Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
У цяперашні час устаноўлена існаванне ізатопаў ва ўсіх хімічных элементаў. Некаторыя элементы маюць толькі нестабільныя (г. зн. радыеактыўныя) ізатопы. Ізатопы ёсць у самага цяжкага з існуючых у прыродзе элементаў — урану (адносныя атамныя масы 238, 235 і інш.) і ў самага лёгкага — вадароду (адносныя атамныя масы 1, 2, 3).
Асабліва надзвычайныя ізатопы вадароду, таму што яны адрозніваюцца адзін ад аднаго па масе ў два або тры разы. Ізатоп з адноснай атамнай масай 2 называецца дэйтэрыем. Ён стабільны (г. зн. нерадыеактыўны) і ўваходзіць у якасці невялікай прымесі (1:4500) у звычайны вадарод. Пры злучэнні дэйтэрыю з кіслародам утвараецца так званая цяжкая вада. Яе фізічныя ўласцівасці прыметна адрозніваюцца ад уласцівасцей звычайнай вады. Пры нармальным атмасферным ціску яна кіпіць пры 101,2 °C і замярзае пры 3,8 °C.
Ізатоп вадароду з атамнай масай 3 называецца трытыем. Ен ррадыеактыўны з перыядам паўраспаду каля 12 гадоў.
Існаванне ізатопаў даказвае, што зарад атамнага ядра вызначае не ўсе ўласцівасці атама, а толькі яго хімічныя ўласцівасці
226
і тыя фізічныя ўласцівасці, якія залежаць ад перыферыі электроннай абалонкі, напрыклад размеры. Маса ж атама і яго радыеактыўныя ўласцівасці не вызначаюцца парадкавым нумарам у табліцы Мендзялеева.
Істотна, што пры дакладным вымярэнні адносных атамных мас ізатопаў высветлілася, што яны блізкія да цэлых лікаў. Атамныя масы хімічных элементаў часам моцна адрозніваюцца ад цэлых лікаў. Так, адносная атамная маса хлору роўна 35,5. Гэта значыць, што ў натуральным стане хімічна чыстае рэчыва з’яўляецца сумессю ізатопаў у розных прапорцыях. Цэлалікавасць (набліжаная) адносных атамных мас ізатопаў вельмі важная для высвятлення будовы атамнага ядра.
Усе хімічныя элементы маюць ізатопы. Зарады атамных ядзер ізатопаў аднолькавыя, але масы розныя.
| Ці існуюць ізатопы ў барыю, адносная атамная маса якога 137,34?
§ 82. АДКРЫЦЦЁ НЕЙТРОНА
Найважнейшым этапам у развіцці фізікі атамнага ядра было адкрыццё нейтрона ў 1932 г.
Штучнае ператварэнне атамных ядзер. Упершыню ў гісторыі чалавецтва штучнае ператварэнне ядзер было зроблена Рэзерфордам у 1919 г. Гэта не было ўжо выпадковым адкрыццём.
Паколькі ядро вельмі ўстойлівае і ні высокія тэмпературы, ні ціскі, ні электрамагнітныя палі не выклікаюць ператварэння элементаў і не ўплываюць на скорасць радыеактыўнага распаду, то Рэзерфорд дапусціў, што для разбурэння або пераўтварэння ядра патрэбна вельмі вялікая энергія. Найбольш падыходзячымі носьбітамі вялікай энергіі ў той час былі ачасціцы, якія вылятаюць з ядзер пры радыеактыўным распадзе.
Першым ядром, якое падверглася штучнаму пераўтварэнню, было ядро азоту 4N. Бамбардзіруючы азот ачасціцамі вялікай энергіі, выпраменьваемымі радыем, Рэзерфорд выявіў з’яўленне пратонаў — ядзер атама вадароду.
У першых доследах рэгістрацыя пратонаў праводзілася метадам сцынтыляцый, і вынікі доследу не былі дастаткова пераканаўчымі і надзейнымі. Але праз некалькі гадоў ператварэнне азоту ўдалося назіраць у камеры Вільсана. Прыкладна адна ачасціца на 50 000, выпрамененых радыеактыўным прэпаратам у камеры, захопліваецца ядром азоту, што прыводзіць да выпраменьвання пратона. Пры гэтым ядро азоту ператвараецца ў ядро ізатопу кіслароду:
4N + ^He^O + lH.
На рысунку 181 паказана адна з фатаграфій гэтага працэсу. Злева відаць характэрная «вілка» — разгалінаванне трэка. Тоў
227
Рык. 181
сты след належыць ядру кіслароду, а тонкі — пратону. Астатнія ачасціцы не сутыкаюцца з ядрамі, і іх трэкі прамалінейныя.
