1612725063-eb24d9660fd97b365f78091f0a818088 (828996), страница 16
Текст из файла (страница 16)
Однако для высокочастотных полей (длина волны порядка а) наблюдаются отклонения от обычных законов движения электрона. Новые уравнения поля явно нелннейны, и это было камнем преткновения для всех попыток согласовать их с принципами квантовой теории. Эта несогласованность имеет, однако, и другую, более глубокую причину. Квантовая теория содержит характерную для нее величину — постоянную Планка Ь (ее размерность — «энергияХвремя»). Поэтому Ьс имеет ту же размерность, что и ее, именно «энергияХдлина». Следовательно, отношение Ьс/ез безразмерно; численная величина его порядка 860, т. е, вовсе не мала (2п, деленное на эту величину, 3- игурирует в квантовой теории водородного атома как зоммерьдова постоянная тонкой структуры, см, гл. 'Ч1, $3).
Это означает, что классическая теория строения электрона явно не состоятельна, так как она не учитывает членов с множителем Ьс/е', которые весьма велики. Другой аргумент против особой теории для электрона— открытие многих других типов частиц, которые обладают массами, некоторые несут заряд, а некоторые нейтральны (иейтрон, мезон). Кажется маловероятным, что они существуют независимо друг от друга.
Будущая теория элементарных частиц должна рассматривать их все одновременно, а их массы (н прочие характеристики) должны следовать нз некоторого общего принципа. Совершенно иной подход к теории строения электрона был предложен Эйнштейном (1928 г.) и развит им и многими другими известными авторами, в том числе Шредингером (1943 г.).
Гл. Н1. Агом и ооо ядро гв Этот подход основан на идее, что не позволяющая электрону распасться сила сцепления имеет гравитационную природу; конечная цель подхода — создание единой теории электромагнит. ного и гравитационного полей. При выполнении этой программы была проявлена огромная изобретательность и математическое искусство, но без каких-либо удовлетворительных результатов. Одна из причин неудачи кроется, очевидно, в различии масштабов сил, соответствующих двум видам полей.
Например, для двух одинаковых частиц с массами 'т и зарядами е отношение электрического потенциалаеэ1гкгравитационному Ат'/г (где й 6.67. 1О-' сна ° г-' * сек-з — гравитационная константа) равно ест', что для электрона дает гигантскую величину 4 ° 10а. Эддингтон (начиная с 1928 г.) предпринимал отважные, но не достаточно убедительные попытки истолковать это безразмерное число как свойство Вселенной. Главное возражение против всех теорий такого рода состоит в том, что нам известно много различных элементарных частиц. каждой из которых соответствует специальный тнп поля.
Поэтому кажется бесполезным ограничиваться только электромагнитным и гравитационным полями, несмотря на их важность с точки зрения практики. ф 3. Изучение сгнроення а1нома на внснераменгнах яо рассеянию Самый важный метод изучения строения атома заключается в том, чтобы, направив на атом электромагнитную волну или пучок каких-либо частиц, исследовать получающийся эффект. Результат состоит в ослаблении (поглощении) волны, движущейся и первоначальном направлении и соответственно в появлении дифракционных или рассеянных лучей.
Мы уже рассматривалн рассеяние света на свободных нли слабо связанных электронах ($2 этой главы). Таким процессом можно воспользоваться для подсчета числа слабо связанных электронов в атоме. Если это число равно п, а Ф вЂ” количество атомов в единичном объеме, то относительная убыль энергии первоначального излучения на каждом сантиметре его пути, т. е. показатель поглощения, равна (Дж.
Лж. Томсон, 1906 г.) Поскольку й1 известно из кинетической теории, можно найти н, измеряя поглощение рентгеновских лучей. Для достаточно же. сткнх лучей позволительно считать все электроны, по крайней мере в наиболее легких атомах, практически свободными, таа 80 Гл. 111. Атом о яло ядро сс-частицы не отклоняются сколько»нибудь заметным образом при столкновениях с электронами атома и поэтому реагируют только на столкновения с более тяжелыми частицами. Разницу между электроном и сс-частицей в смысле их проникающих способностей можно сравнить с разницей между легкой ружейной пулей и тяжелым снарядом.
Прежде всего эксперименты Резерфорда определенно показали (1913 г.), что, помимо маленького массивного ядра, осталь. ное енутриатомное пространство практически ничем не заполнено — результат, уже полученный ранее Ленардом. Поскольку а-частицы заметно отклоняются лишь ядром, мы можем вывести закон рассеяния из распределения а-частиц, отклоненных тонкой пленкой изучаемого образца. Таким путем был получен трогтово Ф иг.
24 Устройство ааи наблюдения рассеянии а-частиц. для воясчата чясла а-честен, Огялояиешвяся оа' первоначального направления на опреяеланнма угол Е, яспольауегся счетчик Геа. гера. совершенно недвусмысленный вывод — эффективная рассеивающая сила представляет собой кулоновокую силу 22ея1га, где 2а, как мы знаем, есть заряд са-частицы, а Ее — заряд ядра. Траектории а-частиц имеют вид гипербол, в фокусе которых расположено ядро (.фиг. 25) . Если падающий пучок содержит по одной сс-частице на каждый квадратный сантиметр его поперечного сечения, то, согласно Резерфорду (приложение 9), число частиц в единичном телесном угле, отклоненных на угол тр, дается формулой где тп — масса электрона, М 4тпи — масса сс-частицы.
Сюда снова входит в качестве множителя эффективное сечение рассеяния на электроне, но теперь электронный радиус домножается на малое число (характеризующее размер ядра): — = — = --, -.= = 1,36 10 М 4тн 4 ° иИО 6 о. Изучение строения атома на еаснериментал но рассеяного 81 Эксперимент показал, что число с, определяющее заряд ядра, равно номеру, который нужно приписать соответствующему элементу в периодической системе Менделеева. Если атом нейтрален, то число, дающее заряд ядра, должно соответствовать числу электронов в окружающем ядро электронном облаке, найденному нз опытов по рассеянию рентгеновских лучей, Химические свойства атома зависят от его внешних электронов, так что этн свойства определяются не массой атома, а его атомным номером (нлн зарядом его ядра).
Изотопы имеют один и тот же атомный номер. Для почти центральных столкновений, т. е. для рассеяния на большие углы, наблюдается отклонение распределення рассеянных частиц от формулы, полученной на основе закона Кулона. Отсюда мы должны сделать вывод, что закон Кулона +2е .го Ф иг. 25. Рассеяние а-частиц нз ядрах с зарядовым числом У. Трлолторли а-олсгпа пролотлоллвт собоя гоперболи. перестает быть справедливым на расстояниях около 10-'з см. Ядро также обладает конечнымн размерамн; стоит отметнть, что «ядерный раднус» имеет тот же порядок велнчнны, что к радиус электрона.
Согласно Резерфорду, атом и его ядро можно представить себе следующим образом. В центре атома находится ядро. Предполагалось, что ядро состоит нз протонов н электронов, но это привело к многочисленным трудностям, связанным, например, с невозможностью объяснить, как могут электроны поместнться в ядре, размеры которого имеют тот же порядок величины, что и размеры одного электрона (раднус последнего есть 10-'з см, гл. П, $8).
После открытия нейтрона была построена более удовлетворительная модель, в которой ядро считается составленным нз р протонов и л нейтронов. В этом случае число, определяющее заряд ядра (атомный номер), есть Л=р, а массовое число атома равно А=р+н. К этой модели мы перейдем в следующем параграфе. Как уже упоминалось, в нейтральном атоме вокруг ядра движутся л, электронов, которые заполняют сферу радиуса 6 м. норе 82 Гя.
1П. Атом и вво ядро 10-' см. Чтобы представить себе масштабы и степень заполненности внутриатомного пространства, приведем следующий пример. Вообразим, что капля воды увеличена до размеров земного шара и что все атомы в капле также увеличены в той же пропорции. Тогда диаметр атома увеличится до нескольких метров. Диаметр ядра, однако, достигнет лишь 0,0! мм.
Из этих масштабных отношений следует, что в огромном большинстве физических и химических процессов ядра проявляют себя просто как точечные положительно заряженные массы и существенной оказывается только система внешних электронов. Это обстоятельство стимулировало изучение электронного облака атома. Достигнутые успехи настолько значительны, что сейчас мы обладаем теорией, которая, по-видимому, находится в полном согласии с опытом. Развитие ядерной физики относится к более позднему времени. В последнее время она столь стремительно продвинулась вперед, что подробный рассказ об этом потребовал бы отдельной книги. Здесь мы коснемся только некоторых главных фактов из этой обширной области.
Следующий параграф посвящен описанию экспериментальных результатов и непосредственных следствий из них, которые существенны для наших теоретических представлений. Более подробный отчет о теории ядра, включая теорию уже упоминавшихся ядерных сил (гл. 11, $8), мы дадим позднее (гл. Ч11, $ 3), когда будет сформулирована новая механика, необходимая для описания атомных систем. 8) 4. Яейбеюп массаг и энергия связи ядер. Нейтириио Как уже отмечалось, масса ядра не равна в точности сумме масс протонов. Это легко понять. Чтобы удалить протон, нейтрон или а-частицу из сложного ядра, необходимо затратить энергию (кроме случая радиоактивных веществ, которые могут распадаться самопроизвольно, без предварительной затраты энергии).
Убыль энергии при объединении элементарных частиц в ядро эквивалентна, по Эйнштейну (гл. 1И, 5 2), уменьшению массы, так что вес образовавшегося ядра меньше суммарного веса составляющих его частиц. Приведем пример, Наибольшая потеря массы получается при образовании атома гелия из четырех атомов водорода. Общая масса последних составляет 4 ° 1,008, а масса нх связанного состояния (гелия) равна 4,004; таким образом, освободившаяся при объединении энергия равна по формуле Эйнштейна Е = (4 . 1,008 — 4,004) со = 0,028ст = 0,25 ° 10'о зрг ° моль '. К 4.
ЛаФаяг мисси и энврвия саяаи адар, Нейтрино зз Для расщепления атома гелия на четыре атома водорода необходимо затратить по крайней мере такую же энергию. Чтобы лучше представить себе порядок втой величины, переведем эрги в калории; для Е мы получим грандиозное число 6,4 ° 10' ккал/моль. Можно отметить для сравнения, что количество тепла, выделяющееся при сгорании одного моля топлива, составляет по порядку величины несколько сотен килокалорий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
