Atomo branduolys, kaip ir kiti mikropasaulio objektai, yra kvantinė sistema. Tai reiškia, kad teoriniam jo charakteristikų aprašymui reikia įtraukti kvantinę teoriją. Kvantinėje teorijoje fizinių sistemų būsenų aprašymas remiasi bangų funkcijos, arba tikimybių amplitudėsψ(α,t). Šios funkcijos modulio kvadratas nustato tikimybės tankį aptikti tiriamą sistemą būsenoje, kurios charakteristika α – ρ (α,t) = |ψ(α,t)| 2. Banginės funkcijos argumentas gali būti, pavyzdžiui, dalelės koordinatės.
Bendra tikimybė paprastai normalizuojama iki vieneto:
Kiekvienas fizikinis dydis yra susietas su tiesiniu Hermito operatoriumi, veikiančiu banginių funkcijų ψ Hilberto erdvėje. Vertybių spektras, kurį gali turėti fizinis dydis, nustatomas pagal jo operatoriaus savųjų verčių spektrą.
Vidutinė fizinio dydžio reikšmė būsenoje ψ yra
() * = <ψ ||ψ > * = <ψ | + |ψ > = <ψ ||ψ > = .
Branduolio, kaip kvantinės sistemos, būsenos, t.y. funkcijos ψ(t) , paisykite Schrödinger lygties („u. Sh“)
 |
(2.4) |
Operatorius yra „Hermitian Hamilton“ operatorius ( Hamiltono) sistemos. Kartu su pradine ψ(t) sąlyga (2.4) lygtis nustato sistemos būseną bet kuriuo metu. Jei tai nepriklauso nuo laiko, tada bendroji sistemos energija yra judėjimo integralas. Būsenos, kuriose bendra sistemos energija turi tam tikrą vertę, vadinamos stacionarus. Stacionarios būsenos yra aprašomos operatoriaus savinėmis funkcijomis (Hamiltono):
| ψ(α,t) = Eψ(α,t); ψ (α ) = Eψ( α ). |
(2.5) |
Paskutinė lygtis - stacionarioji Šriodingerio lygtis, kuris visų pirma lemia stacionarios sistemos energijų aibę (spektrą).
Stacionariose kvantinės sistemos būsenose, be energijos, gali būti išsaugoti ir kiti fizikiniai dydžiai. Fizinio dydžio F išsaugojimo sąlyga yra jo operatoriaus komutatoriaus lygybė 0 su Hamiltono operatoriumi:
| [,] ≡ – = 0. | (2.6) |
1. Atomų branduolių spektrai
Atomų branduolių kvantinė prigimtis pasireiškia jų sužadinimo spektrų dėsningumais (žr., pvz., 2.1 pav.). Spektras 12 C branduolio sužadinimo energijų srityje žemiau (apytiksliai) 16 MeV Tai turi diskretiškas charakteris. Virš šios energijos spektras yra ištisinis. Diskretus sužadinimo spektro pobūdis nereiškia, kad lygių pločiai šiame spektre yra lygūs 0. Kadangi kiekvienas sužadintas spektro lygis turi baigtinį vidutinį tarnavimo laiką τ, lygio plotis Г taip pat yra baigtinis ir yra susijęs su vidutinė tarnavimo trukmė pagal ryšį, kuris yra energijos ir laiko neapibrėžties santykio pasekmė ∆t ∆E ≥ ћ :
Branduolių spektrų diagramos rodo branduolio lygių energijas MeV arba keV, taip pat būsenų sukinį ir paritetą. Diagramose taip pat, jei įmanoma, nurodomas būsenos izospinas (nes spektrų diagramos pateikia lygio sužadinimo energija, pradinės būsenos energija laikoma pradžia). Sužadinimo energijų srityje E< E отд - т.е. при энергиях, меньших, чем энергия отделения нуклона, спектры ядер - diskretus. Tai reiškia kad spektrinių lygių plotis yra mažesnis už atstumą tarp lygių G< Δ E.
Identiškų dalelių kvantinės sistemos
Kvantinės mikrodalelių elgsenos ypatybės, išskiriančios jas nuo makroskopinių objektų savybių, išryškėja ne tik vertinant vienos dalelės judėjimą, bet ir analizuojant elgesį. sistemos mikrodalelės . Tai ryškiausiai matosi fizinių sistemų, susidedančių iš identiškų dalelių – elektronų, protonų, neutronų ir kt., pavyzdyje.
Sistemai nuo N dalelės su masėmis t 01 , t 02 , … t 0 i , … m 0 N, turintis koordinates ( x i , y i , z i), bangos funkcija gali būti pavaizduota kaip
Ψ (x 1 , y 1 , z 1 , … x i , y i , z i , … x N , y N , z N , t) .
Elementariam tūriui
dV i = dx i . dy i . dz i
dydžio
w =
nustato tikimybę, kad viena dalelė yra tūryje dV 1, kito tūrio dV 2 ir tt
Taigi, žinant dalelių sistemos banginę funkciją, galima rasti bet kokios erdvinės mikrodalelių sistemos konfigūracijos tikimybę, taip pat bet kokio mechaninio dydžio tikimybę tiek visai sistemai, tiek atskirai dalelei. taip pat apskaičiuokite vidutinę mechaninio dydžio vertę.
Dalelių sistemos banginė funkcija randama pagal Šriodingerio lygtį
, kur
Hamiltono funkcijos operatorius dalelių sistemai
+
.
jėgos funkcija i-
dalelė išoriniame lauke ir
Sąveikos energija i- oi ir j- oi dalelės.
Identiškų dalelių neatskiriamumas kvante
mechanika
Dalelės, kurių masė, elektros krūvis, sukimasis ir kt. tomis pačiomis sąlygomis elgsis lygiai taip pat.
Tokios tos pačios masės dalelių sistemos Hamiltono m oi ir tos pačios jėgos funkcijos U galiu parašyti kaip aukščiau.
Jei pasikeis sistema i- oi ir j- dalelė, tai dėl identiškų dalelių tapatumo sistemos būsena neturėtų keistis. Bendra sistemos energija, taip pat visi jos būseną apibūdinantys fizikiniai dydžiai išliks nepakitę.
Identiškų dalelių tapatumo principas: identiškų dalelių sistemoje realizuojamos tik tokios būsenos, kurios nesikeičia dalelėms persirikiavus.
Simetrinės ir antisimetrinės būsenos
Nagrinėjamoje sistemoje pristatykime dalelių permutacijos operatorių - . Šio operatoriaus poveikis yra tas, kad jis keičiasi i- Oho irj- sistemos dalelė.
Identiškų dalelių tapatumo principas kvantinėje mechanikoje lemia tai, kad visos galimos identiškų dalelių sudarytos sistemos būsenos skirstomos į du tipus:
simetriškas, kuriam
antisimetriškas, kuriam
(x 1 , y 1 ,z 1 … x N , y N , z N , t) = - Ψ A ( x 1 , y 1 ,z 1 … x N , y N , z N , t).
