Utviklingen av læren om atomets struktur er kort. Sammendrag: Historie om utviklingen av ideer om strukturen til atomet. Kvantemekanisk modell av hydrogenatomet. Innledende begreper om kvantemekanikk

Den grenen av fysikk som studerer den indre strukturen til atomer. Atomer, opprinnelig antatt å være udelelige, er komplekse systemer. De har en massiv kjerne av protoner og nøytroner, rundt hvilke elektroner beveger seg i tomt rom. Atomer er veldig små - deres dimensjoner er omtrent 10 –10 –10 –9 m, og dimensjonene til kjernen er fortsatt omtrent 100 000 ganger mindre (10 –15 –10 –14 m). Derfor kan atomer bare "ses" indirekte, i et bilde med veldig høy forstørrelse (for eksempel ved bruk av en feltemisjonsprojektor). Men selv i dette tilfellet kan ikke atomene sees i detalj. Vår kunnskap om deres interne struktur er basert på en enorm mengde eksperimentelle data, som indirekte, men overbevisende støtter ovenstående.

Ideer om strukturen til atomet endret seg radikalt på 1900-tallet. påvirket av nye teoretiske ideer og eksperimentelle data. Det er fortsatt uløste spørsmål i beskrivelsen av den indre strukturen til atomkjernen, som er gjenstand for intensiv forskning. De følgende avsnittene skisserer historien til utviklingen av ideer om strukturen til atomet som helhet; en egen artikkel er viet strukturen til kjernen ( ATOMKJERNESTRUKTUR), siden disse ideene utviklet seg stort sett uavhengig. Energien som kreves for å studere de ytre skallene til et atom er relativt liten, i størrelsesorden termisk eller kjemisk energi. Av denne grunn ble elektroner eksperimentelt oppdaget lenge før oppdagelsen av kjernen.

Kjernen, til tross for sin lille størrelse, er veldig sterkt bundet, så den kan ødelegges og studeres bare ved hjelp av krefter millioner av ganger mer intense enn kreftene som virker mellom atomer. Rask fremgang i å forstå den indre strukturen til kjernen begynte først med bruken av partikkelakseleratorer. Det er denne enorme forskjellen i størrelse og bindingsenergi som gjør at vi kan vurdere strukturen til atomet som helhet separat fra strukturen til kjernen.

For å få en ide om størrelsen på et atom og det tomme rommet det opptar, bør du vurdere atomene som utgjør en vanndråpe med en diameter på 1 mm. Hvis du mentalt forstørrer denne dråpen til jordens størrelse, vil hydrogen- og oksygenatomene som inngår i vannmolekylet ha en diameter på 1–2 m. Hoveddelen av massen til hvert atom er konsentrert i kjernen, diameteren hvorav kun var 0,01 mm .

Historien om fremveksten av de mest generelle ideene om atomet går vanligvis tilbake til tiden til den greske filosofen Demokritos (ca. 460 - ca. 370 f.Kr.), som tenkte mye på de minste partiklene som ethvert stoff kunne deles inn i. . En gruppe greske filosofer som mente at slike små udelelige partikler fantes ble kalt atomister. Den greske filosofen Epikur (ca. 342–270 f.Kr.) aksepterte atomteori, og i det første århundre f.Kr. en av hans tilhengere, den romerske poeten og filosofen Lucretius Carus, skisserte læren til Epicurus i diktet "On the Nature of Things", takket være at det ble bevart for påfølgende generasjoner. Aristoteles (384–322 f.Kr.), en av antikkens største vitenskapsmenn, godtok ikke atomteorien, og hans syn på filosofi og vitenskap seiret senere i middelalderens tenkning. Atomistisk teori så ikke ut til å eksistere før helt på slutten av renessansen, da rent spekulativt filosofisk resonnement ble erstattet av eksperimentet.

Under renessansen begynte systematisk forskning på feltene som nå kalles kjemi og fysikk, og brakte med seg ny innsikt i naturen til «udelelige partikler». R. Boyle (1627–1691) og I. Newton (1643–1727) baserte sine resonnementer på ideen om eksistensen av udelelige partikler av materie. Imidlertid trengte verken Boyle eller Newton en detaljert atomteori for å forklare fenomenene som interesserte dem, og resultatene av deres eksperimenter avslørte ikke noe nytt om egenskapene til "atomer."

ATOMSTRUKTUR

Daltons lover. Den første virkelig vitenskapelige underbyggelsen av atomteorien, som overbevisende demonstrerte rasjonaliteten og enkelheten i hypotesen om at hvert kjemisk element består av de minste partiklene, var arbeidet til den engelske matematikklæreren J. Dalton (1766–1844), hvis artikkel viet til dette problemet dukket opp i 1803.

Dalton studerte egenskapene til gasser, spesielt forholdet mellom volumene av gasser som reagerte for å danne en kjemisk forbindelse, for eksempel ved dannelse av vann fra hydrogen og oksygen. Han fastslo at forholdet mellom de reagerte mengdene hydrogen og oksygen alltid er forhold mellom små heltall. Når vann (H 2 O) dannes, reagerer således 2,016 g hydrogengass med 16 g oksygen, og når hydrogenperoksyd (H 2 O 2) dannes, reagerer 32 g oksygengass med 2,016 g hydrogen. Massene av oksygen som reagerer med samme masse hydrogen for å danne disse to forbindelsene er relatert til hverandre som små tall:

Basert på slike resultater formulerte Dalton sin "lov om flere forholdstall." I følge denne loven, hvis to elementer kombineres i forskjellige proporsjoner for å danne forskjellige forbindelser, er massene til ett av elementene kombinert med samme mengde av det andre elementet relatert til små hele tall. I følge Daltons andre lov, "loven om konstante forhold", i enhver kjemisk forbindelse er forholdet mellom massene til dens bestanddeler alltid det samme. En stor mengde eksperimentelle data, ikke bare knyttet til gasser, men også til væsker og faste forbindelser, ble samlet inn av J. Berzelius (1779–1848), som gjorde nøyaktige målinger av de reagerende massene av grunnstoffer for mange forbindelser. Dataene hans bekreftet lovene formulert av Dalton og demonstrerte overbevisende at hvert element har en minste enhet av masse.

Daltons atompostulater hadde fordelen fremfor det abstrakte resonnementet til de gamle greske atomistene at lovene hans gjorde det mulig å forklare og relatere resultatene av virkelige eksperimenter, samt forutsi resultatene av nye eksperimenter. Han postulerte at 1) alle atomer av samme grunnstoff er identiske i alle henseender, spesielt massene deres er de samme; 2) atomer av forskjellige elementer har forskjellige egenskaper, spesielt massene deres er forskjellige; 3) en forbindelse, i motsetning til et element, inneholder et visst heltall av atomer av hvert av dets bestanddeler; 4) i kjemiske reaksjoner kan det skje en omfordeling av atomer, men ikke et eneste atom blir ødelagt eller opprettet på nytt. (Faktisk, som det viste seg på begynnelsen av 1900-tallet, er disse postulatene strengt tatt ikke oppfylt, siden atomer av samme grunnstoff kan ha forskjellige masser, for eksempel har hydrogen tre slike varianter, kalt isotoper; i tillegg atomer kan gjennomgå radioaktive transformasjoner og til og med kollapse fullstendig, men ikke i de kjemiske reaksjonene som Dalton vurderer.) Basert på disse fire postulatene ga Daltons atomteori den enkleste forklaringen på lovene om konstante og multiple forhold.

Selv om Daltons lover ligger til grunn for all kjemi, bestemmer de ikke de faktiske størrelsene og massene av atomer. De sier ingenting om antall atomer som finnes i en viss masse av et grunnstoff eller en forbindelse. Molekylene til enkle stoffer er for små til å kunne veies individuelt, så indirekte metoder må brukes for å bestemme massene av atomer og molekyler.

Avogadros nummer. I 1811 la A. Avogadro (1776–1856) frem en hypotese som i stor grad forenklet analysen av hvordan forbindelser dannes fra grunnstoffer og etablerte skillet mellom atomer og molekyler. Ideen hans var at like volumer av gasser ved samme temperatur og trykk inneholder samme antall molekyler. I prinsippet kan et hint om dette finnes i det tidligere arbeidet til J. Gay-Lussac (1778–1850), som fastslo at forholdet mellom volumene av gassformige grunnstoffer som inngår i en kjemisk reaksjon er uttrykt i hele tall, selv om det er forskjellige fra masseforholdene oppnådd av Dalton. For eksempel danner 2 liter hydrogengass (H 2 molekyler), kombinert med 1 liter oksygengass (O 2 molekyler), 1 liter vanndamp (H 2 O molekyler).

Det sanne antallet molekyler i et gitt volum gass er ekstremt stort, og frem til 1865 kunne det ikke bestemmes med akseptabel nøyaktighet. Allerede på Avogadros tid ble det imidlertid gjort grove estimater basert på den kinetiske teorien om gasser. En veldig praktisk enhet for å måle mengden av et stoff er føflekken, dvs. mengden av et stoff hvor det er like mange molekyler som det er atomer i 0,012 kg av den vanligste isotopen av karbon 12 C. Ett mol av en ideell gass under normale forhold (n.s.), dvs. standard temperatur og trykk, opptar et volum på 22,4 liter. Avogadros tall er det totale antallet molekyler i en mol av et stoff eller i 22,4 liter gass ved omgivelsesforhold. Andre metoder, for eksempel radiografi, gir Avogadro-nummeret N 0 mer nøyaktige verdier enn de oppnådd på grunnlag av kinetisk teori. Den for tiden aksepterte verdien er 6,0221367×10 23 atomer (molekyler) i en mol. Følgelig inneholder 1 liter luft omtrent 3×10 22 molekyler oksygen, nitrogen og andre gasser.

Den viktige rollen til Avogadros tall for atomfysikk skyldes det faktum at det lar en bestemme massen og omtrentlige dimensjoner til et atom eller molekyl. Siden massen til 22,4 liter H2-gass er 2,016×10 –3 kg, er massen til ett hydrogenatom 1,67×10 –27 kg. Hvis vi antar at atomene i et fast legeme befinner seg nær hverandre, vil Avogadros tall tillate oss å anslå radiusen omtrentlig r for eksempel aluminiumatomer. For aluminium er 1 mol lik 0,027 kg, og tettheten er 2,7H103 kg/m3. I dette tilfellet har vi

Hvor r» 1,6×10 –10 m. Dermed ga de første estimatene av Avogadros antall en idé om atomstørrelser.

Oppdagelse av elektronet. Eksperimentelle data relatert til dannelsen av kjemiske forbindelser bekreftet eksistensen av "atomiske" partikler og gjorde det mulig å bedømme den lille størrelsen og massen til individuelle atomer. Den faktiske strukturen til atomer, inkludert eksistensen av enda mindre partikler som utgjør atomer, forble imidlertid uklar frem til J. J. Thomsons oppdagelse av elektronet i 1897. Inntil da ble atomet ansett som udelelig og forskjellene i de kjemiske egenskapene til ulike grunnstoffer hadde ingen forklaring. Allerede før Thomsons oppdagelse var det utført en rekke interessante eksperimenter der andre forskere studerte elektrisk strøm i glassrør fylt med gass ved lavt trykk. Slike rør, kalt Geissler-rør etter den tyske glassblåseren G. Geissler (1815–1879), som først begynte å lage dem, avga en skarp glød når de ble koblet til høyspentviklingen til en induksjonsspole. Disse elektriske utladningene ble interessert i W. Crookes (1832–1919), som slo fast at arten av utladningen i røret endres avhengig av trykket, og utladningen forsvinner fullstendig ved høyvakuum. Senere studier av J. Perrin (1870–1942) viste at «katodestrålene» som forårsaker gløden er negativt ladede partikler som beveger seg i en rett linje, men som kan avledes av et magnetfelt. Ladningen og massen til partiklene forble imidlertid ukjent og det var uklart om alle negative partikler var like.

Thomsons store fortjeneste var beviset på at alle partiklene som danner katodestråler er identiske med hverandre og er en del av materien. Ved å bruke en spesiell type utløpsrør, vist i fig. 1, målte Thomson hastigheten og ladning-til-masse-forholdet til katodestrålepartikler, senere kalt elektroner. Elektroner fløy ut av katoden under påvirkning av en høyspentutladning i røret. Gjennom åpninger D Og E Bare de som flyr langs rørets akse passerte gjennom.

Ris. 1. LADNING TIL MASSEFORHOLD. Rør brukt av den engelske fysikeren J. Thomson for å bestemme forholdet mellom ladning og masse for katodestråler. Disse eksperimentene førte til oppdagelsen av elektronet.

I normal modus treffer disse elektronene midten av den selvlysende skjermen. (Thomsons rør var det første "katodestrålerøret" med en skjerm, en forløper til fjernsynsbilderøret.) Røret inneholdt også et par elektriske kondensatorplater som, når de ble aktivert, kunne avlede elektroner. Elektrisk energi F E, som handler på siktelsen e fra det elektriske feltet E, er gitt av uttrykket

FE = eE .

I tillegg kan et magnetfelt skapes i samme område av røret ved å bruke et par strømførende spoler, som er i stand til å avlede elektroner i motsatt retning. Makt F H, som virker fra magnetfeltet H, proporsjonal med feltstyrken, partikkelhastigheten v og hennes anklage e :

F H = Hev .

Thomson justerte de elektriske og magnetiske feltene slik at den totale avbøyningen av elektronene var null, dvs. elektronstrålen returnerte til sin opprinnelige posisjon. Siden i dette tilfellet begge kreftene F E Og F H er like, hastigheten til elektronene er gitt av

v = E/H .

Thomson fant ut at denne hastigheten avhenger av spenningen på røret V og at den kinetiske energien til elektroner mv 2/2 er direkte proporsjonal med denne spenningen, dvs. mv 2 /2 = eV. (Derav begrepet "elektron-volt" for energien som tilegnes av en partikkel med en ladning lik den til et elektron når den akselereres med en potensialforskjell på 1 V.) Ved å kombinere denne ligningen med uttrykket for elektronets hastighet, fant ladning-til-masse-forholdet:

Disse eksperimentene gjorde det mulig å fastslå sammenhengen e /m for et elektron og ga en omtrentlig ladningsverdi e. Akkurat verdi e ble målt av R. Milliken, som i sine forsøk sørget for at ladede oljedråper hang i luften mellom platene til en kondensator. For tiden er egenskapene til elektronet kjent med stor nøyaktighet:

Dermed er massen til elektronet betydelig mindre enn massen til hydrogenatomet:

Thomsons eksperimenter viste at elektroner i elektriske utladninger kan oppstå fra hvilket som helst stoff. Siden alle elektroner er like, må elementene avvike bare i antall elektroner. I tillegg indikerte den lille verdien av elektronmassen at massen til atomet ikke var konsentrert i dem.

Thomson massespektrograf. Snart kunne den gjenværende delen av atomet med positiv ladning observeres ved hjelp av det samme, om enn modifiserte, utladningsrøret, som gjorde det mulig å åpne elektronet. Allerede de første eksperimentene med utladningsrør viste at hvis en katode med et hull plasseres i midten av røret, passerer positivt ladede partikler gjennom "kanalen" i katoden, noe som forårsaker lysstoffrøret plassert i enden av røret motsatt. fra anoden til gløden. Disse positive "kanalstrålene" ble også avbøyd av magnetfeltet, men i motsatt retning av elektronene.

