Радиоактивность и устойчивость элементов

Лекция 6

Физический смысл периодического закона Д.И. Менделеева. Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) на основе метода вертикальной, горизонтальной и диагональной интерполяции сумел не только физически и химически правильно расположить в таблице известные в его время элементы, но и предсказать существование новых, а также описать их свойства. В частности, он в 1869–1871 годах исправил атомные массы 9 элементов (Be, In, U,…); в 1870–1900 предсказал существование и описал свойства 12 новых элементов (Ga, Sc, Ge, Po, At, Tc, Fr, …); в 1900 году вместе с Уильямом Рамзаем пришел к выводу о существовании особой группы – «благородных» газов (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn).

Явление радиоактивности. В 1896 году французский учёный Антуан Анри Беккерель (1852–1908) обнаружил необычный эффект. Он исследовал закономерности свечения солей урана и выяснил, что уран светится не только после его пребывания на солнце, но и самопроизвольно (в темноте). Это явление получило название «радиоактивность». Быстро удалось установить, что этот эффект вызван неустойчивостью атомов, а точнее – ядер атомов, и приводит к образованию одних элементов из других. Процесс распада продолжается до тех пор, пока не будет получено устойчивое ядро.

Ответ на вопрос, почему распадаются ядра, в 1928 году дал американский учёный русского происхождения Георгий Антонович Гамов (1904–1968). Для этого он выдвинул гипотезу «туннельного эффекта», которая объясняла распад ядра квантовыми свойствами составляющих его частиц. В частности, волновые функции протонов и нейтронов имеют ненулевое значения и за пределами ядра (то есть для этих частиц существует не равная нулю вероятность «вылететь» из ядра без какого-либо внешнего воздействия). В зависимости от того, насколько велика такая вероятность, ядра одних элементов будут распадаться быстрее (их период полураспада короче), а других медленнее. Те ядра, у которых эта вероятность очень мала, называют стабильными.

После того, как было установлено, что ядра атомов также имеют структуру (состоят из нейтронов и положительно заряженных протонов), возник вопрос, почему ядра не распадаются (что удерживает одноименно заряженные частицы рядом на очень малых расстояниях). Нейтроны и протоны удерживаются в ядре особыми (ядерными) силами. Энергия для этого берется за счет эффекта, который называется «дефект масс». Так, например, при взаимодействии протона с ядром гелия (оно состоит трёх протонов и четырёх нейтронов) образуются две альфа-частицы, каждая из которых содержат по два нейтрона и два протона. То есть у исходных и результирующих частиц в сумме имеются 4 нейтрона и 4 протона. Однако если сравнить их массы, то они оказываются разными, и, кроме того, в каждом случае отличаются от суммы масс 4 нейтронов и 4 протонов. Объяснение этому даёт специальная теория относительности, которая утверждает, что масса и энергия связаны формулой D E =D mc ². То, насколько отличает масса ядра от суммы масс составляющих его нейтронов и протонов, показывает, сколько энергии пошло на удержание частиц рядом или, другими словами, насколько сильно они связаны в ядре (то есть, насколько оно стабильно).

Этот же эффект объясняет, откуда берётся энергия в атомных электростанциях. Там происходит управляемая реакция деления ядер урана – превращения их в более стабильные, а разница в массах между ядрами этих элементов преобразуется в энергию и выделяется в виде тепла.

Принцип дополнительности. Приведенные выше (в лекции 5) факты, которые получили экспериментальное подтверждение, в частности, и ядерными эффектами, приводят к заключению, что принцип квантования (прерывности), а не принцип непрерывности, является фундаментальным принципом природы. Поэтому соотношение неопределённостей В. Гейзенберга, сформулированное для физики, имеет более широкое значение. Эту идею реализовал Н. Бор, когда сформулировал философский принцип дополнительности: «Всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий.»

Дата добавления: 2014-12-07