Квантовый мир

14. Атомное ядро

Основными существующими в данное время понятиями ядра атома являются его масса и заряд. Заряд ядра представляет определенное количество положительных элементарных зарядов. Заряд атома является нейтральным, его величиной определяется числом электронов в атоме. Заряд определяет химический элемент. Величина заряда ядра равна произведению элементарного заряда на зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента.

Масса ядра практически равна массе атома. За единицу массы атома принимается 1/16 массы атома кислорода или 1/12 массы изотопа углерода. С большой точностью определенны массы атомов. При этом было обнаружено разновидность атомов конкретного химического элемента, т.е. изотопов, обладающих одинаковым зарядом, но различающимися массой. Атомные веса изотопов называются атомными массами. Каждый химический элемент имеет определенное процентное содержание изотопов.

На основании этого следует, что каждому химическому элементу соответствует определенный атомный вес, представляющий средний значение масс. Изотопные массы выражаются целыми числами. Целое число, ближайшее к атомному весу, выраженное в атомных единицах массы, называется массовым числом – А. Ядра, обладающие одинаковой массой, но разными зарядами, называются изобарами.

Спин и магнитный момент ядра

С повышением разрешающей способности спектральных приборов было обнаружено явление сверхтонкой структуры. В. Паули выдвинул предположение, что, явление связано со спином ядра атома.

Спин ядра складывается из спинов составляющих его частиц и представлен моментами количества движения ядерных частиц в ядре. Спин ядра, состоящего из четного числа частиц, является целым числом, выраженный в единицах h. И, наоборот, из нечетного числа, спин ядра является полуцелым.

Атомные ядра имеют магнитные моменты. Магнитный момент ядра состоит из магнитных моментов ядерных частиц. Избирательное поглощение электромагнитного излучения веществом обуславливается с переходами его ядер между разными энергетическими подуровнями. По аналогии с расщеплением энергетических уровней электронов существует расщепление энергетических уровней ядра на ряд подуровней. Воздействием переменного магнитного поля с соответствующими частотами переходов между подуровнями приводит к избирательному поглощению излучения.

Для измерения магнитного момента нейтрона был проведен видоизмененный вариант метода магнитного резонанса. Результатом этого опыта было определение, что нейтрон имеет отрицательный магнитный момент.

Магнитный момент протона был определен методом отклонения молекулярного пучка. Этот опыт аналогичен методу Штерна и Герлаха.

Положительный знак магнитного момента протона определяет совпадения направления магнитного момента протона и его спина. У нейтрона направления магнитного момента противоположно его спину.

Состав ядра

При измерениях масс – спектроскопических характеристик ядра было обнаружено, что массы изотопов атомов больше по величине зарядов этих атомов. При увеличении зарядового числа эта разница увеличивается. Также было установлено, что массы ядер в а.е.м. имеют целочисленные числа, т.е. ядро состоит из частиц одинаковой массы.

Д.Д. Иваненко было сформулирована гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой теории заряд ядра – Z определяет количество протонов, а разность А – Z дает количество нейтронов. Элементарные частицы ядра-протона принято называть нуклонами. Частица нуклон имеет заряд +е в протонном состоянии и заряд – 0 в нейтронном состоянии.

Энергия связи ядра

Ядро атома представляет собой очень устойчивое образование. Эта устойчивость основана на особом взаимодействии между нуклонами. На основании этого введены понятия энергия связи нуклона, как физической величины равной работе, которую нужно совершить для удаления данного нуклона из ядра без придания ему кинетической энергии и энергии связи ядра, как работу, которую нужно совершить для расщепления ядра на нуклоны без придания им кинетической энергии.

Таким образом, разность между суммарной энергии свободных нуклонов, составляющих данное ядро и энергий в ядре, выражает энергию связи атомного ядра.

В главе 6 дается общее описание процесса возникновения вещества с химическими свойствами. В этом природном процессе образовываются массы всех ядер таблицы Менделеева. При образовании определенного химического элемента в состав ядра входят протоны и нейтроны. Соотношения этих частиц в ядре не постоянно. В одном случае число нейтронов может быть больше, в другом – меньше, но количество протонов не может превышать количество нейтронов. В данной теории предлагается, что при образовании атомов протону был придан крутящий момент, нейтрон не получил этой энергии. Отсюда вытекает разнообразие атомов одного химического элемента, т.е. изотопов. Таким образом, при выбросе струй нейтронного вещества квазаром, большинство нейтронов не получают спина, т.е. протоны составляют меньше половины массы вещества с химическими свойствами.

