Электронная конфигурация многоэлектронного атома.

Значения квантовых чисел n, l, m_l, m_s полностью определяют состояние электрона в одноэлектронном атоме. Подобная задача для многоэлектронных атомов может быть решена лишь приближенно, т.к. становится существенным взаимное влияние электронов друг на друга. В отличие от одноэлектронного атома, энергия электрона в многоэлектронном атоме будет зависеть не только от n, но и от l.

Распределение электронов по уровням энергии с различными n и l называют электронной конфигурацией многоэлектронного атома.

Совокупность электронов атома с одинаковыми значениями квантового числа побразует электронную оболочку. Данному значению главного квантового числа п соответствует 2 п² состояний, отличающихся друг от друга значениями квантовых чисел l, m_l, m_s.

Оболочки подразделяют на подоболочки, отличающиеся квантовым числом l. Различные состояния в подоболочке отличаются значениями квантовых чисел m_l и m_s. Число состояний в подоболочке равно 2(2 l + 1). Заселение подоболочек электронами происходит в соответствии с принципом Паули.

Бозоны (или бозе-частицы) - это частицы с нулевым или целочисленным спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе − Эйнштейна (отсюда − название частиц), согласно которой в данном квантовом состоянии может находиться произвольно большое число бозонов определенного типа.

Фермионы (или ферми-частицы) - это частицы, обладающие полуцелым спином. Системы одинаковых фермионов подчиняются квантовой статистике Ферми − Дирака, сформулированной для систем тождественных (одинаковых) частиц с полуцелым спином.

Принцип Паули: в атоме не может быть электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел.

Испускание и поглощение света. Правило отбора для квантового числа l. Испускание и поглощение света происходит при переходах электрона в атоме с одного уровня энергии на другой. В квантовой механике доказывается, что для квантового числа l действует правило отбора, согласно которому возможны только те переходы между уровнями, при которых l изменяется на единицу: Это правило есть следствие закона сохранения момента импульса, связано с тем, что фотон, обладая моментом импульса ħ, при испускании уносит из атома этот момент, а при поглощении − привносит.

Физика атомного ядра

 

Состав атомного ядра. Физическая природа ядерных сил.
Масса и энергия связи ядра.

Ядро атома − центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, носящие в ядерной физике единое название нуклоны, связаны в ядре особыми силами − ядерными силами, характеризующимися большой величиной и малым радиусом действия (~ 10 ⁻¹⁵ м). Ядерные силы намного превышают силы кулоновского отталкивания протонов и обусловливают очень большую плотность вещества в ядре − порядка 10¹⁴ г/см³.

Согласно современным представлениям ядерное взаимодействие представляет собой непрерывный процесс испускания и поглощения нуклонами виртуальных пионов (или π -мезонов), являющихся квантами или переносчиками поля ядерных сил. В процессе обмена пионами нейтроны и протоны взаимно превращаются друг в друга. Соответствующие виртуальные процессы:

При взаимодействии, например, протона и нейтрона последний может испустить π⁻ -мезон, превратившись в протон. Начальный же протон, поглощая этот π⁻ -мезон, превращается в нейтрон, т.е. в конечном состоянии остаются те же самые частицы:

Характеристики атомного ядра. Ядро атома характеризуется электрическим зарядом Ze (е − элементарный заряд), массой М и массовым числом А, равным числу нуклонов. Если число нейтронов в ядре атома равно N, то массовое число A = Z+N. Электрический заряд Z, измеряемый в единицах е, равен числу электронов в нейтральном атоме и определяет химические свойства элемента. Ядро химического элемента Х обозначается , где Х - символ химического элемента.

Изотопы (изотопные нуклиды) − ядра с одинаковым зарядовым числом Z, но разными массовыми числами А.

Изобары (изобарные нуклиды) − атомные ядра с одинаковым числом нуклонов (т.е. с одинаковым массовым числом А) и разными числами протонов и нейтронов.

Изомеры (изомерные нуклиды) − состояния одного и того же ядра с разной энергией и разными периодами полураспада (или с разным временем жизни).

Энергия связи ядра выражается через дефект массы (разность между суммой масс нуклонов и массой ядра):

, (10.1.1)

где m_n − масса нейтрона; m_p − масса протона; с - скорость света.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Основные типы радиоактивности.

 

Самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, которое сопровождается испусканием элементарных частиц, называется радиоактивностью. Процесс такого превращения называют радиоактивным распадом.

Закон радиоактивного распада:

, (10.1.2)

где N₀ − первоначальное количество ядер; N - число нераспавшихся ядер к моменту времени t.

l - постоянная радиоактивного распада, характеризующая долю dN/N исходных радиоактивных ядер, которая распадается за время dt:

. (10.1.3)

Периодом полураспада , называется время, за которое распадается половина первоначального количества атомных ядер:

= 0,693t, (10.1.4)

где t = 1/l - величина называемая средним временем жизни радиоактивного ядра.

 

Активностью радиоактивного источника называется число распадов, происходящих в единицу времени. Если за время dt распадается dN ядер, то активность А определяется соотношением:

. (10.1.5)

Уравнение α -распада:

. (10.1.6)

Установлено, что α-частицы (т.е. ядра гелия He) испускаются только тяжелыми ядрами. «Дочернее» ядро обычно оказывается радиоактивным и испускает электромагнитное излучение высокой частоты − γ-лучи.

 

Уравнение β ⁻-распада (электронный распад):

. (10.1.7)

Процесс на внутриядерном уровне протекает как превращение одного из

нейтронов ядра Хв протон с испусканием антинейтрино . Заметим, что последняя реакция может протекать и на свободном нейтроне, представляя собой процесс простейшего β ⁻ - распада.

 

Уравнение β ⁺-распада (позитронный распад):

. (10.1.8)

Процесс внутри ядра представляет собой распад протона .

Последняя реакция протекает только внутри ядра и невозможна на свободном протоне.

Электронный захват (или К-захват):

. (10.1.9)

При К-захвате ядро поглощает один электрон электронной оболочки атома (обычно из 1s- оболочки, которую в спектроскопических обозначениях называют К-оболочкой), в результате чего один из протонов превращается в нейтрон с испусканием нейтрино , и заряд атома становится на единицу меньше. На освободившееся место в К-оболочке переходит электрон с другой оболочки, и поэтому К-захват всегда сопровождается рентгеновским излучением.

 

Протонный распад:

. (10.1.10)

Крайне редкий вид ядерного распада, при котором «родительское» ядро, находясь в основном состоянии, самопроизвольно испускает протон с образованием определенного состояния (не обязательно основного) «дочернего» ядра. Для осуществления протонного распада из основных состояний ядер необходимо создать так называемые нейтронодефицитные ядра, т.е. такие, которые при данном числе протонов Z имеют число нейтронов, заметно меньшее числа нейтронов в наиболее устойчивом при данном Ζ ядре. В земных условиях подобные ядра не образуются и их необходимо синтезировать. Первое протонораспадное ядро Lu синтезировано в 1981 году в ядерной реакции слияния более легких ядер никеля и рутения. Для осуществления подобных реакций необходимо использовать ускорители многозарядных ионов достаточно больших энергий, позволяющие преодолеть мощное кулоновское отталкивание сталкивающихся ядер. К настоящему времени исследовано более 30 ядер, испытывающих протонный распад в области от Со до Вi. Процесс получения новых подобных ядер интенсивно продолжается. Интерес к протонной радиоактивности ядер связан с тем, что этот процесс позволяет получать уникальную информацию о границах нуклонной устойчивости ядер в природе и свойствах ядер в области этих границ.

 

Ядерные реакции

Ядерные реакции − превращения атомных ядер при взаимодействии с частицами, в том числе с γ-квантами или друг с другом.

Для осуществления ядерных реакций необходимо сближение частиц на расстояние ~ 10 ⁻¹⁵ м. Для этого у положительно заряженных налетающих частиц энергия должна быть достаточной для преодоления сил отталкивания между одинаково заряженными частицами. Такие ядерные реакции, как правило, осуществляются бомбардировкой мишеней пучками ускоренных частиц.

Например, после столкновения α-частицы с ядром азота в результате реакции, описываемой выражением , образуется ядро изотопа кислорода и протон.

Для отрицательно заряженных или нейтральных налетающих частиц реакции могут протекать даже при тепловых энергиях налетающих частиц.

Примером ядерной реакции также может служить так называемый радиационный захват − процесс, в котором ядро-мишень захватывает налетающую частицу, а энергия возбуждения образующегося ядра излучается в виде γ-кванта.Схема процесса выглядит следующим образом:

 

 

Примером радиационного захвата может служить превращение калия в аргон:

Ядерные реакции могут сопровождаться как выделением, так и поглощением энергии. Количество выделяющейся (поглощаемой) энергии называется энергией реакции (Q). Она определяется следующим образом:

 

Реакции деления тяжелых ядер были открыты О.Ганом и Ф.Штрассманом в 1938 году. Испускание при делении ядер урана и плутония нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции.

Например:

Испущенные при делении одного ядра N нейтронов могут вызвать деление N ядер, в результате будет испущено новых нейтронов, которые вызовут деление ядер, и т.д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии.

Неуправляемая ядерная реакция деления носит взрывной характер (атомная бомба). Управляемая ядерная реакция деления осуществляется в атомных реакторах.

Термоядерные реакции − ядерные реакции слияния (синтеза) легких атомных ядер, протекающие при очень высоких температурах (~ 10⁸ Ки выше). Например, реакция синтеза ядер дейтерия и трития:

 

Термоядерные реакции сопровождаются выделением избыточной кинетической энергии, равной увеличению суммарной энергии связи. Большое выделение энергии в ряде термоядерных реакций определяет их важность для ядерной энергетики.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемого термоядерного синтеза (УТС) необходимо поддерживать огромные температуру и давление в области зоны реакции. Возникает также проблема удержания высокотемпературной плазмы в заданном объеме. Однако осуществление УТС имеет ряд очень важных преимуществ по сравнению с цепной реакцией деления:

1) Практически неисчерпаемые запасы топлива (изотопы водорода).

2) Невозможность перехода в режим неуправляемой реакции.

3) Отсутствие вредных продуктов реакции.

 

10.3. Основные представления физики
элементарных частиц

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике понятие «элементарные частицы» часто употребляется не в своем точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, при условии, что они не являются атомами, атомными структурами или атомными ядрами (кроме ядра атома водорода).