Jei bangos funkcija, apibūdinanti sistemos būseną, tam tikru momentu yra simetriška (antisimetriška), tai tokio tipo simetrija išlieka bet kuriuo kitu laiko momentu.
Bozonai ir fermionai
Vadinamos dalelės, kurių būsenos apibūdinamos simetrinėmis bangų funkcijomis bozonai Bose-Einstein statistika . Bozonai yra fotonai, π- ir į- mezonai, fononai tvirtas kūnas, eksitonai puslaidininkiuose ir dielektrikuose. Visi bozonai turinulis arba sveikasis sukimasis .
Vadinamos dalelės, kurių būsenos apibūdinamos antisimetrinėmis bangų funkcijomis fermionai . Sistemos, susidedančios iš tokių dalelių, paklūsta Fermi-Dirac statistika . Fermionai apima elektronus, protonus, neutronus, neutrinus ir visos elementarios dalelės ir antidalelės supusiau atgal.
Ryšys tarp dalelių sukinio ir statistikos tipo išlieka galiojantis sudėtingų dalelių, susidedančių iš elementariųjų, atveju. Jei bendras kompleksinės dalelės sukinys yra lygus sveikam skaičiui arba nuliui, tai ši dalelė yra bozonas, o jei ji lygi pusiau sveikajam skaičiui, tai dalelė yra fermionas.
Pavyzdys: α-dalelė() susideda iš dviejų protonų ir dviejų neutronų t.y. keturi fermionai su sukimais +. Todėl branduolio sukinys yra 2, o šis branduolys yra bozonas.
Lengvojo izotopo branduolį sudaro du protonai ir vienas neutronas (trys fermionai). Šio branduolio sukinys yra . Taigi šerdis yra fermionas.
Pauli principas (Pauli draudimas)
Sistemoje identiškosfermionai dvi dalelės negali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje.
Kalbant apie sistemą, susidedančią iš bozonų, banginių funkcijų simetrijos principas nenustato jokių sistemos būsenų apribojimų. gali būti toje pačioje būsenoje bet koks vienodų bozonų skaičius.
Periodinė elementų sistema
Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad atome visi elektronai turėtų užpildyti lygį su mažiausia įmanoma energija. Patirtis rodo, kad taip nėra.
Iš tiesų, pagal Pauli principą, atome negali būti elektronų, kurių visų keturių kvantinių skaičių reikšmės būtų vienodos.
Kiekviena pagrindinio kvantinio skaičiaus reikšmė P atitinka 2 P 2 būsenos, kurios viena nuo kitos skiriasi kvantinių skaičių reikšmėmis l , m ir m S .
Atomo elektronų rinkinys, turintis tas pačias kvantinio skaičiaus reikšmes P sudaro vadinamąjį apvalkalą. pagal skaičių P
Kriauklės skirstomos į sublukštai, skiriasi kvantiniu skaičiumi l . Būsenų skaičius posluoksnyje yra 2 (2 l + 1).
Skirtingos subapvale esančios būsenos skiriasi savo kvantiniais skaičiais t ir m S .
|
apvalkalas |
||||||||||||||
|
Subshell |
||||||||||||||
|
t S |
sistema susideda iš didelis skaičius identiški posistemių, galima sinchronizuoti emisijas. kvantinis perėjimai į skirtingą ... klasę yra nespinduliuojantys. kvantinis sankryžos sudaro tunelių sankryžas dalelės. Tunelis kvantinis perėjimai leidžia apibūdinti ... Skaičiavimas kvantinis- PAS cheminiai parametrai ir "struktūros aktyvumo" priklausomybės nustatymas sulfonamidų pavyzdžiuDiplominis darbas >> ChemijaXn) yra bangos funkcija sistemos iš n dalelės, kuris priklauso nuo jų... erdvės. Tiesą sakant, elektronai tas pats nugaros siekia išvengti... rezultatų tikslumas. sulfanilamidas kvantinis cheminė organinė molekulė Daugiau... Bendroji ir neorganinė chemijaStudijų vadovas >> ChemijaVienu metu yra du elektronai tas pats rinkinys po keturis kvantinis kvantinis skaičiai (orbitalių užpildymas elektronais ... netoli energijos vertės E sistemos iš N dalelės. Pirmą kartą E. ryšys su būsenos tikimybe sistemosįsteigė L. Boltzmannas ... |
Kvantinės sistemos ir jų savybės.
Tikimybių pasiskirstymas per energijas erdvėje.
Bozono statistika. Fermi-Einšteino pasiskirstymas.
fermionų statistika. Fermi-Dirac platinimas.
Kvantinės sistemos ir jų savybės
Klasikinėje statistikoje daroma prielaida, kad dalelės, sudarančios sistemą, paklūsta klasikinės mechanikos dėsniams. Tačiau daugeliui reiškinių, aprašant mikroobjektus, būtina naudoti kvantinę mechaniką. Jei sistema susideda iš dalelių, kurios paklūsta kvantinei mechanikai, vadinsime ją kvantine sistema.
Pagrindiniai skirtumai tarp klasikinės ir kvantinės sistemos yra šie:
1) Mikrodalelių korpuskulinis-banginis dualizmas.
2) Diskretiškumas fiziniai dydžiai apibūdinantys mikroobjektus.
3) Mikrodalelių sukimosi savybės.
Pirmasis reiškia, kad neįmanoma tiksliai nustatyti visų sistemos parametrų, lemiančių jos būseną klasikiniu požiūriu. Šis faktas atsispindi Heisandbergo neapibrėžtumo santykyje:
Norint matematiškai apibūdinti šias mikroobjektų savybes Kvantinė fizika, kiekiui priskiriamas tiesinis Hermito operatorius, kuris veikia bangos funkciją.
Operatoriaus savosios reikšmės nustato galimas šio fizinio dydžio skaitines vertes, kurių vidurkis sutampa su paties kiekio verte.
Kadangi sistemos mikrodalelių momento ir koeficientų negalima išmatuoti vienu metu, bangos funkcija pateikiama arba kaip koordinačių funkcija:
Arba, kaip impulsų funkcija:
Bangos funkcijos modulio kvadratas nustato tikimybę aptikti mikrodalelę tūrio vienete:
Bangos funkcijos aprašymas specifinė sistema, randama kaip Hamelton operatoriaus savoji funkcija:
Stacionarioji Šriodingerio lygtis.
Nestacionari Šriodingerio lygtis.
Mikropasaulyje veikia mikrodalelių neatskiriamumo principas.
Jei banginė funkcija tenkina Šriodingerio lygtį, tai funkcija tenkina ir šią lygtį. Sukeitus 2 daleles, sistemos būsena nepasikeis.
Tegul pirmoji dalelė yra būsenoje a, o antroji – b.
Sistemos būsena apibūdinama taip:
Jei dalelės yra keičiamos, tada: kadangi dalelės judėjimas neturėtų turėti įtakos sistemos elgsenai.
Ši lygtis turi 2 sprendinius:
Paaiškėjo, kad pirmoji funkcija realizuojama dalelėms, kurių sukimasis sveikasis skaičius, o antroji – pusiau sveikajam skaičiui.
