авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА ...»

-- [ Страница 3 ] --

Я получил в полной сохранности Вашу работу и прочел ее с большим интересом, но мне хотелось бы еще раз тщательно просмотреть ее, когда у меня будет больше времени. Ваши мысли относительно причин возникновения спектра водорода очень остроумны и представляются хорошо продуманными, однако сочетание идей Планка со старой механикой создает значительные трудности для понимания того. что же все-таки является основой такого рассмотрения.

В связи с Вашей гипотезой я обнаружил серьезное затруднение, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчет;

оно состоит в следующем: как решает электрон, с какой частотой он должен колебаться при переходе из одного стационарного состоянии в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены будете предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться.

Н. Бор: «Первое замечание Резерфорда было, конечно, очень дальновидным;

оно касалось именно того вопроса, который стал центральным пунктом длительной дискуссии, развернувшейся впоследствии.

Моя собственная точка зрения в то время, как я ее изложил в лекции на заседании Датского физического общества в октябре 1913 г., состояла в следующем: радикальный отход от привычных требований к физическому объяснению, содержащийся в квантовых постулатах, уже сам по себе при надлежащем подходе оставляет достаточный простор для возможности объединения выдвинутых предположений в логически согласованную схему».

Н. Бор. Э.Резерфорд – основоположник науки о ядре.

Орбиты модели атома Бора. Схема уровней атома водорода.

Распределение электронов в атомах Элемент Элемент Элемент KLMN KLMN OP KLMN O PQ Z Z Z 1 H 1 37 Rb 2 8 18 8 1 78 Pt 2 8 18 32 17 2 He 2 38 Sr 2 8 18 8 2 79 Au 2 8 18 32 18 3 Li 2 1 39 Y 2 8 18 9 2 80 Hg 2 8 18 32 18 4 Be 2 2 40 Zr 2 8 18 10 2 81 Tl 2 8 18 32 18 5 B 2 3 41 Nb 2 8 18 12 1 82 Pb 2 8 18 32 18 6 C 2 4 42 Mo 2 8 18 13 1 83 Bi 2 8 18 32 18 7 N 2 5 43 Tc 2 8 18 13 2 84 Po 2 8 18 32 18 8 O 2 6 44 Ru 2 8 18 15 1 85 At 2 8 18 32 18 9 F 2 7 45 Rh 2 8 18 16 1 86 Rn 2 8 18 32 18 10 Ne 2 8 46 Pd 2 8 18 18 0 87 Fr 2 8 18 32 18 8 11 Na 2 8 1 47 Ag 2 8 18 18 1 88 Ra 2 8 18 32 18 8 12 Mg 2 8 2 48 Cd 2 8 18 18 2 89 Ac 2 8 18 32 18 9 13 Al 2 8 3 49 In 2 8 18 18 3 90 Th 2 8 18 32 18 10 14 Si 2 8 4 50 Sn 2 8 18 18 4 91 Pa 2 8 18 32 20 9 15 P 2 8 5 51 Sb 2 8 18 18 5 92 U 2 8 18 32 21 9 16 S 2 8 6 52 Te 2 8 18 18 6 93 Np 2 8 18 32 23 8 17 Cl 2 8 7 53 I 2 8 18 18 7 94 Pu 2 8 18 32 24 8 18 Ar 2 8 8 54 Xe 2 8 18 18 8 95 Am 2 8 18 32 25 8 19 K 2 8 8 1 55 Cs 2 8 18 18 8 1 96 Cm 2 8 18 32 25 9 20 Ca 2 8 8 2 56 Ba 2 8 18 18 8 2 97 Bk 2 8 18 32 27 8 21 Sc 2 8 9 2 57 La 2 8 18 18 9 2 98 Cf 2 8 18 32 28 8 22 Ti 2 8 10 2 58 Ce 2 8 18 20 8 2 99 Es 2 8 18 32 29 8 23 V 2 8 11 2 59 Pr 2 8 18 21 8 2 100 Fm 2 8 18 32 30 8 24 Cr 2 8 13 1 60 Nd 2 8 18 22 8 2 101 Md 2 8 18 32 31 8 25 Mn 2 8 13 2 61 Pm 2 8 18 23 8 2 102 No 2 8 18 32 32 8 26 Fe 2 8 14 2 62 Sm 2 8 18 24 8 2 103 Lr 2 8 18 32 32 9 27 Co 2 8 15 2 63 Eu 2 8 18 25 8 2 104 Rf 2 8 18 32 32 10 28 Ni 2 8 16 2 64 Gd 2 8 18 25 9 2 105 Db 2 8 18 32 32 11 29 Cu 2 8 18 1 65 Tb 2 8 18 27 8 2 106 Sg 2 8 18 32 32 12 30 Zn 2 8 18 2 66 Dy 2 8 18 28 8 2 107 Bh 2 8 18 32 32 13 31 Ga 2 8 18 3 67 Ho 2 8 18 29 8 2 108 Hs 2 8 18 32 32 14 32 Ge 2 8 18 4 68 Er 2 8 18 30 8 2 109 Mt 2 8 18 32 32 15 33 As 2 8 18 5 69 Tm 2 8 18 31 8 2 110 Ds 2 8 18 32 32 17 34 Se 2 8 18 6 70 Yb 2 8 18 32 8 2 111 Rg 2 8 18 32 32 17 35 Br 2 8 18 7 71 Lu 2 8 18 32 9 2 112 2 8 18 32 32 18 36 Kr 2 8 18 8 72 Hf 2 8 18 32 10 2 113 2 8 18 32 32 18 73 Ta 2 8 18 32 11 2 114 2 8 18 32 32 18 74 W 2 8 18 32 12 2 115 2 8 18 32 32 18 75 Re 2 8 18 32 13 2 116 2 8 18 32 32 18 76 Os 2 8 18 32 14 2 117 2 8 18 32 32 18 77 Ir 2 8 18 32 15 2 118 2 8 18 32 32 18 Энергии связи электронов различных оболочек атомов, эВ Элемент K L-I L-II L-III M-I M-II M-III M-IV M-V N-I N-II N-III 1s 2s 2p1/2 2p3/2 3s 3p1/2 3p3/2 3d3/2 3d5/2 4s 4p1/2 4p3/ 1 H 13. 2 He 24. 3 Li 54. 4 Be 111. 5 B 6 C 284. 7 N 409.9 37. 8 O 543.1 41. 9 F 696. 10 Ne 870.2 48.5 21.7 21. 11 Na 1070.8 63.5 30.4 30. 12 Mg 1303.0 88.6 49.6 49. 13 Al 1559 117.8 72.9 72. 14 Si 1839 149.7 99.8 99. 15 P 2145.5 189 136 16 S 2472 230.9 163.6 162. 17 Cl 2822 270 202 18 Ar 3205.9 326.3 250.6 248.4 29.3 15.9 15. 19 K 3608.4 378.6 297.3 294.6 34.8 18.3 18. 20 Ca 4038.5 438.4 349.7 346.2 44.3 25.4 25. 21 Sc 4492 498.0 403.6 398.7 51.1 28.3 28. 22 Ti 4966 560.9 460.2 453.8 58.7 32.6 32. 23 V 5465 626.7 519.8 512.1 66.3 37.2 37. 24 Cr 5989 696.0 583.8 574.1 74.1 42.2 42. 25 Mn 6539 769.1 649.9 638.7 82.3 47.2 47. 26 Fe 7112 844.6 719.9 706.8 91.3 52.7 52. 27 Co 7709 925.1 793.2 778.1 101.0 58.9 59. 28 Ni 8333 1008.6 870.0 852.7 110.8 68.0 66. 29 Cu 8979 1096.7 952.3 932.7 122.5 77.3 75. 30 Zn 9659 1196.2 1044.9 1021.8 139.8 91.4 88.6 10.2 10. 31 Ga 10367 1299.0 1143.2 1116.4 159.51 103.5 100.0 18.7 18. 32 Ge 11103 1414.6 1248.1 1217.0 180.1 124.9 120.8 29.8 29. 33 As 11867 1527.0 1359.1 1323.6 204.7 146.2 141.2 41.7 41. 34 Se 12658 1652.0 1474.3 1433.9 229.6 166.5 160.7 55.5 54. 35 Br 13474 1782 1596 1550 257 189 182 70 36 Kr 14326 1921 1730.9 1678.4 292.8 222.2 214.4 95.0 93.8 27.5 14.1 14. 37 Rb 15200 2065 1864 1804 326.7 248.7 239.1 113.0 112 30.5 16.3 15. 38 Sr 16105 2216 2007 1940 358.7 280.3 270.0 136.0 134.2 38.9 21.6 20. 39 Y 17038 2373 2156 2080 392.0 310.6 298.8 157.7 155.8 43.8 24.4 23. 40 Zr 17998 2532 2307 2223 430.3 343.5 329.8 181.1 178.8 50.6 28.5 27. 41 Nb 18986 2698 2465 2371 466.6 376.1 360.6 205.0 202.3 56.4 32.6 30. 42 Mo 20000 2866 2625 2520 506.3 411.6 394.0 231.1 227.9 63.2 37.6 35. 43 Tc 21044 3043 2793 2677 544 447.6 417.7 257.6 253.9 69.5 42.3 39. 44 Ru 22117 3224 2967 2838 586.1 483.3 461.5 284.2 280.0 75.0 46.3 43. 45 Rh 23220 3412 3146 3004 628.1 521.3 496.5 311.9 307.2 81.4 50.5 47. 46 Pd 24350 3604 3330 3173 671.6 559.9 532.3 340.5 335.2 87.1 55.7 50. 47 Ag 25514 3806 3524 3351 719.0 603.8 573.0 374.0 368.3 97.0 63.7 58. Элемент K L-I L-II L-III M-I M-II M-III M-IV M-V N-I N-II N-III 1s 2s 2p1/2 2p3/2 3s 3p1/2 3p3/2 3d3/2 3d5/2 4s 4p1/2 4p3/ 48 Cd 26711 4018 3727 3538 772.0 652.6 618.4 411.9 405.2 109.8 63.9 63. 49 In 27940 4238 3938 3730 827.2 703.2 665.3 451.4 443.9 122.9 73.5 73. 50 Sn 29200 4465 4156 3929 884.7 756.5 714.6 4g3.2 484.9 137.1 83.6 83. 51 Sb 30491 4698 4380 4132 940 812.7 766.4 537.5 528.2 153.2 95.6 95. 52 Te 31814 4939 4612 4341 1006 870.8 820.8 583.4 573.0 169.4 103.3 103. 53 I 33169 5188 4852 4557 1072 931 875 630.8 619.3 186 123 54 Xe 34561 5453 5107 4786 1148.7 1002.1 940.6 689.0 676.4 213.2 146.7 145. 55 Cs 35985 5714 5359 5012 1211 1071 1003 740.5 726.6 232.3 172.4 161. 56 Ba 37441 5989 5624 5247 1293 1137 1063 795.7 780.5 253.5 192 178. 57 La 38925 6266 5891 5483 1362 1209 1128 853 836 274.7 205.8 196. 58 Ce 40443 6548 6164 5723 1436 1274 1187 902.4 883.8 291.0 223.2 206. 59 Pr 41991 6835 6440 5964 1511 1337 1242 948.3 928.8 304.5 236.3 217. 60 Nd 43569 7126 6722 6208 1575 1403 1297 1003.3 980.4 319.2 243.3 224. 61 Pm 45184 7428 7013 6459 – 1471.4 1357 1052 1027 – 242 62 Sm 46834 7737 7312 6716 1723 1541 1419.8 1110.9 1083.4 347.2 265.6 247. 63 Eu 48519 8052 7617 6977 1800 1614 1481 1158.6 1127.5 360 284 64 Gd 50239 8376 7930 7243 1881 1688 1544 1221.9 1189.6 378.6 286 65 Tb 51996 8708 8252 7514 1968 1768 1611 1276.9 1241.1 396.0 322.4 284. 66 Dy 53789 9046 8581 7790 2047 1842 1676 1333 1292 414.2 333.5 293. 67 Ho 55618 9394 8918 8071 2128 1923 1741 1392 1351 432.4 343.5 308. 68 Er 57486 9751 9264 8358 2206 2006 1812 1453 1409 449.8 366.2 320. 69 Tm 59390 10116 9617 8648 2307 2090 1885 1515 1468 470.9 385.9 332. 70 Yb 61332 10486 9978 8944 2398 2173 1950 1576 1528 480.5 388.7 339. 71 Lu 63314 10870 10349 9244 2491 2264 2024 1639 1589 506.8 412.4 359. 72 Hf 65351 11271 10739 9561 2601 2365 2107 1716 1662 538 438.2 380. 73 Ta 67416 11682 11136 9881 2708 2469 2194 1793 1735 563.4 463.4 400. 74 W 69525 12100 11544 10207 2820 2575 2281 1949 1809 594.1 490.4 423. 75 Re 71676 12527 11959 10535 2932 2682 2367 1949 1883 625.4 518.7 446. 76 Os 73871 12968 12385 10871 3049 2792 2457 2031 1960 658.2 549.1 470. 77 Ir 76111 13419 12824 11215 3174 2909 2551 2116 2040 691.1 577.8 495. 78 Pt 78395 13880 13273 11564 3296 3027 2645 2202 2122 725.4 609.1 519. 79 Au 80725 14353 13734 11919 3425 3148 2743 2291 2206 762.1 642.7 546. 80 Hg 83102 14839 14209 12284 3562 3279 2847 2385 2295 802.2 680.2 576. 81 Tl 85530 15347 14698 12658 3704 3416 2957 2485 2389 846.2 720.5 609. 82 Pb 88005 15861 15200 13035 3851 3554 3066 2586 2484 891.8 761.9 643. 83 Bi 90526 16388 15711 13419 3999 3696 3177 2688 2580 939 805.2 678. 84 Po 93105 16939 16244 13814 4149 3854 3302 2798 2683 995 851 85 At 95730 17493 16785 14214 4317 4008 3426 2909 2787 1042 886 86 Rn 98404 18049 17337 14619 4482 4159 3538 3022 2892 1097 929 87 Fr 101137 18639 17907 15031 4652 4327 3663 3136 3000 1153 980 88 Ra 103922 19237 18484 15444 4822 4490 3792 3248 3105 1208 1058 89 Ac 106755 19840 19083 15871 5002 4656 3909 3370 3219 1269 1080 90 Th 109651 20472 19693 16300 5182 4830 4046 3491 3332 1330 1168 966. 91 Pa 112601 21105 20314 16733 5367 5001 4174 3611 3442 1387 1224 92 U 115606 21757 20948 17166 5548 5182 4303 3728 3552 1439 1271 Элемент N-IV N-V N-VI N-VII O-I O-II O-III O-IV O-V P-I P-II P-III 4d3/2 4d5/2 4f5/2 4f7/2 5s 5p1/2 5p3/2 5d3/2 5d5/2 6s 6p1/2 6p3/ 48 Cd 11.7 10. 49 In 17.7 16. 50 Sn 24.9 23. 51 Sb 33.3 32. 52 Te 41.9 40. 53 I 50.6 48. 54 Xe 69.5 67.5 – – 23.3 13.4 12. 55 Cs 79.8 77.5 – – 22.7 14.2 12. 56 Ba 92.6 89.9 – – 30.3 17.0 14. 57 La 105.3 102.5 – – 34.3 19.3 16. 58 Ce 109 – 0.1 0.1 37.8 19.8 17. 59 Pr 115.1 115.1 2 2 37.4 22.3 22. 60 Nd 120.5 120.5 1.5 1.5 37.5 21.1 21. 61 Pm 120 120 – – – – – 62 Sm 129 129 5.2 5.2 37.4 21.3 21. 63 Eu 133 127.7 0 0 32 22 64 Gd – 142.

