К ИСТОКУ

о развитии Божественного Начала в Человеке

* Вход   * Регистрация * FAQ * НОВЫЕ СООБЩЕНИЯ  * Ваши сообщения 

Текущее время: 12 дек 2017, 18:10

Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 18 ]  На страницу 1, 2  След.
Автор Сообщение
Сообщение №1  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:41 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
В глубинах атомного ядра

madebymeta_main.jpg

автор статей: http://evosfera.ru/

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №2  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:42 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Электроны рождаются в ядрах

Мы уже не раз убеждались в том, что в мире сверхмалых вещей на каждом шагу совершаются удивительные события. В следующей главе перед нами во весь рост встанет совершенно универсальное событие в этом мире - превращение его частиц друг в друга. Мы увидим, что для микромира это явление настолько же естественно и обычно, как относительное постоянство и неизменность вещей в нашем обычном мире.

С одним из таких превращений мы уже познакомились. Это - взаимное превращение протонов в нейтроны и нейтронов в протоны, лежащее в основе ядерных сил. В этом процессе протон, испустив положительный пи-мезон, превращается в нейтрон, а нейтрон, захватив этот мезон, превращается в протон. Но нейтрон сам может, как мы помним, испустить отрицательный пи-мезон и превратиться в протон.

Может быть, при бета-распаде из ядра и вылетает этот мезон? Нет, точные измерения массы показали, что это не имеет места. Из ядра вылетает не пи-мезон, а в двести с лишним раз более легкий электрон. В тех условиях, при которых имеет место бета-распад, мезоны из ядер не вылетают никогда.

Нам придется еще раз забежать вперед. Спустя несколько лет после открытия нейтрона физики устанавливают, что этот краеугольный камень атомных ядер - неустойчивая частица. Свободный, не находящийся в ядре нейтрон в среднем спустя примерно 12 минут после своего появления на свет превращается в протон. При этом превращении он испускает... электрон и нейтрино! Теперь разгадка бета-распада кажется близкой. Ведь именно эта пара частиц и вылетает из ядра. Да, это так. Но нейтрон в ядре- всежене свободный нейтрон! Ядерный нейтрон должен превращаться в протон совсем иначе.

И все же не хочется выпускать из рук с таким трудом нащупанную нить в лабиринте бета-распада. Может быть, нейтрон в ядре может каким-либо образом стать "на минутку" свободным? Нет, о свободе нейтрона, даже "на минутку", не то что на 12 минут, конечно, и говорить не приходится. Но вспомним, что ядра, испускающие бета-частицы, либо сами по себе неустойчивы (например, массивные ядра элементов в конце периодической системы), либо переведены в неустойчивое состояние бомбардировкой нейтронами. А испускание бета-частицы- это не что иное, как попытка ядра перейти из неустойчивого в более устойчивое состояние.

Обычную постройку, потерявшую устойчивость, иногда еще можно на время спасти подпорками. В кладке ее уже ничего не изменишь. Но у природы нет таких подпорок, чтобы укрепить "снаружи" разваливающуюся ядерную постройку. Она это делает "изнутри", способом, который может вызвать зависть любого незадачливого строителя.

открыть спойлер
Выше мы сравнивали протоны с кирпичами ядерного здания, а нейтроны- с цементом, который сплачивает эти кирпичи прочнейшим образом. Но что делать, если либо постройка оказалась не вполне устойчивой сама по себе, либо испытала сильный удар извне - например, попадание -нейтрона в ядро? Природа восстанавливает утраченное равновесие своего создания, превращая цемент в кирпичи, если его оказывается слишком много, либо же наоборот, превращая кирпичи в цемент, если их избыток грозит развалить ядерное здание.

А эти превращения как раз происходят с выбрасыванием из ядра "избытка" или "недостатка" заряда. Кирпич-протон, превращаясь в цемент-нейтрон, избавляется от своего заряда, выбрасывая его в облике позитрона (положительно заряженного двойника электрона). Нейтрон при превращении в протон выбрасывает электрон и этим увеличивает общий заряд ядра.

Как быстро происходят эти превращения? Вовсе не за 12 минут. Мы уже говорили, что положение нейтрона в ядре радикально отличается от условий, в которых живет его свободный собрат. Иногда условия жизни в ядре таковы, что оно не выдерживает неустойчивого состояния даже тысячные доли секунды.

Иногда же эти условия тормозят распад нейтрона или протона. Тогда ядро до бета-распада живет долго, причем может жить и очень долго - сотни и тысячи лет в среднем. В этом, вообще говоря, нет ничего удивительного - сколько различных "типовых проектов" ядерных зданий, столько и разных "жилищных условий" в них для ядерных частиц.

Точно предсказать среднее время жизни бета-радиоактивных ядер квантовая механика, однако, сегодня еще не может. Это связано не только с весьма приблизительным знанием ею ядерной "архитектуры", то есть в конечном счете, знанием ядерных сил. Дело также в том, что квантовая механика еще не может толком объяснить самого факта распада свободного нейтрона.

В основе этого распада лежат замечательные силы, которые в последние годы перевернули многие представления физиков. Но о них мы расскажем в следующей главе

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №3  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:44 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Еще об устойчивости ядер

Обменные силы, приводящие к образованию прочнейших ядерных зданий,- это силы притяжения, стягивающие протоны и нейтроны. До какой же степени возможно это стягивание? Легко понять, что ему есть границы: в противном случае все ядерные частицы слились бы в одну1 Природа, разумеется, не допускает такой возможности и в противовес могучим силам.ядерного притяжения выдвигает при чрезмерном сближении ядерных частиц не менее мощные силы отталкивания, не позволяющие частицам проникать друг в друга.

Это, так сказать, нижний предел радиуса действия ядерных сил. О верхнем пределе мы уже говорили. Он, очевидно, отвечает наибольшему расстоянию, на которое могут удалиться друг от друга ядерные частицы, чтобы еще испытывать сдерживающее действие ядерных сил. Этот радиус имеет порядок размеров самих ядерных частиц.

Интересное обстоятельство! Именно оно может объяснить общую тенденцию графика энергии связи: ее понижение с ростом массового числа ядер. В самом деле, в легком ядре, в котором мало протонов и нейтронов, каждая частица может быть связана ядерными силами со всеми остальными.

А как быть с насыщением, которое указывает на то, что ядерные силы предпочитают связывать лишь четверки частиц? Ответ несложен. Ядерные частицы неотличимы друг от друга, и выделить из них определенные, раз навсегда замеченные четверки невозможно. Попробуйте в кристалле из ионов натрия и хлора выделить пары, отвечающие "бывшим" молекулам. Одни и те же ионы натрия и хлора в кристаллической решетке каменной соли могут входить в различные "бывшие" молекулы NaCl, о чем мы уже говорили.

Но по мере того как ядро охватывает все большее число частиц, естественно, растут его размеры. Теперь уже каждая частица может быть связана ядерными силами только со своими непосредственными соседями. Вместо "всеобщей" связи получаются как бы цепочки связей. И ядра начинают постепенно утрачивать свою прочность, тем более, что с ростом числа протонов растут противодействующие ядерным силам силы отталкивания протонов.

открыть спойлер
Самые крупные и тяжелые ядра, находящиеся в конце периодической системы, уже довольно неустойчивы. И природа заставляет их самих по себе перестраиваться в более устойчивые ядра. А это возможно лишь, если ядро избавляется от "лишних" ядерных частиц, как корабль сбрасывает балласт, чтобы сохранить плавучесть. Лишние, выбрасываемые ядрами частицы - это и есть радиоактивные излучения.

Впрочем, как вам, вероятно, известно, существует множество радиоактивных ядер и в начале, и в средине периодической системы. Почти все они, однако, - не создание природы, а дело человеческих рук. Бомбардируя первоначально устойчивые ядра ядерными же частицами (чаще всего нейтронами), физики нарушают их покой и приводят эти ядра в неустойчивое состояние, перегружая частицами.

В устойчивое состояние эти ядра, однако, возвращаются не по той дороге, по какой вышли из него. Да и само конечное устойчивое состояние, как правило, отличается от начального. Вывели ядро из покоя нейтроном- а оно в ответ выбрасывает электроны и гамма-фотоны и превращается в совершенно другое ядро.

В основе этого явления, названного искусственной радиоактивностью, тоже лежит стремление ядер к устойчивости, - во что бы то ни стало. Неустойчивые вещи не могут в природе долго существовать. Вспомним график распространенности ядер в природе. Он ясно говорит: чем устойчивее ядро, тем дольше оно существует, а значит, тем более распространен соответствующий элемент в природе.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №4  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:45 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Из ядра вылетают частицы, которых в нем нет!

ostor_rad_01.jpg

С разгадкой секретов вылета из ядер альфа-частиц и гамма-фотонов мы уже знакомы. Осталось снять завесу с тайны вылета из ядра бета-частиц, то есть электронов.

Приступая тридцать лет назад к решению этой задачи, физики были полны оптимизма. Совсем недавно квантовая механика объяснила альфа- и гамма-радиоактивность ядер, и казалось, перед ней не устоять загадке бета-радиоактивности. Однако природа тут не торопилась раскрывать тайну. Нельзя сказать, что даже сегодня физики вполне овладели этой тайной.

Тупик, из которого не могла выйти квантовая механика в попытках объяснить это явление, был тем более досаден, что бета-радиоактивность - пожалуй, самый распространенный способ распада атомных ядер. С тех пор как в 1934 году Ирен Кюри и Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность, возникающую при бомбардировке ядер нейтронами, и особенно после того, как создание ядерных реакторов позволило производить эту бомбардировку массированно, новые, не существующие в земных условиях радиоактивные ядра посыпались в руки физиков, как из мешка.

За последнюю четверть века удалось искусственно приготовить свыше тысячи новых радиоактивных изотопов. И подавляющее их большинство испускает не альфа-,а именно бета-частицы.

открыть спойлер
Первая и основная трудность объяснения бета-распада состояла в том, что в ядре электроны не могут существовать. Выше, рассказывая о про-тонно-нейтронной модели ядра, мы называли некоторые основания для такого заключения. Сейчас же мы приведем основной довод против присутствия электронов в атомных ядрах.

Дело в том, что электрон не "умещается" в ядре! Электрон можно было бы считать находящимся в ядре, если бы туда удалось "вогнать" и все электронное облако вероятности. Но даже при исключительно высоких скоростях электрона, когда его энергия имеет порядок ядерных энергий, длина электронной дебройлевской волны все еще в сотни раз больше размеров ядер. А размеры электронного облака, как мы уже убедились на примере атома водорода, - того же порядка, что и длина волны электрона.

Не нашлось места электрону в ядре еще и потому, что его спин, складываясь со спинами ядерных частиц, должен был бы приводить к неправильным значениям спинов ядер.

Убедившись во всем этом, физики безапелляционно лишили электрон пристанища в ядре. Но как в таком случае из ядра может вылетать то, чего в нем нет? В ядре живут массивные частицы, а из него на свет появляется легчайший электрон. Получается так, как если бы пушку зарядили тяжеленным снарядом, а вылетела из нее легонькая пуля! Действительно, ядро преподнесло ученым новое чудо. Заметим, кроме того, что вылетающий из ядра электрон совершал два "преступления" против основных законов физики. Он нарушал сразу два закона: закон сохранения энергии и закон сохранения момента импульса.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №5  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:46 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Как появляются гамма-лучи

Намеченная общность электронных оболочек атома и ядерных оболочек становится еще более очевидной, если присмотреться к происхождению третьего вида радиоактивного излучения - гамма-лучей.

Как по обрывкам доносящегося из дома разговора можно многое узнать о взаимоотношениях между его обитателями, так и физики, изучая гамма-лучи, смогли установить важные факты о жизни ядерных семей.

Прежде всего внимание ученых привлекло одно интересное обстоятельство. Спектры ядерных гамма-лучей оказались состоящими из отдельных линий. Мы уже знаем, о чем это говорит: ядерные частицы могут иметь лишь строго определенные энергии, иными словами, могут находиться в определенных состояниях. Перескоки частиц между этими состояниями и должны давать начало гамма-лучам.

Каковы же ядерные уровни энергии, как они заселяются ядерными частицами? И вот здесь на карте, нарисованной физиками, имеется много досадных "белых пятен". То, что в ядре существуют определенные уровни энергии, не должно вызывать удивления. Наличие таких уровней предсказывается уравнением Шредингера для любых связанных коллективов частиц, в том числе, конечно, и ядерных коллективов.

В случае атома формула, описывающая взаимодействие частиц, известна - это закон Кулона для взаимного отталкивания электронов и их притяжения к ядру. Этот закон и вносится в уравнение Шредингера. А вот закон ядерных сил до сих пор точно не известен.

открыть спойлер
Физики вынуждены решать обратную задачу: наблюдая спектры гамма-лучей, вычислять по ним уровни энергии в ядрах, порядок их заселения. Такой работой, если вы помните, занимались когда-то физики, комбинируя уровни энергии в атомах. Привлекая, кроме того, сведения о "яркостях" отдельных линий гамма-лучей и других их характеристиках, ученые пытаются узнать закон, которому подчиняется взаимодействие частиц в ядрах.

Однако это оказывается исключительно тяжелой задачей. Полностью она не решена и по сей день. Уже давно стало ясным, что решить эту задачу не удастся, не зная самой природы ядерных частиц. О некоторых методах, с помощью которых ученые пытаются подойти к этому вопросу, мы расскажем в следующей главе.

Все же представление об уровнях энергии в ядре, об оболочках из протонных и нейтронных "облаков вероятности" оказывается весьма плодотворным. Оно позволяет объяснить не только рождение гамма-лучей, но и многие их интересные особенности.

Прежде всего ясно, что для испускания гамма-фотона ядро сначала должно перейти из устойчивого состояния с минимальной возможной энергией в состояние с более высокой энергией, которое по аналогии с атомом называют возбужденным. При возвращении ядра в прежнее или в иное устойчивое состояние и будет испущен гамма-фотон.

Ядерные силы в миллионы раз сильнее электрических. Поэтому и расстояния между уровнями энергии в ядре обычно значительно превышают энергетические расстояния в электронной оболочке. Понятно, что и гамма-фотоны должны быть во столько же раз энергичнее световых фотонов, а значит, иметь соответственно меньшую длину волны. Это наблюдается в действительности. Гамма-лучи - самые коротковолновые из всех известных излучений.

Теперь становится понятным, почему гамма-лучи - неизменный спутник почти всех радиоактивных превращений ядер. Ведь эти превращения не что иное, как переход ядер от менее к более устойчивым. Иногда одной перестройкой ядерного здания с выбрасыванием из него "лишних" частиц полной устойчивости достичь не удается. Новое ядро, хотя оказывается и более устойчивым, чем прежнее, но образуется в "возбужденном" состоянии. Тогда завершающим этапом перестройки является испускание гамма-фотона, после чего ядро перестает быть радиоактивным.

Ядро часто может отдавать свою избыточную энергию и более "хитрым" способом, который неведом электронным оболочкам атома. Вместо того чтобы выбросить гамма-фотон, ядро "потихоньку" передает энергию своего возбуждения прямо электронной оболочке. Эта энергия столь велика, что ядерный "дар" воспринимается скорее как могучий удар по всему атомному зданию. Оно, правда, при этом не разрушается до основания, но отдельные его обитатели - электроны - вылетают из атома, причем со значительными скоростями. Это явление, успешно конкурирующее с прямым испусканием гамма-лучей, называется внутренней конверсией.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №6  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:47 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
На пороге

Атом, молекула, кристалл... Что теперь на очереди? Теперь квантовой механике предстоит тяжелый путь в глубь атомов, где притаились еще более ничтожные по своим размерам атомные ядра. Ей надлежит проникнуть в еще более удивительный мир.

В двадцатых годах никто из физиков не подозревает, к чему это приведет. Ими движет лишь простая, но такая неутолимая любознательность.

Атомное ядро обещает дать богатую пищу любознательности. В то время, когда квантовая механика празднует первые свои победы над миром атомов, о мире атомных ядер еще почти ничего неизвестно.Кое-что наука о ядрах все же знает. С этого ей и предстоит начать.

В самом конце девятнадцатого века француз Беккерель совершенно случайно обнаруживает, что некоторые вещества способны засвечивать фотографические пластинки. Мари Склодовская и Пьер Кюри, идя по следам этого открытия, устанавливают, что таким свойством обладают три химических элемента, находящиеся на краю периодической таблицы Д. И. Менделеева,- радий, полоний и уран.

Обнаруженное явление получает название радиоактивности. Необъяснимость его с позиций классической физики повергает в смятение теоретиков того времени. А опыт подбрасывает новые факты о таинственном излучении. Оно оказывается состоящим из излучений трех родов, названных по первым трем буквам греческого алфавита - альфа, бета, гамма.

открыть спойлер
Альфа-лучи, как выясняется, состоят из положительно заряженных частиц. Заряд их по величине вдвое больше заряда электрона, а масса примерно вчетверо больше массы атома водорода. Бета-лучи ничем не отличаются от электронов. А гамма-лучи - это какое-то очень жесткое, как говорят физики, электромагнитное излучение. Его проникающая способность во много раз больше, чем у такого рекордсмена проникновения сквозь вещества, как рентгеновы лучи.

Проходит еще несколько лет, и английский физик Резерфорд совместно со своим учеником Бором выдвигает планетарную модель атома, в которой электроны наподобие планет вращаются вокруг своего "солнца" - атомного ядра. Постепенно становится ясным, что виновник радиоактивности - ядро.

В отношении частиц альфа-лучей это очевидно сразу: в атоме нигде для них нет места, кроме как в ядре, в котором сосредоточена практически вся масса атома. С другой стороны, электроны существуют на оболочках атома. Из этих оболочек также часто вылетают фотоны - кванты электромагнитной энергии. Может быть, бета- и гамма-лучи рождаются именно в электронной оболочке атома? Нет, это оказывается невозможным. При испускании бета-лучей атом не ионизируется, не приобретает электрического заряда. Значит, его электронная оболочка остается неповрежденной. Подсчет энергии, отвечающей фотонам видимого света и рентгеновых лучей, связанных с перескоками в электронных оболочках, далее показывает, что она во много раз меньше энергии фотонов гамма-лучей. Так укрепляется мысль, что и за эти два рода радиоактивных излучений ответственность несет атомное ядро.

Проходит еще несколько лет, и Резерфорд дает физикам-теоретикам новую пищу для раздумий. Он помещает на пути альфа-лучей, испускаемых радием, баллон с чистейшим азотом и спустя некоторое время обнаруживает в нем... кислород! Мечта алхимиков осуществилась: из одного химического элемента получен другой. Но, правда, совершенно нехимическим способом.

В том же году, когда Резерфорд наблюдает первое ядерное превращение, выясняется, что ядра атомов одного и того же химического элемента могут иметь разные массы. Расчет показывает, что эти массы отличаются друг от друга на величину, кратную или очень близкую к массе ядра атома водорода. Такие ядра получают название изотопов.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №7  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:49 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Первый шаг

Радиоактивность, взаимное превращение ядер, изотопы... Казалось бы, можно делать первый шаг в создании теории атомного ядра. Начальные отправные факты есть, квантовая механика, доказавшая свою силу, тоже уже существует.

Но физики-теоретики не торопятся. Они стоят на опушке девственного леса, ловят его шумы и запахи, но еще не заходят в лес. Они считают, что еще рано подвергать "вездеход" квантовой механики тяготам неизведанного пути.

Они просят физиков-экспериментаторов, чтобы те прорубили в этом девственном лесу хотя бы еще одну маленькую просеку, на которой мог бы развернуться "вездеход". И экспериментаторы на сей раз не заставляют себя долго ждать: в 1932 году англичанин Чэдвик открывает нейтрон.

Теперь можно двигаться в путь.

До этого неясно главное: из каких частиц состоит атомное ядро. То, что оно составное, уже давно несомненно: вспомните радиоактивность, когда из ядер вылетают частицы, а сами ядра продолжают существовать. Впрочем, одна ядерная частица известна достоверно - это протон.

Казалось бы, можно считать, что ядро состоит из тех частиц, которые обнаруживаются при его радиоактивном распаде-из альфа-частиц и электронов. Однако такое простое предположение не проходит. Альфа-частицы ничем по своим свойствам не отличаются от ядер гелия. Между тем существуют и более легкие ядра - ядра водорода. Значит, именно ядро водорода - протон - должно быть самым мелким кирпичом в здании ядра. Это ядро - простейшее и потому получает соответствующее по-гречески название протона.

открыть спойлер
А теперь можно начинать мысленную постройку ядер. При этом надо учитывать основное правило: заряд ядра должен быть равен по величине совокупному заряду всех электронов в атомной оболочке, но противоположен ему по знаку (положителен). Именно поэтому атом в целом нейтрален. Кроме того, известны и массы ядер: они примерно равны массам соответствующих атомов за вычетом масс их электронных оболочек.

Итак, исходная гипотеза: ядра состоят из протонов и электронов. В ядре водорода - один протон, а электронов нет вовсе. В ядре гелия - четыре протона и два электрона; в результате его заряд равен +4-2=+2, а масса - чуть-чуть больше учетверенной массы ядра водорода. Ведь уже известно, что электрон почти невесом в сравнении с протоном - почти в две тысячи раз легче! Идемте дальше. Ядро лития с массой 7 и зарядом +3 состоит из 7 протонов и 4 электронов, ядро бора с массой 11 и зарядом +5- из 11 протонов и 6 электронов, азота (соответственно 14 и +7)- из 14 протонов и 7 электронов, кислорода (16 и +8) - из 16 протонов и 8 электронов, и так далее.

Кажется, строительство ядер идет замечательно. Но природа наносит по нему удар с неожиданной стороны - с этого "и так далее". Действительно, все обстоит хорошо, но только для сравнительно мелких построек - легких ядер. По мере движения в область средних и крупных построек согласие все более нарушается. Смотрите сами. Для железа с массой ядра (будем в дальнейшем называть ее более точно - массовым числом ядра; оно показывает, во сколько раз масса ядра больше массы протона) 56 и зарядом +26 требуется 56 протонов и 30 электронов, для ядра урана с массовым числом 238 и зарядом +92 требуется 238 протонов и 146 электронов.

Выходит, что в каждое новое ядро природа поставляет не по одному новому протону, как можно было бы ожидать, а сразу по нескольку. Если же отвергнуть эту мысль, то сразу начнутся нелады с массами, да и с зарядами ядер. В результате закономерность в постройке ядер исчезает; нелегко понять и то, как возникают изотопы. Что-то в нашем способе постройки ядер действительно неудачно! Да, это в самом деле так. Электроны в ядре, как понятно, должны не только "подгонять" заряд ядра к наблюдаемому на опыте. У них есть куда более важное дело. Протоны, будучи одноименно заряженными частицами, враждуют друг с другом, совсем как электроны на оболочках. Чтобы удержать их от разлетания, надо сковать протоны друг с другом цепью притяжения к электронам.

Простой подсчет показывает, что для этой цели в ядре должно быть гораздо больше электронного цемента, чем получается в нашем способе постройки. Есть целый ряд и других, еще более убедительных возражений против присутствия электронов в ядрах. О них мы поговорим подробнее позже.

Так или иначе, физики-теоретики склонны сомневаться в том, что ядра состоят из протонов и электронов. И вот в поле их зрения появляется нейтрон. Мысль теоретиков быстро срабатывает: в том же 1932 году уже известный нам Вернер Гейзенберг и советский физик Д. Д. Иваненко выдвигают подкрепленную убедительными расчетами гипотезу, согласно которой ядра построены исключительно из протонов и нейтронов. Первый шаг сделан.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №8  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:51 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Самые сильные силы на свете

Физики энергично приступили к изучению новооткрытых ядерных сил. И первое, что они обнаружили, - это исключительно малый радиус их действия, о чем мы уже упоминали. Обменные силы в молекулах начинают действовать на расстояниях между атомами порядка размеров самих атомов - стомиллионных долей сантиметра. Ядерные же обменные силы оказываются еще в десятки тысяч раз более короткодействующими. Практически они обнаруживаются лишь на расстояниях порядка размеров самих ядерных частиц. Поэтому понятно, что они существуют практически лишь внутри ядер и не проявляются вне их.

Ядерные силы - самые могучие из всех, которые мы знаем на сегодняшний день. Они не только полностью подавляют взаимную антипатию протонов, которая, как понятно, на таких малых расстояниях весьма велика, но и связывают их в исключительно крепкую семью.

Чем же характеризовать прочность ядер? Для этого физики пользуются одним универсальным понятием, годным для любых тел, молекул, атомов и также ядер: энергией связи. Это та энергия, которую следует каким-либо образом передать системе частиц, чтобы разбить ее на свободные составляющие ее частицы.

Понятно, что чем больше частиц объединяется в системе, тем большей должна быть эта энергия. Поэтому для характеристики прочности обычно берут энергию связи в расчете на одну частицу. Для выражения этой энергии часто пользуются специальными единицами - электроновольтами. Такую энергию приобретает электрон, пройдя в электрическом поле разность потенциалов в 1 вольт. Для нашего мира больших вещей эта единица очень мала, для атомного же мира - довольно внушительна.

Связи между молекулами многих веществ разрываются уже при комнатной температуре, так что эти вещества существуют в обычных условиях в виде газов. Энергия связи между такими молекулами - порядка сотой доли электроноЕОЛьта на молекулу.

Чтобы разложить сами эти молекулы на отдельные атомы, нужна уже энергия побольше - примерно до десятка электроновольт на атом. Это отвечает внушительным температурам в тысячи и десятки тысяч градусов.

открыть спойлер
Разложить атомы на отдельные электроны и "голое" ядро еще труднее. Мы знаем, что атомные электроны имеют различную энергию, отвечающую их связи с ядрами. Область этих энергий простирается от десятков до тысяч электронвольт.

Ядерные же частицы имеют энергию связи в миллионы электроновольт! Теперь понятно, почему на ядра не производят никакого впечатления самые сильные из неядерных сил: они просто слишком слабы! Если столкнуть два ядра со скоростями теплового движения даже при тысячеградусной температуре, то для них это будет столь же нечувствительно, как для гранитной стены - удар детским мячом.

Физики, изучая работу "ядерного архитектора", определили прочность различных ядер и изобразили ее на графике в зависимости от массового числа ядра. Взглянем на этот график. Первое, что мы замечаем, это его "зубчатый" характер. Кривая на графике напоминает горный хребет. Сходство это усиливается еще и тем, что пики на кривой выступают на первый взгляд совершенно нерегулярным образом.

Но прежде чем идти дальше, взглянем и на нижний график. Это график распространенности химических элементов в природе. Чтобы построить его, физики прибегли к помощи геологов, астрономов и даже биологов. Очевидно, распространенность элемента отвечает "встречаемости" в природе ядер его атомов. Под природой, конечно, здесь подразумевается не только наша Земля, но вообще вся видимая Вселенная - куда не добрался молоток геолога, проник взор спектрального аппарата астронома.

Сравним оба графика. Нетрудно обнаружить в них общее.Прежде всего, в левом углу графиков можно заметить, что наиболее высокие пики верхней кривой отвечают ядрам гелия-4, углерода-12, кислорода-16 и ряду других. Все приведенные массовые числа кратны четырем, словно эти ядра состоят не из протонов и нейтронов порознь, а сразу из альфа-частиц. На нижней же кривой этим ядрам отвечают наиболее высокие относительные распространенности их в природе, близкие к 100 процентам.

Если продолжить путешествие по "горному хребту", то мы увидим, что самые заметные изломы верхней кривой приходятся как раз на пики нижней кривой. Чем более прочны ядра, тем в общем более распространены они в природе.

Напрашивается очевидный вывод. Природа в мире атомных ядер тоже словно установила некий закон "естественного отбора". Выживают только те ядра, которые более устойчивы, прочны. А наиболее распространены из них те, числа нейтронов и протонов в которых равны 2, 8, 20 и т. д. На объяснении этого последнего явления мы остановимся несколько позже, рассказывая о ядерных оболочках.

Пока же заметим, что считать ядра состоящими "прямо" из альфа-частиц не совсем правильно. Но одно подмечено верно: группа из двух протонов и двух нейтронов в самом деле обладает исключительной прочностью даже в мире атомных ядер. Физики говорят, что действующие между таким числом частиц ядерные силы как бы "насыщаются". Если попытаться присоединить к этой группе один лишний протон или нейтрон, то из этого ничего не выйдет: ядро гелия откажется принять пришельца в свою семью. Это ядро, действительно, самое негостеприимное в природе: ядер с массовым числом 5 (то есть из двух протонов и трех нейтронов или из трех протонов и двух нейтронов) вообще не существует.

Но, не принимая гостей, гелиевая семья только укрепляет свою монолитность. В самом деле, ядро гелия - самое прочное ядро в природе, если не считать ядра водорода, которое состоит из одного-единственного протона и в котором никакие ядерные силы не действуют.

Насыщение - это новое, неизвестное дотоле свойство, присущее только ядерным силам. Столь же новым и необычным является также свойство их зарядовой независимости. Этими словами названа "неразборчивость" ядерных сил: они одинаково сильно действуют как между протоном и нейтроном, так и между парой протонов или парой нейтронов. Причину этой "неразборчивости" физики не поняли до конца еще и сегодня.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №9  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:54 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Секреты ядерного деления

001.jpg

Но почему деление ядер вызывается именно нейтронами? Почему массивные ядра предпочитают разваливаться на крупные части, а не "испарять" отдельные частицы, как это происходит при искусственной радиоактивности в ядрах малой и средней массы? Ответим сначала на первый вопрос. Дело в том, что "забор", которым ядро отгородилось от внешнего мира, имеет, как мы уже говорили, две стороны. На настоящий забор он мало похож - обе его стороны резко несимметричны.

С внутренней стороны ядерный "забор" менее крут для протонов, чем для нейтронов. Высота его, обусловленная ядерными силами, для протонов снижается силами их взаимного отталкивания. Наличие такого "забора" и обусловливает то, что частицы в обычных условиях не покидают ядра, что ядро сравнительно устойчиво.

А вот с внешней стороны "забора" положение совсем иное. Для протонов барьер остается. Его наличие отражает тот факт, что протоны ядра объединенными усилиями отталкивают всех незваных своих собратьев. Для нейтронов же никакого барьера снаружи нет - они электрически нейтральны. Для них вместо барьера существует яма, в которую они могут проваливаться: влетев в ядро, нейтроны обычно застревают в нем.

Поэтому протон, чтобы извне проникнуть в ядро, и особенно в ядро тяжелое, многопротонное, должен обладать огромной энергией в сотни миллионов электроновольт. Нейтрону же для этого не требуется никакой энергии. Поэтому в ядро могут попадать нейтроны даже с очень малой, тепловой энергией в сотые доли электроновольта.

Теперь можно ответить и на второй вопрос. Можно было бы подумать, что нейтрон, влетевший в ядро урана-235, перегружает его настолько, что оно разваливается. Однако в капле этого ядра нейтрон - не "последняя капля", переполняющая меру его устойчивости. Это ядро, и без особого ущерба для своей устойчивости, может вместить еще три нейтрона и образовать ядро урана-238.

открыть спойлер
Итак, новоприбывший нейтрон и не перегружает ядро, и не приносит с собой сколько-нибудь заметной энергии, не "толкает" сильно каплю! В чем же тогда разгадка деления ядра урана-235? Положение оказывается более "хитрым", - и снова проглядывают в нем кванты. Дело в том, что ядро урана-235 делит нейтрон не любой и даже не любой тепловой энергии. Энергия нейтрона, способного вызвать деление, заключена в довольно узких пределах. Эти пределы соответствуют расстоянию между уровнями энергии, отвечающими устойчивому и ближайшему к нему возбужденному состояниям ядра урана-235.Поэтому нейтроны, энергия которых соответствует разности энергий упомянутых двух состояний, особенно эффективно приводят урановые ядра в возбуждение.

В ядре урана-235 энергетическое расстояние между возбужденным и устойчивым состояниями очень невелико. Попав в возбужденное состояние, это ядро, казалось бы, должно, подобно тому как это происходит в легких ядрах, испустить гамма-фотон и какую-нибудь частицу и вернуться в то же или другое устойчивое состояние. Однако этого не происходит.

И вот почему. Мы уже говорили, что тяжелые ядра предпочитают выбрасывать не отдельные частицы, а целые их четверки - альфа-частицы. Это объяснялось тем, что потенциальный барьер для испускания альфа-частиц значительно ниже, чем для испускания отдельных ядерных частиц. Оказывается, что барьер для еще более крупных "блоков", какими являются осколки ядра при его делении, для ядра урана-235 совсем невысок.

Оказавшись в возбужденном состоянии, это ядро получает возможность перевалить через низенький барьерчик для деления и оказаться по другую его сторону... но уже в виде отдельных осколков.

Совершенно аналогичное положение существует и в случае молекул. Энергия, необходимая для удаления из молекулы хотя бы одного электрона, довольно внушительна. А вот энергия раскалывания молекулы на отдельные атомы оказывается гораздо меньшей. Именно поэтому, например, в химических реакциях молекулы дробятся не на электроны, а на атомы или целые их группы-радикалы.

Деление ядер урана-238 нейтронами происходит вполне аналогично делению ядер урана-235. Но в этом ядре возбужденное состояние отделено от устойчивого исходного состояния довольно широким энергетическим интервалом в добрый миллион электроновольт. Поэтому для "подъема" таких ядер на возбужденный уровень нужны быстрые, энергичные нейтроны.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №10  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 18:55 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Сколько всего может быть ядер?

Вы уже догадываетесь, что нельзя сказать "сколько угодно". Чем тяжелее ядро, тем менее оно устойчиво. Но даже ядро урана в среднем существует миллиарды лет, прежде чем оно самопроизвольно освободится от "лишней" альфа-частицы и придет в более устойчивое состояние. Несложно подсчитать, что ядра и значительно тяжелее ядра урана смогут жить в среднем довольно долго, прежде чем они выбросят альфа-частицу.

Предел "весовым категориям" ядер кладет, однако, другое явление. Мы только что видели, что по отношению к делению на крупные "блоки" тяжелые ядра отгородились очень невысоким барьером. Но тогда - вы, кажется, уже начинаете догадываться?..- тогда ядро должно иметь заметную вероятность пройти под этим барьером.

Не нужны никакие нейтроны, никакие возбуждения: ядро может делиться самопроизвольно, просачиваясь "туннельным" путем через собственный барьер! Так ли это на самом деле? В том же 1939 году природа согласно кивает головой физикам: да, так есть в действительности. Самопроизвольное деление тяжелых ядер, обнаруженное советскими физиками Флеровым и Петржаком, - не выдумка квантовой механики, а неопровержимый факт! И чем тяжелее ядро, чем более оно перенаселено частицами, тем вероятнее такое деление. Для ядер урана оно встречается еще страшно редко, вероятность его практически близка к нулю. Но уже для ядер калифорния ( 98) средняя продолжительность жизни ядер относительно самопроизвольного деления - не миллиарды лет, а годы; для ядер нобелия ( 102) это время уже должно иметь порядок лишь секунд.

открыть спойлер
Но вот, наконец, у какого-то ядра барьер относительно деления совершенно исчезает. Такое ядро должно быть совершенно неустойчиво по отношению к делению. Оно даже не сможет образоваться: развалится на части в тот же момент. На последней странице сборника "типовых проектов" стоит примерный номер 120. Это означает, что ядра, а тем самым и соответствующие атомы, со 120 и большим количеством протонов в природе не могут существовать ни при каких условиях.

Именно число протонов решающим образом определяет устойчивость ядер относительно их деления. В тяжелых ядрах резко нарастают силы отталкивания между протонами и вместе с тем убывают ядерные силы притяжения между удаленными друг от друга периферийными частицами.

В результате вблизи ядерной поверхности хозяевами положения становятся враждующие протоны, а нейтроны скромно "отходят" в тень. Силы отталкивания "раздирают" эту поверхность, и ядро разваливается на крупные "блоки".

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №11  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 19:24 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Туннели в ядрах

Очень сложные законы управляют устойчивостью ядер. Ими ученые занимаются уже более тридцати лет, а они все еще не поняты до конца. О некоторых из этих законов, однако, уже кое-что известно. Поговорим о них подробнее.

Первым раскрылся секрет альфа-радиоактивности, или, как говорят, альфа-распада ядер: даже еще до того, как был открыт нейтрон. Правда, секрет-то был раскрыт, а о причинах лежащей в его основе устойчивости альфа-частиц еще ничего известно не было.

Итак, надо выяснить два вопроса: почему из ядра вылетают альфа-частицы и почему вылетают именно они, а не протоны и нейтроны порознь.

Начнем с более трудного, второго вопроса. Рассматривая график энергий связи, мы убедились в том, что ядра, состоящие из "четверок" - пар протонов и нейтронов, - например гелий -4, углерод -12, кислород-16,- более устойчивы, чем их соседи по графику. Теперь же для тяжелых радиоактивных ядер их распад происходит именно этими четверками частиц. Как же объяснить такое двусмысленное поведение альфа-частиц? Наши затруднения еще более возрастают, если вспомнить, что ядерные силы в четверке достигают насыщения и пятую частицу к четырем невозможно присоединить. Как же в таком случае вообще существуют ядра тяжелее, чем ядро гелия? Чтобы получить ответы на эти вопросы, надо внимательнее присмотреться к существованию альфа-частиц и к тому, как в них происходит обмен мезонами. Мы знаем, что один из возможных вариантов обмена состоит в том, что нейтрон испускает отрицательно заряженный пи-мезон, превращаясь при этом в протон, а тот, поглотив этот мезон, спустя ничтожный промежуток времени превращается в нейтрон.

Так в четверке в среднем все время живут два протона и два нейтрона.

Но представим себе, что мезон, испущенный нейтроном в какой-либо четверке, захвачен протоном в соседней четверке. Тогда одновременно совершатся два "преступления": в первой четверке окажутся три протона и один нейтрон, а в соседней - наоборот, три нейтрона и один протон.

открыть спойлер
Почему, же это - "преступление"? Обвинителем выступает уже знакомый нам принцип Паули. Протоны и нейтроны своим спином не отличаются от электрона, а потому и подпадают под все запреты для электрона. Но принцип Паули запрещает нахождение более чем одной частицы с данным направлением спина в данном состоянии.

Альфа-частица потому столь прочна, что два протона и два нейтрона в ней занимают каждые по одному уровню энергии - самому низкому из возможных. Два протона сидят на одном уровне, и на таком же уровне сидят два нейтрона. Это возможно потому, что все же в каждый момент времени протон и нейтрон в ядре имеют разный облик, то есть представляют собой все же разные частицы. Если же в четверке три протона, то один из них волей-неволей либо должен нарушить суровый запрет Паули, либо занять состояние с более высокой энергией, иными словами, с меньшей энергией связи.

Ядерные частицы не хотят совершать "преступления". Их не устраивает также и непрочное состояние. Они быстренько отдают обратно мезон - и снова существуют две обычные четверки. Но мгновенный обмен между четверками не проходит даром - он приводит к установлению взаимной связи между ними. Четверки уменьшают свою обособленность друг от друга.

image026.jpg

Чем дальше мы уходим от легких ядер, тем слабее проявляются следы четверок в их устойчивости. Однако у тяжелых ядер след четверок снова резко виден. Частицы на периферии таких ядер, как мы уже говорили, могут взаимодействовать только с ближайшими своими соседями: уж очень велико стало ядро. И, видимо, вблизи поверхности ядер происходит некоторое обособление четверок частиц, как наиболее устойчивых.

Именно поэтому, видимо, из тяжелых ядер выбрасываются не протоны или нейтроны, а только их четверки - альфа-частицы. Но как они вообще могут вылетать из ядер? Ядро - связанная система частиц, или, как мы ее называли иначе, - потенциальная яма, отгородившаяся от свободного существования частиц высоким барьером. Известна и глубина этой ямы (или, иными словами, высота барьера) - она равна энергии связи Но вот отличие ядерного барьера от тех, с которыми мы имели дело раньше, состоит в том, что к нему уже не надо прикладывать никаких усилий, чтобы его "перекосить". Ядерный барьер - это уже не "ступенька лестницы", имеющая одну лишь "переднюю стенку", а "забор". Этот "забор" имеет небольшую ширину, но зато очень высок. Грубо говоря, ширина барьера определяется радиусом действия ядерных сил, а высота - величиной этих сил.

Теперь в действие снова вступает квантовая механика. Вылет альфа-частиц из радиоактивных ядер есть туннельный эффект, заявляет она, ничем по своей природе не отличающийся от туннельного вылета электронов из металла или туннельного проникновения электронов в зону проводимости в полупроводниках и изоляторах. И там и здесь "работают" волновые свойства: там - электронов, здесь - альфа-частиц.

Становится понятным "двуликое" поведение четверок. И никакое оно в сущности не двуликое: все определяется квантовыми вероятностями. Теоретически альфа-частица может вылететь и из кислородного ядра, но вероятность этого вылета совершенно ничтожна. В легких ядрах высота барьера для вылета альфа-частиц очень велика (большая энергия связи), а в тяжелых ядрах барьер невысок (значительно меньшая энергия связи). Вероятность же туннельного эффекта в сильнейшей степени зависит от высоты барьера, быстро уменьшаясь с ее ростом. В этом весь секрет.

С другой стороны, высота барьера для вылета альфа-частиц в тяжелых ядрах значительно ниже таковой для "индивидуального" вылета протонов и нейтронов. Поэтому и вылетают лишь четверки, а не отдельные частицы.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №12  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 19:26 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
У электрона появляется сообщник

Есть в физике законы, на которых, как на фундаменте, держится все здание физики. Эти законы справедливы для всех миров и всех явлений.

Они гласят, что движение не возникает из ничего и не превращается в ничто. Одна форма движения может порождать другую, движение меняет свой облик, может даже перестать быть ощутимым. Но оно все равно никогда не исчезает.

Еще на заре классической физики ученым потребовалась какая-то мера движения. Понадобилось не только говорить о том, каково движение, но и считать, "сколько" его. Тогда в физику были введены две величины - энергия и импульс.

И положение о том, что движение не рождается и не умирает, нашло свое воплощение в неизменности общей энергии и импульса тел, принимающих участие во взаимном воздействии. Откат орудия при выстреле, нагревание работающего мотора, вбивание свай тяжелым копром и бесчисленное множество других самых различных явлений - все они беспрекословно подчиняются двум великим законам сохранения энергии и импульса. Для вращательного движения не менее универсальным оказался закон сохранения момента импульса. Именно этот закон используют, например, конькобежцы-фигуристы. Резко уменьшив размах рук, они начинают вращаться на льду с поистине "головокружительной" скоростью.

Легко представить себе потрясение физиков, когда выяснилось, что бета-частицы могут обладать любой энергией (точнее, от нуля до некоторой максимальной величины). Ядро-и это уже было в то время совершенно ясным- является квантовой системой, имеет определенные уровни энергии.

Иными словами, любой процесс в ядре, в частности приводящий к вылету бета-частиц, может идти только так, что ядро переходит с одного на другой уровень с определенной энергией. А значит, разность этих двух энергий и тем самым энергия, уносимая бета-частицей, не может быть какой угодно.

открыть спойлер
Между тем спектр энергий электронов в бета-распаде не обнаруживал даже в малейшей степени намека на "линии", отвечающие определенным энергиям! Значит, либо ядро, несмотря на свидетельства всех других процессов, не подчиняется в конечном счете квантовым законам, либо же для бета-распада ядер не выполняется закон сохранения энергии! И не только этот закон. Электрон, кроме энергии, уносит из ядра еще свой спин, неразрывно связанный с самой сущностью электрона. Однако оказывается, что спин ядра после испускания бета-частицы остается тем же самым, что и до испускания. Может быть, электрон все-таки оставляет свой спин в ядре? Нет, это совершенно невозможно, все равно что электрон без заряда, рояль без клавиш, ученый без головы! Впрочем, нет. Некоторые ученые, встретившись с этим очередным коварством природы, действительно потеряли голову. Незыблемо уверившись в квантовых законах жизни ядер, они предложили принести в жертву закон сохранения энергии, пренебрежительно назвав его "классическим".

Но эту нелепую мысль быстро пришлось оставить. Где же тогда выход из этого критического положения? Его предложил уже известный нам Вольфганг Паули. Он заявил: у "преступника"-электрона есть сообщник. Каковы его приметы? Их нетрудно установить.

Ядро при бета-распаде приобретает дополнительный положительный заряд, в точности равный по величине заряду испущенного электрона. Ядро при этом как бы ионизируется. Значит, сообщник электрона не имеет заряда, должен быть электрически нейтрален.

Далее, сообщник должен иметь спин, равный спину электрона, но направленный в противоположную сторону. Оба спина как бы "гасят" друг друга, давая в сумме нуль. Тогда спин ядра при испускании электрона и его сообщника останется неизменным, как и должно быть.

И, наконец, электрон и его сообщник на пару уносят с собой энергию, как раз равную максимальной энергии, которую могут иметь электроны при бета-распаде ядра.

Эта максимальная энергия квантована, то есть как раз равна разности двух уровней энергии, на которых находится ядро до и после бета-распада. Но распределиться между электроном и его сообщником эта энергия может как угодно! На дележ их "добычи" квантовая механика не накладывает никаких ограничений.

Тогда и квантованность энергии в ядрах соблюдена, и закон сохранения энергии не нарушается. Замечательно остроумный выход из тупика нашел Паули! Но... электрон-"преступник" обнаруживается легко, а его сообщника никто не видел. Как же это так? - вопрошают скептики. И физики по косвенным уликам подсчитывают последнюю важную примету сообщника электрона - его массу. Точный расчет оказывается неосуществимым. Но можно с уверенностью сказать, что она должна быть по крайней мере в тысячу раз меньше, чем масса электрона.

Феноменальный сообщник нашелся у электрона! Заряда у него нет, массы - почти тоже нет, а есть лишь энергия да спин. Отсутствием заряда он похож на нейтрон, открытый незадолго до того. Только в миллионы раз легче. Так и назвали его ласкательно: маленький нейтрончик - нейтрино. Никакого иного сходства между ними нет. Нейтроны активно взаимодействуют с протонами, сталкиваются с ними, образуют прочные семьи - атомные ядра. А нейтрино? Да это же дух бесплотный! И в самом деле, расчет показывает, что нейтрино может пролететь всю гигантскую область Вселенной, видимую в наши телескопы, и даже не дать о себе знать. Он словно никогда и ни с чем не взаимодействует.

Забегая немного вперед, скажем, что в конце концов существование нейтрино по косвенным, но все же неопровержимым уликам удалось подтвердить несколько лет назад. С теорией бета-распада дело, в сущности, в течение ряда лет обстояло так же, как и с теорией ядерных сил. Последняя более десяти лет "висела в воздухе", пока не были найдены вещественные доказательства ее правильности - пи-мезоны. Теория бета-распада, предложенная Паули совместно с итальянским физиком Ферми, "висела" еще дольше - добрую четверть века! А пока вернемся немного назад. Надо все-таки понять, откуда берутся электроны, не существующие в ядре и тем не менее вылетающие из него при бета-распаде.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №13  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 19:27 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Второй шаг

Природа в постройке атомных ядер оказывается столь же экономной, как в строительстве электронных оболочек атома. Но в данном случае в ее распоряжении уже два сорта кирпичей - протоны и нейтроны.

Каждый раз, добавляя в ядро новый протон, природа внимательно следит за тем, чтобы ядро не разлетелось под напором сил взаимного отталкивания протонов. В легких ядрах (приблизительно до кальция, 20) числа протонов и нейтронов в ядрах примерно одинаковы. Затем рост числа нейтронов опережает рост числа протонов, и чем дальше, тем все больше. В ядре урана с массовым числом 238 на 92 протона приходится уже 146 нейтронов.

Убедившись в том, что ядерное здание будет стоять, природа разнообразит немного его архитектуру: там добавит, там отнимет по одному или по нескольку нейтронов. Так получается, что многие ядра имеют по нескольку изотопов. Встречаются даже такие разнообразно "оформленные" ядра, как ядро олова, - у него целый десяток устойчивых изотопов.

Легко видеть, что гипотеза Гейзенберга и Иваненко позволяет прекрасно удовлетворить данным о массах и зарядах ядер. Так, согласно ей, ядро водорода состоит из одного-единственного протона, ядро гелия с массовым числом 4 (гелия-4) - из 2 протонов и 2 нейтронов, ядро лития-7- из 3 протонов и 4 нейтронов, бора-11- из 5 протонов и 6 нейтронов, азота-14- из 7 протонов и 7 нейтронов, кислорода-16-из 8 протонов и 8 нейтронов, и так далее.

Только теперь в этом "и так далее" уже нет никакого подвоха! Что известно о нейтроне? Эта частица имеет массу, почти в точности равную массе протона, и не имеет никакого электрического заряда. Нейтрон оправдывает свое название: он электрически нейтрален.

открыть спойлер
На каком же основании он занимает в ядре место, в котором было отказано электрону? Тот хоть мог бы выполнять важную функцию: связывал бы враждующие протоны в ядре, удерживал бы их от разлетания. А как это может сделать незаряженный нейтрон? Правда, выясняется, что одними электрическими силами притяжения прочность ядер объяснить не удается. Ядра - воистину крепкие орешки. Ни одна попытка разрушить ядра химическим путем, огромными давлениями и температурами, колоссальными электрическими полями - словом, всем тем арсеналом оружия, который безотказно действует на электронные оболочки атома, - ни одна такая попытка никогда и никому не удалась.

Значит, заключают физики, нейтрон в ядре находится неспроста. Именно он должен выполнять роль цемента, сплачивающего протоны в единое целое.

Но какими силами? Ясно, что только не электрическими. Нейтрон не заряжен.

Напряженно работает мысль теоретиков. И спустя три года после открытия нейтрона блеснуло решение загадки. Японский физик Юкава высказывает идею, что между протонами и нейтронами действуют очень большие, специфически ядерные, обменные силы притяжения.

Обменные силы? Это нам уже знакомо. Именно они соединяют два атома водорода, азота, кислорода и многих других элементов в довольно прочные молекулы. В этих молекулах атомы все время обмениваются своими электронами, что притягивает атомы друг к другу.

Но о каком обмене можно говорить в случае ядра? Протон и нейтрон - разные частицы. Электронов в ядре нет. Чем же обмениваются протон и нейтрон? Мысль, споткнувшаяся об это затруднение, имеет два пути: либо отступить, признав исходное положение об обмене неверным, либо сделать исключительный по смелости прыжок: признать, несмотря на внешнее несходство протона и нейтрона, что эти частицы не такие уж разные, что они имеют общую природу. А раз так, то они могут превращаться друг в друга: протон в нейтрон, а нейтрон в протон! Действительно, эта мысль очень смелая. В 1935 году, когда Юкава высказывает свою гипотезу, явление взаимопревращения простейших составных частиц вещества еще нигде не обнаружено. Правда, за три года до описываемого времени установлено превращение электрона и позитрона в фотоны гамма-лучей. Но это явление имеет совершенно другую природу.

Мысль идет дальше. Если две частицы превращаются одна в другую, они должны при этом чем-то обмениваться. Приобретя это "что-то", протон превратится в нейтрон; потеряв это "что-то", нейтрон примет облик протона. Понятно, что наряду с этим может существовать и обратный обмен, когда нейтрон приобретает, а протон - теряет "что-то".

Исходя из факта великой прочности ядер, а также из того наблюдения, что силы обмена между протоном и нейтроном должны действовать лишь на крайне малых расстояниях между ними, - недаром ядра такие крошечные! - Юкава набрасывает портрет таинственного "что-то". Это вещественная частица. Она может иметь либо положительный, либо отрицательный заряд, равный по величине заряду протона (или электрона), и массу примерно в 200-300 раз больше массы электрона.

Протон и нейтрон примерно в 1800 раз массивнее электрона. Таинственная частица по своей массе находится где-то посредине между ними. Поэтому она получает название мезона (от слова "мезос", что по-гречески означает "средний").

Тогда картина ядерного обмена рисуется следующим образом. Протон, испуская положительный мезон, должен терять с ним свой электрический заряд и превращаться в нейтрон. А нейтрон, воспринявший этот мезон, сам превращается в протон. И, напротив, нейтрон может испустить отрицательный мезон и стать протоном другим путем. А этот мезон, будучи захвачен протоном, превратит его другим путем в нейтрон.

Поиски таинственного мезона Но где же они, эти мезоны? Снова были внимательно изучены опыты с радиоактивными ядрами. Ответ был категорически отрицателен: даже если мезоны и существуют в ядрах, они оттуда не вылетают. Словно мезоны предпочитают скромно выполнять свою важную работу и не показываться на глаза людям.

Тогда физики обратились к другому поставщику сведений о ядерных частицах - к космическим лучам. Не пришлось ждать и года, как в них был обнаружен мезон! В согласии с расчетами Юкава он имел массу в 207 раз больше массы электрона.

Теоретики могли праздновать победу. Еще бы: поразительная по смелости мысль о близости протона и нейтрона и открытие мезона буквально на кончике пера! Один из самых замечательных успехов за всю историю физики! Но радость оказалась преждевременной. Мезон отказывался вступать в тесный контакт с атомными ядрами, проявляя величайшее равнодушие к нейтронам, и лишь слегка раскланивался с протонами - в рамках обычного электрического взаимодействия. И это - частица, которой обмениваются протон и нейтрон и которая поэтому должна самым "невежливым", самым энергичным образом взаимодействовать с ними? - удивленно спрашивали друг друга физики. И единодушно решили: нет, этот "подкидыш" природы - не та частица, надо продолжать поиски.

На сей раз природа шла навстречу физикам гораздо менее охотно. Давно уже были сделаны многие выдающиеся открытия в строении атомных ядер, разгадан секрет освобождения внутриядерной энергии, построены атомные реакторы и бомбы, а долгожданная частица все не появлялась. Только в 1948 году известному исследователю космических лучей Пауэллу удалось ее "схватить за хвост".

Этой частицей опять-таки оказался мезон, но другой, уже не в 207, а в 273 раза массивнее электрона. Теперь ошибки быть не могло. Новый мезон (названный пи-мезоном в отличие от "равнодушного" мю-мезона) взаимодействовал с ядерными частицами очень энергично. В тех случаях, когда он имел солидную энергию полета, он мог даже разбивать ядра на своем пути! Итак, предположение квантовой механики, что причиной ядерных сил должен служить мезонный обмен между протонами и нейтронами, блестяще оправдалось. Впрочем, физики были настолько уверены в правильности этого предположения, что продолжали идти вперед в дебри ядерного "леса", не имея в руках вещественных доказательств существования "нужного" мезона.

Так следователь, непоколебимо уверенный в истинности своих догадок, идет к раскрытию преступления "налегке", и наградой ему служат те самые вещественные доказательства, которые появляются, словно чудом, в последний день следствия. Такой же, хоть и запоздалой, наградой физикам-теоретикам за их смелость мысли и явилось обнаружение пи-мезона.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №14  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 19:29 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Ядро-и оболочки, и капля!

Мы познакомились с двумя моделями атомного ядра. По одной из них ядро имеет оболочечное строение, несколько напоминающее атом. Согласно другой ядро скорее похоже на каплю жидкости. Какая же из этих моделей более правильна?- Самый разумный ответ такой: правильны обе модели, но каждая -в своем круге явлений. Оболочечная модель лучше описывает "штиль", когда ядро спокойно и не возбуждено какими-либо внешними причинами. Капельная модель лучше изображает ядро в "бурю", когда в нем все кипит, частицы интенсивно сталкиваются друг с другом, испаряются из него, а случается - дело доходит и до развала самих ядер.

Почему бы не объединить эти две модели в одну, равно хорошо описывающую и те, и другие области явлений? Однако мы уже убедились на примере теории квантов Планка, что подобное соединение, сшивание теорий - отнюдь не простая портновская операция.

Объединенная модель ядра, названная обобщенной моделью, была предложена десятилетие назад сыном Нильса Бора, известным датским физиком Ore Бором. Этой теории, конечно, достались в наследство некоторые черты теорий ее "родителей", но все же она весьма существенно от них отличается.

В основе обобщенной теории ядра лежит утверждение, что ядро ведет себя "по-оболочечному", когда числа протонов и нейтронов в нем равны магическим числам или близки к ним. В противном случае ядро ведет себя "по-капельному", причем это поведение выражено весьма отчетливо, когда число частиц вне заполненных, замкнутых оболочек достигает примерно 2/з от числа частиц в следующей заполненной оболочке.

Таким образом, получается, что частицы вне ядерных заполненных обо-1 лочек ответственны за все происшествия с ядром, начиная с вылета отдель-1 ных частиц и кончая развалом самого ядра. Частицы же в составе заполненных оболочек ведут себя более скромно и прямого участия в этой деятельности ядра не принимают.

открыть спойлер
Опять напрашивается сравнение с электронными оболочками атомов. Помните, что электроны в замкнутых оболочках инертных атомов были полны "аристократического безразличия". А в то же время электроны в незаполненных оболочках активно устанавливали связи с соседними атомами, образуя молекулы, кристаллы, участвуя в химических реакциях.

Но вместе с тем в обобщенной модели считается, что непосредственное взаимодействие ядерных частиц друг с другом не слишком велико, что оболочечная "сторона медали"-не самая существенная. Наряду с "парными" взаимодействиями частиц в ядре, видимо, существуют и "коллективные" взаимодействия частиц, свойственные скорее капельной "стороне медали". Эти последние проявляются в деформациях ядерной поверхности, в результате которых ядро не имеет шарообразного распределения заряда протонов, и в ряде других особенностей ядер.

Предсказанные на основе обобщенной модели электрические, магнитные и другие свойства атомных ядер часто хорошо согласуются с тем, что дает опыт.

На этом, пожалуй, можно закончить рассказ о моделях, с помощью которых физики пытаются описывать свойства атомных ядер. Теми, о которых мы говорили, не исчерпывается число моделей, имеющих хождение среди ученых.

Хорошо или плохо, что существует столько различных моделей ядер? Скорее всего плохо. Ядро, несмотря на свою,кажущуюся "многогранность", имеет ведь в действительности одно, а не множество лиц. Обилие моделей, каждая из которых по-своему хороша и по-своему неудовлетворительна, говорит о том, что хотя ядро имеет и одно лицо, но оно очень необычно и трудно для восприятия.

Так из десятка фотографий, снятых при разном освещении, под разными ракурсами, запечатлевших небольшие кусочки картины, трудно составить представление обо всей картине в целом.

В случае атомных ядер основная трудность состоит, конечно, в том, что пока еще неизвестен досконально характер ядерных сил.

Эти силы не зависят от того, заряжены частицы или нет, действуют лишь на очень малых расстояниях между ними, притом они весьма значительны. Можно еще добавить, что они, как и всякие обменные силы, зависят от взаимных направлений спинов взаимодействующих частиц.

Точное знание ядерных сил станет возможным, лишь когда физики смогут проникнуть взором внутрь самих ядерных частиц, смогут понять их структуру. Сейчас физика лишь на подходе к этой огромной теме будущих исследований, - не только не менее, но и куда более обширной, чем изучение самих атомных ядер.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Сообщение №15  СообщениеДобавлено: 31 мар 2014, 19:30 
Аватара пользователя
Не в сети

Зарегистрирован: 09 ноя 2012, 14:24
Сообщения: 1091
Имя: Михаил
Пол: мужской
Город: родной
Ядро-капля?

Оболочки в ядре, магические ядра... Любителям красоты научных теорий эта модель ядра была способна доставить истинное наслаждение. Однако во всякую бочку меда природа охотно подбавляет ложку дегтя. Относя это к нашему рассказу, можно сказать, что оболочечная модель ядра - это скорее ложка меда в бочке чернейшего и непроницаемого для взоров дегтя, каким является ядро.Огромное число опытных фактов отказывалось укладываться в рамки оболочечной модели. Этому не надо удивляться.

Во-первых, ядерные оболочки, если они и есть, совершенно непохожи на электронные. Само понятие оболочки в ядре имеет, как мы видели, сугубо условный смысл. В ядре нет того центра, который "облекался" бы ядерными частицами. Кроме того, замкнутые группы в ядре состоят из совсем иных чисел частиц, чем в атоме. Наконец, в ядрах оболочки должны быть двух родов - протонные и нейтронные.

Так и получается, что слово "оболочка", перенесенное из мира атома в мир ядра, отражает не более, чем известную замкнутость, устойчивость, "насыщенность" определенных групп ядерных частиц. И притом далеко не всегда и не везде.

Об оболочках можно более или менее обоснованно говорить, в сущности, только для легких ядер, построенных из немногих ядерных частиц. По мере укрупнения ядер в них все более теряется "индивидуальность" отдельных энергетических состояний, ядра становятся по своей структуре все более "бесформенными". Ядерных частиц оказывается так много, облака их перекрываются столь сильно, что движение частиц теряет определенность, как бы перестает подчиняться квантовым законам.

В результате ядро теряет всякие черты сходства с атомом. Оболочечную модель ядра приходится оставить. Какую же новую модель придумать ядру? И незадолго до второй мировой войны, по причинам, о которых будет сказано ниже, ученые предлагают модель: ядро - это капля ядерной "жидкости". Ядро - словно некая внешне однородная масса, без всяких упорядоченных образований в нем вроде альфа-частиц или оболочек. Отдельные ядерные частицы - молекулы ядерной жидкости - находятся в этой капле в непрерывном хаотическом движении.

открыть спойлер
Ядерная жидкость в результате приобретает некоторую текучесть. Ядро, подобно капле, имеет границы, но эти границы подвижны, текучи, могут деформироваться под действием различных внешних и внутренних причин. Однако поверхность ядра не разрывается: этому препятствует как бы поверхностное натяжение ядерной жидкости на границе капли. И объясняется это поверхностное натяжение трчь-в-точь, как поверхностное натяжение обычных жидкостей: ядерные частицы связаны силами притяжения, которым вне капли не противодействуют никакие другие силы. Ядерные силы и стягивают ядерную жидкость в каплю.

Но дальше этой чисто внешней аналогии дело не идет. Сопоставим хотя бы плотности обеих жидкостей. Простой подсчет показывает, что частицы в ядрах упакованы во многие миллиарды раз плотнее, чем молекулы в жидкости. Ядерная капля размерами в ту, что свисает с водопроводного крана, весила бы добрый десяток миллионов тонн!

Невообразимая цифра! Между тем хорошо известно, как сильно свойства тел зависят от их плотности. Измените ее в тысячу раз - и газ превратится в кристалл, живущий по совершенно иным законам. Понятно теперь,что ни о каком внутреннем сходстве между обычной и ядерной жидкостями говорить нельзя: слишком сильно различаются их плотности - уже не в тысячи, а в миллиарды раз, слишком значительно отличаются силы между ядерными частицами от сил между молекулами.

А вот внешнее сходство... Посадим каплю ртути на стекло и слегка постучим по нему. Капля задрожит, ее поверхность покроется рябью волн. Стукнем по стеклу чуть сильнее. Ртутный шарик распадется на несколько более мелких капель.

Вам это не напоминает об одном из крупнейших физических открытий недавнего времени? В 1939 году весь научный мир облетает сенсационное сообщение. Смысл его, и притом грозный смысл в те годы, понятен пока что лишь физикам. Открыто деление ядер урана! Теоретики разных стран спешат объяснить новое поразительное явление в мире атомных ядер. Первыми независимо друг от друга добиваются успеха Нильс Бор и советский ученый Я. И. Френкель. Им удается объяснить деление ядер урана, предложив для этого капельную модель ядра.

_________________
Уважаемые читатели! Для того чтобы отображались все картинки необходима регистрация.


Вернуться к началу
 Профиль  
 
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 18 ]  На страницу 1, 2  След.

Текущее время: 12 дек 2017, 18:10

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и гости: 1

Вы не можете начинать темыВы не можете отвечать на сообщенияВы не можете редактировать свои сообщенияВы не можете удалять свои сообщенияВы не можете добавлять вложения
Перейти: