Атомная физика появилась на рубеже XIX и XX столетий на базе многочисленных исследований оптических основ строения газов, открытия радиоактивности и электрона. На первом этапе своего развития данное научное направление занималось в основном определением состава атома и исследованием его характеристик. Исследовательская деятельность Э. Резерфорда по рассеянию микро-элементов тонкой металлической фольгой в 1911 позволила создать огромную модель атома; используя такую концепцию Н. Бор уже через два года разработал первую количественную теорию атома.
Рисунок 1. Атомная физика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Атомная физика – это раздел физики, изучающий строение и свойства всех атомов и элементарные процессы, напрямую связанные с ними.
Атом представляет собой целостную систему электрически заряженных а-частиц, поэтому его специфика определяются зачастую электромагнитными взаимосвязями между элементами, действующими на расстояниях примерно 10-8 см с коэффициентом энергии в 1 эВ.
Последующие изучение свойств электрона и атомов завершились уникальной разработкой квантовой механики, которая возникла в середине прошлого столетия, и представляет собой физическую гипотезу, описывающею законы создания микромира и позволяющую комплексно рассматривать явления, в которых принимают участие микрочастицы.
Квантовая механика считается теоретическим продолжением атомной физики и выполняет роль универсального «испытательного полигона» для всех научных сфер. Выводы и представления механики квантовых частиц, зачастую невозможно согласовать с нынешним повседневным опытом.
Основы атомной физики
Для понимания основ атомной физики необходимо разобраться с ключевыми понятиями, которые используются учеными при выполнении экспериментов.
Радиоактивность - это уникальное свойство ядер атомов конкретных элементов самостоятельно трансформироваться в другие ядра атомов с полным испусканием ионизирующих излучений.
Такое превращение элементов называется радиоактивным распадом, которую можно встретить я у природных изотопов, работающих посредством естественной радиоактивности, а также при явлениях в искусственно полученных элементов химических систем.
Знания строения атома помогут более точно понять термин «радиоактивность». Ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые объединяются общим понятием - нуклоны. В нейтральном веществе количество протонов в ядре равно числу действующих электронов в оболочке. Атомный номер приравнивают к коэффициенту всех нуклонов, которые находятся в ядре и заряде атома.
Атомы с одинаковым составом химического элемента обладают подобной атомной массой, которая приблизительно в 1840 раз больше массы самого электрона. В связи с нестабильностью этого показателя объем частиц принято считать равной нулю, следовательно, масса атома будет определяться параметром ядра.
Массовый коэффициент атома всегда можно наблюдать вверху слева от символа химического элемента, а атомный заряд элемента находится внизу слева от определенного символа.
На сегодняшний день ученые различают несколько видов радиоактивных трансформаций ядер, которые сопровождаются разнообразными типами ионизирующих излучений:
- альфа-распад – используется для ядер тяжелых химических элементов с небольшими энергиями связи, в процессе превращений которых выбрасывается соответствующие частицы, в результате- заряд ядра уменьшается на 2 единицы;
- электронный бета-распад - характерен для трансформаций искусственных и естественных радионуклидов, благодаря которому происходит распада бета-излучения в виде потока электронов;
- позитронный fi-распад – помогает искусственным радионуклидам получить позитрон, представляющий собой элементарную частицу, которая обладает положительным зарядом;
- К-захват – предполагает еще один вид радиоактивных превращений, который полностью захватывает электрон с ближайшей к ядру К-оболочки при избытке протонов в ядре атома.
Стоит отметить, что деление атомов более тяжелых химических элементов достаточно сложный процесс, который характерен только для ядер атомов с большой массой, таких как 239Pu, 235U и другие. В результате действия методов атомной физики образуются ядра легких элементов с большим энергетическим потенциалом и избыточным количество нейтронов.
Термоядерные реакции в атомной физике
Кроме постоянных естественных превращений, в атомной физике возможно также искусственная трансформаций веществ (изотопов трития и водорода дейтерия) в ядра более тяжелых химических элементов. Такие процессы применяются при взрыве термоядерной бомбы, где задача пускового механизма с высокой температурой заключается в придании большой кинетической энергии легким элементам системы.
После процедуры запуска плутониевого запала формируются необходимые условия бесконтрольной термоядерной реакции, которая сопровождается выделением мощных энергетических потоков гамма-излучения.
Хорошая плотность ионизации у данных частиц минимальная, масса и заряд отсутствуют, поэтому протяженность пробега у них достаточно большая и может достигать в воздушном пространстве нескольких сотен метров.
Изучение скорости и интенсивности радиоактивного распада ядер предоставило исследователям уникальную возможность определить важную закономерность.
Установлено, что указанному распаду одновременно подвергаются не все атомы, а за каждый определенный промежуток времени распадается только постоянная доля атомов действующего радиоактивного изотопа.
Построение современной атомной физики
Построению теорий современной атомной физики в начале 20 столетия предшествовали открытия электрона и радиоактивности, которые полностью опровергли представления о неделимости атома. Центральным событием в атомной физике стало учение Э. Резерфорда, согласно которому атомные элементы обладают малыми по сравнению с другими химическими элементами размерами.
Однако в соответствии с теориями классической электродинамики такой вид атома был бы нестабильным, так как электроны при этом постоянно излучали бы мощную электромагнитную энергию и упали на ядро за долю секунды. В 1913 году Н. Бор представил общественности теорию устойчивого атома, которая основывалась на эмпирических введенных им квантовых постулатах:
- атом может полноценно существовать только при дискретных стационарных условиях, характеризуемых конкретными внутренними энергиями;
- атом достаточно устойчив и не испускает электромагнитную энергию;
- переходы между естественными состояниями атома происходят скачкообразно, в результате чего атомное ядро поглощает определенную порцию электрической и магнитной энергии.
Гипотеза атома Н. Бора объяснила не только стабильность атома, но и линейчатость атомных процессов, наблюдавшиеся в оптических и рентгеновских методах. Для более точного определения возможных дискретных значений энергетической интенсивности атома водорода Бор использовал для описания перемещений электрона и вычисления его мощности классические уравнения электродинамики.
В 1925 году в указанную теорию была введена новая физическая величина - спин электрона, с которым напрямую связывают магнитный момент электрона. В 1930-х годах стало понятно, что в атомной физике действует не электромагнитное излучение, а уникальный тип взаимодействия - сильное притяжение.
Вскоре физика атомного ядра выделилась в самостоятельный раздел науки - ядерную физику. В 1950-х годах возникло новое течение в виде физики элементарных частиц и плазмы. Современная атомная физика состоит из теории и экспериментальных способов исследования важных атомных спектров в рентгеновском и оптическом форматах. Она дает возможность получать точные определения энергий стационарных состояний, принципов движения и других особенностей строения атомов, изучает механизмы их внутренних процессов.
