ЛЕКЦИЯ 17

атомов, соединенных между собой химическими связями, и являющаяся но-сителем их

основных химических и физических свойств.
Химические связи обусловлены взаимодействием внеш-них, валентных электронов атомов. Наиболее часто встречаются два типа связи: ионная и ковалентная.

взаимодействием атомов при перехо-де электрона одного атома к другому, то

есть при об-разовании положительного и отрицательного ионов.
КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ (H₂ ,C₂ ) – осуществляется при обобществлении валентных электронов двумя сосед-ними атомами (спины валентных электронов должны быть антипараллельны). Ковалентная связь объясняет-ся на основе принципа неразличимости тождествен-ных частиц, например электронов в атоме водорода. Неразличимость частиц приводит к обменному взаи-модействию. Это чисто квантовый эффект, не имею-щий классического объяснения, но его можно предста-вить так, что электрон каждого из атомов молекулы

связь обоих атомов образующих молекулу. При сближении двух водородных атомов

до расстояния порядка боровского радиуса возникает их взаимное притяжение и образуется устойчивая молекула водорода.

в молекуле , колебания атомов молекулы и вращение молекулы. Энергия

изолированной молекулы:

где:
– энергия движения электронов относительно ядер
– энергия колебаний ядер (в результате которого из-меняется относительное положение ядер)
– энергия вращения ядер (в результате которых пе-риодически изменяется ориентация молекулы в прост-ранстве)

ЭНЕРГИЯ МОЛЕКУЛЫ

массы ядер атомов в молекуле,

. Поэтому :
Доказано что:

Каждая из данных энергий квантуется (им соответствует набор дискретных значений уровней энергии) и опре-деляется квантовыми числами. При переходе из одно- го энергетического состояния в другое поглощается, или испускается энергия . При таких перехо-дах одновременно изменяются энергии .

энергии энергии Для простоты рассмотрим

только два из этих состоя-ний (состояния 1 и2 с энергиями ).

Если атом находится в основном состоя-нии 1, то под воздействием внешнего излучения может осуществляться вы-нужденный переход в возбужденное

состояние 2, приводящий к поглощению излучения. Ве-роятность подобных переходов пропорциональна плотности излучения вызывающего эти переходы.

времени спонтанно, без каких либо внешних воздействий перейти в
состояние

с низшей энергией (в нашем случае основ-ное), отдавая избыточную энергию в виде электромаг-нитного излучения, (посредством испускания фотона с энергией ). Процесс испускания фотона возбуж-денным атомом (возбужденной микросистемой) без ка-ких либо внешних воздействий называется спонтанным (самопроизвольным) излучением. Чем больше вероят-ность спонтанных переходов, тем меньше время жизни атома в возбужденном состоянии. Так как спонтанные переходы взаимно не связаны, то спонтанное излуче-ние некогеррентно.

и испускаемым и поглощаемым им излучением Эйнштейн (в 1916г.) постулировал,

что помимо поглощения и спонтанного излучения должен быть иной, качественно новый тип взаимодействия.

Если на атом, находящийся в состо-янии 2 действует внешнее излу-чение с частотой удовлетворяю-

щей условию , то возникнет вынужденный (ин-дуцированный) переход в основное состояние 1 с излу-чением фотона той же энергии . При подобном переходе происходит излучение атомом фотона, до-полнительно к тому фотону, под действием которого и

(инду-цированным) излучением. В процесс вынужденного из-лучения вовлечены два фотона: первичный

фотон, вы-зывающий испускание излучения возбужденным ато-мом , и вторичный фотон, испущенный атомом. Вторичные фотоны неотличимы от первичных, являясь их полной копией.
В статистической физике известен принцип детального равновесия, согласно которому, при термодинамичес-ком равновесии, каждому процессу можно сопоставить обратный процесс, причем скорости их протекания одинаковы.

