Сравнительная характеристика ядра и атома. Принцип неопределенности Гейзенберга

Ядро состоит из тяжелых протонов и нейтронов. Атом отличается от ядра наличием оболочки, которая состоит из легких электронов. Исходя из строения ядра и атома, сравним основные свойства:

– масса будет практически полностью сосредоточена в ядре атома. Масса ядра составляет 99,95% массы атома;

– линейный размер. Трудность в определении линейного размера ядра связана с тем, что нуклоны, как и другие элементарные частицы, обладают корпускулярно-волновым диапазоном и движутся по квантово-механическим законам. Им одновременно присущи свойства и частицы, и волны.

При определении линейных размеров ядер возникают сложности, обусловленные корпускулярно–волновым дуализмом нуклонов, т.е. одно­временным наличием у нуклонов свойств как частицы, так и волны.

Наличие корпускулярных свойств предполагает локализацию части­цы в пространстве в любой момент времени, т.е. частица должна описы­ваться в любой момент времени координатой и импульсом, а совокупность частиц – системой их координат и импульсов.

Наличие волновых свойств предполагает равновероятное располо­жение частицы в пространстве в любой момент времени и невозможность описать ее координатой и импульсом.

Одновременное наличие тех и других свойств у элементарных час­тиц приводит к неопределенности, которая называется неопределенно­стью Гейзенберга и формируется в принцип неопределенности Гейзен­берга:

Нельзя одновременно и точно определить координату и импульс элементарной частицы.

Обозначим через ∆Х неопределенность координаты, то есть мини­мальную область пространства, в котором может находиться частица в данный момент времени; через ∆Р – неопределенность импульса, то есть минимальный интервал, в который может изменяться значение импульса частицы в данный момент времени.

Тогда принцип неопределенности Гейзенберга можно записать в ви­де

∆X·∆P≥ ,

где – приведенная постоянная Планка, которая равна h / 2π.

Отсюда следует, что если ∆Х 0, то ∆Р ¥. Если ∆Р 0, то ∆Х ¥. То есть, чем точнее определяется одна характеристика частицы, тем больше неопределенность другой характеристики. Следовательно, частицу нельзя описать координатой и импульсом. Ядро как совокупность частиц – системой координат и импульсом.

Ядро имеет размытые очертания, что делает невозможным непосред­ственное точное определение линейного размера. Поэтому, чтобы полу­чить данные о ядерных радиусах, используют косвенные приближенные методы, основанные на изучении рассеивания различных частиц ядрами вещества. Различные методы дают разные результаты. Но порядок величин при этом сохраняется и составляет 10^–15 – 10^–14м. Величина 10^–15м = 1Ф (Ферми).

При определении линейных размеров атомов дуализм электронов не учитывается, и в качестве атомного радиуса принимается половина длины химической связи, которую атом образовывает в соединении. Поэтому для каждого атома определено столько радиусов, сколько типов связи он мо­жет образовывать (ионный, ковалентный, металлический). Также метода­ми квантовой химии по максимальной плотности электронного облака рас­считывается так называемый теоретический радиус изолированного атома. Все они отличаются друг от друга, но имеют одинаковый порядок 10^–11 – 10^–10м. Чтобы оценить относительную вероятность ядерных столкновений по сравнению с электронными столкновениями при прохождении потока заряженных частиц через вещество, найдем, какую часть объема занимает ядро в атоме. Для упрощения считаем, что они имеют форму шара:

Определим соотношения объема ядра к объему атома:

Таким образом, объем ядра на 12 порядков меньше, чем объем элек­тронной оболочки атома при прохождении потока частиц в веществе. Вероятность столкновения с электронами будет на 12 порядков выше, чем с ядрами. Значит, практически вся энергия падающего пучка частиц будет затрачиваться на ионизацию вещества, а не на изомерные переходы ядер.

Так как при незначительном объеме ядро сосредотачивает в себе практически всю массу атома, плотность ядерного вещества должна быть очень велика. Экспериментально установлено, что плотность ядер всех элементов одинакова и составляет 10^{14 г}/_см³ или 10³⁸ нукл/см³.

В качестве плотности атомов можно рассмотреть плотность простых веществ в твердом состоянии, которая лежит в пределах от 0,57 ^г/_см³ для лития (Li) и до 2,5 ^г/_см³ для осмия (Os).

Одинаковая плотность всех ядер указывает на плотнейшую упаковку нуклонов в ядре, не зависимую от их зарядов. Следовательно, между ну­клонами в ядре проявляются какие–то специфические взаимодействия, ко­торые преодолевают электромагнитное расталкивание протонов.

Все изменения, которые происходят в ядрах в результате ионизации или при химических реакциях, не оказывают никакого влияния на ядра элементов.

Дата добавления: 2014-11-29