Іншымі даследчыкамі былі выяўлены ператварэнні пад уплывам ачасціц ядзер фтору, натрыю, алюмінію і інш., якія суправаджаліся выпраменьваннем пратонаў. Ядры цяжкіх элементаў канца перыядычнай сістэмы не зведвалі ператварэнняў. Відаць, што іх вялікі электрычны зарад не дазваляў ачасціцы наблізіцца да ядра ўшчыльную.
Адкрыццё нейтрона. У 1932 г. адбылася найважнейшая для ўсёй ядзернай фізікі падзея: вучнем Рэзерфорда англійскім фізікамД. Чэдвікам быў адкрыты нейтрон.
Пры бамбардзіроўцы берылію ачасціцамі пратоны не з’яўляліся. Але выявілася нейкае вельмі пранікаючае выпраменьванне, здольнае пераадолець такую перашкоду, як свінцовая пласціна ў Ю—20 см таўшчынёй. Было зроблена дапушчэнне, што гэта упрамені вялікай энергіі. Ірэн ЖаліоКюры (дачка Марыі і П’ера Кюры) і яе муж Фрэдэрык ЖаліоКюры выявілі, што калі на шляху выпраменьвання, што ўтвараецца пры бамбардзіроўцы берылію ачасціцамі, паставіць парафінавую пласцінку, то іанізуючая здольнасць гэтага выпраменьвання рэзка павялічваецца. Яны справядліва дапусцілі, што гэта выпраменьванне выбівае з парафінавай пласцінкі пратоны, якія ёсць у вялікай колькасці ў гэтым вадародзмяшчальным рэчыве. 3 дапамогай камеры Вільсана (схема доследу паказана на рысунку 182) жонка і муж ЖаліоКюры выявілі гэтыя пратоны і па даўжыні прабегу ацанілі іх энергію. Калі згодна са зробленым дапушчэннем пратоны паскараліся ў выніку сутыкнення з уквантамі, то энергія гэтых квантаў павінна была быць велізарнай — каля
Рыс. 182
55 МэВ.
Чэдвік назіраў у камеры Вільсана трэкі ядзер азоту, якія мелі сутыкненні з берыліевым выпраменьваннем. Па яго ацэнцы, энергія уквантаў, здольных надаваць ядрам азоту скорасць, якая выяўлялася ў гэтых назіраннях, павінна была складаць 90 МэВ. Аналагічныя ж назіранні ў камеры Вільсана трэкаў ядзер аргону прывялі да вываду, што энергія ўказаных гіпатэтычных уквантаў павінна складаць 150 МэВ. Такім чынам, лічачы, што ядры прыходзяць у рух у выніку сутыкнення з часціцамі, якія пазбаўлены масы спакою, даследчыкі прыйшлі да яўнага супярэчання: адным і тым жа уквантам прыходзілася прыпісваць розную энергію.
Стала відавочным, што дапушчэнне аб
228
ЖаліоКюры Фрэдэрык (1900—1958) — французскі вучоны і прагрэсіўны грамадскі дзеяч. ЖаліоКюры сумесна з жонкай Ірэн адхрыў у 1934 г. штучную радыеактыўнасць. Вялікае значэнне для адкрыцця нейтрона мелі работы мужа і жонкі Кюры па даследаванню выпраменьвання берылію пад дзеяннем ачасціц. Фрэдэрык ЖаліоКюры з супрацоўнікамі ў 1939 г. упершыню вызначыў сярэдні лік нейтронаў, якія вылятаюць пры дзяленні ядра атама урану, і паказаў прынцыповую магчымасць ланцуговай ядзернай рэакцыі з вызваленнем энергіі.
выпраменьванні берыл'ем уквантаў, г. зн. часціц, пазбаўленых масы спакою, неабгрунтавана. 3 берылію пад дзеяннем ачасціц вылятаюць нейкія дастаткова цяжкія часціцы. Толькі пры сутыкненнях з цяжкімі часціцамі пратоны або ядры азоту і аргону маглі атрымаць тую вялікую энергію, якая назіралася. Паколькі гэтыя часціцы валодалі вялікай пранікальнай здольнасцю і непасрэдна не іанізавалі газ, то, значыць, яны былі электрычна нейтральнымі. Зараджаная ж часціца моцна ўзаемадзейнічае з рэчывам і таму хутка траціць сваю энергію.
Новая часціца была названа нейтронам. Існаванне прадказваў Рэзерфорд больш чым за 10 гадоў да доследаў Чэдвіка. Па энергіі і імпульсу ядзер, якія сутыкаюцца з нейтронамі, была вызначана іх маса. Яна аказалася крыху большай за масу пратона — 1838,6 электронных мас замест 1836,1 для пратона. Пры пападанні ачасціц у ядры берылію адбываецца рэакцыя:
4Ве р гНе—> 'ІС 4 on.
Тут on — сімвал нейтрона; зарад яго роўны нулю, а адносная маса — прыблізна адзінцы.
Нейтрон — нестабільная часціца: свабодны нейтрон за час каля 15 мін распадаецца на пратон, электрон і нейтрына — часціцу, якая пазбаўлена масы спакою.
Элементарная часціца — нейтрон не мае электрычнага зараду. Яго маса большая за масу пратона прыблізна на 2,5 электронныя масы.
I
• Растлумачце, чаму пры цэнтральным сутыкненні з пратонам нептрон перадае яму ўсю энергію, а пры сутыкненні з ядром азоту — толькі яе частку.
§ 83. БУДОВА АТАМНАГА ЯДРА. ЯДЗЕРНЫЯ СІЛЫ
Адразу ж пасля таго, як у доследах Чэдвіка быў адкрыты нейтрон, савецкі фізік Д. Д. Іваненка і нямецкі вучоны В. Гейзенберг у 1932 г. прапанавалі пратоннанейтронную
229
мадэль ядра. Яна была пацверджана наступнымі даследаваннямі ядзерных ператварэнняў і ў цяперашні час з’яўляецца бясспрэчнай.
Пратоннанейтронная мадэль ядра. Згодна з пратоннанейтроннай мадэллю ядры складаюцца з элементарных часціц двух сартоў: пратонаў і нейтронаў.
Паколькі цалкам атам электрычна нейтральны, а зарад пратона роўны модулю зараду электрона, то лік пратонаў у ядры роўны ліку электронаў у атамнай абалонцы. Значыць, лік пратонаў у ядры роўны атамнаму нумару элемента Z у перыядычнай сістэме элементаў Д. I. Мендзялеева.
Суму ліку пратонаў Z і ліку нейтронаў N у ядры называюць масавым лікам і абазначаюць літарай А:
A = Z + N. (10.2)
Масы пратона і нейтрона блізкія адна да адной, і кожная з іх прыблізна роўна атамнай адзінцы масы. Маса электронаў у атаме многа меншая за масу ядра. Таму масавы лік ядра роўны акругленай да цэлага ліку адноснай атамнай масе элемента. Масавыя лікі могуць быць вызначаны шляхам грубага вымярэння масы ядзер прыладамі, якія не валодаюць асоба вялікай дакладнасцю.
Ізатопы — гэта ядры з адным і тым жа значэннем Z, але рознымі масавымі лікамі А, г. зн. з розным лікам нейтронаў N.
Ядзерныя сілы. Паколькі ядры вельмі ўстойлівыя, то пратоны і нейтроны павінны ўтрымлівацца ўнутры ядра нейкімі сіламі, прычым вельмі вялікімі. Што гэта за сілы? Заведама можна сказаць, што гэта не гравітацыйныя сілы, якія вельмі слабыя. Устойлівасць ядра не можа быць растлумачана таксама электрамагнітнымі сіламі па той прычыне, што паміж аднайменна зараджанымі пратонамі дзейнічае электрычнае адштурхванне, а нейтроны пазбаўлены электрычнага зараду.
Значыць, паміж ядзернымі часціцамі — пратонамі і нейтронамі (часта іх называюць нуклонамі) — дзейнічаюць асобыя сілы. Назва для іх знайшлася сама сабой — ядзерныя сілы. Якія асноўныя ўласцівасці ядзерных сіл?
Ядзерныя сілы прыкладна ў 100 разоў перавышаюць электрычныя (кулонаўскія) сілы. Гэта самыя магутныя сілы з усіх, якія ёсць у прыродзе. Таму ўзаемадзеянне ядзерных часціц часта называюць моцнымі ўзаемадзеяннямі.
Моцныя ўзаемадзеянні не зводзяцца толькі да ўзаемадзеянняў нуклонаў у ядры. Гэта асобы тып узаемадзеяння, які мае большасць элементарных часціц разам з электрамагнітнымі ўзаемадзеяннямі.
Другая важная асаблівасць ядзерных сіл — гэта іх караткадзеючы характар. Электрамагнітныя сілы параўнальна павольна ўбываюць з адлегласцю. Ядзерныя сілы прыметна праяўляюцца толькі на адлегласцях, роўных па парадку велічыні размерам ядра
КНІГІ ОНЛАЙН
