Образовака🌡️ Физика9 классСтроение атома и атомного ядра. использование энергии атомных ядер

Физика атома и атомного ядра

4.7

Средняя оценка: 4.7

Всего получено оценок: 118.

Физика сформировалась как наука о явлениях природы, в которых происходят различные изменения с состоянием вещества, но не происходит появление новых веществ. Однако в начале XX в. в рамках физики появился раздел, который стал исключением из этого правила. Речь идёт о физике атома и атомного ядра. Поговорим кратко, над чем работает эта наука.

Сложный состав атома

Как известно из курса физики 9 класса, к середине XIX в. было твёрдо установлено существование неделимых частиц материи — атомов, из которых состоят молекулы всех веществ.

Однако позже открыли радиоактивность, а в самом конце XIX в. был открыт электрон и доказали, что он входит в состав атомов вещества. Опыт, поставленный в начале XX в. Э. Резерфордом, показал, что атом имеет сложное строение: он состоит из положительно заряженного ядра и электронных оболочек, окружающих его.

Рис. 1. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.

С этого времени началось изучение структуры атомов и атомных ядер, что и ознаменовало рождение нового раздела физики — физики атома и атомного ядра.

Противоречия с классической электродинамикой

На уровне атомов и особенно атомных ядер многие привычные представления, сложившиеся в классической физике, перестают работать. В первую очередь это относится к формулам классической электродинамики. Согласно им, любой заряд, движущийся с ускорением, должен излучать и при этом терять энергию. Следовательно, атомы должны излучать, а электроны при этом терять энергию и приближаться к ядрам.

В реальности этого не происходит. Объяснить это противоречие удалось только после развития квантовых представлений, утвердивших корпускулярно-волновой дуализм электронов (и любых других частиц) в теории, разработанной Л. де Бройлем. Любая частица, имеющая энергию, проявляет как корпускулярные, так и волновые свойства. Электрон в атоме не излучает потому, что в электронной оболочке укладывается целое число длин волн, соответствующих электрону. Ускорения движения заряда электрона нет.

Идеи Л. де Бройля получили развитие в теории В. Гейзенберга, согласно которой невозможно одновременно измерить импульс и пространственное положение электрона в атоме. Чем точнее определяется импульс электрона, тем труднее сказать, где он находится в атоме.

Фактически электрон не движется по орбите вокруг ядра, он получается «размазанным» по ней.

Открытия новых частиц и взаимодействий

В 1932 г. был открыт нейтрон и доказано, что он входит в состав атомных ядер. Были построены модели атомов, объяснена причина радиоактивности. Однако было неясно, какие силы удерживают протоны и нейтроны в весьма малом объёме ядра. Природа этих сил должна была отличаться от электромагнитной и гравитационной.

Взаимодействие, удерживающее протоны и нейтроны в ядре рядом, было названо ядерным или сильным, а частицы, участвующие в нем, — адронами. Ко второй половине XX в. были были открыты и многие другие адроны, которые могли превращаться друг в друга, что привело к мысли о новом уровне микромира — кварках.

Кварки удерживаются в составе адрона особым взаимодействием, переносчики которого были названы глюонами.

Существует ещё одно слабое взаимодействие, которое не порождает силового взаимодействия, а отвечает за распад некоторых частиц, в том числе за распад нейтрона.

Ещё один тип частиц, которые были открыты в рамках ядерной физики, — это античастицы. Каждая частица соответствует некоторому уровню энергии, и этот уровень может быть не только положительным, но и отрицательным. Такая частица отрицательного уровня была названа античастицей. Любая частица имеет своего двойника-античастицу. Например, электрону соответствует античастица позитрон.

Что мы узнали?

Атомная и ядерная физика изучает структуру атома, атомного ядра и законы, действующие в микромире. Законы этого раздела физики противоречат классическим представлениям и описываются квантовой теорией. В ядрах действует сильное взаимодействие, кроме того, существует слабое взаимодействие, «отвечающее» за распад частиц.