Dezvoltarea doctrinei structurii atomului este scurtă. Rezumat: Istoria dezvoltării ideilor despre structura atomului. Cuantic - model mecanic al atomului de hidrogen. Concepte inițiale ale mecanicii cuantice

Ramură a fizicii care studiază structura internă a atomilor. Atomii, considerați inițial indivizibili, sunt sisteme complexe. Au un nucleu masiv, format din protoni și neutroni, în jurul căruia electronii se mișcă în spațiul gol. Atomii sunt foarte mici - dimensiunea lor este de aproximativ 10 -10 -10 -9 m, iar dimensiunea nucleului este încă de aproximativ 100.000 de ori mai mică (10 -15 -10 -14 m). Prin urmare, atomii pot fi „văzuți” doar indirect, pe o imagine cu o mărire foarte mare (de exemplu, folosind un proiector autoelectronic). Dar nici în acest caz, atomii nu pot fi luați în considerare în detaliu. Cunoștințele noastre despre structura lor internă se bazează pe o cantitate imensă de date experimentale, care mărturisesc indirect, dar convingător, în favoarea celor spuse mai sus.

Ideile despre structura atomului s-au schimbat radical în secolul al XX-lea. sub influenţa noilor idei teoretice şi a datelor experimentale. În descrierea structurii interne a nucleului atomic, există încă probleme nerezolvate care fac obiectul unor cercetări intense. Următoarele secțiuni conturează istoria dezvoltării ideilor despre structura atomului în ansamblu; un articol separat este dedicat structurii nucleului ( STRUCTURA NUCLEI ATOMICI), deoarece aceste opinii au evoluat în mare măsură independent. Energia necesară pentru a studia învelișurile exterioare ale unui atom este relativ mică, de ordinul energiei termice sau chimice. Din acest motiv, electronii au fost descoperiți experimental cu mult înainte de descoperirea nucleului.

Nucleul, în schimb, cu dimensiunile sale mici, este foarte strâns legat, astfel încât poate fi distrus și explorat doar cu ajutorul unor forțe de milioane de ori mai intense decât forțele care acționează între atomi. Progresul rapid în înțelegerea structurii interne a nucleului a început abia odată cu apariția acceleratorilor de particule. Această diferență uriașă de dimensiune și energie de legare face posibilă luarea în considerare a structurii atomului ca un întreg separat de structura nucleului.

Pentru a vă face o idee despre dimensiunea unui atom și despre spațiul liber pe care îl ocupă, luați în considerare atomii care alcătuiesc o picătură de apă cu diametrul de 1 mm. Dacă măriți mental această picătură la dimensiunea Pământului, atunci atomii de hidrogen și oxigen incluși în molecula de apă vor avea un diametru de 1–2 m. Partea principală a masei fiecărui atom este concentrată în miezul său, diametrul căruia în acest caz a fost de numai 0,01 mm .

Istoria apariției celor mai generale idei despre atom este de obicei urmărită din vremea filozofului grec Democrit (c. 460 - c. 370 î.Hr.), care s-a gândit mult la cele mai mici particule în care ar putea fi introdusă orice substanță. împărțit. Un grup de filozofi greci care credeau că există astfel de particule minuscule, indivizibile, au fost numiți atomiști. Filosoful grec Epicur (c. 342–270 î.Hr.) a adoptat teoria atomică, iar în secolul I î.Hr. unul dintre adepții săi, poetul și filozoful roman Lucretius Carus, a expus învățăturile lui Epicur în poemul „Despre natura lucrurilor”, datorită căruia a fost păstrat pentru generațiile viitoare. Aristotel (384-322 î.Hr.), unul dintre cei mai mari oameni de știință ai antichității, nu a acceptat teoria atomistă, iar opiniile sale despre filosofie și știință au prevalat ulterior în gândirea medievală. A fost ca și cum teoria atomistă nu a existat până la sfârșitul Renașterii, când un experiment a înlocuit raționamentul filosofic pur speculativ.

În timpul Renașterii, au început cercetările sistematice în domeniile numite acum chimie și fizică, care au adus cu ele noi presupuneri despre natura „particulelor indivizibile”. R. Boyle (1627–1691) și I. Newton (1643–1727) au pornit în raționamentul lor de la ideea existenței particulelor indivizibile de materie. Cu toate acestea, nici Boyle, nici Newton nu aveau nevoie de o teorie atomistă detaliată pentru a explica fenomenele de care erau interesați, iar rezultatele experimentelor lor nu spuneau nimic nou despre proprietățile „atomilor”.

STRUCTURA ATOMULUI

legile lui Dalton. Prima fundamentare cu adevărat științifică a teoriei atomiste, care a demonstrat în mod convingător raționalitatea și simplitatea ipotezei că fiecare element chimic este format din cele mai mici particule, a fost lucrarea profesorului de matematică din școala engleză J. Dalton (1766–1844), al cărui articol. dedicat acestei probleme a apărut în 1803 .

Dalton a studiat proprietățile gazelor, în special raporturile dintre volumele de gaze implicate în formarea unui compus chimic, de exemplu, în formarea apei din hidrogen și oxigen. El a descoperit că rapoartele cantităților reacționate de hidrogen și oxigen sunt întotdeauna rapoarte de numere întregi mici. Deci, în formarea apei (H 2 O), 2,016 g de hidrogen gazos reacţionează cu 16 g de oxigen, iar în formarea de peroxid de hidrogen (H 2 O 2) 32 g de oxigen gazos se combină cu 2,016 g de hidrogen. Masele de oxigen care reacționează cu aceeași masă de hidrogen în formarea acestor doi compuși sunt legate între ele ca numere mici:

Pe baza acestor rezultate, Dalton și-a formulat „legea raporturilor multiple”. Conform acestei legi, dacă două elemente sunt combinate în proporții diferite, formând compuși diferiți, atunci masele unuia dintre elemente, combinate cu aceeași cantitate din al doilea element, sunt legate ca numere întregi mici. Conform celei de-a doua legi a lui Dalton, „legea rapoartelor constante”, în orice compus chimic, raportul dintre masele elementelor sale constitutive este întotdeauna același. O mare cantitate de date experimentale, referitoare nu numai la gaze, ci și la lichide și compuși solizi, a fost colectată de J. Berzelius (1779–1848), care a făcut măsurători precise ale maselor de reacție ale elementelor pentru mulți compuși. Datele sale au confirmat legile formulate de Dalton și au demonstrat în mod convingător că fiecare element are cea mai mică unitate de masă.

Postulatele atomice ale lui Dalton au avut avantajul față de raționamentul abstract al atomiștilor greci antici că legile sale făceau posibilă explicarea și corelarea rezultatelor experimentelor reale, precum și prezicerea rezultatelor unor noi experimente. El a postulat că 1) toți atomii aceluiași element sunt identici în toate privințele, în special, masele lor sunt aceleași; 2) atomii diferitelor elemente au proprietăți diferite, în special, masele lor nu sunt aceleași; 3) un compus, spre deosebire de un element, include un anumit număr întreg de atomi din fiecare dintre elementele sale constitutive; 4) în reacțiile chimice, poate apărea o redistribuire a atomilor, dar nici un atom nu este distrus sau creat din nou. (De fapt, după cum sa dovedit la începutul secolului al XX-lea, aceste postulate nu sunt îndeplinite cu strictețe, deoarece atomii aceluiași element pot avea mase diferite, de exemplu, hidrogenul are trei astfel de varietăți, numite izotopi; în plus, atomii pot suferi transformări radioactive și chiar distruși complet, dar nu în reacțiile chimice considerate de Dalton.) Pe baza acestor patru postulate, teoria atomică a lui Dalton a oferit cea mai simplă explicație a legilor rapoartelor constante și multiple.

Deși legile lui Dalton stau la baza întregii chimie, ele nu determină dimensiunile și masele reale ale atomilor. Nu spun nimic despre numărul de atomi conținuti într-o anumită masă a unui element sau compus. Moleculele de substanțe simple sunt prea mici pentru a fi cântărite separat, prin urmare, pentru a determina masele de atomi și molecule, trebuie să recurgem la metode indirecte.

numărul lui Avogadro.În 1811, A. Avogadro (1776–1856) a prezentat o ipoteză care a simplificat foarte mult analiza modului în care se formează compușii din elemente și a stabilit diferența dintre atomi și molecule. Ideea lui a fost că volume egale de gaze la aceeași temperatură și presiune conțin același număr de molecule. În principiu, un indiciu în acest sens poate fi găsit în lucrarea anterioară a lui J. Gay-Lussac (1778-1850), care a stabilit că raportul dintre volumele elementelor gazoase care intră într-o reacție chimică este exprimat în numere întregi, deși diferite. din raporturile de masă obţinute de Dalton. De exemplu, 2 litri de hidrogen gazos (molecule H 2 ), combinându-se cu 1 litru de oxigen gazos (molecule O 2 ), formează 1 litru de vapori de apă (molecule H 2 O).

Numărul adevărat de molecule dintr-un anumit volum de gaz este extrem de mare și până în 1865 nu a putut fi determinat cu o acuratețe acceptabilă. Cu toate acestea, deja pe vremea lui Avogadro, au fost făcute estimări brute pe baza teoriei cinetice a gazelor. O unitate foarte convenabilă pentru măsurarea cantității de substanță este molul, adică. cantitatea unei substanțe în care există atâtea molecule câte atomi sunt în 0,012 kg din cel mai comun izotop al carbonului 12 C. Un mol de gaz ideal în condiții normale (n.o.), adică. temperatura și presiunea standard, ocupă un volum de 22,4 litri. Numărul Avogadro este numărul total de molecule dintr-un mol de substanță sau din 22,4 litri de gaz la n.a.s. Alte metode, cum ar fi radiografia, dau numărul lui Avogadro N 0 sunt valori mai precise decât cele obținute pe baza teoriei cinetice. Valoarea acceptată în prezent este: 6,0221367×10 23 atomi (molecule) pe mol. Prin urmare, 1 litru de aer conține aproximativ 3×10 22 molecule de oxigen, azot și alte gaze.

Rolul important al numărului Avogadro pentru fizica atomului este legat de faptul că vă permite să determinați masa și dimensiunile aproximative ale unui atom sau moleculă. Deoarece masa a 22,4 litri de H2 gazos este de 2,016x10 -3 kg, masa unui atom de hidrogen este de 1,67x10 -27 kg. Dacă presupunem că atomii dintr-un solid sunt situați aproape unul de celălalt, atunci numărul Avogadro ne va permite să estimăm aproximativ raza r, să zicem, atomi de aluminiu. Pentru aluminiu, 1 mol este egal cu 0,027 kg, iar densitatea este de 2,7×10 3 kg / m 3. În același timp, avem

Unde r» 1,6×10 -10 m. Astfel, primele estimări ale numărului Avogadro au dat o idee despre dimensiunile atomice.

Descoperirea electronului. Datele experimentale legate de formarea compușilor chimici au confirmat existența particulelor „atomice” și au făcut posibilă evaluarea dimensiunii și masei mici a atomilor individuali. Cu toate acestea, structura reală a atomilor, inclusiv existența particulelor și mai mici care alcătuiesc atomii, a rămas neclară până la descoperirea electronului de către J. J. Thomson în 1897. Până atunci, atomul era considerat indivizibil și diferența dintre proprietățile chimice ale diverse elemente nu aveau nicio explicație. Chiar înainte de descoperirea lui Thomson, au fost efectuate o serie de experimente interesante în care alți cercetători au studiat curentul electric în tuburi de sticlă umplute cu gaz la presiuni scăzute. Astfel de tuburi, numite tuburi Geissler după suflatorul german de sticlă G. Geissler (1815–1879), care a fost primul care le-a fabricat, emanau o strălucire strălucitoare atunci când erau conectate la înfășurarea de înaltă tensiune a unei bobine de inducție. W. Crooks (1832–1919) a devenit interesat de aceste descărcări electrice, care a stabilit că natura descărcării dintr-un tub se modifică în funcție de presiune, iar descărcarea dispare complet în vid înalt. Studiile ulterioare ale lui J. Perrin (1870-1942) au arătat că „razele catodice” care provoacă strălucirea sunt particule încărcate negativ care se mișcă în linie dreaptă, dar pot fi deviate de un câmp magnetic. Cu toate acestea, sarcina și masa particulelor au rămas necunoscute și nu era clar dacă toate particulele negative erau aceleași.

Marele merit al lui Thomson a fost dovada că toate particulele care formează raze catodice sunt identice între ele și fac parte din substanță. Cu ajutorul unui tip special de tub de descărcare, prezentat în Fig. 1, Thomson a măsurat viteza și raportul încărcare-masă a particulelor de raze catodice, numite mai târziu electroni. Electronii au zburat din catod sub acțiunea unei descărcări de înaltă tensiune în tub. Prin diafragma Dși E au trecut doar cei care zburau de-a lungul axei tubului.

Orez. 1. RAPORTUL TAXĂ LA MASĂ. Un tub folosit de fizicianul englez J. Thomson pentru a determina raportul sarcină-masă pentru razele catodice. Aceste experimente au dus la descoperirea electronului.

În modul normal, acești electroni lovesc centrul ecranului fluorescent. (Tubul Thomson a fost primul „tub catodic” cu ecran, precursorul kinescopului de televiziune.) Tubul conținea și o pereche de plăci de condensatoare electrice care, dacă erau sub tensiune, puteau devia electronii. forta electrica F E acţionând asupra acuzaţiei e din câmpul electric E, este dat de

F E = eE .

În plus, în aceeași regiune a tubului, o pereche de bobine purtătoare de curent ar putea crea un câmp magnetic capabil să devieze electronii în direcția opusă. Putere F H, acționând din câmpul magnetic H, este proporțională cu puterea câmpului, viteza particulelor vși sarcina ei e :

F H = Hev .

Thomson a ajustat câmpurile electrice și magnetice astfel încât deviația totală a electronilor să fie zero, adică. fasciculul de electroni a revenit în poziția inițială. Întrucât în ​​acest caz ambele forţe F Eși F H sunt egale, viteza electronilor este dată de

v = E/H .

Thomson a descoperit că această viteză depinde de tensiunea de pe tub Vşi că energia cinetică a electronilor mv 2/2 este direct proporțională cu această tensiune, adică. mv 2 /2 = eV. (De unde termenul „electron-volt” pentru energia dobândită de o particulă cu o sarcină egală cu cea a unui electron atunci când este accelerată de o diferență de potențial de 1 V.) Combinând această ecuație cu o expresie pentru viteza electronului, el a găsit: raportul dintre sarcina si masa:

Aceste experimente au făcut posibilă determinarea relației e /m pentru un electron și a dat o valoare aproximativă a sarcinii e. Valoare exacta e a fost măsurat de R. Milliken, care în experimentele sale s-a asigurat că picăturile de ulei încărcate atârnă în aer între plăcile condensatorului. În prezent, caracteristicile unui electron sunt cunoscute cu mare precizie:

Astfel, masa unui electron este mult mai mică decât masa unui atom de hidrogen:

Experimentele lui Thomson au arătat că electronii din descărcări electrice pot apărea din orice substanță. Deoarece toți electronii sunt la fel, elementele ar trebui să difere doar în ceea ce privește numărul de electroni. În plus, valoarea mică a masei electronilor a indicat că masa atomului nu era concentrată în ei.

Spectrograful de masă Thomson. Curând, partea rămasă a atomului cu sarcină pozitivă a fost observată folosind același tub de descărcare, deși modificat, care a făcut posibilă descoperirea electronului. Deja primele experimente cu tuburi cu descărcare au arătat că, dacă un catod cu o gaură este plasat în mijlocul tubului, particulele încărcate pozitiv trec prin „canalul” din catod, provocând strălucirea unui ecran luminescent situat la capătul tubul opus anodului. Aceste „fasciuri de canal” pozitive au fost, de asemenea, deviate de câmpul magnetic, dar în direcția opusă electronilor.

