ВУЗ:
Составители:
36
бильном состоянии имеет порядок 10
-–3
с, в то время как в возбужден-
ном состоянии – 10
–8
с.
Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома
из возбужденного состояния в основное, называется спонтанным из-
лучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит не
когерентно, т.к. каждый атом начинает и заканчивает излучение неза-
висимо от других (рис.15.1а).
Излучение энергии атомом, при котором переход из метаста-
бильного состояния в основное вызывается
электромагнитным излу-
чением соответствующей частоты называется вынужденным, или ин-
дуцированным, излучением (рис.15.1б).
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при
совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой
излучения возбужденного атома. Вынужденное излучение имеет та-
кую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения,
как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излуче-
ние строго когерентно
с вынуждающим излучением, то есть испущен-
ный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Испущенные
фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужден-
ные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и
число фотонов растет лавинообразно.
а) б)
возбуждение
E
2
E
2
E
1
E
1
спонтанное излучение вынужденное излучение
Рис.15.1.
Однако наряду с вынужденным излучением возможен и кон-
курирующий процесс – поглощение. В системе атомов, находящейся в
термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения
будет преобладать над вынужденным, т.е. падающее излучение при
прохождении через вещество будет ослабляться.
Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо
создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в
возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном
состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсной засе-
ленностью. Процесс создания неравновесного состоянии вещества (пере-
41
Электрический заряд ядра. Ядра всех атомов заряжены поло-
жительно.
Их заряд определяется числом протонов Z, входящих в
состав ядра, и может быть найден по порядковому номеру соот-
ветствующего элемента в таблице Менделеева:
eZq
я
⋅
=
,
(17.1)
где
я
q
— заряд ядра,
е —
положительный заряд, численно равный
заряду электрона.
Масса ядра m
я
.
Она не намного отличается от массы атома.
Обычно массу ядра измеряют в особых единицах, называемых
атомными единицами массы
(а. е. м.). За 1 а. е. м. принята 1/12
массы изотопа углерода с массовым числом 12:
1 а.е.м. = (1,66043 ± 0,00031) 10
–27
кг.
В качестве примеров приведем массы: протона
т
р
=1,00728
а.е.м., нейтрона
т
п
=1,00867 а. е. м., ядра гелия (
α
-частицы)
т
α
=
4,00152 а.е.м.
Массовое число
А.
Это целое число, ближайшее к атомной
массе атома, выраженной в а. е. м.
Массовое число равно числу нуклонов в ядре. Таким образом,
обозначая число нейтронов в ядре через N, имеем A = Z + N.
Для обозначения ядер используется символическая запись:
XX
A
Z
A
Z
; . X – химический символ данного элемента. Нижний ин-
декс у элемента означает порядковый номер Z, верхний – массовое
число А.
Некоторые элементы имеют несколько разновидностей, кото-
рые отличаются массовым числом, а Z для них постоянно, они назы-
ваются изотопы.
Например, водород имеет изотопы: .,,
3
1
2
1
1
1
ННН Отсюда видно,
изотопы отличаются содержанием нейтронов в ядре. Еще примеры:
кислород:
ООО
18
8
17
8
16
8
,, , уран .,
238
92
235
92
UU .
Элементы, у которых одинаково массовое число А и различно Z
называют изобарами
. Примерами ядер-изобар могут служить ядра
CBBe
10
6
10
5
10
4
,, или Ar
40
18
, .
40
20
Ca
Радиус ядра. Первые представления о размере атомного
ядра были получены в опытах Резерфорда. Считалось, что ядро со-
ответствует шару с линейным размером порядка 10
–12
см. В настоя-
36 41
-–3
бильном состоянии имеет порядок 10 с, в то время как в возбужден- Электрический заряд ядра. Ядра всех атомов заряжены поло-
ном состоянии – 10–8 с. жительно. Их заряд определяется числом протонов Z, входящих в
Излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома состав ядра, и может быть найден по порядковому номеру соот-
из возбужденного состояния в основное, называется спонтанным из- ветствующего элемента в таблице Менделеева:
лучением. Спонтанное излучение различных атомов происходит не qя = Z ⋅ e , (17.1)
когерентно, т.к. каждый атом начинает и заканчивает излучение неза-
висимо от других (рис.15.1а). где q я — заряд ядра, е — положительный заряд, численно равный
Излучение энергии атомом, при котором переход из метаста- заряду электрона.
бильного состояния в основное вызывается электромагнитным излу- Масса ядра mя. Она не намного отличается от массы атома.
чением соответствующей частоты называется вынужденным, или ин- Обычно массу ядра измеряют в особых единицах, называемых
дуцированным, излучением (рис.15.1б). атомными единицами массы (а. е. м.). За 1 а. е. м. принята 1/12
Вероятность индуцированного излучения резко возрастает при массы изотопа углерода с массовым числом 12:
совпадении частоты электромагнитного поля с собственной частотой 1 а.е.м. = (1,66043 ± 0,00031) 10–27 кг.
излучения возбужденного атома. Вынужденное излучение имеет та-
кую же частоту, фазу, поляризацию и направление распространения, В качестве примеров приведем массы: протона тр=1,00728
как и вынуждающее излучение. Следовательно, вынужденное излуче- а.е.м., нейтрона тп=1,00867 а. е. м., ядра гелия (α-частицы) тα=
ние строго когерентно с вынуждающим излучением, то есть испущен- 4,00152 а.е.м.
ный фотон неотличим от фотона, падающего на атом. Испущенные Массовое число А. Это целое число, ближайшее к атомной
фотоны, двигаясь в одном направлении и встречая другие возбужден- массе атома, выраженной в а. е. м.
ные атомы, стимулируют дальнейшие индуцированные переходы, и Массовое число равно числу нуклонов в ядре. Таким образом,
число фотонов растет лавинообразно. обозначая число нейтронов в ядре через N, имеем A = Z + N.
а) б)
возбуждение Для обозначения ядер используется символическая запись:
E2 E2 A A
Z X ; Z X . X – химический символ данного элемента. Нижний ин-
декс у элемента означает порядковый номер Z, верхний – массовое
число А.
Некоторые элементы имеют несколько разновидностей, кото-
E1 E1 рые отличаются массовым числом, а Z для них постоянно, они назы-
спонтанное излучение вынужденное излучение ваются изотопы.
Рис.15.1.
Например, водород имеет изотопы: 11 Н , 12Н , 13Н . Отсюда видно,
Однако наряду с вынужденным излучением возможен и кон- изотопы отличаются содержанием нейтронов в ядре. Еще примеры:
курирующий процесс – поглощение. В системе атомов, находящейся в
термодинамическом равновесии, поглощение падающего излучения кислород: 168 О, 178 О, 188О , уран 235 238
92 U , 92 U . .
будет преобладать над вынужденным, т.е. падающее излучение при Элементы, у которых одинаково массовое число А и различно Z
прохождении через вещество будет ослабляться. называют изобарами. Примерами ядер-изобар могут служить ядра
10 10 10 40 40
4 Be, 5 B, 6 C или 18 Ar , 20 Ca.
Чтобы среда усиливала падающее на нее излучение, необходимо
создать неравновесное состояние системы, при котором число атомов в Радиус ядра. Первые представления о размере атомного
возбужденных состояниях было бы больше, чем их число в основном ядра были получены в опытах Резерфорда. Считалось, что ядро со-
состоянии. Такие состояния называются состояниями с инверсной засе- ответствует шару с линейным размером порядка 10–12 см. В настоя-
ленностью. Процесс создания неравновесного состоянии вещества (пере-
