Академік А. Ф. ІОФФЕ. "Наука життя" № 1, 1934 р.

Статтею "Ядро атома" академіка Абрама Федоровича Іоффе відкривався перший номер журналу "Наука і життя", створеного в 1934 році.

Еге. Резерфорд.

Ф. У. Астон.

ХВИЛЬНА ПРИРОДА МАТЕРІЇ

На початку XX століття атомістичне будова матерії перестало бути гіпотезою, і атом став такою ж реальністю, як реальні звичайні для нас факти і явища.

З'ясувалося, що атом є дуже складним утворенням, до складу якого, безсумнівно, входять електричні заряди, а можливо, і лише одні електричні заряди. Звідси, природно, постало питання про структуру атома.

Перша модель атома була побудована на зразок Сонячної системи. Однак таке уявлення про структуру атома незабаром виявилося неспроможним. І це природно. Уявлення про атом як Сонячну систему було суто механічним перенесенням картини, пов'язаної з астрономічними масштабами, в область атома, де масштаби - лише стомільйонні частки сантиметра. Така різка кількісна зміна не могла не спричинити і дуже істотної зміни якісних властивостей тих же явищ. Ця відмінність передусім позначилося на тому, що атом, на відміну Сонячної системи, має бути побудований за набагато жорсткішим правилам, ніж закони, які визначають орбіти планет Сонячної системи.

Виникли дві труднощі. По-перше, всі атоми даного роду, даного елемента за своїми фізичними властивостями абсолютно однакові, а отже, абсолютно однакові мають бути орбіти електронів у цих атомах. Тим часом закони механіки, які керують рухом небесних тіл, для цього не дають абсолютно жодних підстав. Залежно від початкової швидкості орбіта планети може бути, за цими законами, цілком довільна, планета може обертатися щоразу з відповідною швидкістю по будь-якій орбіті, будь-яких відстанях від Сонця. Якби такі ж довільні орбіти існували в атомах, то атоми однакової речовини не могли б бути такими, що збігаються за своїми властивостями, наприклад, давати строго однаковий спектр світіння. Це одна суперечність.

Інше - полягало в тому, що рух електрона навколо атомного ядра, якщо до нього застосувати закони, добре нами вивчені у великому масштабі лабораторних дослідів або навіть астрономічних явищ, мало б супроводжуватися безперервним випромінюванням енергії. Отже, енергія атома повинна була б безперервно виснажуватися, і знову ж таки атом не міг би зберегти однаковими і незмінними свої властивості протягом століть і тисячоліть, а весь світ і всі атоми повинні були б відчувати безперервне згасання, безперервну втрату енергії, що полягає в них. Це теж несумісне з основними якостями атомів.

Остання скрута відчувалася особливо гостро. Здавалося, воно завело всю науку в нерозв'язний глухий кут.

Найбільший фізик Лоренц закінчив нашу розмову з цього приводу так: "Я шкодую, що не помер п'ять років тому, коли цього протиріччя ще не було. Тоді я б помер у переконанні, що я розкрив частину істини в явищах природи".

У цей же час, навесні 1924 року, де-Бройль, молодий учень Ланжевена, у своїй дисертації висловив думку, яка у подальшому розвитку привела до нового синтезу.

Ідея де-Бройля, потім досить істотно змінена, але досі в основному збереглася, полягала в тому, що рух електрона, що обертається навколо ядра в атомі, не є просто рух якоїсь кульки, як це уявляли раніше, що цей рух супроводжується деякою хвилею, що йде разом з електроном, що рухається. Електрон - не кулька, а деяка розмита у просторі електрична субстанція, рух якої є водночас поширенням хвилі.

Це уявлення, потім поширене як на електрони, а й у рух будь-якого тіла - і електрона, і атома, і цілої сукупності атомів, - стверджує, що всяке рух тіла містить у собі дві сторони, у тому числі ми окремих випадках можемо бачити особливо чітко одну сторону, тоді як інша помітно не проявляється. В одному випадку ми бачимо як би хвилі, що поширюються, і не помічаємо руху частинок, в іншому випадку, навпаки, на перший план виступають самі рухомі частинки, а хвиля вислизає від нашого спостереження.

Але насправді завжди обидві ці сторони є, і, зокрема, у русі електронів є як переміщення самих зарядів, а й поширення хвилі.

Не можна сказати, що руху електронів по орбітах немає, а є лише пульсація, лише хвилі, тобто щось інше. Ні, правильніше було б сказати так: того руху електродів, яке ми уподібнювали до руху планет навколо Сонця, ми зовсім не заперечуємо, але саме цей рух має характер пульсації, а не характер руху земної кулі навколо Сонця.

Я не буду тут викладати будову атома, будову тієї електронної його оболонки, яка визначає всі основні фізичні властивості – зчеплення, пружність, капілярність, хімічні властивості тощо. Усе це – результат руху електронної оболонки, або, як ми тепер скажемо, пульсації атома.

ПРОБЛЕМА АТОМНОГО ЯДРУ

Ядро грає в атомі найважливішу роль. Це той центр, навколо якого обертаються всі електрони і властивостями якого в кінцевому рахунку обумовлюється все інше.

Перше, що ми могли дізнатися про ядро, – це його заряд. Ми знаємо, що до складу атома входить деяка кількість негативно заряджених електронів, але атом загалом не має електричного заряду. Отже, десь мають бути відповідні позитивні заряди. Ці позитивні заряди зосереджені у ядрі. Ядро - позитивно заряджена частка, навколо якої пульсує електронна атмосфера, що оточує ядро. Заряд ядра визначає і число електронів.

Електрони заліза та міді, скла та дерева абсолютно однакові. Для атома жодної біди не складає втратити кілька своїх електронів або навіть втратити всі свої електрони. Поки залишається позитивно заряджене ядро, це ядро ​​притягне до себе з інших оточуючих тіл стільки електронів, скільки потрібно, і атом збережеться. Атом заліза доти залишиться залізом, поки ціле його ядро. Якщо він втратить кілька електронів, то позитивний заряд ядра виявиться більше, ніж сукупність негативних зарядів, що залишилися, і весь атом в цілому придбає надлишковий позитивний заряд. Тоді ми називаємо його не атомом, а позитивним іоном заліза. В іншому випадку атом може, навпаки, залучити до себе більше негативних електронів, ніж у ньому є позитивних зарядів - тоді він буде заряджений негативно, і ми називаємо його негативним іоном; це буде негативний іон того самого елемента. Отже, індивідуальність елемента, всі властивості існують і визначаються ядром, зарядом цього ядра передусім.

Далі, - маса атома в переважній своїй частині визначається саме ядром, а не електронами, - маса електронів становить менше однієї тисячної маси всього атома; більше 0,999 всієї маси - це маса ядра. Це має більше значення, що масу ми вважаємо мірою того запасу енергії, яким володіє дана речовина; маса - така ж міра енергії, як ерг, кіловат-година або калорія.

Складність ядра виявилася явище радіоактивності, відкритому, невдовзі за рентгеновими променями, межі нашого століття. Відомо, що радіоактивні елементи безперервно випромінюють енергію у вигляді альфа-, бета-і гамма-променів. Але таке безперервне випромінювання енергії повинно мати якесь джерело. У 1902 р. Резерфорд показав, що єдиним джерелом цієї енергії має бути атом, інакше кажучи, ядерна енергія. Інша сторона радіоактивності полягає в тому, що випромінювання цих променів переводить один елемент, що знаходиться в одному місці періодичної системи, в інший елемент з іншими хімічними властивостями. Інакше кажучи, радіоактивні процеси здійснюють перетворення елементів. Якщо вірно, що ядром атома визначається його індивідуальність і що, поки ядро ​​ціле, до того часу і атом залишається атомом даного елемента, а чи не якогось іншого, перехід одного елемента на другий означає зміна самого ядра атома.

Промені, що викидаються радіоактивними речовинами, дають перший підхід, що дозволяє скласти собі деяке загальне уявлення про те, що укладено в ядрі.

Альфа-промені є ядра гелію, а гелій - другий елемент періодичної системи. Можна вважати, що до складу ядра входять ядра гелію. Але вимір швидкостей, з якими вилітають альфа-промені, призводить відразу ж до дуже серйозної скрути.

ТЕОРІЯ РАДІОАКТИВНОСТІ ГАМОВА

Ядро заряджено позитивно. При наближенні до нього будь-яка заряджена частка відчуває силу тяжіння чи відштовхування. У великих масштабах лабораторій взаємодії електричних зарядів визначаються законом Кулона: два заряди взаємодіють один з одним із силою, обернено пропорційною квадрату відстані між ними та прямо пропорційній величині одного та іншого зарядів. Вивчаючи закони тяжіння чи відштовхування, які відчувають частки, наближаючись до ядра, Резерфорд встановив, що до дуже близьких до ядру відстаней, близько 10 -12 див, ще справедливий той самий закон Кулона. Якщо це так, ми легко можемо підрахувати, яку роботу має зробити ядро, відштовхуючи від себе позитивний заряд, коли він виходить з ядра і викидається назовні. Альфа-частинки та заряджені ядра гелію, вилітаючи з ядра, рухаються під відразливою дією його заряду; і ось відповідний підрахунок дає, що під дією одного тільки відштовхування альфа-частинки повинні були накопичити кінетичну енергію, що відповідає принаймні 10 або 20 млн. електронвольт, тобто енергію, яка виходить при проходженні зарядом, рівним заряду електрона різниці потенціалів у 20 млн. вольт. А насправді, вилітаючи з атома, вони виходять з набагато меншою енергією, всього в 1-5 млн. електронвольт. Адже, крім того,

Звичайно було очікувати, що і ядро, викидаючи альфа-частинку, ще щось дає їй на додачу. У момент викидання в ядрі відбувається щось на зразок вибуху, і цей вибух повідомляє якусь енергію; до цього додається робота сил відштовхування, а виявляється, що сума цих енергій менша від того, що має дати одне відштовхування. Це протиріччя знімається, щойно ми відмовимося від механічного перенесення у цю область поглядів, вироблених з досвіду вивчення великих тіл, де ми беремо до уваги хвильового характеру руху. Г. А. Гамов перший дав правильне тлумачення цій суперечності та створив хвильову теорію ядра та радіоактивних процесів.

