Единицы физических величин и их размерности - Сена Л.А.
Скачать (прямая ссылка):
§ 9.2. Основные свойства атомных и элементарных частиц
Мажа. Масса частиц может измеряться как в абсолютной, так и в относительной мере. Под абсолютной мы понимаем здесь измерения одной из общих единиц массы (кг, г), под относительной — по отношению к массе одной из частиц, условно принимаемой за единицу. Выбор такой единицы, которая называется атомной еди-
§ 9.2]
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЧАСТИЦ
231
ницей массы (е) на протяжении ряда лет претерпел некоторые изменения. Раньше в химии за единицу массы принималась одна шестнадцатая атомного веса элемента кислорода, а в физике — одна шестнадцатая массы самого легкого из изотопов кислорода, массовое число которого равно шестнадцати. Напомним, что массовым числом называется целое число, равное общему числу нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре.
Так как естественный кислород содержит три устойчивых изотопа с массовыми числами 16, 17 и 18, с процентным содержанием 99,76%, 0,04% и 0,20%, то химическая атомная единица массы оказалась в 1,000272 раза больше физической атомной единицы массы.
Применение определенной выше физической атомной единицы имело ряд неудобств, обусловленных тем, что точные определения атомных масс экспериментально связывались не с атомами кислорода, а с атомами углерода. Поэтому в 1961 г. международные организации (Союз чистой и прикладной физики и Союз чистой и прикладной химии) приняли решение установить в качестве атомной единицы массы (как в физике, так и в химии) одну двенадцатую массы изотопа углерода с массовым числом 12. Эта единица равна 1,0003179 старой «кислородной» физической единицы. Она очень близка к старой химической единице массы, отличаясь от нее лишь на несколько единиц в пятом знаке после запятой.
Атомная единица массы равна 1,6604-Ю-27 кг. По отношению к атомной единице массы определяются атомные веса элементов, молекулярные веса (относительные молекулярные массы) химических веществ и массы ядер. Массы элементарных частиц обычно относят к массе электрона те, равной 9,109- 10'31 кг или 5,486- Ю-4 атомной единицы массы.
Заряд. Атомные и элементарные частицы либо лишены заряда, либо имеют положительный или отрицательный заряд, кратный заряду электрона. Последний равен
1,6021 • 10"19 к = 4,803- 10"10 СГС.
232
некоторые единицы атомной физики [гл. 9
Момент количества движения (момент импульса, механический момент) микрочастиц подчиняется законам квантовой механики, согласно которым он может принимать лишь определенные дискретные значения. Эти значения определяются выражением
=?-VT(TMj, (9-і)
где h — постоянная Планка, а /—квантовое число полного момента количества движения. Постоянная Планка равна
h = 6,626 • 10~34 дж • сек = 6,626 • 1(Г27 эрг • сек. Отношение
~ = 1,0545 • Ю-34 дж ¦ сек = 1,0545 • Ю-27 эрг • сек,
которым обычно пользуются в квантовой механике вместо h, обозначается Ь. Квантовое число / может принимать значения либо целые, либо полуцелые (т. е. нечетные кратные 1/2), либо равняться нулю. Для электрона квантовое число момента обозначается S= 1/2 и называется спиновым числом. Поэтому собственный момент количества движения электрона
L=-^-]/-| = 0,913- 10-34 дж-сек = 0,913-10"27 эрг-сек.
(9.2)
Величина
й-2? <9-3>
служит в атомной физике единицей измерения момента количества движения.
Магнитный момент. В классической теории Бора электрон, двигаясь по круговой орбите вокруг ядра, представляет собой замкнутый ток, который, следовательно, обладает собственным магнитным моментом. Квантовая механика, отказываясь от наглядных модельных представлений («орбита» электрона в атоме, «вращающийся электрон»), сохраняет наличие таких величин, как рассмотренный выше момент количества движения и соответственно магнитный момент.
§9.2]
основные свойства атомных частиц
233
В классической модели магнитный момент атома водорода в нормальном (невозбужденном) состоянии легко рассчитывается следующим образом. Отношение заряда электрона к периоду его обращения в атоме представляет собой «силу тока»
/ = ? = (9-4)
Согласно постулату Бора
A = ^ (9.5)
где а0 — радиус орбиты (так называемый боровский радиус). Следовательно,
._ eh
~л 9 2 »
An пик
и магнитный момент (обозначаемый в данном случае рв)
_ eh
Ав Апт
Hb= дЙг (СИ),
eh \ <9-6)
^b = InW <СГС>- J
Магнитный момент, определяемый формулой (9.6), называется магнетоном Бора и служит единицей измерения магнитных моментов. Его значение
u.B = 9,273 • Ю-24 а • м2 = 9,273 • 1(Г21 дин • см/гс. (9.7)
Для измерения магнитных моментов ядерных частиц пользуются так называемым ядерным магнетоном, который определяется по той же формуле (9.6), но с заменой массы электрона на массу протона, которая в 1836 раз больше массы электрона. Отсюда ядерный магнетон
Hn = 5,051 • 10~27 а-м2 = 5,051 • 10~24 дин • см/гс. (9.8)
Заметим здесь же, что магнитные моменты ядер не являются целыми кратными ядерного магнетона, а вычисляются по довольно сложной формуле. В частности, магнитный момент протона равен
H =2,7928Pn= 1,4105-10~20 а-лГ= 1,4105-10~23 дин-см/гс.
