Строение атома

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В начале XX в. Благодаря опытам Резерфорда возникло представление о том, что в центре атома находится крохотное по своим размерам, но массивное ядро. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие - английскому физику Д.Д. Томсону.

Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся «планеты» - электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В атоме Томсона положительное электричество «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И. Менделеева. Позднее Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели атома Резерфорда.

1. Состав и характеристика атомного ядра

У физиков начала XX в. Существовала важная проблема: обладает ли атомное ядро структурой и какой эта структура могла бы быть? Оказалось, что ядро достаточно сложно. Тем не менее в начале 30-х годов была разработана модель атомного ядра, которая по-прежнему находит широкое применение. Согласно этой модели, ядро состоит из частиц двух типов -- протонов и нейтронов. (Не следует забывать о том, что эти «частицы» обладают волновыми свойствами, но для большей наглядности мы будем говорить о протонах и нейтронах просто как о частицах.) Эти частицы носят название нуклонов.

Протон.

Протон (р) есть не что иное, как ядро атома водорода. Он обладает зарядом +е и массой

m_р = 938,7Мэв В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на с2. Применяется также единица массы, называемая атомной единицей массы (а. е. м.); а. е. м. = 1,66 * 1(И4 г = 931Мэв.. (1.1)

Для сравнения укажем, что масса электрона, выраженная в единицах энергии, составляет

m_e= 0,511Мэв. (1.2)

Из сопоставления (1.1) и (1.2) следует, чтот_р = = 1836 т._е.

Протон имеет спин, равный половине(s= 1/2), и собственный магнитный момент

м_p=+2,79м₀

где Дж/Тл (1.3)

--единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения сДж/Тл вытекает, что в1836 раз меньше магнетона Бора . Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон.

Нейтроном (n) называется не обладающая электрическим зарядом частица Нейтрон открыт в 1932 г. английским физиком Д. Чедвиком. с массой

т_п = 939,5Мэв, (1.4)

очень близкой к массе протона. Разность масс нейтрона и протона

т_п --т_р составляет 1,3Мэв, т. Е. 2,5 т_е.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s = 1/2), и (несмотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

м_n=-1,91 м₀

(знак минус указывает на то, что направления собственных механического и магнитного моментов противоположны) .

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен)-- он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (е^-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино3Непосредственное наблюдение антиней-трино было осущест-влено в серии опытов Ф. Рейнеса и К. Коуэна (1953--1956). Наблю-далась реакция? + р>n + е+, которая является обра-щением реакции (5) распада нейтрона.

(?). Период полураспада равен ~ 12мин. Схему распада можно записать следующим образом:

n>р + е^-+ ?. (1.5)

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона, как мы видели, больше массы протона на 2,5 т_е. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения (5), на 1,5 т_е, т. Е. на 0,77Мэв. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристика атомного ядра.

Ядро атома водорода состоит из одного протона, тогда как ядра атомов других химических элементов содержат и нейтроны, и протоны. Различные типы ядер часто называютнуклидами. Количество протоновZ,входящих в состав ядра(в состав нуклида), определяет его заряд, который равен +Ze.Число Zназывается атомным номером (оно определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева) или зарядовым числом ядра. Суммарное число нуклонов, т.е. нейтронов и протонов, обозначается буквой А и называется массовым числом. Такое название это число получило потому, что произведение А на массу отдельного нуклона очень близко к массе ядра. У нуклида с 7 протонами и 8 нейтронами Z= 7 и А = 15. Число нейтронов в ядре N = = А--Z.

Для обозначения ядер применяется символ_ZX^A, где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу--атомный номер (Z часто опускают).

Большинство химических элементов имеет по нескольку разновидностей -- изотопов, отличающихся значениями массового числа А. Так, например, водород имеет три изотопа:

₁H¹-- обычный водород, или протий (Z= 1, N = 0),

₁H²-- тяжелый водород, или дейтерий (Z= 1, N=1),

₁H³- тритий (Z=l, N = 2) Дейтерий обозначают также символом D, а тритий -- симво-лом Т..

У кислорода имеется три стабильных изотопа:₈O¹⁶, ₈O¹⁷ , ₈O¹⁸ , у олова -- десять, и т. Д.

