Строение и устойчивость атомного ядра

Концепции современного естествознания

Лекция: «Элементарные частицы. Строение атома. Радиоактивность»

Вещество – это форма существования материи, в которой она проявляет себя, прежде всего, в виде частиц, имеющих собственную массу (массу покоя). Согласно современным представлениям, материя дискретна. Любое тело и любое поле составлены из «элементарных» тел и «элементарных» полей, так называемых микрочастиц и микрополей. Все многообразие макрообъектов возникает из всевозможных сочетаний ограниченного числа качественно различных микрообъектов.

До конца 19 века считалось, что атом – это наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. Активное изучение строения атома началось после открытия в 1897 г. Дж. Томпсоном отрицательно заряженной частицы электрона. В 1903 г. он предложил первую модель атома: атом представляет собой непрерывно заряженный положительным электрическим зарядом шар, внутри которого около своих положений равновесия колеблются электроны, но эта модель экспериментально не подтвердилась.

В 1911 г. Резерфорд на основании экспериментов по рассеиванию ускоренных ионов на тонких фольгах выдвинул гипотезу о «планетарной» модели атома: в центре атома находится «точечное» положительно заряженное ядро, вокруг него по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Но эта модель не смогла объяснить устойчивость атомов, поэтому была в дальнейшем усовершенствована Бором, Шредингером, Гейзенбергом, Паули и др. в рамках квантовой механики.

В 1919 г. был открыт протон(положительно заряженная частица), а в 1932 г. – нейтрон. Протоны и нейтроны называют нуклонами (от лат. ядро), поскольку из них состоит ядро атома. К середине 30-х гг. 20 в. также было теоретически доказано существование нейтрино и позитрона (античастица для электрона), таким образом сложилось представление о существовании небольшого числа элементарных частиц.

После II Мировой войны в результате создания ядерного оружия были обнаружены десятки новых элементарных частиц. Они подразделяются на две группы (фотон стоит отдельно):

1) адроны, участвующие в сильном взаимодействии (барионы: нуклоны и гипероны, мезоны);

2) лептоны, участвующие в слабом взаимодействии (электрон, нейтрино, мюоны).

После открытия нескольких сотен элементарных частиц предположили, что не все они являются «элементарными», и большая часть из них состоит из более фундаментальных составляющих. Из многочисленных предложенных моделей экспериментальное подтверждение получила модель кварков (1964 г. Гелл-Ман и Цвейг). Как показали современные исследования на ускорителях (коллайдерах), кварки являются фундаментальными составляющими и адронов, и лептонов. Они обладают дробным зарядом и полуцелым спином ½ (характеристика собственного вращения). Всего известно 6 типов кварков, которые различаются по присущим им характеристикам, называемым «ароматами», и по «цвету» (красный, зеленый, голубой). Ни один кварк в свободном состоянии не наблюдался.

Составить со студентами таблицу с описанием только кварков из рисунка

(«Вокруг света», № 10, 2003, стр. 28)

Считается, что протон образован тремя кварками uud, нейтрон – udd, все мезоны состоят из одного кварка и одного антикварка и являются нестабильными.

Каждой из частиц, за исключением абсолютно нейтральных (фотон, пион), соответствует своя античастица. Масса, спин, время жизни частицы и античастицы тождественно совпадают, они различаются знаком заряда, направлением магнитного момента и др. При столкновении частицы и античастицы происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с выделением огромной энергии и образованием других частиц, число и природа которых определяются законами сохранения. Во Вселенной скопление антивещества пока не обнаружено.

Таким образом, фундаментальными являются 12 частиц – 6 кварков и 6 антикварков. В настоящее время остается открытым вопрос о существовании прекварков.

Строение и устойчивость атомного ядра

Полной теории структуры атомных ядер до сих пор нет. Наиболее распространена модель оболочечного строения ядра атома. Предполагают, что протоны и нейтроны, независимо друг от друга, заполняют ядерные слои и оболочки.

В настоящее время известно около 300 устойчивых и более 1000 радиоактивных ядер. Ядра, содержащие 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82 протона или нейтрона и 126, 152 нейтрона особенно стабильны. Предполагается, что эти «магические числа» нуклонов соответствуют завершенным ядерным слоям. Элементы с числом протонов в ядре равным одному из магических чисел имеет большее число изотопов, чем соседние с ним элементы. Ядра с числом нуклонов, стоящим непосредственно за «магическим числом», особенно легко разрушаются.

Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, которые различаются количеством нейтронов в ядре, а следовательно, и массой. Известно более 110 химических элементов.

Радиоактивность

Первым шагом в научном решении проблемы превращения элементов было открытие в 1896 г. Беккерелем естественной радиоактивности урана. Два года спустя Мария и Пьер Кюри обнаружили радиоактивность у тория, а затем открыли 2 новых радиоактивных элемента – полоний и радий. Эти открытия доказали, что химические элементы не являются вечными и неизменными, а могут превращаться друг в друга.

Радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц.

Известны три основных вида радиоактивного излучения:

- альфа-излучение – поток ядер гелия;

- бета-излучение – поток быстрых электронов;

- гамма-излучение – коротковолновое электромагнитное излучение с очень малой длиной волны (менее 10^{-10 м), что обуславливает его чрезвычайно высокую проникающую способность.}

Продолжительность жизни атомов определяется строением их ядер и характеризуется периодом полураспада, то есть временем, в течение которого распадается половина всех ядер данного элемента. Период полураспада может быть от 10^-3 с до 10¹⁰ лет, но для большинства изотопов – 30 с - 10 суток.

На Земле встретить радиоактивный элемент можно только в 3 случаях:

- он «пережил» 4,3 млрд. лет со времени образования планеты Земля (торий, уран);

- его запасы постоянно пополняются за счет естественных процессов;

- он получен искусственно в результате деятельности человека (ускорители частиц, атомные реактора и пр.).

Основные типы радиоактивных превращений:

1) наиболее часто происходит β-распад ядер – ядро испускает электрон (β-частицу) за счет превращения одного нейтрона ядра в протон.

Часть энергии, выделяющейся при β-распаде, уносит с собой антинейтрино .

Образуется изотоп элемента с порядковым номером на единицу большим, чем у исходного, и с той же атомной массой.

2) для ядер с недостатком нейтронов, то есть для самых легких элементов, характерен позитронный распад – распад с выделение позитрона (античастицы электрона).

При этом образуется изотоп элемента на единицу меньшим, чем у исходного, и с той же атомной массой.

3) к такому же изменению ядра, как при позитронном распаде, приводит электронный захват – электрон, находящийся близко к ядру, захватывается ядром

4) наибольшие изменения исходного ядра наблюдаются при α-распаде. Выделение ядром α-частицы (ядра гелия) приводит к изменению заряда ядра на 2, а массы на 4. Этот распад наиболее характерен для тяжелых элементов.

Для тяжелых элементов наряду с естественной радиоактивностью возможно самопроизвольное (спонтанное) деление ядра на две части. Впервые это явление было открыто для ядер урана в 1940 г. Флёровым и Петржаком.

Все элементы, находящиеся в Периодической системе Д.И. Менделеева после висмута (№ 83), радиоактивны. Среди последних существуют только 3 ядра, продолжительность жизни которых настолько велика, что они сохранились на Земле: торий-232, уран-235 и уран-238. Они являются родоначальниками цепочек последовательных радиоактивных превращений, образуя «семейства», в которые входят большинство встречающихся в природе радиоактивных элементов, обладающих меньшей продолжительностью жизни. Цепочки распада завершаются образованием стабильных изотопов свинца и гелия.

Анализ руд и минералов на содержание урана-238 или торий-232 и соответствующих изотопов свинца позволяет с достаточной точностью определять возраст геологических объектов.

Кроме радиоактивного распада превращения элементов происходят при разнообразных ядерных реакциях. Первое искусственное ядерное превращение осуществил в 1919 г. Резерфорд: ядро-мишень бомбардируется частицами (например, α-частицами), при этом образуется промежуточное короткоживущее составное ядро, которое затем испускает элементарную частицу или легкое ядро и в превращается в новый изотоп.

или.

Важным видом ядреных реакций являются термоядерные реакции. Это реакции слияния легких атомных ядер в более сложные.

Термоядерные реакции способны протекать только при очень высоких температурах 10⁷ К (ядра звезд, атомный взрыв, мощный газовый разряд). Практически сейчас осуществимы только неуправляемые термоядерные реакции при взрывах ядерных бомб.

Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 362; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!