Відомо, що на досить більших відстанях (більше 10 -12 см) ядро ​​відштовхує від себе позитивний заряд. З іншого боку, безперечно, що всередині самого ядра, в якому знаходиться багато позитивних зарядів, вони чомусь не відштовхуються. Саме існування ядра показує, що позитивні заряди всередині ядра взаємно притягують одне одного, а поза ядром - від нього відштовхуються.

Як же можна описати енергетичні умови в самому ядрі та навколо нього? Гамов створив таку виставу. Зображуватимемо на діаграмі (рис. 5) величину енергії позитивного заряду в даному місці відстанню від горизонтальної прямої А.

У міру наближення до ядра енергія заряду зростатиме, тому що відбуватиметься робота проти сили відштовхування. Усередині ядра, навпаки, енергія має знову зменшитися, тому що тут існує не взаємне відштовхування, а взаємне тяжіння. На межах ядра відбувається різке спадання величини енергії. Наш рисунок зображений на площині; насправді потрібно, звичайно, уявити собі його у просторі з таким самим розподілом енергії та за всіма іншими напрямками. Тоді ми отримуємо, що навколо ядра є шароподібний шар з високою енергією, як би деякий енергетичний бар'єр, що захищає ядро ​​від проникнення позитивних зарядів, так званий бар'єр Гамова.

Якщо стояти на точці зору звичних поглядів на рух тіла і забути про хвильову його природу, то слід очікувати, що в ядро ​​може пробратися тільки такий позитивний заряд, енергія якого не менша за висоту бар'єру. Навпаки, щоб вийти з ядра, заряду потрібно спочатку досягти вершини бар'єру, після чого його кінетична енергія почне зростати в міру віддалення від ядра. Якщо на вершині бар'єру енергія дорівнювала нулю, то при видаленні з атома вона і отримає ті самі 20 млн. електронвольт, які насправді ніколи не спостерігаються. Нове розуміння ядра, яке вніс Гамов, ось у чому. Рух частки слід розглядати як хвильовий. Отже, цьому русі позначається енергія у займаній часткою точці, а й у всій розмитої хвилі частки, що охоплює досить значне простір. Виходячи з уявлень хвильової механіки, ми можемо стверджувати, що, якщо навіть енергія в цій точці не досягла тієї межі, яка відповідає вершині бар'єру, частка може виявитися по інший бік, де її вже не втягують в ядро ​​сили тяжіння, що діють.

Щось аналогічне представляє такий досвід. Уявіть, що за стіною кімнати знаходиться бочка з водою. Від цієї бочки проведена труба, яка проходить високо нагорі через отвір, у стіні та подає воду; унизу вода виливається. Це добре відомий пристрій, званий сифоном. Якщо бочка з того боку поставлена ​​вище, ніж кінець труби, то через неї безперервно витікатиме вода зі швидкістю, яка визначається різницею рівня води в бочці і кінця труби. Нічого дивовижного тут немає. Але якби ви не знали про існування бочки по той бік стіни і бачили тільки трубу, якою тече вода з великої висоти, то для вас цей факт здавався б непримиренним протиріччям. Вода тече з великої висоти і водночас не накопичує енергії, що відповідає висоті труби. Проте пояснення у разі очевидне.

Аналогічне явище ми маємо у ядрі. Заряд зі свого нормального становища Апіднімається у стан більшої енергії Уале зовсім не досягає вершини бар'єру З(Рис. 6).

Зі стану Уальфа-частка, проходячи крізь бар'єр, починає відштовхуватися від ядра не з самої вершини З, а з меншою висоти енергії B 1. Тому при виході назовні накопичена часткою енергія залежатиме не від висоти З, а від меншої висоти, що дорівнює B 1(Мал. 7).

Це якісне міркування можна вдягнути і в кількісну форму і дати закон, що визначає ймовірність проходження бар'єру альфа-частинкою в залежності від тієї енергії У, Яка вона володіє в ядрі, а отже, і від тієї енергії, яку вона отримає при виході з атома.

За допомогою ряду дослідів було встановлено дуже простий закон, що пов'язував числа альфа-часток, що викидаються радіоактивними речовинами, з їх енергією або швидкістю. Але зміст цього закону був зовсім незрозумілий.

Перший успіх Гамова полягав у тому, що з його теорії абсолютно точно і невимушено випливав цей кількісний закон альфа-частинок. Нині "енергетичний бар'єр Гамова" та хвильове його тлумачення є основою всіх наших уявлень про ядро.

Властивості альфа-променів якісно та кількісно добре пояснюються теорією Гамова, але відомо, що радіоактивні речовини випускають і бета-промені – потоки швидких електронів. Випускання електронів модель не в змозі пояснити. Це - одна з найсерйозніших протиріч теорії атомного ядра, яке до останнього часу залишилося невирішеним, але рішення якого тепер, мабуть, намічається.

БУДОВА ЯДРУ

Перейдемо тепер до того, що ми знаємо про будову ядра.

Більше 100 років тому Проутом була висловлена ​​думка, що, можливо, елементи періодичної системи зовсім не є окремими, нічим між собою не пов'язаними формами матерії, а є лише різними комбінаціями атома водню. Якби це було так, то можна було б очікувати, що не тільки заряди всіх ядер будуть являти собою цілі кратні заряди водню, а й маси всіх ядер виражатимуться цілими кратними масами ядра водню, тобто всі атомні ваги повинні були б виражатися. цілими числами. І дійсно, якщо подивитися на таблицю атомних ваг, то можна побачити велику кількість цілих чисел. Наприклад, вуглець – рівно 12, азот рівно 14, кисень – рівно 16, фтор – рівно 19. Це, звичайно, не випадковість. Але є все-таки атомні ваги, далекі від цілих чисел. Наприклад, неон має атомну вагу 20,2, хлор – 35,46. Тому гіпотеза Проута залишилася частковою припущенням і не могла стати теорією будови атома. Вивчаючи поведінку заряджених іонів, особливо легко можна вивчати властивості ядра атома, впливаючи на них, наприклад, електричним та магнітним полем.

Заснований на цьому метод, доведений до надзвичайно великої точності Астоном, дозволив встановити, що всі елементи, атомні ваги яких не виражалися цілими числами, насправді являють собою не однорідну речовину, а суміш двох або кількох - 3, 4, 9 - різних видів атомів. Так, наприклад, атомна вага хлору, що дорівнює 35,46, пояснюється тим, що насправді є кілька сортів хлорних атомів. Існують атоми хлору з атомною вагою 35 і 37 і ці два види хлору змішані між собою в такій пропорції, що їх середня атомна вага виходить 35,46. Виявилося, що не тільки в одному цьому окремому випадку, але й у всіх без винятку випадках, де атомні ваги не виражаються цілими числами, ми маємо суміш ізотопів, тобто атомів з однаковим зарядом, отже, являють собою один і той самий елемент , але з різними масами. Кожен окремий сорт атомів завжди має цілу атомну вагу.

Таким чином, гіпотеза Проута отримала відразу значне підкріплення, і питання можна було б вважати вирішеним, якби не один виняток, а саме сам водень. Справа в тому, що наша система атомних ваг побудована не на водні, прийнятому за одиницю, а на атомній вазі кисню, яка умовно прийнята дорівнює 16. По відношенню до цієї ваги атомні ваги виражаються майже точними цілими числами. Але сам водень у цій системі має атомну вагу не одиницю, а дещо більше, саме 1,0078. Це число відрізняється від одиниці досить значно-на 3/4 %, що перевершує всі можливі помилки у визначенні атомної ваги.

Виявилося, що й у кисню є 3 ізотопи: крім переважаючого, з атомною вагою 16, інший - з атомною вагою 17 і третій - з атомною вагою 18 . Якщо відносити всі атомні ваги до ізотопу 16, то атомна вага водню все-таки виявиться трохи більшою за одиницю. Далі було знайдено другий ізотоп водню - водень з атомною вагою 2 - дейтерій, як його назвали американці, що відкрили, або диплоген, як його називають англійці. Цього дейтерію примішано всього приблизно 1/6000 частину, і тому атомній вазі водню присутність цієї домішки позначається дуже мало.

Наступний за воднем гелій має атомну вагу 4,002. Якби він був складений із 4 водень, то атомна вага його мала б бути, очевидно, 4,031. Отже, у цьому випадку маємо деяку втрату в атомній вазі, а саме: 4,031 - 4,002 = 0,029. Чи це можливо? Поки ми не вважали масу деякою мірою матерії, звичайно, це було неможливо: це означало б, що частина матерії зникла.

Але теорія відносності встановила з безперечністю, що маса не є міра кількості матерії, а міра тієї енергії, якою ця матерія має. Матерія вимірюється не масою, а кількістю зарядів, що становлять цю матерію. Ці заряди можуть мати більшу чи меншу енергію. Коли однакові заряди зближуються – енергія збільшується, коли вони видаляються – енергія зменшується. Але це, звичайно, не означає, що змінилася матерія.

Коли ми говоримо, що при утворенні гелію з 4 водень зникло 0,029 атомної ваги, це означає, що зникла відповідна цій величині енергія. Ми знаємо, що кожен грам речовини має енергію, що дорівнює 9 . 10 20 ерг. При утворенні 4 г гелію втрачається енергія, що дорівнює 0,029. 9 . 10 20 ерг. За рахунок цього зменшення енергії 4 ядра водню з'єднаються у нове ядро. Зайва енергія виділиться в навколишній простір, і залишиться з'єднання з дещо меншою енергією та масою. Таким чином, якщо атомні ваги вимірюються не точно, цілими числами 4 або 1, а 4,002 і 1,0078, то саме ці тисячні частки набувають особливого значення, тому що вони визначають енергію, що виділяється при утворенні ядра.

Чим більше виділяється енергії при утворенні ядра, тобто чим більша при цьому втрата в атомній вазі, тим міцніше ядро. Зокрема, ядро ​​гелію дуже міцне, тому що за його утворення виділяється енергія, що відповідає втраті в атомній вазі - 0,029. Це дуже велика енергія. Щоб судити про неї, найкраще запам'ятати таке просте співвідношення: одна тисячна атомна вага відповідає приблизно 1 млн електронвольт. Отже, 0,029 це приблизно 29 млн. електронвольт. Для того, щоб зруйнувати ядро ​​гелію, щоб розкласти його назад на 4 водні, потрібна колосальна енергія. Ядро такої енергії не отримує, тому ядро ​​гелію надзвичайно стійке, і саме з радіоактивних ядер виділяються не ядра водню, а цілі ядра гелію, альфа-частинки. Ці міркування призводять до нової оцінки атомної енергії. Ми вже знаємо, що в ядрі зосереджена майже вся енергія атома, і енергія величезна. 1 г речовини має, якщо перекласти наочнішу мову, стільки енергії, скільки можна отримати від спалювання 10 поїздів по 100 вагонів нафти. Отже, ядро ​​- виняткове джерело енергії. Порівняйте 1 м з 10 поїздами - таке співвідношення концентрації енергії в ядрі в порівнянні з енергією, якою ми користуємося в нашій техніці.

Однак, якщо вдуматися в ті факти, які ми зараз розглядаємо, то можна, навпаки, дійти абсолютно протилежного погляду на ядро. Ядро з цієї точки зору є не джерелом енергії, а її цвинтарем: ядро ​​- це залишок після виділення величезної кількості енергії, і в ньому ми маємо найнижчий стан енергії.

Отже, якщо ми можемо говорити про можливість використання енергії ядра, то тільки в тому сенсі, що, можливо, не всі ядра дійшли до гранично низької енергії: адже і водень і гелій - обидва існують у природі, а отже, не весь водень з'єднався в гелій, хоча гелій і має меншу енергію. Якби ми могли водень згуртувати в гелій, то отримали б відому кількість енергії. Це не 10 поїздів із нафтою, але все-таки це буде приблизно 10 вагонів із нафтою. І це не так погано, якби можна було з 1 г речовини отримати стільки енергії, скільки від спалювання 10 вагонів нафти.

Такими є можливі запаси енергії при перебудові ядер. Але можливість, звісно, ​​ще далеко не реальність.

Яким чином можна реалізувати ці можливості? Щоб оцінити їх, перейдемо до розгляду складу атомного ядра.

Ми можемо тепер сказати, що у всіх ядрах є позитивні ядра водню, які називаються протонами, мають одиницю атомної ваги (точніше 1,0078) і одиничний позитивний заряд. Але ядро ​​не може складатися із одних протонів. Візьмемо, наприклад, найважчий елемент, що займає 92-е місце в періодичній таблиці, - уран з атомною вагою 238. Якщо припустити, що всі ці 238 одиниць складені з протонів, то уран мав би 238 набоїв, тим часом він має всього 92. Отже, або там не всі частинки заряджені, або там, крім 238 протонів, є 146 негативних електронів. Тоді все благополучно: атомна вага була б 238, позитивних зарядів 238 і негативних 146, отже, сумарний заряд 92. Але ми вже встановили, що припущення про наявність в ядрі електронів несумісне з нашими уявленнями: ні за розмірами, ні за магнітними властивостями електронів ядро помістити не можна. Залишалося якесь протиріччя.

ВІДКРИТТЯ НЕЙТРОНУ

Ця суперечність була знищена новим досвідченим фактом, який приблизно два роки тому був відкритий Іреною Кюрі та чоловіком її Жоліо (Ірена Кюрі – дочка Марії Кюрі, яка відкрила радій). Ірена Кюрі та Жоліо відкрили, що при бомбардуванні берилію (четвертого елемента періодичної системи) альфа-частинками берилій випускає якісь дивні промені, що проникають через величезні товщі речовини. Здавалося б, якщо вони так легко проникають крізь речовини, вони не повинні викликати там скільки-небудь значних дій, інакше їхня енергія виснажилася б і вони не проникали б крізь речовину. З іншого боку, виявляється, що ці промені, зіткнувшись з ядром якогось атома, відкидають його з величезною силою, ніби ударом важкої частки. Отже, з одного боку, треба думати, що це промені - важкі ядра, з другого боку, вони здатні проходити величезні товщі, не впливаючи.

Вирішення цієї суперечності знайдено було в тому, що ця частка не заряджена. Якщо частинка не має електричного заряду, то тоді на неї ніщо не діятиме, і сама вона ні на що не діятиме. Тільки тоді, коли вона при своєму русі наскочить десь на ядро, вона його відкидає.

Таким чином, з'явилися нові незаряджені частинки – нейтрони. Виявилося, що маса цієї частки приблизно така ж, як маса частинки водню - 1,0065 (на одну тисячну менше протона енергія її приблизно на 1 млн електронвольт менше). Ця частка схожа на протон, але лише позбавлена ​​позитивного заряду, вона нейтральна, її назвали нейтроном.

Щойно з'ясувалося існування нейтронів, було запропоновано зовсім інше уявлення про будову ядра. Воно було вперше висловлено Д. Д. Іваненко, а потім розвинене, особливо Гайзенбергом, який отримав Нобелівську премію минулого року. У ядрі можуть бути протони і нейтрони. Можна було припустити, що ядро ​​складено тільки з протонів і нейтронів. Тоді зовсім по-іншому, але дуже легко представляється вся побудова періодичної системи. Як, наприклад, треба уявити собі уран? Його атомна вага 238, тобто там 238 частинок. Але частина їх протони, частина нейтрони. Кожен протон має позитивний заряд, нейтрони не мають заряду. Якщо заряд урану - 92, це означає, що 92 - протона, проте інше - нейтрони. Це уявлення вже зараз призвело до ряду вельми чудових успіхів, одразу роз'яснило цілу низку властивостей періодичної системи, які раніше були абсолютно загадковими. Коли протонів і нейтронів небагато, то, за сучасними уявленнями хвильової механіки, слід очікувати, що кількість протонів і нейтронів у ядрі однакова. Заряд має тільки протон, і число протонів дає атомний номер. А атомна вага елемента - це сума терезів протонів і нейтронів, тому що й ті та інші мають по одиниці атомної ваги. На цій підставі можна сказати, що атомний номер – це половина атомної ваги.

Тепер залишається все-таки одна скрута, одна суперечність. Це - протиріччя, створюване бета-частинками.

ВІДКРИТТЯ ПОЗИТРОНУ

Ми прийшли до висновку, що в ядрі немає нічого, крім позитивно зарядженого протона. А як тоді викидаються з ядра негативні електрони, якщо там взагалі ніяких негативних зарядів немає? Як бачите, ми потрапили у скрутне становище.

З нього нас виводить знову-таки новий експериментальний факт, нове відкриття. Це відкриття було зроблено, мабуть уперше, Д. В. Скобельциним, який, давно вже вивчаючи космічні промені, виявив, що серед зарядів, які викидають космічні промені, є й позитивні легкі частки. Але це відкриття настільки суперечило всьому тому, що твердо було встановлено, що Скобельцин спочатку не надав своїм спостереженням такого тлумачення.

Наступним, хто відкрив це явище, був американський фізик Андерсен у Пасадені (Каліфорнія), а після нього в Англії, в лабораторії Резерфорда - Блеккет. Це – позитивні електрони або, як їх не дуже вдало назвали, – позитрони. Що справді це позитивні електрони - можна найпростіше бачити з їхньої поведінки в магнітному полі. У магнітному полі електрони відхиляються в одну сторону, а позитрони - в іншу, і напрямок їх відхилення визначає собою їх знак.

Спочатку позитрони спостерігалися лише за проходженні космічних променів. Зовсім недавно ті ж Ірена Кюрі та Жоліо відкрили нове чудове явище. Виявилося, що існує новий тип радіоактивності, що ядра алюмінію, бору, магнію, власними силами не радіоактивні, будучи бомбардовані альфа-променями, стають радіоактивними. Протягом від 2 до 14 хвилин вони продовжують самі собою випускати частинки, і ці частинки вже не альфа-і бета-промені, а позитрони.

Теорія позитронів була створена набагато раніше, ніж було знайдено сам позитрон. Дірак поставив собі завдання надати рівнянням хвильової механіки таку форму, щоб вони задовольняли теорії відносності.

Ці рівняння Дірака, однак, призвели до дуже дивного слідства. Маса в них входить симетрично, тобто при зміні знака маси на протилежні рівняння не змінюються. Ця симетрія рівнянь щодо маси дозволила Діраку передбачити можливість існування позитивних електронів.

У той час ніхто позитивних електронів не спостерігав, і існувала тверда впевненість, що позитивних електронів немає (можна судити про це з обережності, з якою підійшли до цього питання і Скобельцин і Андерсен), тому теорія Дірака була відкинута. Через два роки позитивні електрони були насправді знайдені, і, природно, згадали про теорію Дірака, що передбачила їх появу.

"МАТЕРІАЛІЗАЦІЯ" І "АНІГІЛЯЦІЯ"

Ця теорія пов'язана з низкою безпідставних тлумачень, які обростають її з усіх боків. Мені хотілося б тут розібрати названий так з ініціативи мадам Кюрі процес матеріалізації - поява при проходженні гамма-променів крізь матерію одночасно пари з позитивного та негативного електрона. Цей досвідчений факт тлумачать як перетворення електромагнітної енергії на дві частинки матерії, яких раніше не існувало. Цей факт, отже, тлумачиться як створення та зникнення матерії під впливом тих інших променів.

Але якщо ближче придивитися до того, що ми насправді спостерігаємо, то легко бачити, що таке тлумачення появи пар немає жодних підстав. Зокрема, у роботі Скобельцина чудово видно, що поява пари зарядів під впливом гамма-променів відбувається зовсім не в порожньому просторі, поява пар спостерігається завжди лише в атомах. Отже, тут ми маємо справу не з матеріалізацією енергії, не з появою якоїсь нової матерії, а лише з поділом зарядів усередині тієї матерії, яка вже існує в атомі. Де вона була? Треба думати, що процес розщеплення позитивного і негативного заряду відбувається недалеко від ядра, всередині атома, але не всередині ядра (на порівняно невеликій відстані 10 -10 -10 -11 см, тоді як радіус ядра 10 -12 -10 -13 см ).

Точно так само можна сказати і про зворотний процес "анігіляції матерії" - з'єднання негативного та позитивного електрона з виділенням одного мільйона електронвольт енергії у вигляді двох квантів електромагнітних гамма-променів. І цей процес відбувається завжди в атомі, мабуть поблизу його ядра.

Тут ми підходимо до можливості вирішення зазначеного вже нами протиріччя, до якого призводить випромінювання бета-променів негативних електронів ядром, яке, як ми вважаємо, електронів не містить.

Очевидно, бета-частинки вилітають не з ядра, а завдяки ядру; завдяки виділенню енергії всередині ядра у нього відбувається процес розщеплення на позитивний і негативний заряди, причому негативний заряд викидається, а позитивний втягується в ядро ​​і зв'язується з нейтроном, утворюючи позитивний протон. Таке припущення, яке висловлювалося останнім часом.

Ось що ми знаємо склад атомного ядра.

ВИСНОВОК

На закінчення скажемо кілька слів про подальші перспективи.

Якщо щодо атомів ми сягнули деяких кордонів, за якими кількісні зміни перейшли у нові якісні властивості, то межах атомного ядра перестають діяти й ті закони хвильової механіки, які ми виявили в атомній оболонці; в ядрі починають намацуватися дуже ще неясні контури нової, ще більш узагальнюючої теорії, стосовно якої хвильова механіка є лише однією стороною явища, інша сторона якого починає зараз відкриватися - і починає, як завжди, з протиріч.

Роботи над атомним ядром мають і інший дуже цікавий бік, що тісно переплітається з розвитком техніки. Ядро дуже добре захищене бар'єром Гамова від зовнішніх дій. Якщо, не обмежуючись лише спостереженням розпаду ядер в радіоактивних процесах, ми захотіли б ззовні прорватися в ядро, перебудувати його, то для цього знадобився б надзвичайно потужний вплив.

Завдання про ядро ​​наполегливішим чином вимагає подальшого розвитку техніки, переходу від тих напруг, які вже освоєні високовольтною технікою, від напруги в кілька сотень тисяч вольт, до мільйонів вольт. Створюється новий етап у техніці. Ця робота над створенням нових джерел напруги, в мільйони вольт, ведеться зараз у всіх країнах - і за кордоном, і в нас, зокрема, у Харківській лабораторії, яка перша розпочала цю роботу, і в Ленінградському фізико-технічному інституті, і в інших місцях.

Проблема ядра – одна з найактуальніших проблем нашого часу у фізиці; над нею потрібно з надзвичайною інтенсивністю і наполегливістю працювати, і в цій роботі необхідно мати велику сміливість думки. У своєму викладі я вказав на кілька випадків, коли, переходячи до нових масштабів, ми переконувалися, що наші логічні звички, всі наші уявлення, побудовані на обмеженому досвіді, не годяться для нових явищ і нових масштабів. Потрібно подолати цей властивий кожному з нас консерватизм здорового глузду. Здоровий глузд - це концентрований досвід минулого; не можна очікувати, що цей досвід охопить і майбутнє. В області ядра більше, ніж у будь-якій іншій, доводиться весь час мати на увазі можливість нових якісних властивостей і не боятися їх. Мені здається, що саме тут має позначитися міць діалектичного методу, позбавленого цього консерватизму методу, що передбачив і весь перебіг розвитку сучасної фізики. Я, звісно, ​​розумію тут під діалектичним методом не сукупність фраз, які з Енгельса. Не його слова, які сенс треба перенести на нашу роботу; лише один діалектичний метод може нас просунути вперед у такій абсолютно новій і передовій галузі, як проблема ядра.

Рис.18.4

2. Спонтанне (самовільне) випромінювання збуджених атомів під час переходу з верхнього енергетичного рівня з енергією Е 2 на нижній рівень з енергією Е 1 . Частота випущеного кванта nтака сама, як частота поглиненого при збудженні кванта, але напрям поширення і фаза коливань випромінювання довільні.

3. Вимушене випромінювання атомів під час переходу збуджених атомів у вихідний стан під впливом падаючого електромагнітного випромінювання. З квантової точки зору новий квант вимушеного випромінювання нічим не відрізняється від кванта, який стимулював його появу. Вимушене випромінювання строго когерентно з випромінюванням, що викликало його, інтенсивність результуючої електромагнітної хвилі збільшується. Слід зазначити, що можливість переходів 1 і 3 однакова, тому переважання поглинання чи вимушеного випромінювання визначається співвідношенням числа атомів середовища N 1 та N 2 у станах з енергією Е 1 та Е 2 .

В умовах термодинамічної рівноваги, яка найчастіше і реалізується в речовині, населеність N 1нижнього рівня завжди більше населеності N 2верхнього рівня. Тому електромагнітна хвиля втрачає більше енергії, ніж набуває, інтенсивність випромінювання зменшується.

Однак у деяких випадках можна створити такі умови, коли виникає так звана, інверсна населеність рівнів ( N 2 >N 1), середовище з такою населеністю називається активною . У такому середовищі вимушені переходи ( Е 2 ® Е 1) відбуваються частіше, ніж збудження атомів, інтенсивність випромінювання зростає. Для того щоб забезпечити інверсне населення в активному середовищі, необхідно пристрій для збудження середовища, пристрій, який постачає енергію для збудження атомів середовища.

Двох рівнів енергії для роботи лазера недостатньо. В умовах рівноваги N 1 >N 2 .

Зазвичай у лазерах використовується так звана трирівнева система створення активного середовища (рис.18.5). Атоми середовища збуджуються якимось впливом і переходять із основного стану з енергією Е 1 у збуджений стан з енергією Е 3 . На рівні 3 атом живе дуже мало, близько 10 -8 с, після чого мимоволі переходить у стан 2 без випромінювання світла (енергія при цьому передається іншим атомам середовища). Час життя може 2 набагато більше, порядку 10 -3 з, і в цьому збудженому стані накопичується велика кількість атомів середовища. Створюється середовище з інверсною населеністю рівнів 2 і 1. Кожен фотон, що випадково народився при переході 21, рухається в активному середовищі і може породжувати безліч вимушених переходів 21, в результаті чого виникає лавина вторинних фотонів, що є копіями первинного фотона.

Першим лазером (Від перших літер англійської назви Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), що працює у видимій області спектру (довжина хвилі випромінювання 0,69 мкм) був рубіновий лазер (Т. Мейман, 1960). Рубін - це червоний кристал оксиду алюмінію Al 2 O 3 з домішкою атомів хрому (близько 0,05%). Саме іони хрому в кристалі рубіну мають три рівні енергії, що володіють необхідними властивостями для створення інверсної населеності.

Особливістю радіоактивного забруднення на відміну забруднення іншими полютантами і те, що шкідливий вплив на людини і об'єкти довкілля надає не сам радіонуклід (поллютант), а випромінювання, джерелом якого є.

Проте трапляються випадки, коли радіонуклід - токсичний елемент. Наприклад, після аварії на Чорнобильській АЕС у навколишнє середовище з частинками ядерного палива було викинуто плутоній 239, 242 Рu. Крім того, що плутоній – альфа-випромінювач і при попаданні всередину організму становить значну небезпеку, плутоній сам по собі – токсичний елемент.

З цієї причини використовують дві групи кількісних показників: 1) для оцінки вмісту радіонуклідів та 2) для оцінки впливу випромінювання на об'єкт.
Активність- кількісний захід вмісту радіонуклідів в аналізованому об'єкті. Активність визначається кількістю радіоактивних розпадів атомів за одиницю часу. Одиницею виміру активності у системі СІ є Беккерель (Бк) рівний одному розпаду на секунду (1Бк = 1 расп/с). Іноді використовується позасистемна одиниця виміру активності – Кюрі (Кі); 1Кі = 3,7 × 1010 Бк.

Доза випромінювання- кількісна міра впливу випромінювання на об'єкт.
У зв'язку з тим, що випромінювання на об'єкт можна оцінювати на різних рівнях: фізичному, хімічному, біологічному; на рівні окремих молекул, клітин, тканин або організмів і т. д. використовують декілька видів доз: поглинену, ефективну еквівалентну, експозиційну.

Для оцінки зміни дози випромінювання у часі використовують показник потужність дози. Потужність дози- Це відношення дози до часу. Наприклад, потужність дози зовнішнього опромінення від природних джерел радіації становить біля Росії 4-20 мкР/ч.

Основний норматив для людини – основна дозова межа (1 мЗв/рік) – вводиться в одиницях, ефективної еквівалентної дози. Існують нормативи та в одиницях активності, рівні забруднення земель, ВДУ, ПГП, СанПіН та ін.

Будова атомного ядра.

Атом - це дрібна частка хімічного елемента, що зберігає всі його властивості. За своєю структурою атом представляє складну систему, що складається з атома, що знаходиться в центрі, позитивно зарядженого ядра дуже малого розміру (10 -13 см) і негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра на різних орбітах. Негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду ядра, причому в цілому виявляється електрично нейтральним.

Атомні ядра складаються з нуклонів -ядерних протонів ( Z -число протонів) та ядерних нейтронів (N – число нейтронів). «Ядерні» протони та нейтрони відрізняються від частинок у вільному стані. Наприклад, вільний нейтрон, на відміну пов'язаного в ядрі, нестабільний і перетворюється на протон і електрон.

Число нуклонів Ам (масове число) є сумою чисел протонів і нейтронів: Ам = Z+ N.

Протон -елементарна частка будь-якого атома, він має позитивний заряд, рівний заряду електрона. Число електронів в оболонці атома визначається числом протонів у ядрі.

Нейтрон -інший вид ядерних частинок всіх елементів. Його немає лише в ядрі легкого водню, що складається з одного протону. Він не має заряду, електрично нейтральний. У атомному ядрі нейтрони є стабільними, а вільному стані вони нестійкі. Число нейтронів у ядрах атомів одного й того ж елемента може коливатися, тому число нейтронів у ядрі не характеризує елемент.

Нуклони (протони + нейтрони) утримуються всередині атомного ядра ядерними силами тяжіння. Ядерні сили в 100 разів сильніші за електромагнітні сили і тому утримують усередині ядра однойменно заряджені протони. Ядерні сили проявляються тільки на дуже малих відстанях (10 -13 см), вони становлять потенційну енергію зв'язку ядра, яка при деяких перетвореннях частково звільняється, переходить у кінетичну енергію.

Для атомів, що відрізняються складом ядра, використовується назва «нукліди», а для радіоактивних атомів - «радіонукліди».

Нуклідаминазивають атоми або ядра з цим числом нуклонів і зарядом ядра (позначення нукліду А Х).

Нукліди, що мають однакову кількість нуклонів (Ам = соnst), називаються ізобарами.Наприклад, нукліди 96 Sr, 96 Y, 96 Zr належать до ряду ізобарів із числом нуклонів Ам = 96.

Нукліди, які мають однакову кількість протонів (Z =соnst), називаються ізотопами.Вони різняться лише числом нейтронів, тому належать одному й тому елементу: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

Ізотопи- Нукліди з однаковим числом нейтронів (N = Ам-Z = const). Нукліди: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca належать до ряду ізотопів із 20 нейтронами.

Ізотопи прийнято позначати як Z Х М, де X - символ хімічного елемента; М - масове число, що дорівнює сумі числа протонів і нейтронів в ядрі; Z - атомний номер або заряд ядра, що дорівнює кількості протонів в ядрі. Оскільки кожен хімічний елемент має свій постійний атомний номер, його зазвичай опускають і обмежуються написанням тільки масового числа, наприклад: 3 Н, 14 С, 137 Сs, 90 Sr і т. д.

Атоми ядра, які мають однакові масові числа, але різні заряди і, отже, різні властивості називають «ізобарами», наприклад один з ізотопів фосфору має масове число 32 - 15 Р 32 , таке ж масове число має і один з ізотопів сірки - 16 S 32 .

Нукліди можуть бути стабільними (якщо їх ядра стійкі і не розпадаються) і нестабільними (якщо їх ядра нестійкі і зазнають змін, що призводять до збільшення стабільності ядра). Нестійкі атомні ядра, здатні мимоволі розпадатися, називають радіонуклідами.Явище мимовільного розпаду ядра атома, що супроводжується випромінюванням частинок та (або) електромагнітного випромінювання, називається радіоактивністю.

Через війну радіоактивного розпаду може утворитися як стабільний, і радіоактивний ізотоп, своєю чергою, мимоволі розпадається. Такі ланцюжки радіоактивних елементів, пов'язані серією ядерних перетворень, називаються радіоактивними сімействами.

В даний час IUРАС (Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії) офіційно дав назву 109 хімічних елементів. З них тільки 81 має стабільні ізотопи, найбільш важким з яких є вісмут (Z= 83). Для решти 28 елементів відомі лише радіоактивні ізотопи, причому уран (U ~ 92) є найважчим елементом, що у природі. Найбільший із природних нуклідів має 238 нуклонів. У цілому нині доведено існування близько 1700 нуклідів цих 109 елементів, причому кількість ізотопів, відомих окремих елементів, коливається від 3 (для водню) до 29 (для платини).

Зміст статті

АТОМНОГО ЯДРУ БУДОВА.Ядро є центральною частиною атома. У ньому зосереджено позитивний електричний заряд і основну частину маси атома; в порівнянні з радіусом електронних орбіт розміри ядра надзвичайно малі: 10 -15 -10 -14 м. Ядра всіх атомів складаються з протонів і нейтронів, що мають майже однакову масу, але лише протон несе електричний заряд. Повна кількість протонів називається атомним номером Zатома, що збігається з числом електронів у нейтральному атомі. Ядерні частинки (протони та нейтрони), звані нуклонами, утримуються разом дуже великими силами; за своєю природою ці сили не можуть бути ні електричними, ні гравітаційними, а за величиною вони на багато порядків перевищують сили, що зв'язують електрони з ядром.

Перше уявлення про справжні розміри ядра давали досліди Резерфорда щодо розсіювання альфа-частинок у тонких металевих фольгах. Частинки глибоко проникали крізь електронні оболонки та відхилялися, наближаючись до зарядженого ядра. Ці досліди явно свідчили про малі розміри центрального ядра і вказали на спосіб визначення ядерного заряду. Резерфорд встановив, що альфа-частинки наближаються до центру позитивного заряду на відстань приблизно 10 -14 м, а це дозволило йому зробити висновок, що такий максимально можливий радіус ядра.

На основі таких припущень Бор побудував свою квантову теорію атома, яка успішно пояснила дискретні спектральні лінії, фотоефект, рентгенівське випромінювання та періодичну систему елементів. Однак теоретично Бора ядро ​​розглядалося як позитивний точковий заряд.

Ядра більшості атомів виявилися не тільки дуже малими – на них ніяк не діяли такі засоби збудження оптичних явищ, як дуговий іскровий розряд, полум'я тощо. Вказівкою на наявність певної внутрішньої структури ядра стало відкриття в 1896 А. Бекерелем радіоактивності. Виявилося, що уран, а потім радій, полоній, радон тощо. випускають як короткохвильове електромагнітне випромінювання, рентгенівське випромінювання і електрони (бета-промені), а й більш важкі частки (альфа-промені), які могли виходити лише з масивної частини атома. Резерфорд використовував альфа-частинки радію у своїх дослідах із розсіяння, які послужили основою формування уявлень про ядерний атом. (У той час було відомо, що альфа-частинки - це атоми гелію, позбавлені своїх електронів; але на питання - чому деякі важкі атоми спонтанно випускають їх, відповіді ще не було, як не було і точного уявлення про розміри ядра.)

Відкриття ізотопів.

Вимірювання мас «каналових променів», проведені Дж. Томсоном, Ф. Астоном та іншими дослідниками за допомогою досконаліших мас-спектрометрів і з більшою точністю, дали ключ до будови ядра, а також атома в цілому. Наприклад, вимір відношення заряду до маси показав, що заряд ядра водню, мабуть, є одиничний позитивний заряд, чисельно рівний заряду електрона, а маса m p = 1837m e, де m e- Маса електрона. Гелій міг давати іони з подвійним зарядом, та його маса вчетверо перевищувала масу водню. Таким чином, висловлена ​​раніше В.Праутом гіпотеза про те, що всі атоми побудовані з атомів водню, була серйозно похитнута.

Порівнюючи на своєму мас-спектрографі масу атома неону з відомими масами інших елементів, Томсон у 1912 р. несподівано виявив, що неону замість однієї відповідають дві параболи. Розрахунки мас частинок показали, що з парабол відповідає часткам з масою 20, іншу – з масою 22. Це було першим свідченням те, що атоми певного хімічного елемента може мати різні масові числа. Оскільки виміряне (середнє) масове число дорівнювало 20,2, Томсон висловив припущення, що неон складається з атомів двох типів, на 90% з масою 20 і на 10% з масою 22. Оскільки обидва типи атомів у природі існують у вигляді суміші і їх не можна розділити хімічним шляхом, масове число неону виявляється рівним 20,2.

Наявність двох типів атомів неону наводило на думку, що й інші елементи можуть являти собою суміші атомів. Наступні мас-спектрометричні вимірювання показали, що більшість природних елементів є сумішшю від двох до десяти різних сортів атомів. Атоми того самого елемента з різною масою називають ізотопами. Деякі елементи мають лише один ізотоп, що вимагало теоретичного пояснення, як і факт різної поширеності елементів, а також існування радіоактивності лише в певних речовин.

У зв'язку з відкриттям ізотопів виникла проблема стандартизації, оскільки хіміки раніше вибрали як стандарт «кисень» (16,000000 атомних одиниць маси), що виявився сумішшю чотирьох ізотопів. У результаті вирішили встановити «фізичну» шкалу мас, у якій найпоширенішому ізотопу кисню приписувалося значення 16,000000 а.е.м. Однак у 1961 між хіміками та фізиками було досягнуто угоди, згідно з якою найбільш поширеним ізотопом вуглець-12 було приписано 12,00000 а.о.м. Оскільки число атомів в 1 молі ізотопу дорівнює Авогадро N 0 , отримуємо

Зазначимо, що в атомну одиницю маси входить маса одного електрона, а маса найлегшого ізотопу водню майже на 1% більше 1 а.

Відкриття нейтрону.

Відкриття ізотопів не прояснило питання будову ядра. До цього часу були відомі лише протони – ядра водню та електрони, а тому природною була спроба пояснити існування ізотопів різними комбінаціями цих позитивно та негативно заряджених частинок. Можна було б думати, що ядра містять Апротонів, де А– масове число, та А-Zелектронів. При цьому повний позитивний заряд збігається з атомним номером Z.

Така проста картина однорідного ядра спочатку не суперечила висновку про малі розміри ядра, що випливало з дослідів Резерфорда. "Природний радіус" електрона r 0 = e 2 /mc 2 (який виходить, якщо прирівняти електростатичну енергію e 2 /r 0 заряду, розподіленого по сферичній оболонці, власної енергії електрона mc 2) складає r 0 = 2,82Ч 10 -15 м. Такий електрон досить малий, щоб знаходитися всередині ядра радіусом 10 -14 м, хоча помістити туди велику кількість частинок було б важко. У 1920 р. Резерфорд та інші вчені розглядали можливість існування стійкої комбінації з протона та електрона, що відтворює нейтральну частинку з масою, приблизно рівної масі протона. Однак через відсутність електричного заряду такі частинки важко піддавалися б виявленню. Навряд чи вони могли б вибивати електрони з металевих поверхонь, як електромагнітні хвилі при фотоефекті.

Лише через десятиліття, після того, як природна радіоактивність була глибоко досліджена, а радіоактивне випромінювання стали широко застосовувати, щоб викликати штучне перетворення атомів, було надійно встановлено існування нової складової частини ядра. У 1930 В.Боте і Г.Беккер з Гісенського університету проводили опромінення літію і берилію альфа-частинками і за допомогою лічильника Гейгера реєстрували проникаюче випромінювання. Оскільки на це випромінювання не впливали електричні та магнітні поля і воно мало велику проникаючу здатність, автори дійшли висновку, що випромінюється жорстке гамма-випромінювання. У 1932 Ф.Жоліо та І.Кюрі повторили досліди з бериллієм, пропускаючи таке проникаюче випромінювання через парафіновий блок. Вони виявили, що з парафіну виходять протони з надзвичайно високою енергією, і зробили висновок, що, проходячи через парафін, гамма-випромінювання в результаті розсіювання породжує протони. (У 1923 р. було встановлено, що рентгенівські промені розсіюються на електронах, даючи комптонівський ефект.)

Дж.Чедвік повторив експеримент. Він також використовував парафін та за допомогою іонізаційної камери (рис. 1), в якій збирався заряд, що виникає при вибиванні електронів з атомів, вимірював пробіг протонів віддачі.

Чедвік використовував також газоподібний азот (у камері Вільсона, де вздовж сліду зарядженої частки відбувається конденсація водяних крапель) для поглинання випромінювання та вимірювання пробігу атомів віддачі азоту. Застосувавши до результатів обох експериментів закони збереження енергії та імпульсу, він дійшов висновку, що виявлене нейтральне випромінювання – це негамма-випромінювання, а потік частинок з масою, близькою до маси протону. Чедвік показав також, що відомі джерела гамма-випромінювання не вибивають протонів.

Тим самим було підтверджено існування нової частки, яку тепер називають нейтроном. Розщеплення металевого берилію відбувалося так:

Альфа-частинки 4 2 He (заряд 2 масове число 4) стикалися з ядрами берилію (заряд 4 масове число 9), в результаті чого виникали вуглець і нейтрон.

Відкриття нейтрону стало важливим кроком уперед. Характерні характеристики ядер тепер можна було інтерпретувати, розглядаючи нейтрони і протони як складові ядер. На рис. 2 схематично показано структуру кількох легких ядер.

Нейтрон, як тепер відомо, на 0,1% важчий за протон. Вільні нейтрони (поза ядром) зазнають радіоактивного розпаду, перетворюючись на протон і електрон. Це нагадує про початкову гіпотезу складеної нейтральної частки. Однак усередині стабільного ядра нейтрони пов'язані з протонами і мимоволі не розпадаються.

Ядерний зв'язок.

Початкове припущення Праута про те, що всі атомні маси повинні бути цілими кратними маси атома водню, дуже близьке до істини, зокрема стосовно ізотопів. Відхилення вкрай малі, завжди трохи більше 1%, а здебільшого трохи більше 0,1%. Детальне вивчення мас ізотопів доведено до високого ступеня досконалості: похибка виміру нині, зазвичай, вбирається у кількох мільйонних.

Встановлено, що нейтронів приблизно збігається з числом протонів в атомі, тобто.

Насправді у важчих ядрах є деякий надлишок нейтронів. Оскільки нейтрон не заряджений, сили, що утримують нейтрони та протони в ядрі, за своєю природою не є електростатичними; крім того, однойменні заряди відштовхуються. Те, що ядра дуже важко розщепити, свідчить про існування великих сил ядерного тяжіння. Незважаючи на небагато відстаней, гравітаційне тяжіння між нуклонами все ж таки занадто слабке, щоб забезпечити стабільність ядра.

Згідно з Ейнштейном, повна енергія ізольованої системи зберігається, а маса є однією з форм енергії: E = mc 2 . Щоб розщепити таку пов'язану систему, як ядро ​​стабільного атома, на її нейтрони і протони, їй необхідно повідомити енергію. Це означає, що маса нейтронів та протонів перевищує масу ядра на величину

D M = ZM p + NM n - M A, Z,

де M pі M n– маси вільного протона та нейтрону, а M A,Z- Маса ядра з зарядом Zта масовим числом А. Ця різниця мас, виражена в одиницях енергії, називається енергією зв'язку. Коефіцієнт для перерахунку такий:

1 а.е.м. = 931,14 МеВ,

де 1 МеВ = 106 еВ. Таким чином, енергія зв'язку E B= D Mc 2 є енергія, необхідна для розщеплення ядра на окремі нейтрони та протони.

Середня енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, E B/A, Досить регулярно змінюється зі збільшенням числа нуклонів в ядрі (рис. 3). Найлегшим ядром після протона є дейтрон 21H, розщеплення якого вимагає енергії 2,2 МеВ, тобто. 1,1 МеВ на нуклон. Альфа-частка 4 2 He пов'язана набагато сильніше, ніж її сусіди: її енергія зв'язку становить 28 МеВ. У ядер з масовим числом, що перевищує 20, середня енергія зв'язку, що припадає на нуклон, залишається майже постійною приблизно 8 МеВ.

Енергія зв'язку ядер на багато порядків величини перевищує енергію зв'язку валентних електронів в атомі та атомів у молекулі. Щоб видалити з атома водню його єдиний електрон, достатньо енергії 13,5 еВ; для видалення внутрішніх електронів у свинці, пов'язаних найбільш міцно, необхідна енергія, що дорівнює 0,1 МеВ. Отже, всі ядерні процеси пов'язані з енергіями, що значно перевищують ті, з якими ми маємо справу у звичайних хімічних реакціях або за звичайних температур і тисків.

Природна радіоактивність.

З природної радіоактивності почалася ядерна фізика. Альфа-, бета- і гамма-випромінювання, що випускаються ураном, мають ядерне походження, тоді як оптичні та рентгенівські спектри відповідають електронній структурі атома. Альфа-частинки виявилися ядрами гелію. Бета-частинки за своїм зарядом і масою ідентичні електронам оболонки атома, проте їх ядерне походження було чітко продемонстровано зміною заряду ядра, що розпадається. Крім того, енергія гамма-випромінювання значно перевищує енергію, яку можуть випромінювати електрони із зовнішньої оболонки атома, отже це проникаюче випромінювання має ядерне походження.

Деякі елементи, що зустрічаються в природі, з великим атомним номером (уран, торій, актиній) мають радіоактивні ізотопи, в результаті розпаду яких утворюються інші радіоактивні ізотопи (такі, як радій), а зрештою стабільний свинець. Час життя «батьківського» ізотопу у разі порівняно з віком Землі, який оцінюється в 10 млрд. років. Передбачається, що в період утворення Землі існувало велике число радіоактивних речовин, проте короткоживучі елементи вже давно перетворилися на стабільні кінцеві продукти. Можливо, деякі з ізотопів, які називають «стабільними», насправді розпадаються, проте їх періоди розпаду («часи життя») настільки великі, що існуючими методами їх не вдається виміряти.

Важлива роль радіоактивності у фізиці ядра пов'язана з тим, що радіоактивне випромінювання несе інформацію про типи частинок та енергетичні рівні ядра. Наприклад, випромінювання альфа-часток з ядра і відносна стійкість утворення з двох протонів і двох нейтронів побічно вказує на можливість існування альфа-часток всередині ядра.

Відмінність між природною та штучно наведеною радіоактивністю не дуже істотна для розуміння будови ядра, проте вивчення природних радіоактивних рядів дозволило зробити важливі висновки щодо віку Землі та використовувати такі елементи як джерела бомбардуючих частинок задовго до того, як були винайдені прискорювачі частинок.

Штучні перетворення ядер.

Досліди з природно-радіоактивними елементами показали, що на швидкість радіоактивного розпаду не можна вплинути звичайними фізичними засобами: теплом, тиском і т.п. Отже, спочатку здавалося, що немає будь-якого ефективного методу дослідження структури природно стабільних ізотопів. Однак у 1919 р. Резерфорд виявив, що ядра можна розщеплювати, бомбардуючи їх альфа-частинками. Першим розщепленим елементом був азот, що у вигляді газу заповнював камеру Вільсона. Альфа-частинки, що випускаються торієвим джерелом, стикалися з ядрами азоту, поглиналися ними, внаслідок чого випромінювалися швидкі протони. При цьому відбувалася реакція

В результаті такої реакції атом азоту перетворюється на атом кисню. У цьому прикладі енергії зв'язку ядер аналогічні теплу, що виділяється при хімічній реакції, хоча значно перевищують його. Згодом аналогічні результати були отримані з багатьма іншими елементами. Використовуючи різні методи, можна виміряти енергії і кути вильоту заряджених частинок, що випускаються, що забезпечує проведення кількісних експериментів.

Наступним кроком стало відкриття, зроблене Дж.Кокрофтом і Е.Уолтоном в 1932. Вони встановили, що штучно прискорені пучки протонів з енергією 120 кеВ (тобто значно меншою, ніж у альфа-часток у дослідах Резерфорда) здатні викликати розщеплення атомів літію в процесі

Два ядра гелію (альфа-частинки) одночасно вилітають у протилежні сторони. Причина, через яку ця реакція протікає при низькій енергії, полягає в міцному зв'язку альфа-часток; при додаванні протона маси ядра 7 Li повідомляється енергія, яка майже рівнозначна масам двох альфа-частинок. Інша енергія, необхідна для протікання реакції, черпається з кінетичної енергії протонів, що бомбардують.

Всі відомі елементи і ізотопи, що зустрічаються в природі, можуть бути «штучним» шляхом перетворені на сусідні елементи. Всі ці нові ізотопи виявляються радіоактивними, проте в результаті подальшого розпаду вони перетворюються на стабільні ізотопи. Отримані нові елементи, аж до елемента з порядковим номером 103; всі вони виявилися радіоактивними із відносно коротким періодом напіврозпаду. Нині відомо понад 1000 ізотопів.

Енергетичні рівні ядер та ядерні моделі.

Вивчення ядерних реакцій переконливо продемонструвало існування енергетичних рівнів ядер. Ці рівні є станом ядра з певною енергією, яким приписані певні квантові числа, як і енергетичним рівням атома . За аналогією з оптичною спектроскопією дослідження випромінювань, що випромінюються ядром при переходах між енергетичними рівнями, називається ядерною спектроскопією. Однак, як можна побачити з рис. 4, відстань між енергетичними рівнями ядер значно більша, ніж між електронними рівнями атомів, а до ядерних випромінювань, крім електромагнітного, відносяться також випромінювання електронів, протонів, альфа-частинок та частинок інших типів.

Про існування у ядра дискретних енергетичних рівнів свідчить те, що збудження ядра, що призводить до випромінювання, відбувається лише при певних енергіях бомбардуючих частинок, а також те, що енергії частинок, що випускаються, відповідають переходам між певними рівнями. Наприклад, можна виміряти кількість протонів, що утворюються під час бомбардування бору-10 моноенергетичними дейтронами в результаті реакції

і визначити їх імпульси щодо відхилення в магнітному полі. Зареєстрований спектр протонів з мішені, що містить бор із домішками вуглецю, азоту та кремнію, і представлений на рис. 4. Гострі, різкі піки ясно показують, що енергія ядра квантується подібно до енергії атома.

На рис. 5 наведена схема енергетичних рівнів ядра бор-11 (11), причому енергії збудження виражені в МеВ. Нерівномірність розподілу ядерних енергетичних рівнів, не характерна для розподілу атомних енергетичних рівнів, обумовлена ​​щільнішою упаковкою ядер і сильнішою взаємодією частинок усередині ядра. Зі збуджених рівнів, що відповідають ядру 10 В, що бомбардується дейтронами з енергією 1,51 МеВ, можуть відбуватися переходи на будь-який з рівнів, розташованих нижче, що супроводжуються випромінюванням протонів. Якщо після випромінювання протона ядро ​​11 залишається в збудженому стані, воно може потім розпадатися, переходячи в нижчий, «основний» стан з випромінюванням одного або декількох гамма-квантів.

В даний час послідовне та єдине пояснення причин виникнення енергетичних рівнів ядер відсутнє, але є низка теорій, що дозволяють пояснити деякі явища. Одна з них – «модель оболонок», яка, запозичивши з атомної фізики уявлення про будову атома оболонки, застосувала її до аналізу змін нейтронів і протонів всередині ядра.

У 1932 Дж. Бартлетт зауважив, що всі стабільні ядра, розташовані між 4 He і 16 О, відносяться до послідовності

4 He + n+p+n+p +...,

тоді як між 16 Про і 36 Аr аналогічна послідовність набуває вигляду

16 O + n+n+p+p+n+n +....

Він висловив припущення, що ці зміни у послідовності відображають порядок заповнення оболонок нейтронами та протонами. Принцип заборони Паулі діє у разі ядерних частинок так само, як і у випадку електронів, а в моделі оболонок він призводить до того, що на першій оболонці можуть перебувати лише два протони і два нейтрони, на другій – по шести обох частинок (заповнена у 16 О) та на третій по десять (заповнена у 36 Аr). Наявність періодичності у структурі ядер проявляється і далі, хоч і з деякими відступами. Існування певних «магічних чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82 і 126) нейтронів і протонів у ядрах, яким відповідають піки кривої енергії зв'язку, можна пояснити на основі модифікованої моделі оболонок (званої моделлю незалежних частинок), яка дозволяє правильно передбачати спини та магнітні моменти ядер. Наприклад, спини ядер із заповненими оболонками, як і передбачає ця модель, дорівнюють нулю. Однак незважаючи на багато переваг, наявні варіанти моделі оболонок все ж таки не пояснюють всіх ядерних явищ, що не дивно через складну структуру ядра.

Складове ядро ​​та модель краплі.

У більш важких ядрах число нуклонів настільки велике, що багато спостерігаються закономірності поведінки цих ядер найкраще відтворюються моделлю краплі. Цю модель запропонував у 1936 р. Н.Бор, щоб пояснити великі часи життя збуджених ядер, що утворюються при захопленні повільних нейтронів. (В даному випадку під часом життя розуміється час з моменту збудження ядра до моменту втрати ним енергії збудження в результаті випромінювання.) Часи життя виявилися в мільйон разів більше часу, необхідного нейтрону, щоб перетнути ядро ​​(10 -22 с). Це свідчить про те, що збуджене ядро ​​є якоюсь системою («складове ядро»), час існування якої набагато більше часу її утворення.

Бор висловив припущення, що ядерна реакція протікає у дві стадії. На першій падаюча частка входить в ядро-мішень, утворюючи «складове ядро», де в численних зіткненнях втрачає свою початкову енергію, розподіляючи її серед інших нуклонів ядра. В результаті в жодній з частинок не виявляється енергії, необхідної для вильоту з ядра. Друга стадія, розпад складеного ядра, відбувається через деякий час, коли енергія випадково сконцентрується на одній з частинок або загубиться у вигляді гамма-випромінювання. Вважається, що друга стадія залежить від деталей механізму утворення складеного ядра. Вид розпаду визначається лише грою можливих варіантів.

Як простий аналогії цій картині ядерної реакції Бор запропонував розглянути поведінку краплі. Між молекулами такої краплі діють сили, що зв'язують їх один з одним і перешкоджають випаровуванню, доки не буде підведено тепло ззовні. Поява ще однієї молекули, що має додаткову кінетичну енергію, призводить в результаті її статистичного перерозподілу до збільшення температури краплі як цілого. Через деякий час випадкова концентрація енергії на будь-якій молекулі може призвести до її випаровування. Теорія Бору була детально розроблена та дозволила побудувати послідовну картину різноманітних ядерних реакцій, у тому числі реакцій під дією нейтронів та заряджених частинок проміжних енергій (аж до 100 МеВ). Корисними виявилися введені за аналогією поняття ядерної температури, питомої теплоємності та випаровування частинок. Наприклад, кутове розподіл «випарованих» частинок виявилося не залежать від напрямку падаючої частки, тобто. ізотропним, оскільки вся інформація про початковий напрямок губиться на стадії існування складового ядра.

Крапельна модель виявилася особливо цінною при поясненні явища поділу ядер, коли для розвалу ядра урану на дві приблизно рівні частини з великим виділенням енергії достатньо поглинання одного повільного нейтрону. Електростатичний відштовхування протонів викликає деяку нестабільність ядра, яка зазвичай перекривається за рахунок ядерних сил, що забезпечують енергію зв'язку. Але за підвищення ядерної температури сферичної «краплі» у ній можуть виникнути коливання, у яких крапля деформується в еліпсоїд. Якщо деформація ядра буде продовжуватися, то електростатичне відштовхування двох його позитивно заряджених половин може взяти гору, і тоді відбудеться його розподіл.

Розміри та форма ядра.

Вперше розміри ядра правильно оцінив Резерфорд, використавши для цього розсіювання альфа-частинок. Його перші експерименти показали, що розміри зарядженої частини ядра - близько 10 -14 м. Пізніші і точніші експерименти дозволили встановити, що радіус ядра приблизно пропорційний А 1/3 і, отже, щільність ядерної речовини майже стала. (Вона колосальна: 100 000 т/мм 3 .)

З відкриттям нейтрона стало ясно, що він є ідеальним засобом дослідження ядра, оскільки нейтральні частинки, проходячи на значній відстані від ядра, не відчувають відхилення під дією заряду ядра. Іншими словами, нейтрон стикається з ядром, якщо відстань між їхніми центрами виявляється меншою за суму їх радіусів, а в іншому випадку не відхиляється. Досліди з розсіювання пучка нейтронів показали, що радіус ядра (у припущенні сферичної форми) дорівнює:

R = r 0 A 1/3 ,

r 0 » 1,4 ч 10 -15 м.

Таким чином, радіус ядра урану-238 дорівнює 8,5 10 -15 м. Отримане значення відповідає радіусу дії ядерних сил; воно характеризує відстань від центру ядра, у якому зовнішній нейтральний нуклон починає вперше «відчувати» його вплив. Така величина радіуса ядра можна порівняти з відстанню від центру ядер, у якому відбувається розсіювання альфа-частинок і протонів.

Розсіювання альфа-часток, протонів та нейтронів на ядрах обумовлено дією ядерних сил; отже, такі виміри радіусів ядер дають оцінку радіусу дії ядерних сил. Взаємодія електронів з ядрами майже повністю визначається електричними силами. Тому розсіювання електронів можна використовуватиме вивчення форми розподілу заряду в ядрі. Експерименти з електронами дуже високих енергій, проведені Р.Хофстедтером у Станфордському університеті, надали детальну інформацію про розподіл позитивного заряду по радіусу ядра. На рис. 6 представлено кутовий розподіл розсіяних ядрами золота електронів з енергією 154 МеВ. Верхня крива характеризує кутовий розподіл, розрахований у припущенні, що позитивний заряд сконцентрований у точці; Зрозуміло, що експериментальні дані цьому припущенню не відповідають. Набагато краща згода досягається у припущенні про рівномірний розподіл протонів за обсягом ядра (нижня крива). Однак «радіус заряду» виявляється приблизно на 20% менше радіусу «ядерних сил», отриманого на основі даних щодо розсіювання нейтронів. Це може означати, що розподіл протонів у ядрі відрізняється від розподілу нейтронів.

Ядерні сили та мезони.

Малий радіус дії ядерних сил уперше виразно виявився вже у дослідах із розсіяння Резерфорда. Альфа-частинки, що наближалися до центру ядра до 10 -14 м, зазнавали дії сил, знак і величина яких відрізнялися від звичайного електростатичного відштовхування. Пізніші експерименти із застосуванням нейтронів показали, що між усіма нуклонами існують великі короткодіючі сили. Ці сили відмінні від добре відомих електростатичних та гравітаційних сил, що не зникають навіть на дуже великих відстанях. Ядерні сили є силами тяжіння, що прямо випливає з факту існування стійких ядер, всупереч електростатичному відштовхуванню протонів, що знаходяться в них. Ядерні сили між будь-якою парою нуклонів (нейтронів і протонів) – одні й самі; це показує порівняння енергетичних рівнів «дзеркальних ядер», що відрізняються один від одного тим, що в них протони замінені нейтронами і навпаки. У межах свого радіусу дії ядерні сили досягають дуже великої величини. Електростатична потенційна енергія двох протонів, що знаходяться на відстані 1,5Ч 10 -15 м один від одного, становить лише 1 МеВ, що в 40 разів менше ядерної потенційної енергії. Ядерні сили також виявляють насичення, оскільки даний нуклон може взаємодіяти лише з обмеженою кількістю інших нуклонів. Звідси швидке початкове зростання (зі збільшенням А) середньої енергії зв'язку, що припадає на один нуклон (рис. 3), та відносна сталість цієї енергії надалі. (Якби кожен нуклон взаємодіяв з усіма нуклонами в ядрі, то енергія зв'язку, що припадає на один нуклон, весь час зростала б пропорційно А.)

Поки що немає задовільної теорії ядерних сил, і проблема інтенсивно вивчається експериментально та теоретично. Однак багато ідей, що лежать в основі «мезонної теорії ядерних сил», опублікованої в 1935 Х.Юкавой, опинилися у згоді з експериментальними фактами. Юкава висунув гіпотезу, що тяжіння, яке утримує нуклони всередині ядра, виникає завдяки наявності «квантів» якогось поля, аналогічних фотонам (світловим квантам) електромагнітного поля та забезпечують взаємодію електричних зарядів. З квантової теорії поля випливає, що радіус дії сили обернено пропорційний масі відповідного кванта; у разі електромагнітного поля маса квантів - фотонів - дорівнює нулю, і радіус дії сил нескінченний. Маса квантів ядерного поля (названих «мезонами»), обчислена за експериментально виміряним радіусом дії ядерних сил, виявилася приблизно в 200 разів більшою за масу електрона.

Положення теорії Юкави зміцнилося після того, як К. Андерсон і С. Неддермейєр відкрили в 1936 нову частину з масою приблизно 200 електронних мас (нині іменовану мюоном), яку вони виявили за допомогою камери Вільсона в космічних променях. (У 1932 Андерсон відкрив «позитрон», позитивний електрон.) Спочатку здавалося, що кванти ядерних сил знайдено, проте проведені потім експерименти виявили бентежну обставину: «ключ до ядерних сил» не взаємодіє з ядрами! Ця заплутана ситуація прояснилася лише після того, як у 1947 році С.Пауелл виявив частинку з підходящою масою, яка взаємодіє з ядрами. Ця частка (названа пі-мезоном, або півонією) виявилася нестабільною і мимоволі розпадалася, перетворюючись на мюон. Пі-мезон підходив на роль частинки Юкави, та його властивості були у всіх деталях вивчені фізиками, які використовували для цих цілей космічні промені та сучасні прискорювачі.

Хоча існування пі-мезонів і підбадьорило прихильників теорії Юкави, на її основі виявилося дуже важко правильно передбачити такі детальні властивості ядерних сил, як їхнє насичення, енергії зв'язку та енергії ядерних рівнів. Проблеми математичного характеру не дозволили точно встановити, що саме передбачає ця теорія. Ситуація ще більше ускладнилася після відкриття нових типів мезонів, які, як вважається, стосуються ядерних сил.

Додати сайт до закладок

Концепція атом. Будова атома та атомного ядра

Атом є найменшою часткою елемент,зберігає його характеристики.

Атоми різних елементів відрізняються один від одного. Оскільки існує понад 100 різних елементів, існує і понад 100 різних видів атомів.

Рис. 1-2. Частини атома.

Кожен атом має ядро , розташоване у центрі атома. Воно містить позитивно заряджені частинки – протони та незаряджені частинки – нейтрони.

Електрони, що негативно заряджені частинки, обертаються навколо ядер (див. рис. 1-2).

Кількість протонів у ядрі атома називається атомним номером елемента.

Мал. 1-3. Електрони розташовані на оболонках навколо ядра.

Атомні номери дають змогу відрізнити один елемент від іншого. Кожен елемент має атомну вагу. Атомна вага - це маса атома, що визначається загальним числом протонів та нейтронів у ядрі. Електрони практично не дають вкладу в загальну масу атома, маса електрона становить лише 1/1845 частину маси протона і нею можна знехтувати.

Електрони обертаються за концентричними орбітами навколо ядра. Кожна орбіта називається оболонкою. Ці оболонки заповнюються в наступній послідовності: спочатку заповнюється оболонка, потім L, М, N і т.д. (Див. Мал. 1-3). Максимальна кількість електронів, яка може розміститися на кожній оболонці, показана на рис. 1-4.

Зовнішня оболонка називається валентною, і кількість електронів, що міститься в ній, називається валентністю. Чим далі від ядра валентна оболонка , тим менше тяжіння з боку ядра відчуває кожен валентний електрон. Таким чином, потенційна можливість атома приєднувати або втрачати електрони збільшується, якщо валентна оболонка не заповнена і розташована далеко від ядра.

Мал. 1-4 та 1-5. склад атома.

Електрони валентної оболонки можуть одержувати енергію. Якщо ці електрони отримають достатньо енергії від зовнішніх сил, вони можуть залишити атом і стати вільними електронами, які довільно переміщаються від атома до атома. Матеріали, що містять велику кількість вільних електронів, називаються провідниками.

Мал. 1-6. Валентність міді.

Рис. 1-5 порівнюються провідності різних металів, що використовуються як провідники . У таблиці срібло, мідь та золото мають валентність, рівну одиниці (див. мал. 1-6). Однак срібло є найкращим провідником, оскільки його валентні електрони слабше пов'язані.

Ізолятори, на противагу провідникам, перешкоджають протіканню електрики. Ізолятори стабільні завдяки тому, що валентні електрони одних атомів приєднуються до інших атомів, заповнюючи їх валентні оболонки, перешкоджаючи таким чином утворенню вільних електронів.

Мал. 1-7. Діелектричні властивості різних матеріалів, що використовуються як ізолятори.

Матеріали, які класифікуються як ізолятори, порівнюються на Рис. 1-7. Слюда є найкращим ізолятором, тому що вона має найменше вільних електронів на своїх валентних оболонках.

Проміжне положення між провідниками та ізоляторами займають напівпровідники. Напівпровідники не є ні хорошими провідниками, ні хорошими ізоляторами, але вони важливі, тому що їх провідність можна змінювати від провідника до ізолятора. Кремній та германій є напівпровідниковими матеріалами.

Про атом, який має однакову кількість електронів та протонів, говорять, що він електрично нейтральний. Атом, який отримує один або більше електронів, не є електрично нейтральним. Він стає негативно зарядженим і називається негативним іоном. Якщо атом втрачає один або більше електронів, він стає позитивно зарядженим і називається позитивним іоном. Процес приєднання чи втрати електронів називається іонізацією.Іонізація відіграє велику роль у перебігу електричного струму.