Элементы учения о строении вещества

Любая С.И.

Лекция №15

 

Тема: “Элементы учения о строении вещества”.

 

Цель лекции:

 

План лекции.

 

1. Систематика элементарных частиц. Законы взаимопревращения  частиц. Ядерные реакции. Дефекты массы.
2. Строение ядер. Ядерные силы, устойчивые и неустойчивые ядра.
3. Естественная и искусственная радиоактивность.
4. Закон радиоактивного распада.
5. "Меченые" атомы в биологии.
6. Принцип действия оптического квантового генератора (лазера). Биологическое воздействие лазерного излучения.

 

1. Систематика элементарных частиц.

 

Резерфорд, исследуя прохождение α–частиц с энерг. несколько Мегаэлектрон-Вольт через тонкие пленки золота сделал вывод: атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Размер ядра примерно составляет 10^-15…10^-14 м, атома – примерно 10^-10 м.

Атомное ядро состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов.

Протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрона и массу покоя m_p = 1,6726 · 10^-27 кг ≈ 1836 m_e, где m_e – масса электрона.

Нейтрон (n) – нейтральная частица с массой покоя m_п = 1,6749 · 10^-27 кг ≈ 1839 m_e.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от nucleus – ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А. Атомное ядро характеризуется зарядом Zе, где е – заряд протона, Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической таблице Менделеева. Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом:

,       (1)

где Х – символ химического элемента;

Z – атомный номер (число протонов в ядре);

А – массовое число (число нуклонов в ядре).

 

Так как атом нейтрален, то заряд  атома определяет и число электронов в атоме, конфигурацию их электронных  оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но с разными А называются изотопами, а с одинаковыми А, но разными Z – изобарами. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z=1, N=0); – дейтерий (Z=1, N=1); – тритий (Z=1, N=2). Пример ядер – изобар: ; ; .

Радиус ядра определяется по формуле

,     (2)

где  .

 

 

Законы взаимопревращения  частиц. Ядерные реакции.

 

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе с γ-квантами) или друг с другом.

Наиболее распространенным видом  ядерной реакции является:

 

Х + а → У + b, или Х(а, b) У,    (3)

 

где Х и У – исходное и конечное ядра;

а и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) частица.

 

В ядерной физике эффективность  взаимодействия характеризуют эффективным сечением N

,     (4)

где N – число частиц, падающих за единицу времени на единицу площади  
        поперечного сечения вещества, имеющего в единице объема n ядер,

        dN – число этих частиц, вступающих в ядерную реакцию в слое толщиной dx.

 

Эффективное сечение характеризует вероятность того, что при падении пучка частиц на вещество произойдет реакция (ед. эффект сечен-барн (1 барн = 10^-28 м².).

В любой ядерной реакции выполняются: законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов конечных продуктов реакции.

Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Ядерные реакции могут быть экзотермическими (с выделением теплоты) и эндотермическими (с поглощением тепла).

Ядерные реакции классифицируются по следующим признакам:

1. По роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов; реакции под действием заряженных частиц (протонов, дейтронов, α-частиц); реакции под действием γ-квантов.
2. По энергии вызывающих их частиц:

– при малых энергиях (порядка электрон-вольт), происходящих, в основном, с участием нейтронов; реакции при средних энергиях (до нескольких мегаэлектрон-вольт), происходящих с участием γ-квантов и заряженных частиц (протоны, α-частицы);

– реакции при высоких энергиях (сотни и тысячи мегаэлектрон-вольт), приводящие к рождению отсутствующих в свободном состоянии элементарных частиц.

3. По роду участвующих в их ядер-реакции на легких ядрах (А<50), средних (50<А<100), тяжелых (А>100).
4. По характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием

– нейтронов;

– ядерных частиц;

– реакции захвата (составное ядро не испускает никаких частиц, а  переходит в основное состояние, излучая один или несколько γ-квантов).

 

Дефект массы.

 

Спектрометрические измерения  показали, что масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов.

Так как всякому изменению массы  должно способствовать изменение энергии, то отсюда следует, что при образовании  ядра должна выделяться определенная энергия. Из закона сохранения энергии  следует, что для разделения ядра на составляющие его частицы нужно затратить такое же количество энергии.

Величина

,      (5)

 дефект массы ядра

 

где m_p, m_н, m_я – соответственно массы протона, нейтрона, ядра.

 

 

2. Строение ядер. Ядерные силы. Устойчивые и неустойчивые ядра.

 

Между составляющими ядро нуклонами  действуют силы, превышающие кулоновские  силы отталкивания между протонами. Они называются ядерными силами. Ядерные силы намного превышают гравитационные, электрические и магнитные и относятся к классу сильных взаимодействий.

Свойства ядерных  сил:

1. Ядерные силы являются силами притяжения.
2. Они являются короткодействующими (действуют на расстоянии 10^-15 м), при увеличении расстояния быстро убывают, на расстоянии менее радиуса действия в 100 раз больше кулоновских сил.
3. Им свойственна зарядовая независимость (ядерные силы между двумя протонами, нейтронами, протон-, нейтрон-одинаковы), следовательно, ядерные силы имеют неэлектрическую природу.
4. Ядерным силам свойственно насыщение (каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов).
5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов (взаимодействие только при параллельной ориентации спинов).
6. Ядерные силы не являются центральными (не действуют по линии, соединяющей их центры нуклонов).

 

Рассмотрим две  модели ядра: капельную и оболочечную.

1. Капельная модель (1936, Н. Бор, Я. И. Френкель). Основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и молекул в капле жидкости. Однако эта модель не смогла, например, объяснить повышенную устойчивость ядер, содержащих магические числа протонов и электронов.
2. Оболочечная модель ядра (1949–1950, амер. физик М. Гелперт-Майер и нем. физик Х. Иенсон). Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам), заполняемым нуклонами согласно принципа Паули и связывает устойчивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми.

 

Наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра, у которых число протонов или число нейтронов равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Особенно стабильны дважды магические ядра, у которых магическими являются и число протонов, и число нейтронов. Их 5 ( ; ; ; ; ).

Оболочечная модель ядра позволила  объяснить спины и магнитные  моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменения их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания легких и средних ядер, а также ядер в невозбужденном состоянии.

По мере накопления экспериментальных  данных появились все новые факты, не укладывающиеся в рамки описания моделей.

Так возникли:

– обобщенная модель ядра (синтез капельной и оболочечной моделей);

– оптическая модель ядра (объясняет взаимодействие ядер с налетающими частицами).

 

3. Естественная и искусственная радиоактивность.

 

Французский физик Беккерель (1852–1908) при изучении люминесценции солей урана случайно обнаружил излучение неизвестной природы. Супруги Мария Кюри (1867–1934) и Пьер обнаружили, что беккерелевское излучение свойственно не только урану, но и другим тяжелым металлам (торий, актиний).

Излучение назвали радиоактивным, а испускание излучения – радиоактивностью.

В настоящее время радиоактивность – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Радиоактивность подразделяется на естественную (наблюдается у неустойчивых изотопов, существующих в природе) и искусственную (наблюдается у изотопов, полученных посредством ядерных реакций). Принципиального различия между двумя типами радиоактивности нет, так как законы радиоактивного превращения в обоих случаях одинаковы.

Радиоактивное излучение бывает трех типов: α-, β- и γ-излучение.

α – отклоняется электрическими и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей способностью и малой проникающей способностью (поглощается слоем Al толщиной 0,05 мм); представляет собой поток ядер гелия;

β – отклоняется электрическими и магнитными полями, ионизирующая способность примерно на два порядка ниже, проникающая способность выше (толщина Al составляет 2 мм), чем у α-излучения; представляет собой поток быстрых электронов;

γ – не отклоняется электрическими и магнитными полями, слабая ионизирующая и очень большая проникающая способность (проходит через слой свинца толщиной 5 см). Оно является коротковолновым (λ<10^-10 м) электромагнитным излучением, то есть поток фотонов (γ-квантов).

 

 

4. Закон радиоактивного распада.

 

Под радиоактивным распадом понимают естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно.

Атомное ядро, испытывающее радиоактивный  распад, называется материнским, возникающее ядро – дочерним

,      (6)

закон радиоактивного распада

 

где λ – постоянная величина для данного радиоактивного вещества;

N₀ – начальное число нераспавшихся ядер (t=0);

N – число нераспавшихся ядер  в момент времени t.

 

Интенсивность процесса радиоактивного распада характеризуют две величины: период полураспада Т_1/2 и среднее время жизни τ радиоактивного ядра.

Т_1/2 – время, за которое исходное количество частиц в среднем уменьшается вдвое.

 – среднее время жизни  радиоактивного ядра – есть  величина, обратная постоянной радиоактивного  распада.

Активностью А нуклида называется число распадов, происходящих с ядрами образца за 1с.

.     (7)

СИ:   А – [Бк] Беккерель,

внесистемная: А – [Ки] Кюри.

1 Ки = 3,7·10¹⁰ Бк.

 

 

5. "Меченые" атомы в биологии.

 

Микроскопическую дозу радиоактивного изотопа (обычно с небольшим периодом полураспада) вводят, например, в почву около корней растения в струю водного или воздушного потока, в ткань живого организма, в смазку двигателя и т. д. Затем с помощью счетчика или другого регистратора радиоактивных излучений наблюдают за перемещением введенного изотопа в данной системе.

В сельском хозяйстве "меченые" атомы используют для исследования процесса питания растений фосфором.

В почву под растения вносят фосфорное  удобрение с примесью изотопа  . После этого растения периодически обследуют с помощью счетчиков радиоактивного излучения, таким образом выясняют (по интенсивности излучения от разных частей растения), когда фосфор поступает в корневую систему, с какой скоростью перемещается внутри растения, как распределяется в растении, как участвует в обмене веществ. Эти исследования обычно дополняют авторадиографированием. (Растение срезают, высушивают, выдерживают 20–30 ч., проявляют.) На пластинке появляется отпечаток растения. По степени почернения различных участков можно судить о движении фосфора в растении.

 

 

6. Принцип действия оптического квантового генератора (лазера).

 

Лазерами называют устройства, создающие  когерентные электромагнитные волны  в оптическом диапазоне на основе вынужденного излучения.

В построенном Майманом первом лазере рабочим телом был цилиндр из розового рубина d ≈ 1см, l ≈ 5см. Торцы отшлифованы. Один торец покрыт непрозрачным слоем серебра, второй пропускает 80% излучения.

Рубин – Al₂O₃ с примесью хрома. Рубин освещается импульсной ксеноновой лампой, в следствии большинство ионов Cr переводится в возбужденное состояние – накачка.

Возбужденные ионы спонтанно излучают фотоны в направлении, параллельной оси кристалла (фотоны, движущиеся в  других направлениях, вылетают из кристалла). Развивается каскад, так как фотоны многократно проходят вдоль кристалла, отражаясь от его торцов. Когда пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла. Лазер работает в импульсном режиме (несколько импульсов в минуту). Внутри кристалла выделяется большое количество тепла и его нужно интенсивно охлаждать, что осуществляется с помощью жидкого воздуха.