Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. - Квантовая физика (2004) (1076130), страница 60
Текст из файла (страница 60)
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 1,- слои. С этим связана химическая инертносп 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 У атомов лития и натрия за пределами полностью заполненных К- и 1.- 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 электронной оболочке у них имеется один слабосвязанный электрон. Еще одним примером, подтверждающим зависимосп химических свойств элементов от структуры внешних электронных оболочек атомов, являются редкоземельные элементы.
У атомов редкоземельных элементов по мере добавления нового электрона заполняются внутренние Ы- 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. 401 7. ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ Ядра атомов, существование 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 деления тяжелых 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 нли 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 сконцентрирована в плотном ядре, размер которого (-10 м) -15 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' 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 А2, - 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 зто предположение получило полное экспериментальное подтверждение. Протон — стабильная положительно заряженная частица с зарядом +е и массой т = 1,67265 10 ~~кг. Масса протона превы- Р шаег 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 Джил. 2т, 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 т„ = 1,67495 10 ~~ кг, а энергия покоя 939,55 МэВ. Спин нейтрона з = 1 =-. Хотя нейтрон не имеет электрического заряда, он обладает 2 403 собственным магнитным моментом, равным р = -1,9131(4„. При этом знак минус указывает, что механический и магнитный моменты нейтрона имеют противоположные направления.
Не" оны устойчивы только в составе стабильных яде . Свободный ней 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 друту, а в ядерном взаимодействии эти частицы неразличимы, обе эти ядерные частицы называются нуклонами (от лат. пис1ева — ядро). В таком представлении ппоттооц и иицаа.щаж ть овы я- ния = 1и =0 о ной части — 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 Е называется зарядовым числом.
Оно равно количеству протонов в ядре. Кроме того, это число определяет заряд ядра, равный +Ее, 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,. В настоящее время известно около 1500 различных ядер с 4, от 1 до 115 и с А от 1 до 271. Примерно одна пятая часть этих ядер устойчивы, остальные, испытывая радиоактивный распад, превращаются в другие ядра.
Многие ядра, в частности ядра с 2 от 93 до 115, были получены искусственным путем посредством ядерных реакций. Размеры ядер зависят от числа содержащихся в них нуклонов. При этом средняя плотность числа нуклонов в ядре, т. е. число нуклонов в единице объема ядра, практически одинакова для всех ядер с А > 10. В этом с ае объем ядра пропорционален числу нчклоиов А и эффективный размер (радиус) большинства ядер довольно точно определяется формулой 404 п=13А Ф (7.1) Здесь Ф вЂ” ферми — название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной одному фемтометру (1 фм = 10 ~~ м).
Ядра с одинаковыми зарядовыми числами У, но с разными массовыми числами А называются изотолами. У таких ядер одинаковое число протонов. Атомы изотопов имеют одинаковое строение электронных оболочек. Такие атомы отличаются лишь размерами и массами ядер и не различимы по химическим свойствам.
Большинство химических элементов имеет по нескольку изотопов. Так, например, водород имеет три изотопа: обычный водород Н вЂ” протий, ядро которого ~~Н представляет собой протон (р); тяжелый водород Р— дейтерий, ядро которого ~ Н вЂ” дейтрон (Н)— состоит из протона и нейтрона; сверхтяжелый водород Т вЂ” тритий, ядро которого ~Н вЂ” тритон 0) — содержит один протон и два нейтрона. Природный уран также содержит три изотопа 921), 921) и 92 П, а у олова число изотопов досппвет десяти. Выделение отдельных изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами является важной технической проблемой. Ве значение возросло с появлением ядерной энергетики. Существует множество методов разделения изотопов, в которых используется разница масс и размеров ядер: центрифугирование, диффузионные методы, электролиз, электромагнитные методы и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