Thomson a decis să măsoare masa și sarcina acestor noi fascicule, folosind, de asemenea, câmpuri electrice și magnetice pentru a devia particulele. Aparatul său pentru studierea razelor pozitive, „spectrograful de masă”, este prezentat schematic în Fig. 2. Diferă de dispozitivul prezentat în fig. 1, prin faptul că câmpurile electrice și magnetice deviază particulele în unghi drept unul față de celălalt și, prin urmare, nu este posibil să se obțină o abatere „zero”. Atomii încărcați pozitiv pe drumul dintre anod și catod pot pierde unul sau mai mulți electroni și, din acest motiv, pot fi accelerați la energii diferite. Atomii de același tip, cu aceeași sarcină și masă, dar cu o anumită răspândire a vitezelor finale, vor desena o linie curbă (un segment de parabolă) pe un ecran luminiscent sau pe o placă fotografică. În prezența atomilor cu mase diferite, atomii mai grei (cu aceeași sarcină) se vor abate de la axa centrală mai puțin decât cei mai ușori. Pe fig. Figura 3 prezintă o fotografie a parabolelor obținute pe un spectrograf de masă Thomson. Cea mai îngustă parabolă corespunde celui mai greu atom ionizat individual (atomul de mercur), care are un electron eliminat. Cele mai largi două parabole corespund hidrogenului, una atomică H+ și cealaltă moleculară H2+, ambele fiind ionizate individual. În unele cazuri, se pierd două, trei sau chiar patru încărcături, dar nu s-a observat niciodată ca hidrogenul atomic să fie ionizat de mai multe ori. Această împrejurare a fost primul indiciu că există un singur electron în atomul de hidrogen, adică. este cel mai simplu dintre atomi.

Orez. 2. SPECTROGRAF DE MASĂ folosit de Thomson pentru a determina masele relative ale diferiților atomi din deviația razelor pozitive în câmpurile magnetice și electrice.

Orez. 3. SPECTRE DE MASĂ, fotografii cu distribuția atomilor ionizați a cinci substanțe, obținute într-un spectrograf de masă. Cu cât masa atomilor este mai mare, cu atât abaterea este mai mică.

Alte dovezi pentru structura complexă a atomului.În același timp în care Thomson și alții experimentau cu raze catodice, descoperirea razelor X și a radioactivității a oferit dovezi suplimentare pentru structura complexă a atomului. În 1895, W. Roentgen (1845–1923) a descoperit accidental o radiație misterioasă („ X-razele"), pătrunzând prin hârtia neagră cu care a înfășurat tubul Crookes când a examinat regiunea luminiscentă verde a descărcării electrice. X-razele au provocat strălucirea unui ecran de la distanță acoperit cu platinocianură de bariu cristalină. Radiografia a constatat că diverse substanțe de diferite grosimi, introduse între ecran și tub, slăbesc strălucirea, dar nu o sting complet. Aceasta a indicat o putere de penetrare extrem de mare. X-razele. Roentgen a mai stabilit că aceste raze se propagă în linie dreaptă și nu deviază sub acțiunea câmpurilor electrice și magnetice. Apariția unei astfel de radiații penetrante invizibile prin bombardarea diferitelor materiale cu electroni a fost ceva cu totul nou. Se știa că lumina vizibilă din tuburile Geissler constă din „linii spectrale” separate cu anumite lungimi de undă și, prin urmare, este asociată cu „vibrații” atomilor care au frecvențe discrete. Trăsătura esențială a noii radiații, care o deosebea de spectre optice, pe lângă puterea sa mare de penetrare, a fost aceea că spectrele optice ale elementelor cu un număr de electroni în creștere succesiv erau complet diferite unele de altele, în timp ce spectrele X-razele s-au schimbat foarte putin de la element la element.

O altă descoperire legată de structura atomului a fost aceea că atomii anumitor elemente pot emite spontan radiații. Acest fenomen a fost descoperit în 1896 de A. Becquerel (1852–1908). Becquerel a descoperit radioactivitatea folosind săruri de uraniu în timp ce studia luminiscența sărurilor sub acțiunea luminii și relația acesteia cu luminescența sticlei dintr-un tub cu raze X. Într-unul dintre experimente, a fost observată o înnegrire a unei plăci fotografice, învelită în hârtie neagră și plasată lângă sare de uraniu în întuneric complet. Această descoperire accidentală a stimulat o căutare intensă a altor exemple de radioactivitate naturală și realizarea de experimente pentru a determina natura radiației emise. În 1898, P. Curie (1859-1906) și M. Curie (1867-1934) au descoperit încă două elemente radioactive - poloniul și radiul. E. Rutherford (1871–1937), după ce a studiat puterea de penetrare a radiațiilor de uraniu, a arătat că există două tipuri de radiații: radiații foarte „moale”, care sunt ușor absorbite de materie și pe care Rutherford le-a numit raze alfa și radiații mai pătrunzătoare. , pe care le-a numit beta -beams. Razele beta s-au dovedit a fi identice cu electronii obișnuiți sau „razele catodice” care apar în tuburile cu descărcare. După cum sa dovedit, razele alfa au aceeași sarcină și masă ca atomii de heliu, lipsiți de cei doi electroni ai lor. Al treilea tip de radiație, numită raze gamma, s-a dovedit a fi similar cu X-razele, dar avea o putere de pătrundere şi mai mare.

Toate aceste descoperiri au arătat clar că atomul nu este „indivizibil”. Nu constă numai din părți mai mici (electroni și particule pozitive mai grele), dar acestea și alte subparticule par să fie emise spontan în timpul dezintegrarii radioactive a elementelor grele. În plus, atomii nu numai că emit radiații în regiunea vizibilă cu frecvențe discrete, dar pot fi, de asemenea, atât de excitați încât încep să emită mai multe radiații electromagnetice „dure”, și anume X-razele.

Modelul lui Thomson al atomului. J. Thomson, care a adus o contribuție uriașă la studiul experimental al structurii atomului, a căutat să găsească un model care să explice toate proprietățile sale cunoscute. Deoarece partea predominantă a masei atomului este concentrată în partea sa încărcată pozitiv, el a presupus că atomul este o distribuție sferică de sarcină pozitivă cu o rază de aproximativ 10–10 m, iar pe suprafața lui există electroni ținuți de forțe elastice care lasă-le să oscileze (Fig. 4). Sarcina negativă netă a electronilor anulează exact sarcina pozitivă, astfel încât atomul este neutru din punct de vedere electric. Electronii se află pe o sferă, dar pot efectua oscilații armonice simple în jurul poziției de echilibru. Astfel de oscilații pot apărea numai la anumite frecvențe, care corespund liniilor spectrale înguste observate în tuburile cu descărcare în gaz. Electronii pot fi scoși destul de ușor din pozițiile lor, rezultând „ionii” încărcați pozitiv care alcătuiesc „razele de canal” în experimentele cu un spectrograf de masă. X-fazele corespund tonurilor foarte înalte ale vibrațiilor fundamentale ale electronilor. Particulele alfa rezultate din transformările radioactive fac parte din sfera pozitivă eliminată din ea ca urmare a unui fel de ruptură energetică a atomului.

Orez. patru. ATOM, conform modelului Thomson. Electronii sunt ținuți în interiorul unei sfere încărcate pozitiv prin forțe elastice. Aceia dintre ei care se află la suprafață se pot „elimina” destul de ușor, lăsând un atom ionizat.

Cu toate acestea, acest model a ridicat o serie de obiecții. Una dintre ele s-a datorat faptului că, așa cum au constatat spectroscopiștii care au măsurat liniile de emisie, frecvențele acestor linii nu sunt simpli multipli ai frecvenței celei mai joase, așa cum ar trebui să fie cazul în cazul oscilațiilor periodice ale sarcinii. În schimb, ele converg cu o frecvență crescândă, parcă ar ajunge la o limită. Deja în 1885, I. Balmer (1825–1898) a reușit să găsească o formulă empirică simplă care să raporteze frecvențele liniilor părții vizibile a spectrului hidrogenului:

Unde n- frecvență, c este viteza luminii (3×10 8 m/s), n este un număr întreg și RH este un multiplicator constant. Conform acestei formule, în această serie de linii spectrale de hidrogen nu ar trebui să existe linii cu o lungime de undă l mai puțin de 364,56 nm (sau frecvențe mai mari) corespunzătoare n= Ґ. Acesta s-a dovedit a fi cazul și a devenit o obiecție serioasă față de modelul atomic al lui Thomson, deși s-au făcut încercări de a explica discrepanța prin diferența dintre forțele elastice de restabilire pentru diferiți electroni.

Pe baza modelului atomic al lui Thomson, a fost, de asemenea, extrem de dificil de explicat emisia de raze X sau gama de către atomi.

Relatia e/mîncărcare-la-masă pentru atomii care și-au pierdut electronii ("razele canal"). Cel mai simplu atom este un atom de hidrogen cu un electron și o sferă relativ masivă care poartă o sarcină pozitivă. Mult mai devreme, în 1815, W. Prout a sugerat că toți atomii mai grei constau din atomi de hidrogen și ar fi de înțeles dacă masa unui atom ar crește proporțional cu numărul de electroni. Cu toate acestea, măsurătorile au arătat că raportul dintre sarcină și masă pentru diferite elemente nu este același. De exemplu, masa unui atom de neon este de aproximativ 20 de ori mai mare decât cea a unui atom de hidrogen, în timp ce sarcina este de numai 10 unități de sarcină pozitivă (un atom de neon are 10 electroni). Era ca și cum sarcina pozitivă ar avea o masă variabilă, sau ar fi într-adevăr 20 de electroni, dar 10 dintre ei se aflau în interiorul sferei.

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

Toate corpurile naturii animate și neînsuflețite, în ciuda diversității lor, constau din cele mai mici particule - atomi. Primul care sugerează acest lucru este filozoful grec antic Democrit. El a numit un atom cea mai mică particulă indivizibilă care formează o substanță (un atom în traducere din altă greacă este „indivizibil”). Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea. Au fost făcute descoperiri care au arătat complexitatea structurii atomului, că atomii se descompun în particule elementare mai mici și, prin urmare, nu sunt „atomi” în sensul Democritului. Cu toate acestea, termenul este încă folosit în chimia și fizica modernă, în ciuda inconsecvenței etimologiei sale cu ideile moderne despre structura atomului.

Primele idei despre atom

Democrit credea că, dacă împărțiți, de exemplu, un măr în două jumătăți, apoi una dintre ele în alte două părți și continuați să împărțiți în acest fel până când rezultatul diviziunii încetează să mai fie un măr, atunci cea mai mică particulă care încă mai păstrează proprietatea unui măr este un atom de măr (adică o parte indivizibilă a unui măr). El a susținut că atomii există pentru totdeauna; sunt atât de mici încât dimensiunile lor nu pot fi măsurate; toți atomii sunt aceiași, dar diferă ca aspect (atomii de apă, de exemplu, sunt netezi, sunt capabili să se rostogolească și, prin urmare, fluiditatea este caracteristică unui lichid; atomii de fier au dinți cu care se angajează unul cu celălalt, care conferă fierului proprietăţile unui corp solid). Ideile lui Democrit erau speculative.

Un grup de filozofi greci care credeau că există astfel de particule minuscule, indivizibile, au fost numiți atomiști. Atomismul- teoria natural-filosofică, conform căreia lucrurile (materiale) percepute senzual constau din particule indivizibile chimic - atomi. (În fizica modernă, problema atomismului este deschisă. Unii teoreticieni aderă la atomism, dar prin atomi înțeleg particule fundamentale, care sunt în continuare indivizibile).

Fundamentele teoriei atomice a structurii materiei

În 1808, fizicianul Dalton John (1766–1844) a reînviat atomismul și a dovedit realitatea existenței atomilor. El a scris: „Atomii sunt elemente chimice care nu pot fi create din nou, împărțiți în particule mai mici, distruse de orice transformări chimice. Orice reacție chimică schimbă pur și simplu ordinea în care atomii sunt grupați.” John Dalton a introdus conceptul de „greutate atomică”, a fost primul care a calculat greutățile atomice (masele) unui număr de elemente și a întocmit primul tabel cu greutățile atomice relative ale acestora, punând astfel bazele teoriei atomice a structurii materie.

Dalton a fost unul dintre cei mai faimoși și respectați oameni de știință ai timpului său, cunoscut pe scară largă pentru munca sa de pionierat în diferite domenii ale cunoașterii. El a efectuat pentru prima dată (1794) cercetări și a descris un defect vizual de care suferea el însuși - daltonism, numită ulterior daltonism în cinstea sa; a descoperit legea presiunilor parțiale (legea lui Dalton) (1801), legea expansiunii uniforme a gazelor la încălzire (1802), legea solubilității gazelor în lichide (legea lui Henry-Dalton). A stabilit legea rapoartelor multiple (1803), a descoperit fenomenul de polimerizare (de exemplu, etilena și butilena).

Cu toate acestea, problema structurii interne a atomilor nici măcar nu a apărut, deoarece atomii erau considerați indivizibili.

În 1897, fizicianul englez J. Thomson, studiind razele catodice, a ajuns la concluzia că atomii oricărei substanțe conțin particule încărcate negativ, pe care le-a numit electroni. Marele merit al lui Thomson a fost dovada că toate particulele care formează raze catodice sunt identice între ele și fac parte din substanță. El a propus primul model al atomului - „budinca de stafide” în 1904.

Potrivit lui Thomson, sarcina pozitivă a unui atom ocupă întregul volum al atomului și este distribuită în acest volum cu o densitate constantă, există mai mulți electroni în sfera încărcată pozitiv, astfel încât atomul este ca o turtă în care se joacă electronii. rolul stafidelor.

Modelul nuclear al atomului (planetar)

Rutherford a bombardat cu particule α atomii elementelor grele (aur, argint, cupru etc.). Particulele α sunt atomi de heliu complet ionizați. Electronii care alcătuiesc atomii, datorită masei lor mici, nu pot schimba în mod vizibil traiectoria particulei α. Imprăștirea, adică o schimbare a direcției de mișcare a particulelor α, poate fi cauzată doar de o parte grea încărcată pozitiv a atomului.

S-a descoperit că majoritatea particulelor alfa trec printr-un strat subțire de metal cu o deflexie mică sau deloc. Cu toate acestea, o mică parte a particulelor este deviată la unghiuri semnificative care depășesc 30°. Particulele alfa foarte rare (aproximativ una din zece mii) au fost deviate prin unghiuri apropiate de 180°.

Acest rezultat a fost complet neașteptat chiar și pentru Rutherford. A fost în conflict puternic cu modelul lui Thomson al atomului, conform căruia sarcina pozitivă este distribuită pe întregul volum al atomului. Cu o astfel de distribuție, o sarcină pozitivă nu poate crea un câmp electric puternic capabil să arunce particulele α înapoi.

Aceste considerații l-au condus pe Rutherford la concluzia că atomul este aproape gol și toată sarcina lui pozitivă este concentrată într-un volum mic. Rutherford a numit această parte a atomului nucleu. Acesta este cum modelul nuclear al atomului(planetar):
1. În centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv, care ocupă o parte nesemnificativă a spațiului din interiorul atomului.
2. Întreaga sarcină pozitivă și aproape întreaga masă a unui atom sunt concentrate în nucleul său (masa unui electron este 1/1823 a.m.u.).
3. Electronii se rotesc în jurul nucleului. Numărul lor este egal cu sarcina pozitivă a nucleului.

