Ответьте на вопросы, страница 211 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему ученые решили, что электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов, не могут создать $ \beta $-излучение?

2. Почему вещества с ядерной плотностью обладают огромной массой при малых объемах?

1. Почему ученые решили, что электроны, вращающиеся вокруг ядер атомов, не могут создать β-излучение?
Ученые пришли к такому выводу на основе анализа энергии частиц, составляющих β-излучение. β-излучение представляет собой поток электронов (или позитронов), испускаемых при радиоактивном распаде. Ключевым моментом стало измерение энергии этих электронов, которая оказалась очень высокой и достигала нескольких мегаэлектронвольт (МэВ).
В то же время, электроны, которые вращаются вокруг ядра на атомных орбиталях, связаны с ядром гораздо слабее. Энергия, необходимая для того, чтобы оторвать электрон от атома (энергия ионизации), составляет от нескольких электронвольт (эВ) до нескольких тысяч электронвольт (кэВ) для самых глубоких оболочек тяжелых атомов. Это на порядки (в сотни и тысячи раз) меньше, чем энергия, наблюдаемая у β-частиц.
Внутри атома нет известных механизмов, которые могли бы разогнать орбитальный электрон до таких гигантских энергий, характерных для β-распада. Источником такой энергии может быть только сам процесс, происходящий внутри атомного ядра.
Поэтому была выдвинута и подтверждена гипотеза, что электрон, являющийся β-частицей, рождается непосредственно в ядре в момент распада. При β⁻-распаде один из нейтронов ядра превращается в протон, электрон и антинейтрино: $n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu}_{e}$. Именно этот новорожденный электрон немедленно выбрасывается из ядра с огромной энергией и является частицей β-излучения. Орбитальные электроны в этом процессе не участвуют.

Ответ: Ученые пришли к такому выводу, потому что энергия электронов в β-излучении (порядка МэВ) на много порядков превышает энергию связи электронов на атомных орбиталях (порядка эВ-кэВ). В атоме нет механизма, способного придать орбитальному электрону такую огромную энергию, следовательно, источником β-частиц может быть только само ядро, где они рождаются в процессе ядерного превращения.

2. Почему вещества с ядерной плотностью обладают огромной массой при малых объемах?
Это свойство напрямую следует из определения плотности и строения атома. Плотность ($\rho$) — это физическая величина, равная отношению массы тела ($m$) к его объему ($V$): $\rho = \frac{m}{V}$. Соответственно, масса тела равна произведению его плотности на объем: $m = \rho \cdot V$.
"Ядерная плотность" — это плотность вещества, из которого состоят атомные ядра. В обычном веществе атомы состоят из крошечного и очень тяжелого ядра, окруженного обширным и легким "облаком" электронов. Объем атома в основном представляет собой пустое пространство, а почти вся его масса (~99.9%) сосредоточена в ядре.
Плотность атомных ядер колоссальна. Она примерно одинакова для всех ядер и составляет около $2.3 \times 10^{17}$ кг/м³. Для сравнения, плотность воды — $1000$ кг/м³, а свинца — около $11300$ кг/м³. Ядерная плотность в сотни триллионов раз больше плотности обычных веществ.
Такая гигантская плотность обусловлена тем, что тяжелые частицы (протоны и нейтроны) упакованы в чрезвычайно малом объеме ядра.
Если какое-либо вещество имеет такую же плотность, как у атомного ядра (например, вещество нейтронных звезд), то это означает, что в любом, даже самом малом, объеме этого вещества содержится огромное количество плотно упакованных нуклонов. Из формулы $m = \rho \cdot V$ следует, что если плотность $\rho$ имеет огромное значение (как ядерная плотность), то даже при малом объеме $V$ масса $m$ будет огромной. Например, масса чайной ложки (объемом 5 см³) вещества с ядерной плотностью составила бы более миллиарда тонн.

Ответ: Вещества с ядерной плотностью обладают огромной массой при малых объемах, потому что их плотность ($\rho$) чрезвычайно велика (около $2.3 \times 10^{17}$ кг/м³). Согласно формуле $m = \rho \cdot V$, огромное значение плотности приводит к огромной массе ($m$) даже для очень малого объема ($V$).