Ατομοείναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου. Οι χημικές ιδιότητες ενός στοιχείου εξαρτώνται από τη δομή του ατόμου, ιδιαίτερα από την ικανότητά του να συνδυάζεται με άτομα άλλων στοιχείων για να σχηματίσει μόρια σύνθετων ουσιών.

Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω του σε ορισμένες τροχιές. Ο ατομικός πυρήνας φέρει ηλεκτρικό φορτίο q= Ze, ΟπουΖ – τον αύξοντα αριθμό ενός στοιχείου στον περιοδικό πίνακα και μι- τα λεγόμενα στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, τα οποία δεν μπορούν να χωριστούν σε μέρη: μι= 1,6 · 10 -19 C (κουλόμπ). Το φορτίο ενός στοιχειώδους σωματιδίου ηλεκτρονίου είναι - μι, και ο αριθμός των ηλεκτρονίων στις τροχιές ενός ατόμου είναι ίσος με Ζ, άρα η συνολική τους χρέωση q μι = – Zeίσο σε απόλυτη τιμή με το φορτίο του πυρήνα, αλλά αντίθετο σε πρόσημο, άρα το άτομο ως σύνολο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Οι διαστάσεις των ατόμων όλων των στοιχείων είναι περίπου ίδιες και οι ακτίνες τους είναι περίπου ≈ 10 -8 cm.

1.1.2. Δομή και ιδιότητες του ατομικού πυρήνα

Ατομικός πυρήνας- το κεντρικό τμήμα του ατόμου, στο οποίο συγκεντρώνεται σχεδόν όλη η μάζα του. Ο ατομικός πυρήνας αποτελείται από στοιχειώδη σωματίδια - νουκλεόνια, που έχουν δύο ποικιλίες που ονομάζονται πρωτόνια (Π) Και νετρόνια (n) . Όλα τα κύρια χαρακτηριστικά των πρωτονίων και των νετρονίων - μεγέθη, μάζες και άλλα - είναι πρακτικά τα ίδια και η κύρια διαφορά τους έγκειται στο ηλεκτρικό φορτίο: το φορτίο ενός πρωτονίου είναι + μι, και το φορτίο νετρονίων είναι μηδέν, δηλ. το νετρόνιο είναι ηλεκτρικά ουδέτερο.

Διαφορετικοί ατομικοί πυρήνες περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς για κάθε τύπο νουκλεονίου. Αριθμός πρωτονίων στον πυρήνα Ζ συμπίπτει με τον ατομικό αριθμό του χημικού στοιχείου και καθορίζει το ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα (βλ. παραπάνω). Αριθμός νετρονίων Ν δεν επηρεάζει το φορτίο του πυρήνα και, κατά συνέπεια, την αναγωγή του ατόμου σε ένα ή άλλο στοιχείο. Επομένως, οι πυρήνες των ατόμων του ίδιου στοιχείου έχουν το ίδιο Ζ , αλλά μπορεί να έχει διαφορετικό Ν. Ονομάζονται ποικιλίες του ίδιου στοιχείου με διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων στους πυρήνες τους ισότοποφίλε. Δεδομένου ότι οι μάζες των πρωτονίων και των νετρονίων είναι σχεδόν ίδιες, η μάζα του πυρήνα καθορίζεται σε μια πρώτη προσέγγιση από τον συνολικό αριθμό όλων των νουκλεονίων Ν + Ζ = Α . Επομένως ο αριθμός ΕΝΑπου ονομάζεται μαζικός αριθμός. Όταν δηλώνετε ισότοπα, ο αριθμός μάζας υποδεικνύεται στο επάνω αριστερό μέρος του συμβόλου του χημικού στοιχείου. Για παράδειγμα, τα ισότοπα του υδρογόνου είναι γνωστά: συνηθισμένο υδρογόνο, ο πυρήνας του οποίου είναι ένα μόνο πρωτόνιο - 1 Η, βαρύ υδρογόνο (δευτέριο), στον πυρήνα του οποίου προστίθεται ένα νετρόνιο στο πρωτόνιο - 2 Η και υπερβαρύ υδρογόνο (τρίτιο) 3 Η, οι πυρήνες του οποίου αποτελούνται από ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια. Το δευτέριο και το τρίτιο ονομάζονται μερικές φορές με τα σύμβολα D και T, αντίστοιχα. Όλα τα στοιχεία έχουν ισότοπα και σε ορισμένες περιπτώσεις ο αριθμός τους φτάνει τις δύο έως τρεις δωδεκάδες. φυσικό ουράνιο ( Ζ= 92) υπάρχουν τρία ισότοπα: 234 U, 235 U και 238 U, και εκτός από αυτό, λαμβάνονται τεχνητά πολλά άλλα ισότοπα: 232 U, 233 U, 236 U, 239 U και άλλα. Όλα τα ισότοπα ενός στοιχείου έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες - υφίστανται τις ίδιες χημικές αντιδράσεις, σχηματίζουν τις ίδιες χημικές ενώσεις κ.λπ., αλλά οι πυρηνικές τους ιδιότητες μπορεί να διαφέρουν πολύ. Για παράδειγμα, 235 πυρήνες U διασπώνται από αργά νετρόνια, αλλά 238 πυρήνες U δεν είναι (βλ. παρακάτω).

Πυρήνες με τον ίδιο αριθμό όλων των νουκλεονίων, και επομένως με τους ίδιους μαζικούς αριθμούς ΕΝΑ,λέγονται ισοβαρήςφίλε, δηλ. πυρήνες ίδιου περίπου βάρους (από την ελληνική λέξη baros - βάρος). Οι ισοβαρείς είναι, για παράδειγμα, οι πυρήνες 3 H και 3 He, ή 58 Fe και 58 Ni. Μερικές φορές οι πυρήνες απομονώνονται ισοτονίων, που περιέχει τον ίδιο αριθμό νετρονίων και πυρήνων ισομερή, το οποίο θα συζητηθεί λεπτομερέστερα παρακάτω.

Δυνατότητα διαφορετικών συνδυασμών αριθμών ΖΚαι Ν οδηγεί στην πιθανότητα ύπαρξης τεράστιου αριθμού διαφορετικών τύπων πυρήνων. Κάθε τύπος πυρήνων με συγκεκριμένες έννοιες ΖΚαι Ν που ονομάζεται νουκλίδιο. Υπάρχουν περίπου 300 διαφορετικά νουκλίδια στη φύση και πάνω από 2000 περισσότερα νουκλίδια μπορούν να παραχθούν τεχνητά.

Τα ηλεκτρικά φορτία των πρωτονίων με το ίδιο όνομα απωθούνται μεταξύ τους σύμφωνα με τους νόμους της ηλεκτροστατικής, προσπαθώντας να σχίσουν τον πυρήνα σε κομμάτια. Ωστόσο, είναι γνωστό ότι οι πυρήνες πολλών νουκλεϊδίων είναι εξαιρετικά ανθεκτικά αντικείμενα που μπορούν να υπάρχουν σχεδόν για πάντα χωρίς καμία αλλαγή. Αυτό το γεγονός υποδηλώνει ότι στον πυρήνα υπάρχουν μερικές ισχυρές ελκτικές δυνάμεις μεταξύ των νουκλεονίων, πολύ μεγαλύτερες σε μέγεθος από τις δυνάμεις της ηλεκτροστατικής απώθησης. Αυτές οι δυνάμεις ονομάζονται πυρηνικές δυνάμεις. Οι πυρηνικές δυνάμεις έχουν μια σειρά από συγκεκριμένες ιδιότητες που τις διακρίνουν έντονα από όλες τις άλλες δυνάμεις της φύσης. Το μεγάλο τους μέγεθος συνδέεται με τα τεράστια ενεργειακά αποθέματα που περιέχονται στους ατομικούς πυρήνες.

Διαστάσεις ατομικών πυρήνωνεξαιρετικά μικρό - περίπου 10 -12 εκ. Αυτό σημαίνει ότι ο πυρήνας είναι 10.000 φορές μικρότερος από το ίδιο το άτομο. Αλλά σε αυτούς τους πυρήνες συγκεντρώνεται πάνω από το 99,9% της μάζας όλης της ύλης και τα τεράστια αποθέματα ενέργειας. Τα πειράματα δείχνουν ότι οι ακτίνες όλων των πυρήνων εξαρτώνται από τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα και εκφράζονται με έναν απλό τύπο:

R=1,4·10 -13 ΕΝΑ 1/3 εκ.

Βασική μάζα.Στην αρχή, σημειώνουμε ότι στην πυρηνική φυσική συνηθίζεται να μην ασχολούμαστε με τις μάζες των πυρήνων, αλλά με τις μάζες των ατόμων, καθώς είναι ευκολότερο να μετρηθούν και, εάν είναι απαραίτητο, η μάζα του πυρήνα μπορεί πάντα να βρεθεί εύκολα αφαιρώντας το από τη μάζα του ατόμου Μσυνολική μάζα ηλεκτρονίων Ζμ μι, επειδή Η μάζα των ηλεκτρονίων είναι γνωστή: Μ μι= 9,108·10 -28 γρ. Για την έκφραση των μαζών των ατόμων στην πυρηνική φυσική υιοθετείται μια ειδική μονάδα, η οποία ονομάζεται μονάδα ατομικής μάζας(amu) και ορίζεται ως το ένα δωδέκατο της μάζας ενός ατόμου του κύριου ισοτόπου του άνθρακα 12 C. 1 amu = 1,66 10 -27 kg = 1,66 10 -24 g. Εκφράζονται σε αυτές τις μονάδες είναι η μάζα ενός ατόμου λέγεται ατομική μάζα Μ..Η μονάδα ατομικής μάζας επιλέχθηκε ειδικά με τέτοιο τρόπο ώστε οι ατομικές μάζες, στρογγυλεμένες σε ακέραιους αριθμούς, να συμπίπτουν με ατομικούς αριθμούς, δηλ. με τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα. Για παράδειγμα:

Μ(1 N) = 1,007825 amu,

Μ(238 U)=238,05076 amu

Η διαφορά μεταξύ ατομικής μάζας και μαζικού αριθμού ονομάζεται υπέρβασηή μαζική μείωση: δ = Μ–Α.Είναι αυτές οι ποσότητες που δίνονται συνήθως σε πίνακες, ώστε να μην τις γεμίζουν με περιττούς αριθμούς και, γνωρίζοντας τη μείωση, μπορείτε πάντα να βρείτε την ακριβή τιμή της μάζας του ατόμου Μ=ΕΝΑ +δ.

Οι ατομικές μάζες μετρώνται με ειδικά όργανα φασματογράφοι μάζαςΚαι φασματόμετρα μάζας,η αρχή λειτουργίας του οποίου βασίζεται στην εκτροπή των δεσμών ιόντων σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία: όσο πιο βαρύ είναι το ιόν, τόσο λιγότερο εκτρέπεται όταν πετά μέσα από τέτοια πεδία. Επομένως, το μέγεθος της απόκλισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της μάζας του ιόντος.

Οι διαφορετικές φυσικές μέθοδοι για τον διαχωρισμό τους βασίζονται επίσης στη διαφορά στις μάζες των ατόμων διαφορετικών ισοτόπων, καθώς οι χημικές μέθοδοι για τον διαχωρισμό ουσιών είναι εντελώς ακατάλληλες για τον διαχωρισμό ισοτόπων.

Πυρηνική δεσμευτική ενέργεια. Η επίδραση των πυρηνικών δυνάμεων μπορεί να ξεπεραστεί με την εισαγωγή επαρκούς ποσότητας ενέργειας στον πυρήνα. Η ποσότητα ενέργειας που πρέπει να δαπανηθεί για να σπάσει ένας πυρήνας σε μεμονωμένα νουκλεόνια ονομάζεται πυρηνική δεσμευτική ενέργεια. Η ίδια ποσότητα ενέργειας θα απελευθερωνόταν κατά τον σχηματισμό ενός πυρήνα από μεμονωμένα νουκλεόνια, αφήνοντας το σύστημα με τη μορφή εκπεμπόμενων ακτίνων γάμμα. Η ενέργεια δέσμευσης οποιουδήποτε νουκλεονίου ή ομάδων νουκλεονίων προσδιορίζεται με παρόμοιο τρόπο, για παράδειγμα: η ενέργεια δέσμευσης ενός νετρονίου σε έναν πυρήνα είναι η ενέργεια που πρέπει να δαπανηθεί για να αφαιρεθεί ένα νετρόνιο από τον πυρήνα.

Ειδική ενέργεια δέσμευσης νουκλεονίων σε έναν πυρήναΣΕ . Αυτό είναι το όνομα που δίνεται στο κλάσμα της συνολικής ενέργειας δέσμευσης ενός πυρήνα που πέφτει κατά μέσο όρο ανά νουκλεόνιο στον πυρήνα. Από αυτόν τον ορισμό προκύπτει: Β = Ε Αγ. /ΕΝΑ. Μέγεθος ΣΕεξαρτάται από τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα ΕΝΑ(Εικ. 1): με ανάπτυξη ΕΝΑαξίες ΣΕστην αρχή αυξάνονται απότομα και στη συνέχεια, αφού περάσουν ένα ομαλό μέγιστο, σταδιακά μειώνονται. Επιπλέον, οι περισσότεροι πυρήνες (εκτός από τον ελαφρύτερο) έχουν τιμές ΣΕδεν διαφέρει πολύ από τα 8 MeV. Το σχήμα της καμπύλης ενέργειας ειδικής δέσμευσης στο Σχ. 1.1 υποδηλώνει ότι οι πυρήνες με μέσες τιμές είναι οι πιο στενά δεσμευμένοι ΕΝΑ. Γι' αυτό πώς διεργασίες σχάσης βαρέων πυρήνων,έτσι και διεργασίες σύντηξης ελαφρών πυρήνων,που οδηγούν στο σχηματισμό πυρήνων με μέσους αριθμούς μάζας είναι «ενεργειακά ευνοϊκοί», δηλ. συνοδεύεται από απελευθέρωση τεράστιας ενέργειας.Επομένως, δύο γνωστές μέθοδοι απόκτησης «πυρηνικής» ενέργειας βασίζονται σε αυτές τις διεργασίες - η σχάση βαρέων πυρήνων και η σύντηξη ελαφρών πυρήνων (θερμοπυρηνική), αντίστοιχα.

