Ядерна фізика. Частина 7. Випромінення світла атомом та випромінення гамма-квантів ядром

Ця стаття є частиною циклу з 8 статей про ядерну фізику

Початок

Попередня частина

Раніше ми дізналися про ті частинки, з яких складаються атомні ядра. Також ми почали знайомство з відмінностями фізики мікросвіту від того, що ми звикли бачити у повсякденні. Ми торкнулися головним чином питання природи світла, яке нам показало, що мікроскопічні частинки здатні проявляти як корпускулярні, так і хвильові властивості. Зараз ми продовжимо знайомство з відмінностями мікросвіту і поговоримо про зв’язані системи з кількох частинок.

Почнемо з поведінки електронів у атомі. Оскільки електрон майже в дві тисячі разів легший ніж нуклон, можна вважати, що тут ядро виступає в ролі нерухомого центру. У випадку атома з одним електроном ми точно знаємо, якою є його взаємодія з ядром, це — кулонівське притягання. Якби все відбувалося звичним для нас чином, слід було б очікувати, що електрон рухатиметься по орбіті — як планети навколо Сонця. Натомість хвильові властивості частинок проявляють себе і тут. Вони призводять до того, що не будь-яка орбіта є можливою. Бор пояснював це так, що маючи певну енергію, електрон має визначену нею довжину хвилі, та ця хвиля має вкластися в довжину орбіти цілу кількість разів. Отже, енергія електрону в складі атома може змінюватися лише порціями, коли він переходить з однієї орбіти, де утворює стоячу хвилю, на іншу. Після Бора квантова механіка дала більш ґрунтовне пояснення, яке описує поведінку атомів більш точно, але воно дещо складне для детального висвітлення тут.

Модель атома за Бором (Автор: JabberWok, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2639910)

Стани (орбіталі), в яких може перебувати електрон у складі атома мають чітко окреслені значення енергії. Щоб електрон міг перескакувати з одного стану в інший, щось має змінити його енергію. Коли його енергія зменшується, випромінюється фотон що забирає цей надлишок. Якщо перехід між станами вимагає збільшення енергії, то він можливий за поглинання фотону який “покриє” цю різницю. Типові енергії переходів між станами в атомах є близькими до діапазону енергій фотонів видимого світла та для різних видів атомів є різними. Останнє дає змогу досліджувати склад речовин, що світяться чи поглинають світло, адже лінії на спектрі відповідають переходам між рівнями, що є в атомах досліджуваної проби. Взагалі спектроскопія дала дуже багато експериментальних даних для перевірки фізичних теорій про будову атома.

Електрони належать до класу частинок, який називають ферміонами. Ця класифікація тісно пов’язана з їхнім спіном. Поки що ми не будемо детально розбирати цю частину теорії, але з неї є важливі для нас наслідки. Взаємодію між електронами в атомі можна описати простим принципом Паулі, який полягає в тому, що якщо певний стан вже зайнято одним електроном, то жоден інший не може в ньому перебувати. Оскільки спін теж впливає на стан електрону і у випадку електрона за рівності інших обставин може мати дві конфігурації, то це призводить то того, що на одній орбіталі може “сидіти” максимум два електрони. Коли енергія атома є мінімальною, тоді обсадженими є орбіталі з найнижчими енергіями, як це можливо з урахуванням принципу Паулі. Такий стан називають основним. Стани з більшими значеннями енергії називають збудженими.

Натомість, у ядрі нуклони є рівноправними складовими, адже мають порівнювальну масу. Це робить фізикам певні труднощі, але ми можемо наближено вважати, що для нуклонів теж є “орбіталі” [приклад]. В певній мірі наближення, можна стверджувати, що перескакування будь-якого одного нуклона в ядрі з одного стану на інший призводить до зміни форм і відповідно енергій всіх цих “орбіталей”. Попри ускладнення, пов’язані з відсутністю єдиного центру в ядрі, можна стверджувати, що воно як ціла система може перебувати в дискретному наборі станів з усталеними енергіями, які залежать тільки від того, яке це є ядро^*. Переходячи з одного стану в інший, ядро так само випромінює чи поглинає кванти електромагнітного випромінення, але їх енергія є на порядки більшою, ніж для видимого світла. Це і є гамма-випромінення, про існування якого я згадував у першій частині.

Слід зауважити теж, що після радіоактивних перетворень ядер, про які ми дізналися раніше, продукти розпаду переважно утворюються у збудженому стані, тому розпади супроводжуються появою також гамма-квантів, які теж можна зареєструвати.

Остання частина

* – підставою для такого твердження є дуже велика енергія зв’язку нуклонів у ядрі в порівнянні з енергією зв’язку електронів у атомі, що дає змогу знехтувати впливом оточення атома, обумовленого хімічними чинниками.

Література:

1. Китайгородский А. И. Физика для всех: Фотоны и ядра. — М.: Наука, 1982

2. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1986 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 1: Атомная физика.

3. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1989 — Т. V. Атомная и ядерная физика. Часть 2: Ядерная физика.

Джерелом усіх зображень є вікіпедія

https://uk.wikipedia.org