ГЛАВА 5. АТОМНАЯ ФИЗИКА. ФИЗИКА МИКРОМИРА

5.1. Основные представления о структуре вещества

С уровнем достигнутых знаний менялось и представления о структуре вещества. В качестве первичной системы микрообъектов сначала рассматривались молекулы как наименьшие единицы вещества. Сами представления о структуре молекулы постепенно совершенствовались и уточнялись. В дальнейшем исследователи установили, что при образовании структур различные атомы не просто взаимодействуют, но известным образом преобразуют друг друга, так в результате получается целостность или связанная система. Позднее структуру молекул стали связывать с понятием валентности элемента. В такой химической системе, как молекула, именно специфический характер взаимодействия атомов определяет новые целостные свойства молекулы.

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX века ученые считали:

1)что химические атомы каждого элемента неизменны, и существует столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время

—примерно 70);

2)атомы данного элемента одинаковы;

3)атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии, их

веса;

4)взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.

Начало теории строения атомного ядра связано с именами Марии Скло- довской-Кюри и Пьера Кюри, исследовавшими явление радиоактивности, в процессе которого вещество может испускать особые лучи. При этом происходит превращение одних химических элементов в другие. Впоследствии выяснилось (это связано с именем Э. Резерфорда), что радиоактивные лучи состоят из трех составляющих: α-лучи - являются потоком ионизированных (лишенных электронов) атомов гелия Не+, β-лучи – это поток электронов, а γ- лучи являются жестким (коротковолновым) электромагнитным излучением.

С помощью α-частиц в 1911 г. Э. Резерфорд «проникает» внутрь атома и доказывает существование положительно заряженного атомного ядра, в котором сосредоточена практически вся его масса. В 1919 г., Резерфорд получает ионизированные ядра водорода, которые он назвал протонами - р, предположив, что протоны являются структурной частью всех более тяжелых ядер.

106

Так как масса α-частицы равна приблизительно четырем массам протона, а заряд равен заряду двух протонов, то Резерфорд предсказывает существо-

вание электрически нейтральной частицы, масса которой равна массе про-

тона, получившей название нейтрона - n. В 1932 г. Дж. Чедвик открывает нейтрон в опыте по бомбардировке α-частицами бериллиевой мишени. После этого была предложена модель ядра атома, состоящего из протонов и нейтронов, которые удерживаются особым видом сил – ядерными силами, или сильными взаимодействиями. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу – нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния.

Атомное ядро напоминает каплю воды, в которой частицы взаимодействуют лишь с соседними частицами, а частицы, находящиеся на поверхности капли, стремятся втянуться внутрь, создавая поверхностное натяжение. С увеличением числа частиц в ядре возрастает ее объем, удаленные друг от друга протоны не притягиваются друг к другу ядерными силами, но силы электростатического отталкивания становятся соизмеримыми с силами ядерного взаимодействия. Такие ядра становятся неустойчивыми, электростатические силы разрывают их, что является причиной радиоактивности.

Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы. Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Протоны и нейтроны характеризуются одинаковой массой, равной 1,67 10-27 кг, называемой «атомной единицей массы» (а.е.м.). Электрон намного меньше нуклона, его масса равна 0,00055 а.е.м., поэтому практически вся масса атома сосредоточена в ядре.

Электроны, находящиеся на разных орбитах, связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного излучения, например света, атом возбуждается

и совершает квантовый переход с нижнего уровня на более высокий. В связи

сэтим говорят об энергетических уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы.

107

5.2. Многоэлектронный атом. Принцип Паули. Квантовомеханическое обоснование Периодического закона Д.И. Менделеева

В многоэлектронном атоме, заряд которого равен Ze, электроны будут занимать различные «орбиты» (оболочки). При движении вокруг ядра Z- электроны располагаются в соответствии с квантово-механическим законом, который называется принципом Паули (1925 г.). Он формулируется так:

1.В любом атоме не может быть двух одинаковых электронов, определяемых набором четырех квантовых чисел: главного п, орбитального l, магнитного т и магнитного спинового тs.

2.На определенной оболочке могут находиться в атоме не более 2п2 электронов.

Совокупность электронов в многоэлектронном атоме, имеющих одно и то же главное квантовое число п, называют электронной оболочкой. В каждой из оболочек электроны располагаются по подоболочкам, которые соответствуют определенному значению l. Так как орбитальное квантовое число l принимает значения от 0 до (п - 1), число подоболочек равно порядковому номеру оболочки п. Количество электронов в подоболочке определяется магнитным квантовым числом т, и магнитным спиновым числом ms. Значит, на первой оболочке («орбите») могут находиться только 2 электрона, на второй

—8, на третьей — 18 и т. д.

Принцип Паули сыграл выдающуюся роль в развитии современной физики. Так, например, удалось теоретически обосновать периодическую систему элементов Менделеева. Без принципа Паули невозможно было бы создать квантовые статистики и современную теорию твердых тел.

