Модели строения ядра. Ядерные силы

Открытие нейтрона дало толчок к пониманию того, как устроены ядра атомов.

В том же 1932 г., когда был открыт нейтрон, советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель строения ядер, справедливость которой была впоследствии подтверждена экспериментально.

Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Используя этот термин, можно сказать, что атомные ядра состоят из нуклонов.

• Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А

Так, например, для азота массовое число А = 14, для железа A = 56, для урана A = 235.

Понятно, что массовое число А численно равно массе ядра m, выраженной в атомных единицах массы и округлённой до целых чисел (поскольку масса каждого нуклона примерно равна 1 а. е. м.). Например, для азота m ≈ 14 а. е. м., для железа m ≈ 56 а. е. м. и т. д.

• Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается Z

Например, для азота зарядовое число Z = 7, для железа Z = 26, для урана Z = 92 и т. д.

Заряд каждого протона равен элементарному электрическому заряду. Поэтому зарядовое число Z численно равно заряду ядра, выраженному в элементарных электрических зарядах. Для каждого химического элемента зарядовое число равно атомному (порядковому) номеру в таблице Д. И. Менделеева.

Ядро любого химического элемента в общем виде обозначается так: (под X подразумевается символ химического элемента).

Число нейтронов в ядре обычно обозначают буквой N. Поскольку массовое число А представляет собой общее число протонов и нейтронов в ядре, то можно записать: А = Z + N.

На основе протонно-нейтронной модели строения атомных ядер было дано объяснение некоторым экспериментальным фактам, открытым в первые два десятилетия XX в.

Так, в ходе изучения свойств радиоактивных элементов было обнаружено, что у одного и того же химического элемента встречаются атомы с различными по массе ядрами.

Одинаковый заряд ядер свидетельствует о том, что они имеют один и тот же порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева, т. е. занимают в таблице одну и ту же клетку, одно и то же место. Отсюда и произошло название всех разновидностей одного химического элемента: изотопы (от греч. слов isos - одинаковый и topos - место).

• Изотопы - это разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер

Благодаря созданию протонно-нейтронной модели ядра (т. е. примерно через два десятилетия после открытия изотопов), удалось объяснить, почему атомные ядра с одним и тем же зарядом обладают разными массами. Очевидно, ядра изотопов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.

Так, например, существует три изотопа водорода: (протий), . (дейтерий) и (тритий). Ядро изотопа вообще не имеет нейтронов - оно представляет собой один протон. В состав ядра дейтерия входят две частицы: протон и нейтрон. Ядро трития состоит из трёх частиц: одного протона и двух нейтронов.

Гипотеза о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, подтверждалась многими экспериментальными фактами.

Но возникал вопрос: почему ядра не распадаются на отдельные нуклоны под действием сил электростатического отталкивания между положительно заряженными протонами?

Расчёты показывают, что нуклоны не могут удерживаться вместе за счёт сил притяжения гравитационной или магнитной природы, поскольку эти силы существенно меньше электростатических.

В поисках ответа на вопрос об устойчивости атомных ядер учёные предположили, что между всеми нуклонами в ядрах действуют какие-то особые силы притяжения, которые значительно превосходят электростатические силы отталкивания между протонами. Эти силы назвали ядерными.

Гипотеза о существовании ядерных сил оказалась правильной. Выяснилось также, что ядерные силы являются короткодействующими: на расстоянии 10 -15 м они примерно в 100 раз больше сил электростатического взаимодействия, но уже на расстоянии 10 -14 м они оказываются ничтожно малыми. Другими словами, ядерные силы действуют на расстояниях, сравнимых с размерами самих ядер.

Вопросы

1. Как называются протоны и нейтроны вместе?
2. Что называется массовым числом? Что можно сказать о числовом значении массы атома (в а. е. м.) и его массовом числе?
3. Что можно сказать о зарядовом числе, заряде ядра (выраженном в элементарных электрических зарядах) и порядковом номере в таблице Д. И. Менделеева для любого химического элемента?
4. Как связаны между собой массовое число, зарядовое число и число нейтронов в ядре?
5. Как в рамках протонно-нейтронной модели ядра объяснить существование ядер с одинаковыми зарядами и различными массами?
6. Какой вопрос возникал в связи с гипотезой о том, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов? Какое предположение пришлось сделать учёным для ответа на этот вопрос?
7. Как называются силы притяжения между нуклонами в ядре и каковы их характерные особенности?