Thomson bestemte seg for å måle massen og ladningen til disse nye strålene, også ved å bruke elektriske og magnetiske felt for å avlede partiklene. Instrumentet hans for å studere positive stråler, "massespektrografen", er vist skjematisk i fig. 2. Den er forskjellig fra enheten vist i fig. 1, ved at de elektriske og magnetiske felt avbøyer partikler i rette vinkler til hverandre, og derfor kan "null" avbøyning ikke oppnås. Positivt ladede atomer på banen mellom anode og katode kan miste ett eller flere elektroner, og kan av denne grunn akselereres til forskjellige energier. Atomer av samme type med samme ladning og masse, men med en viss spredning i slutthastigheter, vil tegne en buet linje (parabelsegment) på en selvlysende skjerm eller fotografisk plate. I nærvær av atomer med ulik masse vil tyngre atomer (med samme ladning) avvike mindre fra sentralaksen enn lettere. I fig. Figur 3 viser et fotografi av paraboler oppnådd på en Thomson massespektrograf. Den smaleste parabelen tilsvarer det tyngste enkeltioniserte atomet (kvikksølvatomet), som ett elektron har blitt slått ut fra. De to bredeste parablene tilsvarer hydrogen, den ene til atomær H +, og den andre til molekylær H 2 +, som begge er enkelt ionisert. I noen tilfeller går to, tre eller til og med fire ladninger tapt, men atomært hydrogen har aldri blitt observert å bli ionisert mer enn én gang. Denne omstendigheten var den første indikasjonen på at hydrogenatomet bare har ett elektron, dvs. det er det enkleste av atomer.

Ris. 2. MASSESPEKTROGRAF, brukt av Thomson for å bestemme de relative massene til forskjellige atomer fra avbøyningen av positive stråler i magnetiske og elektriske felt.

Ris. 3. MASSESPEKTRA, fotografier med fordelingen av ioniserte atomer av fem stoffer, oppnådd i en massespektrograf. Jo større masse av atomer, jo mindre avvik.

Andre bevis på den komplekse strukturen til atomet. Samtidig som Thomson og andre eksperimenterte med katodestråler, brakte oppdagelsen av røntgenstråler og radioaktivitet ytterligere bevis på atomets komplekse struktur. I 1895 oppdaget V. Roentgen (1845–1923) ved et uhell mystisk stråling (“ X-stråler"), trengte gjennom det svarte papiret som han pakket inn Crookes-røret med mens han undersøkte det grønne selvlysende området av den elektriske utladningen. X-stråler forårsaket gløden til en ekstern skjerm belagt med krystallinsk bariumplatinocyanid. Roentgen fant ut at ulike stoffer av ulik tykkelse som ble introdusert mellom skjermen og røret svekket gløden, men slo den ikke helt. Dette indikerte ekstremt høy penetreringsevne X-stråler. Røntgen viste også at disse strålene forplanter seg rettlinjet og ikke avbøyes av elektriske og magnetiske felt. Fremveksten av slik usynlig, gjennomtrengende stråling fra elektronbombardement av forskjellige materialer var noe helt nytt. Det var kjent at synlig lys fra Geissler-rør besto av individuelle "spektrallinjer" med spesifikke bølgelengder og var derfor assosiert med "vibrasjoner" av atomer som hadde diskrete frekvenser. Et vesentlig trekk ved den nye strålingen, som skilte den fra de optiske spektrene, i tillegg til dens høye penetreringsevne, var at de optiske spektrene til grunnstoffer med et suksessivt økende antall elektroner var helt forskjellige fra hverandre, mens spektrene X-stråler endret seg veldig lite fra element til element.

En annen oppdagelse knyttet til atomstruktur var at atomer av noen grunnstoffer spontant kan sende ut stråling. Dette fenomenet ble oppdaget i 1896 av A. Becquerel (1852–1908). Becquerel oppdaget radioaktivitet ved å bruke uransalter mens han studerte luminescensen til salter under påvirkning av lys og dens forhold til luminescensen til glass i et røntgenrør. I et av forsøkene ble det observert sverting av en fotografisk plate, pakket inn i svart papir og plassert nær uransaltet i fullstendig mørke. Denne tilfeldige oppdagelsen stimulerte et intensivt søk etter andre eksempler på naturlig radioaktivitet og eksperimenter for å bestemme arten av den utsendte strålingen. I 1898 oppdaget P. Curie (1859–1906) og M. Curie (1867–1934) ytterligere to radioaktive grunnstoffer – polonium og radium. E. Rutherford (1871–1937), etter å ha studert gjennomtrengningsevnen til uranstråling, viste at det finnes to typer stråling: svært "myk" stråling, som lett absorberes av stoffet og som Rutherford kalte alfastråler, og mer penetrerende. stråling, som han kalte beta-stråler. Beta-stråler viste seg å være identiske med vanlige elektroner, eller "katodestråler", som oppsto i utladningsrør. Alfastråler, som det viste seg, har samme ladning og masse som heliumatomer, fratatt to av elektronene deres. Den tredje typen stråling, kalt gammastråler, viste seg å ligne X-stråler, men hadde enda større penetreringskraft.

Alle disse oppdagelsene viste tydelig at atomet ikke er «udelelig». Ikke bare består den av mindre deler (elektroner og tyngre positive partikler), men disse og andre underpartikler ser ut til å bli spontant sendt ut under radioaktivt nedbrytning av tunge grunnstoffer. I tillegg sender atomer ikke bare ut stråling i det synlige området ved diskrete frekvenser, men kan også bli så opphisset at de begynner å sende ut «hardere» elektromagnetisk stråling, nemlig X-stråler.

Thomsons modell av atomet. J. Thomson, som ga et enormt bidrag til den eksperimentelle studien av strukturen til atomet, søkte å finne en modell som kunne forklare alle dets kjente egenskaper. Siden den dominerende brøkdelen av massen til et atom er konsentrert i dets positivt ladede del, antok han at atomet er en sfærisk fordeling av positiv ladning med en radius på omtrent 10 -10 m, og på overflaten er det elektroner holdt av elastikk krefter som gjør at de kan svinge (fig. 4). Den netto negative ladningen til elektronene kansellerer nøyaktig den positive ladningen, slik at atomet er elektrisk nøytralt. Elektronene er på sfæren, men kan utføre enkle harmoniske svingninger i forhold til likevektsposisjonen. Slike oscillasjoner kan bare forekomme ved visse frekvenser, som tilsvarer smale spektrallinjer observert i gassutladningsrør. Elektroner kan ganske enkelt slås ut av posisjonene sine, noe som resulterer i positivt ladede "ioner" som utgjør "kanalstrålene" i massespektrografeksperimenter. X-stråler tilsvarer svært høye overtoner av de fundamentale vibrasjonene til elektroner. Alfa-partikler produsert under radioaktive transformasjoner er en del av den positive sfæren, slått ut av den som et resultat av noe energisk riving av atomet.

Ris. 4. ATOM, i henhold til Thomsons modell. Elektroner holdes inne i en positivt ladet kule av elastiske krefter. De av dem som er på overflaten kan "slå ut" ganske enkelt, og etterlater et ionisert atom.

Denne modellen reiste imidlertid en rekke innvendinger. En av dem skyldtes det faktum at, som spektroskopister som målte utslippslinjene oppdaget, er frekvensene til disse linjene ikke enkle multipler av den laveste frekvensen, slik tilfellet burde være i tilfellet med periodiske ladningsoscillasjoner. I stedet beveger de seg nærmere hverandre etter hvert som frekvensen øker, som om de nærmer seg en grense. Allerede i 1885 klarte I. Balmer (1825–1898) å finne en enkel empirisk formel som forbinder frekvensene til linjene i den synlige delen av hydrogenspekteret:

Hvor n- Frekvens, c– lysets hastighet (3×10 8 m/s), n– et heltall og R H- en viss konstant faktor. I henhold til denne formelen, i en gitt serie med spektrallinjer av hydrogen skal det ikke være noen linjer med en bølgelengde l mindre enn 364,56 nm (eller høyere frekvenser) tilsvarende n= Ґ. Dette viste seg å være tilfelle, og dette ble en alvorlig innvending mot Thomsons modell av atomet, selv om det ble gjort forsøk på å forklare avviket med forskjellen i elastiske gjenopprettingskrefter for forskjellige elektroner.

Basert på Thomsons modell av atomet var det også ekstremt vanskelig å forklare utslipp av røntgenstråler eller gammastråling fra atomer.

Vanskeligheter i Thomsons atommodell var også forårsaket av holdningen e/m ladning til masse for atomer som har mistet elektronene sine ("kanalstråler"). Det enkleste atomet er et hydrogenatom med ett elektron og en relativt massiv kule som bærer en positiv ladning. Mye tidligere, i 1815, foreslo W. Prout at alle tyngre atomer består av hydrogenatomer, og det ville være forståelig om atomets masse økte proporsjonalt med antallet elektroner. Målinger har imidlertid vist at forholdet mellom ladning og masse ikke er det samme for ulike grunnstoffer. For eksempel er massen til et neonatom omtrent 20 ganger massen til et hydrogenatom, mens ladningen bare er 10 enheter positiv ladning (et neonatom har 10 elektroner). Situasjonen var som om den positive ladningen hadde en variabel masse, eller det var egentlig 20 elektroner, men 10 av dem var inne i sfæren.

http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMA_STROENIE.html

Alle kropper av levende og livløs natur, til tross for deres mangfold, består av små partikler - atomer. Den første som antyder dette er den antikke greske filosofen Demokrit. Det var han som kalte et atom for den minste udelelige partikkel som danner en substans (atom oversatt fra gresk som "udelelig"). Først på slutten av 1800-tallet. Det ble gjort funn som viste kompleksiteten til atomets struktur, at atomer brytes ned til mindre elementærpartikler og dermed ikke er "atomer" i Demokrits forstand. Ikke desto mindre brukes begrepet fortsatt i moderne kjemi og fysikk, til tross for uoverensstemmelsen mellom dets etymologi og moderne ideer om strukturen til atomet.

Første ideer om atomet

Democritus mente at hvis du deler for eksempel et eple i to halvdeler, så en av dem i to deler til, og fortsetter deling på denne måten til resultatet av delingen slutter å være et eple, så er den minste partikkelen som fortsatt beholder egenskapen til et eple er et epleatom (dvs. en udelelig del av eplet). Han hevdet at atomer eksisterer for alltid; de er så små at størrelsen deres ikke kan måles; alle atomer er like, men de er forskjellige i utseende (vannatomer er for eksempel glatte, de er i stand til å rulle, og derfor er fluiditet karakteristisk for væsken; jernatomer har tenner som de griper inn i hverandre med, noe som gir jern egenskapene til et fast stoff). Demokrits ideer var spekulative.

En gruppe greske filosofer som mente at slike små udelelige partikler fantes ble kalt atomister. Atomisme- naturfilosofisk teori, ifølge hvilken sanseoppfattede (materielle) ting består av kjemisk udelelige partikler - atomer. (I moderne fysikk er spørsmålet om atomisme åpent. Noen teoretikere holder seg til atomisme, men atomer betyr fundamentale partikler som er videre udelelige).

Grunnleggende om atomteorien om materiens struktur

I 1808 gjenopplivet fysikeren Dalton John (1766–1844) atomismen og beviste virkeligheten av eksistensen av atomer. Han skrev: «Atomer er kjemiske elementer som ikke kan skapes på nytt, deles inn i mindre partikler eller ødelegges gjennom noen kjemiske transformasjoner. Enhver kjemisk reaksjon endrer ganske enkelt rekkefølgen atomene er gruppert i." John Dalton introduserte konseptet "atomvekt", var den første som beregnet atomvektene (massen) til en rekke grunnstoffer og kompilerte den første tabellen over deres relative atomvekter, og la dermed grunnlaget for atomteorien om strukturen til saken.

Dalton var en av de mest kjente og respekterte vitenskapsmennene i sin tid, viden kjent for sitt banebrytende arbeid innen ulike kunnskapsfelt. Han var den første (1794) som forsket og beskrev en synsfeil som han selv led av - fargeblindhet, senere kalt fargeblindhet til hans ære; oppdaget loven om partialtrykk (Daltons lov) (1801), loven om jevn utvidelse av gasser ved oppvarming (1802), loven om løselighet av gasser i væsker (Henry-Daltons lov). Etablerte loven om flere forhold (1803), oppdaget fenomenet polymerisering (ved å bruke eksemplet med etylen og butylen).

Spørsmålet om den indre strukturen til atomer dukket imidlertid ikke engang opp, siden atomer ble ansett som udelelige.

I 1897 kom den engelske fysikeren J. Thomson, som studerte katodestråler, til den konklusjon at atomene til ethvert stoff inneholder negativt ladede partikler, som han kalte elektroner. Thomsons store fortjeneste var beviset på at alle partiklene som danner katodestråler er identiske med hverandre og er en del av materien. Han foreslo den første modellen av atomet, "rosinpudding"-modellen i 1904.

I følge Thomson opptar den positive ladningen til et atom hele volumet av atomet og er fordelt i dette volumet med en konstant tetthet; i en positivt ladet sfære er det flere elektroner, slik at atomet er som en kake, hvor elektroner spille rollen som rosiner.

Kjernemodell av atomet (planetarisk)

Rutherford bombarderte atomer av tunge grunnstoffer (gull, sølv, kobber, etc.) med alfapartikler. α-partikler er fullt ioniserte heliumatomer. Elektronene som utgjør atomene, kan på grunn av deres lave masse ikke nevneverdig endre banen til α-partikkelen. Spredning, det vil si en endring i bevegelsesretningen til α-partikler, kan bare forårsakes av den tunge, positivt ladede delen av atomet.

Det ble funnet at de fleste α-partikler passerer gjennom et tynt lag av metall med liten eller ingen avbøyning. Imidlertid avbøyes en liten del av partiklene i betydelige vinkler som overstiger 30°. Svært sjeldne alfapartikler (omtrent én av ti tusen) ble avbøyd i vinkler nær 180°.

Dette resultatet var helt uventet selv for Rutherford. Det var i skarp motsetning til Thomsons modell av atomet, ifølge hvilken den positive ladningen er fordelt over hele atomvolumet. Med en slik fordeling kan ikke den positive ladningen skape et sterkt elektrisk felt som kan kaste α-partikler tilbake.

Disse betraktningene førte til at Rutherford konkluderte med at atomet er nesten tomt, og all dets positive ladning er konsentrert i et lite volum. Rutherford kalte denne delen av atomet atomkjernen. Slik oppsto det kjernefysisk modell av atomet(planetarisk):
1. I sentrum av atomet er det en positivt ladet kjerne, som okkuperer en ubetydelig del av rommet inne i atomet.
2. All den positive ladningen og nesten all massen til et atom er konsentrert i kjernen (massen til et elektron er 1/1823 amu).
3. Elektroner roterer rundt kjernen. Antallet deres er lik den positive ladningen til kjernen.

Men på grunnlag av denne modellen er det umulig å forklare faktum om eksistensen av et atom, dets stabilitet. Tross alt skjer bevegelsen av elektroner i baner med akselerasjon, og ganske betydelig. I følge elektrodynamikkens lover må et akselerert elektron miste energi og nærme seg kjernen. Som beregninger basert på newtonsk mekanikk og maxwellsk elektrodynamikk viser, må et elektron falle ned på kjernen i løpet av en ubetydelig tid. Atomet må slutte å eksistere. I virkeligheten skjer ingenting slikt. Atomer er stabile og i en ueksitert tilstand kan eksistere på ubestemt tid, uten å sende ut elektromagnetiske bølger i det hele tatt. Konklusjonen som er inkonsistent med erfaring om atomets uunngåelige død på grunn av tap av energi gjennom stråling er resultatet av å anvende lovene i klassisk fysikk på fenomenene som oppstår inne i atomet. Det følger at lovene i klassisk fysikk er uakseptable for fenomener i atomskala.

Den danske fysikeren Niels Bohr (1885 - 1962) mente at mikropartiklers oppførsel ikke kan beskrives med de samme lovene som makroskopiske legemer.
Bohr foreslo at mengdene som karakteriserer mikroverdenen burde kvantisere , dvs. de kan bare ta på seg visse diskrete verdier.
Mikroverdenens lover er kvantelover! Disse lovene var ennå ikke etablert av vitenskapen på begynnelsen av 1900-tallet. Bohr formulerte dem i form av tre postulater. utfyller (og "redder") Rutherfords atom. Teorien hans førte deretter til opprettelsen av en sammenhengende teori om bevegelsen av mikropartikler - kvantemekanikk.

Bohrs første postulat tilstander: et atomsystem kan bare være i spesielle stasjonære, eller kvantetilstander, som hver tilsvarer en viss energi E. I en stasjonær tilstand stråler ikke atomet.
I følge Bohrs andre postulat lysutslipp oppstår når et atom går over fra en stasjonær tilstand med høyere energi til en stasjonær tilstand med lavere energi. Energien til det utsendte fotonet er lik energiforskjellen mellom de stasjonære tilstandene.

Kvanteteori om atomstruktur

Bohrs teori ble erstattet av kvanteteori, som tar hensyn til bølgeegenskapene til elektronet og andre elementærpartikler som danner atomet.

Den moderne teorien om atomstruktur er basert på følgende grunnleggende prinsipper:

1. Elektronet har en dobbel (partikkelbølge) natur. Det kan oppføre seg både som en partikkel og som en bølge, som en partikkel har et elektron en viss masse og ladning; samtidig viser et elektron i bevegelse bølgeegenskaper, for eksempel er det preget av evnen til diffraksjon. Elektronbølgelengden λ og dens hastighet v er relatert av de Broglie-relasjonen:

λ = h/mv, hvor m er elektronmassen.

2. For et elektron er det umulig å nøyaktig måle dets posisjon og hastighet samtidig. Jo mer nøyaktig vi måler hastigheten, jo større er usikkerheten i koordinaten, og omvendt. Det matematiske uttrykket for Heisenberg-usikkerhetsprinsippet er relasjonen

∆x∙m∙∆v > ћ/2,
hvor ∆x er usikkerheten til koordinatposisjonen, ∆v er feilen ved måling av hastigheten.

3. Et elektron i et atom beveger seg ikke langs visse baner, men kan være lokalisert i en hvilken som helst del nær kjernerommet, men sannsynligheten for at det befinner seg i forskjellige deler av dette rommet er ikke den samme. Rommet rundt kjernen der sannsynligheten for å finne et elektron er ganske høy kalles orbital.

4. Atomkjernene består av protoner og nøytroner (vanligvis kalt nukleoner). Antall protoner i kjernen er lik grunnstoffets atomnummer, og summen av antall protoner og nøytroner tilsvarer massetallet.

Den siste posisjonen ble formulert etter at E. Rutherford oppdaget protonet i 1920, og nøytronet i 1932 av J. Chadwick.

Ulike typer atomer har et felles navn - nuklider. Det er nok å karakterisere nuklider med to tall fra tre grunnleggende parametere: A - massetall, Z - kjerneladning lik antall protoner og N - antall nøytroner i kjernen. Disse parameterne er sammenkoblet av følgende relasjoner:

Z = A - N,
N = A - Å,
A= Z + N.

Nuklider med samme Z men forskjellige A og N kalles isotoper.

Bestemmelsene formulert ovenfor danner essensen av en ny teori som beskriver bevegelsen til mikropartikler - kvantemekanikk (mekanikk som gjelder bevegelse av vanlige kropper og beskrevet av Newtons lover begynte å bli kalt klassisk mekanikk). Det største bidraget til utviklingen av denne teorien ble gitt av franskmannen L. de Broglie, tyskeren W. Heisenberg, østerrikeren E. Schrödinger og engelskmannen P. Dirac. Hver av disse forskerne ble deretter tildelt en Nobelpris.

Kvantemekanikk er en matematisk svært kompleks teori. Men dette er ikke hovedvanskeligheten. Prosessene som kvantemekanikken beskriver - prosessene i mikroverdenen - er utilgjengelige ikke bare for oppfatningen av sansene våre, men også for fantasien. Folk blir fratatt muligheten til å visuelt forestille seg dem i sin helhet, siden de er helt forskjellige fra de makroskopiske fenomenene som menneskeheten har observert i millioner av år. Den menneskelige fantasien skaper ikke nye, men kombinerer bare kjente, derfor er det nesten umulig å beskrive oppførselen til fotoner og andre partikler i vårt makroskopiske språk.

Oppdagelsen av atomets komplekse struktur er det viktigste stadiet i utviklingen av moderne fysikk. I prosessen med å lage en kvantitativ teori om atomstruktur, som gjorde det mulig å forklare atomsystemer, ble det dannet nye ideer om egenskapene til mikropartikler, som er beskrevet av kvantemekanikk.
Ideen om atomer som udelelige minste partikler av stoffer, som nevnt ovenfor, oppsto i antikken (Democritus, Epicurus, Lucretius). I middelalderen fikk ikke læren om atomer, som var materialistisk, anerkjennelse. Ved begynnelsen av 1700-tallet. atomteori blir stadig mer populær. På dette tidspunktet var verkene til den franske kjemikeren A. Lavoisier (1743-1794), den store russiske vitenskapsmannen M.V. Lomonosov og den engelske kjemikeren og fysikeren D. Dalton (1766-1844) beviste virkeligheten av eksistensen av atomer. På dette tidspunktet oppsto imidlertid ikke spørsmålet om den indre strukturen til atomer, siden atomer ble ansett som udelelige.
En stor rolle i utviklingen av atomteori ble spilt av den fremragende russiske kjemikeren D.I. Mendeleev, som i 1869 utviklet det periodiske systemet av grunnstoffer, der for første gang spørsmålet om atomenes enhetlige natur ble reist på et vitenskapelig grunnlag. I andre halvdel av 1800-tallet. Det er eksperimentelt bevist at elektronet er en av hoveddelene i ethvert stoff. Disse konklusjonene, så vel som en rekke eksperimentelle data, førte til det faktum at på begynnelsen av det 20. århundre. Spørsmålet om strukturen til atomet dukket opp for alvor.
Eksistensen av en naturlig forbindelse mellom alle kjemiske elementer, tydelig uttrykt i Mendeleevs periodiske system, antyder at strukturen til alle atomer er basert på en felles egenskap: de er alle nært beslektet med hverandre.
Imidlertid frem til slutten av 1800-tallet. I kjemien rådde den metafysiske overbevisningen om at atomet er den minste partikkelen av enkel materie, den endelige grensen for materiens delbarhet. Under alle kjemiske transformasjoner er det kun molekyler som ødelegges og skapes igjen, mens atomer forblir uendret og ikke kan deles i mindre deler.
I lang tid ble forskjellige antakelser om atomets struktur ikke bekreftet av noen eksperimentelle data. Først på slutten av 1800-tallet. det ble gjort funn som viste kompleksiteten i strukturen til atomet og muligheten for å transformere noen atomer til andre under visse forhold. Basert på disse oppdagelsene begynte læren om strukturen til atomet å utvikle seg raskt.
Det første indirekte beviset på den komplekse strukturen til atomer ble oppnådd fra studiet av katodestråler generert under en elektrisk utladning i svært sjeldne gasser. Studiet av egenskapene til disse strålene førte til konklusjonen at de er en strøm av små partikler som bærer en negativ elektrisk ladning og flyr med en hastighet nær lysets hastighet. Ved hjelp av spesielle teknikker var det mulig å bestemme massen av katodepartikler og størrelsen på ladningen deres, og finne ut at de ikke avhenger verken av arten av gassen som er igjen i røret, eller av stoffet som elektrodene fra. er laget, eller på andre eksperimentelle forhold. Dessuten er katodepartikler bare kjent i ladet tilstand og kan ikke strippes for ladningene og omdannes til elektrisk nøytrale partikler: elektrisk ladning er essensen av deres natur. Disse partiklene, kalt elektroner, ble oppdaget i 1897 av den engelske fysikeren J. Thomson.
Studiet av strukturen til atomet begynte praktisk talt i 1897-1898, etter at katodestrålenes natur som en strøm av elektroner endelig ble etablert og ladningen og massen til elektronet ble bestemt. Thomson foreslo første atommodell, og forestiller seg atomet som en materieklump med en positiv elektrisk ladning, der så mange elektroner er innblandet at det gjør det til en elektrisk nøytral formasjon. I denne modellen ble det antatt at elektroner under påvirkning av ytre påvirkninger kunne oscillere, dvs. bevege seg med en akselerert hastighet. Det ser ut til at dette gjorde det mulig å svare på spørsmål om utslipp av lys fra materieatomer og gammastråler fra atomer av radioaktive stoffer.
Thomsons modell av atomet antok ikke positivt ladede partikler inne i et atom. Men hvordan kan vi da forklare utslippet av positivt ladede alfapartikler fra radioaktive stoffer? Thomsons atommodell svarte ikke på noen andre spørsmål.
I 1911 oppdaget den engelske fysikeren E. Rutherford, mens han studerte bevegelsen av alfapartikler i gasser og andre stoffer, en positivt ladet del av atomet. Ytterligere mer grundige studier viste at når en stråle av parallelle stråler passerer gjennom lag av gass eller en tynn metallplate, kommer det ikke lenger parallelle stråler, men noe divergerende stråler: alfapartikler er spredt, dvs. de avviker fra den opprinnelige banen. Avbøyningsvinklene er små, men det er alltid et lite antall partikler (omtrent én av flere tusen) som avbøyes veldig kraftig. Noen partikler kastes tilbake som om de hadde møtt en ugjennomtrengelig barriere. Dette er ikke elektroner - massen deres er mye mindre enn massen av alfapartikler. Avbøyning kan oppstå når man kolliderer med positive partikler hvis masse er av samme størrelsesorden som massen til alfapartikler. Basert på disse betraktningene, foreslo Rutherford følgende diagram av strukturen til atomet.
I sentrum av atomet er det en positivt ladet kjerne, rundt hvilken elektroner roterer i forskjellige baner. Sentrifugalkraften som oppstår under deres rotasjon balanseres av tiltrekningen mellom kjernen og elektronene, som et resultat av at de forblir i visse avstander fra kjernen. Siden massen til et elektron er ubetydelig, er nesten hele massen til et atom konsentrert i kjernen. Andelen av kjernen og elektronene, hvis antall er relativt lite, utgjør bare en ubetydelig del av det totale rommet som okkuperes av atomsystemet.
Strukturen til atomet foreslått av Rutherford eller, som de vanligvis sier, planetarisk atommodell, forklarer enkelt fenomenene med alfapartikkelavbøyning. Faktisk er størrelsen på kjernen og elektronene ekstremt liten sammenlignet med størrelsen på hele atomet, som bestemmes av banene til elektronene lengst fra kjernen, så de fleste alfapartikler flyr gjennom atomer uten merkbar avbøyning. Bare i tilfeller der alfapartikkelen kommer veldig nær kjernen, får den elektrisk frastøting den til å avvike kraftig fra sin opprinnelige bane. Dermed la studiet av spredning av alfapartikler grunnlaget for kjernefysisk teori om atomet.

4.2. Bohrs postulater

Den planetariske modellen av atomet gjorde det mulig å forklare resultatene av eksperimenter på spredning av alfapartikler av materie, men grunnleggende vanskeligheter oppsto med å rettferdiggjøre stabiliteten til atomer.
Det første forsøket på å konstruere en kvalitativt ny - kvanteteori om atomet ble gjort i 1913 av Niels Bohr. Han satte seg som mål å knytte sammen de empiriske lovene for linjespektra, Rutherfords kjernefysiske modell av atomet og kvantenaturen til utslipp og absorpsjon av lys til en enkelt helhet. Bohr baserte sin teori på Rutherfords kjernefysiske modell. Han foreslo at elektroner beveger seg rundt kjernen i sirkulære baner. Sirkulær bevegelse, selv ved konstant hastighet, har akselerasjon. Denne akselererte ladningsbevegelsen tilsvarer vekselstrøm, som skaper et vekslende elektromagnetisk felt i rommet. Det forbrukes energi for å lage dette feltet. Feltenergien kan skapes på grunn av energien fra Coulomb-interaksjonen mellom elektronet og kjernen. Som et resultat må elektronet bevege seg i en spiral og falle ned på kjernen. Erfaring viser imidlertid at atomer er svært stabile formasjoner. Det følger av dette at resultatene av klassisk elektrodynamikk, basert på Maxwells ligninger, ikke er anvendelige for intraatomære prosesser. Det er nødvendig å finne nye mønstre. Bohr baserte sin teori om atomet på følgende postulater.
Bohrs første postulat (postulat av stasjonære tilstander): i et atom er det stasjonære (som ikke endrer seg med tiden) tilstander der det ikke avgir energi. Stasjonære tilstander til et atom tilsvarer stasjonære baner som elektroner beveger seg langs. Bevegelsen av elektroner i stasjonære baner er ikke ledsaget av emisjon av elektromagnetiske bølger.
Dette postulatet er i konflikt med den klassiske teorien. I den stasjonære tilstanden til et atom må et elektron som beveger seg i en sirkulær bane ha diskrete kvanteverdier av vinkelmomentum.
Bohrs andre postulat (frekvensregel): når et elektron beveger seg fra en stasjonær bane til en annen, sendes ett foton med energi ut (absorberes)

lik forskjellen mellom energiene til de tilsvarende stasjonære tilstandene (En og Em er henholdsvis energiene til atomets stasjonære tilstander før og etter stråling/absorpsjon).
Overgangen til et elektron fra et stasjonært banenummer m til et stasjonært banetall n tilsvarer overgangen til et atom fra en tilstand med energi Em inn i en tilstand med energi En (fig. 4.1).

Ris. 4.1. Til en forklaring av Bohrs postulater

Ved En > Em skjer fotonutslipp (overgangen til et atom fra en tilstand med høyere energi til en tilstand med lavere energi, dvs. overgangen til et elektron fra en bane som er mer fjernt fra kjernen til en nærmere), ved En< Еm - его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

kvanteoverganger og bestemmer linjespekteret til et atom.
Bohrs teori forklarte briljant det eksperimentelt observerte linjespekteret av hydrogen.
Suksessene til teorien om hydrogenatomet ble oppnådd på bekostning av å forlate de grunnleggende prinsippene for klassisk mekanikk, som har vært ubetinget gyldig i mer enn 200 år. Derfor var direkte eksperimentelt bevis på gyldigheten av Bohrs postulater, spesielt det første - om eksistensen av stasjonære tilstander - av stor betydning. Det andre postulatet kan betraktes som en konsekvens av loven om bevaring av energi og hypotesen om eksistensen av fotoner.
Tyske fysikere D. Frank og G. Hertz, som studerte kollisjonen av elektroner med gassatomer ved bruk av retarderende potensialmetoden (1913), bekreftet eksperimentelt eksistensen av stasjonære tilstander og diskretiteten til atomenergiverdier.
Til tross for den utvilsomme suksessen til Bohrs konsept i forhold til hydrogenatomet, som det viste seg å være mulig å konstruere en kvantitativ teori for spekteret for, var det ikke mulig å lage en lignende teori for heliumatomet ved siden av hydrogen basert på Bohrs teori. ideer. Når det gjelder heliumatomet og mer komplekse atomer, tillot Bohrs teori oss å trekke kun kvalitative (om enn svært viktige) konklusjoner. Ideen om visse baner som et elektron beveger seg langs i et Bohr-atom viste seg å være veldig betinget. Faktisk har bevegelsen av elektroner i et atom lite til felles med bevegelsen til planeter i bane.
For tiden, ved hjelp av kvantemekanikk, er det mulig å svare på mange spørsmål angående strukturen og egenskapene til atomer til alle elementer.