Μαζικό ελάττωμα.Σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, οποιαδήποτε αλλαγή στην ενέργεια ενός συστήματος συνοδεύεται από αλλαγή της μάζας του: Δ μι =Δ Κυρία 2 . Δεδομένου ότι η ενέργεια δέσμευσης απελευθερώνεται κατά τον σχηματισμό ενός πυρήνα από μεμονωμένα νουκλεόνια, σύμφωνα με την τελευταία σχέση, μια τέτοια διαδικασία θα πρέπει να οδηγήσει σε μείωση της μάζας του συστήματος. Επομένως, η μάζα του πυρήνα είναι πάντα μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των μεμονωμένων νουκλεονίων που αποτελούν τον πυρήνα:

Δ Μ= ΖΜ H + (A – Z)m n – Μ(Α,Ζ) .

Εικ.1.1. Εξάρτηση της ειδικής ενέργειας δέσμευσης από τον αριθμό μάζας νουκλεϊδίων.

Αυτή η μείωση της μάζας κατά το σχηματισμό ενός πυρήνα ονομάζεται μαζικό ελάττωμα(Εδώ Μ H - μάζα ατόμου υδρογόνου, Μ n- μάζα νετρονίων, Μ(ΕΝΑ, Ζ) – μάζα του εν λόγω ατόμου.). Ας θυμηθούμε ότι αν και οι μάζες των ατόμων εμφανίζονται σε αυτή την έκφραση, το άτομο (ΕΝΑ, Ζ) περιέχει ακριβώς τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων με Ζάτομα υδρογόνου, επομένως οι μάζες των ηλεκτρονίων μειώνονται, και το ελάττωμα μάζας εκφράζει στην πραγματικότητα τη διαφορά στις μάζες των μεμονωμένων νουκλεονίων και του εν λόγω πυρήνα.

Από τα παραπάνω προκύπτει ότι το ελάττωμα μάζας καθορίζει την ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα: μιΑγ. =Δ Κυρία 2 . Αυτή η έκφραση μπορεί να απλοποιηθεί σημαντικά εάν, χρησιμοποιώντας τη σχέση μι= Κυρία 2 βρείτε την ποσότητα ενέργειας που αντιστοιχεί σε μία μονάδα ατομικής μάζας: 1a.u.m = 931,5 MeV. Στη συνέχεια υπολογίζοντας την τιμή Δ Μσε μονάδες ατομικής μάζας, μπορείτε εύκολα να βρείτε την τιμή δεσμευτικής ενέργειας σε MeV: μιφως (MeV) = 931,5·Δ Μ(π.μ.).

Η έκφραση για το ελάττωμα μάζας μπορεί επίσης να απλοποιηθεί εκφράζοντας όλες τις μάζες που περιλαμβάνονται σε αυτό μέσω των αντίστοιχων μειώσεων: Μ H= 1 + δ(Ν), Μ n = 1 + δ n , Μ(ΕΝΑ, Ζ) = Α +δ( ΕΝΑ, Ζ), το οποίο μετά την αναγωγή παρόμοιων όρων δίνει:

Δ Μ= Ζδ(Η) + (Α – Ω) δ n – δ( Α, Ζ).

Ενεργειακές καταστάσεις των πυρήνων.Τα νουκλεόνια και οι ατομικοί πυρήνες που αποτελούνται από αυτά, όπως όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια, υπόκεινται στους νόμους της κβαντικής μηχανικής, οι οποίοι διαφέρουν κατά πολλούς τρόπους από τους νόμους της κλασικής φυσικής. Συγκεκριμένα, η ενέργεια στον μικρόκοσμο μπορεί να αλλάζει μόνο σε ορισμένα τμήματα (κβάντα), και όχι συνεχώς, όπως στην κλασική μηχανική. Κατά συνέπεια, ο πυρήνας μπορεί να βρίσκεται μόνο σε καταστάσεις με ορισμένες ενεργειακές τιμές και οι ενδιάμεσες καταστάσεις αποδεικνύονται αδύνατες. Αυτές οι καταστάσεις συνήθως υποδηλώνονται στα διαγράμματα με παύλες, οι οποίες ονομάζονται ενεργειακά επίπεδα(Εικ. 1.2). Η ενέργεια σε τέτοια κυκλώματα εναποτίθεται από κάτω προς τα πάνω. Η κατάσταση με τη μικρότερη δυνατή ενέργεια ονομάζεται κύριος, άλλα - ενθουσιασμένος. Συνήθως όλοι οι πυρήνες βρίσκονται στη βασική τους κατάσταση, αλλά έχοντας λάβει επαρκή ποσότητα ενέργειας, μπορούν να μεταβούν σε μία από τις διεγερμένες καταστάσεις. Ενέργεια μι Εγώ , απαραίτητο για τη μετάβαση του πυρήνα σε Εγώ-η κατάσταση υποδεικνύεται στα διαγράμματα στάθμης δίπλα στην αντίστοιχη στάθμη (η ενέργεια της βασικής κατάστασης λαμβάνεται ως 0). Κάποτε Εγώ-ο επίπεδο, ο πυρήνας μπορεί να πάει σε οποιοδήποτε Προς την-ο επίπεδο με λιγότερη ενέργεια. Με μια τέτοια μετάβαση, απελευθερώνεται μια διαφορά ενέργειας, η οποία παρασύρεται από ένα κβάντο γάμμα που διαφεύγει από τον πυρήνα: μι γ = μι Εγώ – Ε Προς την. Μετά από αρκετές τέτοιες μεταβάσεις, που ονομάζεται αλληλουχία, ο πυρήνας επιστρέφει στη βασική κατάσταση. Ο χρόνος που ο πυρήνας βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση ονομάζεται Διάρκεια Ζωήςτο αντίστοιχο επίπεδο και δηλώνεται με το γράμμα τ. Για τα χαμηλότερα διεγερμένα επίπεδα, οι τιμές του τ είναι συνήθως της τάξης των 10 -10 – 10 -12 s, για τα ανώτερα – ακόμη λιγότερο, της τάξης των 10 -15 – 10 -17 s. Ωστόσο, ορισμένοι πυρήνες έχουν διεγερμένα επίπεδα με ασυνήθιστα μεγάλη διάρκεια ζωής από μερικά δευτερόλεπτα έως εκατομμύρια χρόνια. Τέτοια μακρόβια επίπεδα ονομάζονται μετασταθερά επίπεδακαι ολόκληρο το φαινόμενο συνολικά – πυρηνική ισομέρεια.

Εικ.1.2. Διάγραμμα πυρηνικού επιπέδου

Εκτός από την ενέργεια, κάθε επίπεδο χαρακτηρίζεται από έναν αριθμό ποσοτήτων, συμπεριλαμβανομένων στροφορμή. Στην κβαντομηχανική, η γωνιακή ορμή είναι η ποσότητα Π=ћ√ Εγώ(Εγώ+1), Οπου Εγώ- τα λεγόμενα κβαντικός αριθμός γωνιακής ορμής. Δεδομένου ότι η αξία Πκαθορίζεται μοναδικά από τον αριθμό Εγώ, τότε συνήθως, όταν μιλάμε για γωνιακή ορμή, καλείται μόνο αυτός ο αριθμός. Σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής, οι πυρήνες με ζυγό αριθμό νουκλεονίων έχουν τιμές Εγώμπορεί να είναι μόνο ακέραιοι: 0, 1, 2, 3,...., και για πυρήνες με περιττό αριθμό νουκλεονίων - μόνο ημιακέραιοι: 1/2, 3/2, 5/2 κ.λπ. Κάθε επίπεδο ενθουσιασμού έχει τη δική του αριθμητική τιμή Εγώ, καθορίζεται, κατά κανόνα, εμπειρικά. Αριθμοί Εγώεπηρεάζουν έντονα την πιθανότητα μετάβασης του πυρήνα μεταξύ των επιπέδων: τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στις τιμές Εγώμεταξύ του αρχικού και του τελικού επιπέδου Δ Εγώ= Εγώ Εγώ - Εγώ κ, τόσο λιγότερο πιθανή είναι η μετάβαση.

Ο ατομικός πυρήνας είναι το κεντρικό τμήμα του ατόμου, στο οποίο συγκεντρώνεται το μεγαλύτερο μέρος της μάζας του (πάνω από 99,9%). Ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος· το φορτίο του πυρήνα καθορίζεται από το χημικό στοιχείο στο οποίο ανήκει το άτομο. Τα μεγέθη των πυρήνων των διαφόρων ατόμων είναι αρκετά φεμτόμετρα, τα οποία είναι πάνω από 10 χιλιάδες φορές μικρότερα από το μέγεθος του ίδιου του ατόμου.

Ο ατομικός πυρήνας, που θεωρείται ως μια κατηγορία σωματιδίων με ορισμένο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, ονομάζεται συνήθως νουκλίδιο. Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται αριθμός φορτίου του - αυτός ο αριθμός είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου στο οποίο ανήκει το άτομο στον πίνακα του Mendeleev (Περιοδικός Πίνακας Στοιχείων). Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα καθορίζει τη δομή του κελύφους ηλεκτρονίων ενός ουδέτερου ατόμου και, επομένως, τις χημικές ιδιότητες του αντίστοιχου στοιχείου. Ο αριθμός των νετρονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται ισότοπος αριθμός του. Οι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα.

Το 1911, ο Ράδερφορντ, στην έκθεσή του «Η σκέδαση των ακτίνων α και β και η δομή του ατόμου» στη Φιλοσοφική Εταιρεία του Μάντσεστερ, δήλωσε:

Η σκέδαση των φορτισμένων σωματιδίων μπορεί να εξηγηθεί υποθέτοντας ένα άτομο που αποτελείται από ένα κεντρικό ηλεκτρικό φορτίο συγκεντρωμένο σε ένα σημείο και που περιβάλλεται από μια ομοιόμορφη σφαιρική κατανομή αντίθετου ηλεκτρισμού ίσου μεγέθους. Με αυτή τη διάταξη του ατόμου, τα α- και β-σωματίδια, όταν περνούν σε κοντινή απόσταση από το κέντρο του ατόμου, παρουσιάζουν μεγάλες αποκλίσεις, αν και η πιθανότητα μιας τέτοιας απόκλισης είναι μικρή.

Έτσι, ο Ράδερφορντ ανακάλυψε τον ατομικό πυρήνα και από αυτή τη στιγμή ξεκίνησε η πυρηνική φυσική, μελετώντας τη δομή και τις ιδιότητες των ατομικών πυρήνων.

Μετά την ανακάλυψη σταθερών ισοτόπων στοιχείων, στον πυρήνα του ελαφρύτερου ατόμου ανατέθηκε ο ρόλος ενός δομικού σωματιδίου όλων των πυρήνων. Από το 1920, ο πυρήνας του ατόμου του υδρογόνου έχει την επίσημη ονομασία πρωτόνιο. Μετά την ενδιάμεση θεωρία πρωτονίου-ηλεκτρονίου της δομής του πυρήνα, η οποία είχε πολλές προφανείς ελλείψεις, πρώτα απ 'όλα, έρχεται σε αντίθεση με τα πειραματικά αποτελέσματα των μετρήσεων των σπιν και των μαγνητικών ροπών των πυρήνων, το 1932 ο James Chadwick ανακάλυψε ένα νέο ηλεκτρικά ουδέτερο σωματίδιο. που ονομάζεται νετρόνιο. Την ίδια χρονιά, ο Ivanenko και, ανεξάρτητα, ο Heisenberg υπέθεσαν τη δομή πρωτονίου-νετρονίου του πυρήνα. Στη συνέχεια, με την ανάπτυξη της πυρηνικής φυσικής και των εφαρμογών της, αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε πλήρως.

Ραδιοενέργεια

Η ραδιενεργός διάσπαση (από τη λατινική ακτίνα «ακτίνα» και āctīvus «ενεργός») είναι μια αυθόρμητη αλλαγή στη σύνθεση (φορτίο Z, αριθμός μάζας Α) ή στην εσωτερική δομή ασταθών ατομικών πυρήνων μέσω της εκπομπής στοιχειωδών σωματιδίων, ακτίνων γάμμα ή/και πυρηνικά θραύσματα. Η διαδικασία της ραδιενεργής διάσπασης ονομάζεται επίσης ραδιενέργεια και οι αντίστοιχοι πυρήνες (νουκλίδια, ισότοπα και χημικά στοιχεία) είναι ραδιενεργοί. Οι ουσίες που περιέχουν ραδιενεργούς πυρήνες ονομάζονται επίσης ραδιενεργές.

Ο νόμος της ραδιενεργής διάσπασης είναι ένας νόμος που ανακαλύφθηκε πειραματικά από τον Frederick Soddy και τον Ernest Rutherford και διατυπώθηκε το 1903. Σύγχρονη διατύπωση του νόμου:

που σημαίνει ότι ο αριθμός των διασπάσεων σε ένα χρονικό διάστημα t σε μια αυθαίρετη ουσία είναι ανάλογος με τον αριθμό N των ραδιενεργών ατόμων ενός δεδομένου τύπου που υπάρχουν στο δείγμα.

Σε αυτή τη μαθηματική έκφραση, λ είναι η σταθερά διάσπασης, η οποία χαρακτηρίζει την πιθανότητα ραδιενεργής διάσπασης ανά μονάδα χρόνου και έχει διάσταση c −1. Το σύμβολο μείον υποδηλώνει μείωση του αριθμού των ραδιενεργών πυρήνων με την πάροδο του χρόνου. Ο νόμος εκφράζει την ανεξαρτησία της διάσπασης των ραδιενεργών πυρήνων μεταξύ τους και από το χρόνο: η πιθανότητα διάσπασης ενός δεδομένου πυρήνα σε κάθε επόμενη μονάδα χρόνου δεν εξαρτάται από το χρόνο που έχει περάσει από την αρχή του πειράματος και από τον αριθμό των πυρήνων που παραμένουν στο δείγμα.

Η λύση αυτής της διαφορικής εξίσωσης είναι:

Ή, όπου Τ είναι ο χρόνος ημιζωής ίσος με το χρόνο κατά τον οποίο ο αριθμός των ραδιενεργών ατόμων ή η δραστηριότητα του δείγματος μειώνεται κατά 2 φορές.

12. Πυρηνικές αντιδράσεις.

Πυρηνική αντίδραση είναι η διαδικασία αλληλεπίδρασης ενός ατομικού πυρήνα με έναν άλλο πυρήνα ή στοιχειώδες σωματίδιο, που συνοδεύεται από αλλαγή στη σύνθεση και τη δομή του πυρήνα. Η συνέπεια της αλληλεπίδρασης μπορεί να είναι η πυρηνική σχάση, η εκπομπή στοιχειωδών σωματιδίων ή φωτονίων. Η κινητική ενέργεια των νεοσχηματισθέντων σωματιδίων μπορεί να είναι πολύ υψηλότερη από την αρχική και μιλούν για την απελευθέρωση ενέργειας από μια πυρηνική αντίδραση.

Τύποι πυρηνικών αντιδράσεων

Η αντίδραση πυρηνικής σχάσης είναι η διαδικασία διάσπασης ενός ατομικού πυρήνα σε δύο (λιγότερο συχνά τρεις) πυρήνες με παρόμοιες μάζες, που ονομάζονται θραύσματα σχάσης. Ως αποτέλεσμα της σχάσης, μπορούν επίσης να προκύψουν άλλα προϊόντα αντίδρασης: ελαφροί πυρήνες (κυρίως σωματίδια άλφα), νετρόνια και ακτίνες γάμμα. Η σχάση μπορεί να είναι αυθόρμητη (αυθόρμητη) και εξαναγκασμένη (ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης με άλλα σωματίδια, κυρίως νετρόνια). Η σχάση βαρέων πυρήνων είναι μια εξωενεργειακή διαδικασία, ως αποτέλεσμα της οποίας απελευθερώνεται μεγάλη ποσότητα ενέργειας με τη μορφή κινητικής ενέργειας προϊόντων αντίδρασης, καθώς και ακτινοβολίας.

Η πυρηνική σχάση χρησιμεύει ως πηγή ενέργειας σε πυρηνικούς αντιδραστήρες και πυρηνικά όπλα.

Η αντίδραση πυρηνικής σύντηξης είναι η διαδικασία σύντηξης δύο ατομικών πυρήνων για να σχηματιστεί ένας νέος, βαρύτερος πυρήνας.

Εκτός από τον νέο πυρήνα, κατά την αντίδραση σύντηξης, κατά κανόνα σχηματίζονται επίσης διάφορα στοιχειώδη σωματίδια και (ή) κβάντα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Χωρίς την παροχή εξωτερικής ενέργειας, η σύντηξη των πυρήνων είναι αδύνατη, καθώς οι θετικά φορτισμένοι πυρήνες υφίστανται ηλεκτροστατικές δυνάμεις απώθησης - αυτό είναι το λεγόμενο "φράγμα Coulomb". Για τη σύνθεση πυρήνων, είναι απαραίτητο να τους φέρουμε πιο κοντά σε απόσταση περίπου 10-15 m, στην οποία η δράση της ισχυρής αλληλεπίδρασης θα υπερβαίνει τις δυνάμεις της ηλεκτροστατικής απώθησης. Αυτό είναι δυνατό εάν η κινητική ενέργεια των πυρήνων που πλησιάζουν υπερβαίνει το φράγμα Coulomb.

Φωτοπυρηνική αντίδραση

Όταν ένα γάμμα κβάντο απορροφάται, ο πυρήνας λαμβάνει μια περίσσεια ενέργειας χωρίς να αλλάξει η σύσταση των νουκλεονίων του, και ένας πυρήνας με περίσσεια ενέργειας είναι ένας σύνθετος πυρήνας. Όπως και άλλες πυρηνικές αντιδράσεις, η απορρόφηση ενός κβαντικού γάμμα από έναν πυρήνα είναι δυνατή μόνο εάν πληρούνται οι απαραίτητες σχέσεις ενέργειας και σπιν. Εάν η ενέργεια που μεταφέρεται στον πυρήνα υπερβαίνει την ενέργεια δέσμευσης ενός νουκλεονίου στον πυρήνα, τότε η διάσπαση του προκύπτοντος σύνθετου πυρήνα συμβαίνει συχνότερα με την εκπομπή νουκλεονίων, κυρίως νετρονίων.

Καταγραφή πυρηνικών αντιδράσεων

Η μέθοδος γραφής τύπων για πυρηνικές αντιδράσεις είναι παρόμοια με τη σύνταξη τύπων για χημικές αντιδράσεις, δηλαδή, το άθροισμα των αρχικών σωματιδίων γράφεται στα αριστερά, το άθροισμα των σωματιδίων που προκύπτουν (προϊόντα αντίδρασης) γράφεται στα δεξιά και βέλος τοποθετείται ανάμεσά τους.

Έτσι, η αντίδραση της δέσμευσης με ακτινοβολία ενός νετρονίου από έναν πυρήνα καδμίου-113 γράφεται ως εξής:

Βλέπουμε ότι ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων δεξιά και αριστερά παραμένει ο ίδιος (ο αριθμός του βαρυονίου διατηρείται). Το ίδιο ισχύει για τα ηλεκτρικά φορτία, τους αριθμούς λεπτονίων και άλλα μεγέθη (ενέργεια, ορμή, γωνιακή ορμή, ...). Σε ορισμένες αντιδράσεις όπου εμπλέκεται η ασθενής αλληλεπίδραση, τα πρωτόνια μπορούν να μετατραπούν σε νετρόνια και αντίστροφα, αλλά ο συνολικός αριθμός τους δεν αλλάζει.

« Φυσική - 11η τάξη"

Η δομή του ατομικού πυρήνα. Πυρηνικές δυνάμεις

Αμέσως μετά την ανακάλυψη του νετρονίου στα πειράματα του Chadwick, ο Σοβιετικός φυσικός D. D. Ivanenko και ο Γερμανός επιστήμονας W. Heisenberg το 1932 πρότειναν ένα μοντέλο πρωτονίου-νετρονίου του πυρήνα.
Επιβεβαιώθηκε από μεταγενέστερες μελέτες πυρηνικών μετασχηματισμών και είναι πλέον γενικά αποδεκτό.

Μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων του πυρήνα

Σύμφωνα με το μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων, οι πυρήνες αποτελούνται από δύο τύπους στοιχειωδών σωματιδίων - πρωτόνια και νετρόνια.

Δεδομένου ότι το άτομο στο σύνολό του είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και το φορτίο ενός πρωτονίου είναι ίσο με το μέτρο του φορτίου ενός ηλεκτρονίου, ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο ατομικό κέλυφος.
Επομένως, ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου Ζστο περιοδικό σύστημα στοιχείων του D.I. Mendeleev.

Το άθροισμα του αριθμού των πρωτονίων Ζκαι τον αριθμό των νετρονίων Νστον πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμόςκαι συμβολίζεται με το γράμμα ΕΝΑ:

Α = Ζ + Ν

Οι μάζες ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου είναι κοντά μεταξύ τους και καθεμία από αυτές είναι περίπου ίση με μια μονάδα ατομικής μάζας.
Η μάζα των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι πολύ μικρότερη από τη μάζα του πυρήνα του.
Επομένως, ο μαζικός αριθμός του πυρήνα είναι ίσος με τη σχετική ατομική μάζα του στοιχείου που στρογγυλοποιείται σε έναν ακέραιο αριθμό.
Οι αριθμοί μάζας μπορούν να προσδιοριστούν μετρώντας κατά προσέγγιση τη μάζα των πυρήνων χρησιμοποιώντας όργανα που δεν είναι ιδιαίτερα ακριβή.

Τα ισότοπα είναι πυρήνες με την ίδια τιμή Ζ, αλλά με διαφορετικούς μαζικούς αριθμούς ΕΝΑ, δηλαδή με διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων Ν.

Πυρηνικές δυνάμεις

Δεδομένου ότι οι πυρήνες είναι πολύ σταθεροί, τα πρωτόνια και τα νετρόνια πρέπει να συγκρατούνται μέσα στον πυρήνα από ορισμένες δυνάμεις, και μάλιστα πολύ ισχυρές.
Δεν είναι οι βαρυτικές δυνάμεις που είναι πολύ αδύναμες.
Η σταθερότητα του πυρήνα δεν μπορεί να εξηγηθεί ούτε με ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, αφού η ηλεκτρική απώθηση λειτουργεί μεταξύ ομο-φορτισμένων πρωτονίων.
Και τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.

Αυτό σημαίνει ότι μεταξύ των πυρηνικών σωματιδίων - πρωτονίων και νετρονίων, ονομάζονται νουκλεόνια- καλούνται ειδικές δυνάμεις πυρηνικές δυνάμεις.

Ποιες είναι οι κύριες ιδιότητες των πυρηνικών δυνάμεων; Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερες από τις ηλεκτρικές δυνάμεις (Coulomb).
Αυτές είναι οι πιο ισχυρές δυνάμεις από όλες τις υπάρχουσες στη φύση.
Ως εκ τούτου, οι αλληλεπιδράσεις των πυρηνικών σωματιδίων ονομάζονται συχνά ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

Οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις εκδηλώνονται όχι μόνο στις αλληλεπιδράσεις των νουκλεονίων στον πυρήνα.
Αυτός είναι ένας ειδικός τύπος αλληλεπίδρασης που είναι εγγενής στα περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια μαζί με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις.

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των πυρηνικών δυνάμεων είναι η σύντομη διάρκειά τους.
Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις εξασθενούν σχετικά αργά με την αύξηση της απόστασης.
Οι πυρηνικές δυνάμεις εκδηλώνονται αισθητά μόνο σε αποστάσεις ίσες με το μέγεθος του πυρήνα (10 -12 -10 -13 cm), κάτι που φάνηκε ήδη από τα πειράματα του Rutherford σχετικά με τη διασπορά των α-σωματιδίων από τους ατομικούς πυρήνες.
Μια πλήρης ποσοτική θεωρία των πυρηνικών δυνάμεων δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί.
Σημαντική πρόοδος στην ανάπτυξή του έχει επιτευχθεί αρκετά πρόσφατα - τα τελευταία 10-15 χρόνια.

Οι πυρήνες των ατόμων αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Αυτά τα σωματίδια συγκρατούνται στον πυρήνα από πυρηνικές δυνάμεις.

Ισότοπα

Η μελέτη του φαινομένου της ραδιενέργειας οδήγησε σε μια σημαντική ανακάλυψη: αποσαφηνίστηκε η φύση των ατομικών πυρήνων.

Ως αποτέλεσμα της παρατήρησης ενός τεράστιου αριθμού ραδιενεργών μετασχηματισμών, ανακαλύφθηκε σταδιακά ότι υπάρχουν ουσίες που είναι πανομοιότυπες στις χημικές τους ιδιότητες, αλλά έχουν εντελώς διαφορετικές ραδιενεργές ιδιότητες (δηλαδή, διασπώνται διαφορετικά).
Δεν μπορούσαν να διαχωριστούν με καμία από τις γνωστές χημικές μεθόδους.
Σε αυτή τη βάση, ο Soddy το 1911 πρότεινε την πιθανότητα ύπαρξης στοιχείων με τις ίδιες χημικές ιδιότητες, αλλά να διαφέρουν, ιδίως, ως προς τη ραδιενέργεια τους.
Αυτά τα στοιχεία πρέπει να τοποθετηθούν στο ίδιο κελί του περιοδικού συστήματος του D.I. Mendeleev.
Ο Σάντι τους κάλεσε ισότοπα(δηλαδή καταλαμβάνουν τα ίδια μέρη).

Η υπόθεση του Soddy έλαβε λαμπρή επιβεβαίωση και βαθιά ερμηνεία ένα χρόνο αργότερα, όταν ο J. J. Thomson έκανε ακριβείς μετρήσεις της μάζας των ιόντων νέον εκτρέποντάς τα σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία.
Ανακάλυψε ότι το νέον είναι ένα μείγμα δύο τύπων ατόμων.
Τα περισσότερα από αυτά έχουν σχετική μάζα 20.
Αλλά υπάρχει ένα μικρό κλάσμα ατόμων με σχετική ατομική μάζα 22.
Ως αποτέλεσμα, η σχετική ατομική μάζα του μίγματος λήφθηκε ότι είναι 20,2.
Τα άτομα που έχουν τις ίδιες χημικές ιδιότητες διαφέρουν σε μάζα.

Και οι δύο τύποι ατόμων νέον, φυσικά, καταλαμβάνουν την ίδια θέση στον πίνακα του D.I. Mendeleev και, ως εκ τούτου, είναι ισότοπα.
Έτσι, τα ισότοπα μπορεί να διαφέρουν όχι μόνο ως προς τις ραδιενεργές τους ιδιότητες, αλλά και ως προς τη μάζα τους.
Αυτός είναι ο λόγος που τα ισότοπα έχουν τα ίδια φορτία ατομικών πυρήνων, πράγμα που σημαίνει ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων στα κελύφη των ατόμων και, κατά συνέπεια, οι χημικές ιδιότητες των ισοτόπων είναι το ίδιο.
Αλλά οι μάζες των πυρήνων είναι διαφορετικές.
Επιπλέον, οι πυρήνες μπορεί να είναι τόσο ραδιενεργοί όσο και σταθεροί.
Η διαφορά στις ιδιότητες των ραδιενεργών ισοτόπων οφείλεται στο γεγονός ότι οι πυρήνες τους έχουν διαφορετικές μάζες.

Η ύπαρξη ισοτόπων για τα περισσότερα χημικά στοιχεία έχει πλέον τεκμηριωθεί.
Ορισμένα στοιχεία έχουν μόνο ασταθή (δηλαδή ραδιενεργά) ισότοπα.
Το βαρύτερο στοιχείο που υπάρχει στη φύση - το ουράνιο (σχετικές ατομικές μάζες 238, 235, κ.λπ.) και το ελαφρύτερο - το υδρογόνο (σχετικές ατομικές μάζες 1, 2, 3) έχουν ισότοπα.

Τα ισότοπα υδρογόνου είναι ιδιαίτερα ενδιαφέροντα, καθώς διαφέρουν σε μάζα κατά 2 και 3 φορές.
Ένα ισότοπο με σχετική ατομική μάζα 2 ονομάζεται δευτέριο.
Είναι σταθερό (δηλαδή, δεν είναι ραδιενεργό) και εμφανίζεται ως μια μικρή ακαθαρσία (1:4500) στο συνηθισμένο υδρογόνο.
Όταν το δευτέριο ενώνεται με το οξυγόνο, σχηματίζεται το λεγόμενο βαρύ νερό.
Οι φυσικές του ιδιότητες διαφέρουν σημαντικά από αυτές του συνηθισμένου νερού.
Σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση, βράζει στους 101,2 °C και παγώνει στους 3,8 °C.

Ένα ισότοπο υδρογόνου με ατομική μάζα 3 ονομάζεται τρίτιο.
Είναι β-ραδιενεργό και έχει χρόνο ημιζωής περίπου 12 χρόνια.

Η ύπαρξη ισοτόπων αποδεικνύει ότι το φορτίο του ατομικού πυρήνα δεν καθορίζει όλες τις ιδιότητες του ατόμου, αλλά μόνο τις χημικές του ιδιότητες και εκείνες τις φυσικές ιδιότητες που εξαρτώνται από την περιφέρεια του κελύφους ηλεκτρονίων, για παράδειγμα, το μέγεθος του ατόμου.
Η μάζα ενός ατόμου και οι ραδιενεργές του ιδιότητες δεν καθορίζονται από τον αύξοντα αριθμό στον πίνακα του D.I. Mendeleev.

Είναι αξιοσημείωτο ότι κατά την ακριβή μέτρηση των σχετικών ατομικών μαζών των ισοτόπων, αποδείχθηκε ότι ήταν κοντά σε ακέραιους αριθμούς.
Αλλά οι ατομικές μάζες των χημικών στοιχείων μερικές φορές διαφέρουν πολύ από τους ακέραιους αριθμούς.
Έτσι, η σχετική ατομική μάζα του χλωρίου είναι 35,5.
Αυτό σημαίνει ότι στη φυσική της κατάσταση, μια χημικά καθαρή ουσία είναι ένα μείγμα ισοτόπων σε διάφορες αναλογίες.
Η (κατά προσέγγιση) ακεραιότητα των σχετικών ατομικών μαζών των ισοτόπων είναι πολύ σημαντική για την αποσαφήνιση της δομής του ατομικού πυρήνα.

Τα περισσότερα χημικά στοιχεία έχουν ισότοπα.
Τα φορτία των ατομικών πυρήνων των ισοτόπων είναι τα ίδια, αλλά οι μάζες των πυρήνων είναι διαφορετικές.

Ακαδημαϊκός A. F. IOFF. «Επιστήμη και Ζωή» Νο 1, 1934

Το άρθρο «The Nucleus of the Atom» του ακαδημαϊκού Abram Fedorovich Ioffe άνοιξε το πρώτο τεύχος του περιοδικού «Science and Life», που δημιουργήθηκε πρόσφατα το 1934.

Ε. Ράδερφορντ.

F. W. Aston.

ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΦΥΣΗ ΤΗΣ ύλης

Στις αρχές του 20ου αιώνα, η ατομική δομή της ύλης έπαψε να είναι υπόθεση και το άτομο έγινε πραγματικότητα όσο πραγματικά είναι τα γεγονότα και τα φαινόμενα που είναι κοινά σε εμάς.

Αποδείχθηκε ότι το άτομο είναι ένας πολύ περίπλοκος σχηματισμός, ο οποίος αναμφίβολα περιλαμβάνει ηλεκτρικά φορτία και ίσως μόνο ηλεκτρικά φορτία. Αυτό φυσικά έθεσε το ζήτημα της δομής του ατόμου.

Το πρώτο μοντέλο του ατόμου διαμορφώθηκε σύμφωνα με το ηλιακό σύστημα. Ωστόσο, αυτή η ιδέα της ατομικής δομής σύντομα αποδείχθηκε αβάσιμη. Και αυτό είναι φυσικό. Η ιδέα του ατόμου ως ηλιακού συστήματος ήταν μια καθαρά μηχανική μεταφορά της εικόνας που σχετίζεται με τις αστρονομικές κλίμακες στην περιοχή του ατόμου, όπου οι κλίμακες είναι μόνο εκατοστο εκατομμυριοστά του εκατοστού. Μια τόσο απότομη ποσοτική αλλαγή δεν θα μπορούσε παρά να συνεπάγεται μια πολύ σημαντική αλλαγή στις ποιοτικές ιδιότητες των ίδιων φαινομένων. Αυτή η διαφορά επηρέασε κυρίως το γεγονός ότι το άτομο, σε αντίθεση με το ηλιακό σύστημα, πρέπει να κατασκευαστεί σύμφωνα με πολύ πιο αυστηρούς κανόνες από εκείνους τους νόμους που καθορίζουν τις τροχιές των πλανητών του ηλιακού συστήματος.

Προέκυψαν δύο δυσκολίες. Πρώτον, όλα τα άτομα ενός δεδομένου είδους, ενός δεδομένου στοιχείου, είναι εντελώς πανομοιότυπα ως προς τις φυσικές τους ιδιότητες, και επομένως, οι τροχιές των ηλεκτρονίων σε αυτά τα άτομα θα πρέπει να είναι εντελώς πανομοιότυπες. Εν τω μεταξύ, οι νόμοι της μηχανικής που διέπουν την κίνηση των ουράνιων σωμάτων δεν παρέχουν καμία απολύτως βάση για αυτό. Ανάλογα με την αρχική ταχύτητα, η τροχιά του πλανήτη μπορεί, σύμφωνα με αυτούς τους νόμους, να είναι εντελώς αυθαίρετη· ο πλανήτης μπορεί να περιστρέφεται κάθε φορά με την κατάλληλη ταχύτητα σε οποιαδήποτε τροχιά, σε οποιαδήποτε απόσταση από τον Ήλιο. Εάν υπήρχαν οι ίδιες αυθαίρετες τροχιές στα άτομα, τότε τα άτομα της ίδιας ουσίας δεν θα μπορούσαν να είναι τόσο πανομοιότυπα στις ιδιότητές τους, για παράδειγμα, να δίνουν ένα αυστηρά πανομοιότυπο φάσμα φωταύγειας. Αυτή είναι μια αντίφαση.

Ένα άλλο ήταν ότι η κίνηση ενός ηλεκτρονίου γύρω από έναν ατομικό πυρήνα, εάν εφαρμόσουμε σε αυτόν τους νόμους που έχουμε μελετήσει καλά σε μεγάλη κλίμακα σε εργαστηριακά πειράματα ή ακόμα και αστρονομικά φαινόμενα, θα πρέπει να συνοδεύεται από συνεχή ακτινοβολία ενέργειας. Κατά συνέπεια, η ενέργεια του ατόμου θα έπρεπε να εξαντλείται συνεχώς, και πάλι το άτομο δεν θα μπορούσε να διατηρήσει τις ιδιότητές του πανομοιότυπες και αμετάβλητες κατά τη διάρκεια των αιώνων και χιλιετιών, και ολόκληρος ο κόσμος και όλα τα άτομα θα έπρεπε να βιώνουν μια συνεχή εξασθένηση. μια συνεχής απώλεια της ενέργειας που περιέχεται σε αυτά. Αυτό επίσης δεν είναι σε καμία περίπτωση συμβατό με τις βασικές ιδιότητες των ατόμων.

Η τελευταία δυσκολία έγινε αισθητή ιδιαίτερα έντονα. Φαινόταν να οδηγεί όλη την επιστήμη σε ένα άλυτο αδιέξοδο.

Ο διαπρεπής φυσικός Λόρεντς τελείωσε τη συζήτησή μας σχετικά με αυτό το θέμα ως εξής: «Λυπάμαι που δεν πέθανα πριν από πέντε χρόνια, όταν αυτή η αντίφαση δεν υπήρχε ακόμη. Τότε θα είχα πεθάνει με την πεποίθηση ότι είχα αποκαλύψει μέρος της αλήθειας στο φυσικά φαινόμενα."

Παράλληλα, την άνοιξη του 1924, ο de Broglie, ένας νεαρός μαθητής του Langevin, εξέφρασε στη διατριβή του μια ιδέα που στην περαιτέρω ανάπτυξή της οδήγησε σε μια νέα σύνθεση.

Η ιδέα του De Broglie, που τότε άλλαξε σημαντικά, αλλά σε μεγάλο βαθμό διατηρήθηκε, ήταν ότι η κίνηση ενός ηλεκτρονίου που περιστρέφεται γύρω από έναν πυρήνα σε ένα άτομο δεν είναι απλώς η κίνηση μιας συγκεκριμένης σφαίρας, όπως είχε φανταστεί προηγουμένως, ότι αυτή η κίνηση συνοδεύεται από κάποια ένα κύμα που ταξιδεύει μαζί με ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο. Ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι μπάλα, αλλά κάποια ηλεκτρική ουσία θολή στο χώρο, η κίνηση της οποίας αντιπροσωπεύει ταυτόχρονα τη διάδοση ενός κύματος.

Αυτή η ιδέα, που στη συνέχεια επεκτάθηκε όχι μόνο στα ηλεκτρόνια, αλλά και στην κίνηση οποιουδήποτε σώματος - ενός ηλεκτρονίου, ενός ατόμου και ενός ολόκληρου συνόλου ατόμων - δηλώνει ότι οποιαδήποτε κίνηση ενός σώματος περιέχει δύο πλευρές, από τις οποίες σε ορισμένες περιπτώσεις μπορούμε να δείτε ιδιαίτερα καθαρά τη μία πλευρά, ενώ η άλλη δεν εκδηλώνεται αισθητά. Στη μια περίπτωση, βλέπουμε, σαν να λέγαμε, να διαδίδονται κύματα και δεν παρατηρούμε την κίνηση των σωματιδίων· στην άλλη, αντίθετα, τα ίδια τα κινούμενα σωματίδια έρχονται στο προσκήνιο και το κύμα διαφεύγει από την παρατήρησή μας.

Αλλά στην πραγματικότητα, και οι δύο αυτές πλευρές είναι πάντα παρούσες, και, ειδικότερα, στην κίνηση των ηλεκτρονίων δεν υπάρχει μόνο η κίνηση των ίδιων των φορτίων, αλλά και η διάδοση του κύματος.

Δεν μπορεί να ειπωθεί ότι δεν υπάρχει κίνηση ηλεκτρονίων σε τροχιές, αλλά μόνο παλμός, μόνο κύματα, δηλαδή κάτι άλλο. Όχι, θα ήταν πιο σωστό να πούμε αυτό: δεν αρνούμαστε καθόλου την κίνηση των ηλεκτροδίων, την οποία παρομοιάσαμε με την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο, αλλά αυτή η ίδια η κίνηση έχει τη φύση ενός παλμού και όχι του φύση της κίνησης της υδρογείου γύρω από τον Ήλιο.

Δεν θα περιγράψω εδώ τη δομή του ατόμου, τη δομή του ηλεκτρονικού του κελύφους, που καθορίζει όλες τις βασικές φυσικές ιδιότητες - συνοχή, ελαστικότητα, τριχοειδές, χημικές ιδιότητες κ.λπ. Όλα αυτά είναι το αποτέλεσμα της κίνησης του ηλεκτρονικού κελύφους, ή, όπως λέμε τώρα, παλμικό άτομο.

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΟΥ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΥΡΗΝΑ

Ο πυρήνας παίζει τον πιο ουσιαστικό ρόλο στο άτομο. Αυτό είναι το κέντρο γύρω από το οποίο περιστρέφονται όλα τα ηλεκτρόνια και του οποίου οι ιδιότητες καθορίζουν τελικά οτιδήποτε άλλο.

Το πρώτο πράγμα που θα μπορούσαμε να μάθουμε για τον πυρήνα είναι το φορτίο του. Γνωρίζουμε ότι ένα άτομο περιέχει έναν ορισμένο αριθμό αρνητικά φορτισμένων ηλεκτρονίων, αλλά το άτομο ως σύνολο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο. Αυτό σημαίνει ότι κάπου πρέπει να υπάρχουν αντίστοιχα θετικά φορτία. Αυτά τα θετικά φορτία συγκεντρώνονται στον πυρήνα. Ο πυρήνας είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο γύρω από το οποίο πάλλεται η ατμόσφαιρα ηλεκτρονίων που περιβάλλει τον πυρήνα. Το φορτίο του πυρήνα καθορίζει και τον αριθμό των ηλεκτρονίων.