Dar pe baza acestui model este imposibil de explicat existența atomului, stabilitatea acestuia. La urma urmei, mișcarea electronilor pe orbite are loc cu o accelerație și destul de considerabilă. Conform legilor electrodinamicii, un electron accelerat trebuie să piardă energie și să se apropie de nucleu. Calculele bazate pe mecanica lui Newton și pe electrodinamica lui Maxwell arată că electronul trebuie să cadă pe nucleu într-o perioadă de timp neglijabilă. Atomul trebuie să înceteze să mai existe. În realitate, nu se întâmplă așa ceva. Atomii sunt stabili și într-o stare neexcitată pot exista la infinit fără a emite unde electromagnetice deloc. Concluzia, care nu este în concordanță cu experiența, despre moartea inevitabilă a atomului din cauza pierderii de energie pentru radiație, este rezultatul aplicării legilor fizicii clasice la fenomenele care au loc în interiorul atomului. De aici rezultă că legile fizicii clasice sunt inacceptabile fenomenelor la scară atomică.

Fizicianul danez Niels Bohr (1885 - 1962) credea că comportamentul microparticulelor nu poate fi descris prin aceleași legi ca corpurile macroscopice.
Bohr a sugerat că cantitățile care caracterizează microlume ar trebui cuantifica , adică pot lua doar anumite valori discrete.
Legile microlumilor sunt legi cuantice! Aceste legi la începutul secolului al XX-lea nu fuseseră încă stabilite de știință. Bohr le-a formulat sub forma a trei postulate. completând (și „salvand”) atomul lui Rutherford. Teoria sa a condus ulterior la crearea unei teorii coerente a mișcării microparticulelor - mecanica cuantică.

Primul postulat al lui Bohr stări: un sistem atomic poate fi doar în stări speciale staționare, sau cuantice, fiecare dintre acestea corespunzând unei anumite energii E. În stare staționară, un atom nu radiază.
Conform Al doilea postulat al lui Bohr Lumina este emisă atunci când un atom trece de la o stare staționară de energie superioară la o stare staționară de energie inferioară. Energia fotonului emis este egală cu diferența dintre energiile stărilor staționare.

Teoria cuantică a structurii atomului

Teoria lui Bohr a fost înlocuită cu teoria cuantică, care ia în considerare proprietățile undei ale electronului și ale altor particule elementare care formează atomul.

În centrul teoriei moderne a structurii atomului se află următoarele prevederi de bază:

1. Electronul are o natură duală (particulă-undă). Se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă, ca o particulă, un electron are o anumită masă și sarcină; în același timp, electronul în mișcare prezintă proprietăți de undă, de exemplu, se caracterizează prin capacitatea de difracție. Lungimea de undă a electronului λ și viteza sa v sunt legate prin relația de Broglie:

λ = h / mv, unde m este masa electronilor.

2. Pentru un electron, este imposibil să se măsoare cu precizie coordonatele și viteza în același timp. Cu cât măsuram mai precis viteza, cu atât este mai mare incertitudinea în coordonate și invers. Expresia matematică a principiului de incertitudine Heisenberg este relația

∆x∙m∙∆v > ћ/2,
unde ∆x este incertitudinea poziției coordonatei, ∆v este eroarea în măsurarea vitezei.

3. Un electron dintr-un atom nu se deplasează de-a lungul anumitor traiectorii, ci poate fi localizat în orice parte a spațiului nuclear, dar probabilitatea de a fi în diferite părți ale acestui spațiu nu este aceeași. Se numește spațiul din jurul nucleului, în care probabilitatea de a găsi un electron este suficient de mare orbital.

4. Nucleele atomilor constau din protoni si neutroni (numele comun este nucleoni). Numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul atomic al elementului, iar suma numerelor de protoni și neutroni corespunde numărului său de masă.

Poziția din urmă a fost formulată după ce E. Rutherford a descoperit protonul în 1920, iar neutronul în 1932, J. Chadwick.

Diferite tipuri de atomi au un nume comun - nuclizi. Este suficient să se caracterizeze nuclizii prin oricare două numere din trei parametri fundamentali: A este numărul de masă, Z este sarcina nucleară egală cu numărul de protoni și N este numărul de neutroni din nucleu. Acești parametri sunt interconectați prin relațiile:

Z = A - N,
N \u003d A - Z,
A = Z + N.

Nuclizii cu același Z, dar A și N diferiți se numesc izotopi.

Prevederile formulate mai sus constituie esența unei noi teorii care descrie mișcarea microparticulelor – mecanica cuantică (mecanica aplicabilă mișcării corpurilor obișnuite și descrisă de legile lui Newton a început să fie numită mecanică clasică). Cea mai mare contribuție la dezvoltarea acestei teorii au avut-o francezul L. de Broglie, germanul W. Heisenberg, austriacul E. Schrödinger și englezul P. Dirac. Ulterior, fiecăruia dintre acești oameni de știință a fost distins cu Premiul Nobel.

Mecanica cuantică este o teorie foarte complexă din punct de vedere matematic. Dar aceasta nu este principala dificultate. Procesele pe care le descrie mecanica cuantică - procesele microlumii - sunt inaccesibile nu numai percepției simțurilor noastre, ci și imaginației. Oamenii sunt lipsiți de posibilitatea de a le imagina vizual în întregime, deoarece sunt complet diferite de acele fenomene macroscopice pe care omenirea le-a observat de-a lungul a milioane de ani. Imaginația umană nu creează altele noi, ci le combină doar pe cele cunoscute, prin urmare este practic imposibil să descriem comportamentul fotonilor și al altor particule în limbajul nostru macroscopic.

Descoperirea structurii complexe a atomului este cea mai importantă etapă în formarea fizicii moderne. În procesul de creare a unei teorii cantitative a structurii atomului, care a făcut posibilă explicarea sistemelor atomice, s-au format noi idei despre proprietățile microparticulelor, care sunt descrise de mecanica cuantică.
Ideea atomilor ca cele mai mici particule indivizibile de substanțe, așa cum s-a menționat mai sus, a apărut în vremuri străvechi (Democrit, Epicur, Lucretius). În Evul Mediu, doctrina atomilor, fiind materialistă, nu era recunoscută. Până la începutul secolului al XVIII-lea. teoria atomistă câștigă din ce în ce mai multă popularitate. În acest moment, lucrările chimistului francez A. Lavoisier (1743-1794), marele om de știință rus M.V. Lomonosov și chimistul și fizicianul englez D. Dalton (1766-1844) au dovedit realitatea existenței atomilor. Cu toate acestea, la acea vreme problema structurii interne a atomilor nici măcar nu se punea, deoarece atomii erau considerați indivizibili.
Un chimist rus remarcabil D.I. Mendeleev, care a dezvoltat în 1869 sistemul periodic de elemente, în care pentru prima dată pe o bază științifică a fost pusă problema naturii unificate a atomilor. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea. s-a dovedit experimental că electronul este una dintre părțile principale ale oricărei substanțe. Aceste concluzii, precum și numeroase date experimentale, au condus la faptul că la începutul secolului XX. a ridicat serios problema structurii atomului.
Existența unei legături regulate între toate elementele chimice, exprimată clar în sistemul periodic al lui Mendeleev, sugerează că structura tuturor atomilor se bazează pe o proprietate comună: toți sunt strâns legați unul de celălalt.
Cu toate acestea, până la sfârșitul secolului al XIX-lea. chimia a fost dominată de credința metafizică că atomul este cea mai mică particulă a unei substanțe simple, ultima limită a divizibilității materiei. În toate transformările chimice, doar moleculele sunt distruse și recreate, în timp ce atomii rămân neschimbați și nu pot fi divizați în părți mai mici.
Diverse ipoteze despre structura atomului pentru o lungă perioadă de timp nu au fost confirmate de nicio dată experimentală. Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea. s-au făcut descoperiri care au arătat complexitatea structurii atomului și posibilitatea transformării unor atomi în alții în anumite condiții. Pe baza acestor descoperiri, teoria structurii atomului a început să se dezvolte rapid.
Prima confirmare indirectă a structurii complexe a atomilor a fost obținută în studiul razelor catodice care decurg dintr-o descărcare electrică în gaze foarte rarefiate. Studiul proprietăților acestor raze a condus la concluzia că sunt un flux de particule minuscule care poartă o sarcină electrică negativă și zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii. Folosind metode speciale, a fost posibilă determinarea masei particulelor catodice și a mărimii încărcăturii acestora, pentru a afla că acestea nu depind nici de natura gazului rămas în tub, nici de substanța din care sunt electrozii. efectuate sau în alte condiții ale experimentului. Mai mult, particulele catodice sunt cunoscute doar în stare încărcată și nu pot fi private de sarcina lor și transformate în particule neutre din punct de vedere electric: sarcina electrică este esența naturii lor. Aceste particule, numite electronii, au fost descoperite în 1897 de către fizicianul englez J. Thomson.
Studiul structurii atomului a început practic în 1897-1898, după ce s-a stabilit în cele din urmă natura razelor catodice ca flux de electroni și s-a determinat mărimea sarcinii și a masei electronului. a sugerat Thomson primul model al atomului, prezentând atomul ca o grămadă de materie cu sarcină electrică pozitivă, în care sunt intercalate atât de mulți electroni încât îl transformă într-o formațiune neutră din punct de vedere electric. În acest model, s-a presupus că, sub influența influențelor externe, electronii ar putea oscila, adică să se miște cu o rată accelerată. S-ar părea că acest lucru a făcut posibil să se răspundă la întrebări despre emisia de lumină de către atomii de materie și razele gamma de către atomii de substanțe radioactive.
Modelul lui Thomson al atomului nu presupunea particule încărcate pozitiv în interiorul atomului. Dar cum să explicăm atunci emisia de particule alfa încărcate pozitiv de către substanțele radioactive? Modelul atomic al lui Thomson nu a răspuns nici la alte întrebări.
În 1911, fizicianul englez E. Rutherford, în timp ce studia mișcarea particulelor alfa din gaze și alte substanțe, a descoperit partea încărcată pozitiv a atomului. Alte studii mai amănunțite au arătat că atunci când un fascicul de raze paralele trece prin straturi de gaz sau o placă metalică subțire, nu mai apar raze paralele, ci oarecum divergente: particulele alfa sunt împrăștiate, adică se abat de la calea lor originală. . Unghiurile de deviere sunt mici, dar există întotdeauna un număr mic de particule (aproximativ una din câteva mii) care sunt deviate foarte puternic. Unele particule sunt aruncate înapoi, de parcă s-ar întâlni pe drum o barieră impenetrabilă. Aceștia nu sunt electroni - masa lor este mult mai mică decât masa particulelor alfa. Deviația poate apărea la ciocnirea cu particule pozitive a căror masă este de același ordin cu masa particulelor alfa. Pe baza acestor considerații, Rutherford a propus următoarea schemă pentru structura atomului.
În centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia electronii se învârt pe diferite orbite. Forța centrifugă care apare în timpul rotației lor este echilibrată de atracția dintre nucleu și electroni, drept urmare aceștia rămân la anumite distanțe de nucleu. Deoarece masa unui electron este neglijabilă, aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleul său. Nucleul și electronii, al căror număr este relativ mic, reprezintă doar o parte nesemnificativă din întregul spațiu ocupat de sistemul atomic.
Schema propusă de Rutherford pentru structura atomului sau, așa cum se spune de obicei, planetară model atomic, explică cu ușurință fenomenul de deviere a particulelor alfa. Într-adevăr, dimensiunile nucleului și ale electronilor sunt extrem de mici în comparație cu dimensiunile întregului atom, care sunt determinate de orbitele electronilor cei mai îndepărtați de nucleu, astfel încât majoritatea particulelor alfa zboară prin atomi fără o deviere vizibilă. Doar în cazurile în care particula alfa se apropie foarte mult de nucleu, repulsia electrică o face să devieze brusc de la calea sa originală. Astfel, studiul împrăștierii particulelor alfa a marcat începutul teoriei nucleare a atomului.

4.2. postulatele lui Bohr

Modelul planetar al atomului a făcut posibilă explicarea rezultatelor experimentelor privind împrăștierea particulelor alfa de materie, dar au apărut dificultăți fundamentale în fundamentarea stabilității atomilor.
Prima încercare de a construi o nouă teorie calitativ - cuantică - a atomului a fost făcută în 1913 de Niels Bohr. El și-a stabilit scopul de a lega într-un singur întreg regularitățile empirice ale spectrelor de linii, modelul nuclear al atomului lui Rutherford și natura cuantică a emisiei și absorbției luminii. Bohr și-a bazat teoria pe modelul nuclear al lui Rutherford. El a sugerat că electronii se mișcă în jurul nucleului pe orbite circulare. Mișcarea circulară, chiar și la o viteză constantă, are accelerație. O astfel de mișcare accelerată a sarcinii este echivalentă cu un curent alternativ, care creează un câmp electromagnetic alternativ în spațiu. Se consumă energie pentru a crea acest câmp. Energia câmpului poate fi creată datorită energiei interacțiunii Coulomb a unui electron cu un nucleu. Ca urmare, electronul trebuie să se miște în spirală și să cadă pe nucleu. Cu toate acestea, experiența arată că atomii sunt formațiuni foarte stabile. Aceasta implică concluzia că rezultatele electrodinamicii clasice bazate pe ecuațiile lui Maxwell nu sunt aplicabile proceselor intra-atomice. Trebuie găsite noi modele. Bohr și-a bazat teoria atomului pe următoarele postulate.
Primul postulat al lui Bohr (postulat al stărilor staționare): într-un atom există stări staționare (care nu se schimbă cu timpul) în care nu radiază energie. Stările staționare ale unui atom corespund orbitelor staționare de-a lungul cărora se mișcă electronii. Mișcarea electronilor pe orbite staționare nu este însoțită de emisia de unde electromagnetice.
Acest postulat este în contradicție cu teoria clasică. În starea staționară a unui atom, un electron care se mișcă de-a lungul unei orbite circulare trebuie să aibă valori cuantice discrete ale momentului unghiular.
Al doilea postulat al lui Bohr (regula frecvenței): când un electron se mișcă de pe o orbită staționară pe alta, un foton cu energie este emis (absorbit)

egală cu diferența de energie a stărilor staționare corespunzătoare (En și Em sunt, respectiv, energiile stărilor staționare ale atomului înainte și după radiație/absorbție).
Tranziția unui electron de la un număr staționar de orbită m la un număr de orbită staționară n corespunde trecerii unui atom dintr-o stare cu energie Emîntr-o stare cu energie En (Fig. 4.1).

Orez. 4.1. Spre explicarea postulatelor lui Bohr

Când En > Em, este emis un foton (tranziția unui atom dintr-o stare cu o energie mai mare la o stare cu o energie mai mică, adică tranziția unui electron de pe o orbită mai îndepărtată de nucleu la una mai apropiată) , la 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

tranziții cuantice și determină spectrul de linie al atomului.
Teoria lui Bohr a explicat în mod strălucit spectrul de linii observat experimental al hidrogenului.
Progresele în teoria atomului de hidrogen au fost obținute cu prețul abandonării principiilor fundamentale ale mecanicii clasice, care a rămas necondiționat valabilă de mai bine de 200 de ani. Prin urmare, dovada experimentală directă a validității postulatelor lui Bohr, în special a primei, privind existența stărilor staționare, a fost de mare importanță. Al doilea postulat poate fi considerat ca o consecință a legii conservării energiei și a ipotezei existenței fotonilor.
Fizicienii germani D. Frank și G. Hertz, studiind ciocnirea electronilor cu atomii de gaz prin metoda potențialului de întârziere (1913), au confirmat experimental existența stărilor staționare și discretitatea valorilor energetice ale atomilor.
În ciuda succesului neîndoielnic al conceptului lui Bohr în legătură cu atomul de hidrogen, pentru care s-a dovedit a fi posibilă construirea unei teorii cantitative a spectrului, nu a fost posibil să se creeze o teorie similară pentru atomul de heliu care urmează hidrogenului pe baza ideile lui Bohr. În ceea ce privește atomul de heliu și atomii mai complecși, teoria lui Bohr a făcut posibil să se tragă doar concluzii calitative (deși foarte importante). Ideea anumitor orbite de-a lungul cărora se mișcă un electron într-un atom Bohr s-a dovedit a fi foarte arbitrară. De fapt, mișcarea electronilor într-un atom are puține în comun cu mișcarea planetelor pe orbite.
În prezent, cu ajutorul mecanicii cuantice, este posibil să se răspundă la multe întrebări referitoare la structura și proprietățile atomilor oricăror elemente.