При помощи этого видеоурока все желающие смогут самостоятельно изучить тему «Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое число. Ядерные силы». В ходе занятия учитель расскажет о строении атома, а также проведет промежуточный итог по всем предыдущим урокам, посвященным строению атому.

Физика 9 класс

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 56. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое

число. Ядерные силы

Ерюткин Евгений Сергеевич

учитель физики высшей категории ГОУ СОШ №1360

Москва

Здравствуйте! Сегодняшний урок будет посвящен вопросу, связанному с обсуждением строения ядра атома, зарядовому числу, массовому числу, поговорим также о том, что такое ядерные силы. Наш урок - это подведение некоторого промежуточного итога по всем ранее изученным вопросам. Мне бы хотелось сказать то, что мы изучали вопросы, связанные со строением атома и строением ядра. Поэтому сегодня мы поговорим именно об этом. Некоторый итог предыдущим темам, предыдущим вопросам. Прежде чем мы перейдем к тому вопросу, который обозначен первым, мы поговорим вот о чем. На предыдущем уроке мы говорили, что Резерфорд в своих экспериментах установил, что существует такая частица, как протон. Через некоторое время в 1932 году Чедвик установил, что существует еще одна частица, которая называется нейтрон. После этого открытия независимо друг от друга два человека, русский ученый Иваненко и немецкий ученый Гейзенберг, предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома. По этой теории Иваненко - Гейзенберга, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны. Эти протоны и нейтроны вместе, те, которые находятся в ядре атома, было решено называть нуклонами. Таким образом, «нуклон» (от лат. «ядро») - общее название для протонов и нейтронов. Те частицы, которые имеют заряд, и те частицы, которые заряд не имеют, нейтроны, эти все частицы вместе называются нуклонами. Давайте еще вот о чем поговорим. Идея о заряде ядра была впервые выдвинута в 1913 году английским ученым Генри Мозли. Он предложил, что, раз атом электронейтрален, порядковый номер элемента, умноженный на элементарный электрический заряд, это и есть заряд ядра. Каким образом Мозли пришел к такому заключению? Дело в том, что количество электронов в атоме соответствует порядковому номеру. Значит, заряд всех электронов - это произведение порядкового номера на заряд одного электрона. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, значит, то же самое можно говорить и о ядре. Давайте посмотрим на то, как пришел Мозли именно к тому, что мы называем зарядовым числом. Посмотрите:

q Я = Z . | e |

q Я - заряд ядра

е - заряд электрона

Z - число протонов в ядре, зарядовое число

Заряд числа, по такому утверждению, определяется как произведение порядкового номера на элементарный электрический заряд. В данном случае е - это заряд электрона, элементарный электрический заряд его называют, и взят он по модулю, потому что понятно, что заряд ядра у нас положительный. В этом случае порядковый номер стали называть зарядовым числом, порядковый номер - это число, соответствующее числу протонов в ядре. Таким образом, мы, говоря о порядковом номере, можем говорить о количестве протонов в ядре. Следующее число, о котором необходимо сказать, - это число массы. Оно, это число, обозначено буквой А, и это самое число берут то же из таблицы Менделеева и округляют его до целых. Дальше мы можем говорить о том уравнении, которое называется во всем мире уравнением Иваненко - Гейзенберга. Это уравнение состоит из трех чисел: массового числа, зарядового числа и числа нейтронов. Давайте посмотрим, как оно записывается и как обозначаются данные величины.

Уравнение Иваненко - Гейзенберга

А = Z + N

А - массовое число,

Z - порядковый номер элемента,

N - число нейтронов в ядре

Посмотрите: массовое число А говорит о том, какое количество нуклонов входит в ядро. Оказалось, что, по таблице Менделеева определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

Z, как мы говорили, будет порядковый номер и число протонов в ядре. N в данном случае - это число нейтронов. Таким образом, мы можем из этого уравнения определить число нейтронов, число протонов, зная массовое число и порядковый номер. Здесь необходимо отметить важный момент. Дело в том, что в 1913 году еще один ученый Содди (вы помните, что этот человек работал вместе с Резерфордом) установил интересную вещь. Выяснено было, что существуют химические элементы с абсолютно одинаковыми химическими свойствами, но разным массовым числом. Такие элементы, у которых одинаковые химические свойства, но разное массовое число, стали называть изотопами. Изотопы - это химические элементы с одинаковыми химическими свойствами, но с различной массой атомных ядер.

