ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК МАСИ ТА ЕНЕРГІЇ

За законами Ньютона, якщо на тіло діє сила, то воно рухається з прискоренням. Якщо напрямок дії сили збігається з напрямком руху, то швидкість тіла має необмежено зростати. Проте це твердження суперечить принципу СТВ, згідно з яким існує гранична швидкість передачі взаємодії — швидкість світла.

Як з'ясував А. Ейнштейн, щоб закони Ньютона були інваріантними в усіх інерціальних системах відліку і відповідали положенням СТВ, слід переглянути деякі класичні уявлення про рух і взаємодію тіл. Зокрема, за допомогою математичних перетворень формули другого закону Ньютона він встановив, що маса тіла залежить від швидкості його руху:

                            

де m — маса тіла, що рухається зі швидкістю v; m_o — маса тіла, яке перебуває в стані спокою; с — швидкість світла.

Згідно з другим принципом СТВ, не існує систем відліку, в яких би швидкість руху тіла перевищувала швидкість поширення світла у вакуумі

Масу т називають релятивістською масою, що залежить від швидкості; т₀ — масою спокою. Обидві величини характеризують інертні властивості тіла у різних станах: під час руху тіла або у спокої

Цей висновок усував існуюче протиріччя між класичною механікою і теорією відносності, оскільки за цих умов рівняння руху ставали інваріантними для всіх інерціальних систем відліку:

.

 

 

                                      56. АТОМНА І ЯДЕРНА ФІЗИКА

Термоядерна енергія — енергія у деякій придатній до використання формі, як правило це електрика, джерелом якої є реакція термоядерного синтезу. З технічної точки зору більшість генерованої електроенергії є неявною формою термоядерної енергії, оскільки Сонце є величезним природнім термоядерним реактором, та практично всі горючі копалини на Землі є акумульованою сонячною енергією. Однак у вузькоспеціальному значенні термін використовується стосовно енергії що продукується під час штучно підтримуваної реакції термоядерного синтезу. На сьогодні жодного термоядерного електрогенератора не існує, хоча інтенсивні експерименти тривають.

 

 

Склад ядра атома. Ізотопи.

 

 

СКЛАД АТОМНИХ ЯДЕР

Досліди Е. Резерфорда, які утвердили ядерну модель атома, показали, що практично вся маса атома зосереджена в його ядрі, який має позитивний заряд. Подальші його дослідження взаємодії альфа-частинок з атомами Нітрогену увінчалися відкриттям протона — другої елементарної частинки, відкритої після електрона.

Вивчення властивостей протона показало, що він має позитивний заряд, який чисельно дорівнює заряду електрона е = 1,602 • 10^-19 Кл; його маса значно більша: m_р = 1,6726485 • 10^-27 кг. Оскільки в ядерній фізиці прийнято користуватися атомною одиницею маси (а.о.м.) та її енергетичним еквівалентом — електрон-вольтом (еВ), маса спокою протона дорівнює m_p = 1,007276470 а. о. м., що відповідає 938,2796 МеВ.

Протон (від грец. рг>tos — перший) — елементарна частинка, що є ядром атома Гідрогену; має позитивний заряд, що чисельно дорівнює заряду електрона

Відкриття на початку XX ст. ізотопів засвідчило, що їхні атомні маси кратні масі ядра атома Гідрогену. Тому Е. Резерфорд припустив, що ядра всіх хімічних елементів складаються із протонів. Протонно-електронна модель атома добре узгоджувалася з експериментальними даними щодо властивостей Гідрогену. Проте вона зіткнулася з низкою труднощів у поясненні будови ядер важчих хімічних елементів. Тому він висунув припущення про існування нейтронів — елементарних частинок, які також входять до складу ядра.

У 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік, досліджуючи властивості випромінювання, яке виникає під час бомбардування Берилію альфа-частинками, встановив, що це потік нейтральних частинок, маса яких приблизно дорівнює масі протона. Вимірювання показали, що маса спокою нейтрона m_n = = 1,6749543 • 10^-27 кг= 1,008665012 а.о.м., що відповідає 939,5731 МеВ.

Ізотопи

 (від грец. isos — однаковий і topos — місце) — різновиди одного й того самого хімічного елемента, що відрізняються за атомними масами

Нейтрон (від лат. пеШгит — ні те, ні інше) — нестабільна електрично нейтральна, тобто така, що не має ні позитивного, ні негативного заряду, елементарна частинка

У сучасній фізиці протони і нейтрони в ядрі називають нуклонами (від лат. шкіеш — ядро)

Число нуклонів у ядрі атома дорівнює його масовому числу А. Число протонів у ядрі атома дорівнює заряду ядра 2. Число нейтронів N = А-Z

У тому ж році радянський вчений Д. Д. Іваненко (українець за походженням, народився в Полтаві) і німецький фізик В. Гейзенберг незалежно один від одного запропонували оболонкову протонно-нейтронну модель ядра атома. Вони припустили, що атомне ядро складається з нуклонів — протонів і нейтронів, які розміщуються певними групами й утворюють ядерні оболонки. Кожен нуклон перебуває в певному квантовому стані, який характеризується енергією та набором інших квантових величин.

Згідно з цією моделлю, загальне число нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів у ядрі атома, дорівнює масовому числу атома А; число протонів дорівнює заряду ядра атома Z, число нейтронів N = А — Z. В ядерній фізиці ізотоп хімічного елемента X прийнято позначати відповідним символом із зазначенням його масового числа А (зліва вгорі) і зарядового числа Z (зліва внизу), тобто у вигляді ^A_ZХ. Наприклад, найлегший ізотоп Гідрогену — протій, ядро якого складається з одного протона, позначають ¹₁Н, альфа-частинку, що є ядром атома Гелію, ⁴₂Не тощо.

Заповнення ядерних оболонок підлягає певній закономірності — принципу Паулі: два тотожні нуклони не можуть одночасно перебувати в однаковому квантовому стані, тобто характеризуватися одним і тим самим набором квантових чисел. Тому існує ряд чисел — 2, 8, 20, 28, 40, 50, 82, 126, названих магічними, які визначають максимальне число нуклонів у заповнених оболонках.

Перехід ядра атома з одного стану в інший, наприклад із стабільного у збуджений чи навпаки, за оболонковою моделлю пояснюють як квантовий перехід нуклона з однієї оболонки на іншу. Щоразу, коли число протонів чи нейтронів стає магічним, відбувається стрибкоподібна зміна величин, які характеризують властивості ядра. Цим, зокрема, пояснюють фізичну причину існування періодичності у властивостях хімічних елементів, відображену періодичною системою Д. І. Менделєєва.

Принцип Паулі спочатку був сформульований для пояснення закономірностей у заповненні електронних орбіталей в атомі; згодом він був поширений на всі елементарні частинки з напів цілим спіном

Принцип Паулі є фізичною суттю періодичного закону Д. І. Менделєєва

Оболонкова модель атомного ядра є однією з найпродуктивніших у ядерній фізиці, зокрема в поясненні періодичності властивостей ядер і механізму ядерних реакцій. Проте вона також має свої обмеження, оскільки неспроможна розтлумачити властивості важких ядер і пояснити всі типи взаємодії нуклонів у ядрі. Тому існують також інші моделі атомних ядер, наприклад, крапельна, згідно з якою атомне ядро уявляють у формі краплі особливої квантової рідини.

 

                                    Дефект маси

 

Дефект маси — різниця між масою спокою атомного ядра даного ізотопу, вираженої в атомних одиницях маси, і сумою мас спокою складових його нуклонів (масовим числом). Позначається .

Згідно із формулою Ейнштейна дефект маси і енергія зв'язку нуклонів в ядрі еквівалентні:

де с — швидкість світла у вакуумі.

Дефект маси характеризує стійкість ядра.

Дефект маси, віднесений до одного нуклона, називається пакувальним множником.

 

                                     Відкриття нейтрона

Відкриття нейтрона ( 1932) належить фізику Дж. Чедвік, за яке він отримав Нобелівську премію з фізики в 1935.

У 1930 р. В. А. Амбарцумян і Д. Д. Іваненко показали, що ядро не може, як вважалося тоді, складатися з протонів і електронів, що електрони, що вилітають з ядра при бета-розпад, народжуються в момент розпаду, і що крім протонів, в ядрі повинні бути присутніми якісь нейтральні частинки.^{[2] [3]}

В 1930 Вальтер Боте і Г. Бекер, які працювали в Німеччині, виявили, що якщо високоенергетичних альфа-частинки, що випускаються полонієм-210, потрапляють на деякі легкі елементи, особливо на берилій або літій, утворюється випромінювання з незвичайно великою проникаючою здатністю. Спочатку вважалося, що це - гамма-випромінювання, але з'ясувалося, що воно має набагато більшу проникаючу здатність, ніж усі відомі гамма-промені, і результати експерименту не можуть бути таким чином інтерпретовані. Важливий внесок зробили в 1932 Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі. Вони показали, що якщо це невідоме випромінювання потрапляє на парафін чи будь-яке інше з'єднання, багате воднем, утворюються протонивисоких енергій. Саме по собі це нічому не суперечило, але чисельні результати приводили до неузгоджень в теорії. Пізніше в тому ж 1932 році англійський фізик Джеймс Чедвік провів серію експериментів, в яких він показав, що гамма-променева гіпотеза неспроможна. Він припустив, що це випромінювання складається з незаряджених часток з масою, близькою до маси протона, і зробив серію експериментів, які підтвердили цю гіпотезу. Ці незаряджені частинки були названі нейтронами від латинського кореня neutral і звичайного для частинок суфікса on (він). У тому ж 1932 р. Д. Д. Іваненко і потім В. Гейзенберг припустили, що атомне ядро складається з протонів і нейтронів.

 

                                            Відкриття позитрона

 

Існування позитрона вперше було припущено в 1928 Полем Діраком. Теорія Дірака описувала не лише електрон з негативним електричним зарядом, але і аналогічну частку з позитивним зарядом. Відсутність такої частки в природі розглядалося як вказівка ​​на "зайві рішення" рівнянь Дірака. Зате відкриття позитрона стало тріумфом теорії.

Відповідно до теорії Дірака електрон і позитрон можуть народжуватися парою, і на цей процес має бути витрачена енергія, рівна енергії спокою цих часток, 2 0,511 МеВ. Оскільки були відомі природні радіоактивні речовини, що випускали γ-кванти з енергією більше 1 МеВ, було неможливо отримати позитрони в лабораторії, що і було зроблено. Експериментальне порівняння властивостей позитронів і електронів показало, що всі фізичні характеристики цих частинок, крім знака електричного заряду, збігаються.

Позитрон був відкритий в 1932 р. американським фізиком Андерсоном при спостереженні космічного випромінювання за допомогою камери Вільсона, вміщеній в магнітне поле. Назва "позитрон" придумав сам Андерсон. Цікаво, що Андерсон також пропонував, щоправда безуспішно, перейменувати електрони в "негатрони". Він сфотографував сліди частинок, які дуже нагадували сліди електронів, але мали вигин під дією магнітного поля, протилежний слідах електронів, що свідчило про позитивний електричному заряді виявлених часток. Незабаром після цього відкриття, також за допомогою камери Вільсона, були отримані фотографії, які проливали світло на походження позитронів: під дією γ-квантів вторинного космічного випромінювання позитрони народжувалися в парах зі звичайними електронами. Такі властивості знову відкритої частки виявилися у вражаючому згоді з уже наявною релятивістської теорією електрона Дірака. В 1934 р. Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі у Франції відкрили ще одне джерело позитронів - β ^{+-радіоактивність}.

Позитрон виявився першою відкритою античастицей. Існування античастинки електрона і відповідність сумарних властивостей двох античастинок висновків теорії Дірака, яка могла бути узагальнена на інші частинки, вказувало на можливість парної природи всіх елементарних частинок і орієнтувало наступні фізичні дослідження. Така орієнтація виявилася надзвичайно плідною, і в даний час парна природа елементарних частинок є точно встановленим законом природи, обгрунтованим великим числом експериментальних фактів.

Позитрони в природі

Вважається, що в перші миті після Великого Вибуху кількість позитронів і електронів у Всесвіті було приблизно однаково, проте при охолодженні ця симетрія порушилася. Поки температура Всесвіту не знизилася до 1 МеВ, теплові фотони постійно підтримували в речовині певну концентрацію позитронів шляхом народження електрон-позитронного пар (такі умови існують і зараз в надрах гарячих зірок). Після охолодження речовини Всесвіту нижче порога народження пар залишилися позитрони анігілювали з надлишком електронів.

У космосі позитрони народжуються при взаємодії з речовиною гамма-квантів і енергійних часток космічних променів, а також при розпаді деяких типів цих частинок (наприклад, позитивних мюонів). Таким чином, частина первинних космічних променів складають позитрони, так як за відсутності електронів вони стабільні. У деяких областях Галактики виявлені анігіляційних гамма-лінії 511 кеВ, що доводять присутність позитронів.

У сонячному термоядерному pp-циклі (а також в CNO-циклі) частину реакцій супроводжується емісією позитрона, який негайно анігілює з одним з електронів оточення; таким чином, частина сонячної енергії виділяється у вигляді позитронів, і в ядрі Сонця завжди присутній деякий їх кількість (в рівновазі між процесами освіти і анігіляції).

Деякі природні радіоактивні ядра (первинні, радіогенні, космогенние) відчувають бета-розпад з випромінюванням позитронів. Наприклад, частина розпадів природного ізотопу ⁴⁰ K відбувається саме по цьому каналу. Крім того, гамма-кванти з енергією більше 1,022 МеВ, що виникають при радіоактивних розпадах, можуть народжувати електрон-позитронного пари.

При взаємодії електронного антинейтрино (з енергією більше 1,8 МеВ) і протона відбувається реакція зворотного бета-розпаду з утворенням позитрона: Така реакція відбувається в природі, оскільки існує потік антинейтрино з енергією вище порога зворотного бета-розпаду, що виникають, наприклад, при бета-розпаді природних радіоактивних ядер.

 

                        відкриття нейтрино

 

Гіпотеза Паулі. Відкриття Н. належить до найбільш яскравих і в той же час важких сторінок у фізиці 20 ст Перш ніж стати рівноправним членом сім'ї елементарних часток, Н. довгий час залишалося гіпотетичною часткою.

Вперше в експериментальній фізиці Н. виявилося в 1914, коли англійський фізик Дж. Чедвік виявив, що електрони, що випускаються при b-розпаді атомних ядер (на відміну від а-часток і g-квантів, що випускаються при ін. видах радіоактивних перетворень), мають безперервний енергетичний спектр. Це явище знаходилося в явному протиріччі з теорією квантів, що вимагала, щоб при квантових переходах між стаціонарними станами ядер виділялася дискретна порція енергії (постулат Бору). Оскільки при випусканні а-часток і g-квантів ця вимога виконувалася, виникло підозріння, що при b-розпаді порушується закон збереження енергії.

В 1930 швейцарський фізик Ст Паулі в листі учасників семінару в Тюбінгене повідомив про свою «відчайдушну спробу» «врятувати» закон збереження енергії. Паулі висловив гіпотезу про існування нової електрично нейтральної сильно проникаючої частки із спином ¹ / ₂ і з масою £ 0,01 мас протона, яка випускається при b-розпаді разом з електроном, що і приводить до порушення однорідності спектру b-електронів за рахунок розподілу дискретної порції енергії (відповідною переходу ядра з одного стану в інше) між обома частками. Після відкриття в 1932 важких нейтральних частки — нейтрона ,італійський фізик Е. Фермі запропонував називати частку Паулі «нейтрино». У 1933 Паулі сформулював основні властивості Н. у їх сучасному вигляді. Як з'ясувалося пізніше, ця гіпотеза «врятувала» не лише закон збереження енергії, але і закони збереження імпульсу і моменту кількості руху, а також основні принципи статистики часток в квантовій механіці.

 

⇐ Предыдущая18192021222324252627Следующая ⇒

Поделиться: