yavor2 (553175), страница 79
Текст из файла (страница 79)
Лучи лазеров нашли применение в хирургии при лечении отслаивания сетчатки глаза. Луч лазера как бы «приваривает» отслоившуюся сетчатку к тканям глазного дна. Характеристики современных ОКГ пока еще далеки от принципиально возможных. Например, в принципе возможно получение световых пучков такой мощности, которой будут соответствовать световые давления порядка миллионов атмосфер. Все это создает необозримые перспективы для применения квантовых усилителей и генераторов когерентного света. ЧАСТЬ ВОСЬМАЯ ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ГЛАВА 30 ОСНОВНЫЕ СВОНСТВА И СТРОЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР 5 80.1. Заряд и масса атомных ядер 1.
В 3 71.1 рассмотрены эксперименты, которые привели к обоснованию ядерной модели атома. В последних главах этой книги мы остановимся на изучении атомного ядра н познакомимся с некоторыми вопросами физики элементарных частиц. Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд л и масса М. Заряд ядра определяется количество ~ положительных элементарных зарядов, сосредоточенных в ядре. Носителем положительного элементарного заряда е = 1,6021 10-'" Кл в ядре является протон. Атом в целом нейтрален, и заряд ядра определяет одновременно число электронов в атоме. Распределение электронов в атоме по энергетическим оболочкам и подоболочкам существенно зависит от нх общего числа в атоме (3 73.2).
Поэтому заряд ядра в значительной мере определяет распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в периодической системе Менделеева. Химические элементы различаются зарядами ядер их атомов 1'атомными номерами). 2. Масса атомного ядра практически совпадает с массой всего атома, ввиду того что масса электронов в атоме мала. Напомним, что масса электрона равна 1~'1836 от массы протона.
Массы атомов и ринято измерять в агпомных единицах массы (обозначается АЕМ или а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1~16 массы атома кислорода,О" (о смысле обозначения см. дальше в этом параграфе): 1 а.е.м. = 1,66976 10«м кг. Помимо а.е,м. в настоящее время применяется «унифицированная атомная единица массыь, у.а.е.м., равная 1/12 массы атома изотопа углерода,С" (ср. 3 26.9); 1 у.а.е.м. = 1,6603 !О " кг.
Массы атомов измерены с большой точностью (341.8). При этих измерениях были обнаружены изотопы — разновидности атомов данного химического элемента, обладающие одинаковым за- 353 12 " и явор«ний. А. х пинский, «. 2 рядом, но различающиеся массой. Измерения масс изотопов показывают, что они всегда выражаются в а.ем. числами, близкими к целым. Атомные массы изотопов называются изотоаными массами.
Для каждого химического элемента существует и большинстве случаев постоянное процентное содержание различных изотопов. Каждый химический элемент имеет определенную атомную массу, представляющую собой среднее значение масс всех его изотопов. Этим объясняется то, что относительные атомные массы элементов в ряде случаев заметно отклоняются от целых чисел. Так, атомная масса бора 10,82, неона 20,183, магния 24,32, хлора 35,457,железа 56,85, кобальта 58,71, никеля тоже 58,71, меди 63,54, цинка 65,38, германия 70,60, криптона 83,80 и т.
д. Открытие изотопов показало, что химически чистый элемент представляет собой смесь своих изотопов, отличающихся друг от друга атомными массами. Возникла мысль о том, что ядро построено из частиц, атомные массы которых близки к единице. Поскольку этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода — протон (его атомная масса равна, с точностью до третьего знака, 1,008 а.е.м. и, кроме того, его заряд положителен), напрашивается вывод о том, что в состав атомных ядер непременно входят протоны.
3. Целое число, ближайшее к атомной массе, выраженной в а.е.м., называется массовым числом и обозначается буквой А. В настоящее время принято обозначать различные изотопы химических элементов следующим образом: хХ" или хХ, где Х вЂ” символ химического элемента в таблице Менделеева, соответствующего данному заряду Е ядра. 4, Ядра, которые при одннаконой массе обладают различными зарядами, называются изобарами.
Изобары большей частью встречаются среди тяжелых ядер, причем парами и триадами. Примерами устойчивых изобарных пар являются 5" и „Аг" Кпм'имРп10'. Пример изобарной триады: „Хг", „Мо" и „Еп". 9 80.2. Спин и магнитный момент ядра 1. В 9 72.6 мы видели, что спин электрона приводит к тонкой структуре спектральных линий. Для атомов с одним валентным электроном взаимная ориентапия орбитального и спинового моментов электрона приводит к раздвоению всех энергетических уровней (кроме з-уровня) и, соответственно, к раздвоению спектральных линий.
