Л.К. Мартинсок, Е.В. Смирнов - Квантовая физика (1023618), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Использование метода Томаса — Ферми позволило объяснить порядок заполнения электронами электронных оболочек в атомах. Этот метод также применяется в ядерной физике, в частности для описания заполнения нуклонами оболочек ядра. Свойства многоэлектронных атомов. Метод Хартрн — Фока позволяет выделить в многоэлектронном атоме отдельные электроны, определяя для каждого из них четыре квантовых числа и, 1, т и т,. Самосогласованное поле не является кулоновскнм полем, поэтому энергия электрона в заданном квантовом состоянии зависит не только от главного квантового числа п, но и от значения орбитального числа 1.
Электронную конфигурацию многоэлектронного атома можно описывать по аналогии с атомом водорода, указывая для каждого электрона значения главного и орбитального квантовых чисел. Если же несколько электронов в атоме находятся в состояниях с одинаковыми значениями л и 1, то число таких электронов при записи электронной конфигурации атома обычно указывают в виде показателя степени. Так, например, электронная конфигурация нормального состояния атома кислорода (л1 =8) записывается в виде 1з 2з~2р . Это означает, что из восьми электронов атома кислорода два электрона находятся в состояниях с л =1 и 1 = О, еще два электрона — в состояниях с п=2 н 1=0 и, наконец, четыре электрона — в состояниях с л = 2 и 1 = 1. Совокупность всех состояний с заданными значениями квантовых чисел п и 1 называется электронной оболочкой.
Оболочки, в свою очередь, объединяются в электронные слои. В каждом таком слое находятся электроны с одинаковыми значениями главного квантового числа п, причем число электронов, полностью заполняющих слой, равно 2п . Это обусловлено тем, что, согласно принципу Паули, у электронов атома не может быть одинаковых значений всех четырех квантовых чисел. 399 Для обозначения электронных слоев атома используются симво льк заимствованные из ренттеновской спектроскопии (табл. 6.2). Слой, отвечающий значению п= 1, обозначается буквой К, слой, отвечающий значению л = 2, — буквой Ь и далее по алфавиту.
Таблица 6,2 Воэможное число электронов Квантовое число Символ слов 18 32 0 50 Электроны К-слоя обладают значением квантового числа 1= 0, т. е. в К-слое могут находиться только в-электроны. Электроны 1 слоя могут иметь значения 1, равные О и 1, это означает, что в 1 слое находятся в- и р- электроны. Эти электроны образуют л- и р-оболочки Е-слоя. Для электронов М-слоя 1 может принимать значения О, 1 и 2, следовательно М-слой состоит из л-, р- и Н-оболочекит.д. Анализ электронных конфигураций различных атомов показывает, что учет принципа Паули приводит к определенной периодичности в заполнении электронных оболочек и слоев атомов. Именно этим и объясняется периодическая повторяемость химических свойств атомов, отраженная в периодической системе элементов Д.И.
Менделеева. Электронные конфигурации первых одиннадцати элементов периодической системы приведены в табл. 6.3. У атомов гелия и неона электроны полностью заполняют соответственно К- и 2 слои. С этим связана химическая инертность этих элементов. И гелий, и неон относятся к благородным газам. Их атомы, находясь в основном состоянии„не объединяются в молекулы и не вступают в химические реакции.
Таблица 6.3 Распределение электронов по оболочкам и слоям Число электронов Ф Атом эле- мента зр зн гр Зл Н Не Ь1 Ве О 10 401 У атомов лития и натрия за пределами полностью заполненных К- и Е- слоев имеется по одному электрону. Эти атомы входят в группу щелочных металлов и обладают высокой химической активностью.
Сходство химических свойств этих атомов, как и свойств атомов всех щелочных металлов, объясняется тем, что на внешней элегстронной оболочке у них имеется один слабосвязанный электрон. Еще одним примером, подтверждающим зависимость химических свойств элементов от структуры внешних электронных оболочек атомов, являются редкоземельные элементы. у атомов редкоземельных элементов по мере добавлении нового электрона заполняются внутренние И- или Т"-оболочки, а электронное заполнение более удаленной 6Т"-оболочки остается неизменным. В результате добавление электронов не сказывается на химических свойствах атомов и все редкоземельные элементы оказываются химически очень сходными.
7. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Ядра атомов, сущеспювание которых было доказано в опытах Резерфорда (1911), имеют пространственные размеры в сотни тысяч раз меньшие, чем сами атомы. При этом составные частицы ядер — протоны и нейтроны — удерживаются в ядрах за счет действия между ними мощных короткодействующих ядерных сил. В основе современной теории ядра лежит квантовая механика, которая дает качественное объяснение природы ядерных явлений. В сочетании с данными эксперимента она обеспечивает расчетный аппарат ядерной физики.
Несмотря на действие мощных ядерных сил между нуклонами, некоторые ядра оказываются нестабильными. Такие радиоактивные ядра распадаются с испусканием а-, р- и Т-излучений. В ядрах атомов заключен колоссальный запас ядерной энергии. Возможность высвобождения части этой энергии была предсказана теоретически и реализована на практике при осуществлении ядерных реакций деленна тюкелых ядер и синтеза легких ядер. Изучение структуры ядерной материи позволило существенно расширить представление об элементарных частицах.
В настоящее время известно несколько сотен элементарных частиц, их классификация проводится по типам взаимодействий, в которых может участвовать та или иная частица. Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность рождаться или уничтожаться при взаимодействии с другими частицами. Важнейшие этапы развития теории элементарных частиц связаны с релятивистской квантовой механикой, квантовой теорией поля, теорией электрослабого взаимодействия и кварковой теорией сильного взаимодействия — квантовой хромодинамлкой. 7.1. Атомное ядро Характеристики и состав ядра. Как показали опыты Резерфорда по рассеянию а-частиц с энергиями в несколько мегаэлек- 402 трон-вольт при прохождении их через вещество, основная масса материи в атоме не распределена равномерно по объему атома, а -!5 сконцентрирована в плотном ядре, размер которого (-10 м) составляет одну стотысячную часть размера самого атома.
В таком субатомном объекте сосредоточено почти 99,9 % всей массы атома. Поэтому плотность ядерного вещества очень велика и близка к з 2.10'7 кг/м . Атомное ядро имеет положительный заряд, кратный элементарному электрическому заряду е, и соответствующие спину ядра механический и магнитный моменты. Взаимодействие магнитных моментов электронов атома и его ядра приводит к расщеплению спектральных линий излучения атома, равному Ь2. — 10 ' м. Это расщепление обусловливает сверхтонкую структуру оптического спектра атома.
В 1932 г. Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. В дальнейшем это предположение получило полное экспериментальное подтверждение. Протон — стабильная положительно заряженная частица с зарядом +е и массой т, =1,67265 10 кг. Масса протона превышает массу электрона в 1836 раз, а его энергия покоя равна 1 938,26 МэВ. Протон имеет полуцелый спин з = —, а его собствен- 2 ный магнитный момент и, = +2,7928р„где ядерный магнетон определяется выражением 1ья — — — — — 5,051 10 Дж/Тл.
2жр Эта единица измерения магнитных моментов в ядерной физике в 1836 раз меньше магнетона Бора. Поэтому собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше собственного магнитного момента электрона. Нейтрон — открытая Д. Чедвиком в 1932 г. электрически незаряженная элементарная частица, масса которой ль, = 1,67495.10 ~7 кг, а энергия покоя 939,55 МэВ. Спин нейтрона з = 1 =-. Хотя нейтрон не имеет электрического заряда, он обладает 403 собственным магнитным моментом, равным р = -1,9131р . При этом знак минус указывает, что механический и магнитный моменты нейтрона имеют противоположные направления.
Ней ны устойчивы только в составе стабильных яд . Свободный не он — нестабильная частица. Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино (см. 7.4). Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 мин. Поскольку по некоторым свойствам (масса, спин) протон и нейтрон близки друг к другу, а в ядерном взаимодействии эти частицы неразличимы, обе эти ядерные частицы цазываются нуклонами (от лат. ппс1еиз — ядро). В таком представлении протон и Мицаи.к~".. ов т яния = 1и =0 одно част ы — на.
Для обозначения структуры атомного ядра обычно применяется запись вида где под Х подразумевается химический символ атома, состав ядра которого описывается числами У и А. Число У называется зарядовым числом. Оно равно количеству протонов в ядре. Кроме того, это число определяет заряд ядра, равный +Хе, и порядковый номер химического элемента в периодической системе, атом которого имеет У электронов. Число А нуклонов в ядре называется массовым числом. Зная числа У и А, можно определить число нейтронов в ядре: Ф = А — У.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
