Ядерные реакции

20 Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома Ядерные реакции.

В 1911 году Эрнест Резерфорд совместно со своими сотрудниками провел ряд опытов по исследованию состава и строения атома. Для этого они использовали свинцовый сосуд с радиоактивным веществом, излучающим α-частицы. Для обнаружения α-частиц служит стеклянный экран, покрытый тонким слоем специального вещества, благодаря чему в местах попадания в экран α-частиц возникают вспышки, которые наблюдаются с помощью микроскопа. Такой метод регистрации частиц называется методом сцинтилляций. Вся эта установка помещается в сосуд, из которого откачан воздух (чтобы устранить рассеяние α-частиц за счет их столкновений с молекулами воздуха). Если на пути α-частиц нет препятствий, то они падают на экран узким, слегка расширяющимся пучком. При этом возникающие на экране вспышки сливаются в одно небольшое пятно. Если же на пути α-частиц поместить тонкую фольгу из исследуемого металла, то при взаимодействии с веществом α-частицы рассеиваются по всем направлениям на разные углы. Когда экран расположен напротив фольги, наибольшее количество вспышек расположено в центре экрана. При удалении от центра экрана количество вспышек становится все меньше и меньше. Следовательно, с увеличением угла рассеяния количество рассеянных на эти углы частиц резко уменьшается. Перемещая экран вместе с микроскопом вокруг фольги, можно обнаружить, что некоторое число частиц рассеялось на углы, близкие к 90°, а некоторые единичные частицы - на углы порядка 180°. Проанализировав результаты опытов, Резерфорд пришел к выводу, что столь сильное отклонение α-частиц возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильно электрическое поле. Было рассчитано, что такое поле могло быть создано зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме (по сравнению с объемом атома). Поскольку масса электрона примерно в 8000 меньше атома α-частицы, электроны, входящие в состав атома, не могли существенным образом изменить направления α-частиц. Поэтому в данном случае речь может идти только о силах электрического отталкивания между α-частицами и положительно заряженной частью атома. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее очень малый объем атома. Вокруг ядра движутся электроны, а сам атом электрически нейтрален, поскольку заряд ядра равен модулю суммарного заряда электронов.

Ядерные реакции

α-распад

Реакция α-распада в общем виде выглядит так: MZX→M−4Z−2Y+(42He) , где 42He - α-частица, M - массовое число, а Z - зарядовое число. Массовое число ядра атома данного химического элемента с точностью до целых чисел равно числу атомных единиц массы, содержащихся в массе этого ядра (1 атомная единица массы (1 а.е.м.) равна 1/12 части массы атома углерода). Зарядовое число ядра атома данного химического элемента равно числу элементарных электрических зарядов, содержащихся в заряде этого ядра. Массовое и зарядовое числа всегда положительные. Из общей записи реакции α-распада видно, что в процессе радиоактивного распада сохраняются законы сохранения массового числа и заряда . Таким образом, из открытия Резерфорда и Содди следует, что ядра атомов имеют сложный состав. Кроме того, выяснилось, что 'радиоактивность - это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц '.

β-распад

Реакция β-распада в общем виде: MZX→MZ+1Y+(0−1e) , где 0−1e - β-частица (электрон), M - массовое число, а Z - зарядовое число.

Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома

Первую модель строения атома предложил Джозеф Джон Томсон, после того как он открыл электрон — частицу с наименьшим электрическим зарядом. Он представлял атом в виде шара из положительно заряженного вещества, в который вкраплены электроны. При этом положительный заряд шара равен суммарному заряду электронов. Модель атома Томсона называют «пудингом с изюмом». Используя эту модель, можно было объяснить электрическую проводимость веществ, явление электризации тел и др.

Проводя опыты по изучению строения вещества, Резерфорд показал несостоятельность модели Томсона. Резерфорд облучал тонкую металлическую фольгу α-частицами, имеющими большую энергию. В соответствии с моделью Томсона а-частицы должны были отражаться от атома. Однако очень небольшое число частиц рассеивалось на углы от 90° до 180°. Большинство частиц проходило через фольгу, отклоняясь от направления движения на незначительные углы.

В результате экспериментов Резерфорд предложил новую модель строения атома, названную планетарной моделью. Он сделал следующие выводы:

· в атоме существует положительно заряженная частица, названная ядром атома, которая отталкивает α-частицы;

· размеры ядра малы по сравнению с размерами атома, поскольку отталкивается очень небольшое число α-частиц, а большинство α-частиц свободно проходит через фольгу; ядро имеет диаметр порядка 10^–14— 10^–15 м.

· масса ядра сравнима с массой β-частицы, поскольку масса электронов в 8000 раз меньше массы а-частицы и электроны не смогли бы изменить направление её движения.

Таким образом, в соответствии с моделью атома Резерфорда в центре атома расположено положительное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Поскольку масса электронов мала, то масса атома в основном сосредоточена в ядре.

Так как атом в целом нейтрален, то положительный заряд ядра должен быть равен суммарному заряду электронов. Число электронов в нейтральном атоме равно порядковому номеру Z элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Заряд атомного ядра qR равен произведению Z и заряда

электрона е: q_R= Z • е.