Атомная и ядерная физика. Атомная физика

> Атомная и ядерная физика

Атомная и ядерная физика

Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.: ИЛ, 1963 (djvu)
Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том 1. М.: Мир, 1972 (djvu)
Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том 2. М.: Мир, 1973 (djvu)
Адлер С., Дашен Р. Алгебры токов и их применение в физике частиц. М.: Мир, 1970 (djvu)
Ахиезер А.И., Рекало М.П. Биография элементарных частиц. Киев: Наук. думка, 1979 (djvu)
Ахиезер А., Померанчук И. Некоторые вопросы теории ядра (2-е изд.) М.-Л.: ГИТТЛ, 1950 (djvu)
Байер В.Н., Катков В.М., Фадин В.С. Излучение релятивистских электронов. М.: Атомиздат, 1973 (djvu)
Балдин A.M., Гольданский В.И., Розенталь И.Л. Кинематика ядерных реакций. М.: ГИФМЛ, 1959 (djvu)
Бартон Г. Дисперсионные методы в теории поля. М.: Атомиздат, 1968 (djvu)
Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973 (djvu)
Бернстейн Дж. Элементарные частицы и их токи. М.: Мир, 1970 (djvu)
Бете Г., Швебер С., Гофман Ф. Мезоны и поля. Том 1. Поля. М.: Ин. лит., 1957 (djvu)
Бете Г., Гофман Ф. Мезоны и поля. Том 2. Мезоны. М.: Ин. лит., 1957 (djvu)
Бете Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. М.: Ин. лит., 1958 (djvu)
Биленький С.М. Введение в диаграммную технику Фейнмана. М.: Атомиздат, 1971 (djvu)
Бор Н. Избранные научные труды. Том I. Статьи 1909-1925. М.: Наука, 1970 (djvu)
Бор Н. Избранные научные труды. Том II. Статьи 1925 -1961. М.: Наука, 1971 (djvu)
Бор Н. Прохождение атомных частиц через вещество. М.: ИЛ, 1950 (djvu)
Боргман И.И. (ред.) Новые идеи в физике. Вып. 1. Строение вещества. СПб.: Образование, 1911 (djvu)
Борн М. Лекции по атомной механике. Харьков-Киев: НТИУ, 1934 (djvu)
Борн M. Атомная физика. М.: Мир, 1965 (djvu)
Браун Дж.Е., Джексон А.Д. Нуклон-нуклонные взаимодействия. М.: Атомиздат, 1979 (djvu)
Бюклинг Е., Каянти К. Кинематика элементарных частиц. М.: Мир, 1975 (djvu)
Вайтман А.С. Проблемы в релятивистской динамике квантованных полей. М.: Наука, 1967 (djvu)
Васильев А.Н. Функциональные методы в квантовой теории поля и статистике. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1976 (djvu)
Вентцель Г. Введение в квантовую теорию волновых полей. М.: Гостехиздат, 1947 (djvu)
Вильсон Дж. Камера Вильсона. М.: ИЛ, 1954 (djvu)
Волков М.К., Первушин В.Н. Существенно нелинейные квантовые теории, динамические симметрии и физика мезонов. М.: Атомиздат, 1978 (djvu)
Гайтлер В. Квантовая теория излучения. М.: ИЛ, 1956 (djvu)
Гейзенберг В. Введение в единую полевую теорию элементарных частиц. М.: Мир, 1968 (djvu)
Горбунова О.И., Зайцева А.М., Красников С.Н. Задачник-практикум по общей физике. Оптика. Атомная физика. М.: Просвещение, 1977 (djvu)
Гриб А.А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. М.: Атомиздат, 1978 (djvu)
Давыдов А.С. Теория атомного ядра. М.: Физматгиз, 1958 (djvu)
Де Альфаро B., Фубини C., Фурлан Г., Росетти К. Токи в физике адронов. М.: Мир, 1976 (djvu)
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. Том 3. Волновые процессы. Оптика. Атомная и ядерная физика (3-е издание). М.: Высшая школа, 1979 (djvu)
Джеффрис К. Динамическая ориентация ядер. М.: Мир, 1965 (djvu)
Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс обшей физики. Том 3. Оптика, физика атомов и молекул, физика атомного ядра и микрочастиц (4-е издание). М.: Наука, 1970 (djvu)
Иваненко Д., Соколов А. Классическая теория поля (2-е изд.) М.-Л.: ГИТТЛ, 1951 (djvu)