Изотопы представляют собой ядра с одинаковым числом протоновZ.Ядра с одинаковым массовым числом Аназываются изобарами. В качестве примера можно привести ₁₈Ar⁴⁰и. ₂₀Са⁴⁰. Ядра с одинаковым числом нейтронов N = А -- Zносят название изотонов(₆C¹³,₇N¹⁴). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковымиZи А, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеется два изомера ядра₃₅Вr⁸⁰, у одного из них период полураспада равен 18мин, у другого -- 4,4 часа.

Радиус ядра довольно точно определяется формулой:

r= 1,3 * 10^-13A^1/3см = 1,ЗA^1/3ферми (1.6)

(ферми-- название применяемой в ядерной физике единицы длины, равной 10^-13см). Из соотношения (1.6) следует, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре.

В настоящее время известно около 1500 ядер, различающихся Z, либо А, либо и тем и другим. Около ¹/₄ этих ядер устойчивы, остальные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы сZот 1 до 92, исключая технеций (Тс,Z= 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu,Z-- 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале -- смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. Е. заурановые) элементы (сZот 93 до 104) были получены только искусственным путем посредством различных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили названия в честь выдающихся ученых П. иМ. Кюри, А. Эйнштейна, Э. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуреисий (103 Lw) назван в честь изобретателяА- лотрона-Э. Лоуренса.

Элемент 104 был получен в 1964 г. В СССР вЛаборатории ядерных реакций Объединенногоинститутаядерных исследований в Дубне Г. Н. Флеровыми егосотрудниками путем бомбардировки плутониевоймишени (Z = 94) пучком ионов ₁₀Ne²² (Z= 10), ускоренных до энергии 115Мэв. Свое название «курчатовий»104-йэлемент получил в честь выдающегося советскогофизика И. В. Курчатова.

Для устойчивых ядер характерно определенноеотношение числа нейтронов N к числу протоновZ.У легкихядер это отношение близко к единице. Помереувеличения числа нуклонов в ядреN/Zрастет, достигаядля урана значения 1,6 (см. рис. 1, на которомпо осиабсцисс отложено массовое число А, по оси ординат -- отношение N к Z;точки на рисунке соответствуют отдельным стабильным ядрам).

Спин ядра.

Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен¹/₂. Поэтому согласно квантовым законам сложения моментов квантовое число спина ядра I будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядер I не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных Ядра снечетнымиZи Nназываются нечетно-нечетными, ядра, у которых одно из чисел, Z иN, четное, а другое нечетное, называются четно-нечетными. ядер (т. Е. ядер с четным числом протонов и четным числом нейтронов) спин равен нулю.

Результирующий момент ядра М_I складывается с моментом электронной оболочки М_Jв полный момент импульса атома M_F, который определяется квантовым числомF.

С механическими моментами связаны магнитные моменты. Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям М_Iи М_J(т. Е. различнымF),имеют немного отличающуюся энергию.Взаимодействием моментов (м_Lи м_Sобусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием м_Iим_J определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщепление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может наблюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

2. Масса и энергия связи ядра

Масса ядра m_я всегда меньше суммы масс входящих в него частиц6Имеются в виду массы покоя.). Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом. Энергия связи Е_cв равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом. Таким образом, энергия ядра меньше энергии системы невзаимодействующих нуклонов на величину, равнуюЕ_cв. Согласно закону взаимосвязи массы и энергии

уменьшение энергии тела надолжно сопровождаться эквивалентным уменьшением массы тела на . Следовательно, энергия связи нуклонов в ядре равна:

Еcв= с2 {[Zmp+ (А -- Z) mn] - mя}. (2.1)

Это соотношение практически не нарушится, если заменить массу протона m_p массой атома водорода m_H, а массу ядра m_ямассой атома m_a.Действительно, если пренебречь сравнительно ничтожной энергией связи электронов с ядрами, указанная замена будет означать добавление к уменьшаемому и вычитаемому выражения, стоящего в фигурных скобках, одинаковой величины, равнойZm_e.Итак, выражению (2.1) можно придать вид:

Еcв=с2{[ZmH+ (А -- Z) mn] - ma}. (2.2)

Последнее соотношение удобнее, чем (2.1), потому что в таблицах даются обычно не массы ядер, а массы атомов.