Еще надо добавить, что у изотопов разная радиоактивность. Все это вместе привело к изучению этого вопроса. Здесь показаны изотопы легких и тяжелых элементов химических. Давайте посмотрим. Мы выбрали специально разные области таблицы Менделеева, чтобы показать, что практически все элементы химические имеют изотопы.

Изотопы:

Н - протий U

H - дейтерий U

Н - тритий

У водорода этих изотопов три. Первый изотоп Н называется протий. Обратите внимание, что порядковый номер ставится внизу, вот это число Z, а сверху пишется массовое число - это число А. Сверху А, внизу Z, и если мы понимаем, что это обозначает, что в ядре атома протия самый простой химический элемент, самый распространенный во вселенной. Там всего лишь 1 протон, а нейтронов в этом ядре совсем нет. Есть второй вид водорода - это дейтерий. Наверное, многие слышали такое слово. Обратите внимание: порядковый номер 1, а массовое число равно 2. Так что ядро дейтерия состоит уже из 1 протона и из одного нейтрона. И есть еще один изотоп водорода. Называется тритий. Тритий как раз (порядковый номер первый), а массовое число говорит о том, что в ядре этого изотопа находятся 2 нейтрона. И еще один элемент - это уран. Совсем другая сторона таблицы Менделеева. Это уже тяжелые элементы. У урана 2 изотопа распространенных. Это уран 235. Порядковый номер 92, а массовое число 235. Сразу можно говорить о том, чем отличается ядро одного элемента от другого. Второй изотоп: тоже порядковый номер 92, а массовое число 238. Очень часто, когда идет речь об изотопах, в частности урана, никогда не говорят порядкового номера. Просто говорят «уран», называют химический элемент и говорят его массовое число - 238. Или уран 235. Мы обсуждаем этот вопрос по той простой причине, что знаем, как сегодня этот химический элемент важен для энергетики нашей страны и вообще мировой энергетики в целом.

Следующий вопрос, который мы должны затронуть, вытекает из сказанного. Как эти частицы, эти нуклоны удерживаются внутри ядра? Мы назвали различные химические элементы, изотопы различные, особенно у тяжелых элементов, там, где нуклонов, т.е. протонов и нейтронов, много. Как, каким образом они удерживаются внутри ядра? Мы знаем, что в маленьком ядре расстояния, размеры ядра очень и очень малы, бывает собрано большое количество частиц нуклонов. Как эти нуклоны там так плотно, тесно удерживаются, какими силами? Ведь за счет электростатического отталкивания эти частицы должны очень быстро распадаться, разлетаться. Мы знаем, что разноименные только заряды притягиваются, частицы, заряженные разноименными зарядами. Если частицы заряжены одноименно, понятно, что они должны отталкиваться. Внутри ядра находятся протоны. Они положительно заряжены. Размер ядра очень мал. В этом же ядре находятся еще и нейтроны, значит, должны быть силы, которые удерживают вместе те и другие частицы. Эти самые силы называют ядерными силами. Ядерные силы - это силы притяжения, действующие между нуклонами . Можно сказать, что у этих сил существуют свои особые свойства.

Первое свойство, о котором мы должны сказать, - это то, что ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. И это так, когда удалось их определить, то выяснилось, что они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания. Еще одно очень важное замечание, что действуют ядерные силы на малом расстоянии . Например, 10 -15 м - это и есть диаметр ядра, эти силы действуют. Но стоит только увеличиться размеру ядра до 10 -14 , казалось, совсем немного, то это приводит к тому, что ядро обязательно распадется. На этом расстоянии уже ядерные силы не действуют. А силы электростатического отталкивания продолжают действовать и именно они отвечают за то, что ядро распадается.

Еще можно сказать о ядерных силах то, что они не центральны , т.е. они не действуют вдоль прямой, соединяющей эти частицы. И то, что ядерные силы не зависят от того, обладает частица зарядом или не обладает, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны. Вместе эти частицы находятся. Таким образом, вывод: эти частицы, нуклоны, удерживаются в ядре за счет ядерных сил, и эти силы действуют только в ядре. Еще можно отметить, что ядерные силы имеют важное значение в плане стабильности ядра. Отвечают за долговременность существования этого элемента. В заключение мы можем отметить еще одно: когда мы будем говорить об энергетике, вот здесь именно ядерные силы будут играть основную роль. Об этом мы поговорим на следующих уроках. До свидания.

Задание к уроку .

1. Определите нуклонный состав ядер железа (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

2. В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.