Иваненко Д. Элементарные частицы и компенсирующие поля. Сборник статей. М.: Мир, 1964 (djvu)
Камал А. Задачи по физике элементарных частиц. М.: Наука, 1968 (djvu)
Коккедэ Я. Теория кварков. М.: Мир, 1971 (djvu)
Коллинз П. Введение в реджевскую теорию и физику высоких энергий. М.: Атомиздат, 1980 (djvu)
Коллинз П., Сквайрс Ю. Полюса Редже в физике частиц. М.: Мир, 1971 (djvu)
Ли Ц., Ву Ц. Слабые взаимодействия. М.: Мир, 1968 (djvu)
Ломсадзе Ю.М. Теоретико-групповое введение в теорию элементарных частиц. М.: Высш. школа, 1962 (djvu)
Лорентц Г.А. Теория электронов и ее применение к явлениям света и теплового излучения (2-е изд.). М.: ГИТТЛ, 1953 (djvu)
Лоудон Р. Квантовая теория света. М.: Мир, 1976 (djvu)
Марков М.А. Гипероны K-мезоны. М.: ГИФМЛ, 1958 (djvu)
Маршак Р., Судершан Э. Введение в физику элементарных частиц. М.: ИЛ, 1962 (djvu)
Матвеев А.Н. Квантовая механика и строение атома. М.: Высш. школа, 1965 (djvu)
Менский М.Б. Метод индуцированных представлении: пространство-время и концепция частиц. М.: Наука, 1976 (djvu)
Мигдал А.Б. Фермионы и бозоны в сильных полях. М.: Наука, 1978 (djvu)
Минлос Р.А. (ред.) Математика. Новое в зарубежной науке-12. Евклидова квантовая теория поля. Марковский подход. Сборник статей. М.: Мир, 1978 (djvu)
Мотт Н., Месси Г. Теория атомных столкновений. М.: ИЛ, 1951 (djvu)
Мошинский М. Гармонический осциллятор в современной физике: от атомов до кварков. М.: Мир, 1972 (djvu)
Мэтьюс П. Релятивистская квантовая теория взаимодействий элементарных частиц. М.: ИЛ, 1959 (djvu)
Нгуен Ван Хьеу Лекции по теории унитарной симметрии элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1967 (djvu)
Нелипа Н.Ф. Введение в теорию сильновзаимодействующих элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1970 (djvu)
Нишиджима К. Фундаментальные частицы. М.: Мир, 1965 (djvu)
Новожилов Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц. М.: Наука, 1972 (djvu)
Ньютон Р. Теория рассеяния волн и частиц. М.: Мир, 1969 (djvu)
Окунь Б. Слабое взаимодействие элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963 (djvu)
Очелков Ю.П., Прилуцкий О.Ф., Розенталь И.Л., Усов В.В. Релятивистская кинетика и гидродинамика. М.: Атомиздат, 1979 (djvu)
Паули В. Релятивистские полевые теории элементарных частиц. М.: 1947 (djvu)
Петрина Д.Я., Иванов С.С., Ребенко А.Л. Уравнения для коэффициентных функций матриц рассеяния. М.: Наука, 1979 (djvu)
Поль Р.В. Оптика и Атомная физика. М.: Наука, 1966 (djvu)
Попов В.Н. Континуальные интегралы в квантовой теории поля и статистической физике. М.: Атомиздат, 1976 (djvu)
Путилов К.А., Фабрикант В.А. Курс физики. Том 3. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика (2-е издание). М.: ГИФМЛ, 1963 (djvu)
Ракобольская И.В. Ядерная физика. М.: Изд-во МГУ, 1971 (djvu)
Романцов Ю.А. Исследование динамики релятивистских частиц в поле резонансных систем с распределенным взаимодействием. Препринт № 47. Харьков: РИ АН УССР, 1990 (djvu)
Румер Ю.Б., Фет А.И. Теория групп и квантованные поля. М.: Наука, 1977 (djvu)
Савельев И.В. Курс общей физики. Том З. Оптика. Атомная физика. М.: Наука, 1971 (djvu)
Сакураи Дж. Токи и мезоны. М.: Атомиздат, 1972 (djvu)
Синаноглу О. Многоэлектронная теория атомов, молекул и их взаимодействий. М.: Мир, 1966 (djvu)
Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров. М.: ГИФМЛ, 1963 (djvu)
Соколов А.А. Элементарные частицы (Расширенная публичная лекция, прочитанная в лектории МГУ 10 января 1962 г.) М.: МГУ, 1963 (djvu)
Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. М.: Просвещение, 1970

