте­пенью точности одновременно измерить, например, координату Х и импульс Р_х. В квантовой механике положение принципиально иное. Так как движущаяся частица обладает корпускулярно-волновым дуа­лизмом, то одновременное точное определение координаты Х и им­пульса Р_хневозможно. Законы квантовой механики получили вероят­ностную трактовку: они определяют вероятность появления того или иного события. Движение микрочастиц в квантовой механике описы­вается с помощью некоторой функции координат и времени - волно­вой функции(пси-функции), являющейся основной характеристи­кой частицы. Конкретный вид-функции (ее математическое выраже­ние) определяется состоянием частицы, характером действующих на нее сил. Физический смысл имеет не сама-функция, а квадрат ее модуля ||², характеризующий вероятность пребывания частицы в определенной точке пространства. Зная, как меняется-функция от точки к точке, можно судить о том, где вероятнее всего встретить частицу. Исходя из этого частицу удобно представить как бы "размазанной" в определенной области пространства в виде своеобразного облака переменной плотности. В атомной физике пользуются понятиемэлектронного облачка,распределенного в атоме или моле­куле. Плотность электронного облака является непосредственной мерой вероятности пребывания электрона в определенной точке.

Итак, в современных моделях атома используют понятие электронного облака, а не орбиты электрона. Форма, размеры и ориентация в пространстве электронного облака однозначно определяется четырьмя квантовыми числами:

- главное квантовое число nопределяет среднее расстояние электрона от ядра атома, т.е. размеры электронного облака. Для атома водорода, это число характеризует и энергию электрона. Главное квантовое число принимает значения п = 1, 2, 3, ....;

- орбитальное квантовое число 1 определяет значение момента импульса электрона и характеризует форму электронного облака. Оно принимает значения 1 = 0,1,2, .... n-1;

- магнитное квантовое число mопределяет положение облака в пространстве и принимает значенияm= 0, ±1, ±2, ..., ±1;

- спиновое квантовое число S, характеризующее собственный механический момент электрона, принимает одно из двух значений либо S= *±1/2, либоS= -1/2, других значений быть не может.

Квантовые свойства электронов, установленные теоретически, подтверждены экспериментально при изучении спектров, магнитных и электрических свойств атомов.

Состояние электрона в атоме о заданными квантовыми числами л и 1 обозначают так: Is, 2s, 2p, 3sи т.д. Здесь цифры 1,2,3, ... определяют значения главного, а буквыs,p,d- орбитального кван­товых чисел. Символамs,p,dсоответствуют значения 1 = 0,1,2, ...

Общее число всевозможных состояний электрона в атоме равно 2n². Это следует из принципа В. Паули (швейцарский физик): в одном м том же атоме не может быть двух электронов, обладающих одинаковым набором четырех квантовых чиcел: n, 1,m,* а. Другими словами, в одном м том же состоянии не могут находится одновре­менно два электрона. Электроны, занимающие совокупность состоя­ний с одинаковым значением главного квантового числа n, образуют электронную оболочку. Различают следующие оболочки: К(п=1),L(n=2),M(n=3),N(n=4). В каждой оболочке атома электроны расп­ределяются по подоболочкам, соответствующим определенному значе­нию орбитального квантового числа 1. В зависимости от 1 электрон находится в подоболочке с символамиs,p,d,fи т.д.

Проследим, как происходит заполнение оболочек. В атоме водо­рода один электрон, он находится в К-оболочке (п=1), у следующе­го элемента - гелия - два электрона и оба находятся в К-оболочке. В соответствии с принципом Паули на К-оболочке не может быть больше двух электронов (рис. 1а).

Следовательно, для гелия она уже заполнена. У атома лития три электрона, два из них находятся на К-оболочке, третий на L(п=2). На L-оболочке может находится 2п²= 8 электронов (рис. 16), заполнение L-оболочки заканчивается неоном. Рассуждения для п = 3,4.. можно продолжить. Итак, периодичность таблицы Менделе­ева совпадает с периодичностью заполнения электронных оболочек, следовательно, периодичность заложена в самой структуре атомов.

IV. Советским физиком Д. Д. Иваненко и немецким ученым В. Гейзенбергом в 1932 г. была предложена протон-нейтронная модель, согласно которой ядро любого химического элемента состоит из двух видов частиц: протонов и нейтронов, которые получили назва­ние нуклонов. Справедливость этой модели доказана эксперимен­тально, и в настоящее время она является общепризнанной. Коли­чество протонов в ядре определяет заряд ядра + Ze. ЗначениеZсовпадает с атомным номером соответствующего химического элемен­та в Периодической системе Менделеева. Количество нейтронов в ядре обозначают N. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А ядра; А=*

Атомы, ядра которых состоят из одинакового числа протонов, но из различного числа нейтронов, называются изотопами. Сущест­вование изотопов было установлено еще в 1910 году английским физиком Ф. Содди. Все химические элементы представляют собой природные смеси изотопов. 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 определяются главным образом строением электронной оболочки. Но физические свойства, обусловленные структурой ядра заметно отличаются (массовое число; плотность, радиоактивность).

Большинство ядер представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами, входящими в состав ядра, действуют силы кулоновокого отталкивания. Устойчивость ядер свидетельствует о том, что в ядрах действуют специфические силы притяжения, назы­ваемые ядерными силами. Взаимодействие между нуклонами в ядре является примером сильных взаимодействий - взаимодействий через ядерные силы. Ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1) они являются силами притяжения;

2) это короткодействующие силы, их действие проявляется на расстоянии порядка 10^-15м (это расстояние - радиус действия ядерных сил);

3) ядерные силы обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между протоном и нейтроном, между двумя протонами или между двумя нейтронами одинаковы);

4) ядерные силы не являются центральными как, например, гравитационные и кулоновские силы;

5) ядерные силы обладают свойством насыщения (каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов).

Следствием этого свойства является почти линейная зависимость энергии связи в ядре от массового числа. Кроме того, удельная энергия связи нуклонов в ядре при увеличении числа нук­лонов остается примерно постоянной.

Энергия связи является мерой устойчивости ядра. Она равна той энергии, которую нужно затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны: Есв. =mс², гдеm= [Zm_p+ (A-Z)m_n- Мя ] - дефект массы (разность между суммой масс протонов и нейтронов, находящихся в свободном состоянии, и массой ядра, составленного из этих частиц).

Наиболее устойчивы ядра легких элементов. У самых тяжелых элементов, ядра которых состоят из большого числа нуклонов, ядерные силы не обеспечивают достаточной устойчивости ядра. Та­кие ядра радиоактивны.

Радиоактивность - самопроизвольное превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотоп другого химическо­го элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц или ядер.

Радиоактивность, наблюдающаяся у изотопов, существующих в природных условиях, называется естественной. Радиоактивность изотопов, полученных посредством ядерных реакций, называется ис­кусственной. Принципиального различия между искусственной и ес­тественной радиоактивностью нет.

Естественная радиоактивность была открыта в 1896 г. фран­цузским ученым А. Беккерелем. Большой вклад в изучение радиоак­тивных веществ внесли Пьер Кюри и Мария Складовская-Кюри. Ради­оактивные вещества являются источником трех видов излучения:

-лучи (ядра атома гелия);

-лучи (поток электронов);

-лучи (электромагнитное излучение очень малой длины волны).

Итак, нуклоны в ядре прочно связаны ядерными силами. Но, до настоящего времени, законченной теории ядерных сил нет. В 1936 г. японский физик X.Юкава высказал гипотезу: в ядрах протоны и нейтроны с чудовищной быстротой как бы обмениваются частицами, которые обладают массой в 200-300 раз большей, чем электрон. Эти частицы назвали -мезонами (-мезон открыт в космическом излуче­нии в 1947 году).

