Главные этапы в развитии теории света (стр. 21 )

90.  Электрон находится в потенциальной яме шириной в возбужденном состоянии . Определить в каких точках интервала плотность вероятности нахождения частицы максимальна?

91.  Электрон в одномерной потенциальной яме шириной находится в возбужденном состоянии . Определить вероятность обнаружения частицы в области .

92.  Электрон в одномерной потенциальной яме шириной находится в возбужденном состоянии . Определить вероятность обнаружения частицы в области .

10.4. Элементы физики атомного ядра.

1.10.4. Открытие нейтрона. Строение атомного ядра.

В 1920 году Э. Резерфорд в камере Вильсона наблюдал первую ядерную реакцию

10.1

в результате которой образовывался протон.

В 1930 году В. Боде и Г. Беккер облучая ряд элементов обнаружили, что при облучении бериллия - частицами возникает излучение большой проникающей способности, но не оставляющей следов в камере Вильсона. Так как большой проникающей способностью могут обладать только нейтральные частицы, то было высказано предположение о том, что это кванты электромагнитного излучения. Однако измерение энергии - квантов проведенное Ирен и Фредериком Жолио-Кюри показало, что они должны были обладать невероятной энергией, порядка 50 МэВ, вместо расчетных 7 Мэв.

В 1932 году Д. Чедвик вначале предположил, а затем и доказал, что при бомбардировке бериллия образуются нейтральные частицы, которые он назвал нейтронами. Таким образом, при бомбардировке бериллия протекает ядерная реакция

. 10.2

По своим характеристикам (кроме электрического заряда) нейтрон подобен протону и поэтому для этих частиц используется общее название нуклон.

Открытие нейтрона позволило и Гейзенбергу высказать гипотезу о строении атомного ядра. Так как заряд ядра равен (- атомный номер элемента), то в его состав должно входить протонов и число нейтронов равное (А – массовое число, число нуклонов в ядре).

Поскольку нейтроны не участвуют в электромагнитном взаимодействии, а протоны отталкиваются друг от друга, то необходимо было ответить на вопрос о стабильности ядра.

В ядре между нуклонами действуют особые, специфические силы, называемые ядерными силами. Закон ядерных сил не установлен, но установлены их основные свойства:

- ядерные силы являются силами притяжения;

- эти силы являются короткодействующими – радиус действия ;

- ядерным силам свойственна зарядовая независимость (действуют между протонами и нейтронами);

- им свойственно насыщение, т. е. каждая частица может взаимодействовать с определенным числом соседей;

- ядерные силы не являются центральными.

Сложный характер ядерных сил, трудность решения уравнений движения нуклонов в ядре не позволяют разработать единую теорию атомного ядра. И поэтому в настоящее время прибегают к рассмотрению приближенных моделей ядра. Наиболее известны из них капельная и оболочечная.

1. Капельная модель (, Н. Бор). Эта модель основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и молекул в капельке жидкости. Силы, действующие между молекулами в жидкости (силы поверхностного натяжения) и ядерные силы обладают сходными свойствами (не являются центральными, для них характерно насыщение). Объем капли и ядра зависит от числа частиц. Плотность капли жидкости и плотность ядра остаются величинами постоянными.

В рамках этой модели удалось получить полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра и объяснить механизм деления ядер.

2. Оболочечная модель. В данной модели нуклоны ядра располагаются по оболочкам (подобно электронам в атоме) с дискретными значениями энергии. Устойчивость ядра зависит от степени заполнения оболочек. Ядра с полностью заполненными оболочками наиболее устойчивы. Магические числа – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Ядра, содержащие это число протонов или нейтронов, наиболее устойчивы ( ). В рамках этой модели удалось объяснить устойчивость ядер и периодичность их свойств.

2.10.4. Дефект масс. Энергия связи атомного ядра.

Между частицами в ядре действуют ядерные силы (притяжения) и поэтому для того чтобы разделить ядро на составляющие его частицы необходимо затратить некоторую энергию. Эта энергия получила название энергии связи ядра.

Другими словами можно сказать, что энергия связи ядра равна энергии выделяющейся при образовании ядра из отдельных частиц.

Поскольку закон ядерных сил не установлен, то рассчитать энергию связи атомного ядра невозможно.

В результате точных измерений масс нуклонов и атомных ядер было установлено, масса ядра всегда меньше, чем суммарная масса частиц, из которых она состоит. Иначе говоря, наблюдается дефект масс

. 10.3

На эту величину уменьшается масса всех нуклонов входящих в ядро. В соответствии с формулой А. Эйнштейна можно подсчитать энергию связи ядра

. 10.4

На практике гораздо чаще используют не энергию связи, а удельную энергию связи, т. е. энергию, приходящуюся на один нуклон ядра. На рисунке показана зависимость удельной энергии связи от числа частиц в ядре. Из него следует, что наиболее устойчивыми являются элементы средней части таблицы элементов Менделеева. Тяжелые и легкие ядра менее устойчивы и, следовательно, энергетически выгодными являются процессы деления тяжелых ядер и слияние легких.

3.10.4. Радиоактивное излучение и его состав.

В 1896 году Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают излучение неизвестной природы, которое действует на фотопластинку, ионизирует воздух, проникает через металлическую пластинку и вызывает свечение некоторых веществ (например, платиносинеродистого бария). Исследования Пьера и Марии Кюри было установлено, что подобное излучение свойственно не только урану, но и торию, и актинию. Несколько позже ими были открыты новые химические элементы радий и полоний. Явление это получило название радиоактивности, а излучение радиоактивным излучением.

Исследования было установлено, радиоактивные свойства не изменяются при различных внешних воздействиях, а, следовательно, они обусловлены структурой атомного ядра.

В настоящее время под радиоактивностью понимается способность некоторых ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов излучения и элементарных частиц. Различают естественную радиоактивность (неустойчивы ядра элементов существующих в природе) и искусственную (ядер атомов, полученных путем ядерных реакций и в природе не существующих). Искусственная радиоактивность была обнаружена Ирен и Фредериком Жолио-Кюри при бомбардировке - частицами различных элементов (Нобелевская премия по физике за 1935 год).

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле оно распадается на три компонента:

- - излучение – слабо отклоняется магнитным полем, имеет положительный заряд и малую проникающую способность. Прямыми опытами (Резерфорд) было установлено, что это двукратно ионизированные атомы гелия.

- - излучение – сильно отклоняется магнитным полем, обладает отрицательным зарядом. По отклонению в магнитном и электрическом полях был определен удельный заряд частиц, который совпал со значением удельного заряда для электрона. Таким образом, было установлено, что - излучение представляет собой поток быстро движущихся электронов.

- - излучение – не отклоняется магнитным полем. Представляет собой электромагнитное излучение, длина воны которого меньше, чем у рентгеновских лучей.

Теория радиоактивного распада строится на предположении о том, что распад является спонтанным процессом и подчиняющимся статистическим законам. Случайный характер этого процесса позволяет сделать вывод о том, число ядер , распадающихся за время , пропорционально числу ядер, т. е.