Г.С. Ландсберг - Элементарный учебник физики (том 3). Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика (1120574), страница 90

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 90)

Схема прибора для разделения изотопов: т' — источник ионов, 2 и 3 — диафрагмы, 4 — приемник дли легкого изотопа, б — приемник для тяи елого изотопа, У вЂ” напряжение, ускоряющее ионы изотопов 472 раженного на рис. 351, ничтожна. Для получения весомых количеств разделенных изотопов употребляют масс-спектрографы, отличающиеся как конструкцией, так н гораздо большими размерами (рнс.

353). Естественно, приемником в этих приборах служит уже не фотопластинка, а специальные сосуды со щелями в местах попадания ионов (рнс. 354). В последние десятилетия задача разделения изотопов приобрела большое значение в производстве ядерной (атомной) энергии (й 228). В связи с этим получили развитие н другие методы разделения изотопов. Большинство этих методов использует тот факт, что в газовой или жпдтъ кой смеси средняя кинетическая гг г энергия различных частиц одина- -1 'б т кова, и следовательно, чем меныпе Г т г 4 1 ~-,,г масса частицы, тем (в среднем) больше ее скорость.

Ввиду этого атомы легкого изотопа обладают в среднем большей скоростью, чем атомы тяжелого изотопа, н быстрее диффундируют через пористые перегородки, в растворах и т. п. Важной для физики и техники разновидностью водорода является мало распространенный в природе изотоп с массой 2, так называемый тяжелый водород, илн дейтерий (химический символ гН или 1)).

Соеднняясьс кислородом, тяжелый водород образует воду 1)гО с молекулярной массой 2 к х 2+ 16 =20 — пгязгселую воду. Тяхселая вода по своим свойствам заметно отличается от обычной воды. Так, прн нормальном давлении температура замерзания тяжелой воды 3,8'С, температура кипения 101,4'С. Бпологическне процессы в тяжелой воде протекают иначе, чем в обычной. Тяжелая вода непригодна поэтому для питания земных организмов, приспособившихся к обычной воде. Сравнительно большое различие свойств обычного и тяжелого водорода, а вместе с тем обычной и тяжелой воды обусловлено тем, что атом тяжелого водорода в д в о е тяжелее атома легкого, тогда как в других элементах масса тяжелого изотопа лишь незначительно превосходит массу легкого изотопа (например, для неона только иа 5 нли 10оде).

При электролизе тяжелая вода разлагается медленнее збычной. Это явление используется как один из способов получения тяжелой воды. Выделение тяжелой воды представляет собой довольно трудную задачу, так как относигельное содержание ее в обычной воде ничтожно мало— м«оло сотой доли процента. $203. Ядерная модель атома. В предыдущих параграфах иы познакомились с данными о размерах и массах атомов.

Перейдем теперь к вопросу о в н у т р е н н е м с т р о е«ии атома. Изучению строения атома способствовало открытие явлений радиоактивности. Мы подробно остановимся на этих явлениях в гл. ХХ1!1. Пока «ам достаточно знать о радиоактивности следуюшее. Некоторые элементы, рас-,ц« ' 4 юложенные в конце периоди- —:, ~~ = ФЛЙЕяя«з)!) «еской системы Д. И. Меидечеева, обладают способностью испускать быстрые заряжен«ые частицы, называемые аль!«п-час««гиц««ми (а-частицами). Эпыты показали, что а-час«ицы представляют собой ио«изоваиные атомы гелия.

Они «есут положительный элек:рический заряд, равный 2е, и обладают массой 4 а. е. м. Обнаруживаться а-част««ць« когут по различным своим действиям, например по дей"твию на люминесцируюшие экраны. При ударе даже одюй быстрой а-частицы об экран, покрытый люминесцируюцим веществом (например, сернистым цинком), возникает «ратковременная вспышка света, называемая сцинтилля«ией. Оцинтилляции легко замечаются глазом, в особен«ости при наблюдении в микроскоп с небольшим увеличе«ием. а-частиць«вылетают из радиоактивных атомов со «коростью, превышавшей 10 000 км/с. Благодаря своей ромадной скорости а-частицы при столкновениях с ато,«ами могут проникать внутрь последних. Этим удается «ос«юльзоваться, чтобы получить сведения о внутреннем ,стройстве атома. Рассмотрим следующий опыт (рис.

355). Перед источ«иком а-частиц 1 помещена диафрагма 2 с небольшим от«ерстием в центре. а-частицы, попадающие на материал ди- 473 афрагмы, задерживаются; а-частицы, попадающие в отверстие, проходят через него в виде узкого пучка. В месте попадания пучка а-частиц на прозрачный люминесцирующий экран 3 образуется светящееся пятно, представляющее собой сцинтилляцни, возникающие под ударом каждой отдельной а-частицы. Так как число частиц, попадающих на экран за 1 с, велико, то отдельные сцинтилляции сливаются для наблюдателя в световое пятно.

Поместим перед экраном тонкий слой какого-либо вещества, например золотую фольгу, толщиной примерно 1 мкм. Мы увидим (рис 355), что интенсивность центрального светящегося пятна уменьшится, правда незначительно. В то же время появится некоторое число сцинтилляций Рнс. Ззб. Рзссеяння сс-чзстнд золотой фольгой о (остзльнме ооознзче- ння те же, что н нз рнс. 356) вне центрального пучка. Эти сцинтилляции вызваны а-частицами, которые при прохождении сквозь золотую фольгу изменили направление полета, или, как говорят, р а се е я л и с ь. Передвигая микроскоп по экрану от центрального пятна наружу, мы установим, что число рассеянных а-частиц быстро убывает с увеличением угла рассеяния.

В описанном опыте замечательным является следующее. Диаметр атома золота равен 3 10 "м. Золотая фольга тачщиной 1 мкм содержит 10 '.(3 1О ")=3300 атомных слоев. В твердом теле атомы расположены почти вплотную (Э !95). Поэтому при прохождении через фольгу а-частица должна столкнуться примерно с 3000 атомов золота. Тем не менее, как мы видели, подавляющая доля а-частиц проходит фольгу и не испытывает при этом заметного рассеяния. На основании этих опытов мы приходим к заключению, что атом золота ни в коем случае н е л ь з я считать непроницаемым, С другой стороны, важно отметить, что некоторые а-частнцы, проходя через фольгу, рассеиваются на б о л ьш и е у г л ы.

Чтобы отклонить обладающую колоссаль. Латах)я язаа О Рис. 357. Соударенве тяжелого лара с легким. Сплошными :грелками показаны скорости паров о) до удара; б) после удааа; движение тяжелого шара взхеняется в результате соудареаия незначительно (штрнховые :грелки — скорости шаров до удара) Рнс. 358. Траектории сс-частиц, пролетающих на разных расстояниях от атомного ядра объема атома. Положительное ядро окружено отрицательными электронами.

Электронная оболочка занимает пракгически весь объем атома, но масса ее ввиду легкости элекгрона незначительна. Рассмотрим с точки зрения такой ядерной модели процесс прохождения а-частицы через атом. На сс-частицу, проникающую в атом, действуют электрические силы со стороны ядра и электронов *). Масса электрона почти в 8000 раз меньше массы п-частицы, Поэтому взаимодействие а-ча.'тицы с электроном протекает аналогично упругому соударению быстро движущегося тяжелого шара с легким. ')ри таком соударении направление движения легкого пара может резко измениться, тогда как скорость тяжелого ") Между частицами внутри атома действуют также я силы тяготе.

~ия, ио они настолько малы по сравнению с алектричеснимн силами, ~то их мо>кно в данном случае не учитывать (см. упражнение 18 в конце лавы). 475 ной скоростью а-частицу на большой угол, нужны громадные силы. Следовательно, внутри атома на а-частицу могут действовать очень большие силы, но в поле этих сил попадает лишь малая доля пролетающих частиц.

Чтобы объяснить эти опыты, английский физик Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) предложил (в 1911 г.) я д е р н у ю модель строения атома. Согласно ядерной модели почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре, занимающем лишь ничтожную часть шара изменяется незначительно (рис. 357). Таким образом, взаимодействие с электронами не приводит к заметному отклонению а-частицы. Что касается взаимодействия а-частицы с ядром, то оно может заметно изменить движение а-частицы. В самом деле, в случае золота роль тяжелого шара играет ядро атома золота, а роль легкого — а-частица (масса атома золота равна 197 а.

е, м., масса а-частицы — 4 а. е. м.). Отклонение я-частицы пропорционально действующей на нее силе, которая тем больше, чем ближе к ядру подходит а-частица, То обстоятельство, что некоторые а-частицы испытывают весьма значительные отклонения, доказывает, что иногда а-частица и ядро могут сблизиться до очень небольшого расстояния, т.

е. что размеры и и-частицы и ядра очень малы. Но такие к-частицы, которые пролетают близко от ядра, встречаются редко. Большинство а-частиц пролетает на сравнительно большом расстоянии от ядра и поэтому отклоняется слабо (рис. 358). Используя заков Кулона и законы динамики Ньютона, Резерфорд рассчитал зависимость ч и с л а рассеянных а-частиц от угла рассеяния.

Результаты расчета прекрасно согласуются с данными измерений, проведенных с фольгами из различных материалов. Это согласие доказывает правильность ядерной модели атома. Оно же доказывает правильность допущения, что электрические силы, действующие внутри атома, подчиняются закону Кулона (-1~7').

Но мы знаем, что закон Кулона справедлив в том случае, когда размеры взаимодействующих зарядов малы по срав. нению с расстояниями между ними, То обстоятельство, что закон этот соблюдается даже при очень значительном сближении центров взаимодействующих ядра и а-частицы, показывает, что размеры ядер должны быть очень малы. Теоретический расчет и сравнение его с данными опытов позволяют сделать количественные заключения о размерах ядра и его заряде. Оказывается, что ди а м е т р ы я де р разных атомов несколько различны (диаметр ядра тем больше, чем больше масса атома) и составляют около 10 "см. Размер ядра, таким образом, примерно в 1О 000 р а з м е н ь ш е р а з м е р а а т о м а. Вообразим на минуту, что мы проникли глазом внутрь плотной среды — жидкости или твердого тела.

Характеристики

Список файлов книги