3. Оцените силу гравитационного взаимодействия между двумя нейтронами в ядре. Масса нейтрона примерно равна 1,7*10 -27 кг, расстояние между нейтронами примите равным 10 -15 м, значение гравитационной постоянной 6,67*10 -11 (Н*м 2 )/кг 2 .

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра (порядковый номер в таблице Менделеева).

Масса ядра произвольного элемента определяется величиной, близкой к сумме масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Поэтому массовое число ядра, обозначаемое буквой А и выраженное в атомных единицах массы, округленно равно А = N + Z . Z – заряд ядра, определяет число протонов в ядре и число электронов в электронной оболочке нейтрального атома. N – число нейтронов в ядре. Протон и нейтрон имеют общее название – нуклон. Для обозначения ядра применяется символ , где Х является символом химического элемента. Например, , что означает Z = 82, N = 126, A = 208.

Различные комбинации чисел протонов и нейтронов соответствуют различным ядрам. При этом можно выделить следующие группы атомов.

Изотопы – атомы, ядра которых имеют одинаковое число протонов Zи различное число нейтронов N. Такие элементы занимают одно и то же место в периодической системе. Например, в природе распространена группа изотопов водорода: – легкий водород, – дейтерий и– тритий. Ядра изотопов водорода также имеют собственные названия: протон, дейтрон, тритон.

Изобары – атомы, ядра которых имеют одинаковое число A ().

Наряду с термином ядро атома используется термин нуклид.

Примерные размеры атомов и их составляющих:

размер ядра ~ 10 –14 м, размер нейтрона и протона ~10 –15 м, атома ~ 10 – 10 м, электрона < 10 –18 м.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющий условный смысл, так как границы ядра размыты, как у любой квантовой системы. Экспериментально установлено, что в каждом ядре имеется внутренняя область, где плотность вещества постоянна. Эту область окружает поверхностный слой, где плотность вещества падает до нуля. Эмпирическая формула для радиуса ядра

1 Фм (фемтометр) =10 –15 м (1)

Это выражение может быть истолковано как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем V ~ А. (1) означает независимость средней плотности ядра от массового числа.

Масса ядра выражается в атомных единицах массы или в МэВ/с 2 .

1а.е.м. =1/12 массы атома углерода с атомной массой 12,000. 1а.е.м. = 1,66×10 –27 кг » 931,5 МэВ/с 2 .

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение его массы на величину Dm , которая называется дефектом масс.

Dm выражается в атомных единицах массы или в МэВ/с 2 .

Важной характеристикой ядра является энергия связи ядра W (A,Z ) – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные составляющие его протоны и нейтроны без сообщения им кинетической энергии.

W (A ,Z ) = Δтс 2 = [Zm p +(A – Z )m n – M я (A ,Z )]·с 2 , (3)

Удельная энергия связи – средняя энергия, приходящаяся на 1 нуклон: . (4)

Для большинства ядер удельная энергия связи почти одинакова и ~ 8 МэВ. Поэтому полная энергия связи примерно пропорциональна массовому числу, т.е. числу нуклонов в ядре. Это говорит о свойстве ядерных сил, называемом насыщением. Оно заключается в том, что каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов.

Нуклоны в ядре удерживаются специфическими ядерными силами, которые являются проявлением сильного взаимодействия. Ядерные силы обладают следующими свойствами:

– являются короткодействующими, радиус их действия 10 –14 м;

– самые интенсивные, они на 2-3 порядка мощнее электромагнитных сил. Ядерные силы обеспечивают существование ядер с удельной энергией связи около 8 МэВ.

– Обладают свойством насыщения. Это проявляется в том, что в ядре протон может образовывать связанное состояние не более, чем с двумя нейтронами. По этой причине изотоп водорода тритий уже нестабилен.

– Обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном одинаковы. Это свойство не означает полную тождественность систем р – р, п – п, р – п, так как протоны и нейтроны являются фермионами и системы р – р, п – п состоят из тождественных частиц, а система р – п – из разных.

– Имеют обменный характер. При взаимодействии нуклоны могут обмениваться своими координатами, зарядами, проекциями спинов.

– Зависят от спина нуклонов. На эту зависимость указывает тот факт, что нет состояния дейтрона со спином 0. Т.е. спины протона и нейтрона в этом состоянии только параллельны.

– Являются нецентральными, т. е. зависят от ориентации спинов нуклонов относительно прямой , соединяющей нуклоны.

