Розділ 3. Будова атома. Нейтрино, примарна частка атома

16.09.2015

Блискуча серія фізичних відкриттів в останнє десятиліття XIX століття воістину стала початком наукової революції. Прологом до неї послужило відкриття, зроблене в 1896 році французьким фізиком Антуаном Анрі Беккерелем, який виявив, що сполуки, що містять атоми важкого металу урану, постійно випускають якісь невідомі перш промені. Випромінювання мало таку проникаючу здатність, що засвечивало фотоплівку, закриту чорною папером або навіть металевою фольгою. Стали говорити, що уранові сполуки радіоактивні, а саме явище було названо радіоактивністю.

В наступне десятиліття вчені виявили, що випромінювання урану буває трьох видів. Промені були названі першими трьома літерами грецького алфавіту. -промені. -промені і ?-промені.

Виявилося, що ?-промені складаються з частинок, маса яких приблизно в 60 разів менше маси атомів урану, з яких вони вилітають, і майже дорівнює масі легкого атома газу гелію. Дійсно, доведено, що ?-частинки мають дуже близьке відношення до атомів гелію. -Промені теж складаються з часток, але набагато менш важкі, ніж атоми. Їх маса становить лише 1/1837 маси атома найлегшого речовини — водню. Було виявлено, що ?-частинки дуже схожі на інші легкі частинки, які виявили в електричному струмі, що проходить через вакуум. Останні з-за свого походження були названі електронами.

Отже. -частинку можна розглядати як електрон, що вилітає з радіоактивного атома. -Промені не є частками в прямому сенсі цього слова. Вони являють випромінювання, що володіє, подібно до світла, хвильовими властивостями, з тією тільки різницею, що ?-промені мають набагато більш короткі довжини хвиль, ніж світло.

Однак таке опис ?-променів не є повним. Хвильова природа ?-випромінювання задовольняла фізиків XIX століття, але на початку XX століття на світлові хвилі дивилися вже з нової точки зору.

У 1900 році німецький фізик Макс Планк після вивчення закономірностей випромінювання нагрітим тілом світлових хвиль різної довжини виявив, що пояснити всі явища радіації можна тільки в тому випадку, якщо енергія випромінюється маленькими порціями, які він назвав квантами.

Тіло може випромінювати один квант світла або два, але воно ніколи не випромінює півтора або два і одну третину кванта. Енергія випромінюється не безперервно, а дискретно, окремими порціями, або квантами. Однак кванти так малі, що в звичайних умовах їх не можна розрізнити, і енергія здається безперервним потоком. Подібно до цього, піщаний берег здалеку видається суцільною широкою смугою і тільки на близькій відстані в піску стають помітними окремі піщинки. Більш глибокої аналогією є приклад алюмінієвого бруска, який навіть під кращим мікроскопом здається суцільним, але який, як ми тепер знаємо, складається з окремих дрібних атомів.

Але не всі кванти так малі. Величина квантів випромінювання залежить від довжини хвилі. Чим коротше довжина хвилі, тим більше кванти. Довжина хвилі звичайного світла дорівнює приблизно 1/20 000 Ця дуже маленька величина досить велика, щоб квант видимого світла був дуже малим. Довжини хвиль ?-променів майже в 5000 разів менше довжин хвиль видимого світла, отже, кванти ?-променів принаймні в 5000 разів більше квантів звичайного світла.

У деяких випадках кванти ведуть себе як частинки тому вони були названі фотонами (від грецького phos (photos) — світло). Природно, чим більше кванти, тим яскравіше виражені корпускулярні властивості випромінювання. Звичайний світ, володіючи малими квантами, слабо проявляє корпускулярні властивості, тому в XIX столітті його приймали за чисто хвильове явище. -Промені, володіючи великими квантами, проявляють корпускулярні властивості, які не можна ігнорувати. Тому фотон ?-променів відносять до частинок, що утворюють субатомний світ.

Атомне ядро

Відкриття ?- і ?-частинок змусило фізиків змінити свої основні уявлення про атомах. Протягом усього XIX століття вони вважали атоми самими дрібними частинками речовини. Передбачалося, що кожен окремий елемент складається з певних атомів, що відрізняються один від одного тільки масою.