Τα ηλεκτρόνια του σιδήρου και του χαλκού, του γυαλιού και του ξύλου είναι ακριβώς τα ίδια. Δεν είναι πρόβλημα για ένα άτομο να χάσει μερικά από τα ηλεκτρόνια του ή ακόμα και να χάσει όλα του τα ηλεκτρόνια. Όσο παραμένει ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας, αυτός ο πυρήνας θα προσελκύει τόσα ηλεκτρόνια όσα χρειάζεται από άλλα γύρω σώματα και το άτομο θα διατηρηθεί. Ένα άτομο σιδήρου θα παραμείνει σίδηρος όσο ο πυρήνας του είναι άθικτος. Εάν χάσει μερικά ηλεκτρόνια, το θετικό φορτίο στον πυρήνα θα είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των υπόλοιπων αρνητικών φορτίων και ολόκληρο το άτομο ως σύνολο θα αποκτήσει περίσσεια θετικού φορτίου. Τότε δεν το ονομάζουμε άτομο, αλλά θετικό ιόν σιδήρου. Σε μια άλλη περίπτωση, το άτομο μπορεί, αντίθετα, να προσελκύσει περισσότερα αρνητικά ηλεκτρόνια από ό,τι έχει θετικά φορτία - τότε θα είναι αρνητικά φορτισμένο και το ονομάζουμε αρνητικό ιόν. θα είναι αρνητικό ιόν του ίδιου στοιχείου. Κατά συνέπεια, η ατομικότητα ενός στοιχείου, όλες οι ιδιότητές του υπάρχουν και καθορίζονται από τον πυρήνα, το φορτίο αυτού του πυρήνα, πρώτα απ' όλα.

Επιπλέον, η συντριπτική πλειοψηφία της μάζας ενός ατόμου καθορίζεται ακριβώς από τον πυρήνα, και όχι από τα ηλεκτρόνια, - η μάζα των ηλεκτρονίων είναι μικρότερη από το ένα χιλιοστό της μάζας ολόκληρου του ατόμου. περισσότερο από 0,999 της συνολικής μάζας είναι η μάζα του πυρήνα. Αυτό είναι ακόμη πιο σημαντικό γιατί θεωρούμε ότι η μάζα είναι ένα μέτρο του ενεργειακού αποθέματος που διαθέτει μια δεδομένη ουσία. Η μάζα είναι το ίδιο μέτρο ενέργειας με το erg, την κιλοβατώρα ή τη θερμίδα.

Η πολυπλοκότητα του πυρήνα αποκαλύφθηκε στο φαινόμενο της ραδιενέργειας, που ανακαλύφθηκε λίγο μετά τις ακτίνες Χ, στις αρχές του αιώνα μας. Είναι γνωστό ότι τα ραδιενεργά στοιχεία εκπέμπουν συνεχώς ενέργεια με τη μορφή ακτίνων άλφα, βήτα και γάμμα. Αλλά μια τέτοια συνεχής ακτινοβολία ενέργειας πρέπει να έχει κάποια πηγή. Το 1902, ο Rutherford έδειξε ότι η μόνη πηγή αυτής της ενέργειας θα έπρεπε να είναι το άτομο, με άλλα λόγια, η πυρηνική ενέργεια. Η άλλη πλευρά της ραδιενέργειας είναι ότι η εκπομπή αυτών των ακτίνων μετατρέπει ένα στοιχείο που βρίσκεται σε ένα σημείο του περιοδικού πίνακα σε ένα άλλο στοιχείο με διαφορετικές χημικές ιδιότητες. Με άλλα λόγια, οι ραδιενεργές διεργασίες μεταμορφώνουν στοιχεία. Εάν είναι αλήθεια ότι ο πυρήνας ενός ατόμου καθορίζει την ατομικότητά του και ότι, όσο ο πυρήνας είναι άθικτος, το άτομο παραμένει άτομο ενός δεδομένου στοιχείου και όχι κάποιου άλλου, τότε η μετάβαση ενός στοιχείου σε άλλο σημαίνει αλλαγή τον ίδιο τον πυρήνα του ατόμου.

Οι ακτίνες που εκπέμπονται από ραδιενεργές ουσίες παρέχουν μια πρώτη προσέγγιση για να αποκτήσετε μια γενική ιδέα για το τι περιέχεται στον πυρήνα.

Οι ακτίνες άλφα είναι πυρήνες ηλίου και το ήλιο είναι το δεύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα. Μπορεί λοιπόν να σκεφτεί κανείς ότι ο πυρήνας περιέχει πυρήνες ηλίου. Αλλά η μέτρηση των ταχυτήτων με τις οποίες εκπέμπονται οι ακτίνες άλφα οδηγεί αμέσως σε μια πολύ σοβαρή δυσκολία.

Η ΘΕΩΡΙΑ ΡΑΔΙΟΔΡΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ GAMOW

Ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος. Όταν το πλησιάζετε, οποιοδήποτε φορτισμένο σωματίδιο υφίσταται μια δύναμη έλξης ή απώθησης. Σε μεγάλη εργαστηριακή κλίμακα, οι αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρικών φορτίων καθορίζονται από το νόμο του Κουλόμπ: δύο φορτία αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με δύναμη αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ τους και ευθέως ανάλογη με το μέγεθος του ενός και του άλλου φορτίου. Μελετώντας τους νόμους της έλξης ή της απώθησης που βιώνουν τα σωματίδια όταν πλησιάζουν τον πυρήνα, ο Rutherford διαπίστωσε ότι μέχρι αποστάσεις πολύ κοντά στον πυρήνα, της τάξης των 10 -12 cm, εξακολουθεί να ισχύει ο ίδιος νόμος Coulomb. Αν αυτό είναι έτσι, τότε μπορούμε εύκολα να υπολογίσουμε πόση δουλειά πρέπει να κάνει ο πυρήνας για να απομακρύνει το θετικό φορτίο καθώς φεύγει από τον πυρήνα και εκτοξεύεται έξω. Τα σωματίδια άλφα και οι φορτισμένοι πυρήνες ηλίου, που ξεφεύγουν από τον πυρήνα, κινούνται υπό την απωθητική επίδραση του φορτίου του. και ο αντίστοιχος υπολογισμός δείχνει ότι, υπό την επίδραση μόνο της απώθησης, τα σωματίδια άλφα πρέπει να έχουν συσσωρεύσει κινητική ενέργεια που αντιστοιχεί σε τουλάχιστον 10 ή 20 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ, δηλαδή την ενέργεια που λαμβάνεται όταν διέρχεται φορτίο ίσο με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, διαφορά δυναμικού 20 εκατομμύρια βολτ. Αλλά στην πραγματικότητα, όταν πετούν έξω από ένα άτομο, βγαίνουν με πολύ λιγότερη ενέργεια, μόνο 1-5 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ. Αλλά, εκτός αυτού,

Ήταν φυσικό να περιμένουμε ότι ο πυρήνας, όταν εκτοξεύει ένα σωματίδιο άλφα, του δίνει κάτι άλλο επιπλέον. Τη στιγμή της εκτίναξης, συμβαίνει κάτι σαν έκρηξη στον πυρήνα, και αυτή η ίδια η έκρηξη μεταδίδει κάποιο είδος ενέργειας. Σε αυτό προστίθεται το έργο των απωθητικών δυνάμεων και αποδεικνύεται ότι το άθροισμα αυτών των ενεργειών είναι μικρότερο από αυτό που θα έπρεπε να δώσει μόνο η απώθηση. Αυτή η αντίφαση απομακρύνεται μόλις αρνηθούμε να μεταφέρουμε μηχανικά σε αυτήν την περιοχή τις απόψεις που αναπτύχθηκαν από την εμπειρία της μελέτης μεγάλων σωμάτων, όπου δεν λαμβάνουμε υπόψη την κυματική φύση της κίνησης. Ο G. A. Gamov ήταν ο πρώτος που έδωσε μια σωστή ερμηνεία αυτής της αντίφασης και δημιούργησε την κυματική θεωρία του πυρήνα και των ραδιενεργών διεργασιών.

Είναι γνωστό ότι σε αρκετά μεγάλες αποστάσεις (πάνω από 10 -12 cm) ο πυρήνας απωθεί ένα θετικό φορτίο από τον εαυτό του. Από την άλλη, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι μέσα στον ίδιο τον πυρήνα, που περιέχει πολλά θετικά φορτία, για κάποιο λόγο δεν απωθούν. Η ίδια η ύπαρξη του πυρήνα δείχνει ότι τα θετικά φορτία μέσα στον πυρήνα έλκονται αμοιβαία και έξω από τον πυρήνα απωθούν το ένα το άλλο.

Πώς μπορούμε να περιγράψουμε τις ενεργειακές συνθήκες μέσα και γύρω από τον πυρήνα; Ο Gamow δημιούργησε την ακόλουθη αναπαράσταση. Θα απεικονίσουμε στο διάγραμμα (Εικ. 5) την ποσότητα της ενέργειας θετικού φορτίου σε μια δεδομένη θέση από την απόσταση από την οριζόντια γραμμή ΕΝΑ.

Καθώς πλησιάζει τον πυρήνα, η ενέργεια του φορτίου θα αυξάνεται, γιατί θα γίνει εργασία ενάντια στην απωστική δύναμη. Μέσα στον πυρήνα, αντίθετα, η ενέργεια θα πρέπει να μειωθεί ξανά, γιατί εδώ δεν υπάρχει αμοιβαία απώθηση, αλλά αμοιβαία έλξη. Στα όρια του πυρήνα παρατηρείται απότομη μείωση της ενεργειακής αξίας. Το σχέδιό μας απεικονίζεται σε ένα αεροπλάνο. Στην πραγματικότητα, φυσικά, πρέπει να το φανταστείτε στο διάστημα με την ίδια κατανομή ενέργειας προς όλες τις άλλες κατευθύνσεις. Τότε παίρνουμε ότι γύρω από τον πυρήνα υπάρχει ένα σφαιρικό στρώμα με υψηλή ενέργεια, σαν κάποιο είδος ενεργειακού φραγμού που προστατεύει τον πυρήνα από τη διείσδυση θετικών φορτίων, το λεγόμενο «φράγμα Gamow».

Εάν σταθούμε στην άποψη των συνηθισμένων απόψεων για την κίνηση ενός σώματος και ξεχάσουμε την κυματική του φύση, τότε πρέπει να περιμένουμε ότι μόνο ένα τέτοιο θετικό φορτίο μπορεί να διεισδύσει στον πυρήνα, η ενέργεια του οποίου δεν είναι μικρότερη από την ύψος του φράγματος. Αντίθετα, για να φύγει από τον πυρήνα, το φορτίο πρέπει πρώτα να φτάσει στην κορυφή του φραγμού και μετά η κινητική του ενέργεια θα αρχίσει να αυξάνεται καθώς απομακρύνεται από τον πυρήνα. Εάν στην κορυφή του φραγμού η ενέργεια ήταν μηδέν, τότε όταν αφαιρεθεί από το άτομο θα λάβει τα ίδια 20 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ, τα οποία στην πραγματικότητα δεν παρατηρούνται ποτέ. Η νέα κατανόηση του πυρήνα που εισήγαγε ο Gamow είναι η εξής. Η κίνηση ενός σωματιδίου πρέπει να θεωρείται ως κύμα. Κατά συνέπεια, αυτή η κίνηση επηρεάζεται από την ενέργεια όχι μόνο στο σημείο που καταλαμβάνει το σωματίδιο, αλλά και σε ολόκληρο το διάχυτο κύμα του σωματιδίου, καλύπτοντας έναν αρκετά μεγάλο χώρο. Με βάση τις έννοιες της κυματομηχανικής, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι ακόμα κι αν η ενέργεια σε ένα δεδομένο σημείο δεν έχει φτάσει το όριο που αντιστοιχεί στην κορυφή του φράγματος, το σωματίδιο μπορεί να καταλήξει στην άλλη πλευρά του, όπου δεν είναι έλκεται περισσότερο στον πυρήνα από τις ελκτικές δυνάμεις που δρουν εκεί.

Το παρακάτω πείραμα αντιπροσωπεύει κάτι παρόμοιο. Φανταστείτε ότι υπάρχει ένα βαρέλι με νερό πίσω από τον τοίχο του δωματίου. Από αυτό το βαρέλι βγαίνει ένας σωλήνας, ο οποίος περνά ψηλά από μια τρύπα στον τοίχο και παρέχει νερό. από κάτω χύνεται νερό. Αυτή είναι μια πολύ γνωστή συσκευή που ονομάζεται σιφόνι. Εάν το βαρέλι σε αυτή την πλευρά τοποθετηθεί ψηλότερα από το άκρο του σωλήνα, τότε το νερό θα ρέει συνεχώς μέσα από αυτό με ταχύτητα που καθορίζεται από τη διαφορά στη στάθμη του νερού στο βαρέλι και στο άκρο του σωλήνα. Δεν υπάρχει τίποτα περίεργο εδώ. Αλλά αν δεν ξέρατε για την ύπαρξη ενός βαρελιού στην άλλη πλευρά του τοίχου και είδατε μόνο έναν σωλήνα μέσω του οποίου ρέει νερό από μεγάλο ύψος, τότε για εσάς αυτό το γεγονός θα φαινόταν μια ασυμβίβαστη αντίφαση. Το νερό ρέει από μεγάλο ύψος και ταυτόχρονα δεν συσσωρεύει την ενέργεια που αντιστοιχεί στο ύψος του σωλήνα. Ωστόσο, η εξήγηση σε αυτή την περίπτωση είναι προφανής.

Παρόμοιο φαινόμενο έχουμε στον πυρήνα. Φορτίστε από την κανονική του θέση ΕΝΑανεβαίνει σε κατάσταση μεγαλύτερης ενέργειας ΣΕ, αλλά δεν φτάνει καθόλου στην κορυφή του φραγμού ΜΕ(Εικ. 6).

Από το κράτος ΣΕένα σωματίδιο άλφα, που διέρχεται από το φράγμα, αρχίζει να απωθείται από τον πυρήνα και όχι από την κορυφή ΜΕ, και από χαμηλότερο ενεργειακό ύψος Β 1. Επομένως, όταν φεύγετε έξω, η ενέργεια που συσσωρεύεται από το σωματίδιο δεν θα εξαρτάται από το ύψος ΜΕ, και από χαμηλότερο ύψος ίσο με Β 1(Εικ. 7).

Αυτός ο ποιοτικός συλλογισμός μπορεί να τεθεί σε ποσοτική μορφή και μπορεί να δοθεί ένας νόμος που καθορίζει την πιθανότητα ενός σωματιδίου άλφα να περάσει το φράγμα ανάλογα με την ενέργεια ΣΕ, που κατέχει στον πυρήνα, και, κατά συνέπεια, από την ενέργεια που λαμβάνει κατά την έξοδο από το άτομο.

Μέσα από μια σειρά πειραμάτων, θεσπίστηκε ένας πολύ απλός νόμος που συνέδεε τους αριθμούς των σωματιδίων άλφα που εκπέμπονται από ραδιενεργές ουσίες με την ενέργεια ή την ταχύτητά τους. Αλλά το νόημα αυτού του νόμου ήταν εντελώς ασαφές.

Η πρώτη επιτυχία του Gamow βρισκόταν στο γεγονός ότι αυτός ο ποσοτικός νόμος της εκπομπής των σωματιδίων άλφα ακολουθούσε με απόλυτη ακρίβεια και ευκολία τη θεωρία του. Τώρα το «ενεργειακό φράγμα Gamow» και η κυματική του ερμηνεία είναι η βάση όλων των ιδεών μας για τον πυρήνα.

Οι ιδιότητες των ακτίνων άλφα εξηγούνται ποιοτικά και ποσοτικά καλά από τη θεωρία του Gamow, αλλά είναι γνωστό ότι οι ραδιενεργές ουσίες εκπέμπουν επίσης ακτίνες βήτα - ρεύματα γρήγορων ηλεκτρονίων. Το μοντέλο δεν μπορεί να εξηγήσει την εκπομπή ηλεκτρονίων. Αυτή είναι μια από τις πιο σοβαρές αντιφάσεις στη θεωρία του ατομικού πυρήνα, η οποία μέχρι πολύ πρόσφατα παρέμενε άλυτη, αλλά η λύση της οποίας φαίνεται τώρα να είναι ορατή.

ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΠΥΡΗΝΑ

Ας προχωρήσουμε τώρα στο να εξετάσουμε τι γνωρίζουμε για τη δομή του πυρήνα.

Πριν από περισσότερα από 100 χρόνια, ο Prout εξέφρασε την ιδέα ότι ίσως τα στοιχεία του περιοδικού πίνακα δεν είναι καθόλου ξεχωριστές, άσχετες μορφές ύλης, αλλά είναι μόνο διαφορετικοί συνδυασμοί του ατόμου του υδρογόνου. Αν ήταν έτσι, τότε θα περίμενε κανείς ότι όχι μόνο τα φορτία όλων των πυρήνων θα ήταν ακέραια πολλαπλάσια του φορτίου του υδρογόνου, αλλά και οι μάζες όλων των πυρήνων θα εκφραζόντουσαν ως ακέραια πολλαπλάσια της μάζας του πυρήνα του υδρογόνου, δηλ. όλα τα ατομικά βάρη θα πρέπει να εκφράζονται ακέραιοι αριθμοί. Πράγματι, αν κοιτάξετε τον πίνακα με τα ατομικά βάρη, μπορείτε να δείτε έναν μεγάλο αριθμό ακεραίων αριθμών. Για παράδειγμα, ο άνθρακας είναι ακριβώς 12, το άζωτο είναι ακριβώς 14, το οξυγόνο είναι ακριβώς 16, το φθόριο είναι ακριβώς 19. Αυτό, φυσικά, δεν είναι ατύχημα. Αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν ατομικά βάρη που απέχουν πολύ από ακέραιους αριθμούς. Για παράδειγμα, το νέον έχει ατομικό βάρος 20,2, το χλώριο - 35,46. Επομένως, η υπόθεση του Prout παρέμεινε μια μερική εικασία και δεν μπορούσε να γίνει θεωρία της δομής του ατόμου. Μελετώντας τη συμπεριφορά των φορτισμένων ιόντων, είναι ιδιαίτερα εύκολο να μελετήσουμε τις ιδιότητες του ατομικού πυρήνα επηρεάζοντάς τους, για παράδειγμα, με ένα ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο.

Η μέθοδος που βασίζεται σε αυτό, που έφερε σε εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια η Aston, κατέστησε δυνατό να διαπιστωθεί ότι όλα τα στοιχεία των οποίων τα ατομικά βάρη δεν εκφράζονται σε ακέραιους αριθμούς δεν είναι στην πραγματικότητα μια ομοιογενής ουσία, αλλά ένα μείγμα δύο ή περισσότερων - 3, 4 , 9 - διαφορετικά είδη ατόμων. Για παράδειγμα, το ατομικό βάρος του χλωρίου είναι 35,46 επειδή στην πραγματικότητα υπάρχουν πολλά είδη ατόμων χλωρίου. Υπάρχουν άτομα χλωρίου με ατομικά βάρη 35 και 37 και αυτοί οι δύο τύποι χλωρίου αναμιγνύονται μαζί σε τέτοια αναλογία που το μέσο ατομικό τους βάρος είναι 35,46. Αποδείχθηκε ότι όχι μόνο σε αυτή τη συγκεκριμένη περίπτωση, αλλά σε όλες ανεξαιρέτως τις περιπτώσεις, όπου τα ατομικά βάρη δεν εκφράζονται σε ακέραιους αριθμούς, έχουμε ένα μείγμα ισοτόπων, δηλαδή άτομα με το ίδιο φορτίο, που επομένως αντιπροσωπεύουν το ίδιο στοιχείο. αλλά με διαφορετικές μάζες. Κάθε μεμονωμένος τύπος ατόμου έχει πάντα ένα ολόκληρο ατομικό βάρος.

Έτσι, η υπόθεση του Prout έλαβε αμέσως σημαντική ενίσχυση και το ερώτημα θα μπορούσε να θεωρηθεί λυμένο αν όχι για μία εξαίρεση, δηλαδή το ίδιο το υδρογόνο. Το γεγονός είναι ότι το σύστημα ατομικών βαρών μας δεν βασίζεται στο υδρογόνο, λαμβανόμενο ως ένα, αλλά στο ατομικό βάρος του οξυγόνου, το οποίο συμβατικά λαμβάνεται ως 16. Σε σχέση με αυτό το βάρος, τα ατομικά βάρη εκφράζονται ως σχεδόν ακριβείς ακέραιοι αριθμοί. Αλλά το ίδιο το υδρογόνο σε αυτό το σύστημα έχει ατομικό βάρος όχι ένα, αλλά κάπως περισσότερο, δηλαδή 1,0078. Αυτός ο αριθμός διαφέρει από τη μονάδα αρκετά σημαντικά - κατά 3/4%, που υπερβαίνει κατά πολύ όλα τα πιθανά σφάλματα στον προσδιορισμό του ατομικού βάρους.

Αποδείχθηκε ότι το οξυγόνο έχει επίσης 3 ισότοπα: εκτός από το κυρίαρχο, με ατομικό βάρος 16, ένα άλλο με ατομικό βάρος 17 και ένα τρίτο με ατομικό βάρος 18. Εάν αντιστοιχίσουμε όλα τα ατομικά βάρη στο ισότοπο 16, τότε το ατομικό βάρος του υδρογόνου θα εξακολουθεί να είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από ένα. Στη συνέχεια, βρέθηκε ένα δεύτερο ισότοπο υδρογόνου - υδρογόνο με ατομικό βάρος 2 - δευτερίου, όπως το ονόμασαν οι Αμερικανοί που το ανακάλυψαν, ή διπλογόνο, όπως το αποκαλούν οι Βρετανοί. Μόνο περίπου το 1/6000 αυτού του δευτερίου αναμιγνύεται και επομένως η παρουσία αυτής της ακαθαρσίας έχει πολύ μικρή επίδραση στο ατομικό βάρος του υδρογόνου.

Δίπλα στο υδρογόνο, το ήλιο έχει ατομικό βάρος 4.002. Αν αποτελούνταν από 4 υδρογόνα, τότε το ατομικό του βάρος θα ήταν προφανώς 4.031. Επομένως, σε αυτή την περίπτωση έχουμε κάποια απώλεια ατομικού βάρους, δηλαδή: 4,031 - 4,002 = 0,029. Είναι δυνατόν? Μέχρι να θεωρήσουμε τη μάζα ως κάποιο μέτρο της ύλης, φυσικά, αυτό ήταν αδύνατο: αυτό θα σήμαινε ότι μέρος της ύλης είχε εξαφανιστεί.

Αλλά η θεωρία της σχετικότητας έχει αποδείξει χωρίς αμφιβολία ότι η μάζα δεν είναι ένα μέτρο της ποσότητας της ύλης, αλλά ένα μέτρο της ενέργειας που διαθέτει αυτή η ύλη. Η ύλη δεν μετριέται με μάζα, αλλά με τον αριθμό των φορτίων που απαρτίζουν αυτήν την ύλη. Αυτά τα φορτία μπορεί να έχουν περισσότερη ή λιγότερη ενέργεια. Όταν τα ίδια φορτία πλησιάζουν, η ενέργεια αυξάνεται· όταν απομακρύνονται, η ενέργεια μειώνεται. Αλλά αυτό, φυσικά, δεν σημαίνει ότι το θέμα έχει αλλάξει.

Όταν λέμε ότι κατά τον σχηματισμό ηλίου από 4 υδρογόνα εξαφανίστηκαν 0,029 ατομικά βάρη, αυτό σημαίνει ότι εξαφανίστηκε η ενέργεια που αντιστοιχεί σε αυτή την τιμή. Γνωρίζουμε ότι κάθε γραμμάριο μιας ουσίας έχει ενέργεια ίση με 9. 10 20 εργ. Όταν σχηματίζονται 4 g ηλίου, η ενέργεια που χάνεται είναι 0,029. 9 . 10 20 εργομ. Λόγω αυτής της μείωσης της ενέργειας, 4 πυρήνες υδρογόνου θα συνδυαστούν σε έναν νέο πυρήνα. Η περίσσεια ενέργειας θα απελευθερωθεί στον περιβάλλοντα χώρο και θα παραμείνει μια ένωση με ελαφρώς λιγότερη ενέργεια και μάζα. Έτσι, αν τα ατομικά βάρη δεν μετρώνται ακριβώς με τους ακέραιους αριθμούς 4 ή 1, αλλά με 4,002 και 1,0078, τότε αυτά τα χιλιοστά αποκτούν ιδιαίτερη σημασία γιατί καθορίζουν την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά το σχηματισμό ενός πυρήνα.

Όσο περισσότερη ενέργεια απελευθερώνεται κατά τον σχηματισμό ενός πυρήνα, δηλαδή όσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ατομικού βάρους, τόσο ισχυρότερος είναι ο πυρήνας. Συγκεκριμένα, ο πυρήνας του ηλίου είναι πολύ ισχυρός, γιατί όταν σχηματίζεται, απελευθερώνεται ενέργεια που αντιστοιχεί στην απώλεια ατομικού βάρους - 0,029. Αυτό είναι πολύ υψηλή ενέργεια. Για να το κρίνουμε, είναι καλύτερο να θυμόμαστε αυτή την απλή αναλογία: το ένα χιλιοστό του ατομικού βάρους αντιστοιχεί σε περίπου 1 εκατομμύριο ηλεκτρον βολτ. Άρα το 0,029 είναι περίπου 29 εκατομμύρια ηλεκτρον βολτ. Για να καταστραφεί ένας πυρήνας ηλίου για να αποσυντεθεί ξανά σε 4 υδρογόνα, χρειάζεται κολοσσιαία ενέργεια. Ο πυρήνας δεν λαμβάνει τέτοια ενέργεια, επομένως ο πυρήνας του ηλίου είναι εξαιρετικά σταθερός, και γι' αυτό δεν απελευθερώνονται πυρήνες υδρογόνου από ραδιενεργούς πυρήνες, αλλά ολόκληροι πυρήνες ηλίου, σωματίδια άλφα. Αυτές οι σκέψεις μας οδηγούν σε μια νέα αξιολόγηση της ατομικής ενέργειας. Γνωρίζουμε ήδη ότι σχεδόν όλη η ενέργεια ενός ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα, και μάλιστα τεράστια ενέργεια. 1 g της ουσίας έχει, αν μεταφραστεί σε πιο οπτική γλώσσα, τόση ενέργεια όση μπορεί να ληφθεί από την καύση 10 τρένων των 100 βαγονιών πετρελαίου. Επομένως, ο πυρήνας είναι μια απολύτως εξαιρετική πηγή ενέργειας. Συγκρίνετε 1 g με 10 τρένα - αυτή είναι η αναλογία της συγκέντρωσης ενέργειας στον πυρήνα σε σύγκριση με την ενέργεια που χρησιμοποιούμε στην τεχνολογία μας.