4.3. Proprietățile undei corpusculare ale microparticulelor

Universalitatea conceptului de unde corpusculare

Omul de știință francez Louis de Broglie (1892-1987), realizând simetria existentă în natură și dezvoltând idei despre natura corpusculară duală a luminii, a înaintat în 1923 o ipoteză despre universalitatea dualismului corpuscular-undă. El a susținut că nu numai fotonii, ci și electronii și orice alte particule de materie, împreună cu cele corpusculare, au proprietăți de undă.
Potrivit lui de Broglie, fiecare micro-obiect este asociat, pe de o parte, cu caracteristici corpusculare, energie Eși impuls R, iar pe de altă parte, caracteristicile undei - frecvența v și lungimea de undă . Formulele care raportează proprietățile corpusculare și de undă ale particulelor sunt aceleași ca pentru fotoni:

E=h; p = h/λ.

Îndrăzneala ipotezei lui de Broglie constă tocmai în faptul că formulele de mai sus au fost postulate nu numai pentru fotoni, ci și pentru alte microparticule, în special pentru cele care au o masă în repaus. Astfel, orice particulă cu impuls este asociată cu un proces de undă cu o lungime de undă determinată de formula de Broglie:

Această formulă este valabilă pentru orice particulă cu impuls R.
Curând, ipoteza lui de Broglie a fost confirmată experimental de către fizicienii americani K. Davisson (1881-1958) și L. Germer (1896-1971), care au descoperit că un fascicul de electroni împrăștiat din rețeaua naturală de difracție a unui cristal de nichel dă un model de difracție distinct. .
Ipoteza confirmată experimental a lui de Broglie despre dualitatea undă-particulă a proprietăților materiei a schimbat radical ideile despre proprietățile micro-obiectelor. Toate micro-obiectele au atât proprietăți corpusculare, cât și proprietăți ondulatorii: pentru ele, există posibilități potențiale de a se manifesta, în funcție de condițiile externe, fie sub formă de undă, fie sub formă de particule.

Principiile incertitudinii și adiționalității

Conform naturii cu undă corpusculară duală a particulelor de materie, reprezentările de undă sau corpusculare sunt folosite pentru a descrie proprietățile microparticulelor. Este imposibil să le atribuim toate proprietățile particulelor și toate proprietățile undelor. Este nevoie de introducerea unor restricții în aplicarea conceptelor mecanicii clasice la obiectele microlumii.
În mecanica clasică, fiecare particulă se mișcă de-a lungul unei anumite traiectorii, astfel încât în ​​orice moment poziția și impulsul ei sunt exact fixate. Microparticulele, datorită proprietăților lor de undă, diferă semnificativ de particulele clasice. Una dintre principalele diferențe este că este imposibil să vorbim despre mișcarea unei microparticule de-a lungul unei anumite traiectorii și despre valorile exacte simultane ale poziției și impulsului acesteia. Aceasta rezultă din dualismul undelor corpusculare. Astfel, conceptul de „lungime de undă la un punct dat” nu are sens fizic și, deoarece impulsul este exprimat în termeni de lungime de undă, o microparticulă cu un anumit impuls are o coordonată complet nedefinită. Și invers, dacă microparticula este într-o stare cu valoarea exactă a coordonatei, atunci impulsul său este complet nedeterminat.
Fizicianul german W. Heisenberg, ținând cont de proprietățile undei ale microparticulelor și limitările în comportamentul acestora asociate cu proprietățile undelor, a ajuns la concluzia în 1927:
Este imposibil să caracterizați un obiect al microlumii simultan cu o precizie predeterminată atât prin coordonate, cât și prin impuls. Conform relația de incertitudine Heisenberg o microparticulă (microobiect) nu poate avea simultan o coordonată x și un anumit impuls p, iar incertitudinile acestor mărimi satisfac condiția
∆x ∆p ≥ h
(h este constanta lui Planck), adică produsul incertitudinilor poziției și impulsului nu poate fi mai mic decât constanta lui Planck.
Incapacitatea de a determina cu precizie coordonatele și componenta de impuls corespunzătoare în același timp nu se datorează imperfecțiunii metodelor de măsurare sau a instrumentelor de măsurare. Aceasta este o consecință a specificului micro-obiectelor, reflectând trăsăturile proprietăților lor obiective, natura lor duală corpusculară-undă. Relația de incertitudine a fost obținută prin utilizarea simultană a caracteristicilor clasice ale mișcării unei particule (coordonată, impuls) și prezența proprietăților sale de undă. Deoarece este acceptat în mecanica clasică că măsurarea poziției și a impulsului poate fi făcută cu orice precizie, atunci relația de incertitudine este astfel o limitare cuantică a aplicabilității mecanicii clasice la microobiecte.
Relația de incertitudine, care reflectă specificul fizicii microparticulelor, face posibilă estimarea, de exemplu, în ce măsură conceptele mecanicii clasice pot fi aplicate microparticulelor, în special, cu ce grad de precizie se poate vorbi despre traiectoriile microparticulelor. . Se știe că mișcarea de-a lungul traiectoriei este caracterizată în orice moment de anumite valori ale coordonatelor și vitezei.
Pentru corpurile macroscopice, proprietățile lor de undă nu joacă niciun rol: coordonatele și viteza corpurilor macroscopice pot fi măsurate simultan destul de precis. Aceasta înseamnă că legile mecanicii clasice pot fi folosite pentru a descrie mișcarea macrocorpurilor cu certitudine absolută.
Relația de incertitudine a fost în repetate rânduri subiectul discuțiilor filozofice, conducând unii filosofi la interpretarea ei idealistă: relația de incertitudine, fără a oferi posibilitatea de a determina simultan cu exactitate coordonatele și momentele (vitezele) particulelor, stabilește limita cognizabilității lume, pe de o parte, și existența micro-obiectelor în afara spațiului și timpului - cu alta. De fapt, relația de incertitudine nu pune nicio limită în cunoașterea microlumii, ci indică doar cât de aplicabile sunt conceptele mecanicii clasice.
Pentru a descrie micro-obiectele, H. Bohr a formulat în 1927 poziția fundamentală a mecanicii cuantice - principiul complementaritatii, conform căreia achiziția de informații experimentale despre unele mărimi fizice care descriu un microobiect (particulă elementară, atom, moleculă) este inevitabil asociată cu pierderea de informații despre alte mărimi care se adaugă primelor.
Astfel de mărimi reciproc complementare pot fi considerate, de exemplu, coordonatele unei particule și viteza (sau impulsul) acesteia. În cazul general, mărimile fizice sunt complementare între ele, care corespund operatorilor care nu fac naveta între ele, de exemplu, direcția și mărimea momentului unghiular, energia cinetică și potențială.
Din punct de vedere fizic, principiul complementarității este adesea explicat (în urma lui Bohr) prin influența unui dispozitiv de măsurare (un obiect microscopic) asupra stării unui microobiect. Când se măsoară cu precizie una dintre mărimile suplimentare (de exemplu, coordonatele unei particule) cu ajutorul unui dispozitiv adecvat, cealaltă mărime (impulsul) suferă o modificare complet necontrolată ca urmare a interacțiunii particulei cu dispozitivul. Deși o astfel de interpretare a principiului complementarității este confirmată de analiza celor mai simple experimente, din punct de vedere general ea întâmpină obiecții de natură filosofică. Din punctul de vedere al teoriei cuantice moderne, rolul dispozitivului în măsurători este de a „pregăti” o anumită stare a sistemului. Starile în care cantitățile complementare reciproc ar avea simultan valori precis definite sunt fundamental imposibile, iar dacă una dintre aceste mărimi este definită cu precizie, atunci valorile celeilalte sunt complet nedefinite. Astfel, de fapt, principiul complementarității reflectă proprietățile obiective ale sistemelor cuantice care nu sunt legate de observator.

4.4. Natura probabilistică a microproceselor

Proprietăți probabilistice ale microparticulelor

Confirmarea experimentală a ideii lui de Broglie despre universalitatea dualității undă-particulă, aplicarea limitată a mecanicii clasice la micro-obiecte, dictată de principiile complementarității și incertitudinii, precum și contradicția unui număr de experimente utilizate la începutul secolul al XX-lea. teoriile au condus la o nouă etapă în dezvoltarea reprezentărilor fizice ale lumii înconjurătoare și, în special, a microcosmosului - crearea mecanicii cuantice, descrierea proprietăților microparticulelor ținând cont de caracteristicile undelor acestora. Crearea și dezvoltarea sa acoperă perioada de la 1900 (formularea lui Planck a ipotezei cuantice) până în anii 1920. și este asociat în primul rând cu lucrările fizicianului austriac E. Schrödinger, ale fizicianului german W. Heisenberg și ale fizicianului englez P. Dirac.
În acel moment, au apărut noi probleme fundamentale, în special problema asociată înțelegerii naturii fizice a undelor de Broglie. Pentru a o clarifica, luați în considerare difracția microparticulelor. Modelul de difracție observat pentru microparticule se caracterizează printr-o distribuție inegală a fluxurilor acestor particule împrăștiate sau reflectate în direcții diferite: în unele direcții, se observă un număr mai mare de particule decât în ​​altele. Prezența maximelor în modelul de difracție din punctul de vedere al teoriei undelor înseamnă că aceste direcții corespund celei mai mari intensități a undelor de Broglie. În același timp, intensitatea unor astfel de unde se dovedește a fi mai mare acolo unde există un număr mai mare de particule, adică intensitatea lor într-un anumit punct din spațiu determină numărul de particule care lovesc acest punct. În consecință, modelul de difracție pentru microparticule este o manifestare a unei regularități statistice (probabilistice), conform căreia particulele cad în acele locuri în care intensitatea undelor de Broglie este cea mai mare.
Necesitatea unei abordări probabilistice a descrierii microparticulelor este o trăsătură distinctivă importantă a teoriei cuantice. Pot fi interpretate undele de Broglie ca unde de probabilitate, adică putem presupune că probabilitatea de a găsi microparticule în diferite puncte din spațiu se modifică conform legii undelor? O astfel de interpretare a undelor de Broglie este incorectă, fie și numai pentru că atunci probabilitatea de a găsi o particule în anumite puncte din spațiu poate fi negativă, ceea ce nu are sens.
Pentru a elimina aceste dificultăți, fizicianul german M. Născut (1882-1970) în 1926. a sugerat că, conform legii undelor, nu probabilitatea în sine se schimbă, ci amplitudinea probabilității, numită funcția de undă. Descrierea stării unui micro-obiect cu ajutorul funcției de undă are un caracter statistic, probabilistic: pătratul modulului funcției de undă (pătratul modulului amplitudinii undelor de Broglie) determină probabilitatea de a găsi o particulă la un moment dat într-un anumit volum limitat.
Deci, în mecanica cuantică, starea microparticulelor este descrisă într-un mod fundamental nou - cu ajutorul funcției de undă, care este principalul purtător de informații despre proprietățile lor corpusculare și de undă.
Interpretarea statistică a undelor de Broglie și a relației de incertitudine Heisenberg a condus la concluzia că ecuația mișcării din mecanica cuantică, care descrie mișcarea microparticulelor în diferite câmpuri de forță, ar trebui să fie o ecuație din care proprietățile undei observate experimental ale particulelor ar trebui să fie urma. Ecuația de bază ar trebui să fie funcția de undă, deoarece aceasta, sau, mai precis, pătratul său, determină probabilitatea de a găsi o particulă la un moment dat într-un anumit volum definit. În plus, ecuația dorită trebuie să țină cont de proprietățile de undă ale particulelor, adică trebuie să fie o ecuație de undă.
Ecuația de bază a mecanicii cuantice a fost formulată în 1926 de E. Schrödinger. Ecuația Schrödinger, ca multe ecuații ale fizicii, nu este derivată, ci postulată. Corectitudinea acestei ecuații Schrödinger este confirmată de acordul cu experiența rezultatelor obținute cu ajutorul ei, ceea ce îi conferă, la rândul său, caracterul unei legi a naturii.

Principiile de cauzalitate și corespondență

O concluzie idealistă se face uneori din relația de incertitudine cu privire la inaplicabilitatea principiului cauzalității la fenomenele care au loc în microcosmos. Acest lucru se bazează pe următoarele considerații. În mecanica clasică, conform principiul cauzalității - principiul determinismului clasic - în funcție de starea cunoscută a sistemului la un moment dat (complet determinată de valorile coordonatelor și momentelor tuturor particulelor sistemului) și a forțelor aplicate acestuia, este posibil pentru a descrie cu acuratețe starea sa în orice moment ulterior. Prin urmare, fizica clasică se bazează pe următoarea înțelegere a cauzalității: starea unui sistem mecanic la momentul inițial de timp cu o lege cunoscută a interacțiunii particulelor este cauza, iar starea sa din momentul următor este efectul.
Pe de altă parte, micro-obiectele nu pot avea atât o anumită coordonată, cât și o anumită proiecție corespunzătoare a impulsului în același timp, astfel încât se ajunge la concluzia că la momentul inițial de timp starea sistemului nu este exact determinată. Dacă starea sistemului nu este determinată exact în momentul inițial de timp, atunci stările ulterioare nu pot fi prezise, ​​adică principiul cauzalității este încălcat. Cu toate acestea, nu se observă nicio încălcare a principiului cauzalității în raport cu micro-obiectele, deoarece în mecanica cuantică conceptul de stare a unui micro-obiect capătă un sens complet diferit față de mecanica clasică. În mecanica cuantică, starea unui microobiect este complet determinată de funcția de undă. Setarea funcției de undă pentru un anumit moment de timp determină valoarea acesteia în momentele ulterioare. În acest fel, starea unui sistem de microparticule, definită în mecanica cuantică, decurge fără ambiguitate din starea anterioară, așa cum este cerut de principiul cauzalității.
În dezvoltarea conceptelor de mecanică cuantică, un rol important l-a jucat N. Bohr propus în 1923. principiul conformitatii: orice teorie nouă, mai generală, care este o dezvoltare a celei clasice, nu o respinge complet, ci include teoria clasică, indicând limitele aplicării ei, iar în anumite cazuri limitative, noua teorie trece în cea veche.
Astfel, formulele cinematicii și dinamicii mecanicii relativiste trec cu viteze mult mai mici decât viteza luminii în formulele mecanicii newtoniene. De exemplu, deși ipoteza de Broglie atribuie proprietăți de undă tuturor corpurilor, proprietățile de undă ale corpurilor macroscopice pot fi neglijate și li se poate aplica mecanica clasică a lui Newton.

4.5. Particule elementare

Informatii generale

Fizica nucleara studiază structura și proprietățile nucleelor ​​atomice. De asemenea, investighează interconversiile nucleelor ​​atomice, care apar ca rezultat atât al descompunerilor radioactive, cât și al diferitelor reacții nucleare. Strâns legat de fizica nucleară fizica particulelor elementare, fizica și tehnologia acceleratoarelor de particule încărcate, inginerie nucleară.
Cercetarea în fizica nucleară are o mare importanță științifică, permițând avansarea în înțelegerea structurii materiei și, în același timp, este extrem de importantă din punct de vedere practic (în energie, medicină etc.).
Particule elementare- particule primare, indecompuse, din care ar trebui să fie formată toată materia. În fizica modernă, acest termen este de obicei folosit nu în sensul său exact, ci într-unul mai puțin strict - pentru a numi un grup mare de cele mai mici particule de materie care îndeplinesc condiția ca acestea să nu fie atomi sau nuclee atomice, cu excepția protonul. Particulele elementare includ protoni, neutroni, electroni, fotoni, pi-mezoni, muoni, leptoni grei, trei tipuri de neutrini, particule ciudate (K-mezoni, hiperoni), diverse rezonanțe, mezoni cu farmec ascuns, particule „fermecate”, vector intermediar bosoni etc. - doar câteva sute dintre ei, în mare parte instabili. Numărul lor continuă să crească pe măsură ce cunoștințele noastre se extind. Majoritatea particulelor enumerate nu satisfac definiția strictă a elementarității, deoarece sunt sisteme compozite.
Masele majorității particulelor elementare sunt de ordinul masei protonilor, egale cu 1,7 10-24 g. Dimensiunile protonului, neutronului, pi-mezonului și altor hadroni sunt de 10-13 cm, în timp ce electronul și muonul nu sunt. definite, dar mai mici de 10-16 cm.Mase microscopice și dimensiunile particulelor elementare determină specificitatea cuantică a comportamentului lor. Cea mai importantă proprietate cuantică a tuturor particulelor elementare este capacitatea de a fi emise și absorbite atunci când interacționează cu alte particule.

Adevărate particule elementare

În prezent, din punct de vedere teoretic, sunt cunoscute următoarele particule cu adevărat elementare (în această etapă a dezvoltării științei, considerate indecompuse): quarcuriși leptoni(aceste varietăți se referă la particule de materie), cuante de câmp(fotoni, bosoni vectoriali, gluoni, gravitinos și gravitoni), precum și Particule Higgs.
Fiecare pereche de leptoni se combină cu perechea corespunzătoare de quarci pentru a forma un cvadruplu numit generație. Proprietățile particulelor se repetă din generație în generație, doar masele diferă: a doua este mai grea decât prima, a treia este mai grea decât a doua. Se presupune că particulele din prima generație se găsesc în natură, în timp ce restul pot fi create artificial pe acceleratori de particule încărcate sau prin interacțiunea razelor cosmice din atmosferă.
Particulele cu adevărat elementare includ cuante de câmpuri create de particule de materie. Bosonii W masivi sunt purtători de interacțiuni slabe între quarci și leptoni. Gluonii sunt purtători de interacțiuni puternice între quarci. La fel ca quarcii înșiși, gluonii nu se găsesc în formă liberă, ci apar în stadii intermediare ale unor reacții. Teoria quarcilor și gluonilor se numește cuantică cromodinamica.
O particulă cu un spin presupus de 2 este un graviton. Existența sa este prezisă teoretic. Cu toate acestea, va fi extrem de dificil de detectat, deoarece interacționează foarte slab cu materia.
În cele din urmă, particulele cu adevărat elementare includ particulele Higgs sau mezonii H și gravitinos. Ele nu au fost găsite experimental, dar existența lor este presupusă în multe modele teoretice moderne.

Antimaterie

Multe particule au gemeni sub formă de antiparticule, cu aceeași masă, viață, spin, dar care diferă prin semnele tuturor sarcinilor: electrică, barionică, leptonică etc. (electron-pozitron, proton-antiproton etc.). Existența antiparticulelor a fost prezisă pentru prima dată în 1928 de către fizicianul teoretician englez P. Dirac. Din ecuația lui Dirac pentru mișcarea relativistă a unui electron, a urmat a doua soluție pentru geamănul său - pozitronul, care are aceeași masă, dar o sarcină electrică pozitivă.
Antiparticula de pozitroni a fost descoperită pentru prima dată în 1932 în raze cosmice de către fizicianul american K. Anderson (n. 1905), laureat al Premiului Nobel în 1936.
O trăsătură caracteristică a comportamentului particulelor și antiparticulelor este lor anihilareîntr-o coliziune, adică o tranziție către alte particule cu conservarea energiei, impulsului, încărcăturii electrice etc. Un exemplu tipic este anihilarea reciprocă a unui electron și a unui pozitron cu eliberarea de energie la nașterea a doi fotoni. Anihilarea poate apărea nu numai cu interacțiune electromagnetică, ci și cu interacțiune puternică. Dacă la energii joase are loc anihilarea cu formarea de particule mai uşoare, atunci la energii mari se pot naşte şi altele mai grele decât cele iniţiale, dacă energia totală a particulelor care se ciocnesc depăşeşte pragul de creare a altora noi, egal cu suma energia lor de odihnă.
În interacțiunile puternice și electromagnetice, există o simetrie completă între particule și antiparticule - toate procesele care au loc cu primele sunt posibile și similare pentru cele din urmă. La fel ca protonii și neutronii, antiparticulele lor pot forma antinuclei. În principiu, se pot imagina anti-atomi și chiar grupuri mari antimaterie.

Clasificarea particulelor elementare condiționat

În funcție de durata de viață, particulele sunt împărțite în grajd(electron, protoni, fotoni și neutrini), cvasi-stabil(se descompun sub interacțiuni electromagnetice și slabe, durata lor de viață este mai mare de 10-20 de secunde și rezonanțe(particule care se descompun datorită interacțiunii puternice, durata de viață caracteristică 10-22 - 10-24 s).
În conformitate cu cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale, se disting patru tipuri de particule elementare, respectiv: hadronii implicat în toate interacțiunile; leptoni, nu participând doar la interacțiunea puternică (ci neutrini și la electromagnetică); foton- purtător numai în interacțiune electromagnetică, și ipotetic graviton- un purtător al interacțiunii gravitaționale.
hadronii- denumirea generală pentru particulele care sunt cel mai activ implicate în interacțiuni puternice. Numele provine din cuvântul grecesc „puternic, mare”. Toți hadronii sunt împărțiți în două grupuri mari - barioni și mezoni.
barionii sunt hadroni cu spin semiîntreg. Cele mai cunoscute dintre ele sunt protonul și neutronul. Una dintre proprietățile barionilor, care îi diferențiază de alte particule, poate fi considerată prezența unei sarcini barionice conservate.
Mezoni- hadroni cu spin întreg. Sarcina lor barionică este zero. Cele mai multe dintre ele sunt extrem de instabile și se descompun de ordinul 10-23. Astfel de particule de scurtă durată nu pot lăsa urme în detectoare. De obicei, nașterea lor este detectată prin semne indirecte. De exemplu, ei studiază reacția de anihilare a electronilor și pozitronilor cu nașterea ulterioară a hadronilor. Variind energia de coliziune, se constată că la o anumită valoare randamentul hadronilor a crescut brusc. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că o particulă s-a născut într-o stare intermediară. Apoi se descompune instantaneu în alte particule, care sunt înregistrate. Astfel de particule cu viață scurtă sunt numite rezonanțe. Majoritatea barionilor și mezonilor sunt rezonanțe.
Hadronii nu sunt cu adevărat particule elementare, ci au o dimensiune finită și o structură complexă. Un barion este format din trei quarci, mezonii sunt construiți dintr-un quarc și un antiquarc, iar quarcurile sunt ținute în interiorul hadronilor de un câmp de gluoni. În principiu, teoria admite existența altor hadroni construiți dintr-un număr mai mare sau dintr-un câmp de gluoni.
Inițial, modelul cuarcului a fost propus pentru sistematica unei familii prea numeroase de hadroni. Un astfel de model includea quarci de trei tipuri sau arome (mai târziu s-a dovedit că erau mai mulți). Cu ajutorul quarcilor, a fost posibilă împărțirea hadronilor în grupuri numite multiplete. Particulele unui multiplet au mase ușor diferite.

4.6. Structura nucleului atomic

Nivelul nucleonilor

La aproximativ 20 de ani după ce Rutherford și-a „văzut” nucleul în adâncurile atomului, a fost descoperit neutroni- o particulă în toate proprietățile ei este aceeași cu nucleul unui atom de hidrogen - un proton, dar numai fără sarcină electrică. Neutronul s-a dovedit a fi extrem de convenabil pentru sondarea interiorului nucleelor. Deoarece este neutru din punct de vedere electric, câmpul electric al nucleului nu îl respinge - în consecință, chiar și neutronii lenți se pot apropia liber de nucleu la distanțe la care forțele nucleare încep să se manifeste. După descoperirea neutronului, fizica microlumilor s-a înaintat cu salturi vertiginoase.
La scurt timp după descoperirea neutronului, doi fizicieni teoreticieni - germanul Werner Heisenberg și sovieticul Dmitry Ivanenko - au avansat ipoteza că nucleul atomic este format din neutroni și protoni. Se bazează pe ideea modernă a structurii nucleului.
Protonii și neutronii sunt uniți prin cuvântul nucleon. Protoni- acestea sunt particule elementare, care sunt nucleele atomilor celui mai ușor element chimic - hidrogenul. Numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul de serie al elementului din tabelul periodic și este notat cu Z (numărul de neutroni - N). Protonul are o sarcină electrică pozitivă, egală în valoare absolută cu sarcina electrică elementară. Este de aproximativ 1836 de ori mai greu decât un electron. Protonul este format din doi și-cuarci cu sarcina Q = + 2/3 si un cuarc d cu Q = - 1/3, legat de campul de gluoni. Are dimensiuni finale de ordinul 10-15 m, deși nu poate fi reprezentată ca o minge solidă, seamănă mai degrabă cu un nor cu graniță neclară, constând din particule virtuale emergente și anihilante.
Incarcare electrica neutroni este egal cu 0, masa sa este de aproximativ 940 MeV. Neutroni constă dintr-un u-quark și doi d-quark. Această particulă este stabilă numai în compoziția nucleelor ​​atomice stabile, un neutron liber se descompune într-un electron, un proton și un electron antineutrin. Timpul de înjumătățire al unui neutron (timpul necesar pentru a se descompune jumătate din numărul inițial de neutroni) este de aproximativ 12 minute. Neutronii există în formă liberă în materie și mai puțin timp datorită absorbției puternice de către nucleele lor. La fel ca protonul, neutronul participă la toate tipurile de interacțiuni, inclusiv la cele electromagnetice: cu o neutralitate generală, datorită structurii interne complexe, în el există curenți electrici.
În nucleu, nucleonii sunt legați de forțe de un tip special - nucleare. Una dintre trăsăturile lor caracteristice este acțiunea cu rază scurtă de acțiune: la distanțe de ordinul a 10-15 m și mai puțin, ele depășesc orice alte forțe, ca urmare a cărora nucleonii nu se împrăștie sub acțiunea respingerii electrostatice a protonilor cu încărcare similară. . La distanțe mari, forțele nucleare scad foarte repede la zero.
Mecanismul de acțiune al forțelor nucleare se bazează pe același principiu ca și forțele electromagnetice - pe schimbul de obiecte care interacționează cu particule virtuale.
particule virtualeîn teoria cuantică, acestea sunt particule care au aceleași numere cuantice (spin, sarcini electrice și barionice etc.) ca și particulele reale corespunzătoare, dar pentru care relația obișnuită dintre energie, impuls și masă nu este îndeplinită.

Quarci

Ipoteza cuarcului a fost propusă în 1967 de către fizicianul teoretician american M. Gell-Man (n. 1929). Quarc- o particulă cu spin 1/2 și o sarcină electrică fracționată, element constitutiv al hadronilor. Acest nume a fost împrumutat de M. Gell-Man într-unul dintre romanele științifico-fantastice și înseamnă ceva banal și ciudat.
Pe lângă spin, quarkurile au încă două grade interne de libertate - „aromă” și „culoare” (un grad de libertate este o posibilă modificare independentă a stării unui sistem fizic datorită variațiilor parametrilor acestuia). Fiecare quarc poate fi într-una din cele trei stări de culoare, care sunt numite în mod convențional roșu, albastru și galben (doar pentru comoditate - acest lucru nu are nimic de-a face cu proprietățile optice). În hadronii observați, quarkurile sunt combinate în așa fel încât stările rezultate să nu poarte culoare - sunt „incolore”. Sunt cunoscute cinci mirosuri și un al șaselea este suspectat. Proprietățile quarcilor cu diferite arome sunt diferite.
Materia obișnuită este formată din plămâni și- și d-quarcurile care alcătuiesc nucleonii nucleilor. Cuarcii mai grei sunt creați artificial sau observați în razele cosmice. Aici cuvintele „sunt create” și „observate” nu pot fi luate la propriu - nici un cuarc nu a fost înregistrat într-o formă liberă, ele pot fi observate doar în interiorul hadronilor. Când încercați să scoateți un quarc dintr-un hadron, se întâmplă următoarele: quarcul care scapă dă naștere perechilor quarc-antiquarc la ieșirea din vid, dispuse în ordinea descrescătoare a vitezei. Unul dintre quarcii lenți ia locul celui original, iar acesta, împreună cu restul quarcilor și antiquarcilor produși, formează hadronii.

4.7. Procesele nucleare

Defect de masă și energie de legare

Masa unui nucleu este determinată de masa neutronilor și protonilor care îi compun. Deoarece orice nucleu este format din Z protoni și N = A - Z neutroni, unde A este numărul de masă (numărul de nucleoni din nucleu), atunci, la prima vedere, masa nucleului ar trebui să fie pur și simplu egală cu suma lui masele de protoni si neutroni. Cu toate acestea, după cum arată rezultatele măsurătorilor, masa reală este întotdeauna mai mică decât această sumă. Diferența lor se numește defect de masăm.
Energia este una dintre cele mai importante caracteristici ale oricărui proces fizic. În fizica nucleară, rolul său este deosebit de mare, deoarece inviolabilitatea legii conservării energiei face posibilă efectuarea unor calcule destul de precise chiar și în cazurile în care multe detalii ale fenomenelor rămân necunoscute.
Este posibil să spargeți nucleul în nucleoni separați numai introducând în el din exterior într-un fel o energie nu mai mică decât cea eliberată în procesul de formare. Aceasta este energia de legare totală a nucleului E St. Originea defectului de masă Δm este direct legată de acesta. Conform formulei
E sv \u003d Δms2
o scădere a energiei sistemului în timpul formării unui nucleu cu o anumită valoare trebuie să conducă inevitabil la o scădere a masei totale. O astfel de schimbare a masei are loc în orice proces asociat cu transferul de energie. Dar în fenomenele cunoscute nouă, schimbările de masă sunt relativ mici și imperceptibile. În fenomenele nucleare însă, datorită importanței mari a forțelor nucleare, modificarea masei este foarte semnificativă. Astfel, pentru un nucleu de neon, defectul de masă este de aproape 1% din masa nucleului.

Energia medie de legare a unui nucleon dintr-un nucleu

Dacă împărțim valoarea energiei „dispărută” în timpul formării nucleului la numărul total de nucleoni, atunci obținem energia de legare medie per nucleon din nucleu sau energia de legare specifică egală cu Eb / A. Energia specifică de legare depinde de numărul de masă. Pentru majoritatea nucleelor, valorile energiei specifice medii de legare se dovedesc a fi aproximativ aceleași (cu excepția nucleelor ​​ușoare și grele).
Fiecare nucleon are o rezervă limitată de posibilități de interacțiune, iar dacă această rezervă a fost deja utilizată pentru comunicarea cu doi sau trei nucleoni vecini, atunci legăturile rămase se dovedesc a fi slăbite chiar și la distanțe foarte apropiate.
Cele mai puternice sunt nucleele cu numere de masă medii. În nucleele ușoare, toți sau aproape toți nucleonii se află pe suprafața nucleului și, prin urmare, nu își folosesc pe deplin capacitățile de interacțiune, ceea ce reduce oarecum energia de legare specifică. Odată cu creșterea numărului de masă, crește proporția de nucleoni aflați în interiorul nucleului, care își folosesc la maximum capacitățile, astfel încât valoarea energiei specifice de legare crește treptat. Odată cu o creștere suplimentară a numărului de masă, respingerea reciprocă a sarcinilor electrice ale protonilor devine din ce în ce mai pronunțată, ceea ce tinde să spargă nucleul și, prin urmare, reduce energia specifică de legare. Acest lucru duce la faptul că toate nucleele grele sunt instabile.

Radioactivitate

Fizicianul francez A.A. Becquerel (1852-1908) 1 martie 1896 a descoperit înnegrirea unei plăci fotografice sub acţiunea razelor invizibile de puternică putere de penetrare emise de sarea de uraniu. El a aflat curând că uraniul însuși are capacitatea de a emite radiații. Radioactivitate(asta este numele dat fenomenului descoperit) s-a dovedit a fi privilegiul celor mai grele elemente ale tabelului periodic. Acest fenomen este definit ca transformarea spontană a unui izotop instabil al unui element într-un izotop al altuia, cu emisie de electroni, protoni, neutroni sau nuclee de heliu (particule alfa). S-a constatat că radioactivitatea este un fenomen foarte frecvent.
Nucleele atomice, care diferă prin numărul de neutroni și protoni, au un nume comun - nuclizi. Din cei 1500 de nuclizi cunoscuți, doar 265 sunt stabili. Dintre elementele conținute în scoarța terestră, toate cu numere de serie mai mari de 83, adică situate în sistemul periodic după bismut, sunt radioactive. Nu au izotopi stabili deloc ( izotopi- varietati de atomi ai aceluiasi element chimic, care difera prin numarul de neutroni din nucleu). Radioactivitatea naturală a fost găsită în izotopi individuali și în alte elemente. Izotopii radioactivi naturali sunt supuși descompunerii, însoțite de emisia de particule alfa sau beta (foarte rar ambele).
În 1940, oamenii de știință sovietici G.N. Flerov și K.A. Petrzhak a descoperit o nouă specie. transformări radioactive - fisiune nucleară spontană. Emisia de raze gamma nu duce la transformarea elementelor și, prin urmare, nu este considerată un tip de transformare radioactivă. Astfel, numărul de moduri de dezintegrare radioactivă a izotopilor naturali este foarte limitat.
Cu toate acestea, acum sunt cunoscute alte metode. Au fost descoperite sau prezise după 1934. Fizicienii francezi, sotii Irene (1897-1956) si Frederic (1900-1958) Joliot-Curie, au observat fenomenul de radioactivitate artificiala. Ca urmare a reacțiilor nucleare (de exemplu, atunci când diferite elemente sunt iradiate cu particule alfa sau neutroni), se formează izotopi radioactivi care nu există în natură. I. și F. Joliot-Curie au efectuat o reacție nucleară, al cărei produs a fost un izotop radioactiv al fosforului cu un număr de masă de 30. Acest tip de transformare se numește dezintegrare beta-plus, adică prin beta-minus emisia de un electron. În timpul dezintegrarii beta-plus, sarcina nucleului scade cu 1. Aceeași schimbare are loc în timpul așa-numitei capturi orbitale: unele nuclee pot capta un electron din cele mai apropiate învelișuri. Acesta este, de asemenea, un tip de transformări radioactive. Se acceptă că dezintegrarea beta-plus, beta-minus și captarea epsilonului sunt unite sub denumirea generală dezintegrare beta. Fizicienii teoreticieni au prezis posibilitatea unei transformări duble beta, în care doi electroni sau doi pozitroni sunt emiși simultan. În practică, o astfel de transformare nu a fost încă găsită. S-a observat, de asemenea, radioactivitate cu protoni și doi protoni. Toate aceste tipuri de transformări sunt supuse doar izotopilor artificiali care nu se găsesc în natură.
Radioactivitatea se caracterizează nu numai prin tipul de particule emise, ci și prin energia lor, care poate fi de milioane de ori mai mare decât energia proceselor chimice. Pentru fiecare nucleu individual, este absolut imposibil să se prezică în avans momentul dezintegrarii. Durata de viață a nucleului este o variabilă aleatorie. Viteza dezintegrarii radioactive nu poate fi influențată de factori externi - presiune, temperatură etc. Natura spontană a dezintegrarii este una dintre cele mai importante caracteristici ale sale.
Deși toate nucleele trăiesc un timp diferit de la momentul formării până la momentul dezintegrarii, pentru fiecare substanță radioactivă există o durată medie de viață bine definită a nucleelor. Rata de dezintegrare se supune legea dezintegrarii radioactive, exprimat prin formula

unde λ este constanta dezintegrarii radioactive, N t este numărul de nuclee nedezintegrate la momentul t; N0 este numărul inițial de nuclee nedezintegrate (la momentul t=0).

Reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​de uraniu

Această reacție a fost descoperită în 1939: s-a dovedit că atunci când un neutron intră în nucleu, acesta este împărțit în două sau trei părți. Fisiunea unui nucleu eliberează aproximativ 200 MeV de energie. Energia cinetică a mișcării fragmentelor durează aproximativ 165 MeV, restul este purtat de radiația gamma (parte a radiației electromagnetice cu o lungime de undă foarte scurtă) - un flux de fotoni. Se poate calcula că, odată cu fisiunea completă a 1 kg de uraniu, se vor elibera 80.000 de miliarde de J. Aceasta este de câteva milioane de ori mai mult decât la arderea a 1 kg de cărbune sau petrol. Ar fi surprinzător să nu folosești o astfel de energie.
În 1939, s-a constatat că în fisiunea nucleelor ​​de uraniu, pe lângă fragmente, sunt emiși și 2-3 neutroni liberi. În condiții favorabile, ele pot pătrunde în alte nuclee de uraniu și pot provoca fisiunea acestora (Fig. 4.2).

Orez. 4.2. Reacția nucleară în lanț

Realizarea practică a reacțiilor valoroase este îngreunată de anumite circumstanțe. În special, neutronii secundari sunt capabili să provoace fisiunea numai a nucleelor ​​izotopului de uraniu cu un număr de masă de 235, în timp ce energia lor este insuficientă pentru a distruge nucleele izotopului de uraniu-238. Uraniul natural conține aproximativ 0,7% uraniu-235. O condiție necesară pentru implementarea unei reacții în lanț este prezența unei cantități suficient de mari de uraniu-235, deoarece într-un eșantion de dimensiuni mici, majoritatea neutronilor zboară fără să lovească un singur nucleu. Masa minimă (critică) pentru uraniu-235 pur este de câteva zeci de kilograme.

Datorită faptului că forțele nucleare de atracție acționează între nucleele atomice la distanțe mici, atunci când două nuclee se apropie unul de celălalt, fuziunea lor este posibilă, adică sinteza unui nucleu mai greu. Pentru ca nucleele să depășească repulsia electrostatică și să se apropie unul de altul, trebuie să aibă suficientă energie cinetică. În consecință, sinteza nucleelor ​​ușoare cu o sarcină electrică mică se realizează cel mai ușor.
În natură, reacțiile de fuziune au loc în materie foarte fierbinte, de exemplu, în interiorul stelelor, unde la o temperatură de aproximativ 14 milioane de grade (centrul Soarelui), energia mișcării termice a unor particule este suficientă pentru a depăși. repulsie. Fuziunea nucleară care are loc într-o substanță încălzită se numește termonuclear.
O caracteristică a reacțiilor termonucleare ca sursă de energie este eliberarea sa foarte mare pe unitatea de masă a substanțelor care reacţionează - de 10 milioane de ori mai mult decât în ​​reacțiile chimice. Intrarea în sinteza a 1 g izotopi de hidrogen este echivalentă cu arderea a 10 tone de benzină. În principiu, și astăzi energia fuziunii termonucleare poate fi obținută pe Pământ. Este posibil să încălziți materia la temperaturi stelare folosind energia unei explozii atomice. Așa este aranjată o bombă cu hidrogen, unde explozia unei siguranțe nucleare duce la încălzirea instantanee a unui amestec de deuteriu și tritiu și la o explozie termonucleară ulterioară. Cu toate acestea, acesta este un proces negestionat.
Pentru implementarea fuziunii nucleare controlate sunt necesare mai multe condiții. În primul rând, combustibilul termonuclear trebuie încălzit la o temperatură în care reacțiile de fuziune pot apărea cu o probabilitate apreciabilă. În al doilea rând, este necesar ca în timpul fuziunii să fie eliberată mai multă energie decât este cheltuită pentru încălzirea substanței (sau, și mai bine, ca particulele rapide generate însele să mențină temperatura necesară). Acest lucru este posibil cu o izolare bună.
Cel mai simplu mod de a efectua sinteza este între izotopii grei ai hidrogenului - deuteriu și tritiu (Fig. 4.3). Deuteriul se găsește pe Pământ în cantități uriașe în apa de mare (1 atom la 6000 de atomi de hidrogen); tritiul poate fi obtinut artificial prin iradierea litiului cu neutroni.

Orez. 4.3.

Pentru implementarea unei reacții termonucleare, temperatura cea mai favorabilă este de aproximativ 100 de milioane de grade. În ceea ce privește timpul de retenție a energiei, adică calitatea izolației, în acest caz condiția este următoarea: o plasmă cu o densitate de 1014 ioni la 1 cm3 trebuie să se răcească vizibil nu mai repede de 1 secundă.
Plasma este împiedicată să lovească pereții termoizolanti prin intermediul câmpurilor magnetice care direcționează fluxul de particule de-a lungul unei spirale închise într-un inel. Datorită faptului că plasma constă din ioni și electroni, câmpul magnetic are un efect direct asupra acesteia.
Pentru încălzire, puteți utiliza curentul care curge prin „cordul” cu plasmă. Există și alte metode de încălzire - folosind unde electromagnetice de înaltă frecvență, fascicule de particule rapide, fascicule de lumină generate de lasere. Cu cât puterea dispozitivului de încălzire este mai mare, cu atât plasma poate fi încălzită mai repede la temperatura necesară. Evoluțiile recente fac posibil acest lucru într-un timp atât de scurt încât substanța are timp să intre într-o reacție de fuziune înainte de a fi împrăștiată din cauza mișcării termice. În astfel de condiții, izolarea termică suplimentară nu este necesară. Singurul lucru care împiedică particulele să se despartă este propria lor inerție. Această direcție - fuziunea termonucleară inerțială s-a dezvoltat intens recent.

4.8. Perspective pentru dezvoltarea fizicii microlumilor

Dezvoltarea teoriei

Ultimele realizări în fizica particulelor elementare au evidențiat în mod clar un grup de particule din numărul lor total - posibili candidați pentru rolul celor cu adevărat elementare. Cu toate acestea, multe întrebări necesită cercetări suplimentare. Nu se știe care este numărul total de leptoni, quarci și diferite particule vectoriale și dacă există principii fizice care îl determină. Motivele împărțirii particulelor cu spin 1/2 în leptoni și quarci și originea numerelor lor cuantice interne nu sunt complet clare.
Teoriile moderne presupun că particulele sunt obiecte punctuale și că spațiu-timp cu patru dimensiuni rămâne continuu și necurbat până la cele mai mici distanțe. În realitate, aceste ipoteze sunt aparent incorecte, deoarece particulele, în mod evident, trebuie să fie obiecte materiale de întindere finită, iar spațiu-timp pe o scară de 10-33 cm își schimbă proprietățile sub influența gravitației și formează ceva asemănător cuante. Luarea în considerare a acestor circumstanțe deschide calea către crearea unei teorii unificate a interacțiunii.

Acceleratoare moderne

Fasciculele controlate de particule rapide obținute în accelerator s-au dovedit a fi singurul instrument adecvat pentru operații în interiorul atomilor și nucleelor ​​atomice, pentru studierea specificului și structurii particulelor nucleare. Dar aceasta necesită energie în zeci, sute și chiar mii de GeV (gigaelectron-volt; 1 GeV = 109 eV). Așadar, nu este deloc întâmplător să se numească domeniul cercetării fundamentale a structurii materiei fizica energiei înalte. Dacă acceleratoarele proiectate pentru energii mari ar fi făcute liniare după principiul unui tub de televiziune, atunci, după cum arată calculele, dimensiunile lor ar ajunge la multe sute de kilometri. Prin urmare, acceleratorul este, parcă, rulat într-un inel, forțând particulele să treacă în mod repetat prin secțiunile în care acționează câmpul electric de accelerare. Cu cât energia particulelor este mai mare, cu atât este mai dificil să le înfășurați, să le puneți pe o cale circulară, cu atât sunt necesare câmpuri magnetice de înfășurare mai puternice pentru aceasta. În plus, particulele încărcate asemănătoare din fascicul se resping reciproc și se împrăștie pe resturile atmosferei din tubul vidat al acceleratorului. Prin urmare, împreună cu magneții de rotire, sunt necesari și magneții de focalizare, comprimând particulele într-un fascicul subțire. Energia maximă a acceleratoarelor moderne este limitată de dimensiunea rezonabilă și costul sistemului magnetic, care este cel mai voluminos și mai scump.
Fasciculul de particule format de accelerator (de obicei, aceștia sunt electroni sau protoni de aproximativ 2000 de ori mai grei) este direcționat către o țintă special selectată în funcție de sarcinile experimentului, în urma coliziunii cu care se nasc o varietate de particule secundare. Cu ajutorul unor sisteme destul de complexe - detectoare - aceste particule sunt înregistrate, se determină masa, sarcina electrică, viteza și multe alte caracteristici. Apoi, prin procesarea matematică complexă a acestor informații pe un computer, se restabilește traiectoria mișcării și întreaga imagine a interacțiunii particulei accelerate cu substanța țintă. Și, în final, comparând rezultatele măsurătorilor cu calculul preliminar, se trag concluzii despre parametrii modelului teoretic de interacțiune. Aici se obțin noi cunoștințe despre proprietățile particulelor intranucleare. Se poate foarte bine ca cunoștințele pe care ni le va oferi fizica energiilor înalte să facă posibilă crearea unei noi industrii energetice - industria energetică a secolului XXI, care va pune capăt distrugerii totale a resurselor. a planetei noastre.
În loc de o țintă staționară, poate fi folosit și un fascicul de particule contra accelerat. Acest lucru face posibilă, cu o dispunere adecvată a acceleratoarelor, utilizarea mult mai eficientă a energiei fasciculelor acestora. Acești acceleratori de fascicul de coliziune de ultimă generație se numesc ciocnitori. Există doar câțiva ciocnitori în lume până acum. Acestea sunt situate în SUA, Japonia, Germania, precum și în Organizația Europeană pentru Cercetare Nucleară (CERN), cu sediul în Elveția. Țara noastră s-a numărat și de mulți ani printre liderii în dezvoltarea și construcția de acceleratoare și, în consecință, în fizica energiilor înalte. Astfel, în special, sincrofazotronul construit la Dubna în 1956 (energie 10 GeV, lungimea orbitei particulelor aproximativ 200 m, greutatea electromagnetului inelului 40 mii tone) au fost cândva „deținătorii recordului mondial” în ceea ce privește energia protonilor accelerați. , precum și în dimensiune și apoi - sincrotronul construit în 1967 în orașul Protvino lângă Serpukhov (energie 70 GeV, lungimea orbitei 1,5 km, greutatea electromagnetului 22 mii tone). Cu ajutorul acestor aparate s-au obținut o serie de rezultate fundamentale și s-au făcut mai multe descoperiri. De exemplu, nucleele de antimaterie au fost înregistrate pentru prima dată și a fost descoperit așa-numitul „efect Serpukhov” - o creștere a secțiunilor transversale totale ale interacțiunilor hadronice (valori care determină cursul reacției a două particule care se ciocnesc) și mult mai mult.
Acceleratorul U-70 al Institutului pentru Fizica Energiei Înalte din Protvino rămâne cel mai mare din Rusia. Desfășoară cercetări în fizică din multe laboratoare din țara noastră și din țările CSI, se desfășoară o serie de programe comune de fizică cu Occidentul. În timpul reconstrucției sale pentru etapa inițială de accelerație, a fost instalat primul accelerator liniar din lume cu focalizare de înaltă frecvență, fără magneți, și a fost pus în funcțiune un sincrotron „intermediar” pentru o energie de 1,5 GeV cu diametrul de 30 m. Ca urmare a acestei modernizări, intensitatea fasciculului de protoni (în general, numărul de particule din fascicul) a fost crescută cu un ordin de mărime, ceea ce a făcut posibilă, chiar și după apariția unor acceleratoare mai puternice în străinătate, menținerea interesul fizicienilor pentru programul de cercetare autohton. În același timp, a fost dezvoltat un proiect pentru un nou accelerator UNK (accelerator-storage complex), care pentru o lungă perioadă de timp ar putea deveni cel mai puternic din lume și atrage cele mai bune forțe ale societății fizice mondiale. Deja în 1983, după adoptarea deciziei guvernamentale relevante, au început lucrările la construcția UNK în Protvino, care, prin urmare, trebuia să furnizeze o energie de 3000 GeV - aceasta este de trei ori mai mare decât energia celui mai puternic. accelerator în lume acum la Laboratorul E. Fermi (FNAL) din SUA.
Un tunel inel de 21 km lungime și aproximativ 5 m în diametru a fost săpat pentru UNK (este comparabil ca dimensiune cu linia de inel a metroului din Moscova). S-a planificat instalarea de magneți supraconductori în el, care au fost deja testați. Cu toate acestea, odată cu prăbușirea URSS, legăturile economice au fost întrerupte, iar uzina din Ust-Kamenogorsk, unde a fost produs supraconductorul, s-a dovedit a fi străină. S-a decis lansarea primei etape a noii instalații folosind magneți convenționali, care ar furniza o energie de 600 GeV (se numea U-600). Pentru a face acest lucru, este necesar să instalați peste două mii de magneți cu o greutate de aproximativ 10 tone fiecare în jurul inelului, care este estimat la aproximativ 150 de milioane de dolari și reprezintă doar o mică parte din fondurile deja investite. În 1997, liderii Minatom au propus să grăbească lucrările și să o finalizeze în trei ani.
Peste zece ani, construcția celui mai mare accelerator de particule din lume, Large Hadron Collider (LHC), va fi finalizată la Geneva, într-un tunel subteran de 27 de kilometri la granița dintre Elveția și Franța. Fizicienii speră că la energiile de ciocnire a particulelor care sunt de neconceput astăzi (aproximativ 10 trilioane de electroni volți), va fi în sfârșit posibil să obținem informațiile lipsă despre mecanismele profunde ale interacțiunii lor în interiorul nucleului și să construim o imagine consistentă a universului. În plus, noile cunoștințe vor oferi cu siguranță noi modalități de a satisface „apetitul energetic” al omenirii fără distrugerea totală a resurselor pământului – o sarcină necesară și nobilă.
Rusia, după înțelegerea oamenilor de știință europeni, are o cultură științifică și tehnică unică, a cărei importanță în procesul general al cunoașterii lumii cu greu poate fi supraestimată. O scădere a nivelului său, și cu atât mai mult pierderea sa, ar fi o lovitură grea pentru progresul omenirii și, prin urmare, cooperarea cu oamenii de știință ruși trebuie să continue și să fie consolidată în beneficiul ambelor părți.
Fizica rusă va fi prezentată destul de adecvat în programul LHC. Vorbim nu numai despre construcția acceleratorului în sine pe magneți supraconductori, ci și despre crearea unor echipamente experimentale grandioase. Acceleratorul în sine este doar o „locomotivă” a cercetării științifice, iar întreaga „sarcină utilă” este furnizată de detectoare de particule și radiații. Pe un accelerator mare, dimensiunea detectorilor este uimitoare. Unul dintre ele - cel mai mare, numit ATLAS de către proiectanți - este un cilindru situat în subteran cu o lungime de 26 și un diametru de 20 m, cu o greutate totală de 7 mii de tone, cu cele mai sofisticate echipamente.
La crearea detectorului ATLAS și pentru efectuarea experimentelor pe acesta, s-a format o echipă internațională de o mie și jumătate de oameni din trei duzini de țări. Și nu este vorba doar despre scară. Noua fizică diferă de cea veche mai mult decât un transportor de fabrică dintr-un atelier de artizanat. Este suficient să spunem că ATLAS va produce un flux de date echivalent cu informațiile care circulă astăzi în toate rețelele de calculatoare europene.
Potrivit unuia dintre miturile grecești, Atlas era un titan care trebuia să țină cerul pe umeri ca pedeapsă pentru nesupunerea față de zeii Olimpului. Continuând paralela, putem spune că ATLAS-ul de la Geneva este chemat să întărească și să susțină prin eforturile sale puternice întreaga clădire a fizicii moderne. Dar aceasta nu este o pedeapsă, ci rodul muncii comune a multor oameni de știință din multe țări și baza existenței prospere a tuturor acelor oameni care sunt departe de știință, dar folosesc roadele ei.

Neutronografia structurală

În efortul de a pătrunde adânc în substanță și de a studia structura acesteia, cercetătorii au creat instrumente și metode din ce în ce mai eficiente. Microscopul optic a fost înlocuit cu un microscop electronic cu o rezoluție incomparabil mai mare. Analiza difracției cu raze X a făcut posibilă „vederea” formei rețelei atomice a unui cristal și chiar urmărirea modificărilor acesteia sub influența condițiilor externe, de exemplu, atunci când temperatura și presiunea se schimbă. Relativ recent, au fost create, dezvoltate și îmbunătățite noi metode pentru studierea materiei, bazate pe împrăștierea neutronilor în ea.
Neutronul, ca orice altă particulă, are simultan proprietățile unei unde. Prin urmare, fluxul de neutroni poate fi considerat radiație cu lungime de undă foarte scurtă (lungimea de undă caracteristică este de aproximativ 0,03 nm sau 0,3 angstromi). Trecând prin materie, neutronii experimentează difracția - împrăștiere de către atomi individuali, în care din fasciculul inițial de particule apar fluxuri deviate suplimentare. Direcția și intensitatea lor depind de structura obiectului care se împrăștie. Într-un cristal, de exemplu, se poate distinge un set de straturi atomice regulate - planuri cristalografice, la reflexie de la care fluxurile de neutroni își schimbă intensitatea. Maximele de intensitate apar în direcțiile în care un număr întreg al undelor lor se încadrează în diferența dintre traseele a două fascicule reflectate. Această condiție pentru împrăștierea undelor de către un cristal a fost descoperită în 1913. Fizicianul englez W.L. Bragg (1890-1971) și sovietic G.V. Wolfe (1863-1925) pentru raze X; este valabil si pentru orice alte valuri. Măsurând unghiurile de împrăștiere ale neutronilor, este posibilă recrearea structurii atomice a materiei.
Pentru munca fundamentală privind studiul legilor împrăștierii neutronilor și pentru crearea unor metode fundamental noi pentru studiul lichidelor și solidelor - neutronografia structurală - Academia Regală Suedeză de Științe a acordat în 1994 Premiul Nobel pentru Fizică fizicianului american Clifford Schall și canadianului. cercetătorul Bertrom Brockhaus.
Difracția structurală a neutronilor face posibilă urmărirea comportamentului fiecărui atom. Pe fig. 4.4 arată proiecția împrăștierii neutronilor elastici într-un cristal KH2PO4 lângă legătura de hidrogen O-H-O. Sunt vizibili doi atomi de oxigen (linii continue) și doi atomi de hidrogen (linii întrerupte). Distanța dintre ele la temperatura camerei (293K) este de aproximativ 10-12 cm (Fig. 4.4, a). Scăderea temperaturii la 77 K a provocat o tranziție de fază, în care un atom de hidrogen s-a apropiat de atomul de oxigen cu 0,37 10-12 cm (Fig. 4.4, b).

Orez. 4.4. Model de împrăștiere elastică a neutronilor la
temperatura camerei (a) și scăzută (b).

Neutronografie- una dintre cele mai mari realizări ale fizicii nucleare din ultima vreme. Oferă oportunități largi pentru studii microscopice nu numai ale diverselor obiecte fizice, ci și chimice și biologice. O astfel de aplicație cu mai multe fațete a neutronografiei, în esență o metodă fizică, mărturisește relația strânsă dintre diferitele ramuri ale științelor naturale moderne: fizica, chimia și biologia.

întrebări de testare

1. Oferiți o scurtă descriere a modelului Thomson al atomului.
2. Descrie modelul planetar al atomului.
3. Este posibil să explicăm structura atomilor tuturor elementelor tabelului periodic folosind teoria lui Bohr?
4. Care este esența principiului incertitudinii?
5. Formulați principiul complementarității.
6. Cine și când a formulat ecuația de bază a mecanicii cuantice non-relativiste?
7. Care este principiul cauzalității pentru microprocese?
8. Numiți principalele caracteristici ale particulelor elementare.
9. Cine și când a prezis existența antiparticulelor?
10. Din ce particule este format nucleul atomic?
11. Cine a propus ipoteza cuarcului și când?
12. Oferiți o scurtă descriere a reacției în lanț de fisiune a uraniului.
13. Descrie fuziunea termonucleară. La ce temperatura functioneaza?
14. Dați caracteristicile acceleratoarelor moderne.
15. Care este esența neutronografiei structurale?

Celebrul om de știință american, de două ori laureat al Premiului Nobel Linus Pauling în cartea sa „Chimie generală” (M.: Mir, 1974) scrie că „cel mai mare ajutor pentru oricine studiază chimia, în primul rând, va fi o bună cunoaștere a structurii atomul”. Descoperirea particulelor care alcătuiesc atomul și studiul structurii atomilor (și apoi a moleculelor) este una dintre cele mai interesante pagini din istoria științei. Cunoașterea structurii electronice și nucleare a atomilor a făcut posibilă realizarea unei sistematizări extrem de utile a factorilor chimici, ceea ce a facilitat înțelegerea și studiul chimiei.

Dezvoltarea ideilor despre structura complexă a atomului

Primele indicii ale structurii complexe a atomului au fost obținute în studiul trecerii curentului electric prin lichide și gaze. Experimentele remarcabilului om de știință englez M. Faraday în anii treizeci ai secolului al XIX-lea. a condus la ideea că electricitatea există sub formă de sarcini unitare separate.

Mărimile acestor sarcini unitare de electricitate au fost determinate în experimente ulterioare privind transmiterea curentului electric prin gaze (experimente cu așa-numitele raze catodice). S-a descoperit că razele catodice sunt un flux de particule încărcate negativ, care se numesc electroni.

Dovada directă a complexității structurii atomului a fost descoperirea dezintegrarii spontane a atomilor anumitor elemente, numită radioactivitate. În 1896, fizicianul francez A. Becquerel a descoperit că materialele care conțin uraniu luminează o placă fotografică în întuneric, ionizează gazele și provoacă strălucirea substanțelor fluorescente. Mai târziu s-a dovedit că nu numai uraniul are această capacitate.

Eforturile titanice asociate procesării unor mase uriașe de minereu de rășină de uraniu i-au permis lui P. Curie și M. Sklodowska-Curie să descopere două noi elemente radioactive: poloniul și radiul. Stabilirea ulterioară a naturii razelor și formate în timpul dezintegrarii radioactive (E. Rutherford, 1899-1903), descoperirea nucleelor ​​atomice cu un diametru de nm, ocupând o fracțiune nesemnificativă din volumul atomului (E. Rutherford). , 1909-1911), determinarea electronului de sarcină (R. Millikan, 1909-1914) și dovada caracterului discret al energiei sale în atom (J. Frank, G. Hertz, 1912), descoperirea faptului că sarcina nucleară este egală cu numărul elementului (G. Moseley, 1913.), iar, în sfârșit, descoperirea protonului (E. Rutherford, 1920) și a neutronului (J. Chadwick, 1932) a făcut posibilă să propun următorul model al structurii atomului:

1. În centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv, care ocupă o parte nesemnificativă a spațiului din interiorul atomului.

2. Întreaga sarcină pozitivă și aproape întreaga masă a unui atom sunt concentrate în nucleul său (masa unui electron este 1/1823 a.m.u.).

3. Nucleele atomilor constau din protoni si neutroni (nume comun - nucleoni). Numărul de protoni din nucleu este egal cu numărul atomic al elementului, iar suma numerelor de protoni și neutroni corespunde numărului său de masă.

4. Electronii se rotesc în jurul nucleului. Numărul lor este egal cu sarcina pozitivă a nucleului (vezi Tabelul 2.1).

Tabelul 2.1. Proprietățile particulelor elementare care formează un atom

Diverse tipuri de atomi au un nume comun - nuclizi. Este suficient să se caracterizeze nuclizii prin oricare două numere din trei parametri fundamentali: A este numărul de masă, Z este sarcina nucleară egală cu numărul de protoni și N este numărul de neutroni din nucleu.

Acești parametri sunt interconectați prin relațiile:

Nuclizii cu același Z, dar A și N diferiți se numesc izotopi.

Acest model al structurii atomului se numește modelul planetar Rutherford. S-a dovedit a fi foarte ilustrativ și util pentru explicarea multor date experimentale. Dar acest model și-a dezvăluit imediat deficiențele. În special, un electron, care se deplasează în jurul nucleului cu accelerație (o forță centripetă acționează asupra lui), ar trebui, conform teoriei electromagnetice, să radieze continuu energie. Acest lucru ar duce la un dezechilibru între electron și nucleu. Electronul, pierzându-și treptat energia, ar trebui să se miște în jurul nucleului în spirală și, în final, inevitabil să cadă pe el. Nu existau dovezi că atomii dispar în mod continuu (toate fenomenele observate indică exact contrariul), ceea ce însemna că modelul lui Rutherford era oarecum eronat.

teoria lui Bohr.

În 1913, fizicianul danez N. Bohr și-a propus teoria structurii atomului. În același timp, Bohr nu a renunțat complet la vechile idei despre structura atomului: ca și Rutherford, el credea că electronii se mișcă în jurul nucleului ca planetele care se mișcă în jurul Soarelui, totuși, au fost puse două presupuneri (postulate) neobișnuite în baza noii teorii:

1. Un electron se poate roti în jurul nucleului nu în orbite circulare arbitrare, ci numai în orbite circulare strict definite (staționare). Raza orbitală r și viteza electronului v sunt legate prin relația cuantică Bohr:

unde m este masa electronului, n este numărul orbitei, este constanta lui Planck J s).

2. Când se deplasează de-a lungul acestor orbite, electronul nu emite și nu absoarbe energie.

Astfel, Bohr a sugerat că un electron dintr-un atom nu respectă legile fizicii clasice. Potrivit lui Bohr, emisia sau absorbția de energie este determinată de trecerea de la o stare, de exemplu, cu energie la alta - cu energie, care corespunde tranziției unui electron de la o orbită staționară la alta. În timpul unei astfel de tranziții, este emisă sau absorbită energie, a cărei valoare este determinată de relație

unde v este frecvența radiației, .

Bohr, folosind ecuația (2.3), a calculat frecvențele liniilor din spectrul atomului de hidrogen, care se potriveau foarte bine cu valorile experimentale. Același acord între teorie și experiment a fost obținut pentru mulți alți atomi ai elementelor, dar s-a constatat, de asemenea, că teoria lui Bohr nu a dat rezultate satisfăcătoare pentru atomi complecși. După Bohr, mulți oameni de știință au încercat să-și îmbunătățească teoria, dar toate îmbunătățirile au fost propuse pe baza acelorași legi ale fizicii clasice.

Teoria cuantică a structurii atomului.

În anii următori, unele prevederi ale teoriei lui Bohr au fost regândite, modificate, completate. Cea mai semnificativă inovație a fost conceptul de nor de electroni, care a înlocuit conceptul de electron doar ca particulă. Teoria lui Bohr a fost înlocuită cu teoria cuantică a structurii atomului, care ia în considerare proprietățile undei ale electronului.

În centrul teoriei moderne a structurii atomului se află următoarele prevederi de bază:

1. Electronul are o natură duală (particulă-undă). Se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă: ca o particulă, un electron are o anumită masă și sarcină; în același timp, un flux de electroni în mișcare prezintă proprietăți de undă, de exemplu, se caracterizează prin capacitatea de difracție.

Lungimea de undă a electronului X și viteza sa v sunt legate prin relația de Broglie:

unde este masa electronului.

2. Pentru un electron, este imposibil să măsori cu precizie poziția și viteza în același timp. Cu cât măsuram mai precis viteza, cu atât este mai mare incertitudinea în coordonate și invers. Expresia matematică a principiului incertitudinii este relația

unde este incertitudinea poziției coordonatei, dacă este eroarea în măsurarea vitezei.

3. Un electron dintr-un atom nu se mișcă de-a lungul anumitor traiectorii, dar poate fi localizat în orice parte a spațiului circumnuclear, cu toate acestea, probabilitatea de a fi în diferite părți ale acestui spațiu nu este aceeași. Spațiul din jurul nucleului, în care probabilitatea de a găsi un electron este suficient de mare, se numește orbital.

Aceste prevederi formează esența unei noi teorii care descrie mișcarea microparticulelor - mecanica cuantică. Cea mai mare contribuție la dezvoltarea acestei teorii au avut-o francezul L. de Broglie, germanul W. Heisenberg, austriacul E. Schrödinger și englezul P. Dirac.

Mecanica cuantică are un aparat matematic foarte complex, așa că acum ne interesează doar acele consecințe ale teoriei mecanicii cuantice care ne vor ajuta să înțelegem problemele structurii atomului și moleculei, valența elementelor etc. Din acest punct de vedere, cea mai importantă consecință a mecanicii cuantice este că întregul set de mișcări complexe ale unui electron dintr-un atom este descris de cinci numere cuantice: n principal, I secundar, spin magnetic și proiecția spin. Ce sunt numerele cuantice?

Numerele cuantice de electroni.

Numărul cuantic principal n determină energia totală a unui electron într-un orbital dat. Poate lua orice valoare întreagă, începând de la unu). Sub numărul cuantic principal, egal cu înseamnă că electronului i se dă energie suficientă pentru separarea sa completă de nucleu (ionizarea atomului).

În plus, se dovedește că în anumite niveluri de energie, electronii pot diferi în subnivelurile lor de energie. Existența diferențelor în starea energetică a electronilor aparținând diferitelor subniveluri ale unui nivel de energie dat este reflectată de un număr cuantic lateral (uneori numit orbital) l. Acest număr cuantic poate lua valori întregi de la 0 la . De obicei, valorile numerice ale lui l sunt de obicei notate cu următoarele caractere alfabetice:

În acest caz, se vorbește despre -stări ale electronilor sau -orbitali.

Orbital - un set de poziții ale unui electron într-un atom, adică regiunea spațiului în care electronul este cel mai probabil să se găsească.

Numărul cuantic lateral (orbital) l caracterizează starea energetică diferită a electronilor la un anumit nivel, determină forma norului de electroni, precum și momentul orbital p - momentul unghiular al electronului în timp ce se rotește în jurul nucleului (deci al doilea nume pentru acest număr cuantic este orbital)

Astfel, un electron, având proprietățile unei particule și a unei unde, cel mai probabil se mișcă în jurul nucleului, formând un nor de electroni, a cărui formă este diferită în stările S-, p-, d-, g.

Subliniem încă o dată că forma norului de electroni depinde de valoarea numărului cuantic lateral l.

Deci, dacă (-orbital), atunci norul de electroni are formă sferică (simetrie sferică) și nu are o direcție în spațiu (Fig. 2.1).

Pentru a explica pe deplin toate proprietățile atomului în 1925, a fost înaintată o ipoteză că electronul are un așa-numit spin (la început, în cea mai simplă aproximare - pentru claritate - s-a crezut că acest fenomen este similar cu rotația lui). Pământul în jurul axei sale când se mișcă pe orbită în jurul Soarelui). Spinul este o proprietate pur cuantică a unui electron care nu are analogi clasici. Strict vorbind, spinul este momentul unghiular propriu al unui electron, care nu are legătură cu mișcarea în spațiu. Pentru toți electronii, valoarea absolută a spinului este întotdeauna egală cu Proiecția spinului pe axa r (numărul de spin magnetic) poate avea doar două valori: sau .

Deoarece spinul electronului s este o valoare constantă, de obicei nu este inclus în setul de numere cuantice care caracterizează mișcarea unui electron într-un atom și se vorbește despre patru numere cuantice.

Descoperirea structurii complexe a atomului este cea mai importantă etapă în formarea fizicii moderne. În procesul de creare a unei teorii cantitative a structurii atomului, care a făcut posibilă explicarea sistemelor atomice, s-au format noi idei despre proprietățile microparticulelor, care sunt descrise de mecanica cuantică.
Ideea atomilor ca cele mai mici particule indivizibile de substanțe, așa cum s-a menționat mai sus, a apărut în vremuri străvechi (Democrit, Epicur, Lucretius). În Evul Mediu, doctrina atomilor, fiind materialistă, nu era recunoscută. Până la începutul secolului al XVIII-lea. teoria atomistă câștigă din ce în ce mai multă popularitate. În acest moment, lucrările chimistului francez A. Lavoisier (1743–1794), marele om de știință rus M.V. Lomonosov și chimistul și fizicianul englez D. Dalton (1766–1844) au dovedit realitatea existenței atomilor. Cu toate acestea, la acea vreme problema structurii interne a atomilor nici măcar nu se punea, deoarece atomii erau considerați indivizibili.
Un chimist rus remarcabil D.I. Mendeleev, care a dezvoltat în 1869 sistemul periodic de elemente, în care pentru prima dată pe o bază științifică a fost pusă problema naturii unificate a atomilor. În a doua jumătate a secolului al XIX-lea. s-a dovedit experimental că electronul este una dintre părțile principale ale oricărei substanțe. Aceste concluzii, precum și numeroase date experimentale, au condus la faptul că la începutul secolului XX. a ridicat serios problema structurii atomului.
Existența unei legături regulate între toate elementele chimice, exprimată clar în sistemul periodic al lui Mendeleev, sugerează că structura tuturor atomilor se bazează pe o proprietate comună: toți sunt strâns legați unul de celălalt.
Cu toate acestea, până la sfârșitul secolului al XIX-lea. chimia a fost dominată de credința metafizică că atomul este cea mai mică particulă a unei substanțe simple, ultima limită a divizibilității materiei. În toate transformările chimice, doar moleculele sunt distruse și recreate, în timp ce atomii rămân neschimbați și nu pot fi divizați în părți mai mici.
Diverse ipoteze despre structura atomului pentru o lungă perioadă de timp nu au fost confirmate de nicio dată experimentală. Abia la sfârșitul secolului al XIX-lea. s-au făcut descoperiri care au arătat complexitatea structurii atomului și posibilitatea transformării unor atomi în alții în anumite condiții. Pe baza acestor descoperiri, teoria structurii atomului a început să se dezvolte rapid.
Prima confirmare indirectă a structurii complexe a atomilor a fost obținută în studiul razelor catodice care decurg dintr-o descărcare electrică în gaze foarte rarefiate. Studiul proprietăților acestor raze a condus la concluzia că sunt un flux de particule minuscule care poartă o sarcină electrică negativă și zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii. Folosind metode speciale, a fost posibilă determinarea masei particulelor catodice și a mărimii încărcăturii acestora, pentru a afla că acestea nu depind nici de natura gazului rămas în tub, nici de substanța din care sunt electrozii. efectuate sau în alte condiții ale experimentului. Mai mult, particulele catodice sunt cunoscute doar în stare încărcată și nu pot fi private de sarcina lor și transformate în particule neutre din punct de vedere electric: sarcina electrică este esența naturii lor. Aceste particule, numite electronii, au fost descoperite în 1897 de către fizicianul englez J. Thomson.
Studiul structurii atomului a început practic în 1897–1898, după ce natura razelor catodice ca flux de electroni a fost în cele din urmă stabilită și s-a determinat mărimea sarcinii și a masei electronului. a sugerat Thomson primul model al atomului, prezentând atomul ca o grămadă de materie cu sarcină electrică pozitivă, în care sunt intercalate atât de mulți electroni încât îl transformă într-o formațiune neutră din punct de vedere electric. În acest model, s-a presupus că, sub influența influențelor externe, electronii ar putea oscila, adică să se miște cu o rată accelerată. S-ar părea că acest lucru a făcut posibil să se răspundă la întrebări despre emisia de lumină de către atomii de materie și razele gamma de către atomii de substanțe radioactive.
Modelul lui Thomson al atomului nu presupunea particule încărcate pozitiv în interiorul atomului. Dar cum să explicăm atunci emisia de particule alfa încărcate pozitiv de către substanțele radioactive? Modelul atomic al lui Thomson nu a răspuns nici la alte întrebări.
În 1911, fizicianul englez E. Rutherford, în timp ce studia mișcarea particulelor alfa din gaze și alte substanțe, a descoperit partea încărcată pozitiv a atomului. Alte studii mai amănunțite au arătat că atunci când un fascicul de raze paralele trece prin straturi de gaz sau o placă metalică subțire, nu mai apar raze paralele, ci oarecum divergente: particulele alfa sunt împrăștiate, adică se abat de la calea lor originală. . Unghiurile de deviere sunt mici, dar există întotdeauna un număr mic de particule (aproximativ una din câteva mii) care sunt deviate foarte puternic. Unele particule sunt aruncate înapoi, de parcă s-ar întâlni pe drum o barieră impenetrabilă. Aceștia nu sunt electroni - masa lor este mult mai mică decât masa particulelor alfa. Deviația poate apărea la ciocnirea cu particule pozitive a căror masă este de același ordin cu masa particulelor alfa. Pe baza acestor considerații, Rutherford a propus următoarea schemă pentru structura atomului.
În centrul atomului se află un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia electronii se învârt pe diferite orbite. Forța centrifugă care apare în timpul rotației lor este echilibrată de atracția dintre nucleu și electroni, drept urmare aceștia rămân la anumite distanțe de nucleu. Deoarece masa unui electron este neglijabilă, aproape întreaga masă a unui atom este concentrată în nucleul său. Nucleul și electronii, al căror număr este relativ mic, reprezintă doar o parte nesemnificativă din întregul spațiu ocupat de sistemul atomic.
Schema propusă de Rutherford pentru structura atomului sau, așa cum se spune de obicei, planetară model atomic, explică cu ușurință fenomenul de deviere a particulelor alfa. Într-adevăr, dimensiunile nucleului și ale electronilor sunt extrem de mici în comparație cu dimensiunile întregului atom, care sunt determinate de orbitele electronilor cei mai îndepărtați de nucleu, astfel încât majoritatea particulelor alfa zboară prin atomi fără o deviere vizibilă. Doar în cazurile în care particula alfa se apropie foarte mult de nucleu, repulsia electrică o face să devieze brusc de la calea sa originală. Astfel, studiul împrăștierii particulelor alfa a marcat începutul teoriei nucleare a atomului.

postulatele lui Bohr

Modelul planetar al atomului a făcut posibilă explicarea rezultatelor experimentelor privind împrăștierea particulelor alfa de materie, dar au apărut dificultăți fundamentale în fundamentarea stabilității atomilor.
Prima încercare de a construi o nouă teorie calitativ - cuantică - a atomului a fost făcută în 1913 de Niels Bohr. El și-a stabilit scopul de a lega într-un singur întreg regularitățile empirice ale spectrelor de linii, modelul nuclear al atomului lui Rutherford și natura cuantică a emisiei și absorbției luminii. Bohr și-a bazat teoria pe modelul nuclear al lui Rutherford. El a sugerat că electronii se mișcă în jurul nucleului pe orbite circulare. Mișcarea circulară, chiar și la o viteză constantă, are accelerație. O astfel de mișcare accelerată a sarcinii este echivalentă cu un curent alternativ, care creează un câmp electromagnetic alternativ în spațiu. Se consumă energie pentru a crea acest câmp. Energia câmpului poate fi creată datorită energiei interacțiunii Coulomb a unui electron cu un nucleu. Ca urmare, electronul trebuie să se miște în spirală și să cadă pe nucleu. Cu toate acestea, experiența arată că atomii sunt formațiuni foarte stabile. Aceasta implică concluzia că rezultatele electrodinamicii clasice bazate pe ecuațiile lui Maxwell nu sunt aplicabile proceselor intra-atomice. Trebuie găsite noi modele. Bohr și-a bazat teoria atomului pe următoarele postulate.
Primul postulat al lui Bohr (postulat al stărilor staționare): într-un atom există stări staționare (care nu se schimbă cu timpul) în care nu radiază energie. Stările staționare ale unui atom corespund orbitelor staționare de-a lungul cărora se mișcă electronii. Mișcarea electronilor pe orbite staționare nu este însoțită de emisia de unde electromagnetice.
Acest postulat este în contradicție cu teoria clasică. În starea staționară a unui atom, un electron care se mișcă de-a lungul unei orbite circulare trebuie să aibă valori cuantice discrete ale momentului unghiular.
Al doilea postulat al lui Bohr (regula frecvenței): când un electron se mișcă de pe o orbită staționară pe alta, un foton cu energie este emis (absorbit)

egală cu diferența de energie a stărilor staționare corespunzătoare (En și Em sunt, respectiv, energiile stărilor staționare ale atomului înainte și după emisie/absorbție).
Tranziția unui electron de la un număr staționar de orbită m la un număr de orbită staționară n corespunde trecerii unui atom dintr-o stare cu energie Emîntr-o stare cu energie En (Fig. 4.1).

Orez. 4.1. Spre explicarea postulatelor lui Bohr

Când En > Em, este emis un foton (tranziția unui atom dintr-o stare cu o energie mai mare la o stare cu o energie mai mică, adică tranziția unui electron de pe o orbită mai îndepărtată de nucleu la una mai apropiată) , la 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

tranziții cuantice și determină spectrul de linie al atomului.
Teoria lui Bohr a explicat în mod strălucit spectrul de linii observat experimental al hidrogenului.
Progresele în teoria atomului de hidrogen au fost obținute cu prețul abandonării principiilor fundamentale ale mecanicii clasice, care a rămas necondiționat valabilă de mai bine de 200 de ani. Prin urmare, o dovadă experimentală directă a validității postulatelor lui Bohr, în special primul postulat privind existența stărilor staționare, a fost de mare importanță. Al doilea postulat poate fi considerat ca o consecință a legii conservării energiei și a ipotezei existenței fotonilor.
Fizicienii germani D. Frank și G. Hertz, studiind ciocnirea electronilor cu atomii de gaz prin metoda potențialului de întârziere (1913), au confirmat experimental existența stărilor staționare și discretitatea valorilor energetice ale atomilor.
În ciuda succesului neîndoielnic al conceptului lui Bohr în legătură cu atomul de hidrogen, pentru care s-a dovedit a fi posibilă construirea unei teorii cantitative a spectrului, nu a fost posibil să se creeze o teorie similară pentru atomul de heliu care urmează hidrogenului pe baza ideile lui Bohr. În ceea ce privește atomul de heliu și atomii mai complecși, teoria lui Bohr a făcut posibil să se tragă doar concluzii calitative (deși foarte importante). Ideea anumitor orbite de-a lungul cărora se mișcă un electron într-un atom Bohr s-a dovedit a fi foarte arbitrară. De fapt, mișcarea electronilor într-un atom are puține în comun cu mișcarea planetelor pe orbite.
În prezent, cu ajutorul mecanicii cuantice, este posibil să se răspundă la multe întrebări referitoare la structura și proprietățile atomilor oricăror elemente.

Informații similare.