Физика атома и атомного ядра

1. Атом состоит из положительно заряженного ядра, находящегося в центре атома, и электронов, образующих электронное облако. Состояние электрона в атоме описывается набором четырех квантовых чисел: n, l, m, s.

  Главное квантовое число n и характеризует энергию электрона E_n в атоме. Для атома водорода (и водородоподобных атомов)

 − , (n =1, 2, 3 …..)              (1)

Орбитальное число l характеризует момент импульса электрона в атоме:

L = .   (l =0,1,2,3… n -1)                                              (2)

Магнитное число m определяет проекцию момента импульса на выделенное направление в пространстве (например, на направление магнитного поля):

  L _z = m.        (m =0,±1, ±2, ±3…± l)                                                  (3)

Электрон и ряд других элементарных частиц обладают собственным механическим моментом импульса (спином), не связанным с их движением в пространстве. Спиновое число s характеризует проекцию собственного момента импульса электрона на выделенное направление в пространстве. 

Таким образом, энергия электрона в атоме, его орбитальный момент импульса, проекция орбитального момента импульса на выделенное направление в пространстве оказываются дискретными или квантованными.

2. При переходе с одного энергетического уровня (E_m) на другой (E_n) атом испускает или поглощает квант энергии электромагнитного поля (фотон)

hn=E _m - E _{n .}                                                           (4)

            3. Спектры излучения изолированных атомов являются линейчатыми. Все линии спектра атома водорода могут быть описаны формулой Бальмера:

n = R ,                                                     (5)

где n - частота спектральных    линий в спектре атома водорода; R – постоянная Ридберга; m и n – целые числа.

Спектры излучения молекул являются полосатыми, а спектры излучения нагретых твердых тел сплошными.

4. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее число протонов и нейтронов (нуклонов) в ядре называется массовым числом А. Заряд ядра определяется числом протонов Z (зарядовое число). Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов. Ядра принято обозначать в виде , где X – символ химического элемента.

5. Дефектом массы ядра называется разность масс составляющих нуклонов и массы ядра m _я:

 D m ={ Zm _p+(A - Z) m _n}- m _я,                                       (6)

где  m _p и   m _n – массы протона и нейтрона соответственно.

6. Энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные нуклоны, называется энергией связи ядра E _св. Энергия связи ядра связана с его дефектом массы D m соотношением

  E _св.=D m c²,                                                               (7)

где с – скорость света. Если дефект массы выражен в атомных единицах массы, а энергия связи в мегаэлектронвольтах, то соотношение (2.2.7) имеет вид: E _св.(МэВ)=931´D m (а.е.м).

7. Радиоактивностью называется самопроизвольное (спонтанное) превращение одних ядер в другие, сопровождающееся испусканием элементарных частиц. Общее число нераспавшихся ядер убывает со временем по экспоненциальному закону:

N=N ₀e^-λt,                                                     (8)

где N ₀ – начальное количество ядер; N – число нераспавшихся ядер в момент времени t;λ – постоянная распада, характерная для данного радиоактивного вещества.

Промежуток времени, за который число нераспавшихся ядер в среднем уменьшается вдвое, называется периодом полураспада Т _1/2.

8. Радиоактивные превращения ядер сопровождаются радиоактивным излучением. Различают три вида излучений:

α-излучение –      поток ядер гелия ⁴Не;

β-излучение –      поток быстрых электронов () или позитронов ();

γ-излучение – электромагнитное излучение с длиной волны менее 10^{-12 м.}

       9. При радиоактивном распаде выполняются законы сохранения зарядового и массового чисел, что описывается правилами смещения: 

                                                          для α-распада;

+   для β^- -распада;

+    для β⁺ -распада,                                   (9)

где и  – элементарные частицы нейтрино и антинейтрино соответственно.

10. Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом. Символическая запись ядерной реакции:

X+a→Y+b, или   X(a,b)Y,                                        (10)

где X и Y – исходное и конечное ядра, a и b – бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

       При всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения зарядового и массового чисел, законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

       11. Энергия ядерной реакции

,                                 (11)

где с – скорость света; – сумма масс частиц, вступивших в ядерную реакцию; – сумма масс образовавшихся частиц. Если › , то реакция идет с выделением энергии (Q ›0). Если ‹ , то реакция идет с поглощением энергии (Q ‹0). Во внесистемных единицах выражение (11) имеет вид: Q (МэВ)=931´ (а.е.м.).