Реферат: Атомное ядро

Реферат по физике
на тему:
“Атомное ядро”

Москва 1996

Оглавление

TOC «Заг1;1; Заг2;2» 1 История открытий в области строенияатомного ядра… GOTOBUTTON_Toc354305349 PAGEREF_Toc354305349 3

1.1 Модели атома до Бора… GOTOBUTTON_Toc354305350 PAGEREF_Toc354305350 3

1.2 Открытие атомного ядра… GOTOBUTTON_Toc354305351 PAGEREF_Toc354305351 4

1.3 Атом Бора… GOTOBUTTON_Toc354305352 PAGEREF_Toc354305352 7

1.4 Расщепление ядра… GOTOBUTTON_Toc354305353 PAGEREF_Toc354305353 9

1.5 Протонно-нейтронная модель ядра… GOTOBUTTON_Toc354305354 PAGEREF_Toc354305354 11

1.6 Искусственная радиоактивность… GOTOBUTTON_Toc354305355 PAGEREF_Toc354305355 12

2 Строение и важнейшие свойства атомных ядер… GOTOBUTTON_Toc354305356 PAGEREF_Toc354305356 13

2.1 Основные свойства и строение ядра… GOTOBUTTON_Toc354305357 PAGEREF_Toc354305357 13

2.2 Энергия связи ядер. Дефект массы… GOTOBUTTON_Toc354305358 PAGEREF_Toc354305358 15

2.3 Ядерные силы… GOTOBUTTON_Toc354305359 PAGEREF_Toc354305359 18

2.4 Радиоактивность, g-излучение, aи b-распад… GOTOBUTTON_Toc354305360 PAGEREF_Toc354305360 19

Литература… GOTOBUTTON_Toc354305361 PAGEREF_Toc354305361 21

1 Историяоткрытий в области строения атомного ядра

Изучение атомного ядра вынуждает заниматься элементарными частицами.Причина этого ясна: в ядрах атомов частиц так мало, что свойства каждой из нихв отдельности не усредняются, а, напротив, играют определяющую роль.

1.1 Моделиатома до Бора

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, иквантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атомаРезерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построитьмодель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежалияпонскому физику Хантаро Нагаока, другие — английскому физику Д.Д. Томсону.

Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы:роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокругкоторой по установленным кольцеобразным орбитам движутся “планеты” — электроны.При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В атоме Томсона положительное электричество “распределено” по сфере, вкоторую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится вцентре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электронырасполагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считалкаждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Онпредпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И.Менделеева. Позднее Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделенииэлектронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсонаи, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты былиоткрыты Резерфордом. В первую очередь следует отметить открытие ядерногостроения атома.

1.2 Открытиеатомного ядра

Уподобление атома планетной системе делалось еще в начале XX века. Но этумодель было трудно совместить с моделями электродинамики, и она была оставлена,уступив место модели Томсона. Однако в 1904 году начались исследования,приведшие к утверждению планетарной модели.

При изучении a-частицРезерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание a-частиц не может давать больших углов отклонений дажепри многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарноймодели.

7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестередоклад “Рассеяние aиb-лучей истроение атома”. В докладе он, в частности, говорил: “Рассеяние заряженных частицможет быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит изцентрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженногооднородным сферическим распределением противоположного электричества равнойвеличины. При таком устройстве aиb-частицы, когда они проходят на близком расстоянии отцентра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонениямала”.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомногоцентра, который Резерфорд положил равным ±Ne.Заряд оказался пропорциональным атомному весу. “Точное значение зарядацентрального ядра не было определено,- писал Резерфорд, — но для атома золотаоно приблизительно равно 100 единицам заряда”.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена,предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре какустойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающейположительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этомчисло элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году былопоказано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Борписал: ”С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малойпротяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строениеэлектронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрическогозаряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупностьфизических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целымчислом...”

После знакомства с Резерфордом Бор, отказавшись от изучения электронноймодели, начал работу в его группе. Обратившись к планетарной модели, Бор создална ее основе теорию атома Резерфорда-Бора. Резерфорд понял революционныйхарактер идей Бора и обсудил с ним основы этой теории, высказал критическиезамечания, после чего статьи Бора были опубликованы.

Во время Первой Мировой войны Бор продолжает работать в лабораторииРезерфорда. В 1915 году он опубликовал работы “О сериальном спектре водорода” и“О квантовой теории излучения в структуре атома”. В 1916 году была опубликованастатья Зоммерфельда, где он рассмотрел движение электрона по эллиптическим орбитами обобщил правила квантования Бора. Бор с восторгом отозвался об этой статье.Теория атома после открытий Зоммерфельда стала называться теорией Бора — Зоммерфельда.

В 1936 году Бор выступил со статьей “Захват нейтрона и строение ядра”, вкоторой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром.Странно, но ни Бор, ни другие не могли сразу предсказать деление ядра,подсказываемое капельной моделью, пока в начале 1939 г. не было открыто делениеурана.

1.3 АтомБора

Бор, как и Томсон до него, ищет такое расположение электронов в атоме,которое объяснило бы его физические и химические свойства. Бор берет за основумодель Резерфорда. Ему также известно, что заряд ядра и число электронов в нем,равное числу единиц заряда, определяется местом элемента в периодическойсистеме элементов Менделеева. Таким образом, это важный шаг в понимании физико-химическихсвойств элемента. Но остаются непонятными две вещи: необычайная устойчивостьатомов, несовместимая с представлением о движении электронов по замкнутыморбитам, и происхождение их спектров, состоящих из вполне определенных линий.Такая определенность спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность,очевидно, как-то связана со структурой атома. Все это трудно увязать суниверсальностью электрона, заряд и масса которого не зависят от природы атома,в состав которого они входят. Устойчивость атома в целом противоречит законамэлектродинамики, согласно которым электроны, совершая периодические движения,должны непрерывно излучать энергию и, теряя ее, “падать” на ядро. К тому же ихарактер движения электрона, объясняемый законами электродинамики, не можетприводить к таким характерным линейчатым спектрам, которые наблюдаются на самомделе. Линии спектра группируются в серии, они сгущаются в коротковолновом“хвосте” серии, частоты линий соответствующих серий подчинены странным арифметическимзаконам.

“Основным результатом тщательного анализа видимой серии линейчатыхспектров и их взаимоотношений, — писал Бор, — было установление того факта, чточастота uкаждой линии спектра данного элемента может быть представлена снеобыкновенной точностью формулой u = Tґ — Tґґ,где Tґ и Tґґ — какие-то два члена из множества спектральных элементов Т,характеризующих элемент”.

Бору удалось найти объяснение этого основного закона спектроскопии. Нодля этого ему пришлось ввести в физику атома представления о стационарныхсостояниях атомов, находясь в которых электрон не излучает, хотя и совершаетпериодическое движение по круговой орбите.

1.4 Расщеплениеядра

В 1919 году Резерфордом было сделано новое сенсационное открытие — расщепление ядра.

Резерфорд изучал столкновение a-частиц слегкими атомами. Столкновения a-частицы сядрами таких атомов должны их ускорять. Так, при ударе a-частицы о ядро водорода оно увеличивает свою скоростьв 1,6 раза, и ядро отбирает у a-частицы64% ее энергии.

Прибор, применявшийся Резерфордом для излучения таких столкновений,представлял собой латунную камеру длиной 18 см, высотой 6 см и шириной 2 см.Источником a-частиц служил металлическийдиск, покрытый активным веществом. Диск помещался внутри камеры и могустанавливаться на разных расстояниях от экрана из сернистого цинка. Камерамогла заполняться различными газами. В частности, ее заполняли азотом.

С помощью многочисленных опытов Резерфорд показал, что в результате такихстолкновений получаются частицы с максимальным пробегом, таким же, как уН-атомов. “Из полученных до сих пор результатов, — писал Резерфорд, — трудноизбежать заключения, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновенииa-частиц с азотом, являются неатомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой2. Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается вследствиегромадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой a-частицей, и что освобождающийся водородный атомобразует составную часть атома”.

Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быстрых a-частиц и впервые высказана мысль, что ядра водородапредставляют собой составную часть ядер атомов. Впоследствии Резерфордпредложил термин “протон” для этой составной части ядра. Резерфорд заканчивалсвою статью словами: “Результаты в целом указывают на то, что если a-частицы или подобные им быстро движущиеся частицы созначительно большей энергией могли бы применяться для опытов, то можно было быобнаружить разрушение ядерных структур многих легких атомов”.

В 1920 году Резерфорд в лекции “Нуклеарное строение атома” делаетпредположение о том, что существуют ядра с массой 3 и 2 и ядра с массой ядраводорода, но с нулевым зарядом. При этом он исходил из гипотезы, высказаннойвпервые М. Склодовской-Кюри, что в состав ядра входят электроны.

Резерфорд пишет, что ему “кажется весьма правдоподобным, что одинэлектрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Еслисправедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существованияатома с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно рассматриватькак изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможностисуществования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобныеобразования представляются вполне возможными”. Так была высказана гипотеза осуществовании нейтрона и тяжелого изотопа водорода.

1.5 Протонно-нейтроннаямодель ядра

В 1932 году Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказалпредположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементомядра. Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинствомфизиков скептически. Даже Резерфорд полагал, что нейтрон — это лишь сложноеобразование протона и электрона.

В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о моделиядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основнойтезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идеи о сложнойструктуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладатьодинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходитьдруг в друга. В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как двасостояния одной частицы — нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица — позитрон.

1.6 Искусственная радиоактивность

В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили о б открытии ими нового видарадиоактивности. Им удалось доказать методом камеры Вильсона, что некоторыелегкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны прибомбардировке их a-частицами полония. Жолио иКюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый этапрадиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных электронов. Они впервыеискусственно вызвали радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, ненаблюдаемые до этого в природе и были награждены за это выдающееся открытиеНобелевской премией.

На сегодняшний день теория атомного ядра получила дальнейшее развитие, ив следующей главе рассматривается ее актуальное состояние.

2 Строениеи важнейшие свойства атомных ядер

2.1 Основныесвойства и строение ядра

1. Ядром называется центральнаячасть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и егоположительный электрический заряд. Все атомные ядра состоят из элементарныхчастиц: протонов и нейтронов, которые считаются двумязарядовыми состояниями одной частицы — нуклона.Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величинезаряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда.

2. Зарядом ядра называетсявеличина Ze, где е — величина заряда протона, Z- порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева,равный числу протонов в ядре. В настоящее время известны ядра с Z от Z=1до Z=107. Для всех ядер, кроме <img src="/cache/referats/636/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">NіZ, где N — числонейтронов в ядре. Для легких ядер N/Z»1; для ядер химических элементов, расположенных в концепериодической системы, N/Z»1,6.

3. Число нуклонов в ядре A=N+Zназывается массовым числом. Нуклонам(протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение А.

Ядра с одинаковыми Z, норазличными А называются изотопами. Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z, называются изобарами.Ядро химического элемента Xобозначается <img src="/cache/referats/636/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026">Х — символхимического элемента.

Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов.

4. Размер ядра характеризуется радиусомядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Эмпирическаяформула для радиуса ядра <img src="/cache/referats/636/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 1017 кг/м3 и постоянна длявсех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

5. Ядерныечастицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитныймомент ядра Рmядв целом. Единицей измерения магнитных моментов ядерслужит ядерный магнетон mяд:

<img src="/cache/referats/636/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (в СИ)

<img src="/cache/referats/636/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (в СГС).

Здесь е — абсолютная величиназаряда электрона, mp — массапротона, с — электродинамическая постоянная.Ядерный магнетон в <img src="/cache/referats/636/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030"> раз меньше магнетонаБора, откуда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитнымисвойствами его электронов.

6. Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случаенесимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричногоявляется квадрупольный электрическиймомент ядра Q. Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра.

2.2 Энергиясвязи ядер. Дефект массы

1. Нуклоны в ядрах находятся в состояниях, существенно отличающихся от ихсвободных состояний. За исключением ядра обычного водорода во всех ядрахимеется не менее двух нуклонов, между которыми существует особое ядерноесильное взаимодействие — притяжение — обеспечивающее устойчивость ядер,несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

2. Энергией связи нуклона вядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершитьдля удаления нуклона из ядра без сообщения ему кинетической энергии.

Энергия связи ядраопределяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепитьядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Иззакона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделятьсятакая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющиеего нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всехсвободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

3. Приобразовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем суммамасс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образованииобъясняется выделением энергии связи. Если Wсв — величинаэнергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная

называется дефектоммассы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра изсоставляющих его нуклонов. Если ядро с массой Mяд образовано из Z протонов с массой mp и из (A-Z) нейтронов с массой mn, то

Dm=Zmp+(A-Z)mn-Mяд.

Вместо массы ядра Мяд величину Dmможновыразить через атомную массу Мат:

Dm=ZmН+(A-Z)mn-Mат,

где mH — массаводородного атома.

При практическом вычислении Dm массы всех частиц и атомов выражаются в атомныхединицах массы.

Дефект массы служит мерой энергии связи ядра:

Wсв=Dmс2=[Zmp+(A-Z)mn-Mяд]с2

Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

4. Удельной энергией связи ядра wсв называетсяэнергия связи, приходящаяся на один нуклон: wсв=<img src="/cache/referats/636/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032">wсв составляет всреднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергиясвязи убывает.

5. Критерием устойчивости атомныхядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивомядре для данных изобаров. (А=const).

2.3 Ядерныесилы

1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуютособые ядерные силы, не сводящиеся ник одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишьна весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 м называется радиусом действия ядерных сил.

3. Ядерные силы обнаруживают зарядовуюнезависимость: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо отзарядового состояния нуклонов — протонного или нуклонного. Зарядовая независимостьядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра, в которых одинаково общеечисло нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом.Например, ядра гелия <img src="/cache/referats/636/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> тяжелого водородатрития - <img src="/cache/referats/636/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том,что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к немусоседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергийсвязи ядер от их массовых чисел А. Практически полное насыщение ядерных силдостигается у a-частицы, которая являетсяочень устойчивым образованием.

2.4 Радиоактивность,g-излучение,aи b-распад

1. Радиоактивностью называетсяпревращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другогоэлемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц.

Естественной радиоактивностьюназываетсярадиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов.

Искусственной радиоактивностьюназываетсярадиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканиемгамма-излучения — жесткого, коротковолнового электроволнового излучения.Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденныхпродуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад,называется материнским; возникающее дочернее ядро, как правило, оказываетсявозбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.

3. Альфа-распадом называетсяиспускание ядрами некоторых химических элементов a-частиц.Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А>200 и зарядами ядер Ze>82. Внутри таких ядер происходитобразование обособленных a-частиц,состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов.

4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронныйзахват. Первые два типа превращения состоят в том, что ядро испускаетэлектрон (позитрон) и электронное антинейтрино (электронное нейтрино). Этипроцессы происходят путем превращения одного вида нуклона в ядре в другой:нейтрона в протон или протона в нейтрон. В случае электронного захватапревращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем кядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюдапроизошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b± -захвата сопровождается характеристическимрентгеновским излучением.

5. b--распад происходит уестественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственнойрадиоактивности.

Литература

1. Григорьев В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе.
// М., Наука, 1983 г.

2. Кудрявцев П.С. Курс истории физики.
// М., Просвещение, 1982 г.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике.
// М., Наука, 1990 г.

еще рефераты

Еще работы по химии

Реферат по химии

Сильнодействующие ядовитые вещества. Гидразин и его производные