Ωστόσο, αν σκεφτείτε τα γεγονότα που εξετάζουμε τώρα, μπορείτε, αντίθετα, να καταλήξετε σε μια εντελώς αντίθετη άποψη για τον πυρήνα. Ο πυρήνας, από αυτή την άποψη, δεν είναι πηγή ενέργειας, αλλά το νεκροταφείο του: ο πυρήνας είναι το υπόλοιπο μετά την απελευθέρωση μιας τεράστιας ποσότητας ενέργειας και σε αυτόν έχουμε τη χαμηλότερη κατάσταση ενέργειας.

Συνεπώς, αν μπορούμε να μιλήσουμε για τη δυνατότητα χρήσης της πυρηνικής ενέργειας, τότε μόνο με την έννοια ότι, ίσως, δεν έχουν φθάσει όλοι οι πυρήνες σε εξαιρετικά χαμηλή ενέργεια: στο κάτω-κάτω, το υδρογόνο και το ήλιο υπάρχουν και τα δύο στη φύση και, επομένως, δεν υπάρχει όλο το υδρογόνο συνδυάζονται σε ήλιο, αν και το ήλιο έχει λιγότερη ενέργεια. Εάν μπορούσαμε να συντήξουμε το υπάρχον υδρογόνο σε ήλιο, θα αποκτούσαμε μια ορισμένη ποσότητα ενέργειας. Δεν πρόκειται για 10 τρένα με λάδι, αλλά και πάλι θα είναι περίπου 10 αυτοκίνητα με λάδι. Και αυτό δεν είναι τόσο κακό αν ήταν δυνατό να ληφθεί τόση ενέργεια από 1 g μιας ουσίας όση από την καύση 10 βαγονιών πετρελαίου.

Αυτά είναι τα πιθανά ενεργειακά αποθέματα κατά την αναδιάταξη των πυρήνων. Αλλά η πιθανότητα, φυσικά, απέχει πολύ από την πραγματικότητα.

Πώς μπορούν να πραγματοποιηθούν αυτές οι ευκαιρίες; Για να τα αξιολογήσουμε, ας προχωρήσουμε στην εξέταση της σύνθεσης του ατομικού πυρήνα.

Μπορούμε τώρα να πούμε ότι όλοι οι πυρήνες περιέχουν θετικούς πυρήνες υδρογόνου, οι οποίοι ονομάζονται πρωτόνια, έχουν ατομικό βάρος μονάδας (1,0078 για την ακρίβεια) και μονάδα θετικού φορτίου. Αλλά ο πυρήνας δεν μπορεί να αποτελείται μόνο από πρωτόνια. Πάρτε, για παράδειγμα, το βαρύτερο στοιχείο, που κατατάσσεται στην 92η θέση στον περιοδικό πίνακα, το ουράνιο, με ατομικό βάρος 238. Αν υποθέσουμε ότι και οι 238 μονάδες αποτελούνται από πρωτόνια, τότε το ουράνιο θα έχει 238 φορτία, ενώ έχει μόνο 92. Κατά συνέπεια, είτε δεν είναι όλα τα σωματίδια εκεί φορτισμένα, είτε υπάρχουν 146 αρνητικά ηλεκτρόνια εκτός από 238 πρωτόνια. Τότε όλα είναι καλά: το ατομικό βάρος θα ήταν 238, τα θετικά φορτία 238 και τα αρνητικά 146, επομένως, το συνολικό φορτίο είναι 92. Αλλά έχουμε ήδη αποδείξει ότι η υπόθεση της παρουσίας ηλεκτρονίων στον πυρήνα δεν είναι συμβατή με τις ιδέες μας: ούτε σε μέγεθος ούτε στις μαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων στον πυρήνα δεν μπορούν να τοποθετηθούν. Κάποιο είδος αντίφασης παρέμεινε.

ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΝΕΤΡΟΝΙΟΥ

Αυτή η αντίφαση καταστράφηκε από ένα νέο πειραματικό γεγονός, το οποίο ανακαλύφθηκε πριν από περίπου δύο χρόνια από την Irene Curie και τον σύζυγό της Joliot (η Irene Curie είναι η κόρη της Marie Curie, η οποία ανακάλυψε το ράδιο). Η Irene Curie και ο Joliot ανακάλυψαν ότι όταν το βηρύλλιο (το τέταρτο στοιχείο του περιοδικού πίνακα) βομβαρδίζεται με σωματίδια άλφα, το βηρύλλιο εκπέμπει μερικές περίεργες ακτίνες που διαπερνούν τεράστια πάχη ύλης. Φαίνεται ότι εφόσον διεισδύουν σε ουσίες τόσο εύκολα, δεν θα πρέπει να προκαλούν σημαντικές επιπτώσεις εκεί, διαφορετικά η ενέργειά τους θα εξαντλούνταν και δεν θα διείσδυαν στην ουσία. Από την άλλη πλευρά, αποδεικνύεται ότι αυτές οι ακτίνες, που συγκρούονται με τον πυρήνα ενός ατόμου, τον απορρίπτουν με τεράστια δύναμη, σαν να χτυπήθηκαν από ένα βαρύ σωματίδιο. Άρα αφενός πρέπει να σκεφτεί κανείς ότι αυτές οι ακτίνες είναι βαρείς πυρήνες και αφετέρου είναι ικανές να περάσουν από τεράστια πάχη χωρίς να ασκήσουν καμία επιρροή.

Η επίλυση αυτής της αντίφασης βρέθηκε στο γεγονός ότι αυτό το σωματίδιο δεν είναι φορτισμένο. Εάν ένα σωματίδιο δεν έχει ηλεκτρικό φορτίο, τότε τίποτα δεν θα δράσει πάνω του, και το ίδιο δεν θα δράσει σε τίποτα. Μόνο όταν κατά την κίνησή του πέσει σε ένα κανονάκι κάπου, το πετάει.

Έτσι, εμφανίστηκαν νέα αφόρτιστα σωματίδια - νετρόνια. Αποδείχθηκε ότι η μάζα αυτού του σωματιδίου είναι περίπου η ίδια με τη μάζα ενός σωματιδίου υδρογόνου - 1,0065 (ένα χιλιοστό λιγότερο από ένα πρωτόνιο, επομένως, η ενέργειά του είναι περίπου 1 εκατομμύριο ηλεκτρονιοβολτ μικρότερη). Αυτό το σωματίδιο είναι παρόμοιο με ένα πρωτόνιο, αλλά δεν έχει μόνο θετικό φορτίο, είναι ουδέτερο, ονομάστηκε νετρόνιο.

Μόλις έγινε σαφής η ύπαρξη νετρονίων, προτάθηκε μια εντελώς διαφορετική ιδέα για τη δομή του πυρήνα. Εκφράστηκε αρχικά από τον D. D. Ivanenko και στη συνέχεια αναπτύχθηκε, ειδικά από τον Heisenberg, ο οποίος έλαβε το βραβείο Νόμπελ πέρυσι. Ο πυρήνας μπορεί να περιέχει πρωτόνια και νετρόνια. Θα μπορούσε να υποτεθεί ότι ο πυρήνας αποτελείται μόνο από πρωτόνια και νετρόνια. Τότε η όλη κατασκευή του περιοδικού συστήματος φαίνεται εντελώς διαφορετική, αλλά πολύ απλή. Πώς πρέπει, για παράδειγμα, να φανταστεί κανείς το ουράνιο; Το ατομικό του βάρος είναι 238, δηλαδή υπάρχουν 238 σωματίδια. Αλλά μερικά από αυτά είναι πρωτόνια, μερικά είναι νετρόνια. Κάθε πρωτόνιο έχει θετικό φορτίο· τα νετρόνια δεν έχουν καθόλου φορτίο. Εάν το φορτίο του ουρανίου είναι 92, τότε αυτό σημαίνει ότι τα 92 είναι πρωτόνια και τα υπόλοιπα νετρόνια. Αυτή η ιδέα έχει ήδη οδηγήσει σε μια σειρά από πολύ αξιοσημείωτες επιτυχίες και διευκρίνισε αμέσως μια σειρά από ιδιότητες του περιοδικού συστήματος που προηγουμένως φαινόταν εντελώς μυστηριώδεις. Όταν υπάρχουν λίγα πρωτόνια και νετρόνια, τότε, σύμφωνα με τις σύγχρονες έννοιες της κυματομηχανικής, θα πρέπει να περιμένει κανείς ότι ο αριθμός των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα είναι ο ίδιος. Μόνο ένα πρωτόνιο έχει φορτίο και ο αριθμός των πρωτονίων δίνει τον ατομικό αριθμό. Και το ατομικό βάρος ενός στοιχείου είναι το άθροισμα των βαρών των πρωτονίων και των νετρονίων, επειδή και τα δύο έχουν ένα ατομικό βάρος. Σε αυτή τη βάση, μπορούμε να πούμε ότι ο ατομικός αριθμός είναι το μισό του ατομικού βάρους.

Τώρα μένει ακόμα μια δυσκολία, μια αντίφαση. Αυτή είναι η αντίφαση που δημιουργούν τα σωματίδια βήτα.

ΑΝΑΚΑΛΥΨΗ ΤΟΥ ΠΟΖΙΤΡΟΝΙΟΥ

Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει τίποτα στον πυρήνα εκτός από ένα θετικά φορτισμένο πρωτόνιο. Πώς τότε εκτοξεύονται αρνητικά ηλεκτρόνια από τον πυρήνα αν δεν υπάρχουν καθόλου αρνητικά φορτία εκεί; Όπως καταλαβαίνετε, βρισκόμαστε σε δύσκολη θέση.

Μας οδηγεί πάλι έξω από αυτό ένα νέο πειραματικό γεγονός, μια νέα ανακάλυψη. Αυτή η ανακάλυψη έγινε, ίσως για πρώτη φορά, από τον D.V. Skobeltsyn, ο οποίος, μελετώντας τις κοσμικές ακτίνες για μεγάλο χρονικό διάστημα, διαπίστωσε ότι μεταξύ των φορτίων που εκπέμπουν οι κοσμικές ακτίνες, υπάρχουν και θετικά σωματίδια φωτός. Αλλά αυτή η ανακάλυψη ήταν τόσο αντίθετη με όλα όσα είχαν εδραιωθεί ότι ο Skobeltsyn στην αρχή δεν έδωσε τέτοια ερμηνεία στις παρατηρήσεις του.

Ο επόμενος άνθρωπος που ανακάλυψε αυτό το φαινόμενο ήταν ο Αμερικανός φυσικός Άντερσεν στην Πασαντένα (Καλιφόρνια) και μετά από αυτόν στην Αγγλία, στο εργαστήριο του Ράδερφορντ, Μπλακέτ. Αυτά είναι θετικά ηλεκτρόνια ή, όπως δεν τα έλεγαν πολύ καλά, ποζιτρόνια. Το ότι αυτά είναι όντως θετικά ηλεκτρόνια μπορεί να φανεί πιο εύκολα από τη συμπεριφορά τους σε ένα μαγνητικό πεδίο. Σε ένα μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς τη μία κατεύθυνση και τα ποζιτρόνια στην άλλη, και η κατεύθυνση της εκτροπής τους καθορίζει το πρόσημο τους.

Αρχικά, τα ποζιτρόνια παρατηρήθηκαν μόνο κατά τη διάρκεια της διέλευσης των κοσμικών ακτίνων. Πολύ πρόσφατα, η ίδια Irene Curie και Joliot ανακάλυψαν ένα νέο αξιοσημείωτο φαινόμενο. Αποδείχθηκε ότι υπάρχει ένας νέος τύπος ραδιενέργειας, ότι οι πυρήνες του αλουμινίου, του βορίου, του μαγνησίου, που δεν είναι ραδιενεργοί, όταν βομβαρδίζονται με ακτίνες άλφα, γίνονται ραδιενεργοί. Για 2 έως 14 λεπτά, συνεχίζουν να εκπέμπουν σωματίδια από μόνα τους και αυτά τα σωματίδια δεν είναι πλέον ακτίνες άλφα και βήτα, αλλά ποζιτρόνια.

Η θεωρία των ποζιτρονίων δημιουργήθηκε πολύ νωρίτερα από ό,τι βρέθηκε το ίδιο το ποζιτρόνιο. Ο Dirac έθεσε στον εαυτό του το καθήκον να δώσει στις εξισώσεις της κυματομηχανικής τέτοια μορφή ώστε να ικανοποιούν και τη θεωρία της σχετικότητας.

Αυτές οι εξισώσεις Dirac, ωστόσο, οδήγησαν σε μια πολύ περίεργη συνέπεια. Η μάζα εισέρχεται σε αυτά συμμετρικά, δηλ. όταν το πρόσημο της μάζας αλλάζει προς το αντίθετο, οι εξισώσεις δεν αλλάζουν. Αυτή η συμμετρία των εξισώσεων ως προς τη μάζα επέτρεψε στον Dirac να προβλέψει την πιθανότητα ύπαρξης θετικών ηλεκτρονίων.

Εκείνη την εποχή, κανείς δεν είχε παρατηρήσει θετικά ηλεκτρόνια και υπήρχε μια ισχυρή πεποίθηση ότι δεν υπήρχαν θετικά ηλεκτρόνια (αυτό μπορεί να κριθεί από την προσοχή με την οποία τόσο ο Skobeltsyn όσο και ο Andersen προσέγγισαν αυτό το ζήτημα), έτσι η θεωρία του Dirac απορρίφθηκε. Δύο χρόνια αργότερα, στην πραγματικότητα βρέθηκαν θετικά ηλεκτρόνια και, φυσικά, θυμήθηκαν τη θεωρία του Dirac, που προέβλεπε την εμφάνισή τους.

«ΥΛΙΚΟΠΟΙΗΣΗ» ΚΑΙ «ΕΚΔΗΛΩΣΗ»

Αυτή η θεωρία συνδέεται με μια σειρά από αβάσιμες ερμηνείες που την περιβάλλουν από όλες τις πλευρές. Εδώ θα ήθελα να αναλύσω τη διαδικασία υλοποίησης, που ονομάστηκε έτσι με πρωτοβουλία της Μαντάμ Κιουρί - η εμφάνιση, όταν οι ακτίνες γάμμα περνούν μέσα από την ύλη, ταυτόχρονα ενός ζεύγους θετικών και αρνητικών ηλεκτρονίων. Αυτό το πειραματικό γεγονός ερμηνεύεται ως ο μετασχηματισμός της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας σε δύο σωματίδια ύλης που δεν υπήρχαν πριν. Αυτό το γεγονός, επομένως, ερμηνεύεται ως δημιουργία και εξαφάνιση της ύλης υπό την επίδραση εκείνων των άλλων ακτίνων.

Αλλά αν ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε αυτό που στην πραγματικότητα παρατηρούμε, είναι εύκολο να δούμε ότι μια τέτοια ερμηνεία της εμφάνισης των ζευγαριών δεν έχει καμία βάση. Συγκεκριμένα, το έργο του Skobeltsyn δείχνει ξεκάθαρα ότι η εμφάνιση ενός ζεύγους φορτίων υπό την επίδραση των ακτίνων γάμμα δεν εμφανίζεται καθόλου στον κενό χώρο· η εμφάνιση ζευγών παρατηρείται πάντα μόνο στα άτομα. Συνεπώς, εδώ δεν έχουμε να κάνουμε με την υλοποίηση της ενέργειας, όχι με την εμφάνιση κάποιας νέας ύλης, αλλά μόνο με τον διαχωρισμό των φορτίων μέσα στην ύλη που ήδη υπάρχει στο άτομο. Πού ήταν αυτή; Πρέπει να σκεφτεί κανείς ότι η διαδικασία διαχωρισμού ενός θετικού και αρνητικού φορτίου συμβαίνει όχι μακριά από τον πυρήνα, μέσα στο άτομο, αλλά όχι μέσα στον πυρήνα (σε σχετικά όχι πολύ μεγάλη απόσταση 10 -10 -10 -11 cm, ενώ η ακτίνα του πυρήνα είναι 10 -12 -10 -13 cm ).

Ακριβώς το ίδιο μπορεί να ειπωθεί για την αντίστροφη διαδικασία της «εξόντωσης ύλης» - ο συνδυασμός ενός αρνητικού και ενός θετικού ηλεκτρονίου με την απελευθέρωση ενός εκατομμυρίου ηλεκτρονιοβολτ ενέργειας με τη μορφή δύο κβαντών ηλεκτρομαγνητικών ακτίνων γάμμα. Και αυτή η διαδικασία συμβαίνει πάντα στο άτομο, προφανώς κοντά στον πυρήνα του.

Εδώ φτάνουμε στη δυνατότητα επίλυσης της αντίφασης που έχουμε ήδη σημειώσει, η οποία προκύπτει από την εκπομπή ακτίνων βήτα αρνητικών ηλεκτρονίων από έναν πυρήνα, ο οποίος, όπως νομίζουμε, δεν περιέχει ηλεκτρόνια.

Προφανώς, τα σωματίδια βήτα δεν πετούν έξω από τον πυρήνα, αλλά λόγω του πυρήνα. Λόγω της απελευθέρωσης ενέργειας μέσα στον πυρήνα, μια διαδικασία διάσπασης σε θετικά και αρνητικά φορτία συμβαίνει κοντά του, με το αρνητικό φορτίο να εκτοξεύεται και το θετικό φορτίο να σύρεται στον πυρήνα και να συνδέεται με ένα νετρόνιο, σχηματίζοντας ένα θετικό πρωτόνιο. Αυτή είναι η υπόθεση που έγινε πρόσφατα.

Εδώ είναι τι γνωρίζουμε για τη σύνθεση του ατομικού πυρήνα.

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

Εν κατακλείδι, ας πούμε λίγα λόγια για τις μελλοντικές προοπτικές.

Εάν, στη μελέτη των ατόμων, φτάσαμε σε ορισμένα όρια πέρα ​​από τα οποία οι ποσοτικές αλλαγές μετατρέπονται σε νέες ποιοτικές ιδιότητες, τότε στα όρια του ατομικού πυρήνα αυτοί οι νόμοι της κυματομηχανικής που ανακαλύψαμε στο ατομικό κέλυφος παύουν να λειτουργούν. στον πυρήνα, αρχίζουν να γίνονται αισθητά τα ακόμη πολύ ασαφή περιγράμματα μιας νέας, ακόμη πιο γενικευμένης θεωρίας, σε σχέση με την οποία η κυματομηχανική αντιπροσωπεύει μόνο τη μία πλευρά του φαινομένου, η άλλη πλευρά του οποίου τώρα αρχίζει να ανοίγει - και αρχίζει, όπως πάντα, με αντιφάσεις.

Η εργασία για τον ατομικό πυρήνα έχει επίσης μια άλλη πολύ ενδιαφέρουσα πλευρά, στενά συνυφασμένη με την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Ο πυρήνας προστατεύεται πολύ καλά από το φράγμα Gamow από εξωτερικές επιρροές. Εάν, χωρίς να περιοριζόμαστε μόνο στην παρατήρηση της αποσύνθεσης των πυρήνων σε ραδιενεργές διεργασίες, θέλαμε να εισχωρήσουμε στον πυρήνα από το εξωτερικό και να τον ξαναχτίσουμε, τότε αυτό θα απαιτούσε εξαιρετικά ισχυρό αντίκτυπο.

Το πρόβλημα του πυρήνα απαιτεί επειγόντως περαιτέρω ανάπτυξη της τεχνολογίας, μια μετάβαση από εκείνες τις τάσεις που έχουν ήδη κατακτηθεί από την τεχνολογία υψηλής τάσης, από τάσεις πολλών εκατοντάδων χιλιάδων βολτ σε εκατομμύρια βολτ. Ένα νέο στάδιο δημιουργείται στην τεχνολογία. Αυτή η εργασία για τη δημιουργία νέων πηγών τάσης εκατομμυρίων βολτ διεξάγεται τώρα σε όλες τις χώρες - τόσο στο εξωτερικό όσο και εδώ, ιδιαίτερα στο εργαστήριο του Χάρκοβο, το οποίο ήταν το πρώτο που ξεκίνησε αυτήν την εργασία, και στο Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας του Λένινγκραντ , και σε άλλα μέρη.

Το πυρηνικό πρόβλημα είναι ένα από τα πιο πιεστικά προβλήματα της εποχής μας στη φυσική. πρέπει να δουλεύεται με εξαιρετική ένταση και επιμονή, και σε αυτή τη δουλειά είναι απαραίτητο να έχουμε μεγάλο θάρρος σκέψης. Στην εισήγησή μου, επεσήμανα αρκετές περιπτώσεις όπου, μεταβαίνοντας σε νέες κλίμακες, πειστήκαμε ότι οι λογικές μας συνήθειες, όλες οι ιδέες μας βασισμένες σε περιορισμένη εμπειρία, δεν ήταν κατάλληλες για νέα φαινόμενα και νέες κλίμακες. Πρέπει να ξεπεράσουμε αυτόν τον συντηρητισμό της κοινής λογικής που είναι εγγενής στον καθένα μας. Η κοινή λογική είναι η συμπυκνωμένη εμπειρία του παρελθόντος. Δεν μπορεί να αναμένεται ότι αυτή η εμπειρία θα αγκαλιάσει πλήρως το μέλλον. Στην περιοχή του πυρήνα, περισσότερο από κάθε άλλη, πρέπει κανείς να έχει συνεχώς υπόψη του τη δυνατότητα νέων ποιοτικών ιδιοτήτων και να μην τις φοβάται. Μου φαίνεται ότι εδώ πρέπει να γίνει αισθητή η δύναμη της διαλεκτικής μεθόδου, μιας μεθόδου χωρίς αυτόν τον συντηρητισμό, που προέβλεψε ολόκληρη την πορεία ανάπτυξης της σύγχρονης φυσικής. Φυσικά, αυτό που εννοώ εδώ με τη διαλεκτική μέθοδο δεν είναι ένα σύνολο φράσεων παρμένες από τον Ένγκελς. Δεν είναι τα λόγια του, αλλά το νόημά τους που πρέπει να μεταφερθούν στο έργο μας. Μόνο μια διαλεκτική μέθοδος μπορεί να μας προχωρήσει σε έναν τόσο νέο και προηγμένο τομέα όπως το πρόβλημα του πυρήνα.

>> Δομή του ατομικού πυρήνα. Πυρηνικές δυνάμεις

§ 104 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΑΤΟΜΙΚΟΥ ΠΥΡΗΝΑ. ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ

Αμέσως μετά την ανακάλυψη του νετρονίου στα πειράματα του Chadwick, ο Σοβιετικός φυσικός D. D. Ivanenko και ο Γερμανός επιστήμονας W. Heisenberg πρότειναν ένα μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων του πυρήνα το 1932. Επιβεβαιώθηκε από μεταγενέστερες μελέτες πυρηνικών μετασχηματισμών και είναι πλέον γενικά αποδεκτό.

Μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων του πυρήνα.Σύμφωνα με το μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων, οι πυρήνες αποτελούνται από δύο τύπους στοιχειωδών σωματιδίων - πρωτόνια και νετρόνια.

Δεδομένου ότι το άτομο στο σύνολό του είναι ηλεκτρικά ουδέτερο και το φορτίο του πρωτονίου είναι ίσο με το μέτρο του φορτίου του ηλεκτρονίου e-ηλεκτρονίου, ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο ατομικό κέλυφος. Κατά συνέπεια, ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι ίσος με τον ατομικό αριθμό του στοιχείου Z στον περιοδικό πίνακα στοιχείων του D.I. Mendeleev.

Το άθροισμα του αριθμού των πρωτονίων Z και του αριθμού των νετρονίων N στον πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός και συμβολίζεται με το γράμμα A:

A = Z + N. (13.2)

Οι μάζες ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου είναι κοντά μεταξύ τους και η καθεμία είναι περίπου ίση με μια μονάδα ατομικής μάζας. Η μάζα των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο είναι πολύ μικρότερη από τη μάζα του πυρήνα του. Επομένως, ο μαζικός αριθμός του πυρήνα είναι ίσος με τη σχετική ατομική μάζα του στοιχείου που στρογγυλοποιείται σε έναν ακέραιο αριθμό. Οι αριθμοί μάζας μπορούν να προσδιοριστούν μετρώντας κατά προσέγγιση τη μάζα των πυρήνων χρησιμοποιώντας όργανα που δεν είναι ιδιαίτερα ακριβή.

Τα ισότοπα είναι πυρήνες με την ίδια τιμή αλλά με διαφορετικούς αριθμούς μάζας Α, δηλαδή με διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων Ν.

Πυρηνικές δυνάμεις.Δεδομένου ότι οι πυρήνες είναι πολύ σταθεροί, τα πρωτόνια και τα νετρόνια πρέπει να συγκρατούνται μέσα στον πυρήνα από ορισμένες δυνάμεις, και μάλιστα πολύ ισχυρές. Ποιες είναι αυτές οι δυνάμεις; Μπορούμε αμέσως να πούμε ότι δεν πρόκειται για βαρυτικές δυνάμεις, οι οποίες είναι πολύ αδύναμες. Η σταθερότητα του πυρήνα δεν μπορεί να εξηγηθεί ούτε με ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, αφού η ηλεκτρική απώθηση λειτουργεί μεταξύ ομο-φορτισμένων πρωτονίων. Και τα νετρόνια δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.

Αυτό σημαίνει ότι ανάμεσα στα πυρηνικά σωματίδια -πρωτόνια και νετρόνια (ονομάζονται νουκλεόνια)- υπάρχουν ειδικές δυνάμεις που ονομάζονται πυρηνικές δυνάμεις.

Ποιες είναι οι κύριες ιδιότητες των πυρηνικών δυνάμεων; Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερες από τις ηλεκτρικές δυνάμεις (Coulomb). Αυτές είναι οι πιο ισχυρές δυνάμεις από όλες τις υπάρχουσες στη φύση. Επομένως, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των πυρηνικών σωματιδίων ονομάζονται συχνά ισχυρές αλληλεπιδράσεις.

Οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις εκδηλώνονται όχι μόνο στις αλληλεπιδράσεις των νουκλεονίων στον πυρήνα. Αυτός είναι ένας ειδικός τύπος αλληλεπίδρασης που είναι εγγενής στα περισσότερα στοιχειώδη σωματίδια μαζί με τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις.

Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό των πυρηνικών δυνάμεων είναι η μικρή εμβέλειά τους. Οι ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις εξασθενούν σχετικά αργά με την αύξηση της απόστασης. Οι πυρηνικές δυνάμεις εκδηλώνονται αισθητά μόνο σε αποστάσεις ίσες με το μέγεθος του πυρήνα (10 -12 -10 -13 cm), κάτι που φάνηκε ήδη από τα πειράματα του Rutherford σχετικά με τη διασπορά των σωματιδίων από τους ατομικούς πυρήνες. Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι, θα λέγαμε, «ένας ήρωας με πολύ κοντά χέρια». Μια πλήρης ποσοτική θεωρία των πυρηνικών δυνάμεων δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί. Σημαντική πρόοδος στην ανάπτυξή του έχει επιτευχθεί αρκετά πρόσφατα - τα τελευταία 10-15 χρόνια.

Οι πυρήνες των ατόμων αποτελούνται από πρωτόνια και νετρόνια. Αυτά τα σωματίδια συγκρατούνται στον πυρήνα από πυρηνικές δυνάμεις.

Ποια είναι τα κύρια χαρακτηριστικά των πυρηνικών δυνάμεων!