Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Karpenkov / Карпенков, Степан - Концепции современного естествознания

.pdf
Скачиваний:
309
Добавлен:
11.03.2016
Размер:
4.89 Mб
Скачать

ной. Изменение знака волновой функции не означает изменения состояния частиц, поскольку физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции. В квантовой механике принято: характер симметрии волновой функции не меняется со временем. Свойство симметрии или антисимметрии — характерный признак определенного класса микрочастиц.

Симметрия или антисимметрия волновых частиц определяется спином частиц — их собственным моментом импульса. В зависимости от характера симметрии все элементарные частицы и построенные из них системы (атомы, молекулы) делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Фер- ми—Дирака; такие частицы называются фермионами. Частицы с нулевым или целочисленным спином (например, пимезоны, фотоны), описываемые симметричными волновыми функциями и статистикой Бозе—Эйнштейна, относятся к классу бозонов. Сложные частицы (например, атомное ядро), состоящие из нечетного числа фермионов, являются фермионами (суммарный спин — полуцелый), а из четного — бозонами (суммарный спин — целый).

Зависимость характера симметрии волновых функций системы тождественных частиц от спина частиц теоретически обоснована швейцарским физиком В. Паули (1900—1958). Обобщая результаты экспериментов, он сформулировал принцип, согласно которому

системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями

Это квантово-механическая формулировка принципа Паули. Из него следует более простая формулировка, введенная в 1925 г. (еще до создания квантовой механики):

всистеме одинаковых фермионов любые два из них не могут находиться

водном и том же состоянии.

Следует отметить, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не ограничивается.

Состояние электрона в атоме однозначно определяется набором четырех квантовых чисел: главного, орбитального, магнитного и спинового. Распределение электронов в атоме подчиняется принципу Паули. Для атома он формулируется так:

в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел.

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

151

Принцип Паули, определяющий правило заполнения электронных оболочек атомов, позволяет объяснить Периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Расположив химические элементы по мере возрастания порядковых номеров, Д.И. Менделеев обосновал периодичность изменения химических свойств элементов. Наряду с известными в то время 64 химическими элементами некоторые клетки таблицы оказались незаполненными, так как соответствующие им элементы (например, Ga, Se, Ge) тогда еще не были известны. Д.И. Менделеев не только правильно расположил известные элементы, но и предсказал существование новых, еще не открытых элементов и их основные свойства.

Поскольку химические и некоторые физические свойства элементов объясняются внешними (валентными) электронами в атомах, периодичность свойств химических элементов непосредственно зависит от периодичности электронов в атомах. При объяснении последовательного расположения элементов в таблице удобно считать, что каждый атом последующего элемента образуется из предыдущего прибавлением одного протона и соответственно прибавлением одного электрона в электронной оболочке атома. Открытая Д.И. Менделеевым периодичность химических свойств элементов объясняется повторяемостью в структуре внешних оболочек атомов родственных элементов. Периодическая система Д.И. Менделеева — фундаментальный закон природы.

Принципы причинности и соответствия. На основании анализа принципа неопределенности некоторые философы пришли к выводу о неприменимости принципа причинности к микропроцессам. В классической механике, согласно принципу причинности, по известному состоянию системы в некоторый момент времени (полностью определенным значениям координат и импульсов всех частиц системы) и силам, приложенным к ней, можно описать ее состояние в любой последующий момент. В классическом представлении принцип причинности означает:

состояние механической системы в начальный момент времени с известным законом взаимодействия частиц есть причина, а ее состояние в последующий момент — следствие.

Совсем другая ситуация с микрообъектами: они в соответствии с принципом неопределенности не могут характеризоваться одновременно определенными координатой и импульсом, откуда следует вывод: в начальный момент времени состояние системы точно не определено. Если же начальное состояние системы не определено, то нельзя предсказать ее последующие состояния, а это означает, что нарушается принцип причинности. Однако в реальном случае никакого нарушения нет, поскольку в квантовой механике понятие состояния микрообъекта имеет совершен152

но другой смысл, чем в классической механике. В квантовой механике состояние микрообъекта полностью определяется волновой функцией в данный и последующие моменты времени. Таким образом,

состояние системы микрочастиц, определяемое в квантовой механике, однозначно вытекает из предшествующего состояния, как того требует принцип причинности.

В становлении квантово-механических представлений важную роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 г. принцип соответствия:

всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает ее полностью, а включает в себя, указывая границы ее применения, причем в определенных предельных случаях новая теория переходит в старую.

Так, формулы кинематики и динамики релятивистской механики переходят при скоростях, много меньших скорости света в вакууме, в формулы механики Ньютона. Волновыми свойствами обладают все тела, однако для макроскопических тел ими можно пренебречь, т.е. для них применима классическая механика.

Практические аспекты квантово-механической концепции. Квантово-механическая концепция, описывающая, казалось бы, загадочный и далекий от обычных представлений микромир, все активнее вторгается в практические сферы человеческой деятельности. Появляется все больше приборов, основанных на квантово-механических принципах — от квантовых генераторов (лазеров, мазеров и др.) до многообразных микроэлектронных устройств. Видимо, пришел черед и вычислительной техники — предполагается, что компьютеры, построенные на квантовых вычислительных элементах, совершат переворот в разработке современных мощных вычислительных средств. Вполне возможно, что через ка- кое-то время квантовый компьютер станет инструментом, столь же привычным, как сегодня обычный компьютер.

4.4.СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ СИСТЕМЫ

Ксовременным объектам изучения атомной физики относятся не только атомы с их сложным строением, но и различные атомные системы

снеобычной структурой, определяющей их уникальные химические и физические свойства. К таким атомным системам относятся эксимерные молекулы, кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и др.

Эксимерные молекулы существуют только в возбужденном состоянии. Известно, что атомы благородных газов, как правило, не образуют химических соединений. Исключение составляют фториды криптона и ксенона, а также некоторые их производные, синтезированные в послед-

153

ние десятилетия. Такое свойство благородных газов объясняется тем, что их атомы не имеют электрона в незаполненных оболочках, который мог бы составить пару электрону другого атома с противоположным спином. Наличие подобной пары является необходимым условием образования ковалентной химической связи, обеспечивающей стабильность химического соединения. В возбужденном состоянии атома благородного газа электрон занимает одну из незаполненных оболочек и может составить пару электрону другого атома, что дает возможность образования молекулы с атомом благородного газа. Такие молекулы называются эксимерными.

Эксимерная молекула, потенциальная энергия которой превышает энергию основного состояния, не может существовать долго. Она распадается в течение нескольких наносекунд, излучая световой квант. Несмотря на непродолжительное время жизни, эксимерная молекула имеет все признаки химического соединения. Она обладает колебательными и вращательными степенями свободы и способна вступать в химические реакции. Главная особенность эксимерных молекул состоит в том, что они представляют собой готовую активную среду для создания эксимерных лазеров — мощных квантовых генераторов ультрафиолетового излучения.

Кластеры занимают промежуточное положение между молекулярным и конденсированным состоянием вещества. Возникает вопрос: как много атомов необходимо собрать вместе, чтобы полученное образование обладало свойствами конденсированного вещества? Этот вопрос привлек внимание исследователей к изучению объектов, названных кластерами, состоящих из относительно небольшого количества атомов или молекул. Кластеры получаются при охлаждении газа в результате его расширения в сверхзвуковом сопле. Возможен и другой способ их получения: при взаимодействии сфокусированного источника энергии (лазерного луча, либо пучка заряженных частиц высокой энергии) с веществом, находящимся в конденсированном состоянии, образуется своеобразная среда, содержащая кластеры различных размеров.

Кластеры находят практическое применение в современной нанотехнологии. При осаждении потока кластеров на подложку можно сформировать элемент электронной схемы, размеры которого составляют десятки нанометров, и получить, например, полупроводниковую зону чрезвычайно малых размеров.

Фуллерены — новая разновидность многоатомных молекул углерода, открытая в результате экспериментального исследования структур кластеров. Молекула фуллеренов состоит из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода. Структура фуллерена представляет собой замкнутую поверхность сферы или сфероида, состоящую из правильных шести- и

154

пятиугольников с атомами углерода в их вершинах (рис. 4.2). Число пятиугольников всегда равно 12, а число шестиугольников может быть различным. Наиболее устойчивой оказалась молекула С60 с двадцатью шестиугольниками. За открытие фуллеренов английскому ученому Гарольду Крото и двум его американским коллегам — Роберту Керлу и Ричарду Смэллу — присуждена Нобелевская премия по химии 1996 г. Это открытие, как иногда случается в науке, не было результатом целенаправленного поиска. К нему привели многолетние работы по исследованию кластеров и расшифровке спектральных линий поглощения межзвездного вещества.

В результате реакции присоединения водорода по ненасыщенным связям углерода при высоких давлениях и температурах можно создать модификацию фуллеренов с исключительно высокой удельной емкостью по водороду, что представляет практический интерес при разработке эффективных аккумуляторов водорода. Фуллерены обладают высокой химической активностью и способны образовывать множество новых химических соединений с необычными свойствами. Химические соединения фуллеренов, в состав которых входят шестичленные кольца углерода с одинарными и двойными связями, образуют трехмерный аналог ароматических веществ. Кристаллы фуллеренов — полупроводники с фотопроводимостью в видимой области спектра излучения. Легированные атомами щелочных металлов, фуллерены обладают сверхпроводимостью при температуре 18—40 К. Использование фуллеренов в качестве присадки к смазочному маслу существенно (до 100 раз) снижает коэффици-

155

ент трения металлических поверхностей и соответственно повышает срок службы деталей. Возможно, фуллерены найдут применение в медицине и фармакологии.

Углеродные нанотрубки представляют собой протяженные молекулярные структуры углерода в виде полого цилиндра (рис. 4.3). Технология их формирования такая же, как и для фуллеренов: они образуются при термическом распылении графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Длина однослойных или многослойных молекулярных нанотрубок углерода достигает десятков микрометров, что на несколько порядков превышает их диаметр, составляющий от одного до нескольких нанометров. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферой.

Углеродные нанотрубки обладают необычными свойствами. Так, нанотрубки с открытыми концами проявляют капиллярный эффект — способность втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. С их помощью можно сформировать р-п-переход нанометровых размеров. Благодаря чрезвычайно малому поперечному размеру нанотрубки, с ее помощью можно усилить электрическое поле. Электрические свойства нанотрубок в сочетании с высокой прочностью открывают возможность их использования в качестве материала для зонда сканирующего микроскопа, что позволяет существенно повысить его разрешающую способность.

Таким образом, рассмотренные атомные системы могут составить основу для синтеза новых перспективных материалов — материалов XXI в. с уникальными физическими и химическими свойствами.

4.5. ЯДЕРНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Строение атомного ядра. Примерно через 20 лет после того как Резерфорд «разглядел» в недрах атома ядро, был открыт нейтрон — частица, похожая на ядро атома водорода — протон, но без электрического заряда. С открытием нейтронов появилась возможность экспериментально исследовать структуру и свойства ядра — нейтронами удобно бомбардировать ядро: электрическое поле ядра не отталкивает их, и даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приближаться к нему на такое расстояние, при котором проявляется сильное взаимодействие, т.е. возникают ядерные силы притяжения.

Из опытов Резерфорда следовало, что размер ядра атома 10-14—10-15 м (размер атома — около 10-10м). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра предложена известным российским физиком Д.Д. Иваненко (1904—1994), профессором МГУ им. М.В. Ломоносова, и затем развита В. Гейзенбергом.

156

Протон имеет положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и массу покоя, превосходящую массу электрона примерно в 1836 раз. Нейтрон — нейтральная частица с массой покоя, приблизительно равной массе покоя протона (нейтрон немного тяжелее протона). Он стабилен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около 12 мин.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus — ядро), а общее их число — массовым числом А. Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где е — заряд протона, Z — зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Заряд ядра определяет специфику химического элемента, т.е. число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер

внутриатомного электрического поля.

 

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом:

где

X — символ химического элемента. Ядра с одинаковыми значениями Z, но разными А (т.е. с разными числами нейтронов N = А — Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z — изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа: — протай (Z= 1, N=0), — дейтерий (Z= 1,N= 1), — тритий (Z= l,N= 2). В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изотопы, например изотопы водорода).

Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, ядерные силы — силы только притяжения, насыщение, зависимость от взаимной ориентации спинов нуклонов и др.

Весьма сложный характер ядерных сил и трудность точного решения уравнений движения всех нуклонов ядра не позволили пока разработать единую последовательную теорию атомного ядра.

Дефект массы и энергия связи ядра. Масс-спектроскопические измерения показывают, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Разность суммы масс нуклонов и массы ядра называется дефектом массы m. Поскольку всякому изменению массы соответствует изменение энергии, при образовании ядра выделяется энергия. Из закона сохранения энергии следует и обратное: для разделения ядра на составные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделяется при его образовании. Энергия, которую необходимо за-

157

тратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра Есв. Она определяется формулой

Eсв= тс2,

где с — скорость света.

Обычно рассматривают удельную энергию связи — среднюю энергию связи, приходящуюся на один нуклон. Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер (чем больше удельная энергия связи, тем устойчивее ядро) и зависит от массового числа А. Для легких ядер 12) с увеличением А удельная энергия связи круто возрастает до 6 — 7 МэВ (1 МэВ = 106 эВ), претерпевая ряд скачков, затем сравнительно плавно увеличивается до максимального значения 8,7 МэВ для элементов с А = 50 — 60, а потом постепенно уменьшается; например, для изотопа тяжелого элемента урана-238 она составляет 7,6 МэВ (для сравнения отметим, что энергия связи валентных электронов в атомах около 10 эВ (приблизительно в 106 раз меньше!). Уменьшение удельной энергии связи при переходе к тяжелым элементам объясняется тем, что с возрастанием числа протонов в ядре увеличивается энергия их кулоновского отталкивания. Поэтому связь между нуклонами ослабевает, и сами ядра становятся менее прочными.

Наиболее устойчивыми с энергетической точки зрения оказываются ядра элементов средней части таблицы Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два ядерных процесса:

1)деление тяжелых ядер на более легкие (цепная реакция);

2)слияние легких ядер и образование более тяжелых (синтез ядер). Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цеп-

ной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии.

Радиоактивность. В 1896 г. французский физик А.А. Беккерель (1852—1908) при исследовании люминесценции солей урана обнаружил самопроизвольное излучение неизвестной природы, которое действовало на фотопленку, ионизировало воздух, проникало через тонкие металлические пластинки, вызывало люминесценцию ряда веществ. Немного позднее французские ученые, супруги Кюри — Мария (1867—1934) и Пьер (1859—1906) — наблюдали подобное излучение и для других веществ — тория и актиния. Обнаруженное излучение было названо радиоактивным, а сама способность его самопроизвольного испускания — радиоактивностью. За открытие радиоактивности Пьер Кюри, Мария 158

Склодовская-Кюри и А. Беккерель удостоены Нобелевской премии по физике 1903 г.

Дальнейшее исследование показало, что радиоактивное излучение не зависит от состава химического соединения, его агрегатного состояния, давления, температуры, т.е. от тех факторов, которые связаны с изменением состояния электронной оболочки атома. Поэтому был сделан вывод: радиоактивные свойства элементов обусловливаются структурой атомного ядра.

В современном представлении радиоактивность — способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную, наблюдаемую для существующих в природе неустойчивых изотопов, и искусственную — для изотопов, полученных посредством ядерных реакций. Принципиального физического различия между ними нет: для них характерны одни и те же закономерности радиоактивного превращения.

Известны три основных вида радиоактивного излучения: альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение отклоняется электрическим и магнитным полями, обладает высокой ионизирующей способностью и слабой проникающей способностью (поглощается, например, слоем алюминия толщиной примерно 0,05 мм). Оно представляет собой поток ядер гелия. Заряд альфа-частиц положителен и по модулю равен двойному заряду электрона.

Бета-излучение также отклоняется электрическим и магнитным полями. Оно характеризуется сравнительно слабой ионизирующей способностью и относительно высокой проникающей способностью (поглощается слоем алюминия толщиной около 2 мм). Одна из разновидностей бе- та-излучения — поток быстрых электронов.

Гамма-излучение не отклоняется ни электрическим, ни магнитным полем, обладает сравнительно слабой ионизирующей способностью и очень высокой проникающей способностью (проходит через слой свинца толщиной 5 см). Гамма-излучение — это коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны (не более 10-10 м), что и обусловливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.

159

Естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно, называется радиоактивным распадом. Скорость радиоактивного распада определяется законом радиоактивного распада:

число нераспавшихся ядер N убывает со временем по экспоненте:

где N0 — начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени t = 0); N — число нераспавшихся ядер в момент времени t; λ — постоянная радиоактивного распада.

Постоянная радиоактивного распада характеризует вероятность распада отдельного ядра в единицу времени, а обратная ей величина — среднее время его жизни. Время, в течение которого исходное число радиоактивных ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада.

Цепная реакция деления. Наблюдению цепной реакции деления ядер предшествовало открытие нейтрона — нейтральной частицы, не испытывающей кулоновского отталкивания и поэтому легко проникающей в ядро. Интересна история открытия нейтрона. В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер, облучая бериллий альфа-частицами, обнаружили излучение высокой проникающей способности. Поскольку сильно проникающими могут быть только нейтральные частицы, было предположено, что обнаруженное излучение — жесткие гамма-лучи. Дальнейшие эксперименты показали, что наблюдаемое излучение, взаимодействуя с водородосодержащими соединениями, выбивает протоны, а из расчетов следовало, что предполагаемые гамма-кванты должны обладать необычно большой энергией, что вызывало сомнение. При объяснении полученных результатов эксперимента английский физик Д. Чедвик (1891—1974) в 1932 г. сделал вывод: новое проникающее излучение представляет собой не гамма-кванты, а поток тяжелых нейтральных частиц, названных им нейтронами.

Характер ядерных реакций под действием нейтронов зависит от их скорости (энергии). В зависимости от энергии нейтроны условно делят на две группы: медленные и быстрые. Нейтроны с энергией до 104 эВ — медленные, а с энергией, большей 104 эВ, — быстрые. Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций: они могут находиться относительно долго вблизи атомного ядра. Однако их энергия сравнительно мала, поэтому они не могут вызвать неупругое рассеяние. В то же время быстрые нейтроны способны превратить один радиоактивный изотоп в другой.

160

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.