Найдем энергию связи нуклонов в ядре ₂Не⁴, в состав которого входят два протона(Z= 2) и два нёйтрона (A --Z = 2). Масса атома ₂Не⁴ равна 4,00260 а. е. м., чему соответствует 3728,0Мэв. Масса атома водорода ₁H¹равна 1,00815 а. е. м. [938,7Мэв;(1.1)]. МасАнейтрона равна значению (1.4). Подставляя эти величиныв формулу (2.2), получим

Е_св = [2 * 938,7 + 2 * 939,5] - 3728,0 = 28,4Мэв.

В расчете на один нуклон энергия связи ядра гелия составляет 7,1 МэвДля характеристики связи нуклонов в ядре пользуются также величинами, называемыми дефектом масс и упаковочным коэффициентом. Дефектом масс д называется разность между численным значением массы атома, выраженной в атомных единицах массы, и массовым числом: д = ma-A.

Упаковочным коэффициентом fназывают отношение дефекта масс к массовому числу: f = д/А.

Для 2Не4имеем: д = 0,00260, f= 0,00065.). Для сравнения укажем, что энергия связи валентных электронов в атомах имеет величину в10⁶ раз меньшую (порядка 10эв). Для других ядер удельная энергия связи, т. Е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон (Е_св/А), имеет примерно такую же величину, как у гелия. На рис. 2 изображен график, показывающий зависимостьЕ_св/А от массового числа А. Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50--60 (т. Е. для элементов от Сr до Zn). Энергия связи для этих ядер достигает 8,7Мэв/нуклон. С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается; для самого тяжелого природного элемента -- урана она составляет 7,5 Мэв/нуклон.Такая зависимость удельной энергии связи от массового числа делает энергетически возможными два процесса: 1) деление тяжелых ядер на несколько более легких ядер и 2) слияние (синтез) легких ядер в одно ядро.Оба процесса должны сопровождаться выделением большого количества энергии. Так, например, деление одного ядра с массовым числомА = 240 (удельная энергия связи равна 7,5Мэв) на два ядра с массовыми числами А = 120 (удельная энергия связи равна 8,5Мэв) привело бы к высвобождению энергии в 240Мэв.

Слияние двух ядер тяжелого водорода ₁H²в ядро гелия ₂Не⁴ привело бы к выделению энергии, равной ~ 24Мэв. Для сравнения: при соединении одного атома углерода с двумя атомами кислорода (сгорание угля до СО₂) выделяется энергия, равная ~ 5эв.

В связи с тем, что ядра сА ~ 50--60 являются энергетически наиболее выгодными, возникает вопрос: почему ядра с иными значениями А оказываются стабильными? Ответ заключается в следующем. Для того чтобы разделиться на несколько частей, тяжелое ядро должно пройти через ряд промежуточных состояний, энергия которых превышает энергию основного состояния ядра. Следовательно, для процесса деления ядру требуется дополнительная энергия (энергия активации), которая затем возвращается обратно, приплюсовываясь к энергии, выделяющейся при делении за счет изменения энергии связи. В обычных условиях ядру неоткуда взять энергию активации, вследствие чего тяжелые ядра не претерпевают спонтанного деления. Энергия активации может быть сообщена тяжелому ядру захваченным им дополнительным нейтроном. Процесс деления ядер урана или плутония под действием захватываемых ядрами нейтронов лежит в основе действия ядерных реакторов и обычной атомной бомбы.

Что касается легких ядер, то для слияния их в одно ядро они должны подойти друг к другу на весьма близкое расстояние (~10^-13 см). Такому сближению ядер препятствует кулоновское отталкивание между ними. Для того чтобы преодолеть это отталкивание, ядра должны двигаться с огромными скоростями, соответствующими температурам порядка нескольких сот миллионов градусов. По этой причине процесс синтеза легких ядер называется термоядерной реакцией. Термоядерные реакции протекают в недрах Солнца и звезд. В земных условиях пока были осуществлены неуправляемые термоядерные реакции при взрывах водородных бомб.

3. Природа ядерных сил

Огромная энергия связи нуклонов в ядре свидетельствует о том, что между нуклонами имеется очень интенсивное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Оно удерживает нуклоны на расстояниях ~ 10^-13 см друг от друга, несмотря на сильное электростатическое отталкивание между протонами. Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Его можно описать с помощью поля ядерных сил. Перечислим отличительные особенности этих сил.

1. Ядерные силы являются короткодействующими -- при расстояниях между нуклонами, превышающих примерно 2*10^-13 см, действие их уже не обнаруживается. На расстояниях, меньших 1*10^-13 см, притяжение нуклонов заменяется отталкиванием.

2. Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, одинаковы по величине. Это свойство называется, зарядовой независимостью ядерных сил.

3. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Так, например, нейтрон и протон удерживаются вместе, образуя дейтон, только в том случае, когда их спины параллельны друг другу.

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения (это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов). Это свойство вытекает из того факта, что энергия связи, приходящаяся на один нуклон, примерно одинакова для всех ядер, начиная с ₂Не⁴. Кроме того, на насыщение ядерных сил указывает также пропорциональность объема ядра числу образующих его нуклонов [см. формулу (1.6)].

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мезонов. Для того чтобы уяснить сущность этого процесса, рассмотрим прежде, как выглядит кулоновское взаимодействие с точки зрения квантовой электродинамики.

Взаимодействие между заряженными частицами осуществляется через электромагнитное поле. Мы знаем, что это поле может быть представлено как совокупность квантов энергии -- фотонов. Согласно представлениям квантовой электродинамики процесс взаимодействия между двумя заряженными частицами, например электронами, заключается в обмене фотонами. Каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно испуская и поглощая фотоны. Действие поля на другую частицу проявляется в результате поглощения ею одного из фотонов, испущенных первой частицей. Такое описание взаимодействия нельзя понимать буквально. Фотоны, посредством которых осуществляется взаимодействие, являются не обычными реальными фотонами, а виртуальными. В квантовой механике виртуальными называются частицы, которые не могут быть обнаружены за время их существования. В этом смысле виртуальные частицы Можно назвать воображаемыми. Чтобы лучше понять смысл термина «виртуальный», рассмотрим покоящийся электрон. Процесс создания им в окружающем пространстве поля можно представить уравнением:

е^-е^-+ћщ (3.1)

Суммарная энергия фотона и электрона больше, чем энергия покоящегося электрона. Следовательно, превращение, описываемое уравнением (3.1), сопровождается нарушением закона сохранения энергии. Однако для виртуального фотона это нарушение является кажущимся. Согласно квантовой механике энергия состояния, существующего время,оказывается определенной лишь с точностью , удовлетворяющей соотношению неопределенностей:

(3.2)

Из этого соотношения вытекает, что энергия системы может претерпевать отклонения , длительность которыхне должна превышать значения, определяемого условием (3.2). Таким образом, если испущенный электроном виртуальный фотон будет поглощен этим же или другим электроном до истечения времени= ћ/? (где ? =ћщ), то нарушение закона сохранения энергии не может быть обнаружено.

Если электрону сообщить дополнительную энергию (это может произойти, например, при соударении его с другим электроном), то вместо виртуального фотона может быть испущен реальный фотон, который может существовать неограниченно долго.

За время виртуальный фотон может передать взаимодействие между точками, разделенными расстоянием

.

Энергия фотона ? =ћщможет быть сколь угодно мала (частота щ изменяется от 0 до ?). Поэтому радиус действия электромагнитных сил является неограниченным. Если бы частицы, которыми обмениваются взаимодействующие электроны, имели отличную от нуля массу покоя m₀, то, как легко сообразить, радиус действия соответствующих сил был бы ограничен величиной:

где -- комптоновская длина волны данной частицы (положим, что частица -- переносчик взаимодействия, движется со скоростью с).

В 1934 г. И. Е. Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами также передается посредством каких-то виртуальных частиц. В то время, кроме нуклонов, были известны лишь фотон, электрон, позитрон и нейтрино. Самая тяжелая из этих частиц -- электрон обладает комптоновской длиной волны , приблизительно в 200 раз превышающей радиус действия ядерных сил (равный ~2*10^-13 см). Кроме того, величина сил, которые могли бы быть обусловлены виртуальными электронами, как показали расчеты, оказалась чрезвычайно малой. Таким образом, первая попытка объяснения ядерных сил с помощью обмена виртуальными частицами оказалась неудачной.

В 1935 г. Японский физик X. Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существуют пока не обнаруженные частицы с массой, в 200--300 раз большей массы электрона, и что эти-то частицы и выполняют роль переносчиков ядерного взаимодействия, подобно тому как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия. Юкава назвал эти гипотетические частицы тяжелыми фотонами. Так как по величине массы эти частицы занимают промежуточное положение между электронами и нуклонами, они впоследствии были названы мезонами (греческое м?упт означает средний).

В 1936 г. Андерсон и Неддермейер обнаружили в космических лучах частицы с массой покоя, равной 207 m_е. Вначале полагали, что эти частицы, получившие название м-мезонов, или мюонов, и есть переносчики взаимодействия, предсказанные Юкавой. Однако впоследствии выяснилось, что м-мезоны очень слабо взаимодействуют с нуклонами, так что не могут быть ответственными за ядерные взаимодействия. Только в 1947 г. Оккиалини и Поуэлл открыли в космическом излучении еще один тип мезонов -- так называемые р-мезоны, или пионы, которые оказались носителями ядерных сил, предсказанными за 12 лет до того Юкавой.

Существуют положительный (р⁺), отрицательный (р^- ) и нейтральный (р⁰) пионы. Заряд р⁺- и р--мезонов равен элементарному заряду е. Масса заряженных пионов одинакова и равна 273 т_е (140Мэв), масса р⁰-ме- зона равна 264 т_е (135Мэв). Спин как заряженных, так и нейтрального р-мезона равен нулю (s= 0). Все три частицы нестабильны. Время жизни р⁺- и р--мезонов составляет 2,55*10^-8 сек,р⁰-мезона -- 2,1 * 10^-18 сек. Подавляющая часть (в среднем 99,97%) заряженных пионов распадается по схеме

р⁺ > м⁺ + х, р^- > м^- + ? (3.3)

(м⁺и м--положительный и отрицательный мюоны, х-- нейтрино, ?-- антинейтрино). Остальные 0,03% распадов протекают по другим схемам (например, р > e+ х, р > р⁰ + e+ хи т. П., причем в случае р⁺ образуется е+, т. Е. позитрон, а в случае р^- возникает е^-, т. Е. электрон).

В среднем 98,7% р⁰-мезонов распадаются на два г-кванта:

р⁰ > г + г (3.4)

Остальные 1,3% распадов осуществляются с рождением пары электрон -- позитрон и г-кванта (р⁰>e⁺ + е^- + г) или двух электронно-позитронных пар (р⁰>е⁺+ е^- +е⁺+ е^-).

Частицы, называемые м-мезонами, или мюонами, по современной классификации не относятся к категории мезонов; вместе с электронами и нейтрино они образуют группу лептонов (поэтому вместо термина «м-мезон» лучше пользоваться термином «мюон»).Мюоны имеют положительный (м⁺) или отрицательный (м^-) заряд, равный элементарному заряду е (нейтрального мюона не существует). Масса мюона равна 207 m_е (106Мэв), спин -- половине (s= ¹/₂). Мюоны, как и р-мезоны, нестабильны, они распадаются по схеме:

м⁺ >е⁺+ х +?, м^->е^-+ х +?. (3.5)

Время жизни обоих мюонов одинаково и равно 2,22*10^-6 сек.

Вернемся к рассмотрению обменного взаимодействия между нуклонами. В результате аналогичных (3.1) виртуальных процессов:

(3.6)

(3.7)

, (3.8)

нуклон оказывается окруженным облаком виртуальных р-мезонов, которые образуют поле ядерных сил.

Поглощение этих мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами, происходящему по одной из следующих схем.

1)

Протон испускает виртуальный р+-мезон, превращаясь в нейтрон. Мезон поглощается нейтроном, который вследствие этого превращается в протон. Затем такой же процесс протекает в обратном направлении (рис. 3, а). Каждый из взаимодействующих нуклонов часть времени проводит в заряженном состоянии, а часть-- в нейтральном.

Нейтрон и протон обмениваются р^--мезонами (рис. 3,б).

3)

Нуклоны обмениваются р⁰-мезонами (рис. 3, в).

Первый из этих трех процессов находит экспериментальное подтверждение в рассеянии нейтронов на протонах. При прохождении пучка нейтронов через водород в этом пучке появляютсяпротоны, многие из которыхимеют ту же энергию и направление движения, что и падающие нейтроны. Соответствующее число практически покоящихся нейтронов обнаруживается в мишени. Совершенно невероятно, чтобы такое большое число нейтронов полностью передавало свой импульс ранее покоившимся протонам в результате лобовых ударов. Поэтому приходится признать, что часть нейтронов, пролетая вблизи протонов, захватывает один из виртуальных р⁺-мезонов. В результате нейтрон превращается в протон, а потерявший свой заряд протон превращается в нейтрон (рис. 4).

Если нуклону сообщить энергию, эквивалентную массе р-мезона, то виртуальный р-мезон может стать реальным. Необходимая энергия может быть сообщена при столкновении достаточно ускоренных нуклонов (или ядер) либо при поглощении нуклоном г-кванта. При очень больших энергиях соударяющихся частиц от нуклона может «оторваться» несколько р-мезонов. В космических лучах, где встречаются частицы с энергиями ~ 10⁴Гэв, наблюдаются случаи рождения до 20 реальных р-мезонов при одном соударении.

В соответствии с процессом (3.7) нейтрон часть времени проводит в виртуальном состоянии (р + р^-). Орбитальное движение р--мезона приводит к возникновению наблюдаемого у нейтрона отрицательного магнитного момента. Аномальный магнитный момент протона (2.79 м₀вместо одного ядерного магнетона) также можно объяснить орбитальным движением р⁺-мезона в течение того промежутка времени, когда протон находится в виртуальном состоянии (п + р⁺).

Заключение

Большой адронный коллайдер - самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, построенный Европейским центром по ядерным исследованиям (CERN) в подземном тоннеле протяженностью 27 километров на глубине 50-175 метров на границе Швейцарии и Франции. На нем физики хотят проверить некоторые положения специальной теории физики элементарных частиц. Был запущен осенью 2008 года, однако из-за аварии эксперименты на нем начались только в ноябре 2009 года, а на проектную мощность он вышел в марте 2010 года.

Большой адронный коллайдер - это, действительно, уникальная установка, призванная исследовать очень существенные и очень важные аспекты природы. Прежде всего, это машина, где сталкиваются протоны с энергией 7 ТэВ в каждом пучке. Создавалась она достаточно долго. Первые обсуждения были еще в конце 70-х годов. И вот, наконец, эта установка сделана, и на этом коллайдере созданы четыре экспериментальных установки для исследования этих взаимодействий. Предметом изучения является взаимодействие при сверхвысоких энергиях. И здесь очень важным является то, что, перейдя к энергии в 14 ТэВ, мы переходим очень важный порог. Каждый серьезный ускоритель или коллайдер строился с расчетом на некую физику, которую можно делать на этой машине. Этот коллайдер при энергии взаимодействия в 14 ТэВ позволяет изучать очень важные и абсолютно новые аспекты природы. Достаточно сказать, что вопрос, который задается в связи с этими исследованиями, это вопрос о том, откуда берется масса всяких объектов, нас с вами в том числе, из чего состоит Вселенная в целом. Мы знаем, что на сегодняшний день из известных нам частиц состоит всего 4% вселенной, а остальные 96% - это нечто неизвестное.

Спектр задач чрезвычайно широк и исследования будут продолжаться предположительно 20 лет. На Большом адронном коллайдере будут происходить столкновения элементарных частиц.

Дело в том, что в природе постоянно и повсеместно происходят столкновения частиц, ускоренных естественным образом до таких же или до еще более высоких энергий. Частицы, которые ускорены в природе естественным образом, называются космическими лучами. Поток таких космических лучей, их энергия, достоверно измерены на земле. И получается, что например, только в Солнечной системе природа-матушка уже произвела 1 миллиард полных 10-летних программ Большого адронного коллайдера. Такие столкновения происходят везде, не только в Солнечной системе, и на всех других звездах, на планетах, и вот всесторонний анализ этих данных позволяет… несмотря на бомбардировку, постоянную бомбардировку этими космическими лучами, Земля, Солнце, все другие планеты продолжают существовать.

атом ядро связь заряженный

Источники

1) Джанколи Д. Д40 Физика: В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ. - М.: Мир, 2009 - 000 с., ил.

2) Матвеев А.Н. М33 Атомная физика: Учеб.пособие для студентов вузов. - М.: Высш. шк., 2011. - 439 с.: ил.

3) Савельев И.В. Курс общей физики, том III. Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элементарных частиц 2010.

4) Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. V, Ч.2. Ядерная физика 2009.

Размещено на Allbest.ru