4.3. Partikkelbølgeegenskaper til mikropartikler

Universaliteten til partikkelbølgekonseptet

Den franske forskeren Louis de Broglie (1892-1987), som innså symmetrien som eksisterer i naturen og utviklet ideer om lysets doble korpuskulære bølge-natur, fremsatte en hypotese om universalitet av bølge-partikkel dualitet. Han hevdet at ikke bare fotoner, men også elektroner og andre partikler av materie, sammen med korpuskulære, har bølgeegenskaper.
I følge de Broglie er hvert mikroobjekt på den ene siden assosiert med korpuskulære egenskaper: energi E og momentum R, og på den annen side bølgekarakteristikk - frekvens v og bølgelengde. Formlene som forbinder korpuskulær- og bølgeegenskapene til partikler er de samme som for fotoner:

E=h; р = h/λ.

Dristigheten i de Broglies hypotese lå nettopp i det faktum at de gitte formlene ble postulert ikke bare for fotoner, men også for andre mikropartikler, spesielt for de som har en hvilemasse. Således, med en hvilken som helst partikkel med momentum, bestemmes en bølgeprosess med en bølgelengde de Broglies formel:

Denne formelen er gyldig for enhver partikkel med momentum R.
Snart ble de Broglies hypotese bekreftet eksperimentelt av amerikanske fysikere K. Davisson (1881-1958) og L. Germer (1896-1971), som oppdaget at en elektronstråle spredt fra det naturlige diffraksjonsgitteret til en nikkelkrystall gir et distinkt diffraksjonsmønster .
De Broglies eksperimentelt bekreftede hypotese om bølge-partikkel-dualiteten til egenskapene til materie endret radikalt ideen om egenskapene til mikroobjekter. Alle mikroobjekter har både korpuskulære og bølgeegenskaper: de har potensial til å manifestere seg, avhengig av ytre forhold, enten i form av en bølge eller i form av en partikkel.

Prinsipper for usikkerhet og addisjonalitet

I henhold til den doble korpuskulære bølgenaturen til materiepartikler, brukes enten bølge- eller korpuskulære konsepter for å beskrive egenskapene til mikropartikler. Det er umulig å tilskrive dem alle egenskapene til partikler og alle egenskapene til bølger. Det er behov for å innføre noen begrensninger i anvendelsen av konseptene for klassisk mekanikk på objekter i mikroverdenen.
I klassisk mekanikk beveger hver partikkel seg langs en bestemt bane, slik at dens koordinater og momentum til enhver tid er nøyaktig faste. Mikropartikler, på grunn av deres bølgeegenskaper, skiller seg betydelig fra klassiske partikler. En av hovedforskjellene er at det er umulig å snakke om bevegelsen til en mikropartikkel langs en viss bane og om de samtidige nøyaktige verdiene til dens koordinater og momentum. Dette følger av bølge-partikkel dualisme. Dermed har begrepet "bølgelengde ved et gitt punkt" ingen fysisk betydning, og siden momentum uttrykkes i form av bølgelengde, har en mikropartikkel med et visst momentum en helt usikker koordinat. Og omvendt, hvis en mikropartikkel er i en tilstand med en eksakt koordinatverdi, er momentumet fullstendig usikkert.
Den tyske fysikeren W. Heisenberg, som tok hensyn til bølgeegenskapene til mikropartikler og begrensningene i deres oppførsel knyttet til bølgeegenskapene, kom til konklusjonen i 1927:
Det er umulig å karakterisere et objekt i mikroverdenen samtidig med noen forhåndsbestemt nøyaktighet ved både koordinat og momentum. I følge Heisenberg usikkerhetsforhold en mikropartikkel (mikroobjekt) kan ikke samtidig ha en koordinat x og et visst momentum p, og usikkerheten til disse størrelsene tilfredsstiller betingelsen
Δx Δp ≥ h
(h er Plancks konstant), dvs. produktet av usikkerhetene til koordinaten og momentumet kan ikke være mindre enn Plancks konstant.
Manglende evne til samtidig nøyaktig å bestemme koordinaten og den tilsvarende impulskomponenten skyldes ikke ufullkommenhet av målemetoder eller måleinstrumenter. Dette er en konsekvens av spesifisiteten til mikroobjekter, som gjenspeiler særegenhetene til deres objektive egenskaper, deres doble partikkelbølgenatur. Usikkerhetsrelasjonen ble oppnådd ved samtidig å bruke de klassiske egenskapene til partikkelens bevegelse (koordinat, momentum) og tilstedeværelsen av dens bølgeegenskaper. Siden det i klassisk mekanikk er akseptert at måling av koordinater og momentum kan utføres med hvilken som helst nøyaktighet, så usikkerhetsrelasjonen er dermed en kvantebegrensning på anvendeligheten av klassisk mekanikk på mikroobjekter.
Usikkerhetsforholdet, som gjenspeiler spesifikasjonene til fysikken til mikropartikler, tillater oss for eksempel å vurdere i hvilken grad begrepene klassisk mekanikk kan brukes på mikropartikler, spesielt med hvilken grad av nøyaktighet vi kan snakke om banene til mikropartikler. Det er kjent at bevegelse langs en bane er preget til enhver tid av visse verdier for koordinater og hastighet.
For makroskopiske legemer spiller deres bølgeegenskaper ingen rolle: Koordinaten og hastigheten til makroskopiske legemer kan måles ganske nøyaktig samtidig. Dette betyr at lovene i klassisk mekanikk kan brukes til å beskrive bevegelsen til makrokropper med absolutt sikkerhet.
Usikkerhetsrelasjonen har gjentatte ganger vært gjenstand for filosofiske diskusjoner, noe som har ført noen filosofer til dens idealistiske tolkning: usikkerhetsrelasjonen, uten å gjøre det mulig samtidig nøyaktig å bestemme koordinatene og impulsene (hastighetene) til partikler, setter grensen for gjenkjenneligheten til partikler. verden, på den ene siden, og eksistensen av mikroobjekter utenfor rom og tid – med en annen. Faktisk setter ikke usikkerhetsrelasjonen noen grense for kunnskapen om mikroverdenen, men indikerer bare hvor anvendelige begrepene i klassisk mekanikk er for den.
For å beskrive mikroobjekter formulerte H. Bohr i 1927 kvantemekanikkens grunnleggende posisjon - prinsippet om komplementaritet, ifølge hvilken innhenting av eksperimentell informasjon om noen fysiske mengder som beskriver et mikroobjekt (elementærpartikkel, atom, molekyl) er uunngåelig assosiert med tap av informasjon om noen andre mengder, i tillegg til den første.
Slike gjensidig komplementære størrelser kan betraktes, for eksempel koordinaten til en partikkel og dens hastighet (eller momentum). I det generelle tilfellet, komplementære til hverandre er fysiske størrelser som tilsvarer operatører som ikke pendler med hverandre, for eksempel retningen og størrelsen på vinkelmomentum, kinetisk og potensiell energi.
Fra et fysisk synspunkt forklares prinsippet om komplementaritet ofte (etter Bohr) av påvirkningen fra et måleapparat (mikroskopisk objekt) på tilstanden til mikroobjektet. Ved nøyaktig måling av en av tilleggsmengdene (for eksempel koordinatene til en partikkel) ved hjelp av en passende enhet, gjennomgår en annen mengde (momentum) en fullstendig ukontrollert endring som et resultat av interaksjonen mellom partikkelen og enheten. Selv om denne tolkningen av komplementaritetsprinsippet bekreftes av analysen av de enkleste eksperimentene, møter den fra et generelt synspunkt filosofiske innvendinger. Fra perspektivet til moderne kvanteteori er enhetens rolle i målinger å "forberede" en viss tilstand av systemet. Stater der gjensidig komplementære størrelser samtidig vil ha nøyaktig definerte verdier er fundamentalt umulig, og hvis en av slike størrelser er nøyaktig definert, er verdiene til den andre helt usikre. Dermed gjenspeiler faktisk komplementaritetsprinsippet de objektive egenskapene til kvantesystemer som ikke er assosiert med observatøren.

4.4. Probabilistisk karakter av mikroprosesser

Probabilistiske egenskaper til mikropartikler

Eksperimentell bekreftelse av de Broglies idé om universaliteten til partikkelbølgedualisme, den begrensede anvendelsen av klassisk mekanikk på mikroobjekter, diktert av prinsippene om komplementaritet og usikkerhet, samt selvmotsigelsen i en rekke eksperimenter brukt i begynnelsen av det 20. århundre. teorier førte til et nytt stadium i utviklingen av fysiske konsepter for omverdenen, og spesielt mikroverdenen - opprettelse av kvantemekanikk, som beskriver egenskapene til mikropartikler under hensyntagen til deres bølgeegenskaper. Dens opprettelse og utvikling spenner over perioden fra 1900 (Plancks formulering av kvantehypotesen) til 20-tallet av det 20. århundre. og er først og fremst assosiert med verkene til den østerrikske fysikeren E. Schrödinger, den tyske fysikeren W. Heisenberg og den engelske fysikeren P. Dirac.
På dette tidspunktet oppsto nye grunnleggende problemer, spesielt problemet knyttet til å forstå den fysiske naturen til de Broglie-bølger. For å avklare dette, la oss vurdere diffraksjonen av mikropartikler. Diffraksjonsmønsteret observert for mikropartikler er preget av en ulik fordeling av flukser av disse partiklene, spredt eller reflektert i forskjellige retninger: et større antall partikler observeres i noen retninger enn i andre. Fra et bølgeteoretisk synspunkt betyr tilstedeværelsen av maksima i diffraksjonsmønsteret at disse retningene tilsvarer den høyeste intensiteten til de Broglie-bølger. Samtidig viser intensiteten til slike bølger seg å være større der det er et større antall partikler, det vil si at deres intensitet på et gitt punkt i rommet bestemmer antall partikler som treffer dette punktet. Følgelig er diffraksjonsmønsteret for mikropartikler en manifestasjon av et statistisk (sannsynligvis) mønster, ifølge hvilket partikler faller inn på de stedene hvor intensiteten til de Broglie-bølger er størst.
Behovet for en probabilistisk tilnærming til beskrivelsen av mikropartikler er et viktig særtrekk ved kvanteteorien. Kan de Broglie-bølger tolkes som sannsynlighetsbølger, dvs. kan vi anta at sannsynligheten for å oppdage mikropartikler på forskjellige punkter i rommet endres i henhold til bølgeloven? Denne tolkningen av de Broglie-bølger er feil, om ikke annet fordi sannsynligheten for å oppdage en partikkel på noen punkter i rommet kan være negativ, noe som ikke gir mening.
For å eliminere disse vanskelighetene, gjorde den tyske fysikeren M. Born (1882-1970) i ​​1926. antydet at i henhold til bølgeloven er det ikke sannsynligheten i seg selv som endres, men amplituden til sannsynligheten, kalt bølgefunksjon. Beskrivelsen av tilstanden til et mikroobjekt ved hjelp av bølgefunksjonen har en statistisk, sannsynlighet: Kvadraten på modulen til bølgefunksjonen (kvadraten på modulen til amplituden til de Broglie-bølger) bestemmer sannsynligheten for å finne en partikkel på et gitt tidspunkt i et visst begrenset volum.
Så i kvantemekanikk er tilstanden til mikropartikler beskrevet på en fundamentalt ny måte - ved å bruke bølgefunksjonen, som er hovedbæreren av informasjon om deres korpuskulære og bølgeegenskaper.
Den statistiske tolkningen av de Broglie-bølger og Heisenberg-usikkerhetsrelasjonen førte til konklusjonen at bevegelsesligningen i kvantemekanikk, som beskriver bevegelsene til mikropartikler i forskjellige kraftfelt, burde være en ligning som de eksperimentelt observerte bølgeegenskapene til partikler ville Følg. Hovedligningen bør være ligningen angående bølgefunksjonen, fordi det er den, eller mer presist kvadratet, som bestemmer sannsynligheten for å finne en partikkel på et gitt tidspunkt i et gitt spesifikt volum. I tillegg må den nødvendige ligningen ta hensyn til bølgeegenskapene til partikler, det vil si at det må være en bølgeligning.
Den grunnleggende ligningen for kvantemekanikk ble formulert i 1926 av E. Schrödinger. Schrödinger-ligningen, som mange fysikkligninger, er ikke avledet, men postulert. Riktigheten av denne Schrödinger-ligningen bekreftes av enighet med erfaring om resultatene oppnådd med dens hjelp, som igjen gir den karakteren av en naturlov.

Prinsipper for årsakssammenheng og korrespondanse

Fra forholdet mellom usikkerheter trekkes noen ganger en idealistisk konklusjon om uanvendeligheten av kausalitetsprinsippet på fenomener som forekommer i mikroverdenen. Dette er basert på følgende betraktninger. I klassisk mekanikk, iht kausalitetsprinsippet - prinsippet om klassisk determinisme - basert på den kjente tilstanden til systemet på et tidspunkt (fullstendig bestemt av verdiene til koordinatene og momenta til alle partikler i systemet) og kreftene som brukes på det, kan man absolutt beskrive tilstanden nøyaktig når som helst. Derfor er klassisk fysikk basert på følgende forståelse av kausalitet: tilstanden til et mekanisk system i det første øyeblikket av tid med en kjent lov for interaksjon av partikler er årsaken, og dets tilstand i et påfølgende øyeblikk er effekten.
På den annen side kan mikroobjekter ikke ha både en viss koordinat og en viss tilsvarende projeksjon av momentum på samme tid, derfor konkluderes det med at systemets tilstand i det første øyeblikket ikke er nøyaktig bestemt. Hvis systemets tilstand ikke er nøyaktig bestemt i det første øyeblikket, kan påfølgende tilstander ikke forutsies, dvs. kausalitetsprinsippet brytes. Imidlertid observeres ingen brudd på kausalitetsprinsippet i forhold til mikroobjekter, siden i kvantemekanikken får begrepet tilstanden til et mikroobjekt en helt annen betydning enn i klassisk mekanikk. I kvantemekanikk er tilstanden til et mikroobjekt fullstendig bestemt av bølgefunksjonen. Innstilling av bølgefunksjonen for et gitt tidspunkt bestemmer verdien ved påfølgende øyeblikk. Dermed, tilstanden til et system av mikropartikler, definert i kvantemekanikk, følger entydig fra den forrige tilstanden, som kreves av kausalitetsprinsippet.
Teorien fremsatt av N. Bohr i 1923 spilte en viktig rolle i utviklingen av kvantemekaniske konsepter. samsvarsprinsipp: enhver ny, mer generell teori, som er en utvikling av den klassiske, avviser den ikke fullstendig, men inkluderer den klassiske teorien, som indikerer grensene for dens anvendelse, og i visse begrensende tilfeller går den nye teorien over i den gamle.
Dermed forvandles formlene for kinematikk og dynamikk til relativistisk mekanikk til formlene for newtonsk mekanikk ved hastigheter mye lavere enn lysets hastighet. For eksempel, selv om de Broglies hypotese tilskriver bølgeegenskaper til alle legemer, kan bølgeegenskapene til makroskopiske legemer neglisjeres og klassisk newtonsk mekanikk kan brukes på dem.

