Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. На прошлой лекции мы с вами закончили изучение довольно большого раздела геометрической оптики - световые явления и так же перечислили темы, которые мы прошли. А теперь мы переходим к последнему разделу первого круга изучения физики - физика атомного ядра.
И так давайте представим себе, что на дворе 1897 год. Все считают, что атом оправдывает свое название: "а-томос" - "неделимый" и в это же время открывают электрон. Ученый Томсон изучая электрический ток в газах открывает электроны. Но электрон - это часть атома и оказалось, что из атома можно выбить электрон. Изучая свойства электрона выясняют, что заряд электрона равен одному элементарному заряду и равен q = - 1,6х10^-19 Кл. Сейчас для нас важно, что это отрицательный заряд, но ведь атом в целом электрически нейтрален, у него нет заряда. Значит, если из атома вылетает отрицательный заряд, то там что-то оставшееся должно обладать положительным зарядом. Наверное, это что-то оставшееся - положительно заряженная часть атома и удерживает электрон не давая ему вылететь из атома. Что из себя представляет эта положительно заряженная часть атома? Сначала, тот же Томсон предположил, что положительно заряженная часть атома - это положительно заряженная капля, но, конечно же, очень маленького размера, атомного размера 10^-10 м, которая внутри себя содержит электроны...они там плавают как будто изюминки, заточенные в массу пудинга.
Сразу после того, как физики придумывают какую-нибудь модель они начинают ее анализировать на языке математики, опираясь на законы физики. И, естественно, прежде всего надо взять самую простую модель. Какой атом проще всего устроен? Мы этот атом уже знаем...Конечно же - это водород. В атоме водорода всего один электрон и положительно заряженная часть атома. Если этот электрон предоставить самому себе, его "втянет" в центр атома и он там будет находится в положении равновесия. Если этот электрон отвести от положения равновесия, то он будет колебаться внутри атома. И физики уже знали, что если заряженная частица колеблется, то она испускает электромагнитные волны, причем, частота этих волн равна частоте колебаний электрона внутри атома. И рассчитать эту частоту, оказывается, очень легко и на более поздних лекциях мы с вами это сделаем и окажется, что если размеры положительно заряженной части, того же порядка, что и известные нам атомные модели 10^-10 м, то электрон будет колебаться с такой частотой, что излучение этого электрона будет иметь длину волны приходящуюся на видимый диапазон, т.е атом водорода должен светиться в видимой части спектра. Причем, эта частота строго определенная иона зависит от размеров атома. Вы помните, что на последней лекции по оптике мы с вами разбирали линейчатые спектры и одним из этих спектров был спектр водорода. На этом спектре мы наблюдали 4 линии. Значит, только в видимом диапазоне самый простой атом - атом водорода излучает на 4 длинах волн, а не на одной. Но на самом деле там есть еще спектральные линии в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, так что это уже говорит о том, что с моделью Томсона что-то не так. И еще более убедительно доказал, что модель Томсона не работает английский ученый Эрнест Резерфорд, работавший в Манчестерском университете. Это был блестящий экспериментатор. Фактически он, как в свое время, Бенджамин Франклин создал электростатику, которую мы с вами изучали, точно так же Резерфорд стоял у основ физики атомного ядра.
Резерфорд был очень громким, энергичным человеком, очень страшно ругался, если в лаборатории что-то ломалось. И так...Эрнест Резерфорд изучил структуру атома с помощью очень простого опыта...
И по модели Резерфорда атом имеет такое устройство...
Мы с вами уже упоминали угловую диаграмму рассеяния о зависимости какая часть электронов отклонилась на какие углы. Так вот оказывается, что в эту зависимость входит заряд ядра. И что оказалось? Когда вместо золота в опыте Резерфорда стали использовать другие материалы, выяснилось, что заряд ядра, выраженный в элементарных зарядах совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе элементов Менделеева. Т.е, если, например, мы возьмем золото иего расположение в периодической системе элементов 79, то оказывается, что заряд ядра равен 79 элементарным зарядам. Если взять какое-нибудь другое вещество, например, вольфрам его порядковый номер 74, то заряд его ядра будет составлять 74 элементарных заряда. Т.е заряд ядра будет равен q = z*e, где z - это порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Но с другой стороны мы знаем, что порядковый номер совпадает с числом электронов. Так что мы можем сказать, что порядковый номер - это и число электронов и заряд ядра. Заряд ядра: +ze. Заряд электрона: -z. Суммарный заряд электронов: -ze. А в целом, атом электрически нейтрален. А теперь давайте заглянем в ядро...