В 1935 г. японский физик Х. Юкава высказал гипотезу, что ядерное взаимодействие есть результат обмена нуклонов виртуальной частицей. Эти частицы должны иметь массу больше массы электрона, но меньше массы протона, поэтому их назвали мезонами. (От греч. mesos – промежуточный, средний). Мезоны стали искать экспериментально. В 1947 году они были обнаружены в космическом излучении. Эти частицы назвали пи-мезонами (от англ. рrimary – первичный). Сейчас эти частицы именуют более кратко – пионы. Пион существует в виде p 0 , p – , p + .

Пи-мезоны играют важную роль при нуклон-нуклонном взаимодействии на расстояниях 1,5–2 Фм. Суть мезонной теории ядерных сил следующая. Два нуклона, находясь на расстояниях r £ h/2m p c, обмениваются пионами, что является причиной ядерного взаимодействия. Возможны 4 типа обмена:

p « p + p 0 , (5)

n « n + p 0 , (6)

p « n + p + , n « p + p – , (7)

при которых нуклоны оказываются окруженными облаком виртуальных пионов, образующих поле ядерных сил. Поглощение мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами.

На расстояниях меньше 1,5 Фм нуклоны обмениваются более тяжелыми мезонами: h (549 МэВ), r(770 МэВ), w(782 МэВ), которые определяют отталкивание нуклонов.

Задолго до появления достоверных данных о внутреннем устройстве всего сущего греческие мыслители представляли себе материю в виде мельчайших огненных частиц, которые находились в постоянном движении. Вероятно, это видение мирового устройства вещей было выведено из чисто логических умозаключений. Несмотря на некоторую наивность и абсолютную бездоказательность этого утверждения, оно оказалось верным. Хотя подтвердить смелую догадку ученые смогли лишь двадцать три века спустя.

Строение атомов

В конце XIX века были исследованы свойства разрядной трубки, через которую пропущен ток. Наблюдения показали, что при этом испускается два потока частиц:

Отрицательные частицы катодных лучей были названы электронами. В дальнейшем частицы с тем же отношением заряда к массе были обнаружены во многих процессах. Электроны казались универсальными составляющими различных атомов, довольно легко отделяющимися при бомбардировке ионов и атомов.

Частички, несущие положительный заряд, представлялись осколками атомов после потери ими одного или нескольких электронов. На самом деле положительные лучи представляли собой группы атомов, лишенных отрицательных частиц, и вследствие этого имеющих положительный заряд.

Модель Томпсона

На основании опытов было выяснено, что положительные и отрицательные частички представляли суть атома, были его составляющими. Английский ученый Дж. Томсон предложил свою теорию. По его мнению, строение атома и атомного ядра представляли собой некую массу, в которой отрицательные заряды были втиснуты в положительно заряженный шар, как изюм в кекс. Компенсация зарядов делала «кекс» электрически нейтральным.

Модель Резерфорда

Молодой американский ученый Резерфорд, анализируя треки, оставшиеся после альфа-частиц, пришел к выводу, что модель Томпсона несовершенна. Некоторые альфа-частицы отклонялись на небольшие углы - в 5-10 o . В редких случаях альфа-частицы отклонялись на большие углы в 60-80 o , а в исключительных случаях углы были очень большими - 120-150 o . Модель атома Томпсона не могла объяснить такую разницу.

Резерфорд предлагает новую модель, объясняющую строение атома и атомного ядра. Физика процессов утверждает, что атом должен быть пуст на 99%, с крошечным ядром и вращающимися вокруг него электронами, которые движутся по орбитам.

Отклонения при ударах он объясняет тем, что частицы атома имеют собственные электрические заряды. Под воздействием бомбардирующих заряженных частиц атомные элементы ведут себя как обыкновенные заряженные тела в макромире: частицы с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а с противоположными - притягиваются.

Состояние атомов

В начале прошлого века, когда были запущены первые ускорители элементарных частиц, все теории, объяснявшие строение атомного ядра и самого атома, ждали экспериментальной проверки. К тому времени были уже досконально изучены взаимодействия альфа- и бета-лучей с атомами. Вплоть до 1917 года считалось, что атомы либо стабильны, либо радиоактивны. Стабильные атомы нельзя расщепить, распад радиоактивных ядер невозможно контролировать. Но Резерфорду удалось опровергнуть это мнение.

Первый протон

В 1911 году Э. Резерфорд выдвинул идею о том, что все ядра состоят из одинаковых элементов, основой для которых является атом водорода. На эту идею ученого натолкнул важный вывод предыдущих изучений строения вещества: массы всех химических элементов делятся без остатка на массу водорода. Новое предположение открывало невиданные возможности, позволяющие по-новому видеть строение атомного ядра. Ядерные реакции должны были подтвердить или опровергнуть новую гипотезу.

Опыты проводились в 1919 году с атомами азота. Бомбардируя их альфа-частицами, Резерфорд добился удивительного результата.

Атом N поглотил альфа-частицу, превратился после этого в атом кислорода О 17 и испустил ядро водорода. Это стало первым искусственным превращением атома одного элемента в другой. Подобный опыт вселял надежду на то, что строение атомного ядра, физика существующих процессов позволяют осуществлять и другие ядерные превращения.

Ученый использовал в своих опытах метод сцинтилляции - вспышки. По частоте вспышек он делал выводы о том, каким является состав и строение атомного ядра, о характеристиках рожденных частиц, об их атомной массе и порядковом номере. Неизвестная частица было названа Резерфордом протоном. Она имела все характеристики атома водорода, лишенного своего единственного электрона - одиночный положительный заряд и соответствующую массу. Таким образом было доказано, что протон и ядро водорода являются одними и теми же частицами.

В 1930 году, когда были построены и запущены первые большие ускорители, модель атома Резерфорда удалось проверить и доказать: каждый атом водорода состоит из одинокого электрона, положение которого невозможно определить, и рыхлого атома с одиноким положительным протоном внутри. Поскольку при бомбардировке из атома могут влетать протоны, электроны и альфа-частицы, ученые думали, что они и есть составляющие любого ядра атома. Но подобная модель атома ядра казалась неустойчивой - электроны были слишком велики для того, чтобы умещаться в ядре, кроме этого, существовали серьезные затруднения, связанные с нарушением закона количества движения и сохранения энергии. Эти два закона, как строгие бухгалтеры, говорили о том, что количество движения и масса при бомбардировке исчезают в неизвестном направлении. Поскольку эти законы являлись общепринятыми, следовало отыскать объяснения для подобной утечки.

Нейтроны

Ученые всего мира ставили эксперименты, направленные на открытие новых составляющих ядер атомов. В 1930-х годах немецкие физики Беккер и Боте бомбардировали атомы бериллия альфа-частицами. При этом было зарегистрировано неизвестное излучение, которое было решено назвать G-лучами. Подробные исследования рассказали о некоторых особенностях новых лучей: они могла распространяться строго по прямой, не взаимодействовали с электрическими и магнитными полями, обладали высокой проникающей способностью. Позднее частицы, образующие этот вид излучения, были найдены при взаимодействии альфа-частиц с другими элементами - бором, хромом и прочими.

Гипотеза Чедвика

Тогда Джеймс Чедвик, коллега и ученик Резерфорда, в журнале «Нэйчур» дал короткое сообщение, которое позднее стало общеизвестным. Чедвик обратил внимание на тот факт, что противоречия в законах сохранения легко разрешаемы, если допустить, что новое излучение является потоком нейтральных частиц, каждая из которых имеет массу, приблизительно равную массе протона. Рассматривая это предположение, физики существенно дополнили гипотезу, объясняющую строение атомного ядра. Кратко суть дополнений сводилась к новой частице и ее роли в строении атома.

Свойства нейтрона

Обнаруженной частице было дано имя «нейтрон». Новооткрытые частички не образовывали вокруг себя электромагнитных полей, легко проходили через вещество, не теряя при этом энергии. При редких столкновениях с легкими ядрами атомов нейтрон в состоянии выбить из атома ядро, теряя при этом значительную часть своей энергии. Строение атомного ядра предполагало наличие различного количества нейтронов в каждом веществе. Атомы с одинаковым зарядом ядра, но с различным количеством нейтронов получили название изотопов.

Нейтроны послужили отличной заменой альфа-частицам. В настоящее время именно их используют для того, чтобы изучить строение атомного ядра. Кратко их значение для науки описать невозможно, но именно благодаря бомбардировке нейтронами атомных ядер физики смогли получить изотопы практически всех известных элементов.

Состав ядра атома

В настоящее время строение атомного ядра представляет собой совокупность протонов и нейтронов, скрепленных между собой ядерными силами. Например, ядро гелия представляет собой комочек из двух нейтронов и двух протонов. Легкие элементы имеют практически равное число протонов и нейтронов, у тяжелых элементов количество нейтронов значительно больше.