4.5. Elementærpartikler

Generell informasjon

Kjernefysikk studerer strukturen og egenskapene til atomkjerner. Hun studerer også innbyrdes omdannelser av atomkjerner som skjer som følge av både radioaktivt forfall og ulike kjernereaksjoner. Nært knyttet til kjernefysikk fysikk av elementærpartikler, fysikk og teknologi for ladede partikkelakseleratorer, kjerneenergi.
Kjernefysisk forskning er av enorm vitenskapelig betydning, som tillater fremgang i forståelsen av materiens struktur, og er samtidig ekstremt viktig i praktiske termer (i energi, medisin, etc.).
Elementærpartikler- de primære, uoppløselige partiklene som all materie skal være sammensatt av. I moderne fysikk brukes dette begrepet vanligvis ikke i sin eksakte betydning, men i en mindre streng - for å nevne en stor gruppe små partikler av materie som tilfredsstiller betingelsen om at de ikke er atomer eller atomkjerner, med unntak av proton. Elementærpartikler inkluderer protoner, nøytroner, elektroner, fotoner, pi-mesoner, myoner, tunge leptoner, tre typer nøytrinoer, merkelige partikler (K-mesoner, hyperoner), ulike resonanser, mesoner med skjult sjarm, "sjarmerte" partikler, mellomvektor bosoner osv. - det er flere hundre av dem, for det meste ustabile. Antallet deres fortsetter å vokse etter hvert som kunnskapen vår utvides. De fleste av de listede partiklene tilfredsstiller ikke den strenge definisjonen av elementaritet, siden de er sammensatte systemer.
Massene til de fleste elementærpartikler er i størrelsesorden massen til et proton, lik 1,7 10-24 g. Størrelsene til et proton, nøytron, pi-meson og andre hadroner er 10-13 cm, og elektronet og myonet er ikke bestemt, men mindre enn 10-16 cm De mikroskopiske massene og størrelsene til elementærpartikler bestemmer kvantespesifisiteten til deres oppførsel. Den viktigste kvanteegenskapen til alle elementærpartikler er evnen til å slippes ut og absorberes når de interagerer med andre partikler.

Virkelig elementære partikler

For tiden, fra et teoretisk synspunkt, er følgende virkelig elementære (på dette stadiet av utviklingen av vitenskapen ansett som uoppløselige) partikler kjent: kvarker Og leptoner(disse variantene refererer til materiepartikler), feltkvanta(fotoner, vektorbosoner, gluoner, gravitinoer og gravitoner), samt Higgs-partikler.
Hvert par leptoner kombineres med et tilsvarende par kvarker til en kvartett som kalles en generasjon. Egenskapene til partikler gjentas fra generasjon til generasjon, bare massene er forskjellige: den andre er tyngre enn den første, den tredje er tyngre enn den andre. Det antas at hovedsakelig førstegenerasjonspartikler finnes i naturen, og resten kan skapes kunstig ved ladede partikkelakseleratorer eller gjennom samspillet mellom kosmiske stråler i atmosfæren.
Virkelig elementære partikler inkluderer kvanta av felt skapt av partikler av materie. Massive W-bosoner er bærere av svake interaksjoner mellom kvarker og leptoner. Gluoner er bærere av sterke interaksjoner mellom kvarker. I likhet med kvarkene i seg selv, finnes ikke gluoner i fri form, men vises i mellomstadier av noen reaksjoner. Teorien om kvarker og gluoner kalles kvante kromodynamikk.
En partikkel med antatt spinn 2 er en graviton. Dens eksistens er teoretisk forutsagt. Det vil imidlertid være ekstremt vanskelig å oppdage det, siden det interagerer veldig svakt med stoffet.
Til slutt inkluderer ekte elementærpartikler Higgs-partikler, eller H-mesons, og gravitinos. De er ikke eksperimentelt oppdaget, men deres eksistens er antatt i mange moderne teoretiske modeller.

Antimaterie

Mange partikler har motstykker i form av antipartikler, med samme masse, levetid, spinn, men forskjellig i tegn på alle ladninger: elektrisk, baryon, lepton, etc. (elektron-positron, proton-antiproton, etc.). Eksistensen av antipartikler ble først spådd i 1928 av den engelske teoretiske fysikeren P. Dirac. Fra Dirac-ligningen for den relativistiske bevegelsen til et elektron fulgte den andre løsningen for dens tvilling - positronet, som har samme masse, men en positiv elektrisk ladning.
Antipartikkelpositronet ble først oppdaget i 1932 i kosmiske stråler av den amerikanske fysikeren C. Anderson (f. 1905), vinner av Nobelprisen i 1936.
Et karakteristisk trekk ved oppførselen til partikler og antipartikler er deres utslettelse ved kollisjon, dvs. overgang til andre partikler med bevaring av energi, momentum, elektrisk ladning osv. Et typisk eksempel er gjensidig ødeleggelse av et elektron og et positron med frigjøring av energi under fødselen av to fotoner. Utslettelse kan skje ikke bare under elektromagnetisk interaksjon, men også under sterk interaksjon. Hvis det ved lave energier skjer utslettelse med dannelse av lettere partikler, kan det ved høye energier fødes tyngre partikler enn de opprinnelige hvis den totale energien til de kolliderende partiklene overstiger terskelen for fødselen av nye, lik summen av deres partikler. hvile energi.
I sterke og elektromagnetiske interaksjoner er det fullstendig symmetri mellom partikler og antipartikler - alle prosesser som forekommer med førstnevnte er mulige og like for sistnevnte. I likhet med protoner og nøytroner kan antipartiklene deres danne antinuclei. I prinsippet kan man tenke seg antiatomer og til og med store klynger antimaterie.

Klassifisering av betinget elementære partikler

Avhengig av deres levetid, er partikler delt inn i stabil(elektron, proton, foton og nøytrino), kvasi-stabil(råtner på grunn av elektromagnetiske og svake interaksjoner, levetiden deres er mer enn 10-20s og resonanser(partikler som råtner på grunn av sterk interaksjon, karakteristisk levetid 10-22 - 10-24 s).
I samsvar med de fire typene grunnleggende interaksjoner, skilles fire typer elementærpartikler ut: hadroner, deltar i alle interaksjoner; leptoner, ikke deltar bare i sterk interaksjon (og nøytrinoer og elektromagnetiske); foton- bærer kun i elektromagnetisk interaksjon, og hypotetisk graviton- bærer av gravitasjonsinteraksjon.
Hadroner- et generelt navn for partikler som deltar mest aktivt i sterke interaksjoner. Navnet kommer fra det greske ordet for "sterk, stor". Alle hadroner er delt inn i to store grupper - baryoner og mesoner.
Baryoner- Dette er hadroner med et halvt heltallsspinn. De mest kjente av dem er protonet og nøytronet. En av egenskapene til baryoner som skiller dem fra andre partikler er tilstedeværelsen av en bevart baryonladning.
Mesoner- hadroner med heltallsspinn. Baryonladningen deres er null. De fleste av dem er ekstremt ustabile og forfaller innen en tid på ca. 10-23. Slike kortlivede partikler kan ikke sette spor i detektorer. Fødselen deres oppdages vanligvis av indirekte tegn. For eksempel studerer de reaksjonen av utslettelse av elektroner og positroner med påfølgende produksjon av hadroner. Ved å endre kollisjonsenergien finner de at ved en viss verdi øker hadronutbyttet kraftig. Dette faktum kan forklares med det faktum at en partikkel ble født i en mellomtilstand. Deretter går den øyeblikkelig i oppløsning til andre partikler, som registreres. Slike kortlivede partikler kalles resonanser. De fleste baryoner og mesoner er resonanser.
Hadroner er ikke egentlig elementære partikler, de har begrensede størrelser og en kompleks struktur. En baryon består av tre kvarker, mesoner er bygget av en kvark og en antikvark, kvarker holdes inne i hadroner av gluonfeltet. I prinsippet åpner teorien for eksistensen av andre hadroner, konstruert fra et større antall eller fra et enkelt gluonfelt.
Kvarkmodellen ble opprinnelig foreslått for å taksonomi den altfor tallrike familien av hadroner. Denne modellen inkluderte kvarker av tre typer eller smaker (senere viste det seg at det var flere av dem). Ved hjelp av kvarker var det mulig å skille hadroner i grupper kalt multipletter. Partikler av en multiplett har litt forskjellig masse.

4.6. Strukturen til atomkjernen

Nukleonnivå

Omtrent 20 år etter at Rutherford "så" kjernen i dypet av atomet, ble den oppdaget nøytron- en partikkel i alle dens egenskaper er den samme som kjernen til et hydrogenatom - et proton, men bare uten elektrisk ladning. Nøytronet viste seg å være ekstremt praktisk for å sondere innsiden av kjerner. Siden det er elektrisk nøytralt, frastøter ikke kjernens elektriske felt det - følgelig kan selv langsomme nøytroner lett nærme seg kjernen på avstander hvor kjernekrefter begynner å manifestere seg. Etter oppdagelsen av nøytronet gikk fysikken til mikroverdenen fremover med stormskritt.
Like etter oppdagelsen av nøytronet antok to teoretiske fysikere - tyskeren Werner Heisenberg og sovjeten Dmitry Ivanenko - at atomkjernen består av nøytroner og protoner. Den moderne forståelsen av strukturen til kjernen er basert på den.
Protoner og nøytroner er kombinert med ordet nukleon. Protoner- dette er elementærpartikler som er kjernen til atomer til det letteste kjemiske elementet - hydrogen. Antall protoner i kjernen er lik atomnummeret til grunnstoffet i det periodiske systemet og er betegnet Z (antall nøytroner er N). Et proton har en positiv elektrisk ladning, lik i absolutt verdi som den elementære elektriske ladningen. Det er omtrent 1836 ganger tyngre enn et elektron. Et proton består av to Og-kvarker med ladning Q = + 2/3 og en d-kvark med Q = - 1/3, forbundet med gluonfeltet. Den har sluttdimensjoner i størrelsesorden 10-15 m, selv om den ikke kan forestilles som en solid ball, ligner den snarere en sky med en uskarp grense, bestående av skapte og utslettede virtuelle partikler.
Elektrisk ladning nøytron er lik 0, massen er omtrent 940 MeV. Nøytron består av en u-kvark og to d-kvarker. Denne partikkelen er stabil bare i sammensetningen av stabile atomkjerner; et fritt nøytron forfaller til et elektron, et proton og et elektron antinøytrino. Halveringstiden til et nøytron (tiden det tar før halvparten av det opprinnelige antallet nøytroner forfaller) er omtrent 12 minutter. I materie eksisterer nøytroner i fri form i enda kortere tid på grunn av deres sterke absorpsjon av kjerner. Som protonet deltar nøytronet i alle typer interaksjoner, inkludert elektromagnetiske: med generell nøytralitet, på grunn av dens komplekse indre struktur, eksisterer det elektriske strømmer i det.
I kjernen er nukleoner bundet av en spesiell type kraft - kjernefysisk. Et av deres karakteristiske trekk er korttidsvirkende: ved avstander i størrelsesorden 10-15 m eller mindre overskrider de andre krefter, som et resultat av at nukleonene ikke flyr fra hverandre under påvirkning av elektrostatisk frastøtning av like-ladede protoner . På store avstander reduseres kjernefysiske krefter veldig raskt til null.
Virkningsmekanismen til kjernefysiske krefter er basert på samme prinsipp som elektromagnetiske krefter - på utveksling av gjenstander som samhandler med virtuelle partikler.
Virtuelle partikler i kvanteteorien er dette partikler som har samme kvantetall (spinn-, elektriske og baryonladninger osv.) som de tilsvarende reelle partikler, men som det vanlige forholdet mellom energi, fart og masse ikke holder for.

Quarks

Kvarkhypotesen ble foreslått i 1967 av den amerikanske teoretiske fysikeren M. Gell-Mann (f. 1929). Quark- en partikkel med spinn 1/2 og en brøkdel elektrisk ladning, en bestanddel av hadroner. Dette navnet ble lånt av M. Gell-Man i en av hans science fiction-romaner og betyr noe trivielt og rart.
I tillegg til spinn har kvarker ytterligere to interne frihetsgrader - "smak" og "farge" (en frihetsgrad er en uavhengig mulig endring i tilstanden til et fysisk system på grunn av variasjoner i parameterne). Hver kvark kan være i en av tre fargetilstander, som konvensjonelt kalles rød, blå og gul (bare for enkelhets skyld - dette har ingenting med optiske egenskaper å gjøre). I observerte hadroner kombineres kvarker på en slik måte at de resulterende tilstandene ikke bærer farge - de er "fargeløse". Det er fem kjente aromaer og en sjette er mistenkt. Egenskapene til kvarker med forskjellige smaker er forskjellige.
Vanlig materie består av lunger Og- og d-kvarker som utgjør nukleonene til kjerner. Tyngre kvarker skapes kunstig eller observeres i kosmiske stråler. Her kan ikke ordene "skapt" og "observert" tas bokstavelig - ikke en eneste kvark har blitt oppdaget i fri form, de kan bare observeres inne i hadroner. Når man prøver å slå en kvark ut av en hadron, skjer følgende: den unnslippende kvarken føder på vei fra vakuumet til kvark-antikvark-parene, ordnet i synkende hastighetsrekkefølge. En av de langsomme kvarkene tar plassen til den opprinnelige, og den, sammen med resten av de fødte kvarkene og antikvarkene, danner hadroner.

4.7. Kjernefysiske prosesser

Massefeil og bindingsenergi

Massen til en kjerne bestemmes av massen til nøytronene og protonene som består av den. Siden enhver kjerne består av Z-protoner og N = A - Z nøytroner, hvor A er massetallet (antall nukleoner i kjernen), så burde massen til kjernen ved første øyekast ganske enkelt være lik summen av massene av protoner og nøytroner. Men som måleresultatene viser, er den virkelige massen alltid mindre enn denne mengden. Deres forskjell kalles massefeilm.
Energi er en av de viktigste egenskapene til enhver fysisk prosess. I kjernefysikk er dens rolle spesielt stor, siden ukrenkeligheten til loven om bevaring av energi lar en gjøre ganske nøyaktige beregninger selv i tilfeller der mange detaljer om fenomenene forblir ukjente.
Det er mulig å bryte en kjerne i individuelle nukleoner bare ved å innføre den fra utsiden på en eller annen måte en energi som ikke er mindre enn den som frigjøres under dannelsen. Dette er den totale bindingsenergien til kjernen Eb. Opprinnelsen til massedefekten Δm er direkte relatert til den. I henhold til formelen
E St = Δmс2
en reduksjon i energien til systemet under dannelsen av en kjerne med en viss mengde må uunngåelig føre til en reduksjon i den totale massen. En slik endring i massen skjer under alle prosesser knyttet til overføring av energi. Men i fenomenene som er kjent for oss, er endringer i masse relativt små og umerkelige. I kjernefysiske fenomener, på grunn av den store betydningen av kjernefysiske krefter, er endringen i masse svært betydelig. For en neonkjerne er massedefekten altså nesten 1 % av massen til kjernen.

Gjennomsnittlig bindingsenergi for ett nukleon i en kjerne

Hvis vi deler energimengden som er "tapt" under dannelsen av en kjerne med det totale antallet nukleoner, får vi gjennomsnittlig bindingsenergi per nukleon i kjernen, eller den spesifikke bindingsenergien lik Eb/A. Den spesifikke bindingsenergien avhenger av massetallet. For de fleste kjerner er den gjennomsnittlige spesifikke bindingsenergien omtrent den samme (med unntak av lette og tunge kjerner).
Hvert nukleon har en begrenset tilførsel av interaksjonsmuligheter, og hvis denne tilførselen allerede er brukt opp i forbindelse med to eller tre nabonukleoner, så viser de resterende bindingene seg å være svekket selv på svært nære avstander.
De sterkeste er kjerner med gjennomsnittlig massetall. I lette kjerner ligger alle eller nesten alle nukleoner på overflaten av kjernen, og bruker derfor ikke sine interaksjonsevner fullt ut, noe som reduserer den spesifikke bindingsenergien noe. Etter hvert som massetallet øker, øker andelen nukleoner som ligger inne i kjernen som fullt ut utnytter sine evner, derfor øker verdien av den spesifikke bindingsenergien gradvis. Med en ytterligere økning i massetallet begynner den gjensidige frastøtningen av de elektriske ladningene til protoner å ha en stadig sterkere effekt, som har en tendens til å bryte kjernen og derfor reduserer den spesifikke bindingsenergien. Dette fører til at alle tunge kjerner er ustabile.