Pirmuoju atveju 2 dalelės gali būti toje pačioje būsenoje:
Antruoju atveju:
Pirmojo tipo dalelės vadinamos spiningųjų skaičių bozonais, antrojo tipo dalelės – femionėmis (joms galioja Pauli principas).
Fermionai: elektronai, protonai, neutronai...
Bozonai: fotonai, deuteronai...
Fermionai ir bozonai paklūsta neklasikinei statistikai. Norėdami pamatyti skirtumus, suskaičiuokime galimų sistemos, susidedančios iš dviejų dalelių, turinčių vienodą energiją, būsenų skaičių dviejose fazės erdvės ląstelėse.
1) Klasikinės dalelės yra skirtingos. Galima atsekti kiekvieną dalelę atskirai.
klasikinės dalelės.
Energijos lygiai (atominiai, molekuliniai, branduoliniai)
1. Kvantinės sistemos būsenos charakteristikos
2. Atomų energijos lygiai
3. Molekulių energijos lygiai
4. Branduolių energijos lygiai
Kvantinės sistemos būsenos charakteristikos
Šv. paaiškinimo atomuose, molekulėse ir atomų branduoliuose esmė, t.y. reiškiniai, atsirandantys tūrio elementuose, kurių tiesinės mastelės yra 10 -6 -10 -13 cm, slypi kvantinėje mechanikoje. Remiantis kvantine mechanika, bet kuriai kvantinei sistemai (ty mikrodalelių sistemai, kuri paklūsta kvantiniams dėsniams) būdingas tam tikras būsenų rinkinys. Apskritai šis būsenų rinkinys gali būti diskretinis (diskretusis būsenų spektras) arba tęstinis (nuolatinis būsenų spektras). Izoliuotos sistemos būklės charakteristikos yavl. sistemos vidinė energija (visur žemiau, tik energija), bendras kampinis momentas (MKD) ir paritetas.
Sistemos energija.
Kvantinė sistema, būdama skirtingose būsenose, paprastai turi skirtingą energiją. Surištos sistemos energija gali turėti bet kokią vertę. Šis galimų energijos verčių rinkinys vadinamas. atskiras energijos spektras, ir sakoma, kad energija yra kvantuota. Pavyzdys būtų energija. atomo spektras (žr. toliau). Nesurišta sąveikaujančių dalelių sistema turi nenutrūkstamą energijos spektrą, o energija gali turėti savavališkas reikšmes. Tokios sistemos pavyzdys yra laisvasis elektronas (E) atomo branduolio Kulono lauke. Nuolatinis energijos spektras gali būti pavaizduotas kaip be galo daug atskirų būsenų, tarp kurių yra energija. tarpai yra be galo maži.
Būsena, to-rum atitinka mažiausią įmanomą tam tikros sistemos energiją, vadinamą. pagrindinės: visos kitos būsenos vadinamos. susijaudinęs. Dažnai patogu naudoti sąlyginę energijos skalę, kurioje energija yra pagrindinė. išeities tašku laikoma būsena, t.y. laikoma nuliu (šioje sąlyginėje skalėje visur žemiau energija žymima raide E). Jei sistema yra būsenoje n(ir indeksas n=1 yra priskirtas pagrindiniam. būsena), turi energijos E n, tada sakoma, kad sistema yra energijos lygyje E n. Skaičius n, numeracija U.e., vadinamas. kvantinis skaičius. Bendruoju atveju kiekviena U.e. galima apibūdinti ne vienu kvantiniu skaičiumi, o jų deriniu; tada indeksas n reiškia šių kvantinių skaičių visumą.
Jeigu valstybės n 1, n 2, n 3,..., nk atitinka tą pačią energiją, t.y. vienas U.e., tada šis lygis vadinamas išsigimusiu, o skaičius k- degeneracijos daugialypiškumas.
Atliekant bet kokius uždaros sistemos (kaip ir sistemos pastoviame išoriniame lauke) transformacijas, jos bendra energija, energija, išlieka nepakitusi. Todėl energija reiškia vadinamąjį. išsaugotos vertybės. Energijos tvermės dėsnis išplaukia iš laiko homogeniškumo.
Bendras kampinis momentas.
Ši vertė yra yavl. vektorius ir gaunamas sudėjus visų sistemos dalelių MCD. Kiekviena dalelė turi ir savo MCD - sukimasis ir orbitinis momentas, atsirandantis dėl dalelės judėjimo bendro sistemos masės centro atžvilgiu. MCD kvantavimas lemia tai, kad jo abs. dydžio J paima griežtai apibrėžtas reikšmes: , kur j- kvantinis skaičius, kuris gali įgyti neneigiamų sveikųjų ir pusiau sveikųjų skaičių reikšmes (orbitinės MCD kvantinis skaičius visada yra sveikas skaičius). MKD projekcija į c.-l. ašies pavadinimas magn. kvantinis skaičius ir gali imti 2j+1 vertės: m j = j, j-1,...,-j. Jeigu k.-l. momentas J
yavl. dviejų kitų momentų suma , tada, pagal kvantinės mechanikos momentų sudėjimo taisykles, kvantinis skaičius j gali turėti šias reikšmes: j=|j 1 -j 2 |, |j 1 -j 2 -1|, ...., |j 1 +j 2 -1|, j 1 +j 2, a. Panašiai atliekamas ir didesnio momentų skaičiaus sumavimas. Įprasta trumpai kalbėti apie MCD sistemą j, reiškiantis momentą, abs. kurio vertė yra ; apie magn. Kvantinis skaičius tiesiog vadinamas impulso projekcija.
Atliekant įvairias sistemos transformacijas centralizuotai simetriškame lauke, suminis MCD išsaugomas, t.y., kaip ir energija, jis yra užkonservuotas dydis. MKD išsaugojimo įstatymas išplaukia iš erdvės izotropijos. Ašiškai simetriškame lauke išsaugoma tik viso MCD projekcija į simetrijos ašį.
Valstybės paritetas.
Kvantinėje mechanikoje sistemos būsenos apibūdinamos vadinamaisiais. bangų funkcijos. Paritetas apibūdina sistemos banginės funkcijos kitimą veikiant erdvinei inversijai, t.y. visų dalelių koordinačių ženklų pasikeitimas. Tokios operacijos metu energija nekinta, o bangos funkcija gali išlikti nepakitusi (lyginė būsena) arba pakeisti savo ženklą į priešingą (nelyginė būsena). Paritetas P atitinkamai paima dvi reikšmes. Jei sistemoje veikia branduoliniai arba el.-magnetai. jėgos, paritetas išsaugomas atominėse, molekulinėse ir branduolinėse transformacijose, t.y. šis kiekis taip pat taikomas konservuotiems kiekiams. Pariteto išsaugojimo įstatymas yavl. erdvės simetrijos veidrodinių atspindžių atžvilgiu pasekmė ir pažeidžiama tuose procesuose, kuriuose dalyvauja silpna sąveika.
Kvantiniai perėjimai
- sistemos perėjimai iš vienos kvantinės būsenos į kitą. Tokie perėjimai gali sukelti energijos pasikeitimą. sistemos būklę ir jos savybes. pokyčius. Tai surišti, laisvai surišti, laisvieji perėjimai (žr. Spinduliuotės sąveika su medžiaga), pavyzdžiui, sužadinimas, dezaktyvavimas, jonizacija, disociacija, rekombinacija. Tai taip pat chemija. ir branduolines reakcijas. Perėjimai gali įvykti veikiant spinduliuotei – radiaciniai (arba spinduliniai) perėjimai arba kai tam tikra sistema susiduria su c.-l. kitos sistemos ar dalelės – nespinduliuojantys perėjimai. Svarbi kvantinio perėjimo charakteristika yavl. jo tikimybė vienetais. laiką, nurodydami, kaip dažnai šis perėjimas įvyks. Ši vertė matuojama s -1 . Radiacijos tikimybės. perėjimai tarp lygių m ir n (m>n) su fotono, kurio energija lygi, emisija arba sugertis, nustatomi pagal koeficientą. Einšteinas A mn, B mn ir B nm. Lygio perėjimas m iki lygio n gali atsirasti spontaniškai. Fotono spinduliavimo tikimybė Bmnšiuo atveju lygi Amn. Tipiniai perėjimai veikiant spinduliuotei (indukuoti perėjimai) apibūdinami fotonų emisijos ir fotonų sugerties tikimybe , kur yra spinduliuotės energijos tankis su dažniu .
Galimybė įgyvendinti kvantinį perėjimą iš nurodytos R.e. ant k.-l. kitas v.e. reiškia, kad charakteristika plg. laikas , per kurį sistema, žinoma, gali būti šioje UE. Jis apibrėžiamas kaip tam tikro lygio bendros nykimo tikimybės atvirkštinė vertė, t.y. visų galimų perėjimų iš nagrinėjamo lygio į visus kitus tikimybių suma. Dėl radiacijos perėjimų, bendra tikimybė yra , ir . Laiko baigtumas , pagal neapibrėžtumo santykį , reiškia, kad lygio energija negali būti nustatyta absoliučiai tiksliai, t.y. U.e. turi tam tikrą plotį. Todėl fotonų emisija arba sugertis kvantinio perėjimo metu vyksta ne griežtai apibrėžtu dažniu , o tam tikru dažnio intervalu, esančiu šalia vertės . Intensyvumo pasiskirstymas šiame intervale pateikiamas spektrinės linijos profiliu, kuris nustato tikimybę, kad tam tikro perėjimo metu išspinduliuoto arba sugerto fotono dažnis yra lygus:
(1)
kur yra linijos profilio pusė. Jei išplečiant W.e. o spektrines linijas sukelia tik savaiminiai perėjimai, tada toks išplėtimas vadinamas. natūralus. Jei sistemos susidūrimai su kitomis dalelėmis vaidina tam tikrą vaidmenį platėjant, tai išplėtimas turi kombinuotą pobūdį ir dydis turi būti pakeistas suma , kur apskaičiuojama panašiai kaip , bet spinduliuotę. perėjimo tikimybės turėtų būti pakeistos susidūrimo tikimybe.
Perėjimai kvantinėse sistemose paklūsta tam tikroms atrankos taisyklėms, t.y. taisyklės, nustatančios, kaip perėjimo metu gali keistis sistemos būseną apibūdinantys kvantiniai skaičiai (MKD, paritetas ir kt.). Radiatams suformuluotos pačios paprasčiausios atrankos taisyklės. perėjimai. Šiuo atveju jas lemia pradinės ir galutinės būsenos savybės, taip pat išspinduliuoto ar sugerto fotono kvantinės charakteristikos, ypač jo MCD ir paritetas. Taip vadinamas. elektriniai dipolio perėjimai. Šie perėjimai atliekami tarp priešingo pariteto lygių, visas MCD į-rykh skiriasi dydžiu (perėjimas neįmanomas). Pagal dabartinę terminiją šie perėjimai vadinami. leidžiama. Visi kiti perėjimų tipai (magnetinis dipolis, elektrinis kvadrupolis ir kt.) vadinami. draudžiama. Šio termino reikšmė tik ta, kad jų tikimybės pasirodo daug mažesnės už elektrinių dipolių perėjimų tikimybes. Tačiau jie nėra yavl. absoliučiai draudžiama.
Bohro atomo modelis buvo bandymas suderinti klasikinės fizikos idėjas su atsirandančiais kvantinio pasaulio dėsniais.
E. Rutherfordas, 1936 m.
Kaip elektronai išsidėstę išorinėje atomo dalyje? Aš laikau pirminę Bohro kvantinę spektro teoriją kaip vieną revoliucingiausių kada nors sukurtų moksle; ir aš nežinau jokios kitos teorijos, kuri būtų sėkmingesnė. Jis tuo metu buvo Mančesteryje ir, tvirtai tikėdamas atomo branduoline struktūra, kuri paaiškėjo sklaidos eksperimentuose, bandė suprasti, kaip turėtų būti išdėstyti elektronai, kad būtų gauti žinomi atomų spektrai. Jo sėkmės pagrindas yra visiškai naujų idėjų įvedimas į teoriją. Jis įvedė į mūsų protus veikimo kvanto idėją, taip pat klasikinei fizikai svetimą idėją, kad elektronas gali skrieti aplink branduolį neskleisdamas spinduliuotės. Pateikdamas atomo branduolinės sandaros teoriją, aš puikiai supratau, kad pagal klasikinę teoriją elektronai turi kristi ant branduolio, o Bohras postulavo, kad dėl kažkokios nežinomos priežasties tai neįvyksta, ir remdamasis Šia prielaida, kaip žinote, jis sugebėjo paaiškinti spektrų kilmę. Remdamasis gana pagrįstomis prielaidomis, jis žingsnis po žingsnio išsprendė elektronų išsidėstymo visuose periodinės lentelės atomuose problemą. Čia buvo daug sunkumų, nes pasiskirstymas turėjo atitikti elementų optinius ir rentgeno spindulių spektrus, tačiau galiausiai Bohras sugebėjo pasiūlyti elektronų išdėstymą, parodantį periodinio dėsnio prasmę.
Dėl tolesnių patobulinimų, kuriuos daugiausia pristatė pats Bohras, ir modifikacijų, kurias padarė Heisenbergas, Schrödingeris ir Diracas, buvo pakeista visa matematinė teorija ir buvo pristatytos bangų mechanikos idėjos. Be šių tolesnių patobulinimų, Bohro darbą laikau didžiausiu žmogaus minties triumfu.
Norint suvokti jo darbo svarbą, reikia tik atsižvelgti į nepaprastą elementų spektrų sudėtingumą ir įsivaizduoti, kad per 10 metų visos pagrindinės šių spektrų charakteristikos buvo suvoktos ir paaiškintos, todėl dabar optinių spektrų teorija yra tokia. užbaigti, kad daugelis mano, kad tai išsekęs klausimas, panašus į tai, kaip prieš kelerius metus buvo kalbant apie garsą.
20-ojo dešimtmečio viduryje tapo akivaizdu, kad N. Bohro pusiau klasikinė atomo teorija negali tinkamai apibūdinti atomo savybių. 1925–1926 m W. Heisenbergo ir E. Schrödingerio darbuose buvo sukurtas bendras kvantinių reiškinių aprašymo metodas – kvantinė teorija.
Kvantinė fizika |
|---|
(x,y,z,p x,p y,p z)
=∂H/∂p, = -∂H/∂t,
x, y, z, p x , p y , p z
ΔхΔp x ~
∆y∆p y ~
∆z∆p z ~
Determinizmas
|(x,y,z)| 2
Klasikinės dalelės būsena bet kuriuo laiko momentu apibūdinama nustatant jos koordinates ir momentą (x,y,z,p x ,p y ,p z ,t). Žinant šias vertybes tuo metu t, galima nustatyti sistemos evoliuciją veikiant žinomoms jėgoms visais vėlesniais laiko momentais. Dalelių koordinatės ir momentai yra dydžiai, kuriuos galima tiesiogiai išmatuoti eksperimentiškai. Kvantinėje fizikoje sistemos būsena apibūdinama bangine funkcija ψ(x, y, z, t).
Nes kvantinei dalelei neįmanoma tiksliai nustatyti jos koordinačių ir impulso verčių tuo pačiu metu, tada nėra prasmės kalbėti apie dalelės judėjimą tam tikra trajektorija, galite nustatyti tik tikimybę dalelė yra tam tikrame taške tam tikru laiku, kurį lemia bangos funkcijos modulio kvadratas W ~ |ψ( x,y,z)| 2.
Kvantinės sistemos evoliucija nereliatyvistiniu atveju apibūdinama bangine funkcija, kuri tenkina Schrödingerio lygtį
kur yra Hamiltono operatorius (visos sistemos energijos operatorius).
Nereliatyvistiniu atveju − 2 /2m + (r), kur t
yra dalelės masė, yra impulso operatorius, (x,y,z) yra dalelės potencinės energijos operatorius. Nustatyti dalelės judėjimo dėsnį kvantinėje mechanikoje reiškia nustatyti banginės funkcijos reikšmę kiekvienu laiko momentu kiekviename erdvės taške. Stacionarioje būsenoje banginė funkcija ψ(x, y, z) yra stacionarios Šriodingerio lygties ψ = Eψ sprendimas. Kaip ir bet kuri surišta sistema kvantinėje fizikoje, branduolys turi atskirą energijos savųjų verčių spektrą.
Būsena, kurios branduolio surišimo energija yra didžiausia, t. y. kurios bendra energija E yra mažiausia, vadinama pagrindine būsena. Būsenos, kurių bendra energija yra didesnė, yra sužadintos būsenos. Mažiausios energijos būsenai priskiriamas nulinis indeksas, o energijai E 0
=
0.
E0 → Mc 2 = (Zm p + Nm n)c 2 − W 0 ;
W 0 yra pagrindinės būsenos branduolio surišimo energija.
Sužadintų būsenų energijos E i (i = 1, 2, ...) matuojamos nuo pagrindinės būsenos.
24 Mg branduolio žemesnių lygių schema.
Apatiniai branduolio lygiai yra atskiri. Didėjant sužadinimo energijai, vidutinis atstumas tarp lygių mažėja.
Lygio tankio padidėjimas didėjant energijai yra būdinga daugelio dalelių sistemų savybė. Tai paaiškinama tuo, kad didėjant tokių sistemų energijai, sparčiai daugėja skirtingų energijos paskirstymo tarp nukleonų būdų.
kvantiniai skaičiai- sveikieji arba trupmeniniai skaičiai, nustatantys galimas fizinių dydžių, apibūdinančių kvantinę sistemą - atomą, atomo branduolį, reikšmes. Kvantiniai skaičiai atspindi fizinių dydžių, apibūdinančių mikrosistemą, diskretiškumą (kvantizaciją). Kvantinių skaičių rinkinys, kuris išsamiai apibūdina mikrosistemą, vadinamas užbaigtu. Taigi nukleono būseną branduolyje lemia keturi kvantiniai skaičiai: pagrindinis kvantinis skaičius n (gali būti 1, 2, 3, ...), kuris lemia nukleono energiją E n; orbitinis kvantinis skaičius l = 0, 1, 2, …, n, kuris nustato reikšmę L
nukleono orbitinis kampinis impulsas (L = ћ 1/2); kvantinis skaičius m ≤ ±l, kuris lemia orbitos impulso vektoriaus kryptį; ir kvantinis skaičius m s = ±1/2, kuris lemia nukleono sukimosi vektoriaus kryptį.
kvantiniai skaičiai
| n | Pagrindinis kvantinis skaičius: n = 1, 2, … ∞. |
| j | Suminio kampinio momento kvantinis skaičius. j niekada nėra neigiamas ir gali būti sveikasis skaičius (įskaitant nulį) arba pusiau sveikasis skaičius, priklausomai nuo nagrinėjamos sistemos savybių. Sistemos J visuminio kampinio momento reikšmė yra susijusi su j ryšiu J 2 = ћ 2 j(j+1). = + kur ir yra orbitos ir sukimosi kampinio impulso vektoriai. |
| l | Orbitos kampinio momento kvantinis skaičius. l gali turėti tik sveikąsias reikšmes: l= 0, 1, 2, … ∞, Sistemos L orbitinio kampinio momento reikšmė yra susijusi su l santykis L 2 = ћ 2 l(l+1). |
| m | Suminio, orbitinio arba sukimosi kampinio momento projekcija į pageidaujamą ašį (dažniausiai z ašį) yra lygi mћ. Bendram momentui m j = j, j-1, j-2, …, -(j-1), -j. Orbitiniam momentui m l = l, l-1, l-2, …, -(l-1), -l. Elektrono, protono, neutrono, kvarko sukimosi momentui m s = ±1/2 |
| s | Sukimosi kampinio momento kvantinis skaičius. s gali būti sveikasis arba pusiau sveikasis skaičius. s yra pastovi dalelės charakteristika, nulemta jos savybių. Sukimosi momento S reikšmė yra susieta su s ryšiu S 2 = ћ 2 s(s+1) |
| P | Erdvinis paritetas. Jis lygus +1 arba -1 ir apibūdina sistemos elgseną veidrodžio atspindyje P = (-1) l . |
Kartu su šiuo kvantinių skaičių rinkiniu, nukleono būseną branduolyje taip pat galima apibūdinti kitu kvantinių skaičių rinkiniu n, l, j, jz . Kvantinių skaičių aibės pasirinkimą lemia kvantinės sistemos aprašymo patogumas.
Konservuotų (nekintamų laike) fizikinių dydžių egzistavimas tam tikroje sistemoje yra glaudžiai susijęs su šios sistemos simetrijos savybėmis. Taigi, jei izoliuota sistema nesikeičia savavališko sukimosi metu, ji išlaiko orbitos kampinį impulsą. Taip yra vandenilio atomo atveju, kai elektronas juda sferiškai simetriškame branduolio Kulono potenciale ir todėl jam būdingas pastovus kvantinis skaičius l. Išorinis trikdymas gali pažeisti sistemos simetriją, o tai lemia pačių kvantinių skaičių pasikeitimą. Vandenilio atomo sugertas fotonas gali perkelti elektroną į kitą būseną su skirtingomis kvantinių skaičių reikšmėmis. Lentelėje pateikiami kai kurie kvantiniai skaičiai, naudojami apibūdinti atomines ir branduolines būsenas.
Be kvantinių skaičių, atspindinčių mikrosistemos erdvės ir laiko simetriją, svarbų vaidmenį atlieka vadinamieji vidiniai dalelių kvantiniai skaičiai. Kai kurie iš jų, pavyzdžiui, sukimasis ir elektros krūvis, yra išsaugoti visose sąveikose, kiti neišsaugomi kai kuriose sąveikose. Taigi keistumo kvantinis skaičius, kuris išsaugomas stiprioje ir elektromagnetinėje sąveikoje, neišsaugomas silpnoje sąveikoje, o tai atspindi skirtingą šių sąveikų pobūdį.
Kiekvienos būsenos atomo branduoliui būdingas bendras kampinis momentas. Šis momentas ramybės branduolio rėme vadinamas branduolinis sukinys.
Branduoliui taikomos šios taisyklės:
a) A yra lyginis J = n (n = 0, 1, 2, 3,...), t.y. sveikasis skaičius;
b) A yra nelyginis J = n + 1/2, ty pusiau sveikasis skaičius.
Be to, eksperimentiškai buvo nustatyta dar viena taisyklė: lygiems ir lygiems pagrindinio būvio branduoliams Jgs
= 0. Tai rodo abipusę nukleonų momentų kompensaciją pagrindinėje branduolio būsenoje – ypatinga nuosavybė tarpnukleonų sąveika.
Sistemos invariancija (Hamiltono) erdvinio atspindžio atžvilgiu - inversija (pakeitimas → -) lemia pariteto išsaugojimo dėsnį ir kvantinį skaičių paritetas R. Tai reiškia, kad branduolinis Hamiltonas turi atitinkamą simetriją. Iš tiesų, branduolys egzistuoja dėl stiprios nukleonų sąveikos. Be to, elektromagnetinė sąveika atlieka svarbų vaidmenį branduoliuose. Abi šios sąveikos rūšys yra nekintamos erdvinei inversijai. Tai reiškia, kad branduolinės būsenos turi būti apibūdintos tam tikra pariteto verte P, ty būti lyginės (P = +1) arba nelyginės (P = -1).
Tačiau tarp branduolyje esančių nukleonų veikia ir silpnos jėgos, kurios neišsaugo pariteto. To pasekmė yra ta, kad (dažniausiai nereikšmingas) priešingos pariteto būsenos mišinys pridedamas prie būsenos su duotu paritetu. Tipinė tokios priemaišos vertė branduolinėse valstybėse yra tik 10 -6 -10 -7 ir daugeliu atvejų į ją galima nepaisyti.
Branduolio P, kaip nukleonų sistemos, paritetas gali būti pavaizduotas kaip atskirų nukleonų paritetų p i sandauga:
P \u003d p 1 p 2 ... p A ,
be to, nukleono p i paritetas centriniame lauke priklauso nuo nukleono orbitos momento , kur π i yra vidinis nukleono paritetas, lygus +1. Todėl sferiškai simetriškos būsenos branduolio paritetas gali būti pavaizduotas kaip šios būsenos nukleonų orbitinių paritetų sandauga:
Branduolinio lygio diagramos paprastai nurodo kiekvieno lygio energiją, sukimąsi ir paritetą. Sukimas žymimas skaičiumi, o paritetas – pliuso ženklu lyginiams lygiams ir minuso ženklu nelyginiams lygiams. Šis ženklas yra dešinėje nuo skaičiaus, nurodančio sukimąsi, viršuje. Pavyzdžiui, simbolis 1/2 + žymi lygų lygį su sukimu 1/2, o simbolis 3 - reiškia nelyginį lygį su sukimu 3.
Atominių branduolių izospinas. Kita branduolinių valstybių savybė yra izospinas I. Branduolys (A, Z) susideda iš A nukleonų ir turi krūvį Ze, kuris gali būti pavaizduotas kaip nukleonų krūvių q i suma, išreikšta jų izospinų projekcijomis (I i) 3
yra branduolio izospino projekcija į izospino erdvės 3 ašį.
Visas nukleonų sistemos izospinas A
Visos branduolio būsenos turi izospino projekcijos reikšmę I 3 = (Z - N)/2. Branduolys, kurį sudaro A nukleonai, kurių kiekvienas turi 1/2 izospino, galimos izospin reikšmės nuo |N - Z|/2 iki A/2
|N – Z|/2 ≤ I ≤ A/2.
Mažiausia reikšmė I = |I 3 |. Didžiausia I reikšmė yra lygi A/2 ir atitinka visus i, nukreiptus ta pačia kryptimi. Eksperimentiškai nustatyta, kad kuo didesnė branduolinės būsenos sužadinimo energija, tuo didesnė izospino vertė. Todėl branduolio izospinas žemės ir mažo sužadinimo būsenose turi minimalią reikšmę
I gs = |I 3 | = |Z - N|/2.
Elektromagnetinė sąveika pažeidžia izospino erdvės izotropiją. Įkrautų dalelių sistemos sąveikos energija kinta sukimosi izoerdvėje metu, nes sukimosi metu keičiasi dalelių krūviai, o branduolyje dalis protonų pereina į neutronus arba atvirkščiai. Todėl tikroji izospino simetrija nėra tiksli, bet apytikslė.
Potencialas šulinys. Potencialaus šulinio sąvoka dažnai naudojama dalelių surištoms būsenoms apibūdinti. Potencialas šulinys - ribota erdvės sritis su sumažinta dalelės potencine energija. Potencialas dažniausiai atitinka traukos jėgas. Šių jėgų veikimo srityje potencialas yra neigiamas, išorėje - nulis.
Dalelės energija E yra jos kinetinės energijos T ≥ 0 ir potencinės energijos U suma (ji gali būti ir teigiama, ir neigiama). Jei dalelė yra šulinio viduje, tai jos kinetinė energija T 1 yra mažesnė už šulinio gylį U 0, dalelės energija E 1 = T 1 + U 1 = T 1 - U 0 Kvantinėje mechanikoje surištoje būsenoje esanti dalelė gali įgauti tik tam tikras atskiras reikšmes, t.y. yra atskiri energijos lygiai. Šiuo atveju žemiausias (pagrindinis) lygis visada yra virš potencialaus šulinio dugno. Pagal dydį atstumas Δ E tarp m masės dalelės lygių giliame a pločio šulinyje pateikiamas pagal
ΔE ≈ ћ 2 / ma 2.
Potencialaus šulinio pavyzdys yra 40-50 MeV gylio ir 10 -13 -10 -12 cm pločio atomo branduolio potencialo šulinys, kuriame įvairių lygių yra nukleonų, kurių vidutinė kinetinė energija ≈ 20 MeV.
