Kvant. Атом

А так ли хорошо знакомы вам атом и атомное ядро? // Квант. — 1993. — № 9. — С. 48-49.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Эти первоначальные частицы... несравнимо тверже, чем
всякое твердое тело, составленное из них, настолько тверже,
что они никогда не изнашиваются и не разбиваются на куски.
И.Ньютон

... рассеяние назад ... невозможно получить ..., если не считать, что
основная часть массы атома сконцентрирована в небольшом ядре. Именно тогда у меня
возникла идея атома с крохотным тяжелым центром, несущим заряд.
Э.Резерфорд

Наверное, справедливо полагать, что идея атомарного строения вещества возникла из давнего стремления человека как-то упорядочить окружающий его мир. Поиски вечной и неизменной материи, из элементов которой состоят все тела, начались в глубокой древности, продолжались столетиями, не прекращаются и сегодня. Окончательного ответа нет до сих пор, но какие находки обнаружились на этом пути! Сложное строение атома, ядро которого, в свою очередь, оказалось составным, причем из таких частиц, которые сами по себе, вне ядра, не способны существовать продолжительное время. Радиоактивность, взаимопревращаемость частиц, цепные и термоядерные реакции...

Несколько последних десятилетий ознаменовались потоком открытий, радикально изменивших взгляды ученых на строение материи и поставивших массу новых проблем. Принципиально преобразился физический эксперимент, осуществление которого зачастую требует усилий сотен и тысяч людей. Необыкновенно разнообразными оказались практические приложения методов атомной и ядерной физики.

Маленькая мозаика сегодняшнего «Калейдоскопа» лишь очерчивает контуры огромного мира, скрытого в мельчайших частицах материи.

Вопросы и задачи

1. Сколько квантов с различной энергией может испустить атом водорода, если его электрон находится на третьем энергетическом уровне?
2. Каким образом в электронной оболочке атома проявляется стремление к минимуму потенциальной энергии?
3. Имеется ли связь между частотой обращения электрона вокруг ядра атома водорода и частотой его излучения?
4. Бомбардируя атомы бора \( _{5}^{11}B\) быстрыми протонами, в камере Вильсона получили три почти одинаковых следа частиц, направленных в разные стороны. Какие это частицы?
5. Почему не все виды радиоактивности сопровождаются изменением химических свойств вещества?
6. В каких случаях активность радиоактивного препарата можно считать постоянной величиной?
7. Что продолжительнее — три периода полураспада или два средних времени жизни ядер одного и того же радиоактивного элемента?
8. Альфа-частицы, испускаемые радиоактивным веществом, могут иметь только дискретные значения энергии. Какой отсюда можно сделать вывод о возможных значениях энергии атомного ядра?
9. Почему альфа-частицы, испускаемые радиоактивными препаратами, не могут вызвать ядерных реакций в тяжелых элементах?
10. Отчего при альфа-распаде одинаковых ядер энергии альфа-частиц одинаковы, а при бета-распаде одинаковых ядер энергии бета- частиц различны?
11. На рисунке приведен фотоснимок, сделанный в камере Вильсона в момент расщепления ядра азота нейтроном с вылетом альфа-частицы. Чему принадлежат тонкий и толстый треки, видимые на фотографии?

    

12. Если нуклоны способны притягиваться друг к другу, то почему же все ядра до сих пор не слились в одно гигантское ядро?
13. Почему вещества, занимающие места в середине и конце таблицы Менделеева, не применяются в качестве замедлителей нейтронов?
14. Масса покоя атомного ядро всегда меньше суммы масс покоя нуклонов, из которых оно образовалось. Можно ли на этом основании считать, что при образовании ядра нарушается закон сохранения массы?

Микроопыт

Накалите, например на газовой горелке, железный гвоздь до «белого коления». Удастся ли вам так же накалить кусок стекла?

Любопытно, что...

... Фалес Милетский, родоначальник античной философии и науки, возводил все многообразие явлений и вещей к единой первостихии — воде. Анаксимен, представитель той же милетской школы, первоначалом всего считал воздух, из сгущения и разрежения которого возникают все вещи. Современник Фалеса Гераклит Эфесский же отдавал предпочтение огню, который есть также душа и разум.

... планетарную модель атома, названную после опытов Резерфорда его именем, теоретически разработал еще в 1901 году французский физик Перрен, прославившийся экспериментальным исследованием броуновского движения. Статья Перрена так и называлась: «Ядерно-планетарное строение атома».

... еще в 1815 году эдинбургский медик Уильям Проут высказал гипотезу о том, что все химические элементы состоят из атомов водорода. А в 1911 году Резерфорд не удержался от предположения, что атомные ядра состоят из альфа-частиц.

... Резерфорд считал, что величина заряда ядра пропорциональна атомному весу элемента. Верную же идею о пропорциональности заряда номеру элемента в периодической таблице выдвинул голландский физик-любитель Ван дер Брук. Резерфорд отнесся к этому скептически: «...забавный домысел, не имеющий под собой достаточного обоснования».

... если бы Энрико Ферми удалось полностью объяснить результаты своих опытов по искусственной радиоактивности, вызванной нейтронами, то весь мир уже в 1934 году узнал бы о возможности создания атомной бомбы. В то время был еще жив Резерфорд, категорически отрицавший использование ядерных реакций для практических целей.

... ядерно-физические методы успешно используются в криминалистике, позволяя исследовать вещества массой менее 10^–10 грамма, например для идентификации людей по крохотным остаткам их волос.

... для внутреннего обогрева «Лунохода» при его многомесячной работе на поверхности Луны на нем был установлен тепловой блок, состоящий из герметичных ампул с радиоактивными веществами.

... естественная радиоактивность мужчин и женщин различна — из-за разного содержания в их организмах радиоактивного изотопа калия-40.

Что читать в «Кванте» об атоме и ядре

(публикации последних лет)

1. «Капельная модель ядра» — 1986, № 5, с. 23;
2. «Атомная физика в задачах» — 1986, № 12, с. 43;
3. «Ядерные спектры» — 1987, №3, с. 42;
4. «Супервытянутые ядра» — 1988, № 11-12, с. 32;
5. «Альфа-частицы и опыты Резерфорда» — 1989, №3, с. 49;
6. «Нейтроны ищут убийцу» — 1989, № 5, с. 44;
7. «За пределы таблицы» — 1991, № 1, с. 38;
8. «Недостающие «элементы» — 1991, № 5, с. 43;
9. «Физика против мошенников» — 1991, № 8, с. 7;
10. «Нейтрон и ядерная энергия» — 1992, № 8, с. 2.

Ответы

1. Три.
2. При испускании фотона возбужденным атомом потенциальная энергия атома уменьшается.
3. Нет.
4. Альфа-частицы:

   \( _{5}^{11}B + _{1}^{1}p = 3_{2}^{4}He\)

5. Химические свойства вещества предопределяет заряд ядра. А при гамма-излучении, например, заряд ядра не изменяется.
6. Когда время наблюдения мало по сравнению с периодом полураспада препарата.
7. Три периода полураспада.
8. Энергия ядра может принимать только дискретные значения.
9. Энергии частицы недостаточно, чтобы преодолеть силу отталкивания ядра тяжелого элемента.
10. При бета-распадах кроме электронов вылетают еще и нейтрино, уносящие часть энергии, причем энергия эта может изменяться в очень широких пределах.
11. Частицы с большим зарядом оставляют трек большей толщины. В нашем случае тонкий след образует альфа-частица, а жирный — ядро полученного в реакции бора.
12. Уже у первых трансурановых элементов действие кулоновских сил отталкивания протонов приводит к неустойчивости ядер.
13. При столкновении нейтрона с атомом последнему передается тем больше энергии, чем меньше его масса.
14. Нет, нельзя. Недостающую массу уносят излучаемые при образовании ядра γ-кванты.

Микроопыт

В металлах валентные электроны легко переходят в возбужденное состояние, поглощая тепловую энергию, и так же легко возвращаются в нормальное, отдавая энергию в виде света. В стекле все электроны прочно связаны с ядрами атомов и с большим трудом меняют свое энергетическое состояние. Чтобы получить заметное свечение стекла, нужна значительно более высокая температура.

Материал подготовил А.Леонович