вынуждающе-му излучению (первичным фотонам), оно имеет такую же частоту, фазу,

поляризацию и направление распро-странения как вынуждающее излучение. Значит, вы-нужденное излучение строго когеррентно с вынужда-ющим, то есть испускаемый фотон неотличим от фото-на падающего на атом.
Испускаемые фотоны двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужденные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы и число фото-нов растет лавинообразно, однако, наряду с этим про-цессом возможно и поглощение, и для усиления пада-ющего излучения необходимо что бы число актов вы-нужденного излучения фотонов (оно пропорциональ-

за-селенности основных состояний).
В системе атомов находящихся в термодинамическом равновесии, поглощение

падающего излучения будет преобладать над вынужденным, то есть падающее из-лучение при прохождении через вещество будет ослаб-ляться.
Что бы среда усиливала падающее на него излучение, не-обходимо создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в возбужденном состоянии было бы больше чем их число в основном состоянии. Это состояние с инверсией населенностей. Процесс соз-дания неравновесного состояния вещества называется накачкой.

вследствие чего па-дающий пучок света при прохождении через эти сре-ды

будет усиливаться. Эти среды называются активны-ми.

тонкие пластины золота, при-шел к выводу, что атом состоит из

положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Раз-меры атома примерно м,

размеры ядра м. Атомное ядро состоит из НУКЛОНОВ включающих в себя: протоны и нейтроны.
ПРОТОН (р)– имеет массу и положительный заряд, равный заряду электрона кл.
НЕЙТРОН (n) – нейтральная частица с массой покоя .

. Атомное ядро характеризуется заря-дом , где

заряд электрона. – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в табли-це Менделеева ( ).
Ядро обозначается тем же символом что и нейтральный атом , где – символ химического элемента, – атомный номер (число протонов в ядре), – массовое число (число нуклонов в ядре).

в атоме. От числа электронов завиит их распределение по состояниям

в атоме, от которого в свою очередь, зависят химические свойства атома (за-ряд определяет специфику данного химического эле-мента), то есть определяет число элементов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.
Ядра с различными , но одинаковыми (то есть с раз-ными числами нейтронов называются ИЗОТОПАМИ, а ядра с одинаковыми но разными – ИЗОБАРАМИ.
Ядра атомов – устойчивые образования. Это значит, что в ядре между нуклонами существует определённая связь.

(приборов , разделяющих с помощью электрических и магнитных полей пучки

заряженных частиц (ионов) с разными удельными зарядами ). Масс-спектромет-рические исследования показали, что масса ядра мень-ше чем сумма масс составляющих его нуклонов. Но, так как всякому изменению массы должно соответст-вовать изменение энергии, то и при образовании ядра должна выделиться определённая энергия.
Справедливо и обратное: для разделения ядра на состав-ные части необходимо затратить такое же количество энергии, которое выделялось на его образование.

нуклоны – ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ:

Где:
– массы протонов, нейтронов и ядра

соответ-ственно.
В таблицах обычно приводится масса не ядер, а атомов, поэтому энергия связи представляется в виде:

Где:
– массы атома водорода и исследуемого атома.
Разница в массах ядра и составляющих его нуклонов – ДЕФЕКТ МАССЫ

силы, значительно превышающие кулоновские силы отталкивания между протонами. Они называются

– ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ.
С помощью экспериментальных данных по рассеянию нуклонов на ядрах, ядерным превращениям и т.д. дока-зано, что ядерные силы намного превышают гравита-ционные, электрические, магнитные взаимодействия и не относятся к ним. Ядерные силы относятся к классу так называемых сильных взаимодействий.

(действуют на расстоянии до 10ˉ¹⁵м,далее быстро убывают до нуля. На

коротких расстояниях примерно в 100 раз сильнее кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии).
Ядерным силам свойственна зарядовая независимость (ядерные силы между двумя протонами, двумя нейт-ронами, и между протоном и нейтроном одинаковы по величине, а значит имеют не электрическую природу).
Ядерным силам свойственно насыщение (каждый нук-лон в ядре, взаимодействует с ограниченным количес-твом ближайших к нему нуклонов).

не являются центральными, то есть действующими по линии соединяющей центры

взаимодействующих нуклонов.

движения всех нуклонов относительно друг друга (ядро с массовым числом

А представляет собой систему из А тел) не позволили до сего дня выработать единую теорию атомного ядра. Поэтому прибегают к рассмотрению приближенных ядерных моделей, в ко-торой ядро заменяется некоторой модельной систе-мой, хорошо описывающей только некоторые свойст-ва, и допускающей более-менее простую математичес-кую трактовку. Из большого числа моделей рассмот-рим:

И. Френкель) основана на аналогии поведения нуклонов в ядре и

поведением молекул в капле жидкости. В обоих случа-ях силы действующие между составными частицами – короткодействуюшие и им свойственно насыщение. Для капли жидкости, при данных внешних условиях характерна постоянная плотность вещества. Ядра же характеризуются практически постоянной удельной энергией связи (энергия связи отнесенная к одно-му нуклону , характеризует устойчивость ядер, чем больше тем устойчивее ядро. Значение определяется по справочнику), и постоянной плотно-стью , не зависящей от числа нуклонов в ядре. Объём капли как и объём ядра пропорционален количеству

ядре, объяснила механизм ядерных реакций ( особенно реакции деления ядер),

но эта модель не могла объяснить повышенную устойчивость ядер содержащих магические числа протонов и нейтронов).
(наиболее устойчивыми оказываются так называемые магические ядра у которых число протонов или нейт-ронов равно одному из «магических чисел»)
2,8,20,28.50,82,126
Особенно стабильны дважды магические ядра у которых магическое и число протонов и число нейтронов:

по дискретным энергетическим уров-ням (оболочкам) и связывает устойчивость ядер с

за-полнением этих уровней. Считается, что ядра с полно-стью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Оболочечная модель ядра позволила объяснить различную устойчивость атомных ядер, а так же периодичность изменений их свойств. Эта модель особенно хорошо применима для описания лёгких и средних ядер.
Впоследствии возникли некоторые другие модели:
Обобщенная модель (синтез капельной и оболочечной)
Оптическая модель (объясняет взаимодействие ядра с налетающими частицами).

ко-торое ионизировало воздух, воздействовало на фото-пластинку, проникало через тонкие слои

металла.
Исследования Беккереля продолжили Пьер и Мария Кю-ри. Обнаруженное излучение назвали РАДИОАКТИВ-НЫМ а само явление РАДИОАКТИВНОСТЬЮ.
РАДИОАКТИВНОСТЬ – способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра, с испусканием различных видов радиоактивных излуче-ний и элементарных частиц.
Радиоактивность подразделяется на естественную (наб-людающуюся у неустойчивых изотопов, существующих

реакций). Принципи-ального различия между этими видами радиоактив-ности нет.
Радиоактивное излучение бывает

трёх видов:
α-излучение
β-излучение
γ-излучение

, откланяется электрическими и магнитными полями, обладает высокой ионизирующей

способностью, ма-лой проникающей способностью (поглощается алюми-нием толщиной 0,05 мм).
Формула α-распада:

и магнитными полями, его ионизирующая способность на два порядка ниже,

а проникающая способность го-раздо выше (поглощается 2-мм слоем алюминия).
β-излучение быстро рассеивается в веществе. Образова-ние β-электрона происходит путем преобразования одного из нейтронов в протон, и выделении частицы β-электрона и антинейтрино.
Нейтрино – имеет нулевой заряд, неразличимо малую ( ) массу покоя.
Антинейтрино – античастица к нейтрино

равна массе электрона, заряды электрона и позитрона равны по модулю.

Заряд у позитрона положительный:

Образуется путем преобразования одного из протонов в нейтрон.
Если встречаются позитрон и электрон они аннигилиру-ются, то есть превращаются в два γ-кванта. Причем их энергия переходит в энергию фотонов:

Формула β- распада:
Формула β+ распада:

ионизирующей способ-ностью и очень большой проникающей способностью (проходит сквозь слой

свинца толщиной 5 см). При про-хождении через кристаллы обнаруживает дифракцию.
Представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение, с чрезвычайно короткой длиной волны, и, вследствие этого, обладает ярко выраженными корпус-кулярными свойствами ( м), и является потоком частиц γ-квантов (фотонов). γ-излучение не является са-мостоятельным видом радиоактивности, а только соп-ровождает α и β излучения, а так же возникает при яде-рных реакциях. При γ-излучении A и Z ядра не изменя-ются, поэтому оно не описывается правилами смеще-ния

прев-ращение ядер проходящее самопроизвольно. Ядро проходящее распад – материнское, возникающее

ядро – дочернее.
Закон радиоактивного распада:
Где:
– начальное число нераспавшихся ядер (в момент времени .
– число нераспавшихся ядер в момент времени .
– постоянная радиоактивного распада

– время за которое распадается половина радиоактивных ядер.

Среднее время жизни

радиоактивного ядра:


Активностью А нуклида (общее название атомных ядер отличающихся числом протонов и нейтронов) в радио-активном источнике, называется число распадов, про-исходящее в ядрах за 1 с.

Активность измеряется в беккерелях (Бк) или Кюри (Ки).

элементарными частицами (в том числе и с γ-квантами), или друг

с другом. Наиболее распространена ядерная реакция:

Где:
– исходное и конечное ядра
– бомбардирующая и испускаемая (или испускае-мые) в ядерной реакции частицы.

них частиц
1.1. реакция под действием нейтронов.
1.2. реакция под действием заряженных

частиц (α- частиц, протонов).
1.3. реакция под действием γ-квантов.
По энергии вызывающих их частиц
2.1. реакции при малых энергиях (около 1 эВ) проис- ходят в основном под воздействием нейтронов.
2.2. реакции при средних энергиях (МэВы) с участи- ем γ-квантов и заряженных частиц (α-частиц, протонов).

МэВ), приводящие к рождению отсутствующих в свободном

состоянии элементарных частиц.
По роду участвующих в них ядер
3.1. реакции на легких ядрах (А<50)
3.2. реакции на средних ядрах (50<А<100)
3.3. реакции на тяжелых ядрах (А>100)
По характеру происходящих ядерных превращений
4.1. реакции с испусканием нейтронов
4.2. реакции с испусканием заряженных частиц
4.3. реакции захвата (составное ядро не испускает никаких частиц, а излучает один или несколько γ- квантов .

при бомбардировке ядра азота α-частицами испускаемыми радиоактивным источни-ком.
Нейтроны, являясь электрически

нейтральными, легко проникают в ядра, не испытывают кулоновского откло-нения и вызывают разнообразные ядерные превраще-ния. Ядерные реакции под действием нейтронов сыг-рали большую роль в развитии ядерной физики, и привели к созданию ядерных реакторов.
Было доказано, что при облучении урана нейтронами, образуются элементы из середины периодической системы (лантан и барий):

ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА

деления ядра, заключавшихся в том что тяжелые ядра под действием

нейтронов делятся на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра близких по массе. Особенностью деления яд-ер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трёх вторичных нейтронов называемых нейтрона-ми деления. Испускаемые при делении ядер нейтроны могут вызвать новые акты деления ядер.
Ядерная реакция, в которой частицы вызывающие реак-цию, образуются как продукты этой реакции – ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ.

деления характеризуется коэффициентом размножения нейтронов. Если

выполняется необходимое условие для поддержания цепной реакции. Коэффициент размножения зави-сит от природы делящегося вещества, от количества изотопа, от размеров и природы активной зоны (коне-чного пространства где происходит цепная реакция). Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции называются критическими размерами. Минимальная масса деля-щегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной ре-акции называется – критической массой.

жизни одного поколения нейтронов, а число нейтронов в

данном поколении. В следую-щем поколении их будет , то есть прирост числа нейтронов за поколение . Прирост же числа нейтронов за единицу времени, то есть ско-рость нарастания цепной реакции:

Проинтегрировав это значение получим:

Где:
– число нейтронов в начальный момент времени
– число нейтронов в момент времени

). При идёт развива-ющаяся

реакция , число делений непрерывно возрас-тает, и реакция может стать взрывной.
При идёт самоподдерживающаяся реакция, при ко-торой число нейтронов с течением времени не изме-няется.
При идёт затухающая реакция.
Цепные реакции делятся на управляемые и неуправля-емые. Классический пример неуправляемой реакции –атомный взрыв, а управляемой – работа термоядер-ного реактора.