Esant tokioms ribinėms sąlygoms, dalelė, esanti potencialo šulinio viduje, yra 0< x < l, не может выйти за ее пределы, т. е.
ψ(x) = 0, x ≤ 0, x ≥ L.
Naudojant stacionarią Šriodingerio lygtį sričiai, kurioje U = 0,
gauname potencialo šulinio viduje esančios dalelės padėtį ir energijos spektrą.
Begaliniam vienmačio potencialo šuliniui turime:
Begalinio stačiakampio šulinio (a) dalelės banginė funkcija, banginės funkcijos modulio kvadratas (b) lemia tikimybę rasti dalelę įvairiuose potencialo šulinio taškuose.
Šriodingerio lygtis kvantinėje mechanikoje atlieka tą patį vaidmenį, kaip ir antrasis Niutono dėsnis klasikinėje mechanikoje.
Įspūdingiausia kvantinės fizikos savybė pasirodė esanti tikimybinė jos prigimtis.
Tikimybinis mikropasaulyje vykstančių procesų pobūdis yra pagrindinė mikropasaulio savybė.
E. Schrödingeris:
„Įprastas kvantavimo taisykles galima pakeisti kitomis nuostatomis, kurios nebeįveda jokių „sveikų skaičių“. Vientisumas šiuo atveju gaunamas natūraliu būdu savaime, kaip savaime gaunamas sveikasis mazgų skaičius, kai kalbama apie vibruojančią stygą. Šis naujas vaizdavimas gali būti apibendrintas ir, manau, yra glaudžiai susijęs su tikrąja kvantavimo prigimtimi.
Gana natūralu susieti funkciją ψ su tam tikras virpesių procesas atome, kuriame pastaruoju metu ne kartą buvo suabejota elektroninių trajektorijų tikrove. Iš pradžių taip pat norėjau pagrįsti naują kvantinių taisyklių supratimą nurodytu palyginti aiškiu būdu, bet vėliau man labiau patiko grynai matematinis metodas, nes jis leidžia geriau išsiaiškinti visus esminius klausimo aspektus. Man atrodo labai svarbu, kad kvantinės taisyklės nebebūtų pristatomos kaip paslaptingos. sveikojo skaičiaus reikalavimas“, bet yra nulemti kokios nors konkrečios erdvinės funkcijos ribotumo ir unikalumo poreikio.
Nemanau, kad būtų įmanoma, kol sudėtingesnės problemos nebus sėkmingai apskaičiuotos nauju būdu, išsamiau apsvarstyti įvesto svyravimo proceso interpretaciją. Gali būti, kad tokie skaičiavimai lems paprastą sutapimą su įprastos kvantinės teorijos išvadomis. Pavyzdžiui, nagrinėjant reliatyvistinę Keplerio problemą pagal aukščiau pateiktą metodą, jei elgiamės pagal pradžioje nurodytas taisykles, gaunamas puikus rezultatas: pusiau sveikieji kvantiniai skaičiai(radialinis ir azimutas)…
Visų pirma, negalima nepaminėti, kad pagrindinis pradinis postūmis, lėmęs čia pateiktų argumentų atsiradimą, buvo de Broglie disertacija, kurioje yra daug gilių idėjų, taip pat apmąstymų apie „fazinių bangų“ erdvinį pasiskirstymą. kuris, kaip parodė de Broglie, kiekvieną kartą atitinka periodinį arba kvaziperiodinį elektrono judėjimą, jei tik šios bangos telpa trajektorijose sveikasis skaičius kartą. Pagrindinis skirtumas nuo de Broglie teorijos, kurioje kalbama apie tiesiškai sklindančią bangą, yra tame, kad, jei naudosime bangos interpretaciją, mes laikome stovinčius natūralius virpesius.
M. Laue:
„Kvantinės teorijos pasiekimai kaupėsi labai greitai. Itin stulbinamai pasisekė jį taikant radioaktyviam skilimui skleidžiant α spindulius. Pagal šią teoriją egzistuoja „tunelio efektas“, t.y. prasiskverbimas per potencialų barjerą dalelės, kurios energijos, pagal klasikinės mechanikos reikalavimus, nepakanka, kad pro ją prasiskverbtų.
G. Gamovas 1928 metais pateikė α-dalelių emisijos paaiškinimą, remdamasis šiuo tunelio efektu. Pagal Gamovo teoriją, atomo branduolį gaubia potencialų barjeras, tačiau α dalelės turi tam tikrą tikimybę „peržengti“ ją. Empiriškai Geigeris ir Nettolas nustatė, kad ryšys tarp α-dalelės veikimo spindulio ir skilimo pusės periodo buvo pakankamai paaiškintas remiantis Gamow teorija.
Statistika. Pauli principas. Kvantinių mechaninių sistemų, susidedančių iš daugelio dalelių, savybes lemia šių dalelių statistika. Klasikinės sistemos, susidedančios iš identiškų, bet išsiskiriančių dalelių, paklūsta Boltzmanno skirstiniui
To paties tipo kvantinių dalelių sistemoje atsiranda naujų elgesio ypatybių, neturinčių analogų klasikinėje fizikoje. Skirtingai nuo dalelių klasikinėje fizikoje, kvantinės dalelės ne tik vienodi, bet ir niekuo neišsiskiriantys – identiški. Viena iš priežasčių yra ta, kad kvantinėje mechanikoje dalelės apibūdinamos bangų funkcijomis, kurios leidžia apskaičiuoti tik tikimybę rasti dalelę bet kuriame erdvės taške. Jei kelių vienodų dalelių banginės funkcijos sutampa, tai neįmanoma nustatyti, kuri iš dalelių yra tam tikrame taške. Kadangi fizinę reikšmę turi tik banginės funkcijos modulio kvadratas, tai iš dalelių tapatumo principo išplaukia, kad kai sukeičiamos dvi identiškos dalelės, banginė funkcija arba pakeičia ženklą ( antisimetrinė būsena), arba nekeičia ženklo ( simetriška būsena).
Simetrinės bangos funkcijos apibūdina daleles su sveiku skaičiumi – bozonus (pionus, fotonus, alfa daleles...). Bozonai paklūsta Bose-Einstein statistikai
Vienoje kvantinėje būsenoje vienu metu gali būti neribotas skaičius identiškų bozonų.
Antisimetrinės bangos funkcijos apibūdina daleles, turinčias pusės sveikojo skaičiaus sukinį – fermionus (protonus, neutronus, elektronus, neutrinus). Fermionai paklūsta Fermi-Dirac statistikai
Ryšį tarp bangos funkcijos simetrijos ir sukinio pirmasis nurodė W. Pauli.
Fermionams galioja Pauli principas – du identiški fermionai vienu metu negali būti toje pačioje kvantinėje būsenoje.
Pauli principas lemia atomų elektronų apvalkalų sandarą, nukleonų būsenų užpildymą branduoliuose ir kitus kvantinių sistemų elgesio ypatumus.
Sukūrus atomo branduolio protonų-neutronų modelį, pirmasis branduolinės fizikos raidos etapas gali būti laikomas baigtu, kuriame buvo nustatyti pagrindiniai atomo branduolio sandaros faktai. Pirmasis etapas prasidėjo pamatinėje Demokrito sampratoje apie atomų – nedalomų materijos dalelių – egzistavimą. Mendelejevo nustatytas periodinis įstatymas leido susisteminti atomus ir iškėlė klausimą dėl šios sisteminės priežasčių. J. J. Thomson 1897 metais atradęs elektronus sugriovė atomų nedalumo sampratą. Pagal Tomsono modelį elektronai yra visų atomų statybiniai blokai. 1896 m. A. Becquerel atrado urano radioaktyvumo reiškinį ir vėliau P. Curie ir M. Sklodowska-Curie atrado torio, polonio ir radžio radioaktyvumą, pirmą kartą parodė, kad cheminiai elementai nėra amžini dariniai. jie gali savaime suirti, virsti kitais cheminiais elementais. 1899 metais E. Rutherfordas nustatė, kad dėl radioaktyvaus skilimo atomai iš savo sudėties gali išstumti α daleles – jonizuotus helio atomus ir elektronus. 1911 metais E. Rutherfordas, apibendrindamas Geigerio ir Marsdeno eksperimento rezultatus, sukūrė planetinį atomo modelį. Pagal šį modelį atomai susideda iš teigiamai įkrauto ~10 -12 cm spindulio atomo branduolio, kuriame sutelkta visa atomo masė ir aplink jį besisukantys neigiami elektronai. Atomo elektronų apvalkalų dydis ~10 -8 cm.1913 metais N.Boras sukūrė atomo planetinio modelio atvaizdą, pagrįstą kvantine teorija. 1919 metais E. Rutherfordas įrodė, kad protonai yra atomo branduolio dalis. 1932 metais J. Chadwickas atrado neutroną ir parodė, kad neutronai yra atomo branduolio dalis. 1932 m. D. Ivanenko ir W. Heisenberg sukūrę protonų-neutronų modelį atominiam branduoliui užbaigė pirmąjį branduolinės fizikos raidos etapą. Buvo nustatyti visi atomą sudarantys elementai ir atomo branduolys.
1869 Periodinė elementų sistema D.I. Mendelejevas
Iki XIX amžiaus antrosios pusės chemikai buvo sukaupę daug informacijos apie cheminių elementų elgseną įvairiose cheminės reakcijos. Nustatyta, kad tik tam tikri cheminių elementų deriniai sudaro tam tikrą medžiagą. Nustatyta, kad kai kurie cheminiai elementai turi maždaug tas pačias savybes, o jų atominis svoris labai skiriasi. D. I. Mendelejevas analizavo santykį tarp cheminės savybės elementus ir jų atominę masę bei parodė, kad didėjant atominiam svoriui išsidėsčiusių elementų cheminės savybės kartojasi. Tai buvo jo sukurtos periodinės elementų sistemos pagrindas. Sudarydamas lentelę Mendelejevas nustatė, kad kai kurių cheminių elementų atominiai svoriai iškrito iš jo gauto dėsningumo, ir atkreipė dėmesį, kad šių elementų atominiai svoriai buvo nustatyti netiksliai. Vėliau atlikti tikslūs eksperimentai parodė, kad iš pradžių nustatyti svoriai iš tiesų buvo neteisingi, o nauji rezultatai atitiko Mendelejevo prognozes. Kai kurias lentelės vietas palikdamas tuščias, Mendelejevas atkreipė dėmesį, kad turėtų būti naujų, dar neatrastų cheminių elementų ir numatė jų chemines savybes. Taigi buvo prognozuojamas ir tada atrastas galis (Z = 31), skandis (Z = 21) ir germanis (Z = 32). Mendelejevas paliko savo palikuonims užduotį paaiškinti periodines cheminių elementų savybes. Mendelejevo periodinės elementų sistemos teorinis paaiškinimas, pateiktas N. Bohro 1922 m., buvo vienas iš įtikinamų besiformuojančios kvantinės teorijos teisingumo įrodymų.
Atomo branduolys ir periodinė elementų sistema
Mendelejevo ir Logaro Meyerio sėkmingos periodinės elementų sistemos sukūrimo pagrindas buvo idėja, kad atominis svoris gali būti tinkama konstanta sistemingam elementų klasifikavimui. Tačiau šiuolaikinė atominė teorija priartėjo prie periodinės sistemos aiškinimo visiškai neliesdama atominio svorio. Bet kurio elemento vietą šioje sistemoje ir kartu jo chemines savybes vienareikšmiškai lemia teigiamas atomo branduolio krūvis arba, kas yra tas pats, aplink jį esančių neigiamų elektronų skaičius. Atomo branduolio masė ir struktūra čia neturi jokios įtakos; taigi, šiuo metu žinome, kad yra elementų, tiksliau atomų tipų, kurių išorinių elektronų skaičius ir išsidėstymas yra toks pat, turi labai skirtingą atominį svorį. Tokie elementai vadinami izotopais. Taigi, pavyzdžiui, cinko izotopų galaktikoje atominis svoris pasiskirsto nuo 112 iki 124. Priešingai, yra elementų, kurių cheminės savybės labai skiriasi ir kurių atominis svoris yra toks pat; jie vadinami izobarais. Pavyzdys yra cinko, telūro ir ksenono atominis svoris 124.
Norėdami nustatyti cheminis elementas pakanka vienos konstantos, būtent neigiamų elektronų, esančių aplink branduolį, skaičiaus, nes visi cheminiai procesai srautas tarp šių elektronų.
Protonų skaičius n 2
, esantis atomo branduolyje, nustato jo teigiamą krūvį Z, taigi ir išorinių elektronų skaičių, lemiantį šio elemento chemines savybes; tam tikras neutronų skaičius n 1
toje pačioje šerdyje, iš viso su n 2
suteikia savo atominį svorį
A=n 1
+n 2
. Ir atvirkščiai, serijos numeris Z nurodo atomo branduolyje esančių protonų skaičių, o iš skirtumo tarp atominės masės ir branduolio krūvio A – Z gaunamas branduolinių neutronų skaičius.
Atradus neutroną, periodinė sistema šiek tiek papildyta mažų serijos numerių srityje, nes neutroną galima laikyti elementu, kurio eilės skaičius lygus nuliui. Didelių eilinių skaičių srityje, būtent nuo Z = 84 iki Z = 92, visi atomų branduoliai nestabilus, spontaniškai radioaktyvus; todėl galima daryti prielaidą, kad atomas, kurio branduolinis krūvis netgi didesnis nei urano, jei tik jį galima gauti, taip pat turėtų būti nestabilus. Fermi ir jo bendradarbiai neseniai pranešė apie savo eksperimentus, kurių metu, kai uranas buvo bombarduojamas neutronais, atsirado radioaktyvus elementas su serijos numeris 93 arba 94. Visai gali būti, kad periodinė sistema turi tęsinį ir šioje srityje. Belieka tik pridurti, kad išradingas Mendelejevo numatymas periodinės sistemos rėmus numatė taip plačiai, kad kiekvienas naujas atradimas, likęs jos ribose, ją dar labiau sustiprina.