Атомная физика
Современная атомная физика и её построение
Атомная физика зарождалась на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков, основываясь на множественных исследованиях строения газов, открытии электрона и радиоактивности. На ранних этапах своего развития данное направление в науке по большей части было занято определением состава атома, а также изучением его свойств. Исследования Эрнеста Резерфорда по рассеянию микроэлементов металлической фольгой небольшой толщины в 1911 году помогли создать большую модель микроскопической частицы. Отталкиваясь от этой концепции, Нильсом Бором уже через пару лет была представлена первая количественная атомная теория.
Под атомной физикой подразумевается раздел физики, цель которого заключается в изучении строения и свойств всех наименьших частей химического элемента, а также связанных с ними элементарных процессов.
Под атомом подразумевается целостная система из электрически заряженных а-частиц, а потому его специфика по большей части определяется электромагнитными связями между элементами, активных на расстояниях около 10-8 сантиметров с энергетическим коэффициентом в 1 эВ.
Изучение свойств атомов и электронов было продолжено, что привело к разработке квантовой механики, цель которой сводится к описанию законов создания микромира комплексное рассмотрение явлений с непосредственным участием микрочастиц.
По сути, квантовая механика - это продолжение атомной физики и служит в качестве своеобразного полигона для испытаний для многих других сфер в области науки. Выводы и представления данной механики, как правило, не могут быть согласованы с текущим повседневным опытом.
Основы
Чтобы понять основы рассматриваемого раздела физики, нужно первым делом разобраться с основными терминами, которые используют ученые при проведении экспериментов.
Под радиоактивностью подразумевают уникальное свойство атомных ядер конкретных элементов самостоятельно перестраиваться в другие ядра, полностью испуская ионизирующее излучение.
Такую трансформацию называют радиоактивным распадом. Она характерна для изотопов природного происхождения, которые работают посредством естественной радиации. Также трансформация возможна в случае полученных искусственным путем элементов химических систем.
Ядро атома состоит из нейтронов и протонов. В случае нейтрального вещества число протонов в ядре соответствует количеству активных электронов в оболочке. Атомный номер приравнивается к коэффициенту общего числа нуклонов, находящихся в заряде и ядре атома.
У атомов с идентичным составом химического элемента имеется подобная атомная масса, которая примерно в 1840 раз превышает массу электрона. Поскольку данный показатель характеризуется нестабильностью, было принято решение считать объем частиц равным нулю. Вследствие этого атомная масса определяется ядерным параметром.
Массовый коэффициент того или иного атома ставится вверху слева от символа элемента периодической таблицы, а атомный заряд элемента располагается внизу слева от конкретного символа.
На данный момент учеными было выделено несколько разновидностей радиоактивных ядерных трансформаций, сопровождающихся различными типами ионизирующих излучений:
- альфа-распад, применяемый для ядер тяжелых химических элементов, у которых довольно малая энергия связи, выбрасывающая соответствующие частицы. Как следствие этого - заряд ядра уменьшается на два порядка;
- электронный бета-распад, свойственный трансформациям радионуклидов искусственного и естественного происхождения. Благодаря ему осуществляется распад бета-излучения;
- позитронный fi-распад, помогающий радионуклидам искусственного происхождения заполучить позитрон - элементарную частицу, имеющую положительный заряд;
- К-захват, предполагающий еще одну разновидность радиоактивных превращений. Он полностью захватывает электрон с близлежащей к ядру К-оболочкой в случае избытка протонов в атомном ядре.
Деление атомов более массивных химических элементов является довольно сложным процессом, характерным исключительно для ядер массивных атомов, как например, в случае 235U или 239Pu. Как результат действия методов рассматриваемого раздела - происходит образование ядер легких элементов с крупным энергетическим потенциалом и огромное число нейтронов.
Термоядерные реакции
Помимо регулярных естественных превращений, в рассматриваемом разделе физике возможна искусственная трансформация веществ в ядра куда более тяжелых элементов. Такие процессы при термоядерном взрыве, где задача высокотемпературного пускового механизма бомбы заключается в том, чтобы наделить легкие элементы системы большой кинетической энергией.
После плутониевого запала начнется формирование необходимых для бесконтрольной термоядерной реакции условий. Реакция будет сопровождаться выделением мощнейших потоков энергии гамма-лучей.
Плотность образования ионов у этих частиц сведена к минимуму, отсутствуют заряд и масса, а потому они характеризуются достаточно большой протяженностью пробега, достигающей нескольких сотен метров в воздушном пространстве.
Изучение интенсивности и скорости процесса радиоактивного ядерного распада предоставило для исследователей уникальный шанс определить немаловажную закономерность.
Распаду одновременно подвергаются далеко не все атомы. За тот или иной временной промежуток распадается лишь постоянная доля атомов радионуклидов.
Современная атомная физика и её построение
Еще до возникновения теорий нынешней атомной физики в начале двадцатого века был открыт электрон и радиоактивность, полностью опровергнувшие то, что атом является неделимым. Главным событием в рассматриваемом разделе физике стало учение Резерфорда, в котором утверждалось, что атомные элементы характеризуются малыми размерами относительно других химических элементов.
Однако если отталкиваться от классической электродинамики, то такая бы разновидность атома оказалась бы нестабильной, поскольку электроны излучали бы сильную электромагнитную энергию и упали бы на ядро за долю секунды. В начале двадцатого века Нильсом Бором была представлена теория об устойчивом атоме, в основе которой лежал следующие квантовые постулаты:
- атом способен в полной мере существовать исключительно при прерывных стационарных условиях, которые характеризуются конкретными внутренними энергиями;
- от атома не исходит электромагнитная энергия, и он достаточно устойчив;
- переходы между естественными атомными состояниями осуществляются скачкообразно, из-за чего ядро атома поглощает электрическую и магнитную энергии в определенном количестве.
Благодаря гипотезе атома Нильса Бора были даны ответы не только насчет стабильности частицы вещества, но и линейчатость протекающей в ней процессов, которые наблюдались в оптических и рентгеновских экспериментах. Чтобы точно определить вероятные прерывные значения энергетической мощности атома водорода ученый прибегнул к классическим уравнениям электродинамики для описания движения электрона и определения его мощности.
В середине двадцатых годов прошлого столетия в указанную теорию ввели новую физическую величину, связанную с магнитным моментом электрона - спин электрона. В тридцатых годах выяснилось, что в рассматриваемом разделе действует сильное притяжение, а не электромагнитное волны, как это считалось раньше.
Со временем рассматриваемый раздел физики был выделен в другой раздел - ядерную физику. В пятидесятых годах появилось новое научное течение - физика плазмы и элементарных частиц. В наше время атомная физика включает в себя теорию и экспериментальные исследовательские способы относительно ключевых атомных спектров в различных форматах. С её помощью можно получить точные определения энергий неизменных состояний, принципов движения и прочих особенностей атомного строения. Также данный раздел изучает механизмы протекающих внутри атомов процессов.