Атомна і ядерна фізика

Атомна фізика – це розділ фізики, який вивчає будову атомів і елементарні процеси на атомному рівні.

Атом – це найменша частка хімічного елемента, яка є носієм його властивостей.

Атом складається з позитивно зарядженого ядра та електронної оболонки – сукупності електронів. Розмір атома визначається відстанню найбільш віддаленою від ядра електронної орбіти.

Така модель зустрілася з утрудненнями:

• відповідно до теорії Максвелла електрон, що рухається навколо ядра по колу або еліпсу, повинен безупинно випромінювати електромагнітні хвилі, що суперечить факту присутності постійного випромінювання атомів;
• планетарна модель атома нестійка в електродинамічному відношенні, тому що внаслідок випромінювання електромагнітних хвиль рухомим електроном енергія електрона повинна безперервно зменшуватися.

Отже, повинен зменшитися радіус траєкторії електрона, і врешті електрон неминуче впаде на ядро, що суперечить тривалому існуванню атомів. Ядерна фізика – це розділ фізики, в якому вивчаються структура та властивості атомних ядер.

Ядерна фізика займається також вивченням взаємоперетворення атомних ядер, що відбуваються як в результаті радіоактивних розпадів, так і в результаті різних ядерних реакцій. Основне її завдання пов’язане із з’ясуванням природи ядерних сил, що впливають між нуклонами, і особливостей руху нуклонів в ядрах.

До ядерної фізиці тісно прилягає фізика елементарних частинок, фізика і техніка прискорювачів заряджених частинок, ядерна енергетика. Крупною складовою частиною ядерної фізики є нейтронна фізика.

Сучасна ядерна фізика поділяється на теоретичну і експериментальну ядерну фізику. Теоретична ядерна фізика вивчає моделі атомного ядра і ядерні реакції, вона спирається на фундаментальні фізичні теорії, створені в процесі дослідження фізики мікросвіту. Експериментальна ядерна фізика використовує такі дослідницькі засоби, як прискорювачі заряджених частинок, ядерні реактори, різноманітні детектори часток.

Протони і нейтрони – це основні елементарні частинки, з яких складається ядро атома.

Нуклон – це частка, що володіє двома різними зарядовими станами: протон і нейтрон.

Заряд ядра – кількість протонів в ядрі, однакова з атомним номером елемента в періодичній системі Менделєєва.

Масове число нуклонів в ядрі дорівнює сумі кількості нейтронів і заряду ядра, тобто протонів.

Ізотопи – ядра, що мають один і той же заряд, якщо масове число нуклонів різне.

Ізобари – це ядра, що володіють одним і тим же числом нуклонів, при різних зарядах.

Нуклід – це конкретне ядро зі значеннями А і Z. Позначається:

• X – символ хімічного елемента;
• A – це масове число нуклонів;
• Z – це заряд ядра, кількість протонів;
• N – це кількість нейтронів в ядрі.

Питома енергія зв’язку – це енергія зв’язку, що припадає на один нуклон ядра. Її визначають експериментально.

Основний стан ядра – це стан ядра, що має найменшу можливу енергію, рівну енергії зв’язку.

Збуджений стан ядра – це стан ядра, що має енергію, більшу енергії зв’язку.

Факти, пов’язані з а-розпадом, тобто випромінюванням а-частинок:

• альфа-розпад має місце тільки для важких ядер;
• період напіврозпаду а-активних ядер складає від 10-6 с до 1017 років;
• a-частинки, які вилітають з ядер однієї і тієї ж речовини, мають, як правило, постійну енергію;
• період напіврозпаду залежить від енергії вилітаючих a-частинок. Період напіврозпаду тим більше, чим менше енергія a-частинок. Питома енергія зв’язку у таких ядер менше, ніж питома енергія ядер, розташованих в середині періодичної системи елементів.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм. Фотоефект

Світло має двоїсту корпускулярно-хвильову природу, тобто корпускулярно-хвильовий дуалізм:

• по-перше: він має хвильові властивості;
• по-друге: він виступає в ролі потоку частинок – фотонів.

Гіпотеза А. Ейнштейна, яку він висунув в 1905 р. : електромагнітне випромінювання не тільки випускається квантами, але поширюється і поглинається у вигляді частинок (корпускул) електромагнітного поля – фотонів.

Фотони є реально існуючими частками електромагнітного поля.

Світлова хвиля, яка падає на тіло, почасти відбивається від нього і в якійсь мірі проходить наскрізь, частково поглинається.

Тоді енергія поглинання світлової хвилі переходить в тіло, тобто нагріває тіло. Часто відома частина цієї поглиненої енергії активізує й інші явища, такі як:

• Фотоелектричний ефект;
• Тиск світла;
• Ефект Комптона;
• Люмінесценція і фотохімічні перетворення.

Всі ці процеси пояснюються на основі корпускулярних властивостей світла.

Фотоефект – це явище взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною. Для твердих і рідких тіл розпізнають зовнішній фотоефект, при якому поглинання фотонів супроводжується вильотом електронів за межі тіла, і внутрішній фотоефект, при якому електрони, залишаючись в тілі, змінюють свій енергетичний стан.

Фотоіонізація – це процес фотоефекту, який спостерігається в газах і складається в іонізації атомів (молекул) під дією випромінювання.

Фотострум – це струм, який виникає в ланцюзі, де пластинка приєднана до негативного полюса джерела – фотокатода; фототок виникає практично одночасно з освітленням фотокатода. Фотострум насичення прямо пропорційний інтенсивності світла, що падає на цинкову пластинку.

Червона межа фотоефекту – це гранична довжина хвилі при явищі фотоефекту, що виникає тоді, коли цинк опромінюється світлом.

Фотострум існує і тоді, коли в ланцюзі немає джерела струму. Це пояснюється тим, що частина електронів покидає катод і досягає анода.

Щоб фототок став рівним нулю, потрібно докласти затримуючу негативну напругу -U3.

Закони фотоефекту

1. Для кожної речовини існує гранична довжина хвилі – червона межа фотоефекту;
2. Число фотоелектронів, що вириваються з фотокатода в одиницю часу, пропорційно інтенсивності світлового потоку;
3. Максимальна початкова швидкість фотоелектронів визначається частотою випромінювання і не залежить від інтенсивності світлового потоку, що падає на фотокатод;
4. Фотоефект практично безінерційний.

Пояснення фотоефекту Ейнштейном

При поглинанні світла металом фотон віддає свою енергію одному електрону.

Частина цієї енергії витрачається на те, щоб електрон міг залишити тіло. Якщо електрон звільняється світлом не у самої поверхні, а на деякій глибині, то частина енергії, може бути втрачена їм внаслідок випадкових зіткнень в речовині.

Залишок енергії утворює кінетичну енергію електрона, який покинув речовину.

Енергія вильоту електрона буде максимальною, якщо електрон вибивається світлом з поверхні металу.

Збуджений стан – це стан атома, в якому він має енергію більшу, ніж в основному стані.

Квантування – це метод відбору орбіт електронів, відповідних стаціонарним станам атома.

Умова Бора дозволила відібрати можливі кругові орбіти електронів в атомі водню і пояснити спектр випромінювання атома водню.

Метод квантування Бора був узагальнений А. Зоммерфельдом, який показав, що квантових умов має бути стільки, скільки ступенів свободи має розглянутий тип руху.

Орбітальне квантове число – це фізична величина, що характеризує форму орбіти, яка представлена у вигляді заряджених хмар.

Принцип Паулі: в атомі не може перебувати два і більше електронів з однаковим набором квантових чисел.

Вироджені стану – це стани однакової енергії; число різних станів з якими-небудь значеннями енергії – кратність виродження відповідного енергетичного рівня.

Енергія ядерної реакції – це фізична величина, яка визначається різницею кінетичної енергії кінцевих і початкових ядер і частинок в реакції.

Якщо енергія ядерної реакції негативна, то реакція йде з поглинанням енергії.

Екзотермічна реакція – це реакція, коли енергія ядерної реакції позитивна, йде з виділенням теплоти.

При всіх ядерних реакціях дотримуються закони збереження електричного заряду, числа нуклонів, енергії, імпульсу – це означає, що при ядерних реакціях нуклони не знищуються і не видозмінюються, відбувається тільки перехід до іншого ядра, отже, для ядерних реакцій залишається постійним сумарне масове число і сумарний заряд ядер.

Причини, при яких швидкість ядерних реакцій при звичайних температурах практично дорівнює нулю:

• розміри ядер малі в порівнянні з розмірами атома, тому зустрічі ядер, які потрібні для виникнення реакції, відбуваються зі значно меншою ймовірністю;
• атомні ядра оточені високим потенційним бар’єром, для подолання якого заряджені частинки зобов’язані володіти більшою в порівнянні з енергією теплового руху кінетичною енергією.

Прискорити протікання ядерних реакцій наступними шляхами:

Термоядерна реакція – це ядерна реакція, яка протікає при високих температурах;

• використовувати для протікання ядерних реакцій заряджені частинки, спеціальним чином прискорювані для того, щоб їх енергія виявилася достатньою для подолання потенційного бар’єру.

З чого складається атом

Сьогодні навіть діти дошкільного віку знають, що все довкола складається з молекул та атомів. А ось що це таке і з чого вони складаються — знає далеко не кожен дорослий. У цій статті просто і доступно, поділимося сучасними знаннями про найдрібніші частки.

1. Що таке атом – історія відкриття
2. Атомна структура – сучасні знання
3. На чому базується, скільки головних частинок складається
4. Властивості, маса та розмір
5. Електронно-графічна формула
6. Періодична система та будова атома, який взаємозв’язок
7. Чому ядро ​​не розпадається
8. Атоми
9. Фізики отримали детальне зображення ядра всередині атома
10. Перше зображення атома
11. Метод електронної птиці
12. Зображення ядра всередині атома
13. Як побачити атом?

Що таке атом – історія відкриття

Отже, всі навколишні об’єкти і ми самі складаємося з крихітних частинок, які називаються атомами. До їх складу входять ще менші частинки: протони, нейтрони та електрони. Сучасну будову атома наука відкрила порівняно недавно, доти його довго вважали неподільною часткою.

Думка про те, що все навколо складається з найдрібніших, невидимих ​​оку частинок виникла в Стародавній Греції та Стародавній Індії ще до нашої ери. Давньогрецький філософ Демокріт був матеріалістом. Саме він першим узвичаїв поняття атома (з грецької — atomos — неподільний). Демокріт вважав, що невидимі частинки вічні, їх безліч, вони постійно рухаються, мають вагу, розмір і форму.

Подальший розвиток теорія атомізму отримала у Середньовіччі та Новий час у роботах французького фізика П’єра Гассенді (1592-1655 рр.) та англійського вченого Роберта Бойля (1627-1691 рр.).

Розвитком атомістичної теорії та перетворенням її на атомно-молекулярне вчення займалися також Ломоносов, Лавуазьє, Дальтон.

Довгий час атом вважали елементарним, тобто. неподільною часткою. Але 1897 року Джозеф Дж. Томсон відкрив першу субатомну частинку — електрон. Це відкриття мало велике значення. Вчений вперше запропонував певну структуру будівлі, яка вважалася раніше неподільною частинкою, яка отримала назву «пудинг із родзинками». Відповідно до цієї моделі атом — це позитивно заряджена сфера, усередині якої є негативно заряджені електрони.

Але теорію Томсона спростував Ернест Резерфорд. 1917 року британським фізиком було здійснено відкриття протона — позитивно зарядженої елементарної частки. Відкривши протон, Резерфорд припустив наявність нейтронів — нейтрально заряджених частинок в атомі. Пізніше їхнє існування експериментально підтвердив Джеймс Чедвік. Грунтуючись на своєму відкритті, Резерфорд запропонував свій опис атомної моделі: позитивно заряджене ядро ​​і електрони, що його оточують.

У 1913 році данець Нільс Бор запропонував свій варіант будови атома, який отримав назву «планетарної моделі». Згідно з теорією Бора, електрони знаходяться на певній відстані від атомного ядра і обертаються за спеціальними орбітами (за аналогією з планетами, що обертаються навколо Сонця).

На початку XX століття планетарну модель замінила хвильова модель, прийнята науковою спільнотою у всьому світі.

Сучасні ставлення до будову атома були б неможливі без відкриття елементарних частинок і явища радіоактивності. Величезний внесок у науку, крім вищезгаданих вчених, зробили Ервін Шредінгер, Макс Планк, Вольфганг Паулі.

Атомна структура – сучасні знання

На чому базується, скільки головних частинок складається

Основу сучасних уявлень теорії атомізму становлять такі положення:

1. Атом складається з ядра та навколишнього його електронної оболонки.
2. Електронна оболонка являє собою електрони, що рухаються навколо ядра.
3. Ядро завжди позитивно заряджене – воно складається з протонів, що позначаються символом p і нейтронів n . Заряд ядра завжди дорівнює сумі протонів у ньому.
4. Атом електронейтральний, оскільки число негативних частинок – електронів ( е -) дорівнює числу позитивних частинок – протонів ( p +).
5. Його електронейтральність може порушуватися, за умови, що він віддає або приєднує електрони, при цьому стає позитивно або негативно зарядженим іоном відповідно.
6. Електрони розташовуються навколо ядра у тривимірному просторі. Вони знаходяться у спеціальних областях, які називають орбіталями. Кожна з цих областей характеризується формою, розміром та орієнтацією всередині атома, кожній з орбіталей надається буквенно-цифрове позначення.

