Вводная лекция по атомной физике

 

 

 

 

Вводная лекция

 

• Догалактические этапы эволюции Вселенной
• Характеристики Вселенной в настоящее время
• Базовые понятия ядерной физики
• Опыт Резерфорда
• Атом водорода

 

 

 

 

 

• Большой Взрыв - космологическая гипотеза о начале расширения Вселенной, которое произошло 13,7 млрд. лет назад из сингулярного состояния. Расширение Вселенной заключается в динамическом изменении пространства–времени. На раннем этапе эволюции Вселенная представляла собой плотную (ρ = 10^93 г/см3) кварк-глюонную плазму с температурой T = 10^32 К.

 

 

 

 

• Если за начальный момент t = 0 взять момент Большого Взрыва, то в ранней Вселенной зависимости плотности ρ и температуры Т вещества от времени t космологического расширения описываются приближёнными соотношениями

 

 

 

 

 

    В результате расширения и охлаждения Вселенной произошло образование частиц. Аннигиляция частиц и античастиц привела к образованию реликтового излучения.

 

   Дальнейшее охлаждение Вселенной привело в результате первичного нуклеосинтеза к образованию ядер       .

   Одним из доказательств модели Большого Взрыва является космологическое красное смещение.

 

 

 

 

   Догалактические этапы эволюции Вселенной приведены в следующей таблице:

 

 

 

 

Адронная эра. 
Рождение и аннигиляция адронов и лептонов

 

10^-16-10^-13

 

10¹⁵-10¹²

 

10^-10-10^-4 с

 

Кварк-адронный 
фазовый переход

 

10^-14

 

10¹³

 

10^-6 с

 

Конец электрослабого объединения

 

10^-16

 

10¹⁵

 

10^-10 с

 

Конец Великого объединения. 
Разделение сильного и электро-слабого взаимодействий

 

10^-29

 

10²⁸

 

10^-36 с

 

Великое объединение  
электро-слабого и сильного взаимодействий

 

10^-33-10^-29

 

10³²-10²⁸

 

10^-43–10^-36 с

 

Планковский момент. Отделение гравитационного взаимодействия

 

10^-33

 

10³²

 

10^-43 с

 

Квантовый хаос. 
 Суперсимметрия 
(объединение всех взаимодействий)

 

< 10^-33

 

> 10³²

 

< 10^-43 с

 

Этап/Событие

 

Характерные расстояния, 
см

 

Характерные 
температуры, 
K

 

Время после  
Большого 
взрыва

 

 

 

 

Образование атомов. 
 Разделение вещества и излучения (Вселенная прозрачна для излучения

 

10^-4

 

3·10³

 

400 000 лет

 

Начало эры вещества.  
Вещество начинает доминировать над излучением

 

10^-5

 

10⁴

 

40 000 лет

 

Радиационная эра. Доминирование излучения над веществом

 

10^-10-10^-5

 

10¹⁰-10⁴

 

10 с- 
- 40 000 лет

 

Дозвёздный синтез гелия

 

10^-10-10^-9

 

≈10⁹

 

10²-10³ с

 

Отделение нейтрино.  
Вселенная становится прозрачной для нейтрино (антинейтрино)

 

10^-11

 

2·10¹⁰

 

0.1-1 с

 

Лептонная эра. 
Рождение и аннигиляция лептонов

 

10^-13-10^-10

 

10¹²-10¹⁰

 

10^-4-10 с

 

 

 

 

Характеристики Вселенной в  настоящее время

 

 

 

 

по массе

70.7% 
27.4% 
1.9%

 

по числу

91% 
8.9% 
<0.2%

 

Распространённость атомов (ядер):

водород 
гелий  
остальные ядра

 

(6.1±0.2)·10^-10

 

Отношение числа барионов к  числу реликтовых фотонов 

 

0.26 эВ/см³ = 
= 4.6·10^-34 г/см³

 

Энергетическая плотность реликтовых  фотонов

 

410 см^-3

 

Плотность реликтовых фотонов

 

2.73 K

 

Температура реликтового (фонового) излучения

 

71 ± 4 км·с^-1·Мпк^-1

 

Постоянная Хаббла H

 

< 10^-4

 

Доля антивещества

 

10⁷⁸

 

Полное барионное число (число  нуклонов)

 

10^-29 г/см³

 

Средняя плотность вещества  и энергии

 

10⁵⁶ г

 

Полное количество вещества  и энергии

 

10²⁸ см

 

Радиус наблюдаемой части Вселенной  
(горизонт видимости) R⁰ = сt⁰

 

13.7±0.3 млрд лет

 

Возраст t⁰

 

Вселенная в больших масштабах (>100 Мпк) однородна и изотропна. Она содержит не менее 10¹¹ галактик. Наша галактика - Млечный путь - содержит 10¹¹ звезд.

 

 

 

 

  Вселенная в больших масштабах (>100 Мпк) однородна и изотропна. Она содержит не менее 10^11 галактик. Наша галактика - Млечный путь - содержит 10^11 звезд.

 

 

 

 

• А́томное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относится атом.

 

 

 

 

 

Базовые понятия

 

• Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров (10^(-15) м), что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

 

 

• Атомные ядра изучает ядерная физика

 

 

 

 

 

• Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия..

 

 

 

 

• Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным

 

 

и связанным с ним магнитным моментом.

 

• Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

 

 

 

 

• Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом  — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом в таблице Менделеева.

 

 

 

 

• Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента.
• Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом        .

 

 

 

 

 

• Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами.

 

• Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами.

 

 

 

 

• Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента.

 

 

 

 

 

• Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом (очевидно ) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева.

 

• Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

 

 

 

 

• Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами[

 

 

 

 

Открытие ядра

 

 

 

 

• В 1911 году Резерфорд в своём докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» в философском обществе Манчестера заявил

 

 

 

 

• Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины.

 

 

 

 

• При таком устройстве атома α- и β-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала.

 

12 учеников Резерфорда стали  лауреатами Нобелевской премии по физике и химии, в том числе советский физик П.Л.Капица.

 

В 1908 г. Резерфорду присуждена  Нобелевская премия по химии.

 

 

 

 

• Когда Пётр Капица приехал работать в Кембридж к Резерфорду, то он ему сказал что штат лаборатории уже укомплектован. Тогда Капица спросил: 
  
• — Какую допустимую погрешность вы допускаете в экспериментах? 
  

— Обычно около 3 % 
— А сколько человек работает в лаборатории? 
— 30 
— Тогда 1 человек составляет примерно 3 % от 30 
Резерфорд рассмеялся и принял Капицу в качестве «допустимой ошибки».

 

 

 

 

 

 

 

• А́льфа-части́ца (α-частица), положительно заряженная частица, образованная 2 протонами и 2 нейтронами.
• Идентична ядру атома гелия-4. Образуется при альфа-распаде ядер.
• Альфа-частицы, образованные при распаде ядра, имеют начальную кинетическую энергию в диапазоне 1,8–15 МэВ. При движении альфа-частицы в веществе она создаёт сильную ионизацию и в результате очень быстро теряет энергию.

 

 

 

 

• Энергии альфа-частиц, возникающих в результате радиоактивного распада, не хватает даже для преодоления мёртвого слоя кожи, поэтому радиационный риск при внешнем облучении такими альфа-частицами отсутствует.

 

 

 

 

 

Формула Резерфорда

 

Для дифференциального эффективного  поперечного сечения рассеяния  нерелятивистских заряженных частиц  в телесный угол Ω, в кулоновском  поле другой неподвижной заряженной  частицы или ядра (мишени). В системе  центра инерции записывается  следующим образом 

 

где Z1 и Z2 — заряды налетающей частицы и мишени, m,v — масса и скорость налетающей частицы, Θ — двумерный угол рассеяния, e — элементарный заряд, dσ — дифференциальное сечение.