Строение атомного ядра

Строение атомного ядра

Атом состоит из ядра и электронной оболочки. В состав ядра входят нуклоны двух видов – это протоны и нейтроны. В 1919 году Резерфорд, изучая физику атомного ядра, первым в истории человечества осуществил искусственное превращение ядер, что и послужило толчком для новых открытий. Он предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия, потому что ядро очень устойчиво, и на него не оказывают влияния высокие температуры, давление, а так же электромагнитные поля. Резерфорд также смог экспериментально убедиться в том, что температура, давление и электромагнитное поле не влияют на скорость радиоактивного распада ядра, носителями которой в то время считали α -частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде. Опыт Резерфорда заключался в следующем. Атом азота бомбардировался α-частицами большой энергии, испускаемыми радием. В результате было обнаружено появление протонов — ядер атома водорода. Регистрация протонов проводилась методом сцинтилляций. Полученные результаты необходимо было подтвердить. Сделать это удалось спустя несколько лет, наблюдая превращение азота в камере Вильсона. Тогда ученые сделали вывод о преобразовании ядра азота: ₁₄ ⁷ N (N 14 -7) в ядро изотопа кислорода 17 - 8 (₁₇ ⁸O) и при этом происходит испускание протона – атома водорода ¹ ₁H. Для осуществления этого преобразования одна α -частица из каждых 50 000 α-частиц, испущенных радиоактивным препаратом в камере Вильсона, захватывается ядром азота. На фотографии данного процесса видно разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру кислорода, а тонкий — протону. Треки остальных α-частиц прямолинейны, так они не сталкиваются с ядрами азота. Похожие опыты по преобразованию ядер одного элемента в ядра другого под влиянием α-частиц были удачно проведены с ядрами фтора, натрия, алюминия и других элементов. Во всех случаях происходило также и испускание протонов. Проблемы возникли лишь с ядрами тяжелых элементов, которые находятся в конце периодической системы. Они не испытывали превращений, потому что α-частица не могла вплотную приблизиться к ядру, т.к. оно имеет большой электрический положительный заряд.
В 1932 году ученик Резерфорда английский физик Джеймс Чедвик открыл нейтрон. Он бомбардировал бериллий α-частицами. При этом протоны не появлялись, но обнаружилось сильно проникающее излучение, способное преодолеть свинцовую пластину толщиной 10-20 см. Чедвик предположил, что это γ-лучи большой энергии. Работой в этом же направлении занимались и французские ученые супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри. Они в 1934 году открыли искусственную радиоактивность. Результаты их экспериментов по исследованию излучения бериллия под действием α-частиц имели большое значение для открытия нейтронов. На этом изучение ядра атома не закончилось, а лишь разгоралось с большей силой. В 1939 г Жолио-Кюри со своими коллегами доказал возможность цепной ядерной реакции с освобождением энергии, определил среднее число нейтронов, вылетающих при делении ядра атома урана. Продолжая свои эксперименты супруги Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения, образующегося при бомбардировке бериллия α-частицами, поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения быстро возрастает, потому что излучение выбивает из парафиновой пластины протоны, которых много в данном водородсодержащем веществе. Протоны были обнаружены с помощью камеры Вильсона, а по длине пробега оценена их энергия. По их мнению, протоны, ускорялись в результате столкновения с γ-квантами, имеющими огромную энергию — около 55 МэВ (мегаэлектронвольт).
1 мегаэлектронвольт (МэВ) — 1 миллион электронвольт. Если сравним с температурой 1 эВ примерно 11 604⁰С Чедвик же, наблюдая в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением, утверждал, что энергия γ-квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, должна составлять 90 МэВ, а для ядер аргона энергия этих гипотетических γ-квантов должна составлять 150 МэВ. Результаты этих опытов свидетельствовали о том, что ядра в результате столкновения с безмассовыми частицами приходят в движение, причем одни и те же γ-кванты будут обладать различной энергией. Это привело ученых в заблуждение, так как получалось что предположение об излучении безмассовых частиц γ -квантов бериллием неверно, т. е. из бериллия под действием α-частиц вылетают какие-то другие достаточно тяжелые частицы, которые при столкновении с протонами или ядрами азота и аргона могли получить большую энергию. Кроме того, эти частицы, обладая большой проникающей способностью, не ионизировали газ, а были электрически нейтральными, так как заряженная частица в результате взаимодействия с веществом быстро теряет свою энергию.
Данная частица была названа нейтроном. Массу нейтронов определили по энергии и импульсу ядер, сталкивающихся с ними. Она оказалась чуть больше массы протона — 1838,6 электронной массы вместо 1836,1 для протона. Масса нейтрона превосходит массу протона на 1, 94 МэВ, то есть больше чем на 2,5 массы или, проще говоря, в 1840 раз больше электрона. Поэтому говорят, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. В результате попадания α-частиц в ядра бериллия происходит реакция превращения бериллия в углерод с выделением нейтрона. Нейтрон — нестабильная элементарная частица, не имеет электрического заряда. ₁ ⁰ n (N один ноль) — символ нейтрона; заряд равен нулю, а относительная масса —единице. Свободный нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино — безмассовую нейтральную частицу приблизительно за 15 мин. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы или в 1840 раз. Исследования нейтрона. Шапиро и Эстулин в 1955 году проводя прямые измерения заряда нейтрона по отклонению пучка тепловых нейтронов в электростатическом поле, определили, что заряд нейтрона меньше 6 умножить на 10 в минус 12 степени заряда электрона е. Проверив результаты измерений в лучших условиях коллимации пучка путем отражения от зеркал они получили: заряд равен сумме или разности минус одной целой девяти десятых и трех целых, семи десятых умноженной на 10 в минус 18 степени заряда электрона, т.е. заряд у нейтрона не обнаружен.
Наблюдать распад нейтронов при прохождении их через вещество весьма трудно. Однако его можно наблюдать в вакууме, для этого необходимо пользоваться интенсивными пучками медленных нейтронов.
Определить период полураспада нейтрона удалось в 1950 году. По данным Робсона он оказался 9-25 мин. В последующих работах Робсона дано уточненное значение периода 12,8 ± 2,5 мин.