Физический смысл порядкового номера элемента состоит в том, что он равен количеству протонов в ядре.
Стоит отметить, что поскольку массы у протонов и нейтронов одинаковые, то масса ядра, а значит, практически, масса атома определяется количеством нуклонов. И обозначается: A - массовое или нуклонное число. Как узнать массовое число? Поскольку массовое число, т.е число нуклонов определяет массу атома, а в периодической системе элементов, есть, так называемая, относительная атомная масса, то для того, чтобы определить массовое число нужно, просто, посмотреть в периодическую систему элементов.
И давайте теперь подумаем почему в ядре атома количество нуклонов является числом дробным. Порядковый номер элемента определяется числом протонов или числом электронов в электронной оболочке. Значит, у данного элемента не может быть разным количество протонов. Количество протонов определяет место элемента в периодической системе, но масса при этом получилась дробной. А что влияет на массу кроме протонов? Естественно, нейтроны. По идее массовое число должно быть целым, но в периодической системе масса дробная. Почему? Потому что оказывается, что в природе существуют разновидности ядер, которые имеют одинаковое количество протонов, но различаются числом нейтронов. И когда образовалась наша вселенная, то постепенно образовались атомы, но не так уже сразу, потому что вселенная должна была сначала достаточно остыть для того, чтобы атомы могли удержаться на ядрах и при этом образовалась естественная смесь ядер с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Эти ядра отличаются по массе, но заряд у них одинаковый, значит, они находятся в одном и том же месте периодической системы - "одноместники", а по-гречески "изотопы". (изо - одинаковое, топос - место).
Изотопы - это разновидности атомных ядер с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.
Естественная смесь изотопов и приводит к тому, что в периодической системе элементов относительная атомная масса дробная. Правда, если мы возьмем некоторые элементы, то давайте посмотрим, что у нас получится...
И так, давайте подведем маленький промежуточный итог: ядро состоит из нуклонов, которые бывают двух типов - протоны и нейтроны. Нейтроны - электрически нейтральны. Протоны - заряжены положительно. Число протонов определяется по порядковому номеру химического элемента в периодической таблице Менделеева. Число нуклонов определяется тоже по массовому числу из периодической системы. А как найти число нейтронов в ядре? Отнять из числа нуклонов число протонов.
А теперь давайте поговорим об обозначении ядра атома химического элемента и о изотопах...
Следующий вопрос, который мы с вами должны разобрать...в ядре протоны заряжены одноименно, при этом они должны отталкиваться друг от друга? Конечно! причем, они очень близко расположены к друг дружке. Расстояние порядка 10^-15 м, а в законе Кулона, как вы помните...
Почему же тогда ядра не разлетаются на отдельные протоны и нейтроны? Оказываются, что удерживаются протоны в ядре силами совершенно нового типа, которые мы еще не начали изучать. Это так называемые ядерные силы. Давайте немного отступим в сторону и приведем вот что. в природе существуют четыре фундаментальных видов взаимодействия:
- гравитационное - оно описывается с помощью силы тяжести;
- электромагнитное - оно описывает электрическое взаимодействие и магнитные явления;
- сильное взаимодействие - удерживает одноименно заряженные протоны и нейтральные нейтроны внутри ядра.
- слабое взаимодействие - превращает один тип частиц в другой. Например, протона в нейтрон или наоборот.
И так взаимодействие в ядре описывается с помощью ядерных сил и у ядерных сил есть одна особенность, с одной стороны ядерные силы мощнее, чем электромагнитные, поэтому они и удерживают протоны и нейтроны внутри ядра, но с другой стороны у ядерных сил очень короткое расстояние на котором они действуют. Расстояние на котором действуют ядерные силы составляет порядка 10^-14 м. А размеры ядра при этом составляют 10^-15 м. Значит все в порядке. Ядерные силы удерживают вместе протоны и нейтроны, но бывают случаи когда этого не происходит. Представим себе большое ядро...чем больше нуклонов в ядре, тем оно крупнее. Допустим размеры большого ядра порядка 10^-14 м...чуть меньше...
А теперь давайте поговорим вот о чем...Мы с вами измеряем энергию в Джоулях. Это единицы измерения энергии в единицах СИ. А физики-атомщики привыкли к другим единицам измерения, с которыми мы сейчас познакомимся. Эта единица называется электрон-вольт, сокращенно эВ. Что такое 1 электрон-вольт?
Электрон-вольт - это энергия, которую приобретает частица с элементарным зарядом под действием ускоряющего напряжения в 1 вольт.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.