11.1. Модель атома Резерфорда

До 1911 г. не было правильных представлений о строении атома. В 1911 г. Резерфорд и его сотрудники исследовали рассеяние -частиц при прохождении через тонкие металлические слои (-частицы испускают радиоактивные элементы. Они представляют собой ядра атомов гелия с зарядом 2е и массой, приблизительно в 4 раза большей, чем масса атома водорода. Скорость их достигает  10 7 м/с ). Было установлено, что при облучении листка золота толщиной 6 мкм значительное отклонение от первоначального направления движения испытывала лишь одна из 8000 -частиц. Результат получился таким же неожиданным для того времени, как если бы при обстреле кирпичами кирпичной стены толщиной в несколько тысяч кирпичей почти все кирпичи проходили бы сквозь стену и лишь некоторые отскакивали бы от стены.

На основании своих исследований Резерфорд предложил ядерную модель атома. Согласно этой модели атом состоит из положительного ядра, имеющего заряд Z е (Z - порядковый номер элемента в таблице Менделеева, е - элементарный заряд), размер 10 -5 -10 -4 А (1А= 10 -10 м) и массу практически равную массе атома. Вокруг ядра по замкнутым орбитам движутся электроны, образуя электронную оболочку атома. Так как атомы нейтральны, то вокруг ядра должно вращаться Z электронов, суммарный заряд которых - Z е. Размеры атома определяются размерами

внешних орбит электронов и составляют порядка единиц А.

Масса электронов составляет очень малую долю массы ядра (для водорода 0,054%, для остальных элементов менее 0,03%). Понятие “размер электрона” не удается сформулировать непротиворечиво, хотя r o  10 -3 А называют классическим радиусом электрона.

Итак, ядро атома занимает ничтожную часть объема атома и в нем сосредоточена практически вся ( 99,95%) масса атома. Если бы ядра атомов располагались вплотную друг к другу, то земной шар имел бы радиус  200 м а не  6400 км (плотность вещества атомных ядер  1,810 17 кг/м 3). Поэтому с точки зрения атомистических представлений всякую среду следует рассматривать как вакуум, в который вкраплены атомные ядра и электроны (или по другому - как вакуум, слегка испорченный вкрапленными в него атомными ядрами и электронами).

Результаты опытов по рассеиванию -частиц свидетельствуют в пользу ядерной модели атома. Однако ядерная модель оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Покажем это.

Предположим, что электрон движется вокруг ядра по круговой орбите радиуса r . При этом кулоновская сила взаимодействия между электроном и ядром сообщает электрону нормальное (центростремительное) ускорение, определяемое из второго закона Ньютона.

При r = 1А из (1) находим, что а n  10 22 м/с 2 . Согласно классической электродинамике ускоренно движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны (см. параграф 2.4.) и вследствие этого терять энергию. В результате электроны будут приближаться к ядру и в конце концов упадут на него, что противоречит действительности.

Выход из создавшего тупика был найден в 1913 г. Нильсом Бором, который сформулировал 2 постулата, противоречащие классическим представлениям.

11.2. Постулаты Бора

1. Первый постулат заключается в следующем:

Существуют только некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает энергию. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты, по которым движется электроны. При движении по стационарным орбитам электроны, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн.

В стационарном состоянии атома электрон должен иметь дискретные (квантованные) значения момента импульса

L n = mr v = n, n = 1, 2, ... (2)

Здесь m , v - масса и скорость электрона, r - радиус его орбиты. С учетом (1) и (2) находим радиусы стационарных орбит электронов

. (3)

Для атома водорода (Z =1 ) радиус первой орбиты электрона при n = 1 , называемый первым боровским радиусом (а), равен

r 1 = a = 0,528 А. (4)

внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона (Т = mv 2 /2 ) и потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром (U =- Ze 2 /(4  0 r )),

(5)

при выводе формулы (5) учли формулу (1). Подставляя в (5) квантовые радиусы орбит электронов (3), получим, что энергия атома (которая равна энергии электрона, так как ядро атома неподвижно) может принимать только следующие дозволенные дискретные (квантовые) значения

где знак минус означает, что электрон находится в связанном состоянии. (В атомной физике энергия измеряется в электронвольтах, 1 эВ = 1,6  10 -19 Дж ).

2. Второй постулат устанавливает:

При переходе атома (электрона) из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон с энергией

где Е n , Е m - энергии атома (электрона) в стационарных состояниях n и m , которые определяются согласно (6).

Исходя из своих постулатов Бор создал полуклассическую теорию простейшего водородоподобного атома и объяснил линейчатый спектр атом водорода. К водородоподобным атомам относятся атом водорода (z=1), ион гелия Не + (z=2), ион лития Li ++ (Z =3 ) и др. Для них характерно, что вокруг ядра с зарядом = Ze вращается только один электрон.

11.3. Линейчатый спектр атома водорода

Спектр излучения атомарного водорода состоит из отдельных спектральных линий, которые располагаются в определенном порядке. В 1885 г. Бальмер установил, что длины волн (или частоты) этих линий могут быть представлены формулой. Действительно, из (7) с учетом (6) для водорода (Z = 1), следует, что

где R = 2,07  10 16 с -1 - постоянная Ридберга

Учитывая, что 1/ = v /с = /2с и используя (8), найдем

, (9)

где R =1,0974  10 7 м -1 - называется также постоянной Ридберга.