Увеличение разрешающей способности спектральных приборов дало возможность тщательнее исследовать структуру раздвоенных линий. В 1928 г. А. Н. Теренин и Л. Н. Добрецов обнаружили, что каждая из двух 0-линий натрия в свою очередь является двойной— состоит пз двух близко расположенных линий. Линия О., (А = — 5890 А) расщеплена на 0,021 А, а лнпня 0~(Х = 5896 А) — на 0,023 А.
Это расщепление называется сверхтонкой структурой спектральных линий. Паули предположил, что сверхтонкая структура объясняется наличием спина у ядра атома. Момент импульса, называемын обычно саином ядра, является наряду с зарядом и массой важнейшей характеристикой ядра.
В состав ядра входят протоны и нейтроны, каждый из которых обладает спином ть/2, Спин ядра ранен векторной сумме спинов составляющих его частиц. Спин ядра, состоящего из четного числа частиц, является целым числом (в единицах Ь) пли нулем. Сипи же ядра, состоящего из нечетного числа частиц, является полуцелым (в единицах Ь). Если спин ядра в единицах Ъ равен 1, то полный спин атома с одним валентным электроном может быть равен либо 1 + '/„либо 1 — '/„ибо спин электрона в единицах Ь равен '/,'). Оптический переход электрона в атоме натрия с верхнего уровня на нижний уровень, раздвоенный вследствие учета спина ядра, приводит к сеерхтонкой структуре линии О,.
На рис. 80.1 (схема слева) объяснено расщепление спектральных линий, а справа изображена схема возникновения сверхтонкой структуры линии Оа По наблюдаемому на опыте соотношению интенсивностеи линий сверхтонкой структуры можно определить спин 1 ядра. Например, для атома натрия он оказался равным а/,Н.
/ту г 1-- г Рнс. 80.1. Как известно из э" 42.10, спин электрона был измерен в опытах Штерна и Герлаха. Спин протона был определен на основании наблюдения интенсивностей вращательных спектров молекулы Н,. В гл. 74 рассмотрено возникновение вращательных спектров молекулы. Соотношение интенсивностей во вращательных спектрах водорода показало, что ядро водорода,Н' имеет полуцелый спин.
Из измерения отношения интенсивностей линий вращательных спектров было найдено, что спин ядра водорода,Н', т. е. спин протона, равен Гь/2. Определение спина нейтрона основано на измерении спина дейтрона,Па — ядра тяжелого водорода. Спин дейтрона в основном состоянии оказался равным Ь. Поскольку спин протона равен й/2, то спин нейтрона может быть равен либо ть/2, либо а/а)ь. Последнее предположение привело к несоответствию теоретически рассчитанных и экспериментально наблюдаемых результатов рассеяния нейтронов на протонах и было отброшено.
Таким образом, спин нейтрона равен Ь2. *) Спины остальных электронов атома, попарно складываясь, дают нуль. 12* 355 2. Атомные ядра, помимо спина, обладают .иагнитными момен. тами. Следовательно, магнитными моментами обладают все части атома (ядро и электроны). Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра. По аналогии с магнетоном Бора Ц 42.2), для измерения магнитных моментов ядер вводится так называемый ядерный магнетон: сй (80.
1) ь Выражение для ядерного магнетона аналогично магнетону Бора, но масса электрона т, заменена массой протона. Величина ядерного магнетона в т,>'т,,ж 1838,5 раза меньше магнетопа Бора: )с„=-(5,05038 ~ 0,00018) 10 "Дж,Т=- =-(5,05038 ~ 0,00018). 1О "эргс'Гс. Между сппном ! ядра, измеренным в единицах Ь, и магнитным моментом р,„.„, измеренным в ядерных магнетонах, сбществует соотношение, аналогичное формуле для электронных моментов (72.14'): р,— -а.7 (80.2) где д„— ядерное гиромагнитное отношение. 3. Опыты, изложение которых выходит за рамки этой книги, показали, что нейтрои имеет отрицательньси магнитный момент, равный — (1,91314 ~ 0,00005) р„. Магнитный момент протона впервые был измерен методом отклонения молекулярного пучка в неоднородном магнитном поле.
В принципе этот метод не отличается от опыта Штерна и Герлаха (642.10). Опыты производились с водородом. При этом необходимо было компенсировать магнитный момент электрона, превосходящии почти в 2000 раз величину ядерного магнетона р„. Точные измерения привели к весьма неожиданному результату для магнитного момента протона. Он оказался равным (2,79275 -Е 0,00003) р„, вместо того чтобы быть раиным одному ядерному магнетосВ.
Положительный знак магнитного момента протона означает, что направления магнитного момента протона и его спина совпадают. С классической точки зрения это означает, что магнитный момент протона как бы связан с вращением положительного заряда. Для нейтрона направления его спина и магнитного момента противоположны. Аномальное значение магнитного момента протона и знак магнитного момента нейтрона связаны со сложной структурой этих частиц Я 83.8).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
