ATOMOVÉ JÁDRO A JEHO STRUKTURA Aleš Lacina Přírodovědecká fakulta MU, Brno
"Poněvadž a-částice... procházejí atomem, pečlivé studium odchylek "těchto střel" od původního směru může poskytnout představu o struktuře atomu, jež je za tyto odchylky zodpovědná. Rozptyl rychle letících nabitých částic atomy látky je jednou z nejslibnějších metod řešení problému stavby atomu."
ROZPTYLOVÉ EXPERIMENTY vakuum vakuum zorné pole 1 mm 2 ( 0 80 scintilací / min ) 84Po a: m a = 6.62. 10-27 kg q a = 2e = 3.2. 10-19 C T = 7.7 MeV ~ v = 2. 10 7 m/s tenká kovová fólie d = 3. 10-7 m scintilační stínítko vrstva ZnS
Hans Geiger Ernest Marsden
Chtěl bych použít tohoto příkladu, abych ukázal, jak čirou náhodou můžeme o skutečnosti doslova zakopnout: Zabýval jsem se rozptylem a-částic a dr. Geiger zkoumal v mé laboratoři tento jev podrobně. Zjistil, že v tenkých deskách je tento rozptyl podle našeho očekávání malý - řádově 1. Jednou ke mně Geiger přišel a řekl: Nemyslíte, že by mladý Marsden, kterého učím radioaktivní metody, mohl už sám provést nějaký menší experiment? Usoudil jsem, že by mohl a proto jsem řekl: Uložíme mu, aby zjistil, zda mohou být a-částice rozptýleny také do velkých úhlů. Musím upřímně říci, že jsem sám nevěřil tomu, že by byl takový efekt možný. a-částice je přece těžký a rychlý objekt mající velkou kinetickou energii, takže k její velkoúhlové odchylce by snad mohlo dojít jen v důsledku řady odchylek maloúhlových, což je však jev krajně nepravděpodobný. Dále si pamatuji, že za několik dní ke mně přišel nadmíru vzrušený Geiger a řekl: Podařilo se nám pozorovat několik a-částic rozptýlených zpět. To byla nejméně pravděpodobná událost v celém mém životě. Bylo to stejně nepravděpodobné, jako by se dělová koule vystřelená proti listu papíru od něj odrazila a trefila střelce. [Ernest Rutherford, vzpomínková přednáška, Cambridge 1936]
TEORETICKÝ ROZBOR v důsledku interakce s thomsonovským atomem se může nalétávající a-částice odchýlit jen málo od původního směru velkoúhlová odchylka a-částice je způsobena její interakcí s jediným terčovým atomem Þ thomsonovská představa o rozložení hmoty a náboje v atomu není správná a-částice elektrony: m a» 8000 m e - průlet dělové koule rojem komárů a-částice kladné závaží : 1 m - bude-li síla vzájemného působení dostatečně velká, a» M + 50 a-částice se může značně odchýlit
ZÁVISLOST VELIKOSTI PŮSOBÍCÍ SÍLY F NA VZDÁLENOSTI r a-částice OD STŘEDU KLADNÉHO ZÁVAŽÍ r ³ R : kulombovská síla F q Q r a () r = k 2 0 r ³ R : síla bude menší než na povrchu, Fr ( ) ¾ r ¾ 0
Maximální síla F max, kterou může a-částice pocítit, závisí nepřímo na velikosti kladného závaží
ODHAD ÚHLU ROZPTYLU J
PŘESNĚJI: Výsledek přesného výpočtu J tg = 2 qaq k 2 bt Souvislost mezi J a b však nelze přímo ověřit.
EXPERIMENTÁLNÍ SITUACE: Žádným způsobem nelze zjistit záměrnou vzdálenost b odpovídající úhlu rozptylu J. Je nutné provést statistickou analýzu.
Odvozen za předpokladů: odchylka a-částice od původního směru je výsledkem interakce s jediným kladným závažím Au interakce mezi a-částicemi a kladnými závažími Au je kulombovská => a-částice do kladných závaží Au nevnikají kladná závaží Au se nepřekrývají
DOKONALÁ SHODA S EXPERIMENTEM V CELÉM ROZSAHU ÚHLŮ
POZDĚJŠÍ POUŽITÍ RUTHERFORDOVA ROZPTYLOVÉHO VZORCE KE STANOVENÍ KLADNÉHO NÁBOJE V ATOMU NÁBOJE KLADNÉHO ZÁVAŽÍ ~ počtu elektronů v atomu James Chadwick
NÁBOJ KLADNÉHO ZÁVAŽÍ ATOMU vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE
Nejtěsnější přiblížení ~ b = 0 (centrální nálet)
o o o o T = 1 4pe 0 qaq R o R R o = 1 a -14 4pe 0 q Q T = 2.9 10 m HORNÍ ODHAD POLOMĚRU KLADNÉHO ZÁVAŽÍ Au III ATOMOVÉ JÁDRO obsahuje veškerý kladný náboj Q a téměř veškerou hmotnost atomu (99.95 % M A )
Philosophical Magazine 21 (1911)
ATOM SESTÁVÁ Z MALÉHO TĚŽKÉHO KLADNÉHO JÁDRA A ROZLEHLÉHO LEHKÉHO ZÁPORNÉHO (elektronového) OBALU NÁBOJ JÁDRA vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE
OBJEV ATOMOVÉHO JÁDRA (1911) ZKOUMÁNÍ ATOMOVÉHO JÁDRA ZKOUMÁNÍ ELEKTRONOVÉHO OBALU JADERNÁ FYZIKA ATOMOVÁ FYZIKA ¾¾ ¾ KVANTOVÁ FYZIKA
VÝVOJ PŘEDSTAV O SLOŽENÍ JÁDRA 1911 Rutherford a-radioaktivita jádro by mělo obsahovat a-částice
ATOM SESTÁVÁ Z MALÉHO TĚŽKÉHO KLADNÉHO JÁDRA A ROZLEHLÉHO LEHKÉHO ZÁPORNÉHO (elektronového) OBALU NÁBOJ JÁDRA vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE JÁDRO SE MOŽNÁ SKLÁDÁ Z ATOMŮ HELIA
VÝVOJ PŘEDSTAV O SLOŽENÍ JÁDRA 1911 Rutherford a-radioaktivita jádro by mělo obsahovat a-částice 1913 Soddy, Fajans posunovací pravidlo A Z A-4 Z-2 a 4 2 AZ--41 A-Z4 0-1 b 0-1 b
ATOM SESTÁVÁ Z MALÉHO TĚŽKÉHO KLADNÉHO JÁDRA A ROZLEHLÉHO LEHKÉHO ZÁPORNÉHO (elektronového) OBALU NÁBOJ JÁDRA vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE JÁDRO SE MOŽNÁ SKLÁDÁ Z ATOMŮ HELIA CENTRÁLNÍ NÁBOJ V RUTHERFORDOVĚ ATOMU NEMŮŽE BÝT ČISTĚ KLADNÝ JÁDRO SE SKLÁDÁ Z a-částic (možná i atomů vodíku) A ELEKTRONŮ
1919 Rutherford 4 14 17 2 a + 7N ¾ 8O + 1 1 H první umělá přeměna prvků 1 vyražení jádra H z jádra střelou 14 1 7N 4 2a 1 + 1 H º H º PROTON podobně z B, F, Ne, K,... s analogickým výsledkem VŠECHNA JÁDRA OBSAHUJÍ PROTONY A ELEKTRONY b-radioaktivita
ATOM SESTÁVÁ Z MALÉHO TĚŽKÉHO KLADNÉHO JÁDRA A ROZLEHLÉHO LEHKÉHO ZÁPORNÉHO (elektronového) OBALU NÁBOJ JÁDRA vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE JÁDRO SE MOŽNÁ SKLÁDÁ Z ATOMŮ HELIA CENTRÁLNÍ NÁBOJ V RUTHERFORDOVĚ ATOMU NEMŮŽE BÝT ČISTĚ KLADNÝ JÁDRO SE SKLÁDÁ Z a-částic (možná i atomů vodíku) A ELEKTRONŮ JÁDRO SESTÁVÁ Z PROTONŮ a (vnitrojaderných) ELEKTRONŮ A (A - Z)
ATOM SESTÁVÁ Z MALÉHO TĚŽKÉHO KLADNÉHO JÁDRA A ROZLEHLÉHO LEHKÉHO ZÁPORNÉHO (elektronového) OBALU NÁBOJ JÁDRA vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE JÁDRO SE MOŽNÁ SKLÁDÁ Z ATOMŮ HELIA CENTRÁLNÍ NÁBOJ V RUTHERFORDOVĚ ATOMU NEMŮŽE BÝT ČISTĚ KLADNÝ JÁDRO SE SKLÁDÁ Z a-částic (možná i atomů vodíku) A ELEKTRONŮ JÁDRO SESTÁVÁ Z PROTONŮ a (vnitrojaderných) ELEKTRONŮ A JÁDRO Z OBSAHUJE Z PROTONŮ A N = (A - Z) (hypotetických) NEUTRONŮ
EXPERIMENTÁLNÍ POTVRZENÍ EXISTENCE NEUTRONU 1931 Bothe + Becker a Be 4 9 2 Þ 4 T @ 5 MeV + velmi pronikavé záření 4 9 13 2 a + 4 Be ¾ 6 C + g 1932 Iréne & Fréderick Joliot-Curie 4 9 g 2 a Þ 4 Be ¾¾ @ 14 MeV @ PARAFÍN 70 MeV??? T @ 1 1 p 1 1 p 1 1 p 4.5 MeV
1932 Chadwick 4 9 12 2 a + 4 Be ¾ 6 C + 0 1 n 1932 Ivaněnko + Heisenberg Neutron není těsně vázanou dvojicí (proton + elektron), ale novou elementární částicí
ATOM SESTÁVÁ Z MALÉHO TĚŽKÉHO KLADNÉHO JÁDRA A ROZLEHLÉHO LEHKÉHO ZÁPORNÉHO (elektronového) OBALU NÁBOJ JÁDRA vyjádřený v násobcích elementárního náboje (=počtu elektronů v atomu) JE ROVEN POŘADOVÉMU ČÍSLU PRVKU V PERIODICKÉ TABULCE JÁDRO SE MOŽNÁ SKLÁDÁ Z ATOMŮ HELIA CENTRÁLNÍ NÁBOJ V RUTHERFORDOVĚ ATOMU NEMŮŽE BÝT ČISTĚ KLADNÝ JÁDRO SE SKLÁDÁ Z a-částic (možná i atomů vodíku) A ELEKTRONŮ JÁDRO SESTÁVÁ Z PROTONŮ a (vnitrojaderných) ELEKTRONŮ A JÁDRO Z OBSAHUJE Z PROTONŮ určujících jeho náboj, počet obalových elektronů příslušného atomu a jeho chemickou identitu A N = (A - Z) NEUTRONŮ, které v něm mají stabilizační účinek.