чему вниманию предлагается лекция по физике для студентов технических специальностей рассчитана а также эта лекция относится к теме квантовая физика для студентов специальности медицинская кибернетика студенты специальности медицинская кибернетика квантовую физику в юго-западном университете изучают на первом курсе 1 семестра темы лекции элементы физике атомного ядра первая часть атомные ядра первое про строение атомных ядер что можно сказать в первую очередь об атомном ядре ядро это центральная часть атома в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд впервые к такому выводу пришел резерфорд анализируя свои опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие пленки золото атомные ядра имеют размеры
10 минус 14 10 минут 15 степени метра а линейные размеры самого атома примерно 10 в минус десятой степени метра если мы оценим во сколько раз линейные размеры атома больше линейных размеров ядра то есть 10 минус 10 степени разделить на 10 минус 14 получаем 10 плюс 4 степени то есть в 10 тысяч раз если мы а там представим в виде шарика диаметр которого 10 метров то ядро в таком атоме будет иметь размер всего лишь один миллиметр российским физиком его динка было предложено протон на не тронная модель ядра согласно которой ядро состоит из протонов обозначается не буквой
p и нейтронов обозначаются они буквой н протоны и нейтроны называют одним словом нуклоны в таблице 1 приведены характеристики нуклонов у протона электрический заряд такой же как и заряд электрона только со знаком плюс нетрудно нейтральная частица масса протона и она приблизительно одинаково выражать их можно не только в килограммах ну и как это принято в ядерной физике в атомных единицах массы и последняя строчка в таблице 1 показывает во сколько раз масса протона и масса нейтрона больше чем масса электрона так для пля трудно получается масса протона в 1836 раз больше чем масса электрона а масса ней трудно 1839
раз больше чем масса электрона получается что хотя ядро занимает лишь незначительную часть объёма атома но вся масса получается сосредоточена практически в ядре этим и объясняется почему в опыты резерфорда лишь малая часть альфа-частиц отклонялась от первоначального направления на углы больше чем 90 градусов приблизительно 1 из 20000 столкновения альфач с электронами не могли повлиять на изменение направления альфа-частиц так как масса альфа-частиц 8 тысяч раз больше чем масса электрона заряд ядра это заряд электрона умноженные на количество протонов в ядре который обозначают буквой z и которое равно порядкового номера элементов таблицы менделеева если буквоед большое обозначить число нейтронов в
ядре то число нуклонов и то есть суммарное число число протонов и нейтронов обозначают его буквой а большая буква а и называет массовым числом таблице 2 приведена описание атомного ядра завидово и число ядра обозначает буквой z она показывает количество протонов в ядре совпадая с порядковым номером химического элементов таблицы менделеева деле его массовое число это буква а оно равно сумме протонов и нейтронов в ядре озарят ядро по положительный и равен z умножить на е и надо сказать что заряд ядра также определяет и число электронов в атоме так как ядро в целом нейтрально и ядром означают тем же
символом что и нейтральный атом вместо буквы x пишут символ химического элемента внизу пишется z заряда во и число а вверху пишется массовое число а большое атомные ядра в таблице 3 показана могут иметь и за топай что такое изотопы это атомные ядра одного и того же элемента с различным числом нейтронов то есть изотопы раз это один и тот же элемент у них один и тот же порядковый номер число z получается одинаковое но разные массовые числа пример изотопа для водорода это прочей h11 у него через количество нейтронов в ядре равно нулю дейтерий h12 у него количество нейтронов
в ядре равно единице и 3 h13 количество нейтронов в ядре у него равно двум подавляющем большинстве изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойства физические свойства в основном определяются структурой электронных оболочек эта структура для всех изотопов одного и того же элемента одинаково изобары это атомные ядра различных элементов с одинаковым массовым числом то есть у них одинаковые а большое но разные z примером я der изобар служит ядро и бериллия порядковый номер четыре у него и другая порядковый номер пять ядро углерода порядковый номер 6 а вот вверху массовое числа у
всех у них одинаковые изотопы и затоны это атомные ядра различных элементов с одинаковым числом нейтронов и затоны имеют одинаковые м но разные и z и а следующий вопрос дефект массы и энергия связи ядра массу я der очень точно можно определить с помощью приборов которые называются масс-спектрометр и это измерительные приборы которые с помощью электрических монетных полей разделяют пучки заряженных частиц с разными удельными зарядами так вот масс-спектрометрии чески измерения показали что масса ядра у меньше меньше чем масса всех нуклонов составляющих ядро то есть наблюдая это разница называется дефектом массой дефект массы ядра эта величина на которой уменьшается
масса всех нуклонов преобразование из них атомного ядра рассчитать ее можно по формуле 1 в этой формуле м с индексом б эта масса протона м с индексом n это масса нейтрона и м с индексом я масса ядра то вы еще в таблицах обычно приводят не массы я der а массы атомов поэтому дефект массы ядра можно определить и по формуле 2 в этой формуле mh это масса атома водорода а просто м эта масса атома объяснить почему именно блюдо ица измерения массы ядра при образовании ядра можно вспомнив теорию относительности энштейна один из выводов теория относительности эйнштейна говорит что
всякому изменение массы должно соответствовать изменения энергии следовательно преобразование ядра должна выделяться определенно арья так как масса ядра уменьшается и наоборот энергия которую необходимо затратить чтобы расщепить ядро значит она получается ее необходимо затратить и называется это энергия и дарьей связи и дыре связи нуклонов в ядре определяется выражением это формула 3 в этой формуле дельта м это дефект массы ядра c скорость света в вакууме насколько ядра устойчивой и прочные говорит другая характеристика который называется от удельной энергии связи определение удельная энергия связи этой дыре связи ты сел на к одному наклона характеризует она устойчивость или прочность атомных ядер
то еще больше удельная энергия связи тем устойчивое ядро зависимость удельной удельная энергия связи от массового числа показывает данный график из которого видно что с увеличением массового числа наблюдается резкий скачок удельной энергии связи она испытывает ряд скачков увеличивается до своего максимального значения где-то 8,7 мина электрон-вольт для я деру которых массовое число где-то в районе 50 60 и затем плавно уменьшается и например для урана-238 она становится равной 7,6 меня электрон-вольт и зависимость удельной энергии связи от массовых числе следует что энергетически выгодно следующие процессы деления тяжелых ядер на более легких при этом выделяется энергия либо слияние легких ядер
более тяжелые оба эти процессы настоящее время практически осуществлены это реакции delay я der и термоядерные реакции следующий вопрос пин гидро и его магнитный момент когда экспериментально было обнаружено тонга структура специальных лиги атомов то есть что спектральной линии является дупле to me немецкие физики штаны штерна и герлаха предположили что электрон обладая собственным не уничтожаем им моментом импульса который не связан с движением электронов в пространстве и который был назван спинам и также у электронов в атоме есть и собственный монетный момент когда стали использовать прибор и с более высокой разрешающей способности и специальные источники возбуждения спектра было обнаружено
существование сверхтонкой структуры спектральных линий то есть спектре атома вместо одной спектральной линии появляется группа близко расположенных легий происходит расщепление уровней энергии атома на близко расположенные под уровне расстояние между под уровнями тысячу раз меньше чем между уровнями тонкой структуры паули объяснил это тем что и у атомных ядер точно так же как и электронов есть собственный момент импульса или спин и магнитный момент собственный момент импульса ядра или спин ядра складывается и спина воду клонов и орбитальных моментов импульса нуклонов обусловленных движениям нуклонов относительно общего центра масс спины ядра грунтуется по закону который показывает формула 4 в этой формуле
аж это постоянная планка и это спиновой ядерное квантовое число которое принимает целые и полу целое значение начиная от 0 если ядра имеют четные значения массовых чисел то спиновая до ядерное квантовое число принимают целые значения а если у ягер нечетные значения массовых чисел то спинного ядерная квантовое число принимает полу целое значение атомные ядра кроме спина также обладают как электрон магнитным моментом и магнитный момент я дра связан со спином и драфт это показывает формула 5 в этой формуле коэффициент пропорциональности же я называется ядерным мирова гера магнитным отношениям единицы магнитных моментов я der служит ядерный магнетон рассчитать его
