<<

стр. 5
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>

ников Иосифа Бродского. Здесь им изложена концепция сло- Если выпало в империи родиться,
ва и человека: в итоге, когда вычтены все социальные, психо- Лучше жить в глухой провинции, у моря
логические, политические причины: «...от человека нам оста-
— это строки стали крылатыми. Совсем другое дело, что
ется часть. Часть речи вообще. Часть речи».
провинцией, в итоге, оказывается одна нз нью-йоркских аве-
И это — не приговор человечеству, запутавшемуся в па-
ню, морем — Гудзонов залив, а встревоженные чайки кричат
утине слов, которые больше ничего не значат. Это — путь к
только по-английски...
спасению, способ заново ощутить себя частью нового мира,
Иосиф Александрович Бродский умер в 1996 г. Его твор-
где каждая пещь, каждый предмет пока лишь ждут того, кто их
ческое наследие огромно; его роль в русской поэзии неизме-
поименует.
римо велика. Он породил бесчисленное множество востор-
В стихах Бродского мало эпитетов, но зато в них чув-
женных почитателей и непримиримых противников. Время
ствуется тяжкая поступь полновесных глаголов и властный
сгладит все неровности, и в сокровищницу русской литера-
голос существительных — имен. Основываясь на образцах
турной классики ляжет томик «И. Бродский. Избранное».
старинной анголоязычной поэзии, Бродский во многом ре-
изика
70 Физика




РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
План
1. Идеальные газы.
2. Молекулы реальных газов.
3. Силы межмолекулярного взаимодействия.
3.1. Силы притяжения и отталкивания.
3.2. Силы Ван-дер-Ваальса.
4. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
4.1. Поправка на собственный объем молекулы.
4.2. Поправка на притяжение молекул.



ких к нормальным условиях близки по свойствам к идеаль-
1. ИДЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
ным газам. Кроме того, практически для- любого реального
Понятие об идеальных и реальных газах возникло в рам- газа можно подобрать такие условия, при котэрых он будет
ках молекулярной физики и базируется на молекулярно-ки- вести себя как идеальный. Обычно это достигается за счет
нетической теории строения вещества. Ее основным утверж- низких давлений и высоких температур. Желание привести
дением является то, что все тела в природе состоят из мель- любой реальный газ к идеальному основано на том, что для
чайших частиц — атомов и молекул, которые находятся в по- идеальных газов установлен целый ряд законов, описываю-
стоянном хаотическом движении. Характер движения частиц щих их поведение (законы Бойля—Мариотта. Гей-Люссака,
в газах, жидкостях и твердых телах различен. Авогадро, Дальтона).
В твердых кристаллических телах силы взаимодействия Тем не менее, существуют процессы, условия протекания
между частицами очень велики, поэтому молекулы не могут которых не позволяют привести реальный га,- к идеальному.
удалиться друг от друга на очень большие расстояния. В ре- Это имеет место в промышленных производства к, научных ис-
зультате совместного влияния сил притяжения и отталкивания следованиях и т. д. Поэтому для описания состояния реальных
частицы твердого тела совершают колебания около некоторых газов был установлен ряд закономерностей, ПОЗЕОЛЯЮЩИХ изу-
средних положений — узлов кристаллической решетки. чать их поведение, не изменяя условий проведения пронесся.
В жидкостях каждая частица некоторое время колеблет-
ся около определенного положения равновесия, которое вре-
мя от времени само смещается на расстояние, соизмеримое с 2. МОЛЕКУЛЫ РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ
размером молекулы. В результате молекулы внутри жидко-
сти колеблются и медленно перемещаются. Если для идеального газа принято, что частицы не влаи
В отличие от жидкостей, в которых преобладает притя- модействуют друг с другом на расстоянии, то [ реальных га-
жение частиц, в газах доминирует отталкивание. Оно сильно зах существуют силы межмолекулярного притяжения и от-
зависит от температуры, так как она определяет скорость дви- талкивания. Силы взаимного отталкивания молекул прояв-
жения частиц и их кинетическую энергию. ляются при столкновении молекул газа друг ; другом и со
. стенками сосуда.
Молекулярно-кинетическая теория пользуется идеали-
зированной моделью газообразного вещества — так называе- При столкновениях молекулы ведут себя подобно абсо-
мым идеальным газом. Основные утверждения, на которые лютно упругим шарикам, диаметр которых зависит только от
опирается .эта модель, таковы: химической природы газа и носит название эффективного ди-
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал аметра молекулы (d). Независимо от того, какой именно газ
по сравнению с объемом сосуда; рассматривается, порядок величины d остается постоянным
10
(Ю- м).
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодей-
ствия; Между шариками-молекулами действуют силы взаимно
3) столкновения молекул газа между собой и со стенка- го притяжения. Они быстро убывают с увеличением расстоя-
9
ми сосуда абсолютно упругие. ния г между молекулами газа и при г > 10 " м становятся прак
г
Модель идеального газа часто используется при изуче- тически равны нулю. Таким образом, реальный аз приближа-
нии реальных газов. Дело в том, что некоторые газы в близ- ется по свойствам к идеальному с увеличением среднего риг
Реальные газы 71

между молекулами действуют также силы взаимного оттал-
стояния между молекулами, то есть с уменьшением плотности
кивания. Доказано, что силы эти действуют одновременно,
газа.
ведь если бы было наоборот, то тела окружающего нас мира
Многие газы (азот, водород, гелий, кислород, воздух и
не были бы устойчивыми.
др.) можно считать идеальными уже при плотностях, соответ-
Существует четкая зависимость сил взаимного притяже-
ствующих атмосферному давлению и нормальной температу-
ния и отталкивания от расстояния между молекулами. Каче-
ре. Так, концентрация молекул газа при этих условиях состав-
ственная зависимость сил межмолекулярного взаимодействия
25 3
ляет приблизительно 1С) м" . а среднее расстояние между мо-
от расстояния г между молекулами имеет следующий вид:
-10 то есть настолько велико, что си-

лами взаимного притяжения молекул можно пренебречь. Соб-
ственным объемом молекул также пренебрегают, поскольку
суммарный собственный объем всех молекул, содержащихся
и 1 м1 газа, составляет

10-f —-•
г. м
где п„ — концентрация молекул газа.
Если рассмотреть суммарную площадь поверхности мо-
лекул, содержащихся в 1 м3 газа, то она окажется равной
neit(P˜(\Qs • 106)мг.
Эта величина во много раз превышает площадь поверх-
ности стенок сосуда. Это говорит о том, что столкновения
молекул между собой происходят гораздо чаще, чем со стен- На очень больших расстояниях преобладают силы от-
ками. Поэтому пренебречь взаимными столкновениями час- талкивания Fo, на более далеких — силы взаимного притяже-
тиц так же, как пренебрегают собственным объемом молекул ния Fn. F — результирующая сила, которая определяется как
1л:зд, нельзя. сумма сил притяжения И отталкивания, причем силы отталки-
вания считаются положительными, а взаимного притяжения
— отрицательными:
3. СИЛЫ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Из рисунка наглядно видно, что :
1) при г - г0 результирующая сила F^ равна нулю, т. е.
Законам идеальных газов подчиняются только разрежен-
силы притяжения и отталкивания уравновешиваются. Рассто-
ные реальные газы. Во всех остальных случаях свойства иде-
яние г0 соответствует такому расстоянию между молекулами,
альных и реальных газов существенно различаются. Напри-
на котором бы они находились при отсутствии теплового дви-
PV
жения;
мор, коэффициент сжимаемости -==• из уравнения Менделе-
2) при г < г0 преобладают силы отталкивания;
ева—Клапейрона для идеальных газов всегда равен единице,
3) при г > г0 преобладают силы притяжения;
однако он зависит от давления и температуры для реальных
4) на расстоянии г > 10˜э м межмолекулярные силы вза-
газов. Поэтому при достаточно высоких давлениях все реаль-
имодействия практически отсутствуют (F -> 0).
ные газы менее сжимаемы, чем идеальные (даже независимо
от температуры).
3.2. Силы Ван-дер-Ваальса
Исследование таких характеристик, как удельная тепло-
емкость, вязкость и т. д., также показали отличия в свойствах
Силы Ван-дер-Ваальса — слабые силы, которые действу-
идеальных и реальных газов. Основная причина этих отличий
ют между молекулами реального газа на расстоянии порядка
состоит в том, что поведение молекул реальных газов отлича-
10"9 м. Они были названы по имени ученого И. Ван-дер-Вааль-
ется от того, которое приписывается идеальным газам. Во всех
са, который впервые получил уравнение состояния реального
телах, независимо от их агрегатного состояния, молекулы
газа.
взаимодействуют между собой, причем силы взаимодействия
Межмолекулярные силы имеют электрическую природу,
в значительной степени зависят от расстояния между моле-
т. е. любое взаимодействие молекул в первую очередь обус-
кулами. Эти силы имеют электромагнитную и особую кван-
ловлено взаимодействием противоположно заряженных час-
товую природу. В силу того что проявляются они на рассто-
тиц (кулоновское взаимодействие). Кулоновские силы игра-
янии <10˜9 м и быстро убывают с увеличением расстояния, их
ют основную роль при взаимодействии ионов, однако они не
называют короткодействующими.
могут возникнуть между нейтральными молекулами. Если же
мы рассмотрим такие явления, как сжижение газов, флуктуа-
3.1. Силы притяжения и отталкивания ция плотности (т. е. неравномерное распределение молекул в
объеме) и др., то становится очевидным, что между нейтраль-
Между молекулами вещества в любом агрегатном со-
ными молекулами газа происходит взаимодействие. Природа
стоянии действуют силы взаимного притяжения. Малая сжи-
этих взаимодействий физическая, а не химическая, т. к. в ре-
маемость сильно уплотненных газов, способность жидких и
зультате не образуются новые химические соединения. Зна-
гвгрдых тол сопротивляться сжатию указывают на то, что
72