В 1967 году Христенсен и другие ученые провели новые измерения периода полураспада нейтрона, и получили, что период полураспада равен: 650 плюс минус 10 секунд. Среднее время жизни τ (тау) связано с периодом полураспада соотношением: Период полураспада равен произведению времени жизни нейтрона тау на натуральный логарифм двух, подсчитав натуральный логарифм двух, получаем период полураспада равен 0, 69 умножить на время жизни. Таким образом, среднее время жизни τ (тау) равно 940 плюс минус 15 секунд.

Сейчас нейтроны очень широко используются. В ядерных реакторах при делении тяжелых ядер урана, под действием нейтронов, выделяется очень большая энергия. Однако этот процесс необходимо контролировать, так как количество энергии может быть настолько велико, что приведет к взрыву. Поэтому на атомных электростанциях применяют замедлители этого процесса.

Возникает вопрос зачем же использовать нейтроны и радиоактивный уран. Ответ прост. Использование урана – помогает сэкономить топливные ресурсы земли, хотя при этом нужны и дополнительные затраты на обеспечение безопасности.
В современном мире ученые стараются найти новое применение элементарным частицам – электронам, нейтронам и протонам. Это коллайдеры, реакторы на быстрых нейтронах.

Сразу же после того, как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий ученый Вернер Карл Гейзенберг в 1932 г. предложили протонно-нейтронную модель ядра. Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является общепризнанной.
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Очень часто протоны и нейтроны называют общим названием нуклон.
Так как в целом атом электрически нейтрален, а заряд протона равен модулю заряда электрона, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке. Следовательно, число протонов в ядре равно порядковому номеру этого элемента в периодической системе элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Если количество протонов в ядре атома больше или меньше числа электронов, то это положительный или отрицательный ион.
Количество нейтронов в ядре атома обозначают буквой (эн) N.
Количество положительно заряженных частиц протонов обозначают (зет) Z.
Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре (нуклонов) называют массовым числом и обозначают буквой А:
А = Z + N

Любой химический элемент обозначают теперь так _A ^Z X, например,

₁₆ ⁸ О - это ядро атома кислорода, содержит 8 нейтронов, 16 нуклонов и 8 нейтронов.
Массы протона и нейтрона близки друг к другу (численно это значение соответствует 1,67*10^-27 кг) и каждая из них примерно равна атомной единице массы.
Если говорить о массе электрона, то она численно равна 9,1*10^-31 кг. Сравнивая числовые значения масс, стоит отметить, что масса электронов в атоме много меньше массы его ядра. Наряду с термином «ядро атома» используется также термин нуклид. Нуклиды с одинаковыми зарядовыми числами, но различными числами нейтронов, называются изотопами, так как соответствуют одному и тому же химическому элементу, т. е. одному и тому же месту в таблице Менделеева. Изотопы имеют разные массовые числа А, т. е. разное количество нейтронов N (эн). Так как ядро любого химического элемента достаточно устойчиво, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень большими.
Что это за силы? Между ядерными частицами — протонами и нейтронами (их называют нуклонами) — действуют особые силы, называемые ядерными силами.
Свойства ядерных сил:
1. Ядерные силы - это силы притяжения, так как они удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют характер отталкивания).
2. Ядерные силы – это не электрические силы, так как они действуют не только между протонами, но и между не имеющими зарядов нейтронами, и не гравитационные, которые слишком малы для объяснения ядерных эффектов.
3. Область действия ядерных сил, ничтожно мала. Радиус их действия 10^-13см. При больших расстояниях между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.
4. Ядерные силы (в той области, где они действуют) очень интенсивные. Их интенсивность значительно больше интенсивности электромагнитных сил, так как ядерные силы удерживают внутри ядра, одноимённо заряженные протоны, отталкивающиеся друг от друга с огромными электрическими силами.
5. Изучение степени связанности нуклонов в разных ядрах показывают, что ядерные силы обладают свойством насыщения, аналогичным валентности химических сил. В соответствии с этим свойством ядерных сил один и тот же нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами ядра. А только с несколькими соседними.
6. Важнейшим свойством ядерных сил является их зарядовая независимость, то есть тождественность трёх типов ядерного взаимодействия: между двумя протонами, между протоном и нейтроном и между двумя нейтронами.

Несмотря на то, что в последнее время наука шагнула далеко вперед, механизм возникновения ядерных сил до сих пор окончательно не выяснен, хотя их свойства хорошо изучены экспериментально и находят практическое применение.

Домашнее задание

1. Прочитать предложенный текст.

2. Из каких частиц состоит атомное ядро?

3. Определите количество нуклонов, протонов и нейтронов в атомах азота, железа, золота.

4. Система элементарных частиц содержит 15 электронов, 15 протонов и 16 нейтронов. Что это за система?

5. Система элементарных частиц содержит 37 электронов, 38 протонов и 50 нейтронов. Что это за система?

6. Система элементарных частиц содержит 36 электронов, 35 протонов и 45 нейтронов. Что это за система?