Radioaktivitet

Den franske fysikeren A.A. Becquerel (1852-1908) 1. mars 1896 oppdaget svertingen av en fotografisk plate under påvirkning av usynlige stråler med sterk penetrerende kraft som sendes ut av uransalt. Han oppdaget snart at uran i seg selv hadde evnen til å sende ut stråling. Radioaktivitet(dette er navnet gitt til det oppdagede fenomenet) viste seg å være privilegiet til de tyngste elementene i det periodiske systemet. Dette fenomenet er definert som den spontane transformasjonen av en ustabil isotop av ett element til en isotop av et annet, noe som resulterer i utslipp av elektroner, protoner, nøytroner eller heliumkjerner (alfapartikler). Det ble funnet at radioaktivitet er et svært vanlig fenomen.
Atomkjerner, som er forskjellige i antall nøytroner og protoner, har et felles navn - nuklider. Av de 1500 kjente nuklidene er bare 265 stabile. Blant grunnstoffene som finnes i jordskorpen, er alle de med serienummer større enn 83 radioaktive, det vil si de som ligger i det periodiske systemet etter vismut. De har ingen stabile isotoper i det hele tatt ( isotoper- varianter av atomer av samme kjemiske element, forskjellig i antall nøytroner i kjernen). Naturlig radioaktivitet er funnet i individuelle isotoper og andre grunnstoffer. Naturlige radioaktive isotoper gjennomgår forfall, ledsaget av utslipp av alfa- eller beta-partikler (svært sjelden begge deler).
I 1940, sovjetiske forskere G.N. Flerov og K.A. Petrzak oppdaget en ny art. radioaktive transformasjoner - spontan kjernefysisk fisjon. Utslipp av gammastråler fører ikke til transformasjon av grunnstoffer og regnes derfor ikke som en type radioaktiv transformasjon. Dermed er antallet måter for radioaktivt forfall av naturlige isotoper svært begrenset.
Imidlertid er andre metoder nå kjent. De ble oppdaget eller spådd etter 1934. Franske fysikere, ektefellene Irene (1897-1956) og Frederic (1900-1958) Joliot-Curie, observerte fenomenet kunstig radioaktivitet. Som et resultat av kjernefysiske reaksjoner (for eksempel når ulike grunnstoffer blir bestrålt med alfapartikler eller nøytroner), dannes radioaktive isotoper som ikke finnes i naturen. I. og F. Joliot-Curie utførte en kjernefysisk reaksjon, hvis produkt var en radioaktiv isotop av fosfor med et massetall på 30. Denne typen transformasjon kalles beta pluss forfall, som betyr med beta minus emisjonen av et elektron . Under beta-pluss-nedbrytning synker kjerneladningen med 1. Den samme endringen skjer under såkalt orbital capture: noen kjerner kan fange opp et elektron fra nærliggende skjell. Dette er også en type radioaktiv transformasjon. Det er vanlig å kombinere beta pluss, beta minus decay og epsilon capture under det generelle navnet beta-forfall. Teoretiske fysikere har spådd muligheten for en dobbel beta-transformasjon, der to elektroner eller to positroner sendes ut samtidig. I praksis er en slik transformasjon ennå ikke oppdaget. Proton- og to-proton-radioaktivitet ble også observert. Bare kunstige isotoper som ikke finnes i naturen er gjenstand for alle disse typer transformasjoner.
Radioaktivitet karakteriseres ikke bare av typen partikler som slippes ut, men også av deres energi, som kan være millioner av ganger større enn energien til kjemiske prosesser. Det er absolutt umulig å forutsi på forhånd forfallsøyeblikket for hver enkelt kjerne. Kjernens levetid er en tilfeldig variabel. Hastigheten av radioaktivt forfall kan ikke påvirkes av ytre faktorer - trykk, temperatur osv. Forfallets spontane natur er en av dens viktigste trekk.
Selv om alle kjerner lever for forskjellige tider fra dannelsesøyeblikket til øyeblikket av forfall, er det for hvert radioaktivt stoff en veldig bestemt gjennomsnittlig levetid for kjerner. Forfallsraten adlyder lov om radioaktivt forfall, uttrykt med formelen

hvor λ er den radioaktive henfallskonstanten, N t er antallet udøde kjerner på tidspunktet t; NO er ​​det innledende antallet udøde kjerner (på tidspunktet t=0).

Kjedereaksjon av fisjon av urankjerner

Denne reaksjonen ble oppdaget i 1939: det viste seg at når ett nøytron treffer en kjerne, deler det seg i to eller tre deler. Når en kjerne spalter, frigjøres omtrent 200 MeV energi. Den kinetiske bevegelsesenergien til fragmentene tar omtrent 165 MeV, resten blir ført bort av gammastråling (en del av elektromagnetisk stråling med svært kort bølgelengde) - en strøm av fotoner. Det kan beregnes at ved fullstendig fisjon av 1 kg uran vil det frigjøres 80 000 milliarder J. Dette er flere millioner ganger mer enn ved brenning av 1 kg kull eller olje. Det ville være overraskende å ikke bruke slik energi.
I 1939 ble det oppdaget at under fisjon av urankjerner, i tillegg til fragmenter, frigjøres også 2-3 frie nøytroner. Under gunstige forhold kan de gå inn i andre urankjerner og forårsake fisjon (fig. 4.2).

Ris. 4.2. Kjernefysisk kjedereaksjon

Den praktiske implementeringen av verdifulle reaksjoner er komplisert av visse omstendigheter. Spesielt er sekundære nøytroner i stand til å forårsake fisjon av bare kjerner av uran-isotopen med et massetall på 235, men deres energi er utilstrekkelig til å ødelegge kjernene til uran-238-isotopen. Naturlig uran inneholder omtrent 0,7 % uran-235. En nødvendig betingelse for at en kjedereaksjon skal oppstå er tilstedeværelsen av en tilstrekkelig stor mengde uran-235, siden i en liten prøve flyr flertallet av nøytronene gjennom uten å treffe noen kjerne. Minste (kritiske) masse for rent uran-235 er flere titalls kilo.

På grunn av det faktum at kjernefysiske tiltrekningskrefter virker mellom atomkjerner på korte avstander, når to kjerner kommer nærmere hverandre, er deres fusjon mulig, dvs. syntese av en tyngre kjerne. For at kjernene skal overvinne elektrostatisk frastøtning og komme nærmere, må de ha tilstrekkelig kinetisk energi. Følgelig er den enkleste måten å syntetisere lette kjerner med lav elektrisk ladning.
I naturen oppstår fusjonsreaksjoner i svært varm materie, for eksempel i det indre av stjerner, hvor ved en temperatur på rundt 14 millioner grader (sentrum av solen) er energien til termisk bevegelse av enkelte partikler tilstrekkelig til å overvinne frastøting. Kjernefusjon som skjer i oppvarmet stoff kalles termonukleær.
Det særegne ved termonukleære reaksjoner som energikilde er dens meget store frigjøring per masseenhet av reagerende stoffer - 10 millioner ganger mer enn i kjemiske reaksjoner. Inntreden i syntese av 1 g hydrogenisotoper tilsvarer forbrenning av 10 tonn bensin. I prinsippet kan i dag energien til termonukleær fusjon oppnås på jorden. Det er mulig å varme opp materie til stjernetemperaturer ved å bruke energien til en atomeksplosjon. Slik fungerer en hydrogenbombe, der eksplosjonen av en kjernefysisk lunte fører til øyeblikkelig oppvarming av en blanding av deuterium og tritium og en påfølgende termonukleær eksplosjon. Dette er imidlertid en ukontrollert prosess.
Det kreves flere forhold for at kontrollert kjernefysisk fusjon skal skje. For det første er det nødvendig å varme det termonukleære brenselet til en temperatur der fusjonsreaksjoner kan oppstå med en merkbar sannsynlighet. For det andre er det nødvendig at det under fusjon frigjøres mer energi enn det som brukes på oppvarming av stoffet (eller, enda bedre, at de raske partiklene som fødes selv holder den nødvendige temperaturen). Dette er mulig forutsatt god isolasjon.
Den enkleste måten å utføre syntese på er mellom de tunge isotopene av hydrogen - deuterium og tritium (fig. 4.3). Deuterium finnes på jorden i enorme mengder i sjøvann (1 atom per 6000 hydrogenatomer); Tritium kan produseres kunstig ved å bestråle litium med nøytroner.

Ris. 4.3.

For en termonukleær reaksjon er den mest gunstige temperaturen omtrent 100 millioner grader. Når det gjelder energiretensjonstiden, det vil si kvaliteten på isolasjonen, er tilstanden i dette tilfellet som følger: et plasma med en tetthet på 1014 ioner per 1 cm3 bør merkbart avkjøles på ikke raskere enn 1 sekund.
Plasma hindres i å treffe de varmeisolerende veggene ved hjelp av magnetiske felt som styrer strømmen av partikler i en spiral lukket i en ring. På grunn av det faktum at plasma består av ioner og elektroner, har magnetfeltet en direkte effekt på det.
For oppvarming kan du bruke strømmen som strømmer gjennom plasma-"ledningen". Det er andre oppvarmingsmetoder - ved hjelp av høyfrekvente elektromagnetiske bølger, stråler av raske partikler, lysstråler generert av lasere. Jo større kraft varmeapparatet har, desto raskere kan plasmaet varmes opp til ønsket temperatur. Nyere utvikling gjør det mulig å gjøre dette på så kort tid at stoffet rekker å gå inn i en syntesereaksjon før spredning på grunn av termisk bevegelse. Under slike forhold er ytterligere termisk isolasjon unødvendig. Det eneste som hindrer partiklene i å fly fra hverandre er deres egen treghet. Denne retningen - treghet termonukleær fusjon - har utviklet seg raskt den siste tiden.

4.8. Utsikter for utvikling av mikroverdens fysikk

Utvikling av teorien

De siste prestasjonene innen elementær partikkelfysikk har klart identifisert fra det totale antallet en gruppe partikler - mulige kandidater for rollen som virkelig elementære. Mange problemstillinger krever imidlertid videre forskning. Det er ikke kjent hva det totale antallet leptoner, kvarker og ulike vektorpartikler er og om det er fysiske prinsipper som bestemmer det. Årsakene til delingen av partikler med spin 1/2 i leptoner og kvarker og opprinnelsen til deres interne kvantetall er ikke helt klare.
Moderne teorier antar at partikler er punktobjekter og at firedimensjonal romtid forblir kontinuerlig og ukrummet ned til de minste avstandene. I virkeligheten er disse antakelsene tilsynelatende feil, siden partikler åpenbart må være materielle objekter av begrenset utstrekning, og rom-tid på skalaer på 10-33 cm endrer egenskapene sine under påvirkning av tyngdekraften og danner noe sånt som kvanter. Å ta disse omstendighetene i betraktning åpner veien for å skape en enhetlig teori om samhandling.

Moderne akseleratorer

De kontrollerte strålene av raske partikler oppnådd i akseleratoren viste seg å være det eneste egnede verktøyet for operasjoner inne i atomer og atomkjerner, for å studere detaljene og strukturen til kjernefysiske partikler. Men dette krever energi på titalls, hundrevis og til og med tusenvis av GeV (gigaelectron-volt; 1 GeV = 109 eV). Så det er ikke tilfeldig at feltet grunnforskning om materiens struktur kalles høyenergifysikk. Hvis akseleratorer designet for høye energier ble gjort lineære i henhold til prinsippet om et fjernsynsrør, ville dimensjonene deres, som beregninger viser, nå mange hundre kilometer. Derfor rulles akseleratoren så å si inn i en ring, og tvinger partiklene til å gjentatte ganger passere gjennom områder der det akselererende elektriske feltet opererer. Jo høyere energien til partiklene er, jo vanskeligere er det å pakke dem inn, sende dem langs en sirkulær bane, jo sterkere er de svingende magnetfeltene som trengs for dette. I tillegg frastøter like-ladede partikler i strålen hverandre og blir spredt på restene av atmosfæren i vakuumrøret til akseleratoren. Derfor, sammen med å snu magneter, trengs også fokuseringsmagneter, som komprimerer partikler til en tynn stråle. Den maksimale energien til moderne akseleratorer er begrenset av en rimelig grense for størrelsen og kostnadene til det magnetiske systemet, som er det mest klumpete og dyreste.
En stråle av partikler generert av akseleratoren (vanligvis elektroner eller omtrent 2000 ganger tyngre protoner) blir rettet mot et mål spesielt valgt basert på målene for eksperimentet, ved kollisjon som en rekke sekundære partikler blir født med. Ved hjelp av ganske komplekse systemer - detektorer - blir disse partiklene registrert, deres masse, elektrisk ladning, hastighet og mange andre egenskaper bestemmes. Deretter, gjennom kompleks matematisk behandling av denne informasjonen på en datamaskin, gjenopprettes bevegelsesbanen og hele bildet av interaksjonen mellom den akselererte partikkelen og målstoffet. Og til slutt, ved å sammenligne måleresultatene med den foreløpige beregningen, trekkes konklusjoner om parametrene til den teoretiske interaksjonsmodellen. Det er her man får ny kunnskap om egenskapene til intranukleære partikler. Det kan godt være at det er kunnskapen høyenergifysikken vil gi oss som vil gjøre det mulig å skape en ny energiindustri – det 21. århundres energiindustri, som vil sette en stopper for total ødeleggelse av ressursene. av planeten vår.
I stedet for et stasjonært mål kan også en motakselerert partikkelstråle brukes. Dette gjør det mulig, med passende arrangement av akseleratorer, å bruke energien til strålene deres mye mer effektivt. Disse mest moderne kolliderende stråleakseleratorene kalles kollidere. Det er bare noen få kollidere i verden så langt. De er lokalisert i USA, Japan, Tyskland, samt European Organization for Nuclear Research (CERN), med base i Sveits. Landet vårt har også vært blant de ledende innen utvikling og konstruksjon av akseleratorer og følgelig innen høyenergifysikk i mange år. Spesielt synkrofasotronen i Dubna, bygget i 1956 (energi 10 GeV, partikkelbanelengde ca. 200 m, ringelektromagnetvekt 40 tusen tonn), var på en gang "verdensrekordholdere" i energien til akselererte protoner og i størrelse og deretter - en synkrotron bygget i 1967 i byen Protvino nær Serpukhov (energi 70 GeV, orbital lengde 1,5 km, elektromagnetvekt 22 tusen tonn). Ved å bruke disse enhetene ble en rekke grunnleggende resultater oppnådd og flere funn ble gjort. For eksempel ble antimateriekjerner oppdaget for første gang og den såkalte "Serpukhov-effekten" ble oppdaget - en økning i det totale tverrsnittet av hadroniske interaksjoner (verdier som bestemmer reaksjonsforløpet til to kolliderende partikler) og mye mer.
U-70-akseleratoren til Institute of High Energy Physics i Protvino er fortsatt den største i Russland til i dag. Den utfører fysikkforskning fra mange laboratorier i vårt land og CIS-landene, og gjennomfører en rekke felles fysikkprogrammer med Vesten. Under rekonstruksjonen, for den innledende akselerasjonsfasen, ble verdens første lineære akselerator med høyfrekvent fokusering, uten magneter, installert, og en "mellomliggende" synkrotron med en energi på 1,5 GeV med en diameter på 30 m ble satt i drift Som et resultat av denne moderniseringen ble intensiteten til protonstrålen (grovt sett, antall partikler i strålen) økt med en størrelsesorden, noe som gjorde det mulig å opprettholde fysikernes interesse for det innenlandske forskningsprogrammet selv etter utseendet til kraftigere akseleratorer i utlandet. Samtidig ble det utviklet et prosjekt for en ny akselerator UNK (akselerator-lagringskompleks), som i lang tid kunne bli den mektigste i verden og tiltrekke de beste kreftene i verdens fysiske samfunn. Allerede i 1983, etter vedtakelsen av den tilsvarende regjeringsvedtaket, begynte arbeidet i Protvino med byggingen av UNK, som til slutt skulle gi en energi på 3000 GeV - dette er tre ganger energien til den kraftigste akseleratoren i verden ved E. Fermi Laboratory (FNAL) i USA .
For UNK ble en ringtunnel 21 km lang og omtrent 5 m i diameter gravd (i størrelse kan den sammenlignes med ringlinjen til Moskva-metroen). De planla å installere superledende magneter i den, som allerede er testet. Men med sammenbruddet av Sovjetunionen ble økonomiske bånd avbrutt, og anlegget i Ust-Kamenogorsk, hvor superlederen ble produsert, viste seg å være utenlandsk. Det ble besluttet å lansere den første fasen av den nye installasjonen ved bruk av konvensjonelle magneter, som ville gi en energi på 600 GeV (den ble kalt U-600). For å gjøre dette er det nødvendig å installere mer enn to tusen magneter som veier rundt 10 tonn hver langs ringen, som er estimert til omtrent 150 millioner dollar og er bare en liten del av midlene som allerede er investert. I 1997 foreslo Minatom-ledere å fremskynde arbeidet og fullføre det på tre år.
Om ti år skal byggingen av verdens største ladede partikkelakselerator være fullført – Large Hadron Collider (LHC) i Genève, i en 27 kilometer lang underjordisk tunnel på grensen mellom Sveits og Frankrike. Fysikere håper at med energier fra kolliderende partikler som er utenkelige i dag (omtrent 10 billioner elektronvolt), vil det være mulig å endelig få tak i informasjonen som fortsatt mangler om de dype mekanismene for deres interaksjon inne i kjernen og bygge et konsistent bilde av universet. I tillegg vil ny kunnskap helt sikkert gi nye måter å tilfredsstille menneskehetens "energiappetitter" uten total ødeleggelse av jordens ressurser - en nødvendig og edel oppgave.
Russland, i forståelsen av europeiske forskere, har en unik vitenskapelig og teknisk kultur, hvis betydning i den generelle globale kunnskapsprosessen neppe kan overvurderes. En nedgang i nivået, og enda mer tapet, ville være et tungt slag for menneskehetens fremgang, og derfor må samarbeidet med russiske forskere fortsette og styrkes til fordel for begge parter.
Russisk fysikk vil være representert ganske tilstrekkelig i LHC-programmet. Vi snakker ikke bare om konstruksjonen av selve akseleratoren på superledende magneter, men også om etableringen av grandiost eksperimentelt utstyr. Akseleratoren i seg selv er bare "lokomotivet" for vitenskapelig forskning, og hele "nyttelasten" leveres av partikkel- og strålingsdetektorer. Ved en stor akselerator er størrelsen på detektorene utrolig. En av dem - den største, kalt ATLAS av designerne - er en underjordisk sylinder med en lengde på 26 og en diameter på 20 m, en totalvekt på 7 tusen tonn, med det mest komplekse utstyret.
Da man opprettet ATLAS-detektoren og utførte eksperimenter på den, ble det dannet et internasjonalt team på halvannet tusen mennesker fra tre dusin land. Og dette handler ikke bare om omfanget av installasjonen. Den nye fysikken skiller seg fra den gamle mer enn et fabrikksamlebånd fra et håndverksverksted. Det er nok å si at ATLAS vil begynne å produsere en datastrøm tilsvarende informasjonen som sirkulerer i dag i alle europeiske datanettverk.
I følge en av de greske mytene var Atlas en titan som måtte holde himmelen på skuldrene som straff for ulydighet mot Olympens guder. Fortsetter parallellen, kan vi si at Genève ATLAS blir bedt om å styrke og støtte med sin kraftige innsats hele bygningen til moderne fysikk. Men dette er ikke en straff, men frukten av den felles kreativiteten til mange forskere fra mange land og grunnlaget for den velstående eksistensen til alle de menneskene som er langt fra vitenskapen, men som nyter fruktene.

Strukturell nøytronografi

I et forsøk på å trenge dypt inn i materien og studere dens struktur, skapte forskere stadig mer effektive verktøy og metoder. Det optiske mikroskopet er erstattet av et elektronmikroskop med uforlignelig høyere oppløsning. Røntgendiffraksjonsanalyse gjorde det mulig å "se" formen på atomgitteret til en krystall og til og med overvåke endringene under påvirkning av ytre forhold, for eksempel ved endring av temperatur og trykk. Relativt nylig har nye metoder for å studere materie blitt skapt, utviklet og forbedret, basert på spredning av nøytroner i den.
Nøytronet, som enhver annen partikkel, har også egenskapene til en bølge. Derfor kan nøytronfluksen betraktes som svært kortbølget stråling (karakteristisk bølgelengde er omtrent 0,03 nm, eller 0,3 ångstrøm). Når de passerer gjennom materie, opplever nøytroner diffraksjon - spredning på individuelle atomer, der ytterligere avbøyde flukser oppstår fra den første strålen av partikler. Deres retning og intensitet avhenger av strukturen til spredningsobjektet. I en krystall kan man for eksempel skille et sett med vanlige atomlag - krystallografiske plan, ved refleksjon som nøytronflukser endrer intensitet fra. Intensitetsmaksima oppstår i retninger der et heltall av bølgene deres passer inn i forskjellen mellom banene til to reflekterte stråler. Denne tilstanden for bølgespredning av en krystall ble oppdaget i 1913. Den engelske fysikeren W.L. Bragg (1890-1971) og sovjetiske G.V. Wulff (1863-1925) for røntgenstråler; det gjelder også for alle andre bølger. Ved å måle nøytronspredningsvinkler er det mulig å rekonstruere atomstrukturen til et stoff.
For grunnleggende arbeid med studiet av lovene for nøytronspredning og for å skape fundamentalt nye metoder for å studere væsker og faste stoffer - strukturell nøytronografi - tildelte Royal Swedish Academy of Sciences Nobelprisen i fysikk i 1994 til den amerikanske fysikeren Clifford Schall og den kanadiske forskeren Bertr Brockhaus.
Strukturell nøytrondiffraksjon lar deg overvåke oppførselen til hvert atom. I fig. Figur 4.4 viser projeksjonen av elastisk nøytronspredning i en KH2PO4-krystall nær O-H-O-hydrogenbindingen. To oksygenatomer (heltrukne linjer) og to hydrogenatomer (stiplede linjer) er synlige. Avstanden mellom dem ved romtemperatur (293K) er ca. 10-12 cm (fig. 4.4a). En nedgang i temperaturen til 77 K forårsaket en faseovergang, der ett hydrogenatom nærmet seg oksygenatomet med 0,37 × 10-12 cm (fig. 4.4b).

Ris. 4.4. Bildet av elastisk nøytronspredning kl
rom (a) og lave (b) temperaturer

Nøytronografi- en av de største prestasjonene innen kjernefysikk i nyere tid. Det åpner for store muligheter for mikroskopiske studier av en rekke ikke bare fysiske, men også kjemiske og biologiske objekter. En slik mangefasettert anvendelse av nøytronografi, i hovedsak en fysisk metode, indikerer det nære forholdet mellom ulike grener av moderne naturvitenskap: fysikk, kjemi, biologi.

Kontrollspørsmål

1. Gi en kort beskrivelse av Thomsons atommodell.
2. Beskriv planetmodellen til atomet.
3. Er det mulig å forklare atomstrukturen til alle elementene i det periodiske systemet ved hjelp av Bohrs teori?
4. Hva er essensen i usikkerhetsprinsippet?
5. Formuler prinsippet om komplementaritet.
6. Hvem og når formulerte den grunnleggende ligningen for ikke-relativistisk kvantemekanikk?
7. Hva er kausalitetsprinsippet for mikroprosesser?
8. Nevn hovedkarakteristikkene til elementærpartikler.
9. Hvem forutså eksistensen av antipartikler og når?
10. Hvilke partikler består atomkjernen av?
11. Hvem foreslo kvarkhypotesen og når?
12. Gi en kort beskrivelse av uranfissjonskjedereaksjonen.
13. Beskriv termonukleær fusjon. Ved hvilken temperatur oppstår det?
14. Gi egenskapene til moderne akseleratorer.
15. Hva er essensen av strukturell nøytronografi?

Den berømte amerikanske vitenskapsmannen, to ganger nobelprisvinner Linus Pauling, skriver i sin bok "General Chemistry" (Moskva: Mir, 1974), at "den største hjelpen til enhver kjemistudent vil først og fremst være god kunnskap om strukturen til atomet." Oppdagelsen av partiklene som utgjør et atom og studiet av strukturen til atomer (og deretter molekyler) er en av de mest interessante sidene i vitenskapens historie. Kunnskap om den elektroniske og kjernefysiske strukturen til atomer gjorde det mulig å gjennomføre en ekstremt nyttig systematisering av kjemiske faktorer, noe som gjorde det lettere å forstå og studere kjemi.

Utvikling av ideer om atomets komplekse struktur

De første indikasjonene på den komplekse strukturen til atomet ble oppnådd under studiet av prosessene for passasje av elektrisk strøm gjennom væsker og gasser. Eksperimenter av den fremragende engelske vitenskapsmannen M. Faraday på trettitallet av 1800-tallet. antydet at elektrisitet eksisterer i form av separate enhetsavgifter.

Størrelsen på disse enhetsladningene av elektrisitet ble bestemt i senere eksperimenter med å føre elektrisk strøm gjennom gasser (eksperimenter med såkalte katodestråler). Det ble funnet at katodestråler er en strøm av negativt ladede partikler kalt elektroner.

Direkte bevis på kompleksiteten til strukturen til atomet var oppdagelsen av den spontane desintegrasjonen av atomer av noen elementer, kalt radioaktivitet. I 1896 oppdaget den franske fysikeren A. Becquerel at materialer som inneholder uran lyser opp en fotografisk plate i mørket, ioniserer gasser og får fluorescerende stoffer til å gløde. Senere viste det seg at ikke bare uran har denne evnen.

Den titaniske innsatsen knyttet til behandlingen av enorme masser av uranharpiksmalm gjorde at P. Curie og M. Sklodowska-Curie oppdaget to nye radioaktive grunnstoffer: polonium og radium. Den påfølgende etableringen av naturen og strålene dannet under radioaktivt forfall (E. Rutherford, 1899-1903), oppdagelsen av kjerner av atomer med en diameter på nm, som okkuperer en liten brøkdel av volumet til atomet (E. Rutherford, 1909-1911), bestemmelse av ladningselektron (R. Millikan, 1909-1914) og bevis på diskretiteten til dets energi i atomet (J. Frank, G. Hertz, 1912), oppdagelsen av det faktum at ladningen av kjernen er lik tallet på grunnstoffet (G. Moseley, 1913 .), og til slutt gjorde oppdagelsen av protonet (E. Rutherford, 1920) og nøytronet (J. Chadwick, 1932) det mulig å foreslå følgende modell av strukturen til atomet:

1. I sentrum av atomet er det en positivt ladet kjerne, som okkuperer en ubetydelig del av rommet inne i atomet.

2. All den positive ladningen og nesten all massen til et atom er konsentrert i kjernen (massen til et elektron er 1/1823 amu).

3. Atomkjernene består av protoner og nøytroner (vanligvis kalt nukleoner). Antall protoner i kjernen er lik grunnstoffets atomnummer, og summen av antall protoner og nøytroner tilsvarer massetallet.

4. Elektroner roterer rundt kjernen. Antallet deres er lik den positive ladningen til kjernen (se tabell 2.1).

Tabell 2.1. Egenskaper til elementærpartikler som danner et atom

Ulike typer atomer har et felles navn - nuklider. Det er nok å karakterisere nuklider med to tall fra tre grunnleggende parametere: A - massetall, Z - kjerneladning lik antall protoner og N - antall nøytroner i kjernen.

Disse parameterne er sammenkoblet av følgende relasjoner:

Nuklider med samme Z men forskjellige A og N kalles isotoper.

Denne modellen av atomstruktur kalles Rutherford-planetmodellen. Det viste seg å være veldig tydelig og nyttig for å forklare mange eksperimentelle data. Men denne modellen avslørte umiddelbart sine mangler. Spesielt bør et elektron, som beveger seg rundt en kjerne med akselerasjon (det påvirkes av en sentripetalkraft), ifølge elektromagnetisk teori kontinuerlig avgi energi. Dette vil føre til ubalanse mellom elektronet og kjernen. Elektronet, som gradvis mister energien, måtte bevege seg rundt kjernen i en spiral og til slutt uunngåelig falle ned på den. Det var ingen bevis for at atomer forsvant kontinuerlig (alle observerte fenomener indikerer akkurat det motsatte), noe som betydde at Rutherfords modell på en eller annen måte var feil.

Bohrs teori.

I 1913 foreslo den danske fysikeren N. Bohr sin teori om atomets struktur. Samtidig forkastet ikke Bohr de gamle ideene om strukturen til atomet fullstendig: i likhet med Rutherford trodde han at elektroner beveger seg rundt kjernen som planeter som beveger seg rundt solen, men den nye teorien var basert på to uvanlige antakelser (postulater). ):

1. Et elektron kan rotere rundt kjernen ikke i vilkårlige, men bare i strengt definerte (stasjonære) sirkulære baner. Orbitalradiusen r og elektronhastigheten v er relatert av Bohrs kvanteforhold:

der m er elektronmassen, n er orbitaltallet og er Plancks konstant J c).

2. Når elektronet beveger seg langs disse banene, sender eller absorberer ikke elektronet energi.

Dermed antydet Bohr at elektronet i et atom ikke adlyder lovene i klassisk fysikk. Ifølge Bohr bestemmes emisjonen eller absorpsjonen av energi av overgangen fra en tilstand, for eksempel med energi til en annen – med energi som tilsvarer overgangen til et elektron fra en stasjonær bane til en annen. Under en slik overgang sendes eller absorberes energi, hvis størrelse bestemmes av forholdet

hvor v er strålingsfrekvensen,.

Bohr, ved å bruke ligning (2.3), beregnet frekvensene til linjene i spekteret til hydrogenatomet, som stemte veldig godt overens med de eksperimentelle verdiene. Den samme overensstemmelsen mellom teori og eksperiment ble oppnådd for mange andre atomer i grunnstoffene, men det ble også oppdaget at for komplekse atomer ga Bohrs teori ikke tilfredsstillende resultater. Etter Bohr prøvde mange forskere å forbedre teorien hans, men alle forbedringer ble foreslått basert på de samme lovene i klassisk fysikk.

Kvanteteori om atomstruktur.

I de påfølgende årene ble noen bestemmelser i Bohrs teori gjennomtenkt, modifisert og supplert. Den viktigste innovasjonen var konseptet elektronskyen, som erstattet konseptet om elektronet bare som en partikkel. Bohrs teori ble erstattet av kvanteteorien om atomstruktur, som tar hensyn til elektronets bølgeegenskaper.

Den moderne teorien om atomstruktur er basert på følgende grunnleggende prinsipper:

1. Elektronet har en dobbel (partikkelbølge) natur. Det kan oppføre seg både som en partikkel og som en bølge: som en partikkel har et elektron en viss masse og ladning; samtidig utviser en bevegelig strøm av elektroner bølgeegenskaper, for eksempel er den preget av evnen til diffraksjon.

Elektronbølgelengden X og dens hastighet v er relatert av de Broglie-relasjonen:

hvor er massen til elektronet.

2. For et elektron er det umulig å nøyaktig måle posisjon og hastighet samtidig. Jo mer nøyaktig vi måler hastigheten, jo større er usikkerheten i koordinaten, og omvendt. Det matematiske uttrykket for usikkerhetsprinsippet er relasjonen

hvor er usikkerheten til koordinatposisjonen, og er feilen ved måling av hastigheten.

3. Et elektron i et atom beveger seg ikke langs bestemte baner, men kan være lokalisert i hvilken som helst del av det sirkumnukleære rommet, men sannsynligheten for at det befinner seg i forskjellige deler av dette rommet er ikke den samme. Rommet rundt kjernen der sannsynligheten for å finne et elektron er ganske høy kalles en orbital.

Disse bestemmelsene utgjør essensen av en ny teori som beskriver bevegelsen til mikropartikler - kvantemekanikk. Det største bidraget til utviklingen av denne teorien ble gitt av franskmannen L. de Broglie, tyskeren W. Heisenberg, østerrikeren E. Schrödinger og engelskmannen P. Dirac.

Kvantemekanikk har et veldig komplekst matematisk apparat, så nå er vi bare interessert i de konsekvensene av kvantemekanisk teori som vil hjelpe oss å forstå strukturen til atomet og molekylet, valensen til elementer, etc. Fra dette synspunktet er den viktigste konsekvensen av kvantemekanikk at hele settet med komplekse bevegelser til et elektron i et atom er beskrevet av fem kvantetall: hoved-n, sekundær I, magnetisk spinn s og spinnprojeksjon Hva er kvantetall?

Kvantetall av elektroner.

Hovedkvantetallet n bestemmer den totale energien til et elektron i en gitt orbital. Det kan ta en hvilken som helst heltallsverdi, fra én). Med hovedkvantetallet menes det at elektronet gis tilstrekkelig energi til dets fullstendige separasjon fra kjernen (ionisering av atomet).

I tillegg viser det seg at innenfor visse energinivåer kan elektroner variere i energiundernivåer. Eksistensen av forskjeller i energitilstanden til elektroner som tilhører forskjellige undernivåer av et gitt energinivå, reflekteres av siden (noen ganger kalt orbital) kvantenummer l. Dette kvantetallet kan ta heltallsverdier fra 0 til . Vanligvis er numeriske verdier av l vanligvis angitt med følgende alfabetiske symboler:

I dette tilfellet snakker vi om -tilstander av elektroner, eller -orbitaler.

Orbital er et sett med posisjoner til et elektron i et atom, dvs. område av rommet der det er mest sannsynlig at et elektron finnes.

Side (orbital) kvantenummer l karakteriserer de forskjellige energitilstandene til elektroner på et gitt nivå, bestemmer formen på elektronskyen, samt orbitalmomentet p - vinkelmomentet til elektronet når det roterer rundt kjernen (derav det andre navnet for dette kvantetallet - orbital)

Dermed beveger et elektron, med egenskapene til en partikkel og en bølge, seg mest sannsynlig rundt kjernen og danner en elektronsky, hvis form er forskjellig i S-, p-, d-, g-tilstandene.

La oss igjen understreke at formen på elektronskyen avhenger av verdien av sidekvantetallet l.

Så hvis (-orbital), så har elektronskyen en sfærisk form (sfærisk symmetri) og har ingen retning i rommet (fig. 2.1).

For fullt ut å forklare alle egenskapene til atomet, ble det i 1925 fremsatt en hypotese om at elektronet har et såkalt spinn (til å begynne med, i den enkleste tilnærmingen - for klarhetens skyld - ble det antatt at dette fenomenet var lik rotasjon av jorden rundt sin akse når den beveger seg i bane rundt solen). Spinn er en ren kvanteegenskap til et elektron som ikke har noen klassiske analoger. Strengt tatt er spinn elektronets eget vinkelmomentum, ikke assosiert med bevegelse i rommet. For alle elektroner er absoluttverdien av spinnet alltid lik Projeksjonen av spinnet på r-aksen (magnetisk spinnnummer) kan bare ha to verdier: eller.

Siden elektronspinnet s er en konstant mengde, er det vanligvis ikke inkludert i settet med kvantetall som karakteriserer bevegelsen til et elektron i et atom, og de snakker om fire kvantetall.

Oppdagelsen av atomets komplekse struktur er det viktigste stadiet i utviklingen av moderne fysikk. I prosessen med å lage en kvantitativ teori om atomstruktur, som gjorde det mulig å forklare atomsystemer, ble det dannet nye ideer om egenskapene til mikropartikler, som er beskrevet av kvantemekanikk.
Ideen om atomer som udelelige minste partikler av stoffer, som nevnt ovenfor, oppsto i antikken (Democritus, Epicurus, Lucretius). I middelalderen fikk ikke læren om atomer, som var materialistisk, anerkjennelse. Ved begynnelsen av 1700-tallet. atomteori blir stadig mer populær. På dette tidspunktet var verkene til den franske kjemikeren A. Lavoisier (1743–1794), den store russiske vitenskapsmannen M.V. Lomonosov og den engelske kjemikeren og fysikeren D. Dalton (1766–1844) beviste virkeligheten av eksistensen av atomer. På dette tidspunktet oppsto imidlertid ikke spørsmålet om den indre strukturen til atomer, siden atomer ble ansett som udelelige.
En stor rolle i utviklingen av atomteori ble spilt av den fremragende russiske kjemikeren D.I. Mendeleev, som i 1869 utviklet det periodiske systemet av grunnstoffer, der for første gang spørsmålet om atomenes enhetlige natur ble reist på et vitenskapelig grunnlag. I andre halvdel av 1800-tallet. Det er eksperimentelt bevist at elektronet er en av hoveddelene i ethvert stoff. Disse konklusjonene, så vel som en rekke eksperimentelle data, førte til det faktum at på begynnelsen av det 20. århundre. Spørsmålet om strukturen til atomet dukket opp for alvor.
Eksistensen av en naturlig forbindelse mellom alle kjemiske elementer, tydelig uttrykt i Mendeleevs periodiske system, antyder at strukturen til alle atomer er basert på en felles egenskap: de er alle nært beslektet med hverandre.
Imidlertid frem til slutten av 1800-tallet. I kjemien rådde den metafysiske overbevisningen om at atomet er den minste partikkelen av enkel materie, den endelige grensen for materiens delbarhet. Under alle kjemiske transformasjoner er det kun molekyler som ødelegges og skapes igjen, mens atomer forblir uendret og ikke kan deles i mindre deler.
I lang tid ble forskjellige antakelser om atomets struktur ikke bekreftet av noen eksperimentelle data. Først på slutten av 1800-tallet. det ble gjort funn som viste kompleksiteten i strukturen til atomet og muligheten for å transformere noen atomer til andre under visse forhold. Basert på disse oppdagelsene begynte læren om strukturen til atomet å utvikle seg raskt.
Det første indirekte beviset på den komplekse strukturen til atomer ble oppnådd fra studiet av katodestråler generert under en elektrisk utladning i svært sjeldne gasser. Studiet av egenskapene til disse strålene førte til konklusjonen at de er en strøm av små partikler som bærer en negativ elektrisk ladning og flyr med en hastighet nær lysets hastighet. Ved hjelp av spesielle teknikker var det mulig å bestemme massen av katodepartikler og størrelsen på ladningen deres, og finne ut at de ikke avhenger verken av arten av gassen som er igjen i røret, eller av stoffet som elektrodene fra. er laget, eller på andre eksperimentelle forhold. Dessuten er katodepartikler bare kjent i ladet tilstand og kan ikke strippes for ladningene og omdannes til elektrisk nøytrale partikler: elektrisk ladning er essensen av deres natur. Disse partiklene, kalt elektroner, ble oppdaget i 1897 av den engelske fysikeren J. Thomson.
Studiet av strukturen til atomet begynte praktisk talt i 1897–1898, etter at katodestrålenes natur som en strøm av elektroner endelig ble etablert og ladningen og massen til elektronet ble bestemt. Thomson foreslo første atommodell, og forestiller seg atomet som en materieklump med en positiv elektrisk ladning, der så mange elektroner er innblandet at det gjør det til en elektrisk nøytral formasjon. I denne modellen ble det antatt at elektroner under påvirkning av ytre påvirkninger kunne oscillere, dvs. bevege seg med en akselerert hastighet. Det ser ut til at dette gjorde det mulig å svare på spørsmål om utslipp av lys fra materieatomer og gammastråler fra atomer av radioaktive stoffer.
Thomsons modell av atomet antok ikke positivt ladede partikler inne i et atom. Men hvordan kan vi da forklare utslippet av positivt ladede alfapartikler fra radioaktive stoffer? Thomsons atommodell svarte ikke på noen andre spørsmål.
I 1911 oppdaget den engelske fysikeren E. Rutherford, mens han studerte bevegelsen av alfapartikler i gasser og andre stoffer, en positivt ladet del av atomet. Ytterligere mer grundige studier viste at når en stråle av parallelle stråler passerer gjennom lag av gass eller en tynn metallplate, kommer det ikke lenger parallelle stråler, men noe divergerende stråler: alfapartikler er spredt, dvs. de avviker fra den opprinnelige banen. Avbøyningsvinklene er små, men det er alltid et lite antall partikler (omtrent én av flere tusen) som avbøyes veldig kraftig. Noen partikler kastes tilbake som om de hadde møtt en ugjennomtrengelig barriere. Dette er ikke elektroner - massen deres er mye mindre enn massen av alfapartikler. Avbøyning kan oppstå når man kolliderer med positive partikler hvis masse er av samme størrelsesorden som massen til alfapartikler. Basert på disse betraktningene, foreslo Rutherford følgende diagram av strukturen til atomet.
I sentrum av atomet er det en positivt ladet kjerne, rundt hvilken elektroner roterer i forskjellige baner. Sentrifugalkraften som oppstår under deres rotasjon balanseres av tiltrekningen mellom kjernen og elektronene, som et resultat av at de forblir i visse avstander fra kjernen. Siden massen til et elektron er ubetydelig, er nesten hele massen til et atom konsentrert i kjernen. Andelen av kjernen og elektronene, hvis antall er relativt lite, utgjør bare en ubetydelig del av det totale rommet som okkuperes av atomsystemet.
Strukturen til atomet foreslått av Rutherford eller, som de vanligvis sier, planetarisk atommodell, forklarer enkelt fenomenene med alfapartikkelavbøyning. Faktisk er størrelsen på kjernen og elektronene ekstremt liten sammenlignet med størrelsen på hele atomet, som bestemmes av banene til elektronene lengst fra kjernen, så de fleste alfapartikler flyr gjennom atomer uten merkbar avbøyning. Bare i tilfeller der alfapartikkelen kommer veldig nær kjernen, får den elektrisk frastøting den til å avvike kraftig fra sin opprinnelige bane. Dermed la studiet av spredning av alfapartikler grunnlaget for kjernefysisk teori om atomet.

Bohrs postulater

Den planetariske modellen av atomet gjorde det mulig å forklare resultatene av eksperimenter på spredning av alfapartikler av materie, men grunnleggende vanskeligheter oppsto med å rettferdiggjøre stabiliteten til atomer.
Det første forsøket på å konstruere en kvalitativt ny - kvanteteori om atomet ble gjort i 1913 av Niels Bohr. Han satte seg som mål å knytte sammen de empiriske lovene for linjespektra, Rutherfords kjernefysiske modell av atomet og kvantenaturen til utslipp og absorpsjon av lys til en enkelt helhet. Bohr baserte sin teori på Rutherfords kjernefysiske modell. Han foreslo at elektroner beveger seg rundt kjernen i sirkulære baner. Sirkulær bevegelse, selv ved konstant hastighet, har akselerasjon. Denne akselererte ladningsbevegelsen tilsvarer vekselstrøm, som skaper et vekslende elektromagnetisk felt i rommet. Det forbrukes energi for å lage dette feltet. Feltenergien kan skapes på grunn av energien fra Coulomb-interaksjonen mellom elektronet og kjernen. Som et resultat må elektronet bevege seg i en spiral og falle ned på kjernen. Erfaring viser imidlertid at atomer er svært stabile formasjoner. Det følger av dette at resultatene av klassisk elektrodynamikk, basert på Maxwells ligninger, ikke er anvendelige for intraatomære prosesser. Det er nødvendig å finne nye mønstre. Bohr baserte sin teori om atomet på følgende postulater.
Bohrs første postulat (postulat av stasjonære tilstander): i et atom er det stasjonære (som ikke endrer seg med tiden) tilstander der det ikke avgir energi. Stasjonære tilstander til et atom tilsvarer stasjonære baner som elektroner beveger seg langs. Bevegelsen av elektroner i stasjonære baner er ikke ledsaget av emisjon av elektromagnetiske bølger.
Dette postulatet er i konflikt med den klassiske teorien. I den stasjonære tilstanden til et atom må et elektron som beveger seg i en sirkulær bane ha diskrete kvanteverdier av vinkelmomentum.
Bohrs andre postulat (frekvensregel): når et elektron beveger seg fra en stasjonær bane til en annen, sendes ett foton med energi ut (absorberes)

lik forskjellen mellom energiene til de tilsvarende stasjonære tilstandene (En og Em er henholdsvis energiene til atomets stasjonære tilstander før og etter stråling/absorpsjon).
Overgangen til et elektron fra et stasjonært banenummer m til et stasjonært banetall n tilsvarer overgangen til et atom fra en tilstand med energi Em inn i en tilstand med energi En (fig. 4.1).

Ris. 4.1. Til en forklaring av Bohrs postulater

Ved En > Em skjer fotonutslipp (overgangen til et atom fra en tilstand med høyere energi til en tilstand med lavere energi, dvs. overgangen til et elektron fra en bane som er mer fjernt fra kjernen til en nærmere), ved En< Еm – его поглощение (переход атома в состояние с большей энергией, т. е, переход электрона на более удаленную от ядра орбиту). Набор возможных дискретных частот

kvanteoverganger og bestemmer linjespekteret til et atom.
Bohrs teori forklarte briljant det eksperimentelt observerte linjespekteret av hydrogen.
Suksessene til teorien om hydrogenatomet ble oppnådd på bekostning av å forlate de grunnleggende prinsippene for klassisk mekanikk, som har vært ubetinget gyldig i mer enn 200 år. Derfor var direkte eksperimentelt bevis på gyldigheten av Bohrs postulater, spesielt det første – om eksistensen av stasjonære tilstander – av stor betydning. Det andre postulatet kan betraktes som en konsekvens av loven om bevaring av energi og hypotesen om eksistensen av fotoner.
Tyske fysikere D. Frank og G. Hertz, som studerte kollisjonen av elektroner med gassatomer ved bruk av retarderende potensialmetoden (1913), bekreftet eksperimentelt eksistensen av stasjonære tilstander og diskretiteten til atomenergiverdier.
Til tross for den utvilsomme suksessen til Bohrs konsept i forhold til hydrogenatomet, som det viste seg å være mulig å konstruere en kvantitativ teori for spekteret for, var det ikke mulig å lage en lignende teori for heliumatomet ved siden av hydrogen basert på Bohrs teori. ideer. Når det gjelder heliumatomet og mer komplekse atomer, tillot Bohrs teori oss å trekke kun kvalitative (om enn svært viktige) konklusjoner. Ideen om visse baner som et elektron beveger seg langs i et Bohr-atom viste seg å være veldig betinget. Faktisk har bevegelsen av elektroner i et atom lite til felles med bevegelsen til planeter i bane.
For tiden, ved hjelp av kvantemekanikk, er det mulig å svare på mange spørsmål angående strukturen og egenskapene til atomer til alle elementer.

Relatert informasjon.