6 8.6 8.6 36 20 65 Tb 150.5 150.5 7.7 2.4 45.6 28.7 22. 66 Dy 153.6 153.6 8.0 4.3 49.9 26.3 26. 67 Ho 160 160 8.6 5.2 49.3 30.8 24. 68 Er 167.6 167.6 – 4.7 50.6 31.4 24. 69 Tm 175.5 175.5 – 4.6 54.7 31.8 25. 70 Yb 191.2 182.4 2.5 1.3 52.0 30.3 24. 71 Lu 206.1 196.3 8.9 7.5 57.3 33.6 26. 72 Hf 220.0 211.5 15.9 14.2 64.2 38 29. 73 Ta 237.9 226.4 23.5 21.6 69.7 42.2 32. 74 W 255.9 243.5 33.6 31.4 75.6 45.3 36. 75 Re 273.9 260.5 42.9 40.5 83 45.6 34.6b 76 Os 293.1 278.5 53.4 50.7 84 58 44. 77 Ir 311.9 296.3 63.8 60.8 95.2 63.0 48. 78 Pt 331.6 314.6 74.5 71.2 101.7 65.3 51. 79 Au 353.2 335.1 87.6 83.9 107.2 74.2 57. 80 Hg 378.2 358.8 104.0 99.9 127 83.1 64.5 9.6 7. 81 T1 405.7 385.0 122.2 117.8 136.0 94.6 73.5 14.7 12. 82 Pb 434.3 412.2 141.7 136.9 147 106.4 83.3 20.7 18. 83 Bi 464.0 440.1 162.3 157.0 159.3 119.0 92.6 26.9 23. 84 Po 500 473 184 184 177 132 104 31 85 At 533 507 210 210 195 148 115 40 86 Rn 567 541 238 238 214 164 127 48 48 87 Fr 603 577 268 268 234 182 140 58 58 34 15 88 Ra 636 603 299 299 254 200 153 68 68 44 19 89 Ac 675 639 319 319 272 215 167 80 80 – – – 90 Th 712.1 675.2 342.4 333.1 290 229 182 92.5 85.4 41.4 24.5 16. 91 Pa 743 708 371 360 310 232 232 94 94 – – – 92 U 778.3 736.2 388.2 377.4 321 257 192 102.8 94.2 43.9 26.8 16. График Мозли – зависимость квадратного корня из частоты (длины волны ) характеристического рентгеновского излучения, образующегося при переходе электронов в вакантные места в K - и L -оболочках атомов, от заряда ядра Z.

H. Moseley, Philosophical Magazine 27, 713 (1914).

М. И. Корсунский, Измерение заряда атомного ядра Рентгеновские лучи возникают при переходе электронов в наиболее близкие к ядру слои. Изучение рентгеновского излучения и стало предметом работы Мозели.

Особенное внимание его привлекла серия K, образующаяся в результате переходов электронов из различных слоев в слой K и, в частности, линия, носящая название K -альфа (её принято обозначать K ). Эта Генри Мозли (1887–1915) линия излучается при переходе электрона из группы L в группу K и является самой интенсивной линией серии K.

Интерес Мозели к излучению K -серии и, в частности, линии K понять нетрудно. Он проистекает оттого, что при возбуждении K -серии приходится удалять из атома электроны, наиболее близко расположенные к атомному ядру и, следовательно, наиболее сильно притягиваемые им.

К тому же K -электроны испытывают притяжение к атомному ядру, не ослабленное действием других электронов. Естественно поэтому, что влия ние заряда ядра на движение таких электронов будет сказываться наиболее сильно. Бор, рассмотревший теоретически этот вопрос, показал, что частота излучения линии K зависит от величины заряда атомного ядра следующим образом:

= R( Z 1)2, (*) где Z обозначает, как всегда, величину заряда ядра в элементарных единицах, а буквой R обозначена некоторая постоянная величина, часто встре чающаяся в теории излучения и равная 3, 29 10 +15 сек 1.

Формула (*) показывает, что частота линии K, принадлежащей K -серии рентгеновских лучей, связана с интересующей нас величиной заряда атомного ядра. Можно было ожидать, что измерение частоты K поможет нам в определении величины заряда атомных ядер. Поэтому Мозели и решил измерить частоту линии K у различных элементов.

Большая работа, проведённая им, привела к очень важному результату.

Оказалось, что частота рентгеновских лучей меняется при переходе от элемента к элементу вполне закономерным образом в полном согласии с формулой (*). Сравнение с этой формулой удобно производить, если результаты измерений изобразить в виде графика, откладывая на одной оси значения, а на другой — величину атомного номера Z, Такой график R представлен на рисунке.

Из этого графика хорошо видно, что корень квадратный из частоты K рентгеновских лучей меняется пропорционально первой степени атомного номера Z. Этот факт в сопоставлении с формулой (*) означает, что атомный номер элемента связан с зарядом ядра и изменяется так же, как и заряд ядра. Этот замечательный результат имеет двоякое значение.

С одной стороны, он является обоснованием теории атома Бора, базирующейся на ядерной модели Резерфорда, следовательно, служит дополнительным подтверждением этой модели. С другой стороны, он даёт нам возможность измерять заряды атомных ядер. Для этого согласно формуле (*) нужно определить частоту линии K исследуемого элемента и разделить её на постоянную R, а затем извлечь из отношения квадратный корень и прибавить к полученному результату единицу. Найденное число и будет представлять собой величину заряда ядра.

Измерения Мозели показали, что заряд ядра атомов различных элементов с большой точностью совпадает с величиной атомного номера.

Так ещё раз подтвердилась изложенная выше гипотеза.

Зависимость частоты линии K от атомного номера. По оси абсцисс отложен атомный номер, по оси ординат — корень квадратный из частоты, делённой на постоянную величину R.

8. Начало ядерной спектроскопии -,-,- спектроскопии является классическим разделом ядерной физики. Начало ей положили новые разработанные приборы и методы регистрации ядерных частиц и первые данные об энергетических уровнях атомных ядер. Испускание атомным ядром -, - и -излучения было установлено Резерфордом и П. Вилардом. Однако первоначально регистрация этих частиц не использовалась для изучения структуры атомных ядер. Вскоре было обнаружено, что -излучение ядер состоит из двух компонент.

• непрерывной компоненты • отдельных дискретных линий Природа непрерывной компоненты -излучения стала ясна после предположения В.Паули о существовании нейтрино. Первая приемлемая теория объясняющая природу непрерывного -спектра основанная на нейтринной гипотезе была предложена В.Паули и Ферми в 1933–1934 г. На ее основе удалось объяснить соотношение между вероятностью -распада и максимальной энергией -частиц. Была рассчитана форма непрерывного -спектра. Дискретная компонента -спектра сразу же была объяснена взаимодействием распадающегося ядра с электронной оболочкой атома.

Наблюдаемые серии -линий интерпретировались как фотоэлектроны, выби ваемые монохроматическими -квантами, испускаемыми ядром. В дальней шем эта простая модель была уточнена. Атомное ядро, находящееся в возбужденном состоянии, может снять это возбуждение как в результате испускания -квантов, так и в результате прямого взаимодействия с электронной оболочкой атома. При этом испускаются электроны внутренней конверсии с одной из атомных оболочек. Измерение коэффициентов внутренней конверсии позволяет получить информацию о спинах и четностях ядерных состояний.

Информация о возбужденных состояниях атомных ядер получается также из анализа тонкой структуры -спектров. В результате -распада конечное ядро может оказаться не только в основном, но и в одном из возбужденных состояний. Распады на возбужденные уровни конечного ядра приводят к возникновению тонкой структуры -спектра. Изучение тонкой структуры -спектра дает возможность получить информацию о возбужденных состояниях ядер образующихся в результате -распада. Наряду с тонкой структурой -спектра, наблюдаются так называемые длиннопробежные -части цы. Появление -частиц с энергией превышающей основную группу -проходов объясняется -распадом из возбужденных состояний начального ядра. Вероятности -распада сильно зависят не только от энергии -частиц, но и от разности значений спинов состояний ядер между которыми происходит -распад. Существенным фактором, влияющим на вероятности различных каналов -распада, является перестройка ядра при -распаде.

Таким образом, изучение ядерной спектроскопии дало богатую информацию для разработки и проверки различных моделей атомного ядра. Исследования в области ядерной спектроскопии способствовали значительному прогрессу в методике ядерных исследований. Так сочетание магнитного спектрометра, сцинтилляционного метода регистрации частиц, исследование схем совпадений дало очень большой объем информации о свойствах атомных ядер, что способствовало успеху модели ядерных оболочек. Одновременно были показаны границы применимости простой модели оболочек. Возникло представление о коллективных движениях в атомных ядрах. Вместо статического ядерного поля возникло представление о динамическом ядерном поле, действующем на отдельную частицу.

Э. Резерфорд, 1932 г.: «Происхождение -лучей. Давно было установ лено, что -лучи возникают в ядре и представляют в некотором смысле характеристические собственные колебания ядерной структуры.

Интерпретация сложных спектров -лучей, принадлежащих радиоактивным элементам, была, однако, затруднена нашим незнанием происхождения этой радиации – возникает ли она от составных частей ядра электрона, протона или -частицы, или от ядра, действующего как единое целое. В течение немногих последних лет эта проблема подверглась энергичной атаке и теперь кажется ясным, что ядерные -лучи являются результатом перехода -частицы между уровнями энергии в возбужденном ядре. Были разработаны две различных линии нападения, опирающиеся на:

1. Изучение длинно-пробежных -частиц радия С и тория С.

2. Тонкую структур в эмиссии -частиц из некоторых радиоактивных веществ.

Можно предположить, что испускание -частицы в процессе превращения вызывает сильное возмущение в остающемся ядре, так что некоторые из составляющих ядро -частиц поднимаются на более высокий уровень энергии, чем нормальный. Эти -частицы неустойчивы и после очень короткого интервала времени падают назад на нормальный уровень, излучая излишек своей энергии в форме -лучей известной частоты, определяемой квантовыми условиями. В этот короткий интервал времени имеется небольшой шанс, что -частицы в высоких уровнях могут протечь сквозь потенциальный барьер ядра. С этой точки зрения убегающие с различных уровней -частицы и представляют наблюдаем е группы -частиц с большим пробегом. Энергия убегающих -частиц дает значение уровня энергии, занимаемого -частицей в возбуждаемом ядре перед ее освобождением.

Мне хотелось бы подчеркнуть замечательное различие в возмущении ядра при эмиссии -частицы и -частицы. Странно сказать, освобождение -частицы либо не возбуждает ядра вовсе, или поднимает одну или более составляющих -частиц на сравнительно низкий уровень энергии выше нормального. Однако, во многих случаях освобождение -частицы создает сильное возбуждение остаточного ядра, в результате которого некоторые -частицы поднимаются на очень высокий уровень энергии и вызываются -лучей большой энергии. Это различие между действиями двух типов частиц очень поразительно и может быть интимно связано с процессами, которые вызывают эмиссия -частицы из радиоактивности элемента.

Всякий раз, когда мы имеем дело с поведением электрона в ядре, мы встречаем большие трудности в приложении наших теоретических идей.

Наиболее поразительный пример может быть тот, что радиоактивные ядра типа -лучей излучают электроны со сплошным спектром энергии, и что, кажется, здесь нет компенсирующих процессов, которые бы позволили установить определенный баланс энергии, ожидаемый по квантовой динамике. Без сомнения, это одна из наиболее фундаментальных проблем сегодняшнего дня, но, вероятно, мы не будем иметь достаточно времени, чтобы дискутировать ее во всей ее теоретической сложности».

Э. Резерфорд, 1932 г.: «Поглощение этой радиации материей изучалось И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио, а также Вебстером. В текущем году И. Кюри-Жолио и Ф. Жолио наблюдали ионизационным методом, что эта радиация вырывает протоны большой скорости из водородсодержащих веществ. Сперва предполагалось, что эти быстрые протоны могут быть результатом взаимодействия между квантом -лучей и протоном, но оказалось, что это требует очень высокой квантовой энергии излучения порядка 50 млн. вольт. Как результат дальнейших опытов электрическим методом, Чадвик нашел, что аналогичный эффект отдачи наблюдается для всех легких атомов и пришел к заключению, что эффект может быть объяснен при допущении, что из ядра бериллия освобождается поток быстрых нейтронов. Нелегко сделать выбор между этими двумя предположениями, но накопилось достаточно доказательств, что этот новый тип радиации обладает удивительными свойствами и способен производить разложение азота, вероятно, каким-то новым путем.

Я старался в этом обзоре привлечь ваше внимание к тем линиям экспериментальной атаки проблемы структуры атомного ядра, которые мне кажутся наиболее важными. Я не входил в спекулятивные вопросы, подобные вопросу о возможности аннигиляции материи и ее превращения в излучение, не касался и догадок о численном соотношении между единицей заряда и постоянной Планка h или соотношения между массой протона и электрона;

я не входил в трудные вопросы образования и превращений ядра под влиянием условии, существующих в горячих звездах, – вопросы, о которых много писалось».

Рисунок демонстрирует сложные цепочки -, - и -переходов между ядрами-изобарами A = 212.

• -распада изотопов 216Rn, 216At, 216Po происходят, как правило, в основное состояние ядер-продуктов. Распады на возбуждённые состояния E * 0, 2 МэВ составляют меньше 1%.

• -распады изотопа 212Bi происходят на возбужденные состояния 212Po вплоть до энергии E * = 1,8 МэВ.

• Возбужденные состояния изотопа 212Po распадаются как в результате -переходов так и в результате -распада. Аналогичная ситуация имеет место и в изотопе 212At.

• Вероятность -распада основного состояния 212At J p = (1 ) близка к 100%. Вероятность е-захвата 0,03%, вероятность -распада 2 106%.

Энергии соответствующих распадов Q ( ) = 7,8 МэВ, Q(e-захв) = 1,7 МэВ, Q( ) = 0,02 МэВ.

Изомерное состояние E * = 0, 22 МэВ, J p = 9 с вероятностью 99% распадается с испусканием -частиц. Вероятность изомерного перехода IT 1%.

Ч. Д. Эллис, 1932 г.: «Уже много лет было известно, что -лучи образуют характеристический спектр радиоактивного ядра, но только совсем недавно получены факты, дающие указания на способ их возникновения. Сперва источником -лучей считали ядерные электроны, но эта точка зрения, столь естественная из нашего опыта о внеядерной структуре, начала подвергаться подозрениям по мере накопления сведений о том, что поведение ядерных электронов сильно отличается от поведения электронов вне ядра. Быстрый прогресс – как экспериментальный, так и теоретический – в нашем знании -частиц дал возможность удовлетворительным образом избежать этой трудности, и теперь вообще полагают, что -лучи связаны с переходами между стационарными состояниями -частиц внутри ядра. Это заключение имеет важное значение в том отношении, что стимулирует и дает руководящую точку зрения для дальнейшего исследования -лучей и указывает возможности получения подробных и точных сведений об -частицах.

Лорд Рёзерфорд уже отметил, что работа последнего времени выявила сложность в эмиссии -лучей, сложность не замеченную в более ранних экспериментах. Во-первых, было обнаружено явление -частиц с длинным пробегом, наиболее типичный пример которого дает радий С. При разложении этого тела из миллиона атомов около 99 978 испускают -частицы, энергия которых есть 7,8-106 V, в то время как остающиеся 22 испускают частицы с большей энергией, распределенной по крайней мере по девяти группам. Быстрейшая из этих групп имеет излишек 3 000 000 V покрывая как раз интервал известных -лучей. Более близкое изучение показывает, что разница энергии между быстрыми группами и главной (7,8·106 V) группой согласуется с h для -лучей. Далее, в то время как число частиц этих групп крайне мало, совокупное число квантов лучей достигает одного кванта на атом. Как приблизительное согласие частот с энергиями, так и согласие относительных интенсивностей -частиц с большим пробегом и числа квантов, совместимы с тем взглядом, что ядро радия C образуется первоначально в возбужденном состоянии. Тогда для ядра открыты две возможности, которыми оно может освобождать свою энергию. Первая и наименее вероятная есть разложение сразу, в этом случае -частица уносит всю энергию возбуждений;

такие -частицы образуют одну из групп высокой энергии. Другая возможность заключается в том, что ядро будет сперва испускать часть своей энергии возбуждения в форме -лучей, и затем останется с энергией как раз достаточной, чтобы испускать нормальные -частицы с энергией 7,8·106 V. Это объяснение было рассмотрено детально лордом Рёзерфордом и автором и также впоследствии Гамовым и Дельбрюком и, хотя имеющиеся данные еще недостаточны, чтобы испытать этот взгляд во всех деталях, можно все же, по крайней мере, сказать, что отношения в энергии и интенсивностях с ним совместимы.

Торий С также обнаруживает серию групп -лучей, которые распределены по другой схеме. Они обычно относятся к тонкой структуре групп -частиц, главным образом потому, что разности энергий в этом случае составляют только около 300 000 V. Имеется и другое отличие: в этом случае наименее интенсивные группы являются и группами с наименьшей энергией. Сразу ясно, что объяснение для радия C не может быть здесь приложено, но Гамовым была указана простая точка зрения, которая, кажется, пригодна в этом случае. Его взгляд заключается в том, что ядра тория C первоначально все находятся в одном и том же состоянии. Каждое ядро имеет некоторое, способное освободиться, количество энергии. Ядро может освободить эту энергию или испуская -частицу с этой полной энергией или оно может испустить -частицу в одной из серии групп более низкой энергии, а остальная энергия сохранится в ядре как энергия возбуждения. Существенное различие этого взгляда о связи -частиц и -лучей в сравнении с первой схемой заключается в том, что эмиссия -лучей есть процесс, следующий за эмиссией -частицы. Этот отличный взгляд недвусмысленно подсказывается в этом случае относительными интенсивностями -лучей и -частиц в группах. Следует заметить, что принимается, что эмиссия -лучей происходит после разложения, в то время как с точки зрения энергетических отношений, было бы также легко принять что -частица в нормальном состоянии сперва совершает переход в состояние меньшей энергии с испусканием -лучей и тогда выбрасывается из ядра с этого уровня.

Такой взгляд приводил бы, однако, к чрезвычайной трудности: в то время как мы имеем убедительное объяснение для большого промежутка времени, в течение которого может существовать радиоактивный атом, обладая все же потенциальной возможностью разложения, все другие доказательства показывают, что какая-нибудь система, обладающая возможностью испускания радиации, не может существовать как таковая более, чем маленькую долю секунды. Период тория С для -разложения равен приблизительно 3 час, и какой-нибудь взгляд, отличный от взгляда Гамова, должен был бы исходить из возможности излучения с полупериодом в 3 час, что явно невозможно. Я исследовал приложимость гамовской теории к случаю тория С. Подробности тонкой структуры -частиц были найдены Розенблюмом из его опытов с парижским электромагнитом, и первый шаг состоял в том, чтобы показать, что торий С фактически испускает -лучи.

Этого никогда не думали до тех пор, пока это не было предсказано Гамовым.

Действительно, -лучи были исследованы посредством спектра -лучей, и я измерил спектры -лучей как соединенной эмиссии тория C + C", так и одного тория C". Опыты описаны детально в статье, находящейся в печати;

результаты таковы, что некоторые группы, найденные в соединенном спектре, определенно не встречаются в спектре одного тория C". Следующим пунктом аргументации было бы доказательство того, что частоты -лучей приблизительно отвечают разностям энергий -частиц групп, найденных Розенблюмом. Это кажется и оправдывается на самом деле в пределах, правда, довольно больших погрешностей данных. И наконец, последним пунктом аргументации является рассмотрение относительных интенсивностей с целью показать, что относительное число -частиц в различных подгруппах отвечает относительному числу квантов, выведенному из спектра -лучей.

Невозможно дать определенный ответ на этот вопрос. Все, что можно сказать, сводится к тому, что относительные интенсивности совместимы с этим взглядом. С тех пор как писалась статья, на которую я ссылался, я сделал некоторые дальнейшие опыты. Хотя я и не получил каких-нибудь сильных доказательств, я все же подтвердил ранее сделанные заключения, пользуясь другой аппаратурой. Этот вопрос заслуживает дальнейших исследований, – в частности, в направлении исследования совпадения h для -лучей с разницей энергий различных групп -частиц, но это требует большей точности в обоих рядах измерений. В настоящее время можно, однако, без опасений сказать, что имеются сильные доказательства в пользу общей связи -частиц и -лучей, и это кажется разумной гипотезой, которой нужно следовать.

Уместно рассмотреть точное значение этой гипотезы и привести ее к простейшей формулировке. В этом смысле она прежде всего означает приложимость закона сохранения энергии к ядру или лучше к той части ядра, которая связана с эмиссией -частиц и -лучей. Следует заметить, что в обоих этих случаях была установлена эквивалентность полного количества энергии, когда эта энергия может разделяться двумя путями.

Или -частица уносит всю имеющуюся энергию, или, если она берет только часть, то остальная испускается в форме -лучей. Ядро представляет целую систему и содержит большое число частиц, и поэтому сомнительна правомерность говорить об одной из них в отдельности. Поэтому еще неизвестно имеет ли смысл утверждать, что -лучи испускаются -частицами. Едва ли бы это имело смысл, если бы закон сохранения энергии был приложим к ядру в целом, но в действительности, как мы знаем из явления непрерывного спектра -лучей, это не имеет места. Мы видели, что имеющиеся доказательства показывают, что закон сохранения энергии приложим как к эмиссии -частиц, так и к эмиссии -лучей, в то время как он, по-видимому, определенно неприложим к эмиссии -частиц. В таком случае представляется правомерным сделать различие между -частицами в ядре и электронами и с тою степенью определенности, с какою существует это отличие, мы можем сказать, что -лучи связаны с долей -частиц ядра.

Следует не забывать, что в ядре имеются другие частицы наравне с -частицами и электронами. Фаулер указал, что за некоторые особенности спектра, может быть ответственно присутствие протонов и недавние работы показывают, что мы, по-видимому, должны также считаться с нейтронами одного или многих сортов. Изучение детальной связи -лучей с -частицами и протонами и, возможно, другими телами является задачей будущего, но в настоящее время, как чисто рабочую гипотезу, удобно принять тот узкий взгляд, согласно которому -лучи также связаны с состояниями -частиц в ядре, как рентгеновы лучи и оптические спектры связаны с электронной структурой. Исследование этих состояний -частиц радиоактивного ядра требует совместной разработки, – по крайней мере, двух линий исследования: с одной стороны, прямого исследования энергий и интенсивности различных групп -частиц, с другой стороны – измерений спектра -лучей. Нет необходимости говорить о первой линии исследования, но оценка важности последней естественно ведет к тому пункту, который я хочу специально подчеркнуть. Это – настоятельная нужда в увеличении точности в области нашего знания спектра -лучей».

Распад ядер-изобар A = Изотоп 242 Am имеет два изомерных состояния.

1. E = 0, 48 МэВ, J P = 5, T1/2 = 152 года * 2. E * = 2, 2 МэВ, J P = (2+,3 ), T1/2 = 14 мс Распад изомерного состояния E * = 2, 2 МэВ, J P = (2+,3+ ) с вероятностью 100% происходит в результате спонтанного деления.

Энергия изомерного Изотоп Каналы распада, % Jp состояния, МэВ (82,7), (17,3) Am IT (99,55), (0,48), SF ( 5 109 ) 0, 242 m Am SF ( 100 ), ( 5 103 ) ( 2 +,3 ) 2, 242 m Am ( 100), SF ( 6 106 ), 34Si (1014 ) 0+ Cm ( 100), SF ( 5,5 104 ) 0+ Pu 9. Квантовая физика Модель атома Бора была попыткой примирить представления классической физики с формирующимися законами квантового мира.

Э.Резерфорд, 1936 г.: «Как расположены электроны во внешней части атома? Я считаю первоначальную квантовую теорию спектра, выдвинутую Бором, одной из наиболее революционных из всех когда-либо созданных в науке;

и я не знаю другой теории, которая имела бы больший успех. Он был в то время в Манчестере и, твердо уверовав в ядерную структуру атома, которая выяснилась в экспериментах по рассеянию, старался понять, как надо расположить электроны, чтобы получить известные спектры атомов.

Основа его успеха лежит во внесении в теорию совершенно новых идей. Он внес в наши представления идею кванта действия, а также идею, чуждую классической физике, о том, что электрон может вращаться по орбите вокруг ядра, не испуская излучения. Выдвигая теорию ядерного строения атома, я вполне отдавал себе отчет в том, что согласно классической теории электроны должны падать на ядро, а Бор постулировал, что по некоторым неизвестным причинам этого не происходит, и на основе этого предположения он, как вы знаете, сумел объяснить происхождение спектров. Применяя вполне разумные допущения, он шаг за шагом решил вопрос о расположении электронов во всех атомах периодической таблицы.

Здесь было много трудностей, так как распределение должно было соответствовать оптическим и рентгеновским спектрам элементов, но в конце концов Бор сумел предложить такое расположение электронов, которое показало смысл периодического закона.

В результате дальнейших усовершенствований, главным образом внесенных самим Бором, и видоизменений, произведенных Гейзенбергом, Шредингером и Дираком, изменилась вся математическая теория и были введены идеи волновой механики. Совершенно независимо от этих даль нейших усовершенствований я рассматриваю труды Бора как величайший триумф человеческой мысли.

Чтобы осознать значение его работ, следует рассмотреть хотя бы только необычайную сложность спектров элементов и представить себе, что в течение 10 лет все основные характеристики этих спектров были поняты и объяснены, так что теперь теория оптических спектров настолько завершена, что многие считают это исчерпанным вопросом, подобно тому, как это было несколько лет назад со звуком».

К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома Н.Бора не может дать адекватное описание свойств атома. В 1925– 1926 гг. в работах В.Гейзенберга и Э.Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений – квантовая теория.

Состояния в классической и квантовой физике Классическая физика Квантовая физика Описание состояния (х,у,z,рх,ру,рz) (x,y,z) Изменение состояния во времени H H = H r=, p= i p t t Измерения x,y,z,px,py,pz хрх ~, уру ~, zр ~ z Детерминизм Статистическая теория |(x,y,z)| F = F dV Гамильтониан H = p 2m + U ( r ) H = p 2 2m + U ( r ) Состояние классической частицы в любой момент времени описывается заданием ее координат и импульсов (x,y,z,px,py,pz,t). Зная эти величины в момент времени t, можно определить эволюцию системы под действием известных сил во все последующие моменты времени. Координаты и импульсы частиц сами являются величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. В квантовой физике состояние системы описывается волновой функцией (х,у,z,t). Т.к. для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса, то не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории, можно только определить вероятность нахождения частицы в данной точке в данный момент времени, которая определяется квадратом модуля волновой функции W ~ |(x,y,z)|2.

Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера = H, i t где H – оператор Гамильтона (оператор полной энергии системы).

В нерелятивистском случае H = p 2 2m + U (r ), где т – масса частицы, p – оператор импульса, U ( x, y, z ) – оператор потенциальной энергии частицы. Задать закон движения частицы в квантовой механике это значит определить значение волновой функции в каждый момент времени в каждой точке пространства. В стационарном состоянии волновая функция (х,у,z) является решением стационарного уравнения Шредингера H = E. Как и всякая связанная система в квантовой физике, ядро обладает дискретным спектром собственных значений энергии.

Состояние с наибольшей энергией связи ядра, т. е. с наименьшей полной энергией Е, называют основным. Состояния с бльшей полной энергией – возбуждённые. Нижнему по энергии состоянию приписывается нулевой индекс и энергия Е0 = 0.

Е0 Mc2 = (Z т р + N т n )c2 W0 ;

W0 – энергия связи ядра в основном состоянии.

Энергии Ei (i = 1, 2,...) возбуждённых состояний отсчитываются от основного состояния.

МэВ + 1,96 + 1, 0,98 + + 0,58 + 0, Mg Схема нижних уровней ядра Mg.

Нижние уровни ядра дискретны. При увеличении энергии возбуждения среднее расстояние между уровнями уменьшается.

Рост плотности уровней с увеличением энергии является характерным свойством многочастичных систем. Он объясняется тем, что с увеличением энергии таких систем быстро растет число различных способов распределения энергии между нуклонами.

Квантовые числа – целые или дробные числа, определяющие возможные значения физических величин, характеризующих квантовую систему — атом, атомное ядро. Квантовые числа отражают дискретность (квантованность) физических величин, характеризующих микросистему.

Набор квантовых чисел, исчерпывающе описывающих микросистему, называют полным. Так состояние нуклона в ядре определяется четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом n (может принимать значения 1, 2, 3, …), определяющим энергию Еn нуклона;

орбитальным квантовым числом = 0, 1, 2, …, n, определяющим величину L орбитального момента количества движения нуклона ( L = ( + 1) );

квантовым числом m ±, определяющим направление вектора орбитального момента;

и квантовым числом mS = ±1/ 2, определяющим направление вектора спина нуклона.

Таблица.

Квантовые числа Главное квантовое число: n = 1, 2, ….

n Квантовое число полного углового момента. j никогда не бывает отрицательным и может быть целым (включая ноль) или полуцелым в зависимости от свойств рассматриваемой системы. Величина j полного углового момента системы J связана с j соотношением J 2 = 2 j ( j + 1). J = L + S, где L и S векторы орбитального и спинового угловых моментов.

Квантовое число орбитального углового момента. может = 0, 1, 2, …, Величина принимать только целые значения:

орбитального углового момента системы L связана с соотношением L2 = 2 ( + 1).

Проекция полного, орбитального или спинового углового момента на выделенную ось (обычно ось z) равна m. Для полного момента тj = j, j1, j2, …, (j1), j. Для орбитального момента т =, 1, m 2, …, ( 1),. Для спинового момента электрона, протона, нейтрона, кварка ms = ± 1/ Квантовое число спинового углового момента. s может быть либо целым, либо полуцелым. s неизменная характеристика частицы, s определяемая ее свойствами. Величина спинового момента S связана с s соотношением S 2 = 2 s(s + 1).

Пространственная четность. Она равна либо +1, либо 1 и характеризует поведение системы при зеркальном отражении.

P Р = (1).

Наряду с таким набором квантовых чисел, состояние нуклона в ядре можно также характеризовать другим набором квантовых чисел n, l, j, jZ.

Выбор набора квантовых чисел определяется удобством описания квантовой системы.

Существование сохраняющихся (неизменных во времени) физических величин для данной системы тесно связано со свойствами симметрии этой системы. Так, если изолированная система не изменяется при произвольных поворотах, то у неё сохраняется орбитальный момент количества движения.

Это имеет место для атома водорода, в котором электрон движется в сферически симметричном кулоновском потенциале ядра и поэтому характеризуется неизменным квантовым числом. Внешнее возмущение может нарушать симметрию системы, что приводит к изменению самих квантовых чисел. Фотон, поглощенный атомом водорода, может перевести электрон в другое состояние с другими значениями квантовых чисел.

В таблице приведены некоторые квантовые числа, используемые для описа ния атомных и ядерных состояний.

Помимо квантовых чисел, отражающих пространственно-временную симметрию микросистемы, существенную роль играют так называемые внутренние квантовые числа частиц. Ряд из них, такие как спин и электрический заряд, сохраняются во всех взаимодействиях, другие в некоторых взаимодействиях не сохраняются. Так квантовое число странность, сохраняющееся в сильном и электромагнитном взаимодействиях, не сохраняется в слабом взаимодействии, что отражает разную природу этих взаимодействий.

Атомное ядро в каждом состоянии характеризуется полным моментом количества движения J. Этот момент в системе покоя ядра называется спином ядра.

Для ядра выполняются следующие правила:

A чётно J = n (n = 0, 1, 2, 3,...), т. е. целое;

а) J = n + 1/2, т. е. полуцелое.

б) A – нечётно Кроме того, экспериментально установлено ещё одно правило: у чётно чётных ядер в основном состоянии J gs = 0. Это указывает на взаимную компенсацию моментов нуклонов в основном состоянии ядра – особое свойство межнуклонного взаимодействия.

H) относительно Инвариантность системы (гамильтониана пространственного отражения – инверсии (замены r r ) приводит к закону сохранения чётности и квантовому числу чётности Р. Это означает, что ядерный гамильтониан обладает соответствующей симметрией. Действи тельно, ядро существует благодаря сильному взаимодействию между нукло нами. Кроме того, существенную роль в ядрах играет и электромагнитное взаимодействие. Оба этих типа взаимодействий инвариантны к пространственной инверсии. Это означает что ядерные состояния должны характеризоваться определенным значением четности Р, т. е. быть либо четными (Р = +1), либо нечетными (Р = 1).

Однако, между нуклонами в ядре действуют и не сохраняющие чётность слабые силы. Следствием этого является то, что к состоянию с данной четностью добавляется (обычно незначительная) примесь состояния с противоположной четностью. Типичная величина такой примеси в ядерных состояниях всего 106-107 и в подавляющем числе случаев может не учитываться.

Четность ядра Р как системы нуклонов может быть представлена как произведение четностей отдельных нуклонов рi :

Р = р1 р 2 р А, причем четность нуклона pi в центральном поле зависит от орбитального l момента нуклона рi = i (1) i, где i внутренняя четность нуклона, равная +1. Поэтому четность ядра в сферически симметричном состоянии может быть представлена как произведение орбитальных четностей (1) l нуклонов в этом состоянии:

l Р = (1) l1 (1) l2 (1) l A = (1).

На схемах ядерных уровней обычно указывают энергию, спин и чётность каждого уровня. Спин указывается числом, а чётность знаком плюс для чётных и минус для нечётных уровней. Этот знак ставится справа сверху + от числа, указывающего спин. Например, символ 1/2 обозначает чётный уровень со спином 1/2, а символ 3 обозначает нечётный уровень со спином 3.

Изоспин атомных ядер. Ещё одна характеристика ядерных состояний – изоспин I. Ядро (A, Z) состоит из A нуклонов и имеет заряд Ze, который можно представить в виде суммы зарядов нуклонов q, выраженных через проекции их изоспинов (I ) A 1 А Ze = e + (I )3 = е + I 3, =1 2 где 1 Z N A I 3 = (I )3 = Z + + N = 2 2 = проекция изоспина ядра I на ось 3 изоспинового пространства.

Полный изоспин системы нуклонов A A I = I.

= ZN Все состояния ядра имеют значение проекции изоспина I 3 =. В ядре, состоящем из A нуклонов, каждый из которых имеет изоспин, возможны N Z A значения изоспина от до 2 ZN A I.

2 A Минимальное значение I = | I 3 |. Максимальное значение I равно и отвечает всем I, направленным в одну сторону. Опытным путём установлено, что энергия возбуждения ядерного состояния тем выше, чем больше значение изоспина. Поэтому изоспин ядра в основном и низковозбужденных состояниях имеет минимальное значение ZN I gs = I 3 =.

Электромагнитное взаимодействие нарушает изотропию изоспинового пространства. Энергия взаимодействия системы заряженных частиц изменяется при поворотах в изопространстве, так как при поворотах изменяются заряды частиц и в ядре часть протонов переходит в нейтроны или наоборот. Поэтому реально изоспиновая симметрия не точная, а приближенная.

Потенциальная яма. Для описания связанных состояний частиц часто используется понятие потенциальной ямы. Потенциальная яма — ограниченная область пространства с пониженной потенциальной энергией частицы. Потенциальная яма обычно отвечает силам притяжения. В области действия этих сил потенциал отрицателен, вне – нулевой.

Энергия частицы Е есть сумма её кинетической энергии Т 0 и потенциальной U (может быть как положительной, так и отрицательной).

Если частица находится внутри ямы, то её кинетическая энергия Т1 меньше глубины ямы U0, энергия частицы Е1 = Т1 + U1 = Т1 U0 0 и частица не может покинуть яму (находится в связанном состоянии). Частица двигается в потенциальной яме с кинетической энергией Т1, отражаясь от стенок.

В квантовой механике энергия частицы, находящейся в связанном состоянии, может принимать лишь определённые дискретные значения, т.е.

существуют дискретные уровни энергии. При этом наинизший (основной) уровень всегда лежит выше дна потенциальной ямы. По порядку величины расстояние Е между уровнями частицы массы m в глубокой яме шириной а даётся выражением Е ћ2/ mа2.

Пример потенциальной ямы – потенциальная яма атомного ядра глубиной 4050 МэВ и шириной 1013–1012 см, в которой на различных уровнях находятся нуклоны со средней кинетической энергией 20 МэВ.

U (r ) E3 Т r E1 Т U На простом примере частицы в одномерной бесконечной прямоугольной яме можно понять, как возникает дискретный спектр значений энергии. В классическом случае частица, двигаясь от одной стенки к другой, принимает любое значение энергии, в зависимости от со общенного ей импульса. В квантовой системе ситуация принципиально другая. Если квантовая Прямоугольная частица находится в ограниченной области потенциальная яма.

пространства, спектр энергий оказывается дискретным. Рассмотрим случай, когда частица а б Волновая функция частицы в бесконечной прямоугольной яме (а), квадрат модуля волновой функции (б) определяет вероятность нахождения частицы в различных точках потенциальной ямы.

массы m находится в одномерной потенциальной яме U ( x) бесконечной глубины. Потенциальная энергия U удовлетворяет следующим граничным условиям x 0, x L U ( x) =.

0 0 x L При таких граничных условиях частица, находясь внутри потенциальной ямы 0 x L, не может выйти за ее пределы, т. е.

( x) = 0, x 0, x L.

Используя стационарное уравнение Шредингера для области, где U = 0, d 2 2mE + 2 = 0, dx получим положение и спектр энергий частицы внутри потенциальной ямы.

Для бесконечной одномерной потенциальной ямы имеем следующее:

1. Энергия частицы принимает определенные дискретные значения. Обычно говорят, что частица находится в определенных энергетических n 2 2 состояниях. En =, где n = 1, 2, 3… 2mL 2. Частица не может иметь энергию равную нулю, т.е. находиться на дне 2 потенциальной ямы. Минимальное значение энергии E1 =.

2mL 3. Каждому значению энергии En соответствует собственная волновая nx функция n, описывающая данное состояние. n ( x) = sin.

L L Плотность вероятности обнаружить частицу в точке х в различных квантовых состояниях определяется квадратом модуля волновой функции n ( x).

4. Для собственной функции 1(x) вероятность обнаружить частицу в точке x = L/2 максимальна. Для состояния 2(x) вероятность обнаружения частицы в этой точке равна 0.

Уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же роль, как и второй закон Ньютона в классической механике.

Самой поразительной особенностью квантовой физики оказался ее вероятностный характер.

Вероятностный характер процессов, протекающих в микромире, является фундаментальным свойством микромира.


Э.Шредингер: «Обычные правила квантования могут быть заменены другими положениями, в которых уже не вводится каких-либо «целых чисел».

Целочисленность получается при этом естественным образом сама по себе подобно тому, как сама по себе получается целочисленность числа узлов при рассмотрении колеблющейся струны. Это новое представление может быть обобщено и, я думаю, что оно тесно связано с истинной природой квантования.

Довольно естественно связывать функцию с некоторым колебательным процессом в атоме, в котором реальность электронных траекторий в последнее время неоднократно подвергалась сомнению. Я сначала тоже хотел обосновать новое понимание квантовых правил, используя указанный сравнительно наглядный путь, но потом предпочел чисто математический способ, так как он дает возможность лучше выяснить все существенные стороны вопроса. Существенным мне кажется, что квантовые правила не вводятся больше как загадочное «требование целочисленности», а определяются необходимостью ограниченности и однозначности некоторой определенной пространственной функции.

Я не считаю возможным, до тех пор, пока не будут успешно рассчитаны новым способом более сложные задачи, подробнее рассматривать истолкование введенного колебательного процесса. Не исключена возможность, что подобные расчеты приведут к простому совпадению с выводами обычной квантовой теории. Например, при рассмотрении по приведенному способу релятивистской задачи Кеплера, если действовать по указанным вначале правилам, получается замечательный результат: полуцелые квантовые числа (радиальное и азимутальное)… Прежде всего, нельзя не упомянуть, что основным исходным толчком, приведшим к появлению приведенных здесь рассуждений, была диссертация де Бройля, содержащая много глубоких идей, а также размышлений о пространственном распределении «фазовых волн», которым, как показано де Бройлем, всякий раз соответствует периодическое или квазипериодическое движение электрона, если только эти волны укладываются на траектории целое число раз. Главное отличие от теории де Бройля, в которой говорится о прямолинейно распространяющейся волне, заключается здесь в том, что мы рассматриваем, если использовать волновую трактовку, стоячие собственные колебания».

М.Лауэ: «Достижения квантовой теории накоплялись очень быстро.

Особенно поражающий успех она имела в применении к радиоактивному распаду при испускании -лучей. Согласно этой теории существует «туннельный эффект», т.е. проникновение через потенциальный барьер частицы, знергия которой согласно требованиям классической механики, недостаточна для перехода через него.

Г.Гамов дал в 1928 г. объяснение испускания -частиц, основанное на этом туннельном эффекте. Согласно теории Гамова атомное ядро окружено потенциальным барьером, но -частицы имеют определенную вероятность его «перешагнуть». Эмпирически найденные Гейгером и Неттолом соотношения между радиусом действия -частицы и полупериодом распада получили на основе теории Гамова удовлетворительное объяснение».

Статистика. Принцип Паули. Свойства квантовомеханических систем, состоящих из многих частиц, определяются статистикой этих частиц.

Классические системы, состоящие из одинаковых, но различимых частиц, подчиняются распределению Больцмана Б ( E ) = E kT ee В системе квантовых частиц одного типа проявляются новые особенности поведения, не имеющие аналогов в классической физике. В отличие от частиц в классической физике, квантовые частицы не просто одинаковы, но и неразличимы – тождественны. Одна из причин состоит в том, что в квантовой механике частицы описываются с помощью волновых функций, позволяющих вычислить лишь вероятность нахождения частицы в какой либо точке пространства. Если волновые функции нескольких тождественных частиц перекрываются, то невозможно определить, какая из частиц находится в данной точке. Так как физический смысл имеет только квадрат модуля волновой функции, из принципа тождественности частиц следует, что при перестановке двух тождественных частиц волновая функция либо изменяет знак (антисимметричное состояние), либо не изменяет знак (симметричное состояние).

Симметричными волновыми функциями описываются частицы с целым спином – бозоны (пионы, фотоны, альфа-частицы....). Бозоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна.

E kT ee В одном квантовом состоянии может одновременно находиться неограниченное количество тождественных бозонов.

Антисимметричными волновыми функциями описываются частицы с полуцелым спином – фермионы (протоны, нейтроны, электроны, нейтрино).

Фермионы починяются статистике Ферми-Дирака.

E kT + ee На связь между симметрией волновой функции и спином впервые указал В. Паули.

Для фермионов справедлив принцип Паули – два тождественных фермиона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Принцип Паули определяет строение электронных оболочек атомов, заполнение нуклонных состояний в ядрах и другие особенности поведения квантовых систем.

С созданием протон-нейтронной модели атомного ядра можно считать завершенным первый этап развития ядерной физики, в котором были установлены основные факты строения атомного ядра. Первый этап начался в фундаментальной концепции Демокрита о существовании атомов – недели мых частиц материи. Установление периодического закона Менделеевым позволило систематизировать атомы и поставило вопрос о причинах, лежа щих в основе этой систематики. Открытие электронов в 1897 г. Дж. Дж. Том соном разрушило представление о неделимости атомов. Согласно модели Томсона, электроны – составные элементы всех атомов. Открытие А. Беккерелем в 1896 г. явление радиоактивности урана и последующее открытие П.Кюри и М.Склодовской-Кюри радиоактивности тория, полония и радия впервые показали, что химические элементы не являются вечными образованиями, они могут самопроизвольно распадаться, превращаться в другие химические элементы. В 1899 г. Э. Резерфордом было установлено, что атомы в результате радиоактивного распада могут выбрасывать из своего состава -частицы – ионизованные атомы гелия и электроны. В 1911 г.

Э. Резерфорд, обобщив результаты эксперимента Гейгера и Марсдена, разработал планетарную модель атома. Согласно этой модели атомы состоят из положительно заряженного атомного ядра радиусом ~ 1012 см, в котором сосредоточена вся масса атома и вращающихся вокруг него отрицательных электронов. Размер электронных оболочек атома ~ 108 см. В 1913 г. Н.Бор развил представление планетарной модели атома на основе квантовой теории.

В 1919 г. Э. Резерфорд доказал, что в состав атомного ядра входят протоны. В 1932 г. Дж. Чадвик открыл нейтрон и показал, что в состав атомного ядра входят нейтроны. Созданием в 1932 г. Д. Иваненко, В. Гейзенбергом протон нейтронной модели атомного ядра завершился первый этап развития ядерной физики. Все составные элементы атома и атомного ядра были установлены.

1869 г. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева Ко второй половине XIX столетия усилиями химиков была накоплена обширная информация о поведении химических элементов в различных химических реакциях. Было установлено, что только определенные комбинации химических элементов образуют данное вещество. Было обнаружено, что некоторые химические элементы имеют примерно одинаковые свойства, в то время как их атомные веса сильно различаются. Д. И. Менделеев проанализиро вал связь между химическими свойствами элементами и их атомным весом и показал, что химические Дмитрий Менделеев свойства элементов расположенных по мере (1834 – 1907) возрастания атомных весов повторяются. Это послужило основой созданной им периодической системы элементов. При составлении таблицы Менделеев обнаружил, что атомные веса некоторых химических элементов выпадают из полученной им закономерности, и указал, что атомные веса этих элементов определены неточно. Более поздние точные опыты показали, что действительно первоначально определенные веса были неправильны и новые результаты соответствовали предсказаниям Менделеева. Оставив в таблице незаполненными некоторые места, Менделеев указал, что здесь должны находиться новые ещё не открытые химические элементы и предсказал их химические свойства. Так были предсказаны и затем открыты галлий ( Z = 31 ), скандий ( Z = 21 ) и германий ( Z = 32 ). Потомкам Менделеев оставил задачу объяснения периодических свойств химических элементов. Теоретическое объяснение периодической системы элементов Менделеева, данное Н.Бором в 1922 г. было одним из убедительных доказательств правильности зарождающейся квантовой теории.

Атомное ядро и периодическая система элементов Основой успешного построения периодической системы элементов Менделеевым и Логар Мейером явилось представление о том, что атомный вес может служить подходящей константой для систематической классификации элементов. Современная атомная теория подошла, однако, к истолкованию периодической системы, совершенно не затрагивая атомного веса. Номер места какого-нибудь элемента в этой системе и вместе с тем его химические свойства однозначно определяются положительным зарядом атомного ядра, или, что то же самое, числом отрицательных электронов, расположенных вокруг него. Масса и строение атомного ядра не играют при этом никакой роли;

так, в настоящее время мы знаем, что существуют элементы или, вернее, виды атомов, которые при одном и том же числе и расположении внешних электронов обладают значительно разнящимися атомными весами. Такие элементы называются изотопами. Так, например, в плеяде изотопов цинка атомный вес распределяется от 112 до 124. Наоборот, есть элементы, обладающие существенно различными химическими свойствами, которые обнаруживают одинаковый атомный вес;

их называют изобарами. Примером может служить атомный вес 124, который найден для цинка, теллура и ксенона.

Для определения химического элемента достаточно одной константы, а именно – числа отрицательных электронов, расположенных вокруг ядра, так как все химические процессы протекают среди этих электронов.


Число протонов n2, находящихся в атомном ядре, определяют его положительный заряд Z, а тем самим и число внешних электронов, обусловливающих химические свойства этого элемента;

некоторое число нейтронов n1 заключенных в этом же ядре, в сумме с n2 дает его атомный вес A = n1 + n2. Обратно, порядковый номер Z дает число содержащихся в атомном ядре протонов, а из разности между атомным весом и зарядом ядра A – Z получается число ядерных нейтронов.

С открытием нейтрона периодическая система получила некоторое пополнение в области малых порядковых номеров, так как нейтрон можно считать элементом с порядковым числом, равным нулю. В области высоких порядковых чисел, а именно от Z = 84 до Z = 92, все атомные ядра неустойчивы, спонтанно радиоактивны;

поэтому можно предположить, что атом с зарядом ядра еще более высоким, чем у урана, если он только может быть получен, должен быть также неустойчивым. Ферми и его сотрудники недавно сообщили о своих опытах, в которых при обстреле урана нейтронами наблюдалось появление радиоактивного элемента с порядковым номером 93 или 94. Вполне возможно, что и в этой области периодическая система имеет продолжение. Остается прибавить только, что гениальным предвидением Менделеева рамки периодической системы так широко предусмотрены, что каждое новое открытие, оставаясь в объеме их, еще более укрепляет ее.

Л. Мейтнер.

10. Модели атомных ядер Атомные ядра являются связанной системой взаимодействующих протонов и нейтронов. В атомном ядре проявляются три типа взаимодействий.

• Сильные взаимодействия между нуклонами приводят к образованию связанного состояния A нуклонов.

• Электромагнитные взаимодействия приводят с одной стороны к расталкиванию между протонами, что ослабляет связь в атомном ядре, с другой стороны взаимодействие магнитных моментов нуклонов приводит к большому разнообразию ядерных состояний.

• Слабое взаимодействие между нуклонами приводит к взаимным превращениям нейтронов и протонов в атомном ядре — явлению -распада атомных ядер.

В основе всех моделей строения вещества до открытия нейтрона господствовала концепция электрического строения вещества. Электрическое взаимодействие связывало атомное ядро и электроны атомных оболочек.

Атомное ядро считалось состоящим из протонов и электронов. Факт вылета из ядра электронов при -распаде считался несомненным доказательством того, что электроны находятся в ядре. Даже предсказанная Резерфордом нейтральная частица, которая была открыта Чадвиком, считалась сильно связанным состоянием протона и электрона.

Ситуация изменилась, когда пришло понимание, что нейтрон является такой же элементарной частицей как и протон.

Было очевидно, что протон-нейтронную модель ядра по аналогии с моделью атома необходимо создавать на основе законов квантовой теории.

Однако оставался открытым вопрос о том, какие силы связывают протоны и нейтроны в ядре. Изучение свойств ядерных сил стало центральной задачей ядерной физики. Было очевидно, что это силы не электрической природы, что они действуют на расстоянии меньше 10–12 см, что это силы притяжения, о чем свидетельствовало существование связанной системы – дейтрон, состоящей из протона и нейтрона. Дейтрон имеет размер ~2,3 фм и энергию связи 2,2 МэВ. Атомные ядра имеют радиусы от 2 до 8 фм. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон для большинства атомных ядер, составляет от 5 до 9 МэВ. Ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядре в тысячи раз превосходят электромагнитные силы на расстояниях ядерных масштабов.

Возникло представление о новом типе взаимодействий – ядерном взаимодействии, которое связывает протоны и нейтроны в атомные ядра.

Представление о протон-нейтронном составе атомных ядер поставило задачу выяснения особенностей сил, связывающих протоны и нейтроны.

Такие силы, получившие название ядерных сил, был неизвестны.

Теоретическое описание таких сил столкнулось с трудностями, так как • Ядро состоит из сравнительно большого числа нуклонов, поэтому было очевидно, что решение должно быть получено с использованием приближенных методов.

• Свойства ядерных сил, особенно на малых расстояниях, были неизвестны.

Ядерное взаимодействие. Потенциал. Г. Гамов, 1932 г.: «Как хорошо известно, масса какого-либо ядра не равна сумме масс входящих в его состав протонов и электронов, а меньше последней на некоторую величину М, носящую название полного дефекта массы и связанную с полной энергией внутренней связи ядра релятивистским соотношением:

E = М·c2, где c скорость света. Точные измерения атомных весов различных изотопов, которыми мы обязаны, главным образом, работам Астона (Aston), дают нам возможность вычислить эти энергии связи для целого ряда ядер. В первом приближении мы можем считать полную энергии связи пропорциональной числу составных частей ядра. Само собой напрашивается, однако, предположение, что в сложных ядрах элементарные его составные части (протоны и электроны) соединяются в некоторые устойчивые образования, играющие и сложных ядрах самостоятельную роль. Такими единицами второго порядка могут, например, являться недавно открытые простейшие ядра-нейтроны (протон + электрон), ядра водородного изотопа (два протона + электрон) и, наконец, давно известные, чрезвычайно устойчивые ядра гелия или -частицы (четыре протона + два электрона). Делая определенные гипотезы о составе ядра, мы можем получить энергию, связывающую между собой эти составные части, вычитая из полной энергии ядра внутреннюю энергию этих образований.

Совершенно новым предположением относительно составных частей ядра является предположение, бывшее непосредственным следствием открытия нейтронов, согласно которому каждый ядерный электрон связан в первую голову с одним из ядерных протонов, образуя нейтрон. Таким образом мы имеем в ядре Z протонов и A – Z нейтронов, которые, в свою очередь, соединяясь в группы по две пары, образуют -частицы. Таким образом мы получаем следующий состав ядра: для четного атомного номера Z/2 -частиц и A – 2Z нейтронов;

для нечетного атомного номера Z/2 – -частиц, А – 2Z + 1 нейтрона и один протон. Мы видим, что при таком предположении число -частиц в тяжелых ядрах будет несколько меньше, чем при прежнем предположении (например, для ртути Z = 80, А = 200, число -частиц согласно новой гипотезе, равно всего 40 вместо 50).

Перейдем теперь к рассмотрению вопроса об устойчивости атомного ядра по отношению к различным преобразованиям. Для этого необходимо прежде всего сделать определенные предположения о характере взаимодействия между различными составными частями ядра. Для взаимодействия двух протонов, которые мы можем здесь рассматривать e = 2 10 16 см как точечные заряды (поскольку радиус протона rp = mpc значительно меньше радиуса ядра), мы можем спокойно принять кулоновские силы отталкивания с потенциалом.

Взаимодействие между протоном и нейтроном, или же между двумя нейтронами будет, очевидно, сказываться лишь на расстояниях, сравнимых с размерами нейтрона (т. е. несколько 10-13 см) и весьма быстро спадать при удалении частиц.

Пользуясь аналогией, взятой из области взаимодействия атомов и ионов, мы можем предположить, что в обоих случаях будут иметь место силы притяжения, причем при взаимодействии протона с нейтроном взаимная потенциальная энергия – I(r) будет значительно больше, нежели энергия – K(r), соответствующая взаимодействию двух нейтронов. Здесь необходимо указать, что относительно потенциалов – I(r) и – K(r) нужно сделать еще одно добавочное предположение, а именно: при слишком уже тесном сближении частиц эти потенциалы должны начать возрастать;

давая начало силам отталкивания, ибо в противном случае модель ядра не будет устойчивой, обнаруживая тенденцию стянуться в точку.

Что касается взаимодействия между -частицами, то оно будет, очевидно, слагаться из кулоновского отталкивания и из средней силы перекрестного взаимодействия входящих в их состав протонов и нейтронов, Последнее приводит, как можно показать, к притяжению с потенциальной энергией,, близкой к взаимодействию нейтронов (силы, связанные с потенциалом I(r), взаимно уничтожаются), так что мы можем написать для потенциальной энергии двух -частиц:

4e + L(r ), r где L(r) = K(r) также, весьма быстро убывает с расстоянием.

Рассмотрим теперь, как будет вести себя совокупность таких частиц с массами примерно одного порядка, притягивающихся друг к другу с силами, весьма быстро убывающими с расстоянием (кулоновскими силами отталкивания внутри ядра можно в первом приближении пренебречь).

Состояние такой системы должно быть весьма аналогично тому, что мы имеем в небольшой капле жидкости, где внутри силы, действующие на какую-либо частицу, уравновешиваются (ибо радиус действия сил меньше радиуса, ядрах), а вблизи поверхности возникают мощные силы, препятствующие частице покинуть каплю (поверхностное натяжение).

Хотя точного решения задачи о такой совокупности до сих пор не имеется, мы можем сделать ряд интересных заключений о свойствах такой модели.

Прежде всего, мы должны предположить, что объем такой модели будет примерно пропорционален числу частиц, так что радиус будет изменяться примерно как кубический корень из атомного веса. Потенциальная энергия для данной частицы внутри такой модели должна быть более или менее постоянной и резко возрастать у границ, образуя, таким образом, своего рода «потенциальную яму».

Из вышесказанного о характере сил взаимодействия между различными частицами в ядре следует, что «дно» этой «ямы» для протона будет лежать значительно ниже, нежели для нейтронов или -частиц.

Полная энергия такой модели должна быть примерно пропорциональна числу частиц. Мы не должны, однако, забывать о наличии сил кулоновского отталкивания. Эти силы не могут изменить существенно распределения потенциала внутри ядра, где главную роль играют силы притяжения.

Однако эти силы принизят значения потенциала на больших расстояниях и приведут к образованию вокруг ядра потенциального барьера, играющего столь важную роль в теории ядерных превращений. Это поднятие потенциальной ямы относительно значения потенциала в бесконечности будет, очевидно, совершенно отсутствовать для нейтронов, лишенных заряда, а для протока будет в два раза меньше;

чем для -частицы.

Распределение потенциала в ядре при учете кулоновских сил указано на рисунке, где взят случай тяжелого ядра, в котором уровень -частицы уже поднялся выше нулевого уровня, обусловливая этим возможность самопроизвольного -распада.

До сих пор мы рассматривали находящиеся в ядре нейтроны как неделимые, единицы, и поэтому могли строить модель ядра на основе привычной механики. Теперь мы обратимся к распадению ядерного нейтрона на протон и электрон и выбрасыванию этого последнего за пределы атома, т. е. к столь загадочному явлению -распада.

Как хорошо известно, -распад представляет один из наиболее резких примеров неповиновения электрона всем принципам современной теории. В то время как при ядерных реакциях с участием тяжелых частиц мы всегда имеем дело с резко выраженными квантовыми уровнями и строгим соблюдением баланса энергии, в случае -превращений – ни то, ни другое не имеет места. Как показали экспериментальные исследования Эллиса (Ellis), электроны, выбрасываемые при распаде различными атомами, одного и того же вещества, имеют самые разнообразные значения энергии, изменяющиеся непрерывно между нулем и как угодно большими значениями, причем кривая распределения имеет вид, весьма сходный с кривой ошибок. Какое-либо другое излучение, могущее компенсировать созданную таким образом разность энергии между различными ядрами, полностью отсутствует, а между тем все свойства и дальнейшее поведение ядер до и после распада совершенно идентичны. С чисто экспериментальной точки зрения дело здесь выглядит так, как будто мы имеем дело с нарушением закона сохранения энергии. Кроме этого основного факта имеется еще целый ряд не менее основательных аргументов, говорящих, что с ядерными электронами дело плохо;

сюда относятся, например, невязки в статистике ядер и величин их вращательных моментов. Причины всех этих непорядков лежат в том, что, как указал Бор (Bohr), мы здесь выходим уже за границы области, где можно применять классическое понятие электрона. В самом деле, для радиуса электрона мы имеем по классической теории значение e = 8 10 13 см, re = me c т. е. величину, сравнимую с размерами той области, где электрон вынужден двигаться, а при этих условиях такое грубее представление об электроне как заряженном шарике, конечно, не применимо.

В связи с этим стоит тот факт, что, оценивая возможную скорость электрона в ядре согласно основам квантовой теории, мы приходим к величине, столь близкой к скорости света (0,9998 с), что о пренебрежении теорией относительности не может быть и речи, а между тем мы не имеем по сию пору релативистской теории квантов.

Пока такая общая теория, являющаяся органическим синтезом современной нерелативистской теории квантов (волновой механики) и неквантовой релативистики, не будет построена, об истинном понимании процесса -распада не может быть и речи. Однако уже сейчас мы можем пытаться строить рабочие теории -распада, пользуясь старыми понятиями. Основное положение теории -устойчивости и -распада, предложенной недавно Гейзенбергом, заключается в том, что, закрывая глаза на неопределенность энергии -частиц, необходимым и достаточным условием возможности распада принимается положительность соответствующего энергетического баланса.

Рассмотрим ядро, состоящее исключительно из п «слипшихся» друг с другом нейтронов. Поскольку между нейтронами существуют лишь силы притяжения, такое ядро будет, конечно, устойчивым по отношению к нейтронам, т. е., извлекая из ядра нейтрон, мы затратим некоторую работу, которая, очевидно, будет порядка – K(r), где r – среднее расстояние между частицами в ядре. Вынутый нейтрон разложим на протон и электрон, на что потребуется работа, определяемая внутренней энергией связи нейтрона D (эта величина весьма незначительна и равна, согласно измерениям Чадвика, всего одному или двум миллионам вольт, тогда как энергии K(r) и I(r) измеряются десятками миллионов). Теперь вернем полученный протон ядру, получив при этом энергию порядка + I(r);

поскольку I (r ) K (r ), то при таком процессе мы будем иметь положительный баланс энергии. Нетрудно, однако, видеть, что произведенная реакция эквивалентна просто выниманию из ядра одного электрона и, поскольку баланс энергии положителен, мы должны ожидать наличия самопроизвольного -раcпада. Таким образом, первоначально нейтральное, ядро начнет испускать последовательный ряд -частиц, общее число n входящих в его состав нейтронов начнет уменьшаться, давая начало все большему числу n2 протонов. Однако этот процесс не дойдет до конца;

ввиду возрастания положительного заряда ядра, введению в него новых протонов будут противодействовать кулоновские силы отталкивания, и наконец, «замена нейтрона протоном» сделается заменой энергетически невыгодной».

Ядерное взаимодействие. Обмен частицами. В 1934 г. с взаимными ссылками Д. Иваненко и И. Тамм опубликовали работы, в которой они впервые рассмотрели ядерные силы как обмен электроном и антинейтрино.

Это были первые работы, в которых ядерные силы рассматривались как обмен частицей с массой отличной от нуля. Это фактически означало, что в отличие от гравитационного и электромагнитного излучения радиус действия не бесконечен. Однако, естественно массы электрона не хватало для того, чтобы правильно описать радиус действия ядерных сил.

И. Тамм: «Ферми недавно развил теорию -радиоактивности, основанную на предположении о возможном превращении нейтрона в протон и наоборот, сопровождающемся возникновением или исчезновением электрона и нейтрино.

В этой теории можно получить обменные силы между нейтроном и протоном, введенные Гейзенбергом более или менее феноменологически. (Та же идея, совершенно независимо, возникла у моего друга Д. Иваненко, с которым я имел возможность обсуждать этот вопрос).

Рассмотрим две тяжелые частицы a и b, где a означает состояние нейтрона, а b — протона- Если а станет протоном, а b — нейтроном, то энергия не изменится. Эти два вырожденных состояния данной системы могут быть связаны двухступенчатым процессом - излучением электрона и нейтрино нейтроном а, который тем самым превращается в протон, с последующим поглощением этих легких частиц протоном b, который становится нейтроном. В промежуточном состоянии энергия этой системы в общем не сохраняется (ср. с теорией дисперсии). Также может иметь место излучение и поглощение позитрона и нейтрино. Таким образом, два вырожденных состояния рассматриваемой системы расщепляются на два энергетических состояния, различающихся знаком обменной энергии».

Решающий шаг в развитии концепции ядерных сил как обмена массивной частицей был сделан Х. Юкава. В 1935 г. Х. Юкава предположил по аналогии с электромагнитным взаимодействием, что ядерные силы обусловлены существованием новой частицы, переносящей ядерное взаимодействие. Массу этой частицы 150 МэВ он оценил, исходя из радиуса действия ядерных сил.

Открытие -мезона в 1947 г. явилось подтверждением правильности идеи Х. Юкава. Ядерные силы – новый тип взаимодействий в физике.

Ядерные силы оказались гораздо более сложными по сравнению с электромагнитными и гравитационными. Ядерные силы, имеющие характер притяжения на расстоянии ~ 1 5 Ферми, сменяются силами отталкивания на расстоянии 0,5 Ферми.

V, МэВ p отталкиван ие n 1 0 r, Фм притяжение n p Однопионное Радиальная зависимость np-взаимодействие нуклон-нуклонного потенциала Концепция мезонного обмена особенно хорошо работает на сравнительно больших расстояниях ( 2 Фм), на которых можно не учитывать внутреннюю структуру мезонов и рассматривать их как точечные частицы.

На рисунке показана диаграмма np-взаимодействия, осуществляемого однопионным обменом. Эта диаграмма – простейшая из возможных диаграмм np-взаимодействия. В него в данном случае вовлечены только по одному валентному кварку каждого нуклона – d (нейтрон) и u (протон).

Используя связь между радиусом сил а и массой m переносчика взаимодействия а=, тс которая следует из соотношения неопределенностей для виртуальной частицы, получаем при характерном ядерном расстоянии а 1.5 Фм с 200 МэВ Фм т с 2 = 130 МэВ.

а 1.5 Фм Х. Юкава, 1935 г.: «На данном этапе развития квантовой теории ещё очень мало известно о природе взаимодействия элементарных частиц.

Гейзенберг считал, что важную роль в строении ядра играет взаимодействие обменного типа между нейтроном и протоном. Недавно Ферми рассмотрел проблему -распада на основе гипотезы о «нейтрино».

Согласно этой теории нейтрон и протон могут взаимодействовать, излучая и поглощая пару частиц - нейтрино и электрон. К сожалению, энергия взаимодействия, вычисленная в этом предположении, чрезмерно мала по сравнению с энергией связи между нейтроном и протонами в ядре. Чтобы устранить данный недостаток, по-видимому, естественно видоизменить теорию Гейзенберга и Ферми следующим образом. Переход тяжелой частицы из состояния нейтрино в состояние протона не всегда сопровождается испусканием лёгких частиц, т.е. нейтрино и электрона, но иногда энергия, освобождаемая при переходе, поглощается другой тяжелой частицей, которая в свою очередь переходит из состояния протона в состояние нейтрона. Если вероятностью последнего процесса больше, нежели вероятность первого, то взаимодействие между нейтроном и протоном будет гораздо сильнее, чем в случае рассмотренном Ферми, в то время как вероятностью испускания лёгких частиц существенно не изменится. Оказывается такое взаимодействие между элементарными частицами можно описать с помощью поля сил так же, как описывается электромагнитным полем взаимодействие заряженных частиц.



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.