Строение атома

1. Более 2500 лет назад древнегреческими учеными Левкиппом и Демокритом было высказано предположение о том, что все тела состоят из мельчайших частиц, которые были названы молекулами. Затем было установлено, что молекулы состоят из ещё более мелких частиц, которые назвали атомами (неделимыми). Но к середине XIX века м ногие эксперименты, а также открытие электрона (частица с наименьшим отрицательным зарядом) поставили под сомнение неделимость атома. Английский физик Томсон создал одну из первых моделей атома,по которой, атом представляет собой шар, внутри которого по всему объёму распределены электроны.

2. Радиоактивность – явление самопроизвольного превращения одних атомов в другие с испусканием различных частиц. Открыл Беккерель в1896 году, проводя опыты с солями урана. Исследовали Мария и Пьер Кюри и открыли новые радиоактивные элементы – радий и полоний. Радиоактивность подтвердила сложность строения.

3. В 1899 году Резерфорд определил характер излучения при ядерных реакциях. Он исследовал излучение на установке (см. рисунок). Радиоактивный препарат находится на дне свинцового цилиндра. Тонкий пучок излучения попадает на фотоплёнку и засвечивает её. На плёнке появлялось одно тёмное пятно. Когда же пучок проходил сквозь магнитное поле, то на плёнке появлялось три пятна – центральное и два пятна справа и слева, то есть магнитное поле разделяло пучок на три. Резерфорд делает вывод:

а) положительная составляющая пучка – α-частицы – это ядра гелия,

б) отрицательная составляющая пучка – это поток быстрых электронов,

в) центральная составляющая – это жёсткое электромагнитное излучение.

4. 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Схема опыта Резерфорда представлена на рисунке. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд α-частиц равен удвоенному элементарному заряду (элементарный заряд – модуль заряда электрона). Скорость α-частиц примерно 15000км/с. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы (масса электрона меньше массы α-частицы в 8000 раз) Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома. Выводы: в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметром 10^–14–10^–15 м. Это ядро занимает только 10^–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Заряд ядра равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Резерфорд предложил планетарную модель атома: в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны. Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они упали бы на ядро. В настоящее время принята модель атома Резерфорда.

5. После того, как были открыты протон (частица с массой, равной 1а.е.м. и положительным зарядом, равным элементарному, то есть модулю заряда электрона) и нейтрон (нейтральная частица с массой равной 1 а.е.м.), была создана протонно-нейтронная модель ядра. Протоны и нейтроны называются нуклонами, то есть ядерными частицами. Общее количество нуклонов в ядре называется массовым числом ядра – А. Число протонов в ядре называют зарядовым числом – Z. A=Z+N: A–массовое число ядра, Z–число протонов – заряд ядра, N– число нейтронов. Если в ядре содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, то эти ядра принадлежат разным изотопам одного и того же элемента, например изотопы водорода: протий (1 протон), дейтерий (1 протон и 1 нейтрон) и тритий (1 протон и 2 нейтрона). Нуклоны внутри ядра удерживаются ядерными силами, которые в нутрии ядра сильнее электростатических сил отталкивания в 100 раз, но действуют только на малых расстояниях – гигант с короткими руками.

6. Радиоактивный распад – самопроизвольное превращение исходного ядра в новые ядра. Избавление ядра от избыточного количества протонов происходит при Альфа-распаде. Правило смещения при α-распаде: при испускании α-частицы (ядро гелия) масса ядра уменьшается на 4 единицы массы, а заряд на 2. При избыточном количестве нейтронов происходит – испускание β-частицы (электрона) (электрон возникает при распаде нейтрона на протон и электрон). Правила смещения при бета-распаде: заряд ядра увеличивается на 1. Гамма-излучение – электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядра из возбуждённого в более низкие, энергетические состояния.

7. Энергия связи нуклонов в ядре – энергия, которая необходима, чтобы разделить ядро на нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из нуклонов. Было установлено,что масса ядра всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит. Исходя из закона взаимосвязи массы и энергии, открытом Альбертом Эйнштейном E =mc², можно найтиэнергию связи E =∆mc², где ∆m – дефект массы – разность между суммарной массой нуклонов и массой ядра. При соединении двух лёгких ядер образуются более тяжёлые ядра с большей энергией связи. Их масса меньше суммарной массы лёгких ядер, поэтому реакция идёт с выделением энергии. При распаде тяжёлых ядер, например, урана, образуются более лёгкие ядра с большей энергией связи. Их масса также меньше массы исходного ядра. Реакция тоже идёт с выделением энергии.

8. Искусственная радиоактивность. 1938 г. Ганн и Штрассман наблюдают распад U-235 под действием медленных нейтронов на более лёгкие ядра и 1-3 нейтрона. Образовавшиеся ядра имеют огромную кинетическую энергию и содержат избыточное количество нейтронов. Реакция сопровождается мощным гамма-излучением. Освободившиеся нейтроны поражают следующие ядра урана – возникает цепная реакция. Скорость цепной реакции зависит от коэффициента размножения нейтронов – k, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к их числу в предыдущем поколении. Для развития цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть больше или равен 1. Критическая масса – масса радиоактивного вещества, в котором реакция деления ядер становится самоподдерживающейся k = 1. При k>1 – взрыв! Критическая масса для урана-235 – 47 кг. Размер активной зоны 12 см. При изменении формы, структуры и внешнего окружения активной зоны, критическая масса урана-235 уменьшается до нескольких сотен граммов.

9. Ядерный реактор – устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер. Основные части ядерного реактора: тепловыделяющие элементы (ядерное топливо); замедлитель (обычная и тяжёлая вода, графит); оболочка вокруг активной зоны, отражающая нейтроны; регулирующие стержни, управляющие скоростью цепной реакции; радиационная защита. Ядерное горючее – уран-235 и плутоний, полученный из урана -238, размещённого в активной зоне ядерного реактора.

10. 11. Термоядерный синтез – реакция, в которой при высокой температуре, большей 10⁷К, из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые. Термоядерный синтез – источник энергии всех звёзд.

Управляемый термоядерный синтез позволит решить все энергетические проблемы. При термоядерном синтезе не остаётся радиоактивных отходов.

11. Для регистрации радиоактивного излучения используются приборы, основанные на явлении ионизации атомов вещества под действием радиоактивного излучения. Счётчик Гейгера – ионизация газа в трубке и последующий электрический разряд. Камера Вильсона – ионизация молекул перенасыщенного пара и последующая конденсация пара на ионах; трек, в виде капелек жидкости, становится видимым. Пузырьковая камера – ионизация атомов перегретой жидкости и последующее парообразование на ионах; трек, в виде пузырьков пара, становится видимым. Также используются метод сцинтилляций (свечение) и метод толстослойных фотоэмульсий, позволяющий сфотографировать трек частицы.

12. Доза излучения – отношение энергии излучения, поглощённой облучаемым телом к массе тела D=E_изл/m. Грей – единица дозы поглощённого излучения. При одной и той же дозе поглощённого излучения разные виды излучения вызывают неодинаковый биологический эффект, который характеризуется коэффициентом относительной биологической активности, или коэффициентом качества ионизирующего излучения – k:

Рентгеновское и γ-излучение k = 1. Электроны β-лучи k = 1 – 1,5. Нейтроны медленные k = 3 – 5,

Нейтроны быстрые k = 10, α-частицы k = 20. Эквивалентная доза поглощённого излучения. H= k D.