можно по формуле 6 в этой формуле также приведена и численное значение ядерного магнетон а единица измерения магнитного момента электрона напомню называется магнетон бора значит получается что ядерный магнитный монет отбора форма формула отличается только басами про туда и массой электрона поэтому ядерный манит он точно также как соотношения между массой электронной массой протона 1836 раз меньше чем монет отбора поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов следующий вопрос ядерные силы как уже было сказано в ядре есть заряженные частицы протонной и заряжены они положительно то есть согласно закону кулона они должны отталкиваться и получается что
ядра должны разрушаться это в общем-то не происходит почему потому что внутри ядра деле действует более мощные силы которые называются ядерными силами и а то они относятся классу сильных взаимодействий основные свойства ядерных сил ядерные силы являются силами притяжения действуют являются лихорадка действующими то есть все здесь проявляется только на расстояниях которые в общем-то являются расстоянием самого ядра примерно 10 -15 степени метра ядерным силам свойственно зарядовой а независимость то есть ядерные силы имеют не электрическую природу ядерным силам свойство на насыщение то есть каждый нуклон ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов ядерные силы зависят от
взаимной ориентации сен спин-офф взаимодействующих наклонов например протон и нейтрон могут образовать ядро изотопа водорода дейтерий только при условии параллельной ориентации их спин офф ядерные силы не являются центральными то есть действующими по линии сияющий центры взаимодействующих нуклонов следующий вопрос модели атомного ядра значит ядерная сила имеют сложный характер поэтому есть трудность точного решения уравнения движения всех нуклонов ядра и это не позволило до настоящего времени разработать какую-то единую теорию атомного ядра на настоящий момент существует лишь приближенные модели ядра в которых довольно хорошо описывается только определенные свойства ядра и применяется более менее простая математическая трактовка каждая модель использует используют
подобранные произвольные параметры которые в общем-то согласуется с экспериментом первая модель удивилась капельная модель разработали и и немецкий физик бор и русский физик френкель основана она на налоги и между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капли жидкости трактует эта модель ядро как каплю электрически заряженные несжимаемой жидкости которая подчиняется законам квантовой механики кабельная модель позволила получить полу эмпирическую формулу энергия связи нуклонов в ядре объяснила механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядер но не смогла например объяснить повышенную устойчивость я der содержащих магические силы протонов и нейтронов что такое магические силы числа это натуральные числа соответствующее
число на крону клона в ядре при котором становится полностью заполненной какая-либо его оболочка второй моделью ядра служит послужило оболочечная модель разработали и американский физик гипер майер и немецкий физик и enzo модель предполагает распределение all уклона в ядре по дискретным энергетическим уровнем оболочкам заполняемый согласно принципу палий и связывает устойчивость ягер заполнением этих уровней модель позволила объяснить спин и непонятные моменты я der различную устойчивость атомных ядер периодичность изменения их свойств особенно хорошо применимо для писания легких и средних ягер а также для ядерно ходящих ся в основном невозбужденном состоянии но модель оказалась неспособна последовательно описать свойства лидер по
мере того как накапливаются новые экспериментальные данные появляются новые свойств новые факты о свойствах я атомных ядер то в рамках описанных моделей эти новые факты не укладываются поэтому возникают новые модели одна из них это обобщенная модель ядра которая представляет собой синтез капельной и оба лучиной моделей и оптическая модель ядра она объясняет взаимодействие я dirt с на летающими частицами на этом лекция закончена лекцию прочитала доцент кафедры нанотехнологий общей и прикладной физики кандидат физико-математических наук рослякова мила ивановна