Элементарная частиц нуклон в форме протона атома водорода имеет наибольшую скорость спина. Следующий по таблице Менделеева идет атом гелия, имеющий два протона и два нейтрона. Каждый протон гелия затрачивает свою энергию на придание скорости одному нейтрону. Общее количество движения ядра атома гелия не меняется. Эта энергия лишь распределяется между протонами и нейтронами. Скорость протона уменьшается в два паза, с половины скорости света до одной четвертой:

V_ср. = c / 4.

Половина энергии протона ушла к нейтрону, тем самым снизилась давление среды матричного вакуума на атом гелия в два раза. Величина момента импульса электрона также изменилась.

Таким образом, заряд атома гелия не меняется, т.е. взаимодействие общего крутящего момента его ядра со средой матричного вакуума не меняется.

Если нуклон будет образован из нейтронов, то соответственно не будет крутящего момента у системы, т.е. заряд будет равен нулю. Нейтрон мог бы существовать во времени продолжительно долго, но в изолированной среде. Но среда вакуума пронизана большим диапазоном электромагнитного излучения. И нейтрон постоянно испытывает это действие и, в конце концов, распадается на элементарные кванты действия.

Среди тяжелых ядер встречается образования, где при одинаковой массе, количество протонов меняется. А, следовательно, меняется крутящий момент ядра, т.е. его заряд.

В ядерной физике принято, что специфику химического элемента определяет заряд ядра. В триаде химических элементов Zr, Mo, Ru массовое число имеет одинаковую величину, а заряд, т.е. крутящий момент этих ядер различный. Это различие заключается в том, что в состав этих ядер входит разное количество протонов. Спины циркония, молибдена, рутения определяют количество электронов на внешней оболочке. В этом выражается химическая индивидуальность этих элементов.

В главе «Квантовая механика «было дано понятие тонкой структуры спектральных линий на 6 А. Причиной этому являлось постоянная плотность фотонов в среде матричного вакуума.

Обнаруженное расщепление сверхтонкой структуры спектральных линий также обосновывается понятием постоянной плотности фотонов в среде матричного вакуума. Этот спектр фотонов включает в себя от ультрафиолетовых лучей до гамма-излучения. Но движения этих лучей хаотическое и распространяется на весь объем пространства, где находится вещество среды матричного и входит во взаимодействие с наружными электронами атомов вещества. В опыте А.Н. Теренина и Л.Н. Добрецова линия равная 5890 А укрупняется на фотон 0, 021 А и линия 5896 А – на 0,023 А. Это минимальное укрупнение обнаружено благодаря увеличению разрешающей способности приборов.

Аналогично электрону ядро атома также вращается вокруг своей оси по принципу перемещения материального тела в среде вакуума. Спин ядра эта вращение самого ядра и прижатой к нему средой вакуума волны де Бройля. При движении этой волны, она раздвигает матричный вакуум на свой объем. И ее кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию среды вакуума, т.е. частицы среды сжимаются. Затем среда вакуума обратно передает свою энергию ядру атома. Процесс раздвижения среды, т.е. движение вакуума, есть магнитный момент ядра. Эта волна выглядит как диск. Скорость вращения у разных химических элементов различная, но она не превышает линейной скорости ядра атома водорода.

В опыте по измерению магнитного резонанса. Нейтроны проходили через два ферромагнетика. При прохождении через магниты, ему была придана изначальная скорость. Движение нейтрона определяется принципом перемещения материального тела в среде матричного вакуума. Ней трон раздвигает окружающие его частицы среды вакуума, они получают движение. Любое движение частиц среды вакуума представляет магнитное поле.

В атомном ядре нейтроны т протоны относительно друг друга находятся в состоянии покоя. Прочная связь ядра осуществляется средой вакуума. Она постоянно давит на площадь сферы ядерного вещества. Рассчитаем объем этого вещества в атоме водорода:

V_яд = V_в · N_яд = 1,86·10^–41 м³,

где N_яд – количество лишних частиц среды вакуума в протоне.

Радиус ядерного вещества протона равен:

R_яд = 1,6·10^–14 м

Определим давление на поверхности ядра атома водорода:

Р_яд = Н_вод / 4πR²_яд = 4,6·10⁷ кг/м²

Площадь ядерного вещества в протоне, на которую давит вакуум, равна:

S_яд = 4πR²_яд = 3,4·10^–27 м².

Сила вакуума на эту площадь определяется:

F_яд = S_яд · Р_яд = 2,5·10^–19 кг.

Вычислим, какое давление будет в ядре протона на площади вакуума при половине радиуса протона:

R = 1/2 R_яд .

Количество лишних частиц уменьшается в восемь раз:

n = 3,15·10⁵.

Объем этих частиц составит:

V = V_м.в. = 2,3·10^–42 м³,

тогда

R = 0,81·10^–14 м.

Напряженность на поверхности протона равна Н = 2,5·10^–19 кг, тогда давление на радиусе равным R_яд/2 будет:

Р = Н / 4πR² = 3,0·10⁸ кг/м².

Как видно давление в протоне при уменьшении его радиуса увеличивается. Это явление представляет ядерные силы.

Рассчитаем давление на поверхности ядра атома гелия.

Напряженность, создаваемая спином ядра в среде вакуума, равна:

Н_гел = 2 Н_вод = 5,0·10^–19 кг.

Количество лишних частиц в ядре:

N_гел = 4 N_яд = 1,0·10⁷

Объем ядерного вещества в ядре гелия:

V_гел. = V_м.в. · N_гел = 7,5·10^–41 м³,

тогда:

R = 2,6·10^–14 м

Давление на поверхности ядра:

Р = Н_гел / 4πR² = 5,9·10⁷ кг/м²

Давление в атоме гелия возросло в 3,5 раза.

Величина давления на поверхности ядер химических элементов различна. В начале периодической системы Менделеева это давление составляет от 1,8·10⁷ кг/м² до 9,5·10⁷ кг/м².

В средней части таблицы Менделеева давление составляет от 1,1·10⁸ – 1,57·10⁸ кг/м².

По мере дальнейшего увеличения числа нуклонов в ядре давление также увеличивается.

Как указывалось, при возрастании масса химического элемента заряд не уменьшается, а окружная скорость ядра уменьшается. Отсюда можно выразить.

Средняя скорость i – химического элемента:

V_ср · i = с / 2n ,

где n = А / z; А – массовое число; i – химического элемента; z – зарядовое число.

В явлении естественной радиоактивности характерно превращение одних атомных ядер в другие. Имеются и легкие естественно – радиоактивные ядра: изотопы K, C, Rb и др. Как указывает практика, изотопная масса увеличивается почти целыми числами, т.е. за счет увеличения числа нейтронов. То есть при этом увеличивается давление среды вакуума на поверхности ядра изотопа и уменьшается окружная скорость ядра химического элемента.

У тяжелых химических элементов окружная скорость ядер уменьшается более чем в два с половиной раза. У ядра трития эта скорость снижается до 60 км/с.

Среда вакуума вокруг любого ядра имеет среднюю плотность фотонов. При снижении окружной скорости ядра фотона от инфракрасного до гамма-излучения имеют большую возможность достигнуть поверхности ядра. Это проникновение фотонов к ядру происходит с поверхности полюсов атома. Нуклон ядра, получив энергию фотона, увеличивает свою скорость и покидает атом. В целом в этом механизме заключается явление радиации.

Таким образом, прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, осуществляется ответной реакцией среды вакуума на напряженность ядра в вакууме. Среда вакуума постоянно давит на площадь сферы ядра и придает им одинаковую геометрическую форму. Основная энергия, которая содержится в ядре атома водород, заключена в его спине. На ядро постоянно действуют внешние силы. И ядро безостановочно имеет перемещения по всем трем координатам. Соответственно и волна де Бройля, также вращается в пространстве. Вследствие этого возникает явление прецессии электрона.

При вращении ядра его волна де Бройля практически находится в каждой точке сферы атома. Площадь точки является площадью электрона, который находится на орбите атома. То есть радиуса действия волна де Бройля показывает максимальное ее действие от ядра.

Величина работы, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, должны быть не меньше энергии самого спина ядра. Понятие расщепление ядра эквивалентно его остановке. Волна де Бройля, т.е. сам спин постоянно меняет свое местоположение на сфере атома и целенаправленно воздействовать на него затруднительно. Для этого необходима энергия, которая по величине была бы не меньше энергии спина ядра в каждой точке сфера атома. Если воздействие на ядро будет составлять хотя бы половину необходимой величины, то ядро, т.е. атом, будет двигаться в направлении противоположном воздействию этой силы. Ядро как бы будет отскакивать от этой силы, подобно волчку при соприкосновении его с предметом.

Для расчета работы по расщеплению ядра необходимо величину его спина умножить на количество площадей электрона:

W_рас. = N · L_пр.,

где L_пр. – отталкивающий момент протона.

• 15. Понятие энтропии

• Оглавление

Дата публикации:

16 ноября 2011 года