На рис. 1 изображена схема энергeтических уровней атома водорода, расчитанных согласно (6) при z=1.

0 n = 

При переходе электрона с более высоких энергетических уровней на уровень n = 1 возникает ультрофиолетовое излучение или излучение серии Лаймана (СЛ). Когда электроны переходя на уровень n = 2 возникает видимое излучение или излучение серии Бальмера (СБ). При переходе электронов с более высоких уровней на уровень n = 3 возникает инфракрасное излучение, или излучение серии Пашена (СП) и т.д.

Частоты или длины волн, возникающего при этом излучения, определяются по формулам (8) или (9) при m =1 - для серии Лаймана, при m =2 - для серии Бальмера и при m = 3 - для серии Пашена. Энергия фотонов определяется по формуле (7), которую с учетом (6) можно привести для водородоподобных атомов к виду:

эВ (10)

Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913 - 1925 г.) были сделаны важные открытия, например, в области атомной спектроскопии. Однако в теории Бора обнаружились существенные недостатки, например, с ее помощью невозможно создать теорию более сложных, чем атом водорода, атомов. Поэтому становилось очевидным, что теория Бора представляет собой переходной этап на пути создания последовательной теории атомных и ядерных явлений. Такой последовательной теорией явилась квантовая (волновая) механика.

11.4 Атом водорода согласно квантовой механики. Квантовые числа электрона в атоме

Результаты полученные согласно теории Бора в решении задачи об энергетических уровнях электрона в водородоподобных атомах, получены в квантовой механике без привлечения постулатов Бора. Покажем это.

Состояние электрона в водородоподобном атоме описывается некоторой волновой функцией , удовлетворяющей стационарному уравнению Шредингера [см.(9.22)]. Учитывая, что потенциальная энергия электрона

где r - расстояние между электроном и ядром, получим уравнение Шредингера в виде

(12)

Целесообразно воспользоваться сферической системой координат r ,  ,  и искать решение этого уравнения в виде следующих собственных функций

(13)

где n , l , m - целочисленные параметры собственных функций. При этом n - называют главным квантовым числом, l - орбитальным (азимутальным) и m - магнитным квантовым числом.

Доказывается, что уравнение (12) имеет решение только при дискретных отрицательных значениях энергии

где n = 1, 2, 3,... главные квантовые числа.

Сравнение с выражением (6) показывает, что квантовая механика приводит к таким же значениям энергии, какие получились и в теории Бора. Однако в квантовой механике эти значения получаются как следствие основных положений этой науки.

Подставив в (14) Z =1 и приняв n = 1 , получим значение энергии основного состояния (т.е. состояния с наименьшей энергией) атома водорода

эВ. (15)

Из решения (13) уравнения Шредингера (12) также следует, что момент импульса электрона в атоме квантуется по формуле

(16)

где l = 0, 1, 2, ... (n -1), орбитальное (азимутальное) квантовое число.

Проекция момента импульса L электрона на направление Z магнитного поля может принимать лишь целочисленные значения, кратные (пространственное квантование) т.е.

m - называют магнитным квантовым числом. При данном магнитное квантовое число может принимать различных значений.

Атомная физика возникла на рубеже XIX и XX столетий на основе исследований оптических спектров газов, открытия электрона и радиоактивности. На первом этапе своего развития (первая четверть XX в.) атомная физика занималась главным образом выявлением строения атома и изучением его свойств. Опыты Э. Резерфорда по рассеянию а-частиц тонкой металлической фольгой (1908-1911) привели к созданию планетарной модели атома; используя эту модель, Н. Бор (1913) и А. Зоммерфельд (1915) разработали первую количественную теорию атома (см. Атом). Последующие исследования свойств электрона и атомов завершились созданием в середине 20-х гг. квантовой механики - физической теории, описывающей законы микромира и позволяющей количественно рассматривать явления, в которых участвуют микрочастицы (см. Квантовая механика).

Квантовая механика является теоретическим фундаментом атомной физики. В то же время атомная физика играет роль своеобразного «испытательного полигона» для квантовой механики. Представления и выводы квантовой механики, часто не согласующиеся с нашим повседневным опытом, проходят экспериментальную проверку в атомной физике. Ярким примером могут служить знаменитые опыты Франка - Герца (1913) и Штерна - Герлаха (1922); ниже остановимся на них подробнее.

К началу XX в. был накоплен богатый материал по оптическим спектрам атомов. Было установлено, что каждому химическому элементу соответствует свой линейчатый спектр, характеризующийся закономерным, упорядоченным расположением спектральных линий. Квантовая механика связывает наблюдаемые закономерности в спектре с системой энергетических уровней данного атома. В 1913 г. немецкие физики Дж. Франк и Г. Герц выполнили опыт, давший прямое экспериментальное подтверждение тому, что внутренняя энергия атома квантуется и поэтому может изменяться лишь дискретно, т. е. определенными порциями. Они измерили энергию свободных электронов, затрачиваемую на возбуждение атомов ртути. Основной элемент установки - стеклянный откачанный баллон с тремя впаянными электродами: катодом, анодом, сеткой (прообраз современного вакуумного триода). В баллоне находились пары ртути под давлением 1 мм рт. ст. Электроны, покинувшие катод, ускорялись в поле между катодом и сеткой (ускоряющее напряжение U) и затем тормозились в поле между сеткой и анодом (тормозящее напряжение U 1). На пути от катода к аноду электроны сталкивались с атомами ртути. Напряжение U 1 выбиралось значительно меньше, чем U\ поэтому от анода отталкивались только достаточно медленные электроны - те, которые потеряли энергий) в результате неупругих столкновений с атомами ртути. В опыте измерялась сила анодного тока в зависимости от ускоряющего напряжения U. Экспериментальная кривая имеет ряд четких максимумов, отстоящих друг от друга на 4,9 В. Вид этой кривой объясняется так. При U< 4,9 В столкновения электронов с атомами ртути являются упругими (возбуждение атомов не происходит), поэтому сила тока плавно нарастает с увеличением U. По достижении значения U = 4,9 В начинаются неупругие столкновения, связанные с возбуждением атомов ртути; в результате сила тока резко падает. При дальнейшем повышении U ток снова нарастает до тех пор, пока напряжение не достигнет 9,8 В, когда электрон оказывается в состоянии возбудить два атома. При достижении 14,7 В электроны способны испытать три неупругих столкновения с атомами ртути и т. д. При напряжении 4,9 В электрон приобретает энергию 4,9 эВ. Таким образом вид кривой 1(10 показывает, что для возбуждения атома ртути необходима энергия, равная 4,9 эВ. Это и есть, очевидно, та самая порция энергии, которой атом ртути обменивается с электроном.

При более тщательной постановке опытов этого типа удалось обнаружить возбуждение следующих энергетических уровней атомов: для ртути это 6,7; 8,3 эВ и т. д. (10,4 эВ - потенциал ионизации). Наблюдение свечения газа показывает при этом появление полного спектра для атомов ртути.

Движущийся вокруг атомного ядра электрон можно уподобить элементарному электрическому току; он порождает магнитное поле. Магнитные поля различных электронов, складываясь, образуют магнитное поле атома. Для его характеристики вводится векторная величина, называемая магнитным моментом. Если электроны полностью заполняют ту или иную оболочку (1s, 2s, 2р и т. д.), то их магнитные поля взаимно компенсируются; магнитные моменты соответствующих атомов равны нулю.

В 1922 г. в Германии О. Штерн и В. Герлах выполнили опыт, показавший, что магнитный момент атома пространственно квантуется. Они посылали пучок атомов, имеющих магнитный момент, сквозь неоднородное магнитное поле и исследовали отклонения атомов под действием этого поля. Степень и характер отклонения зависят от ориентации магнитного момента атома по отношению к направлению поля. Если бы в пучке находились атомы со всевозможными ориентациями магнитных моментов, то наблюдалось бы непрерывное угловое «размытие» первоначального пучка. На опыте же наблюдалось четкое расщепление пучка атомов на несколько пучков; это и означало, что магнитный момент атома пространственно квантуется - его проекция на направление магнитного поля может иметь лишь некоторые определенные (дискретные) значения.

Обратимся к распределению отклонений атомов натрия в неоднородном магнитном поле (оно получено в 1930 г.). Это распределение имеет два четких максимума. У атома натрия три заполненные оболочки (1s, 2s, 2р) и один 3s-электрон. Электронное облако s-электронов сферически симметрично (см. Атом), поэтому их движение в поле ядра не приводит к появлению магнитного момента. Чтобы объяснить наблюдаемое расщепление пучка атомов натрия на две составляющие, необходимо принять, что у электрона есть собственный магнитный момент, не связанный с движением электрона вокруг ядра. Этот магнитный момент условно связывают с вращением электрона вокруг собственной оси и называют спиновым моментом (см. Спин). Магнитный же момент электрона, связанный с его движением вокруг ядра, называют орбитальным моментом. Итак, в случае атома натрия взаимно скомпенсированы как орбитальные, так и спиновые моменты электронов заполненных оболочек; орбитальный момент 3s-электрона равен нулю, а спиновый момент этого электрона обусловливает расщепление пучка атомов натрия в неоднородном магнитном поле. Тот факт, что наблюдается расщепление на два пучка, означает, что спиновый момент электрона имеет две проекции на направление магнитного поля.

В 30-х гг. нашего столетия начался новый этап в развитии атомной физики. В эти годы выяснилось, что природа взаимодействий, ответственных за процессы внутри атомного ядра и объясняющих стабильность либо радиоактивность ядер, является совершенно иной по сравнению с взаимодействиями, обусловливающими процессы, происходящие в электронных оболочках атома (см. Единство сил природы). В связи с этим из атомной физики выделилось отдельное научное направление, связанное с исследованиями физики атомных ядер; в 40-х гг. это направление оформилось в самостоятельную физическую науку - ядерную физику. Наконец, в 50-х гг. от ядерной физики отпочковалось направление, связанное с изучением систематики и взаимопревращений элементарных частиЦ, - физика элементарных частиц.

В итоге выявился вполне определенный круг вопросов, составляющих содержание современной атомной физики. Ее не интересуют процессы, происходящие в атомном ядре, равно как и взаимопревращения элементарных частиц. Атомная физика изучает процессы с участием атомов или ионов, притом только такие процессы, которые не приводят к каким-либо изменениям в атомных ядрах. Следовательно, речь идет о процессах, затрагивающих лишь электронные оболочки атомов. К подобным

процессам относятся: изменения состояний электронов в атоме под действием внешних электрических или магнитных полей (так, под действием внешних полей происходит расщепление энергетических уровней атомов); поглощение и испускание атомами электромагнитного излучения (см. Спектроскопия, Рентгеновские лучи, Фотоэффект, Лазеры); столкновения атомов со свободными электронами, а также с другими атомами, ионами, молекулами (в результате столкновений с электронами или другими микрообъектами атомы могут возбуждаться, переходить из возбужденного состояния в менее возбужденное, превращаться в ионы, см. Электрический разряд в газах); взаимодействия электронных оболочек различных атомов, приводящие к образованию молекул и кристаллов. Все эти процессы обусловлены электромагнитным взаимодействием. Вероятности указанных процессов вычисляют, используя аппарат квантовой механики.

Современная атомная физика исследует также специальный тип атомов, называемых мезоатомами. Мезоатом возникает из обычного атома в результате замены одного из электронов мюоном (μ-), антимезоном (π-, К-), антипротоном либо отрицательно заряженным гипероном (см. Адроны, Лептоны). Существуют и аномальные «водородные» атомы - позитроний, мюоний, у которых роль протона играют позитроны или положительно заряженные антимюоны (μ+). Все эти атомы нестабильны; их время жизни ограничено временем жизни указанных выше частиц или процессами е+ е- и рр-аннигиляции. Мезоатомы образуются в процессе торможения частиц - в результате захвата отрицательно заряженных частиц кулоновским полем атомных ядер или при захвате позитронами и антимюонами атомных электронов. Опыты с различными аномальными атомами представляют большой интерес как для исследования свойств вещества, так и для изучения ядер и элементарных частиц.

Исследования в ядерной физике после ВОВ.

После окончания войны с фашистской Германией и Японией, исследования в области ядерной физики в СССР получили дальнейшее развитие. Они позволили Советскому Союзу в короткий срок ликвидировать монополию США на ядерное оружие и приступить к использованию атомной энергии в промышленности и сельском хозяйстве, в медицине, науке и технике.

В СССР широким фронтом проводятся исследования по изучению атомного ядра, взаимодействий ядерных частиц, ядерных реакций, по синтезу новых элементов и т. д. В самостоятельные области выделились нейтронная физика, физика ядерных реакторов и изотопная технология. Исследования в области физики реакторов, начатые на первых реакторах на медленных (тепловых) нейтронах, стали развиваться применительно к реакторам на промежуточных и быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством ядерного горючего. Для проведения этих исследований и решения прикладных задач, необходимых для освоения физики атомных реакторов, используется большое число так называемых физических сборок - моделей реакторов, многочисленные экспериментальные реакторы, на которых определяют критические массы ядерного горючего, распределение нейтронных потоков и пр.

В результате исследований по ядерной физике открыты новые элементарные частицы, изменившие ранее существовавшее представление о структуре атомного ядра; разработаны теории, позволяющие предсказывать некоторые свойства ядерных частиц при их взаимодействии; синтезированы новые химические элементы, открыт новый вид радиоактивности, развиты и приобрели самостоятельное значение исследования по регулируемому термоядерному синтезу. Созданы и успешно применяются уникальные экспериментальные установки для обработки опытных данных, специальные автоматические или полуавтоматические просмотровые устройства, а также быстродействующие электронно-вычислительные машины.

Закончим этот раздел словами Игоря Васильевича Курчатова: «Необходимо и дальше развивать атомную теоретическую науку с тем, чтобы были надежно освещены пути будущей атомной техники. Перед нами пример работы по решению советскими учеными и инженерами задачи использования атомной энергии урана и других тяжелых элементов. Наши успехи в этом деле были в значительной мере обусловлены тем, что в институтах все время шла упорная теоретическая работа по изучению законов строения атома, законов цепной реакции, законов строения атомного ядра, теоретическая работа, которая определила развивающиеся у нас сейчас пути атомной техники...».

Это выступление И. В. Курчатова как бы подводило итог поистине огромной творческой работы, проделанной советскими учеными и инженерами. Эту работу продолжают и сейчас многочисленные коллективы ученых в научно-исследовательских институтах.

Вклад ученых в развитие ядерной физики и освоение атомной энергии.

В 1896 г. Антуан Анри Беккерель открыл, что урановая руда испускает какие-то невидимые с большой проникающей способностью (позднее это явление было названо радиоактивностью).

В 1898 г. Мария Склодовская и Пьер Кюри выделили несколько сотых грамма нового вещества - элемента, который излучал -частицы. Они назвали его полонием. В декабре того же года они открыли новый элемент - радий.

В 1911 г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. Он же доказал, что почти вся атома сосредоточена в его ядре.

В 1913 г. Нильс Бор создал модель атома водорода и теорию строения атома. С этого времени и началось быстрое развитие квантовой механики, фактическое рождение ядерной физики.

В 1932 г. Джеймс Чедвик обнаружил не имеющую электрического заряда нейтральную ядерную частицу - нейтрон, будущий микроключ к большой атомной энергетике.

В 1932 г. Дмитрий Дмитриевич Иваненко предложил гипотезу строения атомного ядра из протонов и нейтронов.

В 1933 г. Ирен Кюри и Фредерик Жолио открыли искусственную бэтта-радиоактивность, т.е, новый вид радиоактивности. Это сыграло исключительную роль в создании новых радиоактивных элементов.

В 1934 г. Энрико Ферми обнаружил, что при бомбардировке урана нейтронами образуются радиоактивные элементы. Итальянские исследователи приняли их за элементы более тяжелые, чем уран, и назвали трансурановыми.

В 1934 г. Павел Алексеевич Черенков и Сергей Иванович Вавилов открыли одно из фундаментальных физических явлений - свечение жидкости при движении в ней электронов со скоростью, превышающей фазовую скорость в ней.

В 1935 г. Игорь Васильевич Курчатов с группой сотрудников открыли явление ядерной изомерии искусственных радиоактивных атомных ядер и разработали теорию этого явления.

В 1936 г. Яков Ильич Френкель предложил капельную модель ядра и ввел термодинамические понятия в ядерную физику, выдвинул первую теорию ядерного деления.

В 1938 г. Отто Ган и Ф. Штрассман, повторяя опыты Ферми, обнаружили, что в облученном нейтронами уране появляются элементы, стоящие в середине периодической системы элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

В 1938 г. Фредерик Жолио-Кюри также установил, что при попадании нейтрона в ядро урана ядро разваливается - делится на два меньших ядра.

В 1939 г. Юлий Борисович Харитон и Яков Борисович Зельдович теоретически показали возможность осуществления цепной реакции деления ядер урана-235.

В 1940 году Георгий Николаев Флёров и К. А. Петржак открыли спонтанное ядер урана, т.е, доказали, что ядра урана могут самопроизвольно распадаться. Когда подсчитали энергию, которую можно получить при расщеплении 1 кг урана, то оказалось, что она равна количеству энергии, которое выделяется при сжигании 2 300 000 кг самого лучшего каменного угля.

В 1940 году Юлий Борисович Харитон и Яков Борисович Зельдович предложили расчет цепной реакции деления ядер урана, установив, таким образом, принципиальную возможность ее осуществления.

Перечень научных открытий в области ядерной физики можно было бы и продолжить. Все это можно найти в различных научных и научно-популярных книгах.

Практическое задание.

Внимательно изучите презентацию. Ваша задача заключается в следующем определиться с темой своей презентации, возможно аналогичной, а может быть и чем-то уникальной в своём роде. Сегодня в течение данного урока вам предстоит создать или начать создавать презентацию по физике, а если быть точным вы должны посвятить её одному из важнейших и фундаментальных разделов этой прекрасной науки «Физика атома и атомного ядра».

Ваша работа будет поделена на несколько этапов:

Вы должны выбрать тему, которую будете разрабатывать – либо это будет презентация, посвящённая какому-либо из учёных, внёсших колоссальный вклад в эту науку; а может вы выберете - теоретической аспект этой науки или практический и освятите один из них. Презентация «Физика атома и атомного ядра» несомненно, должна помочь вам в этом.

