Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика (1185135), страница 59
Текст из файла (страница 59)
6.2). Слой, отвечающий значению в =1, обозначается буквой К, слой, отвечающий значению л = 2, — буквой Ь и далее по алфавиту. Таблица б,2 Электроны К-слоя обладают значением квантового числа 1= О, т. е. в К-слое могут находиться только л-электроны. Электроны Х слоя могут иметь значения 1, равные О и 1, это означает, что в Ь-слое находятся л- и р- электроны. Эти электроны образуют л- и р-оболочкн Е-слоя. Для электронов М-слоя 1 может принимать значения О, 1 и 2, следовательно М-слой состоит из л-, р- и с1-оболочек ит.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 1: слои. С этим связана химическая инертность этих элементов. И гелий, и неон относятся к благородным газам. Их атомы, находясь в основном состоянии, не обьеднняются в молекулы и не вступают в химические реакции. Таблица б. 3 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 электронной 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 добавления нового электрона заполняются внутренние д- или Т'-оболочки, а электронное заполнение более удаленной бТ"-оболочки остается неизменным. В результате добавление электронов не сказывается на химических свойствах атомов и все редкоземелъные 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 короткодействующнх 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 злектрослабого взаимодействия и кварковой теорией сильного взаимодействия — квантовой хромодинамикой. 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 -15 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 3 2 10~~ кг/м . Атомное ядро имеет положительный заряд, кратный элементарному электрическому заряду е, н соответствующие спину ядра механический и магнитный моменты. Взаимодействие магнитных моментов электронов атома и его ядра приводит к расщеплению спектральных линий излучения атома, равному Ю. — 10 м. Это расщепление обусловливает сверхтонкую струк- -12 туру оптического спектра атома. В 1932 г. Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из двух видов элементарных частиц — протонов н 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 превы- Р шает массу электрона в 1836 раз, а его энергия покоя равна 1 938,26 МзВ. Протон имеет полуцелый спин з = —, а его собствен- 2 ный магнитный момент 11, = +2,7928)1„, где ядерный магнетон определяется выражением 11я = =5 051 10 Дж/Тл.
21лр 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. Оейтрон — открытая Д. Чедвиком в 1932 г. электрически незаряженная элементарная частица, масса которой т„ = 1,67495 10 27 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 и„= -1,91311хя При этом знак минус указывает, что механический и магнитный моменты нейтрона имеют противоположные направления.
Ней ны устойчивы только в составе стабильных яде . 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. пис1епа — ядро). В таком представлении пртои и вйцнимжж вы т яния = 1 и = 0 одной части ы — она.
Для обозначения структуры атомного ядра обычно применяется запись вила 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 2 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 У 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 У от 93 до 115, были получены искусственным путем посредством ядерных реакции. 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 ~г(клоннов А и эффективный размер (раднус) большинства ядер довольно точно определяется формулой К 1 3Я зф (7.1) Здесь Ф вЂ” ферми — название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной одному фемтометру (1 фм = 10 ~5 м). ядра с одинаковыми зарядовыми числами У, но с разными массовыми числами А называются изошолами. 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 (й)— состоит из протона и нейтрона; сверхтяжелый водород Т вЂ” тритий, ядро которого ~ Н вЂ” тритон (г) — содержит один протон и два нейтрона. Природный уран также содержит три изотопа ~92(), ~92() и з2 К а у олова число изотопов достигает десяти. Выделение отдельных изотопов из естественной их смеси или обогащение смеси отдельными изотопами является важной технической проблемой. Ее 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. Так, в центрифуге, вращающейся с большой скоростью, более тяжелые атомы изотопов за счет центробежных сил скапливаются на периферии, а легкие — в центральной области вблизи оси вращения. Газообразное соединение разделяемого элемента во внешней и внутренней областях центрифуги прокачивается в противоположных направлениях. Объединение нескольких центрифуг в каскад обеспечивает необходимую степень обогащения. Такой способ пригоден для разделения изотопов как легких, так и тяжелых элементов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