Властивості, маса та розмір

Більшість атома становить напівпорожній простір, заповнений електронами. Ядро – це найважча (99,97% від маси атома) і водночас найменша його частина. У ядрі таки зосереджена майже вся маса атома. Її вимірюють в а. – Атомних одиницях маси. Атомна одиниця маси дорівнює масі 1/12 частини атома вуглецю, що вільно лежить і знаходиться в основному стані. У хімії використовують моль для вимірювання атомної маси. 1 моль – це кількість речовини, що містить число атомів, що дорівнює числу Авогадро.

Масове число – це сума нейтронів та протонів у ядрі атома.

Розміри атомів дуже малі. Найменшим за розміром вважається атом Гелія, його радіус становить 32 пікометри. Атом цезію є найбільшим, його радіус дорівнює 225 пікометрів. Піко = 10− 1210−12. А радіус ядра в 10 000 разів менший за радіус атома.

Електронно-графічна формула

Періодична система та будова атома, який взаємозв’язок

У таблиці Менделєєва зазначається відносна атомна маса хімічних елементів.

Кількість протонів у ядрі відповідає порядковому номеру хімічного елемента відомої таблиці Менделєєва. Заряд ядра – це головна характеристика атома, що впливає на розподіл речовини у таблиці Менделєєва.

Кількість нейтронів у таблиці не вказується, їх можна розрахувати, віднімаючи від маси атома порядковий номер хімічної речовини (число його протонів).

Чому ядро ​​не розпадається

Науці відомо 4 основні види взаємодії між тілами та частинками:

Усередині атома, у його ядрі, між протонами та нейтронами існує сильна взаємодія, яка не дозволяє ядру легко розпадатися. У середині XX століття людство виявило, що при розщепленні ядер відбувається вивільнення величезної енергії, що послужило поштовхом для розвитку атомної промисловості та ядерної зброї.

Атомістична теорія — не найскладніша тема, яка є у фізиці та хімії. Якщо зіткнулися із завданнями складніше і не розумієте, з чого почати, шукайте допомоги у фахівців.

Атоми

Атом (від грецьк. «неподільний») — колись найдрібніша частка речовини мікроскопічних розмірів, найменша частина хімічного елемента, яка має його властивості. Складові атома – протони, нейтрони, електрони – цих властивостей вже не мають і утворюють їх у сукупності. Ковалентні атоми утворюють молекули. Вчені вивчають особливості атома, і хоча вони вже досить непогано вивчені, не втрачають нагоди знайти щось нове — зокрема, в галузі створення нових матеріалів і нових атомів (що продовжують таблицю Менделєєва). 99,9% маси атома посідає ядро.

Фізики отримали детальне зображення ядра всередині атома

Більше ста років тому британський фізик Ернест Резенфорд провів низку експериментів, які лягли в основу нашого розуміння будови атомів та радіоактивності. Відкриття їм атомного ядра (і перше штучне перетворення атомних ядер) призвело до створення нової концепції матерії, згідно з якою електрони, подібно до планет, рухаються по орбітах навколо атомного ядра, розташованого в центрі. В 1911 Резерфорд припустив, що ядро ​​атома має позитивний заряд, що визначає сумарне число електронів в атомній оболонці. Зрештою відкриття Резерфорда, Нільса Бора, Ханса Гейгера і Петра Капиці показали, що атомне ядро ​​дійсно має позитивний заряд, а електрони, що оточують його (точніше, електронні хмари) – негативний. Примітно, що відкриття видатних фізиків було зроблено без безпосереднього спостереження атомів, але сьогодні все змінилося – нещодавно дослідники із Брукхейвенської національної лабораторії повідомили, що їм вдалося отримати зображення ядра атома в електричному полі. Вперше історія.

Перше зображення атома

Атоми настільки малі, що побачити їх неозброєним оком, навіть за допомогою найпотужнішого мікроскопа неможливо. Принаймні так було до 2009 року, поки фізики не сфотографували атом і навколишні електрони. На знімках, опублікованих у журналі Physical Review B, показані докладні зображення електронної хмари одиночного атома вуглецю.

Зазначимо, це перший випадок, коли вченим вдалося безпосередньо спостерігати внутрішню структуру атома. До цього, починаючи з 1980-х років, фізики відображали атомну структуру матеріалу за допомогою математики та методів візуалізації.

Частина проблеми полягала в тому, що згідно з принципами квантової механіки електрон не існує як окрема точка, яку можна побачити – він поширюється довкола ядра у хмарі під назвою орбіталь. Ніжно-блакитні сфери та розщеплені хмари на зображенні показують два розташування електронів на орбіталях в атомі вуглецю. Ці структури підтверджують ранні висновки вчених, оскільки відповідають встановленим принципам квантової механіки.

Метод електронної птиці

Наступним кроком на шляху до спостереження атомної структури став винахід вчених із Корнельського університету, яким вдалося побудувати потужний детектор та встановити світовий рекорд, потроївши дозвіл сучасного електронного мікроскопа. Робота опублікована у науковому журналі Science.

Цей інструмент є детектором піксельної матриці електронного мікроскопа (EMPAD) з вбудованими алгоритмами 3D-реконструкції, який зміг вловити теплове коливання атомів і отримати їх нове зображення в трьох вимірах. До 2021 року всі попередні спроби представити та вивчити окремі атоми зводилися до розмитих зображень.

Отримане в результаті роботи зображення стало можливим завдяки методу під назвою електронна птихографія (ptychography) – скануюча техніка отримання зображень об’єктів, вкрай малих розмірів, таких як електрони та рентгенівське випромінювання.

Зображення ядра всередині атома

Отож ми й підібралися до останнього по-справжньому вражаючого відкриття. Цього разу інструментом фізиків став не електронний мікроскоп, а релятивістський колайдер важких іонів (RHIC), в основі якого лежить принцип квантової заплутаності.

Нагадаємо, що квантовою заплутаністю називається зв’язок двох (і більше) частинок, властивості яких залишаються однаковими незалежно від того, як далеко ці частинки знаходяться одна від одної. Альберт Ейнштейн, до речі, називав заплутаність надприродною.

Релятивістський колайдер важких іонів (RHIC) – прискорювач частинок, призначений вивчення зіткнень між важкими іонами (золота, мідь, уран та інших.) на релятивістських швидкостях. Як пояснюють автори зображення, принцип роботи колайдера нагадує метод позитронно-емісійної томографії (ПЕТ), яка дозволяє побачити, що відбувається всередині мозку та інших органів.

Завдяки новому методу фізики змогли отримати уявлення про внутрішню будову атомів, а також стати свідками нового типу квантової заплутаності . Дослідження цього ефекту вважається одним із найперспективніших у сучасній фізиці – в ході експерименту вчені спостерігали за фотонами та іонами золота в момент їх прискорення навколо колайдера RHIC і в результаті зазирнули всередину атомних ядер.

Як побачити атом?

Атомне ядро ​​складається з нейтронів і протонів, у складі яких знаходяться кварки і глюони, що їх зв’язують. Завдяки серії квантових флуктуацій у ході експерименту, фотони вступили у взаємодію з глюонами, утворивши проміжну частинку («ро»), негайний розпад якої утворив два так званих «півонії» – π+ та π-. Отримана інформація дозволяє з детальною точністю відобразити розташування глюонів у ядрі атома.

Проте побачити атом та його ядро ​​на власні очі неможливо. Нове зображення, опубліковане на початку 2023 року, зроблено з великою витримкою, але навіть найпотужніші наукові інструменти важко здатні вловити елементарні частинки, оскільки вони неймовірно малі.

Але ось що особливо важливо – і нове зображення структури атомних ядер та попередні зображення, отримані у 2009 та 2021 роках, відповідають теоретичним передбаченням та фундаментальним принципам квантової механіки. До того ж, це перше в історії експериментальне спостереження квантової заплутаності (і її нової форми) між різнорідними частинками.

Проте субатомний світ залишається загадкою для вчених, які намагаються з’ясувати, як формується наша реальність. Завдання непросте, погодьтеся.

На щастя, майбутні експерименти на RHIC (а також інших колайдерах і ще потужніших інструментах) дозволять фізикам не лише детально вивчити розподіл глюонів усередині атомних ядер, але краще зрозуміти складно і таємничий пристрій Всесвіту.