Затем вам (речь идёт конечно же о тех, кто забыл как работать в программе Microsoft PowerPoint2007 ) стоит ознакомиться с презентацией PowerPoint2007, которая очень подробно расскажет о том, как с ним работать.

Слайд 2

Слайд 3

Слайд 4

А -18. 1.На рисунке представлен фрагмент Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Под названием элемента приведены массовые числа его основных стабильных изотопов, нижний индекс около массового числа указывает (в процентах) распростра- ненностьизотопа в природе. Число протонов и число нейтронов в ядре самого распространенного изотопа бора соответственно равно 1) 6 протонов, 5 нейтронов 2) 10 протонов, 5 нейтронов 3) 6 протонов, 11 нейтронов 4) 5 протонов, 6 нейтронов

Слайд 5

2. На рисунке приведены спектр поглощения разреженных атомарных паров неизвестного вещества (в середине) и спектры поглощения паров известных элементов (вверху и внизу). По анализу спектров можно утверждать, что неизвестное вещество содержит 1) только кальций (Са) 2) только стронций (Sr) 3) кальций и еще какое-то неизвестное вещество 4) стронций и еще какое-то неизвестное вещество

Слайд 6

3. Гамма-излучение - это 1) поток ядер гелия 2) поток протонов 3) поток электронов 4) электромагнитные волны

Слайд 7

4. Атом натрия 2311Na содержит 11 протонов, 23 нейтрона и 34 электрона 2) 23 протона, 11 нейтронов и 11 электронов 3) 12 протонов, 11 нейтронов и 12 электронов 4) 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов

Слайд 8

5. Какие заряд Z и массовое число А будет иметь ядро элемента, получившегося из ядра изотопа после одного α-распада и одного электронного β-распада? 1) A=213, Z=82 2) A=211, Z=83 3) A=219, Z=86 4) A=212, Z=83

Слайд 9

6. Ядро атома содержит 10 нейтронов и 9 протонов, вокруг него обращаются 8 электронов. Эта система частиц ион фтора 2) ион неона 3) атом фтора 4) атом неона

Слайд 10

7. В камере Вильсона, помещенной во внешнее магнитное поле таким образом, что вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас, были сфотографированы треки 2-х частиц.Какой из треков может принадлежать α-частице 1) только 1-й 2) только 2-й 3) 1-й и 2-й 4) ни один из приведенных

Слайд 11

8. В камере Вильсона, помещенной во внешнее магнитное поле таким образом, что вектор магнитного поля направлен перпендикулярно плоскости рисунка на нас, были сфотографированы треки 2-х частиц. Какой из треков может принадлежать электрону? 1) только 1-й 2) только 2-й 3) 1-й и 2-й 4) ни один из приведенных

Слайд 12

9. α-излучение - это 1) поток ядер гелия 2) поток протонов 3) поток электронов 4) электромагнитные волны

Слайд 13

10. Детектор радиоактивных излучений помещен в закрытую картонную коробку с толщиной стенок ≈ 1 мм. Какие излучения он может зарегистрировать? 1) α и β 2) α и Ƴ 3) β и Ƴ 4) α, β,Ƴ

Слайд 14

11. Какой вид ионизирующих излучений из перечисленных ниже наиболее опасен при внешнем облучении человека? 1) альфа-излучение 2) бета-излучение 3) гамма-излучение 4) все одинаково опасны

Слайд 15

12. В результате электронного β-распада ядра атома элемента с зарядовым числом Z получается ядро атома элемента с зарядовым числом 1) Z – 2 2) Z + 1 3) Z – 1 4) Z + 2

Слайд 16

13. В каком из перечисленных ниже приборов для регистрации ядерных излучений прохождение быстрой заряженной частицы вызывает появление импульса электрического тока в газе? 1) в счетчике Гейгера 2) в камере Вильсона 3) в фотоэмульсии 4) в сцинтилляционном счетчике

Слайд 17

14. Как изменится число нуклонов в ядре атома радиоактивного элемента, если ядро испустит -квант? 1) увеличится на 2 2) не изменится 3) уменьшится на 2 4) уменьшится на 4

Слайд 18

15. На основании исследования явления рассеяния альфа-частиц при прохождении через тонкие слои вещества Резерфорд сделал вывод, что альфа-частицы являются ядрами атомов гелия 2) альфа-распад является процессом самопроизвольного превращения ядра одного химического элемента в ядро другого элемента 3) внутри атомов имеются положительно заряженные ядра очень малых размеров, вокруг ядер обращаются электроны 4) при альфа-распаде атомных ядер выделяется ядерная энергия, значительно большая, чем в любых химических реакциях