Л. де Бройль (1892-1942) В.Гейзенберг (1901-1976) Э.Шрёдингер (1887-1961)

Блестящая идея, высказанная Гейзенбергом, состояла в том, чтобы рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим точного наглядного представления, например с помощью картины вращающихся по орбитам электронов.

Через несколько месяцев Э.Шрёдингер предложил другую формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий.

Подход Шрёдингера брал начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами.

Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой. Вскоре эта механика была расширена английским физиком-теоретиком XX века Полем Дираком (Нобелевская премия по физике, 1933), включив-

шим в волновое уравнение элементы теории относи-

тельности Эйнштейна с учетом спина электрона.

П. Дирак (1902-1984)

В основе современной теории строенияатома лежат следующие основные положения:

1). электрон имеет двойственную (корпускулярно-волновую) природу. Он может вести себя и как частица, и как волна. Подобно частице, электрон обладает определенной массой и зарядом. В то же время, движущийся электрон проявляет волновые свойства, т.е. например, характеризуется способностью к дифракции. Длина волны электрона λ и его скорость v связаны соотношением де Бройля: λ = h / mv, где m - масса электрона;

2). для электрона невозможно одновременно точно, измерить координату и скорость. Чем точнее мы измеряем скорость, тем больше неопределенность в координате, и наоборот. Математическим выражением принципа неопределенности служит соотношение: ∆x∙m∙∆v > ћ/2,

где ∆х - неопределенность положения координаты;

∆v — погрешность измерения скорости;

3). электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может

находиться в любой части околоядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность нахождения электрона достаточно велика, называют орбиталью;

4). ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название - нуклоны). Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, а сумма чисел протонов и нейтронов соответствует его массовому числу.

В 1932 г. наш отечественный физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Гейзенберг(Хайзенберг) независимо друг от друга высказали предположение, что нейтрон является наря-

ду с протоном структурным элементом ядра. Однако, протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Э.Резер-

форд полагал, что нейтрон - это лишь сложное образо-

Д.Д. Иваненко (1904-1994) вание протона и электрона.

В 1933 г. Дмитрий Иваненко выступил с докладом о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идею о сложной структуре нейтрона и протона. По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон способны переходить друг в друга.

В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы - нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 г. в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица - позитрон.

В настоящее время существует гипотеза о делимости ряда элементарных частиц на субчастицы – кварки.

Кварки - это гипотетические частицы, из которых, как предполагается, мо-

гут состоять все известные элементарные частицы, участвующие в

сильных взаимодействиях (адроны).

Гипотеза о существовании кварков была высказана в 1964 г. независимо друг от друга американским физиком Мари Гелл-Манном (Нобелевская премия по физике, 1969) и австрийским (а впоследствии амери-

канским) ученым Георгом (Джорджем) Цвейгом с целью объяснения закономерностей, установленных для адронов.

Кстати, у термина «кварк» нет точного перевода. Он

М. Гелл-Манн (1929) имеет чисто литературное происхождение: был заимствован Гелл-Манном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где означал «нечто неопределенное», «мистическое». Такое название для частиц, очевидно, было выбрано потому, что кварки проявляли ряд необычных свойств, выделяющих их из всех известных элементарных частиц (например, дробный электрический заряд) [18].

На рисунке 12 изображена современная модель строения атома.

Рис. 12. Современная модель строения атома

Итак, атомы состоят из трех видов элементарных частиц. В центре атома

имеется ядро, образованное протонами и нейтронами. Вокруг него быстро вращаются электроны, образуя так называемые электронные облака. Количество протонов в ядре равно количеству электронов, движущихся вокруг него. Масса протона примерно равна массе нейтрона. Масса электрона гораздо меньше их масс (1836 раз).

Электрон (е^-) - это устойчивая элементарная частица массой 9,1 ^. 10^{-28 г.}

Напомним еще раз, что он был открыт в 1897 г. английским физиком Джозефом Джоном Томсоном.

Название «электрон» первоначально предложенное английским учёным

Джорджем Стони (1891) для заряда одновалентного иона происходит от греческого слова elektron, означающего «янтарь». Его заряд, измеренный в свое время американским физиком Робертом Милликеном (Нобелевская премия по физике, 1923), представляет собой наименьшее количество отрицательного электричества, существующее в природе. В зависимости от своей энергии, с кото-

рой электроны удерживаются вокруг ядра, они распределяются по электронным оболочкам или орбитам, которые обозначаются цифрами или

Р. Милликен (1868-1953) буквами, начиная от ядра: 1-K, 2-L, 3-M, 4-N, 5-O, 6-P, 7-Q.

Максимальное количество электронов, вращающихся на каждой орбите, строго определено. Так, на орбите К их только 2, L-8, М-18, N-32 и т.д.

Атомы, у которых внешняя электронная оболочка заполнена полностью, обладают особенно высокой устойчивостью и образуют группу химически неактивных инертных («благородных») газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe и Rn).

Под действием бомбардировок элементарными частицами или квантами извне электроны способны переходить с одних орбит на другие или покидать пределы атома, присоединяясь к электронным оболочкам других атомов.

В первом случае возникает возбуждение, а во втором - ионизация атома.

Электрон участвует в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях и проявляет многообразие свойств в зависимости от типа взаимодействий. Электрон - представитель единого обширного семейства элементарных частиц, и ему в полной мере присуще одно из основных свойств элементарных частиц - их взаимопревращаемость.

Электрон может рождаться в результате различных реакциях, самыми известными из которых являются распад отрицательно заряженного мюона (m^-) на электрон, электронное антинейтрино () и мюонное нейтрино (n_m ):

,

а также бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино:

.

Последняя реакция является источником b-лучей при радиоактивном распаде ядер. Оба процесса – это частные случаи слабых взаимодействий. Примером электромагнитных процессов, в которых происходят превращения электрона может служить аннигиляция электрона и позитрона на два гамма-кванта: e^- + e⁺ ® 2g.

Начиная с 60-х г. г. прошлого столетия интенсивно изучаются процессы образования сильно взаимодействующих частиц (адронов) при столкновении электронов с позитронами, например рождение пары пи-мезонов:

e ^- + е⁺ ® p^- + p⁺.

Ядро атома имеет в среднем размер 10^{- 13 см, что меньше диаметра самого атома от 10 до 100 тысяч раз. В его состав входят ядерные частицы - нуклоны (от греч.} nucleos – «ядро»), которые представлены протонами и нейтронами.

Протон (р) – это устойчивая элементарная частица массой 1,008 а.е.м., что превышает массу электрона в 1836 раз. Эта частица несет в себе положительный одинарный заряд. Как известно, за одну атомную единицу массы в химии принята масса ¹/₁₂ части ядра изотопа С¹², что составляет 1,66 ^. 10 ^{-27 кг.}

Протон является сильно взаимодействующей частицей (адроном) и относится к «тяжёлым» адронам - барионам. Важнейшим примером сильного взаимодействия с участием протона являются ядерные силы, связывающие нуклоны в ядре. Экспериментальное исследование сильного взаимодействия в большой мере основано на опытах по рассеянию протонов и мезонов на протоны, в которых были открыты, в частности, новые сильно взаимодействующие частицы - антипротон, гипероны, резонансы.

Примерами слабого взаимодействияс участием протонов являются внутриядерные превращения протона в нейтрон и наоборот соответственно при бета-распаде ядер и электронном К -захвате. В 1953 г. наблюдался процесс, обратный b-распаду, - образование нейтрона и позитрона при поглощении свободным протоном антинейтрино, что было первым прямым экспериментальным доказательством существования нейтрино.

Ввиду стабильности протона, наличия у него электрического заряда и относительной простоты получения путем ионизации водорода, пучки ускоренных протонов являются одним из основных инструментов экспериментальной физики элементарных частиц. Очень часто «мишенью» в опытах по соударению частиц также являются свободные (ядра водорода) или связанные в ядрах протоны.

Нейтрон(n) был открыт в 1932 г. английским физии-

ком Джеймсом Чедвиком (Нобелевская премия по фи-

зике, 1935)приоблучении бериллиевой мишени пото-

ком альфа-частиц, создаваемых полонием (рис. 13). Чед-

вик установил, что обнаруженное ранее немецкими физиками В.Боте и Г.Бекером проникающее излучение, которое возникает при бомбардировке атомных ядер

Дж.Чедвик (1891-1974) a-частицами, состоит из незаряженных частиц массой,

близкой к массе протона.

После этого всем стало понятно, что ядро состоит из протонов и электрически нейтральных нейтронов. Массу последних (1,009 а.е.м.) Дж.Чедвик совместно с М.Гольдхабером уточнил в 1935 г. и предсказал его бета-распад на протон, электрон и нейтрино.

Рис. 13. Схемаэксперимента Дж.Чедвика, в котором был открыт нейтрон

Кстати, он же еще в 1920 г. экспериментально подтвердил равенство заряда ядра порядковому номеру элемента. В 1934-35 г.г. Чедвик совместно с М. Гольдха-

бером поставил опыты по фотодиссоциации дейтрона на нейтрон и протон под действием гамма-квантов. В 1943-45 г.г. он возглавил группу английских учёных, работавших в лаборатории Лос-Аламосса (США) над проектом создания атомной бомбы.

Нейтрон устойчив только в составе стабильных атомных ядер. В свободном состоянии - это нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон и электронное антинейтрино. Среднее время жизни этой частицы равно

приблизительно 16 мин. В веществе свободные нейтроны существуют ещё меньше (в плотных веществах – от 1 до 100 мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные нейтроны возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

В свою очередь, свободный нейтрон способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых. Исчезая, нейтрон вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват нейтронов, приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов.

В зависимости от энергии нейтронов принята их условная классификация: ультрахолодные (до 10^-7 эВ), очень холодные (10^-7—10^-4 эВ), холодные

(от 10^-4 до 5 ^. 10^-3 эВ), тепловые (от 5 ^. 10^-3 до 0,5 эВ), резонансные (от 0,5 до

10⁴эВ), промежуточные (от 10⁴ до 10⁵ эВ), быстрые (от 10⁵ до 10⁸эВ), высокоэнергичные (10⁸-10¹⁰ эВ) и релятивистские (≥ 10¹⁰ эВ). Все нейтроны с энергией до 10⁵ эВ объединяют под общим названием медленные нейтроны.

Нейтроны участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

Итак, протоны, входящие в ядро, определяют его заряд, а сумма масс протонов и нейтронов – его массу, которая практически и составляет массу самого атома ввиду ничтожности величины масс электронов.

Число протонов в ядре всегда равно числу электронов. В ядрах легких и устойчивых изотопов число p и n совпадает (Н- 1р и 1n, Не – 2р и 2n, О – 8р и 8n и т.д.). В ядрах же тяжелых элементов количество нейтронов существен-

но превышает число протонов.

Для характеристики соотношения нуклонов в ядерной физике и химии принята следующая запись элементов:

А

_Z X

где Х - символ элемента; А - массовое число; Z - заряд ядра (порядковый номер).

Таким образом, число протонов соответствует величине Z, а число нейтронов можно рассчитать по формуле: n = A-Z.

Например, ₉₂U²³⁸ А = 238; Z = 92; n = 238 – 92 = 146

Нуклоны в ядре могут взаимно переходить друг в друга:

1). p ® n + e⁺ (позитрон) + υ (нейтрино) + Q

2). n ® p + e^- (электрон) + υ^~ (антинейтрино) + Q

В результате этих переходов нейтроны и протоны остаются в ядре, а позитроны, электроны, нейтрино и антинейтрино вылетают из него.

Протоны ядра, неся положительный заряд, испытывают силу взаимного отталкивания, которая выражается законом Кулона: электрическая сила взаимодействия двух точечных элементарных зарядов прямо пропорциональна их величине и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Так как расстояние между протонами в ядре ничтожно мало, величина силы отталкивания чрезвычайно велика. Что же удерживает протоны в ядре?

Нейтрон не обладает электрическим зарядом, и электрические силы на него не действуют. Поэтому физики предположили, что внутри ядра действуют какие-то неизвестные до сих пор силы, которые «склеивают» протоны и нейтроны в единое ядро. Так оно и оказалось.

Вскоре стали известны свойства этих сил, и в 1935 г. японский физик-теоретик Хидэки Юкава создал мезонную теорию ядерных сил взаимодействия.

А в 1938 г. он вместе со своим учеником Сёити Сакатой предсказал существование нейтральных мезонов, исходя из зарядовой независимости ядерных сил. За эти исследо-

вания Юкава в 1949 г., первым среди японских учёных получил, Нобелевскую премию.

В 1953 году он выдвинул идею частиц-переносчиков слабого взаимодействия, так называемых W-бозонов.