Строение атома и элементарные частицы

К началу 30-х годов XX века было известно 4 типа элементарных частиц – протоны, нейтроны, электроны и фотоны.

Удалось объяснить природу химических элементов, их соединений, испускаемых ими излучений.

Атом Нильса Бора– планетарная модель (это было 100 лет назад!!!!)

Сегодняшние представления – как устроен простейший атом водорода?

В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон имеет свойства не только частицы, но и волны. Например, видимый нашими глазами свет представляет собой электромагнитные волны. Ряд свойств таких волн есть и у электрона. Шредингер применил к электрону-волне математические уравнения, описывающие движение волны в трехмерном пространстве. Однако с помощью этих уравнений он предложил рассчитывать не траекторию движения электронов внутри атома, а вероятность найти электрон-волну в той или иной точке пространства вокруг ядра.

Общее у волновой модели Шредингера и планетарной модели Бора в том, что электроны в атоме существуют на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В остальном эти модели не похожи друг на друга. В волновой модели орбиталь - это пространство около ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее электрон с вероятностью 95%. За пределами этого пространства вероятность встретить такой электрон меньше 5%. Полученные с помощью математического расчета такие "области вероятности" нахождения в электронном облаке s-, p- и d-электронов показаны на рисунке.

Примерно такую форму в волновой модели атома имеют "области вероятности" существования электронов: s-, p-, и d-орбитали. Ядро атома находится в точке пересечения координат.

Итак, в волновой модели тоже существуют орбитали разных видов: s-орбитали (сферической формы), p-орбитали (похожие на веретено или на объемные восьмерки), а также d-орбитали (рис. 2-7) и f-орбитали еще более сложной формы. Все эти фигуры очерчивают область 95%-ной вероятности найти s-, p-, d- или f-электроны именно в том месте электронного облака, которое ограничено этими сложными фигурами. Области вероятности нахождения разных электронов могут пересекаться. К этому свойству волновой модели следует отнестись спокойно, поскольку она является не столько физической, сколько абстрактной математической моделью электронной оболочки. Однако, как мы увидим в дальнейшем, такая модель обладает хорошей предсказательной силой в отношении химических свойств атомов и молекул.

    Разобравшись с атомом, обратим свое внимание на ядро.

Ядро представляет собой центральную часть атома. В нем сосредоточены положительный электрический заряд и основная часть массы атома; по сравнению с радиусом электронных орбит размеры ядра чрезвычайно малы: 10–15–10–14 м. Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, имеющих почти одинаковую массу, но лишь протон несет электрический заряд. Полное число протонов называется атомным номером Z атома, который совпадает с числом электронов в нейтральном атоме. Ядерные частицы (протоны и нейтроны), называемые нуклонами, удерживаются вместе очень большими силами; по своей природе эти силы не могут быть ни электрическими, ни гравитационными, а по величине они на много порядков превышают силы, связывающие электроны с ядром

Протон и нейтрон –

силы взаимодействия – ядерные, связывают вместе протоны и нейтроны, называемые нуклонами.

Водород - из электрона и ядра из одного протона.

Уран - из 92 электронов, вращающихся вокруг ядра из 92 протонов и 143 нейтронов.

Распад атомов

Decay.mpg

Рассмотрим бета-распад

Добавление пятой частицы –

нейтрино - позволило объяснить также природу бета-распада.

      Оба вектора импульсов должны быть коллинеарны, т.е. направлены вдоль одной прямой. Однако в действительности было обнаружено, что при b-распаде импульс электрона и импульс ядра отдачи в общем случае неколлинеарны.

      При бета-распаде было обнаружено, что не сохраняется и момент импульса, и даже нарушается закон сохранения энергии. Но что же делать в случае бета-распада? Паули предположил, что должна существовать неизвестная дотоле частица, которую мы теперь называем нейтрино.

Нейтрино должно было обладать невероятными свойствами - оно не должно иметь ни заряда, ни массы, почти не взаимодействовать с веществом, но при всем том иметь импульс, момент импульса, энергию и двигаться со скоростью света!

 Эту частицу нашли через 23 года после ее открытия на "кончике пера"! Нейтрино есть в космических лучах, но из каждых 1012 нейтрино, падающих на Землю, в среднем все, кроме одного (!), проходят сквозь Землю, не испытав взаимодействия.

"Стабильные" частицы:

Автомобиль – проходит 100000 км, т.е. расстояние, в 107 раз превышающее его длину.

Элементарные частицы (за 10-7 с) проходят несколько десятков сантиметров, что в 1015 раз превышает их размеры.

Частицы и античастицы.

Электрон и позитрон

При образовании пары позитрон-электрон электромагнитная энергия превращается в массу. При прохождении через вещество позитрон может столкнуться с электроном: при этом произойдет аннигиляция (уничтожение) обеих частиц, и масса-энергия пары появится в виде двух фотонов с полной энергией

2mec2 (помните, Е=mс2!).

Для любой элементарной частицы есть своя античастица.

Частица и ее античастица имеют в точности одинаковые массы, периоды полураспада и типы распада, а также квантовые числа спина, и в то же время - противоположные электромагнитные свойства. Например, для электрона и позитрона электрические заряды имеют разные знаки и векторы спина S и собственного магнитного момента p обладают разной взаимной ориентацией.

Как обнаружить элементарную частицу?

    У нейтрино также есть античастица - антинейтрино.

Подумайте - Как же так, у частицы нет заряда, а античастица есть?

(Ответ – на лекции или в учебнике)

Все частицы делятся на два класса:

1)  Фермионы, которые составляют вещество;

2)Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

          Таблица 1

    Остальные фундаментальные частицы носят название

к в а р к о в.

    Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, а также в слабых и в электромагнитных.

Таблица 2.

Кварки

Заряды кварков дробные - от -1/3e до +2/3e (e - заряд электрона).

Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Например

Протон – uud;  нейтрон - udd.