ся друг к другу (рис. 2). Одновременно с зтпм происходит
чит, даже между незаряженными частицами может возникнуть
деформация каждой из молекул под действием близко распо-
электростатическое взаимодействие. Всего существует три
ложенного полюса соседней молекулы. Это приводит к уве-
механизма, объясняющих возможность этого — три типа ван-
личению длин диполей (рис. 3) и усилению межмолекуляр-
дер-ваальсовых сил.
Вступающие во взаимодействие молекулы могут быть ных взаимодействий.
полярными и неиолярными. В полярной молекуле центры тя-

ео оо>
жести положительных и отрицательных зарядов смещены один
относительно другого:
1 2 3
Рис. 2. Схема взаимодействия полярной и неполярной
молекул
Такие молекулы называются диполями. Именно наличие
центров локализации положительного и отрицательного заря-
Если есть две близко расположенные молекулы, одна из
дов дают полярной молекуле возможность вступать в элек-
которых полярна, а другая — неполярна, то под действием элек-
тростатическое взаимодействие либо с заряженной частицей,
трического поля, создаваемого полярной молекулой, в непо-
либо с другим диполем:
лярной образуется диполь (рис. 2).
Дальнейшее взаимодействие поисходит аналогично ори-
ентационному. Принимая во внимание то, что х.иполь в негго-
лярной молекуле индуцируется электрическим полем поляр-
Неполярная молекула не имеет центров локализации за-
ной, силы называются индукционными.
рядов, однако они могут возникнуть под действием внешнего
Принципиально иначе происходит взаимодействие двух
электрического поля. Если неполярная молекула достаточно
неполярных молекул. Силы, обуславливающие это взаимо-
приблизится к источнику электрического поля, то оно начнет
действие, получили название аисперсионых и их природу ус-
действовать на входящие в состав молекулы атомные ядра и
тановить удалось лишь в 1930 г.
электроны: вес одноименно с нолем заряженные частицы бу-
Пускай есть два атома инертного газа, близко располо-
дут им отталкиваться, все противоположно заряженные — при-
женных друг к другу (рис. 3.1).
тягиваться. В результате электрические центры тяжести по-
ложительных и отрицательных зарядов окажутся смещенны-
ми друг относительно друга и в молекуле возникнет диполь.
Возникновение диполя в неполярНой молекуле связано с ее
деформацией, т. е. отклонением от нормальной внутренней
структуры молекулы. Наиболее устойчивой для молекулы
структурой является та, которая наблюдается при отсут-
ствии внешних воздействий, поэтому вызванный действие?-!
внешнего электрического поля (индуцированный) диполь

СО
не будет устойчивы?.!. Он сохраняется лишь до тех пор, пока
действует поле. Величина такого индуцированного диполя
будет тем больше, чем сильнее поле и чем легче деформиру-
1 2 3
ется молекула.
Рис. 3. Схема модели дисперсионного взаимодействия
Три типа сил Ван-дер-Ваальса опираются на возможные
Благодаря тому что электроны атомов находятся в по-
комбинации нейтральных частиц:
стоянном вращении, а ядра непрерывно колеблются, в каждом
— диполь — диполь;
из атомов всегда может возникнуть временное смещение не-
•- диполь — неполярная молекула;
которых электронных орбит относительно ядра, а вслед за
— неполярная молекула — неполярная молекула.
этим — возникновение временного диполя. Каждый из таких
Рассмотрим их подробнее.
диполей будет влиять своими зарядами на ориентацию подоб-
Пусть имеются две достаточно близко (г < 10˜э м) распо-
ного же временного диполя, возникающего в соседнем атоме
ложенные друг к другу полярные молекулы. Т. к. одноимен-
(рис. 3. 2). Это влияние будет не случайным. Предпочтитель-
но заряженные полюса диполе:5 взаимно отталкиваются, а раз-
нее та ориентация диполей, при которой соседствуют разно-
ноименно заряженные притягиваются, то обе молекулы стре-
именные полюса (рис. 3. 3). Диполи, возникающие таким об-
мятся ориентироваться таким образом, чтобы рядом оказыва-
разом, могут существовать лишь самое коротко: время, одна-
лись разноименные полюса (рис. 1).
ко предпочтительная ориентация частиц будет сохраняться

ОО ОЭ
при каждом следующем появлении диполей.


1 2 3 4. УРАВНЕНИЕ ВАН-ДЕР-ВААЛЬСА
Рис. 1. Схема взаимодействия полярных молекул
Чтобы описать состояние реальных газет, необходимо
При таком расположении молекул между ними действу- учитывать размеры молекул и их взаимодействие друг с дру-
ют силы притяжения, возникшие за счет взаимодействия по- гом, поэтому модель идеального газа и уравнете Клапейро-
стоянных диполей. Эти силы называются ориентационными. на—Менделеева, описывающие идеальный газ, для реальных
Они заставляют молекулы сближаться и прочно притягивать- газов непригодны.
Электрический ток в газах 73

Учитывая собственный объем молекул и силы межмоле- 4.2. Поправка на притяжение молекул
кулярного взаимодействия, Ван-дер-Ваальс вывел уравнение
Действие сил притяжения газа приводит к появлению
состояния реального газа, введя поправки в уравнение Клан-
дополнительного давления на газ, которое называют внутрен-
ш-рона—Менделеева.
ним давлением. По вычислениям Ван-дер-Ваальса, внутрен-
нее давление обратно пропорционально квадрату молярног.»
4.1. Поправка на собственный объем молекул объема:
Каждая молекула реального таза имеет объем ,а
р

К'
где а — постоянная Ван-дер-Ваальса, характеризующая
силы межмолекулярного притяжения.
Поэтому молекулы реального газа движутся в сосуде
Учтя все эти поправки, мы получаем уравнение Ван-дер-
менее свободно, чем молекулы идеального газа, собственный
Ваальса для 1 моль реального газа:
объем которых принят нулевым. Ван-дер-Ваальс учел соб-
ственный объем молекул газа путем замены в уравнении Кла-
пейрона—Менделеева полного объема сосуда Vm, занимаемо-
го 1 моль газа, на «свободный» объем:
Для произвольного количества вещества v уравнение Ван-
Vm'=Vm-b,
дер-Ваальса имеет вид:
где Ъ — поправка Ван-дер-Ваальса, которая зависит от
v2aYV
собственного объема молекул Р+
—ь
Поправка Ь в 4 раза больше собственного объема всех N4
молекул одного моль газа: где поправки а и b — постоянные для каждого газа вели-
A = 4NAV. чины, которые определяются экспериментально.
При выводе уравнения Ван-дер-Ваальс сделал ряд при-
Если объем измеряется в м\ то Ь имеет размерность
ближений и упрощений, поэтому оно не дает абсолютно точ-
мУмоль.
ного результата, однако согласуется с опытом гораздо лучше,
Ь зависит от эффективного диамгтрл молекулы, т. с. пт
чем уравнение состояния идеального газа.
химической природы слал.




ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ

План
1. Ионизация газов.
2. Самостоятельный разряд.
3. Типы самостоятельного газового разряда.
3.1. Искровой разряд.
3.2. Дуговой разряд.
3.3. Тлеющий разряд.
3.4. Коронный разряд.


в газе происходит расщепление нейтральных атомов и моле-
1. ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВ
кул на ионы и свободные электроны.
Ионизировать газ можно двумя путями:
В обычных условиях (не слишком высокие темпера-
1) заряженные частицы вносятся в газ извне или созда-
туры; давления, близкие к атмосферному) газы состоят из
ются действием какого-либо внешнего фактора;
нейтральных атомов и молекул и не содержат свободных
2) заряженные частицы создаются в газе действием элек-
зарядов (электронов и ионов). Поэтому ток они не прово-
трического поля.
дят, другими словами, являются изоляторами. Например,
В зависимости от способа ионизации электропроводность
если в сухой атмосферный воздух поместить заряженный
газов (разряд в газах) называется несамостоятельной (1) и
.мектрометр с хорошей изоляцией, то его заряд долго оста-
самостоятельной (2).
ется неизменным.
Под действием ионизатора из электронной оболочки ато-
Чтобы газ начал проводить электрический ток, нужно
ма или молекулы вырывается один или несколько электро-
создать в нем свободные носители заряда, т. е. заряженные
нов. Атом (или молекула) превращается в положительный
•истины. Этот процесс называется ионизацией газа. При этом
74 Физика

ион (катион), и образуются свободные электроны. Они, в свою Бывают случаи, когда тока насыщения не г. Это возмож-
очередь, присоединяются к нейтральным молекулам и атомам, но, если ионизирующая способность ионизатсра так велика,
что даже при больших напряжениях электрическое поле не
превращая их в отрицательные ионы (анионы). Таким обра-
успевает уводить все образовавшиеся ионы. Подобную кар-
зом, в ионизованном газе находятся катионы, анионы и сво-
тину мы можем наблюдать в растворах электролитов, когда
бодные электроны.
скорость образования ионов в результате элек'-рической дис-
Часто катионы и анионы представляют собой не соеди-
социации очень велика.
ненные ионизированные молекулы, а группы молекул, «при-
липших» к отрицательному или положительному иону. По- Ионизаторами газов могут выступать различные внешние
этому их массы намного больше, чем масса отдельного атома воздействия. Например, в результате сильного нагревания ско-
рость молекул возрастает, и их столкновения :тановятся на-
или молекулы.
столько сильными, что они разбиваются на ион л. Таким обра-
Для описания ионной проводимости нельзя использовать
зом, ионизатором выступает сильный нагрев. К i эме того, иони-
ни законы Фарадея. ни закон Ома.
зировать газ может коротковолновое электромагнитное излу-
Законы Фарадея для газов теряют смысл в силу того, что
чение (УФ, рентгеновское, у-излучение), корпускулярное ил-
в растворах электролитов частицы представляют собой либо
лучение (потоки электронов, протонов, сс-частна) и т. д.
определенные атомы, либо определенные группы атомов, а в
газах конгломераты частиц могут быть какими угодно. Для того чтобы выбить из молекулы или атома один элек-
трон, необходимо затратить определенную энергию необходи-
Закон Ома для газов выполняется только при малых на-
мую для совершения работы ионизации — работы против сил
пряжениях. Тогда, как и в случае проводников, подчиняющих-
взаимодействия между вырываемым электроном и остальны-
ся закону Ома, зависимость силы тока от напряжения (т. н.
ми частицами атома или молекулы. Она называется энергией
вольтамперная характеристика) для них будет иметь вид:
ионизации. Обычно ее значение колеблется для разных ато-
мов в пределах от 4 до 25 эВ. Величина работы ионизации
зависит от химической природы газа и энергетического состо-
яния вырываемого электрона в атоме или молекуле.
Процесс ионизации имеет количественную характери-
стику — интенсивность ионизации. Она измеряется числом
нар ионов, противоположных по знаку, возникающих в еди-
нице объема газа за единицу времени.
В газах одновременно с процессом ионипздии проходит
конкурентный процесс — рекомбинация. Он состоит в том,
что положительные и отрицательные ионы (или положитель-
С увеличением напряжения вольтамперная характери-
ные ионы и электроны) при столкновении соединяются меж-
стика для газов приобретает более сложный вид:
ду собой. При этом образуются нейтральные агомы или моле-
кулы. Процесс рекомбинации идет тем интенсивнее, чем боль-
J' ше ионов возникает в процессе ионизации. Ее ни прекратить
действие ионизатора, то со временем количество ионов в газе
будет уменьшаться и в конце концов ионы исчезнут практиче-
•Jiiac
ски полностью.
При рекомбинации частиц высвобождается определен-
ная энергия, равная энергии, затраченной на ионизацию. Час-
тично она излучается в виде света, поэтому рекомбинация
О
и
В
А
ионов сопровождается свечением (свечение р:: комбинации).
Электропроводность газов никогда не бывает равна
Проанализируем эту кривую.
нулю, т. е. свободные заряды в газе есть BCCI на. Ионизато-
На участке ОА (малые напряжения) график показывает,
рами в этом случае являются излучение радиоактивных ве-
что сила тока пропорциональна напряжению. На этом проме-
ществ, имеющихся на поверхности Земли, и космическое
жутке происходит увеличение количества ионов, проходящих
излучение. Интенсивность ионизации под воздействием этих,
за единицу времени через сечение разряда, а значит увеличи-
факторов невелика. Но даже такая незначительная элект-
вается и сила тока, поскольку скорость заряженных частиц
ропроводность приводит к серьезным последствиям, напри-
растет с усилением поля. Но независимо от скорости движе-
мер утечке зарядов наэлектризованных тел даже при хоро-
ния, количество частиц, проходящее через разряд в единицу
шей их изоляции.
времени, не может быть больше того количества частиц, кото-
рое образуется в газе под воздействием ионизатора. Эта вели-
чина и определяет значение тока насыщения. Приведем при-
2, САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ РАЗРЯД
мер расчета тока насыщения (J m c )• Пускай ионизатор создает
за 1 секунду 2 миллиона пар ионов, каждый из которых имеет
Самостоятельным разрядом в газе назьтёгот такой рил
заряд 1,5 • 10˜19 Кл. Тогда величина тока насыщения будет
ряд, который сохраняется после прекращения действия внеш-
равна наибольшему заряду, проходящему через газ за 1 се-
него ионизирующего фактора. -
кунду:
Самостоятельный разряд возникает в газе при опреде-
Тюс - 2-2- 106- 1,5- 10"1Э- 6- Ю-13 А. ленных условиях. Если напряжение между электродами не-
Как видим, величина тока насыщения зависит от ионизи- прерывно повышать, то в определенный момент сила тока ptvs-
рующей способности ионизатора, а не от напряжения. ко возрастет.
Электрический ток в газах 75

меров, по которым и проходят большие количества электро-
нов, образующих каналы искрового разряда.
Свечение газа при искровом разряде происходит за счет
J», выделения большого количества энергии и нагревания газа в
искровом промежутке до очень высокой температуры (около
104 К). Нагревание газа происходит быстро, поэтому резко
растет и его давление, что ведет к возникновению ударных
П АВ СD U волн. Это и есть причина появления различных звуковых эф-
фектов при искровом разряде: от негромкого потрескивания
Такой скачок кривой объясняется следующим фактом: в слабых разрядах до раскатов грома при вспышках молнии.
число ионов в газе резко возрастает, потому что с увеличени- Следует отметить, что молния — это тоже искровой разряд,
ем напряжения пеле сообщает ионам настолько большую энер- возникающий либо между двумя грозовыми облаками, либо
гию, что при столкновении таких ионов с нейтральными моле- между облаком и Землей.
кулами последние разбиваются на ионы и электроны. При этом Искровой разряд широко применяется как в технике (вос-
общее количество ионов будет определяться действием само- пламенение горючей смеси в двигателях внутреннего сгора-
го поля. Этот процесс называется ударной ионизацией. ния, искровые разрядники для предохранения линий электро-
Но одной только ударной ионизации для поддержания передачи от перенапряжения), так и на производстве (элект-
разряда будет недостаточно, если удалить внешний Иониза- роискровая точная обработка металлов). Кроме того, он ис-
тор. Необходимо, чтобы в газе постоянно протекали процес- пользуется в спектральном анализе для регистрации заряжен-
сы, приводящие к возникновению новых электронов. ных частиц.
Как правило, под действием электрического поля катио-
ны ускоряются до такой степени, что способны выбить элек-
3.2. Дуговой разряд
троны из катода при столкновении с ним. Это один из путей
образования свободных электронов. Другой путь включает Дуговой разряд возникает между электродами, которые кон-
несколько этапов. Сначала катионы сталкиваются с нейтраль- тактируют между собой, если их начать медленно удалять друг
ными молекулами газа, после чего последние переходят в воз- от друга, когда они подключены к мощному источнику тока.
бужденное состояние. Возвращаясь в стационарное состояние, Нагретый светящийся газ будто бы «провисает» между электро-
дами, поэтому явление и получило название дугового разряда.
возбужденная молекула испускает фотон. Возникшие таким
образом фотоны способны ионизировать молекулы газа (фо- При возникновении дугового разряда сила тока возрас-
тонная ионизация молекул). Кроме того, возможно выбивание тает до сотен ампер, а напряжение на разрядном промежутке
электронов из катода под действием фотонов. падает до нескольких десятков вольт. Благодаря потоку элек-
тронов, испускаемых нагретым катодом, поддерживается вы-
сокая проводимость между электродами дуги. Этому также
способствует и термическая ионизация газа, когда атомы те-
3. ТИПЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ГАЗОВОГО
ряют электроны, сталкиваясь друг с другом, и становятся но-
РАЗРЯДА
сителями электрического тока.
На практике дуговой разряд можно получить, минуя ста-
Тип самостоятельного газового разряда в первую оче-
дию искры. Для этого электроды сближают до соприкоснове-
редь зависит от свойств и состояния газа, а также от конфигу-
ния. При этом они сильно раскаляются проходящим током.
рации электродов и приложенного к ним напряжения. Всего
Затем их разводят и получают электрическую дугу. Обычно
существует 4 типа самостоятельного разряда: искровой, дуго-
температура катода достигает 4000 К (атм. давление). Если рас-
ипй, тлеющий к коронный.
смотреть этот процесс на примере угольных электродов, то с
течением времени угольный катод заостряется, а на аноде появ-
3.1. Искровой разряд ляется кратер — углубление в наиболее горячем месте дуги.
Применение дугового разряда широко и разнообразно.
Искровой разряд возникает, если через газовый проме-
Так, им пользуются при сварке и резке металлов, при выплав-
жуток за короткое время протекает ограниченное количество
ке стали высокого качества (дуговая печь) и для освещения
электричества. Этот процесс имеет место при больших напря-
(прожекторы, проекционная аппаратура). Существуют дуго-
женностях электрического поля ( = 3 • 106 В/м) в газе, давле-
вые лампы с ртутными электродами в кварцевых баллонах,
ние которого близко к атмосферному.
где дуговой разряд возникает в ртутном паре при откачанном
Искровой разряд развивается постепенно. Для его объяс-
воздухе. Подобным способом устроены кварцевые лампы.
нения пользуются примерной теорией. Согласно ей, возник-
Дело в том, что возникающая в ртутном паре дуга является
новению канала искры (ярко светящегося, разветвленного и
мощным источником ультрафиолетового излучения. Тот же
изогнутого).предшествует образование стримера — сильно
заряд, но при низких давлениях, применяется в ртутных вы-
ионизированного проводящего канала, возникающего из от-
прямителях для выпрямления переменного тока.
дельных потоков электронов.
Это происходит следующим образом. При достаточно
высокой напряженности электрического поля свободный элек- 3.3. Тлеющий разряд
трон успевает ускориться до энергии, достаточной для иони-
Тлеющий разряд наблюдается только при низких давле-
зации, атомов, если они встречаются электрону на пути, мень-
ниях (десятые и сотые доли мм рт. ст.). Для возбуждения тле-
шем длины его свободного пробега. В результате появляются
ющего разряда напряжение между электродами должно состав-
лавины электронов и ионизированных атомов. Эти лавины,
лять всего лишь несколько сотен вольт, а иногда и меньше.-
настигая друг друга, образуют проводящир мпстики из стри
76 Физика

На практике тлеющий разряд можно получить, если к ский разряд. Давление при этом достаточно высокое, а поле
электродам, впаянным в стеклянную трубку, приложить на- вблизи проводника — неоднородное. Когда i апряженность
пряжение. Постепенно откачивая воздух, можно наблюдать поля вблизи острия достигает 30 кВ/см, то вокруг него воз-
тлеющий разряд в виде светящейся извилистой нити, протя- никает свечение в виде короны, что и дало название разряду —
нувшейся от катода к аноду. Если давление понижать и даль- коронный.
ше, то нить будет утолщаться, пока наконец вся трубка, кроме Корона может быть положительной и отрицательной. Это
участка около катода, не будет заполнена однородным свече- зависит от знака электрода, на котором возник ает разряд (ко-
нием, которое носит название положительного столба. ронизирующего электрода). Знак короны определяет способ
Положительный столб не оказывает влияния на поддер- образования электронов, вызывающих ионизацию молекул
жание разряда. Это происходит в других частях трубки. На газа. Так, в случае отрицательной короны электроны выбива-
околокатодном несветящемся промежутке (катодном темном ются из катода под действием положительных ионов. Если
пространстве) происходит сильное ускорение заряженных корона положительна, то газ ионизируется ашонами, а сама
частиц (электронов и катионов), которые становятся способ- ионизация происходит вблизи анода.
ны выбивать электроны с катода. Вылетающие электроны Напряженность поля при коронном разряде достаточно
ионизируют молекулы газа. Вслед за этим образующиеся по- б
высока (около 3 • 10 В/м), поэтому ионизашя происходит
ложительные ионы устремляются к катоду и выбивают из него при атмосферных давлениях. По мере удаления от поверхно-
все новые электроны. Таким образом, снова происходит иони- сти проводника напряженность быстро убывает. Поэтому иони-
зация и т. д. Непрерывность этих процессов позволяет под- зация и связанное с ней свечение газа наблюдается в ограни-
держивать тлеющий разряд. ченной области пространства.
Если продолжать откачивать из трубки воздух, то при Во время грозы облака, заряженные определенным об-
давлениях порядка 1,3 Па свечение газа ослабевает, но начи- разом, способны индуцировать под собой электрические заря-
нают светиться стенки трубки. Природа этого свечения такова. ды противоположного знака. Особенно большой заряд скап-
При низких давлениях вероятность того, что электрон столк- ливается около поверхностей высокой степени кривизны, осо-
нется с молекулой газа, очень мала. Гораздо чаще происходят бенно на остриях. Поэтому перед и во время грозы на не-
столкновения электронов со стенками трубки. Ударяясь о стек- острых вершинах высоко поднятых предметов можно наблю-
ло, электроны вызывают свечение. Это явление называют ка- дать конусы света, похожие на кисточки. В древности это яв-
тодолюминесценцией. ление получило название огней святого Эльма. Часто свиде-
телями этого явления становятся альпинисты, когда даже не-
Тлеющий разряд широко используется во многих облас-
металлические предметы и кончики волос на голове украша-
тях техники, но наиболее активно — в изготовлении светя-
ются маленькими кисточками.
щихся трубок для реклам, ламп дневного света и при напыле-
нии металлов. Коронный разряд, возникающий вокруг проводов высо-
При изготовлении светящихся трубок немаловажную ковольтных линий, может приводить к возникновению токов
роль играет тот факт, что каждый газ имеет специфический утечки. Чтобы этого избежать, провода высоковольтных ли-
цвет положительного столба. Если трубку наполнить неоном, ний делают очень толстыми. Кроме того, прерывистый корон-
то свечение имеет красный цвет, если аргоном — синевато- ный разряд может вызывать радиопомехи.
зеленый. Коронный разряд широко используется i ри очистке про-
Катодное напыление металлов производят, помещая раз- мышленных газов от примесей. Агрегаты, npi меняемые для
личные предметы вблизи катода. Вещество катода сильно на- этого, называются электрофильтрами. Пришли их действия
гревается в тлеющем разряде и переходит в газообразное со- таков. Двигаясь снизу вверх в цилиндре, по оси которого рас-
стояние. Тогда все предметы, находящиеся поблизости, по- полагается коронирующая проволока, примеч и очищаемого
крываются равномерным слоем того металла, из которого газа укрупняются. На них оседают ионы внешней части коро-
изготовлен катод. ны, которые увлекают частицы примесей к внешнему некоро-
нируюшему электроду. В результате этого примеси осажда-
ются, а газ очищается.
3.4. Коронный разряд
На этом же принципе основывается применение корон-
Вблизи проводника с большой кривизной поверхности ного разряда для нанесения порошковых И лакокрасочных
(например острия) наблюдается высоковольтный электриче- покрытий.




ГРАВИТАЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

Несмотря на большое разнообразие различных явле- рассматриваются совместно. Эта теория ужо подтверждена
ний, по современным представлениям в природе существу- на эксперименте.
ет всего четыре типа взаимодействия: гравитационное, сла- Предпринимаются также попытки построения так назы-
бое, электромагнитное и сильное. Более того, в настоящее ваемого великого объединения, соединяющего сильное, элек-
время создана единая теория электрослабых взаимодей- тромагнитное и слабое взаимодействия как. образно говоря,
ствий, в которой электромагнитное и слабое взаимодействия три грани одного и того же кристалла. На этом пути тоже
Гравитационное взаимодействие 77

наметились некоторые успехи. Однако в своих эксперимен- ся с одним и тем же ускорением. Сегодня физики говорят об
тально наблюдаемых проявлениях четыре перечисленных вза- этом замечательном свойстве гравитации как о равенстве тя-
имодействия настолько различны, что их вполне уместно рас- желой и инертной масс. То есть, силы, разгоняющие в одном и
сматривать отдельно. том же поле тяготения тела с разными массами, всегда одина-
ково пропорциональны силам инерции, удерживающим тела
С гравитационным взаимодействием мы знакомы боль-
от разгона. Факт равенства тяжелой и инертной масс положен
ше всего, так как с ним приходится сталкиваться на каждом
в основу общей теории относительности. .
шагу, — даже сам процесс ходьбы был бы невозможен без
гравитационного взаимодействия. Вся практическая' деятель- Ньютон предположил, что все без исключения тела во
ность человека на Земле связана либо с использованием, либо Вселенной заставляет притягиваться друг к другу одна еди-
с преодолением земного тяготения. ная по природе сила. Он поставил цель открыть закон, по ко-
торому действует эта сила всемирного тяготения. Сделать это
Постоянно сталкиваясь с проявлением гравитации в обы-
было непросто, поскольку очень многое было еще неизвестно
денной жизни, мы привыкли считать, что гравитация — это
науке того времени. Установив, что все тела приобретают на
очень сильное взаимодействие. Как трудно пытаться подни-
поверхности Земли одно и то же ускорение, Ньютон не мог
мать тяжелые предметы или прыгать на большую высоту!
знать о том, что это ускорение меняется при удалении от по-
Однако на самом деле это связано с некорректной (с точки
верхности Земли (тогда подобные эксперименты не могли быть
зрения науки) постановкой опыта. Физики в таких случаях
проведены). Он не знал также, что различные предметы на
говорят, что опыт был недостаточно чистым. Ведь тела, кото-
Земле тоже притягиваются друг к другу (ведь Кавендиш про-
рые мы считаем тяжелыми, взаимодействуют с громадным те-
вел свой опыт лишь сто лет спустя). Однако Ньютону были
лом огромной массы — Землей — и притом на минимальном
известны экспериментально выведенные в начале XVII в. не-
расстоянии от нее. А как известно, сила гравитационного вза-
мецким астрономом И. Кеплером законы движения планет,
имодействия прямо пропорциональна произведению масс вза-
из которых следовал вывод, что сила тяготения должна за-
имодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату
висеть от расстояния между телами. Так Ньютон открыл
расстояния между ними. Чистый опыт по измерению величи-
закон всемирного тяготения, который гласит, что две лю-
ны гравитационного взаимодействия был .поставлен в 1798 г.
бые материальные частицы с массами m,t и тпг притягиваются
Кавендишем, который специальными измерениями установил,
по направлению друг к другу с силой F, прямо пропорцио-
что сила, действующая между двумя материальными телами
нальной произведению масс и обратно пропорциональной
массой по 1 г каждое, находящимися на расстоянии 1 см друг от
квадрату расстояния между ними. На основе этого закона
!3
друга, равна 6,67 • 10˜ Н. Все остальные взаимодействия не-
Ньютон дал математический вывод законов Кеплера о дви-
сравненно сильнее гравитационного. Рассмотрим это на при-
жении планет, объяснил природу морских приливов и мно-
мере электромагнитного взаимодействия, которое обуслав-
гие другие явления.
ливает, например, притяжение магнитом металлического пред-
Ньютон настолько опередил свой век, что многие выска-
мета. Обратите внимание: с одной стороны железная скрепка
занные им предположения находят научное объяснение лишь
притягивается планетой Земля, а с другой — крохотным маг-
в наше время.
нитом. Этот факт, если над ним задуматься, поражает вообра-
жение даже если не знать, что с одной стороны на скрепку
действуют все атомы Земли, а с другой — лишь ничтожная
часть ионизированных атомов магнитного железа. 2. ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ
Радиус действия гравитационного взаимодействия не
Положение о равенстве тяжелой и инертной масс наво-
ограничен, так же как и радиус действия электромагнитного
дит на мысль об эквивалентности гравитации и движения с
взаимодействия. Гравитационное взаимодействие преоблада-
ускорением. Действительно- система (например, космический
ет в небесной механике — между планетами, звездами, галак-
корабль или лифт), движущаяся с ускорением, равным уско-
тиками и пр. Электромагнитное взаимодействие, хотя и в трил-
рению свободного падения в гравитационном поле Земли (g),
лионы раз сильнее гравитационного, не может здесь с ним кон-
будет создавать в данном месте пространства точно такие же
курировать, потому что обычно макроскопические тела не за-
эффекты, что и поле тяготения. Все предметы, находящиеся в
ряжены.
этой системе, так же как и тела в поле тяготения, будут иметь
одинаковое по значению и направлению ускорение. Находясь
внутри ускоренно движущейся системы, вы не сможете ника-
1. ИСТОРИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
ким способом отличить движение с ускорением от тяготе-
ния. Возможность эквивалентной замены тяготения движе-
Древнегреческий ученый Аристотель считал, что при па-
нием с ускорением называется принципом эквивалентности
дении тяжелые тела движутся со скоростью, пропорциональ-
Эйнштейна.
ной их массе. Видимо, он пришел к такому заключению на
В какой-то мере это было известно и до Эйнштейна. Но,
основе наблюдений: ведь, действительно, лист бумаги медлен-
вс-первых, Эйнштейн распространил принцип эквивалентно-
но опускается на Землю, а камень летит прямо вниз. Аристо-
сти с механических явлений на все явления природы (включая,
тель ошибся, так как не учел сопротивления воздуха.
например, свет). Во-вторых, до Эйнштейна эквивалентность
Галилео Галилей (1564-1642) доказал, что все тела у по-
тяготения и движения с ускорением рассматривалась в молча-
верхности Земли в пустоте приобретают одно и то же ускоре-
ливом предположении о мгновенном распространении гравита-
ние.
ционного взаимодействия. Задача Эйнштейна заключалась в
Такой же вывод сделал при анализе своих эксперимен-
том, чтобы сохранить положение эквивалентности в условиях
тов и Исаак Ньютон. Он использовал определенный набор
справедливости сформулированного им же специального прин-
веществ и установил, что золото, свинец, стекло, песок, соль,
ципа относительности, согласно которому ни один сигнал (в
вода, дерево, пшеница в безвоздушном пространстве движут-
78 Физика

том числе и гравитационное взаимодействие) не может распро- обладают и массой. А на любое тело, обладающее массой, дей-
страняться со скоростью, большей скорости света. Эта задача и ствует гравитация. Фотон, пролетающий мим:> звезды, тела с
была им решена в общей теории относительности. громадной массой, попадает под действие ее г э 1витационного
поля и, преодолевая его, теряет часть своей энергии. Это ска-
зывается на частоте волновых колебаний фот с на — она сни-
жается. Среди световых фотонов самую низк> в частоту име-
3. МАССА СВЕТА
ют те, которые мы видим как красный свет. Отсюда красный
оттенок света, проходящего мимо звезд. Этот аффект назван
Астрономы давно обнаружили, что свет, проходящий
гравитационным смещением частоты фотонов.
вблизи больших звезд, имеет красноватый оттенок. Совре-
Гравитационное взаимодействие исследовано достаточ-
менная теория гравитации теоретически подтверждает этот
но хорошо, однако его изучение продолжается. В частности,
факт.
физиков очень интересует вопрос о влиянии "равитации на
Свет — это поток фотонов — частиц, ответственных за
возникновение таких удивительных космических объектов,
передачу электромагнитного взаимодействия. Фотоны одно-
как черные дыры.
временно обладают свойствами и волны, и частицы, а значит,




ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

С электромагнитным взаимодействием мы достаточно хо- наоборот, у нас складывается впечатление, что электростати-
рошо знакомы в повседневной жизни. ческое взаимодействие гораздо слабее гравитационного?
Одно из известных проявлений электромагнитного вза- Это объясняется двумя причинами. Во-первых, наблю-
имодействия — притяжение и отталкивание заряженных тел. даемые нами гравитационные эффекты определяются ог-
Например, два электрических заряда qt и q2, находящихся на ромной массой Земли. Во-вторых, в гравитационном взаи-
расстоянии г, притягиваются (если они разноименные) или модействии участвуют все без исключения атомы всех тел,
отталкиваются (если одноименные) с силой, определяемой за- то есть, все нейтроны, все протоны и электроьы, из которых
коном Кулона. эти атомы состоят. Между тем, в повседневной жизни мы
никогда не видим полного проявления электростатических
F-кШ тел. В макроскопическом куске вещества почти все поло-
жительные и отрицательные заряды компенсируют друг
где k - коэффициент, равный 1.
друга, потому что они связаны в электрически нейтральные
Этот закон взаимодействия электрических зарядов очень
системы — атомы. Эффект взаимодействия наэлектризован-
похож на закон гравитационного взаимодействия: там сила
ных трением предметов, например, обуслов/ен лишь нич-
взаимного тяготения тел прямо пропорциональна произведе-
тожным избытком (или недостатком) одноименного заряда
нию их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния по сравнению с общим количеством связаьпых зарядов в
между ними. Оба взаимодействия: электромагнитное и грави- этих предметах. Эти небольшие избытки зарядов и воздей-
тационное относятся к числу дальнодействующих. Они про- ствуют на весь кусок вещества, например сообщают ему
являются на любом сколь угодно большом расстоянии. Одна- ускорение. Ясно, что из-за большой массы нейтральных ато-
ко эти взаимодействия очень сильно различаются по своей мов с взаимно компенсированными зарядами зскорение мак-
интенсивности. ротела будет невелико. Только в микромире, где каждый
Сравним, например, силу гравитационного притяжения заряд работает «исключительно на себя» (т<> есть на массу
(Frp) двух протонов, находящихся на расстоянии 2- 10˜13 см (на той элементарной частицы, с которой он электростатически
таком расстоянии они расположены в атомном ядре) с силой связан), эти силы проявляются в полной мера. Любопытно,
их электростатического отталкивания (FM). Зная массу и элек- что если бы окружающие нас предметы состояли не из ней-
тический заряд протона, легко вычислить, что: тральных атомов, а хотя бы из однозарядных ионов (т. е.
Flp - 5 • Ю-35 Н, а атомов, имеющих один положительный или отрицательный
заряд), то электростатическое взаимодействие между ними
F M - 60 Н.
было бы чрезвычайно велико.
То есть, электростатическое взаимодействие двух про-
тонов примерно в 1036 раз сильнее, чем их гравитационное При этом достаточно «превратить» в однозарядные ионы
лишь небольшую долю атомов.
взаимодействие, причем это соотношение справедливо при
Например, между двумя макротелами будет существо-
любом расстоянии между протонами.
вать электромагнитное взаимодействие, сила которого равна
В случае, если бы мы для сравнения взяли не два протона,
силе их гравитационного взаимодействия, если в них превра-
а протон с электроном, то различие возросло бы еще примерно в
тить в ионы всего 1/10ls часть атомов. В 1 см2 любого твердо-
2 000 раз, а если бы взяли два электрона, то в 4 000 000 раз.
го вещества содержится в среднем 5 • 1022 атомов. Из них надо
Почему же, сталкиваясь с электростатическим взаимо-
ионизировать всего 50 000. Это количество содержится в ку-
действием в жизни, мы не замечаем этой сто огромной силы;
Квантовая механика 79

Сике с ребром 0,01 мкм. Даже если распределить все эти ионы Согласно квантовой электродинамике, любой электри-
8
в одноатомном слое (толщиной 10"" см), то и топда площадь ческий заряд окружен электромагнитным полем, с которым
ш 2
участка слоя, занятого ионами, составит всего 10˜ см , то есть он взаимодействует. В результате этого взаимодействия ис-
2
0,01 мкм . Вот какое мизерное количество ионов может пол- пускаются или поглощаются фотоны — элементарные части-
ностью компенсировать гравитацию! цы, непосредственно осуществляющие электромагнитное вза-
имодействие. В атоме нет фотонов в готовом виде, они возни-
Кроме электростатического притяжения (или отталки-
кают в самый момент их испускания, а возникнув, всегда дви-
вания) электрических зарядов по закону Кулона, существует
жутся со скоростью света.
еще много видов электромагнитного взаимодействия. Элект-
ромагнитное взаимодействие, например, определяет химиче- В электромагнитном взаимодействии участвуют все эле-
ские, упругие силы и силы трения, излучение электромагнит- ментарные частицы, кроме нейтрино и антинейтрино. Даже если
ных волн и многое другое. Однако описание этих эффектов частица не имеет электрического заряда, она все равно уча-
выходит за рамки программы данного реферата. Здесь мы лишь ствует в электромагнитном взаимодействии, потому что взаи-
модействие электрических зарядов — это лишь один из мно-
немного подробнее опишем некоторые особенности проявле-
гочисленных электромагнитных эффектов, наблюдающихся в
ний электромагнитного взаимодействия в микромире. К сча-
природе.
стью, современная наука дает нам такую возможность, ведь из
всех видов взаимодействий, электромагнитное взаимодействие Наименьшее время, за которое микрочастицы успевают про-
20
изучено наиболее хорошо. взаимодействовать электромагнитным способом, t M . 4arH = 10˜ с.




КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

В 1911 году физик Резерфорд облучал тончайшие слои круг другого тела (в данном случае электрон вокруг ядра) по
металла ядрами гелия (а-частицами). Большинство а-частиц инерции, всегда будет стремиться покинуть свою орбиту и уле-
свободно проходили сквозь фольгу, но небольшая их часть теть. Электрону не дает оторваться от ядра сила кулоновско-
отражалась — «рикошетила» словно от удара о нечто твердое. го притяжения и, поскольку эта сила действует постоянно,
К тому времени ученые давно сошлись во мнении, что хими- «спутника-электрон, не обладающий достаточным количеством
ческие вещества состоят из атомов. Результаты опытов наве- энергии, чтобы покинуть орбиту, должен быстро упасть на
ли Резерфорда на мысль, что в центре атомов имеется неболь- ядро. Случись такое, все атомы прекратили бы свое существо-
шое, но очень плотное ядро. А обширное пространство вокруг вание, чего в природе, как известно, не наблюдается. К тому
ядра занято электронами, количество которых, как верно по- же, планетарная модель Резерфорда была не в силах объяс-
лагал Резерфорд, равняется порядковому номеру данного эле- нить характер атомного излучения. С атомным излучением
мента в таблице Менделеева. дело обстояло вот как. Согласно теориям Резерфорда, каж-
дый электрон вращается вокруг ядра на таком расстоянии,
Вот так наука вплотную подошла к изучению «основ
которое соответствует уровню его энергии. Если заставить
всего сущего» — микрочастиц. Не имея еще почти никакой
электрон утратить часть своей энергии, уменьшив таким обра-
информации о свойствах микрочастиц и основываясь на пред-
зом радиус его орбиты то энергия выделится в виде излуче-
ставлениях физики того времени, Резерфорд справедливо пред-
ния, причем частота излучаемых волн будет прямо пропорци-
положил, что электроны вращаются вокруг своего ядра так
ональна уровню его энергии. Логично предположить, что у
же, как и планеты вращаются вокруг светила, с той лишь раз-
электрона можно забрать любое количество энергии из той,
ницей, что расстояния между небесными телами относительно
которой он обладает, тогда соответственно будет изменяться
малы по сравнению с расстояниями, которые отделяют элек-
и частота излученной волны. Однако на самом деле электро-
троны от ядра. Объясняется это тем, что гравитационные силы,
ны конкретных атомов способны излучать волны лишь стро-
удерживающие планеты возле Солнца, гораздо слабее элект-
го определенной частоты.
ромагнитных сил, действующих внутри атома. Эта модель по-
лучила название планетарной модели атома. Согласно ей, вы- Такое положение физикам казалось безвыходным: с од-
ходило так, что если бы можно было увидеть атом воочию, то ной стороны, модель, которая построена на основе твердо ус-
наблюдателю представилась бы миниатюрная Солнечная сис- тановленных и неоднократно проверенных законов механики,
тема, где траекторию движения и положение каждой состав- с другой — эксперимент, в надежности которого нельзя сомне-
ляющей можно определить в какой угодно момент времени, ваться. И они противоречит друг другу, да так, что примирить
так же, как это задолго до Резерфорда было сделано для мно- их невозможно!
гих небесных тел. Выход был найден в 1913 году датским физиком Ниль-
сом Бором, который не пытался примирить противников, а
В то время физики полагали, что все явления в природе
изменил планетарную модель так, чтобы она согласовалась с
подчинены законам привычной логики. С позиций этой логи-
опытом. При этом вышло так, что внесенные Бором измене-
ки планетарная модель Резерфорда была удачна и красива, но
ния посягнули на самые основы механики Ньютона, а соответ-
с ней совершенно не согласовались некоторые неопровержи-
ственно, и на здравый смысл. Бор допустил то, что ранее каза-
мые факты. Во-первых, известно, что тело, вращающееся во-
80 Физика

ствами волны. Если на его пути поставить препятствие, он
лось совершенно недопустимым, а именно: существование ста-
способен его обогнуть, причем даже с обеих сторон одновре-
ционарных орбит электровоз с определенными радиусами и
менно! Экспериментально была доказана невозможность точ-
скоростью вращения. Находясь на одной из таких стационар-
но предсказать траекторию поступательно движущегося
ных орбит, электрон не излучает и не поглощает энергию, дру-
электрона. У экспериментаторов складывалось такое впечат-
гими словами, он находится вне действия окружающих сил,
ление, что летящий электрон в некотором суысле занимает
которые по идее не могут на него не действовать. Далее, все
определенную область пространства, которая во много раз
электроны, вращающиеся вокруг ядра, находятся исключи-
больше его самого, причем имеется вероятность обнаружить
тельно на стационарных орбитах. Излучая или поглощая энер-
электрон в любой из точек этой области. Электрон, ранее
гию, они переходят с одной из таких орбит на другую. Причем
казавшийся твердым и оформленным телом, на самом деле
энергия, как показал Планк, излучается и поглощается лишь
оказался словно размазанным в пространство. Математиче-
определенными порциями.
ски эта ситуация нашла выражение в так называемом соотно-
Вот формулы, которыми Нильс Бор, согласно своей тео-
шении неопределенностей Гейзенберга, которое заключено в
рии, описывал поведение электрона:
простой формуле:
meVT " яп, (1)
где тг — масса электрона; (3)
AxDn т %,
h — постоянная Планка; где х — координата микрочастицы;
п — целое число, обозначающие порядковый но- я — ее импульс;
мер орбиты электрона. Оно было названо главным кван- h — постоянная Планка.
товым числом. Для объяснения значения этой формулы возвратимся к
Величина ттзг обозначает момент количества движения примеру электрона. Допустим, экспериментатсг, наблюдая кон-
электрона, это аналог величины импульса для вращающегося кретный электрон, желает знать его точное местонахождение
тела. в пространстве и его точный импульс. Для этсго исследуемая
частица наблюдается в микроскоп. Для того чтобы световые
ДЕ = hv; (2)
волны, используемые для получения изображения, отразились
где h " 2nh.
от электрона, а не прошли сквозь него, как это умеют делать
Формула показывает, как величина излучаемой энергии
волны, нужно, чтобы они обладали как можно меньшей дли-
зависит от частоты излученной волны.
ной. Но, как известно, чем меньше длина волм тем больше их
Сам Бор называл свою теорию «сумасшедшей». В са-
частота, другими словами — больше их энергия. А чем боль-
мом деле, ведь физики того времени полагали, что в микро-
шей энергией обладает отраженный от электрона свет, тем
мире все происходит точно так же, как в макромире, разни-
больше энергии от него невольно получит электрон. Итак,
ца только в размерах. Если бы теория Бора была верна для
координата электрона в момент его соприкосновения со све-
макромира, это означало бы, что, например, искусственный
товой волной установлена с максимальной точностью. Но та
спутник Земли при движении в атмосфере не тормозился
дополнительная энергия, которую электрон лолучил в ходе
бы ею и смог бы удержаться лишь на орбитах с определен-
эксперимента, изменила его импульс так, что ) же невозможно
ными радиусами, напоимер 100, 200, 300 км, а на остальные
сказать, каким он был в исследуемый момент. Стараясь как
орбиты, например 101, 202 км, его ни в коем случае не уда-
можно точнее установить местонахождение частицы, экспери-
лось бы запустить.
ментатор вынужден уменьшать длину световых волн в своем
Не имея возможности логически и математически обо-
микроскопе, а это еще больше исказит показатель значения
сновать свои предположения, Бор постулировал их, то есть
импульса. Получается: чем больше точность очного показате-
предложил ученым принять их на веру, без доказательств, ведь
ля, тем меньше точность второго. Причем, как показывает
эти предположения каким-то немыслимым образом подтверж-
уравнение Гейзенберга, если перемножить степени неопреде-
дались на опыте. К тому же, опираясь на них, Бор смог точно
ленности этих показателей, то производное всегда будет рав-
предсказать ранее неизвестные частоты излучаемого электро-
но величине постоянной Планка. Другими словами, закон Гей-
нами света.
зенберга говорит о том, что, пытаясь получать сведения об
Теория Бора получила название квантовой теории ато- объекте, экспериментатор в ходе исследования изменяет со-
ма. Некоторое время спустя она была усовершенстьована стояние этого объекта и получает таким образом уже иска-
другими физиками. Круговые орбиты были заменены эллип- женную информацию.
тическими, движение по ним стали рассчитывать не по класси-
ческой, а по релятивистской механике. Вслед за главным кван- Эти факты убедили физиков в том, что бесполезно пы-
товым числом п были введены другие постоянные (орбиталь- таться применить обычную механику для объяснения процес-
ное /, магнитное т,, спиновое s, квантовые числа), которые сов, происходящих внутри атома. В гениальных прозрениях
позволяли более полно описать поведение элементарных час- Нильса Бора еще не содержалось информации о том, как учесть
тиц. двойственную природу микрочастиц, ведущих себя одновре-
менно как частица и как волна.
Однако наряду с успехами квантовой теории атома на-
капливались и возражения против нее. Дело в том, что Бор, Эта задача в общих чертах была решена в 1926-1928 го-
несмотря на всю революционность своих взглядов, все же дах Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и Полем
переносил методы обычной физики на мир микрочастиц. В Дираком. Эти ученые создали собственно теорию, которой
частности, вслед за Резерфордом Бор полагал, что движение посвящен данный реферат: квантовую, или, как ее еще назы-
электронов в атоме происходит по определенным траектори- вают, волновую механику.
ям, тогда как на самом деле для микрочастицы понятие тра- В основе обычной механики лежат уравнения Ньюто-
ектории не имеет смысла. Рассмотрим это на примере того же на, которые были усовершенствованы Эйнштейном для ско-
электрона. Было обнаружено, что электрон, который в со- ростей, близких к скоростям света (т. е. для релятивист-
ставе атома ведет себя как частица, обладает также и свой- ских скоростей). В этих уравнениях используется понятие
Строение и свойства атомного ядра 81

траектории. В основу же квантовой механики должно было Уравнения Шредингера и Дирака это волновые урав-
быть положено такое уравнение, которое позволило бы опи- нения необычного типа. Они составлены так, чтобы решения
сать двойственную природу элементарных частиц, ведущих имели тот же двойственный характер, что и сами свойства
себя то как волна, то как частица. Такое уравнение было элементарных частиц. С помощью этих уравнений можно точ-
предложено Шредингером. Релятивистский вариант урав- но предсказать, в какой области окажется движущийся элек-
нения для электрона был дан Дираком. Ограничимся толь- трон, но в какой именно точке его можно будет зарегистриро-
вать, предсказать невозможно.
ко ик словесным описанием.




СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА
АТОМНОГО ЯДРА
План
1. История развития представлений о строении атомного ядра.
1 1. Механические модели строения ядра.
1.2. Открытие Резерфорда. Ядро атома.
1.3. Модель атома Бора.
1.4. Расщепление ядра. Протон.
2. Современные теории строения атомного ядра.
2.1 Протонно-нейтронная модель ядра.
2.2. Капельная модель ядра.
2.3. Оболочечная модель ядра.
3. Основные свойства ядер атомов.
3.1. Дефект массы. Энергия связи ядра.
3.2. Ядерные силы.



послужили основой для создания современной протонно-
1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ
нейтронной модели атома.
О СТРОЕНИИ АТОМНОГО ЯДРА

Все тела окружающей нас живой и неживой природы со- 1.1. Механические модели строения атома
стоят из мельчайших частиц — атомов. Первыми, кто выска-
Изучение атомного ядра неотделимо от изучения эле-
зал предположение об этом, считаются древнегреческие фи-
ментарных частиц. Дело в том, что в ядрах атомов частиц так
лософы Левкипп и Демокрит. Именно они назвали атомом
мало, что свойства каждой из них не усредняются, а играют
мельчайшую неделимую частицу образующую вещество. Они
важную роль в формировании свойств ядра. Поэтому после
считали, что вещества образуются в результате столкновения
открытия электрона в науке возникло множество теорий о
атомов и появления связей между ними. Ни природу, ни меха-
строении атома.
низм образования этих связей они не уточняли, зато строили
Японский физик Хантаро Нагаока представил строение
предположения о форме атомов. Они полагали, что атомы име-
атома аналогичным строению Солнечной системы' в центре
ют форму правильных многогранников: куба («атомы зем-
атома располагается его положительно заряженная часть (она
ли»), тетраэдра («атомы огня».), октаэдра (.«атомы воздуха»),
сравнивалась с Солнцем;, вокруг которой по установленным
икосаэдра («атомы воды»;
кольцеобразным орбитам подобно планетам движутся элек-
Более двадцати веков понадобилось ученым для того,
троны Смещение электронов со своих орбит приводит к воз
чтобы экспериментально подтвердить атомистическую тео-
буждению электромагнитных волн
рию строения вещества. Окончательно эта идея утверди-
Этот взгляд на строение атома сохранялся до начала двад
лась в науке во второй половине девятнадцатого века. К т
цатого века. Но акую модель было трудно совместить с элек
началу двадцатого века физики уже имели достаточно ин-
тродинамическими представлениями, и она была отвергнута,
формации о массе и размерах атома. К тому времени стало
уступив место модели Томсона.
ясно, что атомы не являются мельчайшими частицами в со-
Английский физик Джизеф Джон Томсон предложил мо-
ставе вещества. Они обладают определенной внутренней
дель атома в виде положительно заряженной по всему объему
структурой, разгадка которой позволила бы объяснить пе-
сферы диаметром 10 10 м, внутрь которой, подобно изюму в
риодичность свойств химических элементов. Однако толь-
пудинг, вкраплены электроны Положительный заряд сферы
ко эксперименты английского физика Эрнеста Резерфорда


4-2195
82 Физика

13. Модель атома Бора
компенсируется суммарным отрицательным зарядом электро- •
нов. Излучение света происходит в результате колебания ато-
Проникнувшись идеями Резерфорда, Бор на основе пла-
мов относительно центра сферы.
нетарной модели развивает теорию строения атома, которая
Томсон расположил электрон в атоме водорода в центре
впоследствии была названа моделью Резерфорда—Бора.
положительно заряженной сферы. В многоэлектронных ато-
Дело в том, что классическая модель Резерфорда не
мах электроны помещались в устойчивые конфигурации, па-
могла объяснить некоторые явления в атоме. Так. остава-
раметры которых могли быть рассчитаны. Томсон считал, что
лась непонятной устойчивость атома. Теоретически двига-
именно конфигурация электронов определяет химические свой-
ясь по своим орбитам с большим ускорением электрон дол-
ства атомов. Позднее идея Томсона разделить электроны в
жен излучать электромагнитные волны, что сопровождает
атоме на группы привела к появлению теории атомных орби-
ся потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен при-
талей. Однако более поздние открытия, заставили отказаться
ближаться к ядру и очень скоро упасть на него. Кроме того,
от теории Томсона в пользу планетарной модели атома.
не удавалось объяснить происхождение спектров атомов,
состоящих из определенных линий. Если характер движе-
1.2. Открытие Резерфорда. Ядро атома
ния электрона объяснять законами электродинамики, то
спектр атома должен быть сплошной, в то время как экспе-
В модели Томсона масса атома равномерно распределена
риментально были получены линейчатые спектры. Линии в
по его объему. Резерфорд доказал, что это предположение
них группируются в серии и сгущаются в коротковолновой
неверно. В результате опытов по рассеянию а-частиц метал-
части спектра. Предполагалось, что частоты линий соответ-
лической фольгой он установил, что в редких случаях (1 из 10
ствующих серий подчиняются определенным математичес-
000) а-частица отклоняется на угол больше 90°, тогда как
ким законам
большинство а-частиц свободно проходило через тонкую
•«Основным результатом тщательнрго анализа видимой
фольгу, отклоняясь на очень незначительный угол.
серии линейчатых спектров и их взаимоотношений, — писал
Резерфорд писал: «Это было почти так же невероятно,
Бор, - было установление того факта, что частота v каждой
как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в лист па-
линии спектра данного элемента может быть представлена с
пиросной бумаги, а снаряд вернулся бы назад и попал в вас».
необыкновенной точностью формулой V - Тг - Тгт, где Тг и Тгг
Это позволило Резерфорду предположить, что в атоме
— какие-то два члена из множества спектральных элементов Г,
существует положительно заряженное ядро малого размера,
характеризующих элемент».
сосредоточившее в себе почти всю массу атома. Опыты Ре-
Бору удалось найти объяснение этого основного закона
зерфорда доказали, что ядра атомов обладают большой проч-
спектроскопии. Но для этого ему пришлось цвести понятие
но-стью, так как не разрушаются даже при столкновениях с
стационарных орбит или состояний атомов, в которых элек-
массивными а-частицами, которые ударяют о них с большой
трон совершает движение по орбите, не излучая при этом энер-
силой.
гии.
На основании своих исследований Резерфорд модифи-
Эта идея сейчас широко известна под названием первого
цировал планетарную модель атома. Согласно его теории, атом
постулата Бора. Он противоречит и классиче:кой механике,
состоит яз положительно заряженного массивного ядра и элек-
и электродинамике Максвелла. Во-первых, он четко опреде-
тронов, которые движутся вокруг него, образуя электронную
ляет энергию электронов в каждом стационарном состоянии, а
оболочку атома. Ядро имеет очень маленький размер ^поряд-
во-вторых, допускает возможность ускоренного движения без
:5
ка 10 м), однако в нем сосредоточено 99,9% всей массы ато-
излучения электромагнитных волн.
ма. Заряд ядра по величине равен сумме зарядов электронов
Второй постулат Бора также противоречит электро-
атома.
динамике Максвелла, связывая частоту излучения исклю-
Определение заряда ядра вооружило ученых одной из
чительно с изменением энергии атома, а не г частотой обра-
наиболее важных характеристик атома. В 1913 году было до-
щения электрона по орбите. Однако эти постулаты подтвер-
казано, что заряд ядра совпадает с порядковым номером эле-
ждаются квантово-механическими расчетами. Поэтому на
мента в периодической системе Д. И. Менделеева. Нильс Бор
сегодняшний день модель атома Бора является главной от-
писал: «С самого начала было ясно, что, благодаря большой
правной точкой для разработки единой последовательной
массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравни-
теории атомного ядра
тельно с размерами всего атома, строение электронной систе-
мы должно зависеть почти исключительно от полного элек
трического заряда ядра. Такие рассуждения сразу наводили 1.4. Расщепление ядра. Протон
на мысль о том, что вся совокупность физических и химичес-
В 1919 году Резерфорд сделал очередное сенсационное
ких свойств каждого элемента может определяться одним це-
открытие. Ему удалось расщепить ядро.
лым числом...»
Изучая столкновения а-частиц с легкими атомами, Ре-
Эксперименты Резерфорда послужили основой для со-
зерфорд установил, что при ударе а-чагтицы о ядро водорода
здания современной нротонно-нейтронной модели атома. Со-
оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза и отбирает 64%
гласно ей, в центре атома находится ядро, весь остальной объем
энергии сх-частицы. В результате столкновений атомов азота с
атома занимают электроны. Ядро состоит из положительно
а-частицами получаются частицы г максимальным пробегом,
заряженных протонов и нейтронов, которые не имеют заряда.
соответствующим пробегу атомов водорода
Разные электроны притягиваются к ядру с разной силой, по-
«Из полученных до сих пор результатов. - писал Резер-
лому некоторые из них могут «отрываться», превращая атом
форд, - трудно избежать заключения, что атомы с большим
ч положительно заряженный ион (катион). Если же атом при-
пробегом, возникающие при столкновении а-истиц с азотом,
соединяет электроны, то он превращаете в отрицательно за-
являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами
ряженный нон (анион)
Строение и свойства атомного ядра 331

водорода или атомами с массой 2. Если это так, то мы должны берга, согласно которому невозможно одновременно уста-
заключить, что атом азота распадается вследствие громадных новить определенную координату (X, Y, Z) и определенную
сил, развивающихся при столкновении с быстрой ос-частицей, соответствующую проекцию импульса (р х , р у , рг) микрочас-
и что освобождающийся водородный атом образует состав- тицы
тицы.
ную часть атома».
Так была впервые высказана мысль о том, что ядра во-
Ay Apy > h,
дорода являются основной частью ядер атомов. Позднее для
обозначения ядер водорода был предложен термин «протон». Дг Др г ? h,
Большим шагом к установлению, строения атома стала где h — постоянная Планка.
гипотеза М. Склодовской-Кюри о том, что в состав ядра вхо- В результате этого протонно-нейтронная модель ядра
дят электроны. Опираясь на нее, Резерфорд предположил, что была отвергнута.
в природе существуют ядра с массой одного, двух и трех ядер
водорода, но с нулевым зарядом. 2.2. Капельная модель ядра
Резерфорд писал, что ему «кажется весьма правдоподоб-
ным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возмож- Капельная модель ядра была предложена в 1936 году Бо-
но, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предполо- ром и Френкелем. Она основывалась на аналогии между пове-
жение, то оно указывает на возможность существования ато- дением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидко-
ма с массой около 2 и с одним зарядом. Такое вещество нужно сти. В обоих случаях силы, которые действуют между состав-
рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение ными частицами жидкости (молекулами.) и ядра (.нуклонами),
заключает в себе мысль о возможности существования атома являются короткодействующими, и им свойственно насыще-;
с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю Подобные ние. Для капли жидкости при постоянных внешних условиях
образования представляются вполне возможными» Так была характерна постоянная плотность вещества. Ядра же характе-
высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого ризуются практически постоянной удельной энергией связи и
изотопа водорода. постоянной плотностью, которая не зависит от числа нуклонов
в ядре. Наконец, объем капли, как и объем ядра, пропорциона-
лен числу частиц. Однако эта модель представляет ядро как
каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости с плот-
2. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕОРИИ СТРОЕНИЯ »
ностью, равной ядерной. Эта жидкость подчиняется законам
АТОМНОГО ЯДРА
квантовой механики. Капельная модель ядра позволила полу-
чить полуэмпирическую формулу для энергий связи нуклонов
2.1. Протонно-нейтронная модель ядра в ядре, объяснила механизм ядерных реакций и особенно хоро-
шо описала реакции деления ядра. Однако она не объясняет
На сегодняшний день физики всего мира пользуются тео-
повышенную устойчивость ядер, содержащих магические чис
рией о том, что ядро состоит из элементарных частиц — прото-
ла протонов и нейтронов.
нов и нейтронов. Впервые такое предположение высказал в
1932 году советский физик Д. Д. Иваненко. Однако протонно-
нейтронная модель ядра не сразу нашла понимание в рядах 2.3. Оболочечная модель ядра
ученых. Даже Резерфорд утверждал, что нейтрон - лишь слож-
В 50-х годах двадцатого века американец М. Гспнерт-
ное образование протона и электрона. В 1933 году Иваненко
Майер и немец X. Йенсен выступили с оболочечной моде
сделал доклад о модели ядра, отстаивая протонно-нейтронную
лью ядра. Согласно ей распределение нуклонов в ядре про-
теорию. Он опирался на то, что в ядре имеются только тяжелые
исходит по дискретным энергетическим уровням (оболоч-
частицы.
кам\ которые заполняются нуклонами согласно принципу
Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и
Паули. К тому, она связала заполнение этих уровней с ус
протона. По его мнению, обе частицы должны обладать оди-
тойчивостью ядер. Считается, что ядра с полностью запол
наковой степенью элементарности, то есть и нейтрон, и протон
ценными оболочками являются наиболее устойчивыми Та
могут переходить друг в друга. В дальнейшем протон и нейт-
кие особо устойчивые (магические; ядра действительно
рон стали рассматриваться как два состояния одной частицы
существуют. Это ядра, у которых число протонов или чис
- нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а вскоре в
ло нейтронов равно одному из магических чисел (2, 8, 20,
составе космических лучей была открыта еще одна элемен-
28, 50, 82, 126).
тарная частица — позитрон.
Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и
Сейчас протонно-нейтронная модель ядра уже не вы-
магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных
зывает сомнений. Кроме того, долгое время существовала
ядер, а также периодичность изменений нх свойств. Эта мо-
гипотеза о том, что в ядре могут находиться также и элект-
дель особенно хорошо описывает легкие и средние ядра, а
роны. Однако она имела очень много противоречий и не
также ядра в основном (.невозбужденном) состоянии.
была подтверждена экспериментально. Так, согласно этой
Но мере дальнейшего накопления экспериментальных
гипотезе, массовое число должно соответствовать общему
данных о свойствах атомных ядер появлялись все новые фак-
количеству протонов в ядре, а разность массового числа и
ты, которые не всегда укладывались в рамки описанных моде-
количества электронов должна быть равна заряду ядра. Эта
лей. Так возникли обобщенная модель ядра (синтез капель
модель не противоречила значениям изотопных масс и за-
ной и оболочечной моделей), оптическая модель ядра (объяс-
рядов, однако не согласовалась со значениями магнитных
няет взаимодействие ядер с налетающими частицами) и мно
моментов ядер, спиноь и энергий связи ядра. Кроме того,
гие другие.
она опровергала соотношение неопределенностей Гейзен
84 Физика

3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЯДЕР АТОМОВ 3.2. Ядерные силы
Ядерное взаимодействие показывает, что между нукло-
3.1. Дефект массы. Энергия связи ядра нами действуют специфические силы, значительно превыша-
ющие кулоновские силы отталкивания между протонами. Их
. -Исследования показали, что масса ядра всегда меньше
нельзя свести ни к одному из типов сил классической физики
арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входя-
(гравитационным, электрическим, магнитным}. Ядерные силы
щих в его состав. Но согласно закону сохранения энергии,
относят к. классу сильных взаимодействий.
всякому изменению массы должно соответствовать измене-
Существует несколько, основных свойств ядерных сил.
ние энергии, поэтому образование ядра должно сопровождаться
1. Ядерные силы — силы притяжения.
выделением энергии. С другой стороны, чтобы расщепить ядро,
2. Ядерные силы являются короткодей:гвующими. Их
надо затратить такое же количество энергии, какое выделяет- 15
- ся.при его образовании. Энергия, которая необходима для . действие проявляется только на расстояниях примерно 10" м.
При увеличении расстояния между нуклонам я ядерные силы
расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энерги-
быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их
ей связи ядра. Согласно уравнению Эйнштейна
радиуса действия ((1,5 • 2,2) • 10˜15 м),-оказываются примерно
2
Е-тс ,
в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между про-
энергия связи нуклонов в ядре равна тонами на том же расстоянии.
3. Ядерные силы проявляют зарядовую независимость:
притяжение между двумя нуклонами постоянно и не зависит
t
где т?, тп, тя - соответственно массы протона, нейтрона и ядра. от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтрон-
Часто вместо массы ядра пользуются массой атома (тп), тогда ного). Это означает, что ядерные силы имеют неэлектронную
выражение принимает вид: природу.
? t .-[Zm H + M-Z)!B D -mjc2, Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравне-
где тн - масса атома водорода. ния энергий связи в зеркальных ядрах. Так называются ядра,
Энергия связи нуклонов в ядре в миллионы раз превы- в которых одинаково общее число нуклонов, :то число прото-
шает энергию связи атомов в молекуле, поэтому при химиче- нов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра
ских превращениях веществ атомные ядра не изменяются. Гелия \Не и тяжелого водорода трития ]Т.
Величина 4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, то есть
Дт - [Zmp + (А - Z)mJ - т я каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограничен-
называется дефектом массы ядра. На эту величину уменьшает- ным числом ближайших к нему нуклонов. Насыщение прояв-
ся масса всех нуклонов при образовании из них атомного.ядра. ляется в том, что удельная энергия связи нуклонов в ядре при
Часто вместо энергии связи Есв используют удельную энер- увеличении числа нуклонов остается постоянной. Практиче-
ски полное насыщение ядерных сил достигае!ся у агчастицы,
гию связи бЕ^ - энергию связи, отнесенную к одному нукло-
которая является очень устойчивой. .
ну. Это физическая величина, равная той работе, которую нуж-
5. Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спи-
но совершить для удаления нуклона из ядра без сообщения
нов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейт-
ему кинетической энергии. Чем больше значение 5Есв, тем устой-
рон образуют дейтрон (ядро изотопа fH) только при условии
чивее ядро. Наиболее устойчивы магические ядра, у которых
параллельной ориентации их спинов.. .'....
магическими являются и число протонов, и число нейтронов
6 8 2
6. Ядерные силы не являются центральными, то есть не
[iHe, '8 О, $Ся, 20 Со, $/%). Довольно устойчивы ядра средней
действуют по линии, соединяющей центры взаимодействую-
части таблицы Менделеева. Тяжелые {А > 60) и легкие (Л ** 12)
щих нуклонов.
ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически вы-
Сложность и неоднозначный характер ядерных сил, а так-
годными являются следующие процессы:
же трудность точного решения уравнений движения всех нук-
1) деление тяжелых ядер на. более легкие;
лонов ядра ( ядро с массовым числом А представляет собой
2) слияние легких ядер в более тяжелые.
систему из А тел; не позволили разработать до сегодняшнего
Оба процесса протекают с выделением огромного коли-
дня единую стройную теорию атомного ядра.
чества энергии, что позволяет практически использовать эти
реакции (термоядерные, реакции деления).




СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ

В этом реферате рассказывается о сильном нзадмодей- имеющие положительный электрически заряд, и нейтроны,
ствии, которое, в частности, обеспечивает взаимодействие атом- не имеющие электрического, заряда. Ниже мы перечисляем
ного ядра. Атомные ядра состоят из тяжелых элементарных основные свойства сил, действующих между ними, ядер-
частиц, нуклонов Нуклоны бывают двух типов- протоны, ных сил.
Радиоактивные превращения ядер 85

Ядерные силы — это силы притяжения, так как они удер- единении взаимодействует не со всеми, а лишь с определен-
живают частицы внутри ядра. Однако при очень тесном сбли- ным числом соседних атомов.
жении частиц внутри ядра, ядерные силы начинают отталки- Подобно тому как электрические заряды участвуют в
вать их друг от друга. электростатическом взаимодействии одним из двух возмож-
Ядерные силы — это не электрические силы, так как они ных способов, в качестве «положительного» или «отрицатель-
ного», так.и нуклоны взаимодействуют между собой двумя
действуют не только между заряженными протонами, но и меж-
способами. Такие способы взаимодействия называют «спина-
ду нейтронами, которые не имеют электрического заряда. Это
ми». Если спины одинаковы, то нуклоны с помощью ядерных
также и не гравитационные силы, которые слишком малы, для
сил соединятся между собой в составе ядра, а если спины раз-
того чтобы обеспечить те свойства, которые имеют атомные
ные, то соединения не произойдет. . ;•• -.• •:.. .".
ядра.
Область действия ядерных сил ничтожно мала. Радиус Важнейшим свойством ядерных сил является зарядовая
их действия и 1 • 10˜13 см. При больших расстояниях между независимость, т. е. полная одинаковость трех типов ядерного
взаимодействия' ,• .....:
частицами ядерное взаимодействие не проявляется, поэтому

<<

стр. 5
(всего 40)

СОДЕРЖАНИЕ

>>