Строение нуклона в настоящее время представляется следую­щим: в центре находится ядро-керн, радиус которого 0,3 10^-15м. Керн окружен "облаком", состоящим из мезонов. Носителем ядерных сил являются п-мезоны: существуют⁺- положительный,^-- отри­цательный и нейтральный^о-мезоны.

Элементарные частицы.

По смыслу термин "элементарная" частица означает "простей­шая", "далеко неделимая" частица. Однако частицы, называемые элементарными, не вполне отвечают этому определению. Ряд экспериментальных фактов указывает на существование структуры элементарных частиц, например, нуклонов. Исторически первой экспериментально обнаруженной элементарной частицей является электрон (ДЖ. ДЖ. Томсон, 29 апреля 1897 г. исследование катодных лучей). На сегодня известно порядка 400 элементарных частиц. Хотя в настоящее время дать строгое определение элементарной частице невозможно, мы все-таки, попытаемся его дать.

Элементарными называют такие частицы, которые нельзя считать соединением других, более "простых" частиц. Взаимодействуя с другими частицами, они должны вести себя как единое целое.

Все элементарные частицы претерпевают взаимопревращения друг в друга. Большинство из них нестабильны. Исключение составляют фотон, электрон, нейтрино. сое частицы имеют античастицы, кото­рые отличаются от частиц знаком электрического заряда, направле­нием спина. При столкновении частицы и античастицы они аннигили­руют, т.е. превращаются в гамма-кванты. Возможен и обратный про­цесс. Пара частиц рождается фотоном, взаимодействующим о полем ядра. Это является доказательством взаимного превращения вещест­ва и поля.

Различают четыре вида взаимодействия элементарных частиц друг с другом: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое, гра­витационное. Каждому взаимодействию соответствует свое поле.

К важнейшим характеристикам, определяющим свойства элемен­тарных частиц, относятся их масса, электрический заряд, спин, время жизни. В настоящее время существует гипотеза, согласно ко­торой большинство элементарных частиц являются комбинацией кварков и антикварков. Однако, кварки в свободном состоянии не обна­ружены, несмотря на многочисленные поиски. Сейчас трудно судить о том, точна ли гипотеза кварков. Важно одно, что положено нача­ло созданию единой теории, объединяющей четыре фундаментальных взаимодействия.

V. Современная физическая картина мира.

Познание мира человеком есть диалектически сложный и проти­воречивый процесс, творческий по своему характеру. До 1873 г. господствовала механическая картина мира, которая сменилась ре­лятивистской физической картиной мира. Первым шагом на пути построения новой научной физической картины мира явилась гипоте­за М. Планка: атомы излучают свет дискретными порциями, кванта­ми. А. Эйнштейном было высказано предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами. Следующим шагом явилась модель атома водорода, предложенная в 1913 г. Н. Бором. Эта модель построена.на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами.

Наконец в 1924 г. Луи де Бройль сформулировал общий принцип, важный для построения новой физической теории, принцип корпус-кулярно-волнового дуализма. По существу, это была попытка синте­зировать две физические картины мира: ньютоновскую (корпускуляр­ную) и максвелловскую (полевую-волновую). Окончательно новая фи­зическая теория, получившая название квантовой, приобрела за­вершенную форму благодаря трудам Э. Шредингера.

В течение ряда десятилетий физики считали своей главной за­дачей проникновение в структуру материи. Исследование электронной оболочки атома, а на этой основе и свойств твердого тела стало эпохальным для физики XX века. Проникновение в структуру атомного ядра, а затем и в структуру ряда типов частиц стало продолжением научного штурма общих принципов структурной органи­зации материи.

Итак, обобщим имеющиеся сведения с точки зрения современной физики на структурные формы материи, закономерности их взаимодействия, основываясь на неисчерпаемости материи и возможности ее познания.

С точки зрения современной физики обобщать эти сведения нач­нем с элементарных частиц, т.к. на ранней стадии развития Все­ленной именно они образовывались первыми. На сегодняшний день известно несколько сотен (порядка 400) элементарных частиц. Многочисленными исследованиями установлено, что истинно элементарными частицами, не проявляющими внутренней структуры, на сегодняшний день можно считать лишь фотоны и лептоны. Наличие большо­го числа элементарных частиц наводит на мысль, что не все они являются простейшими. В 1964 г. независимо друг от друга М. Гелл-Ман и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой большинство известных элементарных частиц построены из так называемых фундаментальных - "первичных" частиц-кварков. Опыты по рассеянию нейтрино и электронов сверхвысоких энергий на нуклонах подтвердили кварковую структуру протонов и нейтронов. Но "расщепить" нуклоны на кварки не удалось. К сожалению, кварки не наблюдаются в свободном состоянии.

Рассуждения об элементарных частицах в конце концов приводят нас к строению атомов и молекул, поскольку именно из них постро­ен весь окружающий нас мир и мы сами. Атом обусловливает индиви­дуальность любого химического элемента. В ядро атома входят про­тоны и нейтроны. Электронные оболочки атомов связывают их в мо­лекулу. Ядра атомов тяжелых элементов могут самопроизвольно превращаться в ядра более легких атомов. Этот процесс может ид­ти и в обратном направлении. Из ядер атомов легких элементов мо­гут образовываться ядра атомов более тяжелых элементов. Это про­исходит при термоядерных реакциях, которые протекают, например, в недрах звезд. Первоначальная задача физики элементарных частиц заключалась в том, чтобы найти элементарные структурные единицы материи.

Развитие представлений об эволюции Вселенной из сверхплотно­го состояния подсказало другую постановку вопроса: что, если фундаментальные структурные единицы материи возникли в процессе расширения Вселенной, в сложной динамике так называемого большо­го взрыва? Богатое разнообразие элементарных частиц, возникающих в ходе взаимодействия при высоких энергиях, практически не су­ществует в естественных взаимодействиях при малых энергиях. Од­нако такое разнообразие могло существовать в начале большого взрыва и, возможно, при том состоянии Вселенной, которое получи­ло название сингулярность, т.е. состояние сверхплотного сжатия и гигантских температур. И, вероятно, от него ведут свое начало сегодняшние стабильные элементарные частицы, составляющие строи­тельный материал Вселенной в теперешнем ее состоянии.

Особенностью элементарных частиц является их взаимопревращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц, по современным данным, соответствуют четыре типа взаимодействий: слабое, сильное (ядерное), электромагнитное, гравитационное. Каждому типу взаимодействий соответствует свое поле, и кванты этого поля, т.е. взаимодействия, являются обменными, иначе говоря, частицы в процессе взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу возможности объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц как различные проявления единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействия в микромире: слабое, сильное, электромагнитное, там называемое "великое объединение". Более смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны.

Таким образом, изучение свойств микрочастиц и их взаимо­действий помогает понять эволюцию Вселенной, начиная с момента ее расширения до наших дней. С точки зрения современной физики, все многообразие видов материи может быть сведено к существованию двух основных ее видов: вещества и поля.

Физические поля обладают свойством связывать элементарные частицы в атомы, молекулы, макротела, планеты и т.д.

Всякое изменение, происходящее в окружающем мире, представляет движение материи. Источником же движения являются четыре типа физических взаимодействий. При движении частица обладает и волновыми свойствами. Таким образом, на данном этапе развития физика утверждает, что корпускулярно-волновой дуализм присущ всем формам материи.

Итак, в мире ничего иного не существует, кроме движущейся материи, существующей вечно. Познание мира есть процесс бесконечный. Элементарное и сложное в строении вещества - понятия относительные, и предназначение Человека состоит в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную.