Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
примеры можно умножить. Так электрон и дырка - до рекомбинации - образуют
связанные состояния - квазичастицы, носящие название экситонов.
(Представление об экситонах введено Я. И. Френкелем.) Их динамика сейчас
хорошо изучена. Вихревые движения в квантовых жидкостях (в жидком гелии)
удобно рассматривать с помощью квазичастиц - ротонов и т. д. Возникает
естественный вопрос, не являются ли привычные нам частицы - электроны,
протоны, фотоны и т. д. - тоже некоторыми квазичастицами, введя которые
мы упростили задачу о взаимодействии исходных квантовых полей и
динамические свойства которых кажутся нам естественными просто в силу
привычки. Мы ограничимся здесь постановкой этого вопроса.
Глава 14
АТОМНОЕ ЯДРО, ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА
Существование ядер в атомах было открыто Резерфордом в 1911 г. в опытах
по рассеянию а-частиц (qa = +2е) при их прохождении через металлические
фольги. Альфа-частицы проходят через тонкие фольги (это указывает на
"прозрачность" атомов по отношению к а-частицам), но при этом
рассеиваются. Результаты рассеяния хорошо описываются формулой
Резерфорда, полученной в предположении, что рассеяние происходит из=за
кулоновского взаимодействия а-частиц с частицами, обладающими зарядом
+Ze, т. е., как мы сейчас понимаем, с ядрами атомов. Среди рассеянных
частиц встречаются частицы, рассеянные на очень большие углы. Это может
произойти только в том случае, если ядра атомов являются массивными
компактными образованиями, при столкновениях с которыми может происходить
рассеяние а-частиц "назад". Из опытов Резерфорда можно было оценить
размер атомных ядер. Их радиус оказался равным ~ 10-12см., тогда как для
размеров атомов характерна величина 10-8см. Огромное различие в размерах
ядер и атомов (гат/ДЯд ~ Ю4!) и определяет прозрачность атомов.
Разумеется, при прохождении а-частиц через толстые слои вещества,
состоящие из миллионов атомных слоев, они могут "запутаться", потерять на
ионизацию всю или часть своей энергии и даже превратиться в другие
частицы, если происходит ядерная реакция (Резерфорд, 1919 г.). В
последнем случае в ядрах атомов происходят изменения. Изучение этих
изменений дает информацию о свойствах ядер и о свойствах сил, действующих
между частицами и ядрами и внутри самих ядер. (Ядерные реакции будут
рассмотрены в гл. 15.)
Важную информацию о свойствах ядер дает изучение спонтанных процессов,
характерных для многих ядер (мы рассмотрим их во второй части этой
главы).
Изменение заряда атомного ядра, произошедшее спонтанно или в результате
столкновения с частицей или с другим ядром, влечет за собой перестройку
электронной оболочки атома.
§72. Основные характеристики атомного ядра
351
§ 72. Основные характеристики атомного ядра
Нуклоны и их характеристики. В состав атомных ядер входят протоны р,
открытые Резерфордом в 1914 г. при облучении водорода электронами, и
нейтроны п, открытые Чадвиком в 1932 г. при исследовании излучений,
возникающих при облучении бериллиевой мишени а-частицами. Эти частицы
имеют общее название - нуклоны (от лат. nucleus - ядро). Нуклоны
удерживаются внутри ядер ядер-ными силами, с которыми мы до сих пор не
встречались.
Электроны в состав ядер входить не могут. Невозможность этого ясна уже из
того, что это противоречило бы основным принципам квантовой механики.
Электрон, положение которого определено с точностью Аж ^ #яд, должен был
бы иметь слишком большие импульс и энергию.
Рассмотрим основные характеристики нуклонов. Протон р имеет заряд q = +1е
и массу тр = 1836,15 те. Заряд нейтрона равен нулю, а масса немного
больше массы протона: тп = 1838,68 те. И протон и нейтрон обладают
собственным угловым моментом - спином. Спиновые квантовые числа нуклонов
совпадают со спиновым квантовым числом электрона: sp = sn = У2. Таким
образом, проекция спина нуклонов может иметь два значения: ±У2Й. Как и
все частицы с полуцелым спином, р и п подчиняются статистике Ферми -
Дирака, и на них распространяется принцип Паули.
Протон, как и всякая заряженная частица с ненулевым спином, обладает
собственным магнитным моментом fi?. Магнитный момент протона, как и
магнитные моменты ядер, удобно измерять в единицах eh/2mpc. Эта единица
называется ядерным магнетоном:
1±дг = eh/2mpc = 0,505 • 10-23 эрг/Гс.
Ядерный магнетон //дг в ~ 2 • 103 раз меньше магнетона Бора, равного 1±в
= eh/2mec, и являющегося единицей измерения магнитных моментов электронов
и атомов. Магнитные моменты нуклонов и ядер во много раз меньше магнитных
моментов электрона и атомов и для их измерения нужно создавать установки
с гораздо более сильными полями, чем в опытах Штерна и Герлаха (§23). На
одной из таких установок были измерены спин и магнитный момент протона.
Вопреки ожиданию, максимальная проекция магнитного момента протона
оказалась равной не
1 fiN, a 2,79/ijv (у электрона она равна 1 /1в)- Неожиданным
оказалось и не равное нулю значение магнитного момента нейтрона: опыты по