В 1869 г. Д.И. Менделеев открыл периодический закон изменения химических и физических свойств элементов в зависимости от их атомных масс. Д. И. Менделеев ввел понятие порядкового номера Z-элемента и, расположив химические элементы в порядке возрастания их номера, получил полную периодичность в изменении химических свойств элементов. Физический смысл порядкового номера Z-элемента в периодической системе был установлен в ядерной модели атома Резерфорда: Z совпадает с числом положительных элементарных зарядов в ядре (протонов) и, соответственно, с числом элек-

тронов в оболочках атомов.

Принцип Паули дает объяснение Периодической системы Д.И. Менделеева. Начнем с атома водорода, имеющего один электрон и один протон. Каждый последующий атом будем получать, увеличивая заряд ядра преды-

108

дущего атома на единицу (один протон) и добавляя один электрон, который мы будем помещать в доступное ему, согласно принципу Паули, состояние.

Уатома водорода Z = 1 на оболочке 1 электрон. Этот электрон находится на первой оболочке (К-оболочка) и имеет состояние IS, то есть у него

п= 1, а l = 0 (S-состояние), т = 0, ms = ± l/2 (ориентация его спина произвольна).

Уатома гелия (Не) Z = 2, на оболочке 2 электрона, оба они располагаются на первой оболочке и имеют состояние 1S, но с аптипараллельной ориентацией спинов. На атоме гелия заканчивается заполнение первой оболочки (К-оболочки), что соответствует завершению I периода Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. По принципу Паули, на первой оболочке больше 2 электронов разместить нельзя.

Уатома лития (Li) Z = 3, на оболочках 3 электрона: 2 — па первой оболочке (К-оболочке) и 1 — на второй (L-оболочке). На первой оболочке электроны в состоянии 1S, а на второй — 2S. Литием начинается II период таблицы.

Уатома бериллия (Be) Z = 4, на оболочках 4 электрона: 2 на первой оболочке в состоянии 1S и 2 на второй в состоянии 2S.

Уследующих шести элементов — от В (Z = 5) до Ne (Z = 10) — идет заполнение второй оболочки, при этом электроны находятся как в состоянии 2S, так и в состоянии 2р (у второй оболочки образуется 2 подоболочки).

Уатома натрия (Na) Z = 11. У него первая и вторая оболочки, согласно принципу Паули, полностью заполнены (2 электрона на первой и 8 электронов на второй оболочках). Поэтому одиннадцатый электрон располагается на третьей оболочке (М-оболочке), занимая наинизшее состояние 3S. Натрием открывается III период Периодической системы Д. И. Менделеева. Рассуждая подобным образом, можно построить всю таблицу.

Таким образом, периодичность в химических свойствах элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек у атомов родственных элементов. Так, инертные газы имеют одинаковые внешние оболочки из 8 электронов.

5.3. Ядерные реакции. Связь энергии и массы. Дефект масс

Любое ядро заряжено положительно, и величина заряда определяется количеством протонов в ядре Z (зарядовое число). Количество протонов и нейтронов в ядре определяет массовое число ядра А. Символически ядро записывается так: ZA X , где X — символ химического элемента. Ядра с одинаковыми

109

зарядовым числом Z и разными массовыми числами А, т.е. отличающиеся только количеством нейтронов называются изотопами. Например, уран в природе встречается в основном в виде двух изотопов 23592U и 23892U . Изотопы обладают одинаковыми химическими свойствами и разными физическими. Если же изменяется число протонов, то мы получаем новый элемент периодической таблицы Менделеева, обладающий совсем другими химическими свойствами.

Все изотопы можно разделить на стабильные (устойчивые) т.е. не подверженные самопроизвольному распаду ядер атома на части (распад в таком случае называется радиоактивным) и нестабильные - радиоактивные. Помимо радиоактивности ядерные реакции (превращения ядер) могут происходить при бомбардировке вещества другими частицами (например α-частицами). Особенно удачной оказывается бомбардировка нейтронами, которые электрически нейтральны и поэтому не отталкиваются протонами атомного ядра. Даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приблизиться к ядру на расстояние, при котором начинают действовать ядерные силы. Нейтрон придает ядру дополнительную энергию, после чего ядро может стать нестабильным и «развалиться» на более простые составляющие, которые отталкиваются друг от друга кулоновскими (электрическими) силами. При этом осколки ядра приобретают высокую энергию, которая в настоящее время используется как в мирных (атомные электростанции), так и в военных (атомная бомба) целях. Такие ядерные реакции называются реакциями деления.

Типичным примером является деления ядра изотопа урана 235U (235 – это атомная масса данного изотопа) под действием нейтрона n на два осколка А1 и А2 с образованием нейтрона n и высвобождением энергии Е: 235U + n → А1 + А2 + n + Е. Дочерние ядра А1и А2 оказываются радиоактивными, так как по сравнению со своими устойчивыми изотопами содержат излишнее количество нейтронов. Эти нейтроны могут «выбрасываться» из ядер. При каждом акте деления высвобождается 2-3 нейтрона, каждый из которых в свою очередь может вызвать расщепление еще одного ядра урана. В результате формируется цепная реакция, характеризующаяся лавинообразным расщеплением ядер урана. Для начала цепной реакции необходимо сосредоточить большое количество ядер урана в достаточно компактной области. Минимальная масса урана, при которой начинается цепная реакция деления, называется критической массой. Делиться могут только относительно неустойчивые тяжелые ядра.

110