Маса окремого атома виключно мала. Щоб отримати один грам маси, треба взяти близько трьох мільярдів трильйонів найважчих з відомих атомів. Щоб не мати справу з такими маленькими числами, хіміки вважали за краще прирівняти масу атома кисню довільного числа 16 і щодо нього вимірювати масу всіх інших атомів, або атомний вагу. Число 16 було вибрано так, щоб ні один атом, навіть самий легкий, не мав з «кисневої шкалою» атомний вага менше одиниці [7]. За цією шкалою атом водню має атомний вага 1, атом гелію — 4, атом сірки — 32, атом урану — 238 і т. д. [8] .

Однак з відкриттям радіоактивності стало очевидним, що атом, яким би не було його властивості, не може бути просто дуже маленьким більярдним кулькою, як його представляли хіміки XIX століття. Він повинен мати структуру, повинен складатися з ще менших, субатомних частинок.

Маса ?-частинки, як я вже говорив, у 1837 разів менше маси самого легкого атома, тоді як вельми важка а-частка набагато менше атома. Вичерпні експерименти показали, що діаметр звичайного атома близько однієї стомільйонної сантиметри. Діаметр ?-частинки набагато менше. Знадобилося б близько 50 тисяч частинок, покладених одна до одної, щоб вони могли заповнити діаметр атома.

Рішучий крок у розумінні внутрішньої будови атома зробив англійський фізик, уродженець Нової Зеландії, Ернест Резерфорд. Він обстріляв тонкі металеві листки ?-частинками і виявив, що вони проходять через метал так, як ніби на їх шляху нічого немає. Він зробив висновок, що атоми в основному «порожні». Але іноді ?-частка як ніби стикалася з чимось твердим і відхилялася вбік. До 1908 році Резерфорд прийшов до висновку, що до складу кожного атома входить маленьке атомне ядро, розташоване в центрі атома і займає не більше однієї трильйонної його обсягу. Однак незважаючи на дуже малі розміри, на атомне ядро доводиться 99,95 % всієї маси атома. Інша частина атома зайнята електронами, які мають таку малу масу, що для летить ?-частинки, маса якої більш ніж 7000 разів перевершує масу одного електрона, вона здається порожнім [9] .

Всі електрони, наскільки нам відомо, однакові. Тим чи іншим шляхом електрони можна вибити з атома. Кожен атом будь-якого елемента містить одне певне число електронів.

При хімічних реакціях відбувається передавання одного або декількох електронів від одного атома до іншого. Те, що зазвичай називають » хімічною енергією, краще було б назвати «електронним енергією». Окремий атом може мати один або декілька електронів більше або менше, ніж йому належить. У деяких випадках атом зовсім не має електронів, так що залишається тільки голе ядро. Наприклад, атом гелію зазвичай має два електрони. Якщо обидва електрона видалити, залишиться голе ядро гелію буде ідентично ?-частці.

Незважаючи на те що атомне ядро набагато менше атома, за винятком одного випадку (атом водню) воно не є бесструктурным. Всі атомні ядра складаються з двох або більше субатомних частинок, або нуклонів. Відомо два типи таких частинок. Розглянемо спочатку ці два різновиди разом, без відмінностей.

Маса кожної з різновидів нуклонів в атомних одиницях трохи більше одиниці. Приймемо масове число нуклона рівним одиниці, тоді маса даного атомного ядра в атомних одиницях з несуттєвою на даному етапі похибкою буде дорівнює числу містяться в ньому нуклонів. Більш того, масу ядра можна прийняти рівною масі атома, якій воно належить. Оскільки маса електрона дорівнює 0,00054 маси нуклона, його внесок у масу атома пренебрежимо малий.

Ядра атомів деяких елементів володіють характерним числом нуклонів. Наприклад, всі наявні в природі атоми алюмінію містять у своїх ядрах 27 нуклонів, отже, вони мають масове число 27. Такі атоми прийнято позначати «алюміній-27». Однак було виявлено, що атоми більшості елементів відрізняються числом нуклонів. Більшість ядер атомів водню містять один нуклон, але завжди є дуже невелике число атомів з ядрами з двох нуклонів. Отже, існують водень-1 і водень-2. Аналогічно в природі існують гелій-3 і гелій-4 (?-частинка є голе ядро атома гелію-4), уран-235 і уран-238. Атоми олова зустрічаються в десяти різних видах: олово-112, -114, -115, -116, -117, -118, -119, -120, -122, і -124. Правда, таке безліч різновидів одного елемента є абсолютно винятковим. Різновиди одного і того ж елемента зазвичай називають ізотопами. Водень, гелій і уран мають по два ізотопу кожен, олово — десять, алюміній — тільки один. Зазвичай хіміки позначають елементи їх хімічними символами, що складаються, як правило, з однієї або двох початкових букв назви елемента. Так, водень позначається Н, гелій — Не, уран — U, алюміній Аl. Олово — один з небагатьох елементів, відомих ще в давнину, зберегло своє латинська назва stannum, від якого відбувається його хімічний символ Sn. Масове число кожного ізотопу пишеться справа вгорі хімічного символу. Так, водень-1 і водень-2 зазвичай записуються як Н 1 і Н 2. Аналогічно можна записати He 3 і 4. U 235 і U 238. Al 27. Sn 112. Sn 114 і всі інші.

Ядерна енергія

Уявлення про атом, що виникла на початку XIX століття, дозволило по-новому відповісти на питання про джерело сонячної енергії. Майже негайно ж увагу фізиків була спрямована на третю альтернативу, згадану раніше. Атоми елемента урану (а також іншого важкого металу — торію) постійно випромінюють ?-частинки з колосальною швидкістю — в середньому близько 20 000 км/сек. Отже. -частинка має кінетичну енергію приблизно 1,3· 10 -5 ерг. Оскільки 1 ерг — маленька величина, виникає спокуса знехтувати її мільйонними частками. Однак для енергії, випромінюваної одним атомом, величина ця величезна. Щоб краще зрозуміти сказане, введемо нову одиницю енергії, значно меншу, ніж ерг.

При дослідженнях атомних частинок фізики зазвичай розганяють їх до величезних швидкостей, піддаючи такі частинки дії електричного поля. Сила електричного поля, що змушує атомну частку рухатися швидше і, отже, збільшує її кінетичну енергію, вимірюється в вольтах. (Ця одиниця названа по імені італійського фізика Алессандро Вольти, вперше сконструйовав в 1800 році електричну батарею.)

Електрон, перебуваючи під дією електричного потенціалу в один вольт, отримує певну кількість енергії. Така величина енергії називається электронвольтом і скорочено позначається ев. Тисяча електронвольт позначається кев, мільйон електронвольт — Мев, мільярд Мев (іноді мільярд електронвольт називають гигаэлектронвольтом і позначають Гев):

Один злектронвольт дорівнює 1,602· 10 -12 ерг. Ця величина дещо більше однієї трильйонної ерга і зручна для вираження зміни енергії атомів і субатомних частинок [10] .

Припустимо, наприклад, що вуглець з’єднується з киснем і утворює двоокис вуглецю. Кожен грам вуглецю, з’єднуючись таким чином, виділяє 7807 кал. Один атом вуглецю, сполучаючись з двома атомами кисню при утворенні молекули двоокису вуглецю, звільняє трохи більше 4 ев.

Це типова величина енергії, що звільняється одним атомом у процесі хімічних реакцій. Порівняємо її з величиною енергії ?-частинки, що вилітає з атома урану. Крихітна величина в 1,3· 10 -5 ерг, виражена в электронвольтах, величезна — 8 Мев. Один атом, що випускає при радіоактивному розпаді субатомную частку, виділяє два мільйони разів більше енергії, ніж такий самий атом під час звичайної хімічної реакції. Чому?

Ha це питання можна дати розумну відповідь на основі моделі будови атома, створеної в XIX столітті. Звичайні хімічні реакції пов’язані зі зміною розташування електронів в атомі, а при зміні положення цих легких частинок затрачається енергія в кілька електронвольт. З іншого боку, радіоактивні перетворення, такі, як випромінювання ?-часток, що відбуваються в результаті зміни розташування нуклонів в ядрах. Нуклони набагато важче електронів і знаходяться в неймовірною тісноті. Енергії, які утримують їх, в мільйони разів більше тих, які утримують електрони. Коли при перерозподілі нуклонів виділяється енергія, вона випромінюється відповідно великими порціями. В цьому випадку на відміну від звичайних хімічних реакцій говорять про ядерних реакціях і на відміну від звичайної хімічної енергії — про ядерної енергії. Радіоактивність— одне з перших виявлених проявів ядерної енергії.

Тоді, може бути, саме ядерна енергія, про яку не мали поняття в часи Гельмгольца, служить постійним невичерпним джерелом сонячної радіації? Спектроскопія досить переконливо довела, що насправді Сонце складається в основному з водню. Що з цього випливає?

За короткий час фізики докладно вивчили ядерні реакції, що протікають на Сонце: наскільки вони вірогідні, яка енергія випромінюється і т. д. Вже в 1938 році німецький фізик Ганс Альбрехт Бете, працював у США, вивів ланцюжок ядерних реакцій, які можуть протікати в умовах існуючих всередині Сонця. У результаті таких реакцій чотири атома водню перетворюються в один атом гелію, при цьому виділяється енергія, приблизно рівна 27,6 Мев. Якщо подібні реакції дійсно відбуваються на Сонці, як довго випромінювало б воно енергію, якщо з самого початку складалося тільки з водню, який перетворювався на гелій в кількостях, достатніх, щоб енергія излучалась з необхідною швидкістю? Виявляється, близько сотні мільярдів років. Отже, ядерна енергія повністю вирішує питання про енергетичному балансі Сонця. Сонця нема чого стискатися. А геологам і біологам не варто більше сумніватися щодо віку Землі.

В даний час за максимальними оцінками вік Землі дорівнює п’яти мільярдам років. Але Сонце випромінювало енергію з теперішньої інтенсивністю весь цей час без помітної зміни свого зовнішнього вигляду і без істотних змін запасів водневого палива. Фактично так може тривати ще десятки мільярдів років.

Щоб поставити на цьому крапку, додам, що людство незабаром саме навчилося отримувати ядерну енергію і зрештою створило водневу бомбу, в якій використовуються ядерні реакції, аналогічні тим, які відбуваються на Сонці.

Примітки:

[7] Збільшується точність методів, використовуваних для вимірювання мас атомів, змусила вчених в останні роки прийняти нову шкалу. З одного боку, було встановлено, що не всі атоми кисню однакові за масою. З іншого боку, атоми інших елементів володіють масами, які можна визначити набагато точніше, і тому вони більше підходять для еталона. У 1961 році вагу одного з атомів вуглецю прирівняли числа 12. Атомні ваги змінилися трохи, але точність їх вимірювання збільшилася. Цифри, що використовуються в цій книзі для мас атомів, даються за «вуглецевої шкалою».

[8] На даному етапі ці не зовсім точні атомні ваги є хорошим наближенням. Більш точні значення будуть використані в книзі пізніше.

[9] Атом має певну схожість з Сонячною системою. Сонце, перебуваючи в самому центрі Сонячної системи, так само як ядро в центрі атома, займає малий обсяг, але містить більшу частину його маси. Метеор пролітає через Сонячну систему, як через порожній простір, хоча ці області містять численні планети, супутники, астероїди, комети та інші тіла.

[10] Можна відчути роздратування від такого різноманіття одиниць енергії: злектронвольт, ерг, джоуль, калорія. Проте кожна має свою область застосування. Адже нікому не прийде в голову вимірювати відстань між двома містами в міліметрах, довжину кімнати в кілометрах, а діаметр копійки в метрах!

Короткий опис статті: будова атома

Джерело: Розділ 3. Будова атома / Нейтрино — примарна частка атома

Також ви можете прочитати