Концепції фізики атомних і ядерних процесів

а) Моделі атома

Вирішальним моментом у розвитку теорії будови атома було відкриття електрона. Наявність у електрично нейтральному атомі негативно зарядженої частинки спонукало припускати наявність частинки з позитивним зарядом. Модель Д.Томсона, не будучи в стані пояснити характер атомних спектрів, що випромінюються атомами, поступилася місцем планетарної моделі Е.Резерфорда. Досліджуючи розсіювання атомами речовини альфа-частинок, що випромінюються радіоактивними речовинами, він відкрив атомне ядро і побудував планетарну модель атома. Виявилося, що атом складається не з позитивно зарядженої хмари, у котрому (подібно ізюму в булці) знаходяться електрони, як це припускав Д.Томсон, а з електрона і ядра розміром біля 10-13 см., у якому зосереджена майже вся маса атома. Атом подібний Сонячній системі: у центрі нього знаходиться важке ядро, навколо нього обертаються електрони. Проте, відповідно до електродинаміки Максвелла, такий атом не може бути стійким: рухаючись по круговим (або еліптичним) орбітах, електрон відчуває прискорення, а тому він повинний випромінювати електромагнітні хвилі, що несуть енергію. Втрата енергії призведе електрон до падіння на ядро. Таким чином, подібний атом не може бути стійким, а тому в реальності не може існувати. Таким чином, класична фізика не могла знайти пояснення стійкості атомів.

Розробка такої моделі атома належить Н.Бору. Узявши за основу модель Резерфорда, він використовував і ідеї квантової теорії. Бор висунув припущення, відповідно до якого в атомах існують особливі стаціонарні стани, у яких електрони не випромінюють - випромінювання відбувається лише при переході з одного стаціонарного стана в інше.

Внутрішня будова тома вивчати безпосередньо неможливо, оскільки мікроскопічні розміри недоступні прямому сприйняттю, тому про структуру атома можна судити по її непрямих проявах макроскопічного масштабу. Таким проявом є випромінювання атомів під впливом нагрівання або зовнішнього електричного поля. Вивчення спектрів випромінювання дозволяє одержати дані про внутрішню структуру атома - для кожного атома характерні особливості спектра. Класична фізика не могла пояснити закони, яким підпорядковувалися атомні спектри. Модель Бора виявила щире значення спектральних законів і дозволила встановити, як ці закони відбивають квантовий характер внутрішньої структури атома - усталеність структури атома виявилася нерозривно пов'язаної з існуванням квантів. У моделі Бора кожний атом володіє деякою послідовністю квантових (стаціонарних) станів. Кожний вид атома має свою послідовність квантових значень енергії, що відповідають різноманітним можливим стаціонарним станам. Висновок про те, що в стійкому стані атом не повинний випромінювати, не відповідав даним класичної електродинаміки, відповідно до котрих електрони, що рухаються з прискоренням, повинні були безупинно випромінювати електромагнітні хвилі. Бор і припустив, що кожна спектральна лінія відповідає миттєвому переходові атома з одного квантового стана в інше, що характеризується меншим значенням енергії. Надлишок енергії при цьому несеться у виді окремих квантів (фотонів).

Модель атома Бора показала свою плодотворність у застосуванні до атому водню, дозволивши зрозуміти структуру оптичного спектра. Але спроба застосувати дану модель до більш складних атомів, що мають більше число електронів, виявила обмеженість даної моделі - результати її застосування лише дуже приблизно відповідали даним експерименту. Крім того, модель атома Бора мала у своєму розпорядженні метод квантування дії лише для одномірного прямування (запропонованого ще Планкою). Тому необхідно було знайти методи квантування для випадків багатомірного руху. Цей метод був знайдений у 1916 р. Ч.Вільсоном і А.Зомерфельдом (майже одночасно один з одним) і використаний для рішення тих задач, що не могли бути вирішені за допомогою моделі атома Бора. Таким шляхом була створена концепція тонкої структури лінії спектра. Випромінювання ліній спектра водню за допомогою спектрографів із високою спроможністю, що дозволяє, дозволило виявити тонку структуру спектра - виявилося, що спектральні лінії самі складаються з ряду близько розташованих друг до друга ліній. Зоммерфельд висловив припущення про зв'язок тонкої структури спектральных ліній із релятивістськими ефектами і припустив замість рівнянь ньютонівської механіки використовувати рівняння релятивістської механіки. Припущення Зоммерфельда дали результати, що узгодяться з експериментальними даними. Водночас отримана Зомерфельдом картина спектральних ліній виявилася значно бедніше реальної, тому його модель не могла дати достатньо повні пояснення тонкої структури спектральних ліній.

Для моделі атома Бора основним є твердження про те, що електрони усередині атома можуть знаходитися лише в стаціонарних станах, що відповідають визначеним квантовим значенням енергії. Отже, існують визначені енергетичні рівні, на яких знаходяться електрони. Як відомо, атом кожного наступного елемента має на один електрон більше, ніж попереднього. Виходить, у міру зростали атомного номера ускладнюється структура електронних оболонок атомів. На основі знання цієї структури можна установлювати фізичні і хімічні властивості елементів. У періодичній системі Д.И.Менделєєва елементи розташовані в порядку зростали атомної ваги, причому в розташованих у такий спосіб елементах виявляється визначена періодичність у хімічних властивостях цих елементів. Фізична природа цієї періодичності надається дуже складної. Теорія атома повинна мати можливість пояснити цю природу. Для цього модель Бора необхідно було доповнити вимогою, щоб на однім енергетичному рівні могло знаходитися лише обмежене число електронів (явище насичення енергетичного рівня електронами). Якби даного насичення не існувало, те в нормальному (стабільному) стані атома всі електрони атома були б на нижчому рівні, що відповідає найменшої енергії. Але внаслідок насичення рівнів подібна ситуація надається неможливої.

Рухаючись по періодичній системі елементів, можна бачити, як поступово заповнюються друг за другом нижчі енергетичні рівні - як тільки нижчий рівень надається заповненим, настает черга такого рівня. Тонка структура спектральных ліній при цьому свідчить про расщеплении енергетичних рівнів електронів усередині атома на ряд подуровней. Подуровни, що заповнюють ці рівні, електрони (обладающие майже однаковою енергією) утворять оболонку. При заповненні друг за другом наступних рівнів, таким чином, утворяться різноманітні оболонки. Змінювана при прямуванні по таблиці Менделєєва періодичність властивостей пояснюється характером заповнення оболонок електронами. Таким чином, дослідження спектрів грає величезну роль у вивченні внутрішньої структури атома.

Модель Бора, дозволяючи визначити частоту випромінювання, не давала можливості визначати інтенсивність випромінювання і його поляризації, що цілком необхідно для уточнення природи випромінювання, що виникає при переходах електронів усередині атома з одного стаціонарного стана в інше. Бор ця хиба намагалася усунути за допомогою принципу відповідності. Крім того, модель Бора була непослідовної: відкидаючи низку положень класичної механіки й електродинаміки, вона використовувала як класичні поняття і формули, так і квантові. Бор розумів обмежений характер власної моделі атома. Принцип відповідності вказував на одне з нових напрямків. Проте згодом, із створенням квантової механіки, було вияснено, що при описі будови атома класичні уявлення не можуть мати місця.

б) Структура атомного ядра

Дослідження структури атома порушило питання про те, що являє собою ядро, яка його структура. У ядрі зосереджена майже вся маса атома (маса електронів, що входять в атом, зневажливо мала в порівнянні з масою ядра), воно має позитивний заряд, еквівалентний сумарному заряду вхідних у нього електронів. Заряд ядра будь-якого елемента дорівнює його порядковому номеру в періодичній системі елементів. Проблема структури атомного ядра одержала дозвіл із відкриттям у 1932 році Д.Чедвиком нейтрона - третьої елементарної частинки після електрона і протона. Маса нейтрона близька до маси протона. Електричний заряд у протона відсутніх Д.Д.Іваненко сформулював протоно-нейтронну концепцію будови атомного ядра, що потім розробив В.Гейзенберг. Ядра, що складаються з протонів і нейтронів одержали назву нуклонов. У тому ж 1932 року в космічних променях К.Андерсоном був відкритий позитрон - позитивно заряджений електрон, що забезпечив симетрію між позитивним і негативним зарядами у взаємовідносинах часток. Його існування було предсказано П.Дираком, що исходили з того, що позитивні заряди у Всесвітом являють собою свого роду відсутні частини світового негативного заряду - позитрон є "дірка" у розподілі електронів із негативною енергією. Зіткення електрона і позитрона призводить до анігіляції - їхнього перетворення в два фотони, виспускає у протилежних напрямках.

в) Процеси ядерного перетворення

Таке питання, що підвівся перед фізиками після виявлення структури атомного ядра, стосувався сил, що скріплюють нуклоны в ядрі. У зв'язку з його розширенням з'ясувалося, що взаємовідносини між нейтроном і протоном не настільки прості, як здавалося спочатку. Виявилося, що точніше говорити про структуру атомного ядра, що складає з протонів, нейтронів і мезонов. Мезоны, існування яких було в 1935 році предсказано Г.Юкавой і вікрито Ч.Андерсоном і С.Неддермейером, і виявилися силами тяжіння, що по розмірі перевершують електричні сили, що діють між одноименно зарядженими протонами. Ядерні сили - це вид основних фізичних сил, що діють у природі, поряд із гравітаційними й електромагнітними.

З усіх названих часток нейтрон виявився найбільше придатним для здійснення процесу ядерного перетворення, оскільки через відсутність у нього заряду він спроможний глибше проникнути в речовину, входити в позитивно заряджені ядра атомів, що відштовхуються позитивно заряджені протони й альфа-частинки. Завдяк цьому в стислий термін була вивчена дія нейтронів на різноманітні ядра, що призвело до відкриття штучної радіоактивності. Вирішальне досягнення в цій області належить Ф.Жоліо Кюр і И.Кюрі, що установили, що майже всі піддані бомбардуванню атоми стають радіоактивними. Це означало, що природна радіоактивність є лише залишковою активністю атомів, що ще не встигнули досягти стійких станів. Знання атомних перетворень могло допомогти пояснити, яким уявою виникнули елементи.

Розпочате з 30-х рр. ХХ сторіччя створення пришвидшувачів дало можливість підвищити ефективність досліджень у цій області. Х.А.Бете і Г.А.Гамов сприяли встановленню ймовірних циклів термоядерних реакцій, що є джерелами внутризіркової енергії. Стало ясно, що джерелом більшої частини енергії Всесвітом є ядерні процеси. Підвелася задача з'ясовування механізму звільнення цієї енергії. Э.Ферми, піддавши бомбардуванню нейтронами важкі елементи, виявив величезну ефективність повільних нейтронів. О.Ган і Ф.Штрасман відкрили розподіл ядер урану під дією нейтронів. О.Ган і Л.Мейтнер досліджували продукти розпаду опроміненого урану і відшукали серед них елементи до атомного номера 96. Розподіл ядер стало установленим фактом.

Важкі ядра можуть мати більше нейтронів стосовно числа протонів у порівнянні з легкими ядрами. При розщипленні атома урану звільняється декілька нейтронів. Так відчинилася можливість ланцюгової реакції. Якщо в ході ядерного процесу можна було домогтися одержання більше чим одного ефективного нейтрона на кожний спочатку витрачений нейтрон, реакція ставала швидшою. І якщо цим процесом не управляти, а дати можливість розвиватися, те він призводив до вибуху. У випадку ж керування ми маємо справу з ядерним реактором. Все це призвело до створення Ферми ядерного реактора, здійсненню ланцюговий реакцій розподілу ядер, атомного і термоядерної зброї, атомних електростанцій. У історії людства почалася нова атомна ера, відкрита атомною фізикою.

Ввважається, що реалізація концепції атомного ядерної фізики стала прикладом найшвидшого практичного застосування науки. Оцінюючи це, Д.Бернал писав: "Якби це відкриття було зроблено в більш спокійні часи XIX сторіччя, воно розроблялося б у кінцевому рахунку для практичного застосування і, бути може, років через 50 або біля того знайшло би своє втілення в нових машинах для виробітки енергії. Відсутність матеріальної зацікавленості і той факт, що капітали були вкладені в джерела енергії, що існували вже, могли б, проте, ще на нескінченно довгий час затримати розвиток виробництва атомної енергії. Але, як відомо, відкриття ядерного розподілу відбулося в переддень нової світової війни. По щастю для уряду Англії й Америки, деякі з тих, хто був вигнаний із своєї батьківщини нацистами і фашистами, віддавали собі ясний звіт у військових можливостях зробленого відкриття. Проте більш надзвичайним було, бути може, то обставина, що їм удалося переконати військові і цивільні влади в необхідності вкрай енергійної розробки проекту, головним чином тому, що якби вони цього не зробили, то супротивник, безсумнівно, першим створив би свою бомбу“.

Так чи інакше, поява подібних наукових концепцій не тільки визначає характер сучасної епохи, але і майбутнє суспільство. Поява концепцій, невміння розпорядиться якими може погрожувати знищенням людства, активно впливає на характер і форми і форми соціального устрою. Людство, звільнивши колосальні сили, тепер приречено постійно думати над тим, як розпорядитися ними. Ця проблема людства в практично доступне для огляду час - вічна. Тому людство повинне навчитися жити з цією проблемою.