Такая картина строения ядра подтверждается экспериментами на современных больших ускорителях с быстрыми протонами. Электрические силы отталкивания протонов уравновешиваются ядреными силами, которые действуют только в самом ядре. Хотя природа ядерных сил еще до конца не изучена, их существование является практически доказанным и полностью объясняет строение атомного ядра.

Связь массы и энергии

В 1932 камера Вильсона запечатлела удивительный фотоснимок, доказывающий существование положительных заряженных частиц, с массой электрона.

До этого положительные электроны были предсказаны теоретически П. Дираком. Реальный положительный электрон был обнаружен также в космическом излучении. Новую частичку назвали позитроном. При столкновении со своим двойником - электроном, происходит аннигиляция - взаимное уничтожение двух частиц. При этом освобождается определенное количество энергии.

Таким образом, теория, разработанная для макромира, полностью подходила для описания поведения мельчайших элементов вещества.

Модели строения ядра.

Как пpедставить ядpо? Это непpостой вопpос, и было пpедложено несколько моделей ядpа. Наиболее популяpными и используемыми к настоящему вpемени являются две модели: капельная и оболочечная.

Согласно капельной модели ядpо сpавнивается с каплей жидкости, т.к. между каплей жидкости и ядpом много общего. Главная общая чеpта заключается в том, что взаимодействие между молекулами жидкой капли, как и между нуклонами ядpа, обладает свойством насыщения: каждая молекула окpужена лишь вполне опpеделенным числом соседей. Силы взаимодействия между молекулами в капле коpоткодействующие. Объем капли pастет, как и у ядpа, пpопоpционально числу молекул. Сpавнение ядpа с каплей наводит еще на одну важную мысль: капля жидкости обладает повеpхностным натяжением. Есть основание считать, что и ядpо-капля обладает этим свойством. Повеpхностное натяжение стягивает каплю и делает ее шаpообpазной. Поэтому и ядpо, можно сказать, имеет шаpовую фоpму. Имеются и pазличия между каплей жидкости и ядpом атома. Ядpо заpяжено (пpотоны!), капля же обычно нейтpальна (хотя ее специально можно и заpядить). Главное же отличие в том, что капля - классическая система и в ней энеpгия - непpеpывная величина, а ядpо - типично квантовая система и его энеpгия имеет дискpетный спектp.

В оболочечной модели ядpо сpавнивается с атомом, котоpый имеет оболочечную стpуктуpу: центp атома, в котоpом сосpедоточено ядpо, окpужен слоями электpонной оболочки. На пеpвый взгляд кажется, что ядpо ничего общего не должно иметь с атомом, так как в ядpе нет никакого физически выделенного центpа, вокpуг котоpого могли бы pасполагаться слои из нуклонов. Однако нужно учесть квантовую стpуктуpу и ядpа, и атома. Ведь слои электpонной оболочки атома создаются благодаpя тому, что дискpетный энеpгетический спектp атомов таков: его энеpгетические уpовни pаспадаются на pяд сpавнительно близко лежащих гpупп, заполнение уpовней котоpых и составляет слои оболочек из электpонов. Оказалось, что спектpы энеpгии ядеp в этом отношении напоминают спектpы атомов: они также составляют гpуппы близко pасположенных уpовней. Потому постепенное заполнение нуклонами этих гpупп уpовней напоминает электpонные слои атомов. Так стpоится оболочечная модель ядеp.

Ядерные силы.

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов.

Ядерные силы – силы, действующие между ядерными частицами – нуклонами.

Свойства ядерных сил:

1. Это короткодействующие силы, действуют на расстояниях между нуклонами, порядка 10 −15 м, и резко убывают при увеличении расстояния; при расстояниях 1,4 ∙ 10 −15 м они уже практически равны 0.

2. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа , поэтому взаимодействие частиц в ядре часто называют сильными взаимо­действиями.

3. Ядерным силам свойственно насыщение, т.е. нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

4. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость. Это значит, что с одинаковой по модулю силой притягиваются друг к другу и заря­женные, и незаряженные частицы, т.е. сила притяжения F рр между двумя протонами равна силе притяжения F пп между двумя нейтронами и равна силе притяжения F рп между протоном и нейтроном.

5. Ядерные силы не являются центральными, т.е. они не направлены вдоль прямой, соединяющей центры этих зарядов.

6. Ядерные силы являются так называемыми обменными силами.

Напоминаю, что различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются мате­риальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10 -15 - 10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10 -13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10 -33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия - суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как экспериментальный материал, накопленный Вселенной.

Открытие нейтрона и протона.

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели ядра, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д. В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.

Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц.

Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны. По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона , по современным измерениям, равна m p = 1,67262·10–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной 1/12 массы атома углерода с массовым числом 12:

Следовательно, m p = 1,007276 · а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc 2 . Так как 1 эВ = 1,60218·10 –19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ. Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов. После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, то есть при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд. В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон .

Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, то есть области размером R ≈ 10 –13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу.

Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы. Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон.

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10 –20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость.

Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ. Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 2 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать.

Действие камеры Вильсона , созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы.

Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика. Нейтрон – это элементарная частица. Ее не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд. По современным измерениям, масса нейтрона m n = 1,67493·10–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона. Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.

Г. Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов.

Масса протона, как и масса нейтрона, приблизительно в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны находятся в ядре, поэтому масса атома почти равна массе ядра. Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома. Массовое число атома (A) = Число протонов (Z) + Число нейтронов (N) A=Z+N

Протоны и нейтроны, входящие в состав любого ядра, не являются неделимыми элементарными частицами, а состоят из кварков.

Кварки, в свою очередь, взаимодействуют друг с другом, непрерывно обмениваясь глюонами - переносчиками истинно сильного взаимодействия (оно в тысячи раз сильнее того, которое действует между протонами и нейтронами в ядре). В результате протоны и нейтроны оказываются очень сильно связанными системами, которые невозможно разбить на составные части.

Энергия связи нуклонов в ядре, дефект массы.

Устойчивость атомного ядра характеризуется энергией связи (Е св.).

Точнейшие измерения показывают, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя со­ставляющих ее протонов и нейтронов: М я < Zm p + Nm n .

Дефект масс - величина, на которую уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммой масс покоя нуклонов и массой ядра М я: ∆М= - М я, где m p , m n - массы протона и нейтрона, соответственно.

Энергия связи – минимальная энергия, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны или энергия, выделяющаяся при слиянии свободных нуклонов в ядро. Расчетная формула энергии связи:

Е св =∆mc 2 = c 2 , где с=3·10 8 м/с – скорость света в вакууме.

Если в этой формуле массы протона, нейтрона и ядра выражены в килограммах, а скорость света - в метрах в секунду, то энергия связи Е св будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектрон-вольтах (МэВ): 1 МэВ = 1,6·10 - 13 Дж.

Решая соответствующие задачи, можно получить энергию связи в джоулях, а затем, если требуется, перевести ее в мегаэлектрон-вольты, разделив полученное число джоулей на 1,6·10 - 13 . Но гораздо проще получить значение энергии связи в мегаэлектрон-вольтах, если оставить массы протона, нейтрона и ядра выраженными в атомных единицах массы и умножить дефект массы ∆М не на с 2 , а на число 931 . Одной атомной единице массы соответствует энергия связи 931 МэВ. Е св =931· ∆М или Е св =931(Zm p + Nm n - М я) МэВ

Энергия связи переходит в энергию излучаемых при ядерных превращениях γ-квантов, которая равна как раз Е св , а масса которых: ∆М = Е /с 2 .

Если в результате реакции Е=∆Мc 2 > 0, то энергия выделяется, если Е=∆М c 2 < 0 - поглощается.

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи ε св.

Удельная энергия связи - энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, равна отношению энергии связи Е св к массовому числу ядра атома А: ε св =Е св /А, Удельная энергия связи определяется экспериментально.

Ядерные реакции - процессы, происходящие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав ис­ходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.

При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки делится на два ядра разных атомов. При реакциях синтеза происходит превращение легких ядер в более тяжелые.

ВНИМАНИЕ: Разница между химическими и ядерными реакциями состоит в том, что в химических реакциях общее число атомов каждого определенного элемента, а также атомы, составляющие определенные вещества, остаются неизменными. В ядерных реакциях изменяются и атомы, и элементы.

Изотопы.

Изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов Z и различное число нейтронов n. Изотопы занимают одно и то же место в периодической системе элементов, откуда и произошло их название. По своим ядерным свойствам изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (и почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемента опреде­ляются зарядом ядра, поскольку именно он вли­яет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1 Н - протий, 2 Н - дейтерий, 3 Н - тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и химические свойства различны. Дейтерий стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1: 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кис­лородом образуется тяжелая вода. Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2°С и замерзает при 3,8°С. Тритий β-радиоактивен с пе­риодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы. В атомной индустрии все воз­растающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы.