2. Состав и строение атомного ядра. Ядерные силы
Изучение состава атомного ядра началось только в начале \(XX\) столетия после появления модели атома Бора. В \(1919\) году Резерфордом была создана модель ядра, которое мало по размерам (в сравнении с размером атома) и имеет положительный заряд. В \(1932\) году был открыт нейтрон и выдвинута гипотеза о протон-нейтронном строении ядра (модель Гейзенберга — Иваненко).
Ядро характеризуется массовым и зарядовым числами. На начало \(XX\) века существование устойчивых ядер не могло быть объяснено, поскольку было известно лишь о кулоновском и гравитационном взаимодействии. Была выдвинута гипотеза о существовании так называемых ядерных сил, которые действуют на расстояниях порядка \(10^\) м и значительно больше кулоновских сил. Соответственно, появился вопрос о природе этих сил.
В \(1935\) году японский физик Юкава доказал, что природа ядерных сил может быть описана процессом обмена какими-то частицами между нуклонами. Эти частицы назвали пи-мезонами (или пионами). В \(1947\) году их обнаружили экспериментально, и было доказано, что масса заряженного пи-мезона \(274 m_e\), в то время как масса нейтрального — \(264 m_e\).
Экспериментально было доказано, что масса ядра меньше суммы масс входящих в него нуклонов. Разница была названа дефектом массы.
2. Строение атома
Атом — это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронной оболочки.
В состав ядра входят нуклоны, или ядерные частицы. Это протоны и нейтроны. Электронная оболочка образована электронами. Протоны, нейтроны и электроны называют элементарными частицами атома.
Нуклоны в ядре удерживаются ядерным взаимодействием, энергия которого намного больше энергии химической связи. Поэтому в химических реакциях ядра не разрушаются.
Протон (\(p\)) — это частица с относительным зарядом \(+1\) и относительной массой \(1\).
Нейтрон (\(n\)) не имеет заряда, а его относительная масса тоже равна \(1\).
Электрон ( e − ) имеет заряд \(-1\), а его масса в \(1837\) раз меньше массы протона и нейтрона.
Строение атома можно охарактеризовать по положению химического элемента в периодической системе.
Порядковый номер элемента равен заряду ядра, числу протонов в ядре и числу электронов в его электронной оболочке.
Учитывая, что масса атома в основном сосредоточена в ядре и масса каждого нуклона равна \(1\), можно определить число нейтронов. Для этого от массового числа нужно отнять число протонов (порядковый номер).
порядковый номер радия Ra \(88\), относительная атомная масса равна \(226\). Значит, в атоме содержится \(88\) протонов и \(88\) электронов, а число нейтронов равно \(226 — 88 = 138\).
Число нейтронов в атомах одного элемента непостоянно. Поэтому атомы одного химического элемента могут различаться своими массами и существуют в виде разных нуклидов (изотопов).
Изотопы (нуклиды) — разновидности атомов с одинаковым зарядом ядра, но разными массами.
Изотопы с одинаковым зарядом ядра составляют химический элемент. Их обозначают, указывая справа вверху от символа элемента массовое число. Справа внизу часто записывают также протонное число (порядковый номер): O 8 16 , O 8 17 .
Большинство химических элементов в природе представлено несколькими разновидностями атомов. Всего их известно более \(2500\).
водород в природе представлен тремя изотопами. Ядро самого лёгкого изотопа (протия) состоит только из одного протона. В ядре дейтерия один протон и один нейтрон, а в ядре трития один протон и два нейтрона.
Рис. \(1\). Изотопы водорода
Указанная в периодической системе относительная атомная масса — это средняя масса всех существующих в природе изотопов данного элемента. Когда мы её округляем до целых, то получаем массу самого распространённого изотопа.
1. Состав атомного ядра. Число протонов
Предложенная Э. Резерфордом в \(1911\) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:
- атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
- более \(99,96\) % массы атома сосредоточено в его ядре;
- диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.
Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:
Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов . Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).
Протон (\(p\)) — частица, имеющая заряд \(+1\) и относительную массу, равную \(1\).
Нейтрон (\(n\)) — частица без заряда с относительной массой \(1\).
К элементарным частицам относятся также электроны ( е _ ), которые образуют электронную оболочку атома.
Рис. \(1\). Строение атома
Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 1 1840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.
Протон имеет положительный заряд \(+1\). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: \(–\)\(1\).
Как атомное ядро устроено в физике
В 1911 году британский физик Э. Резерфорд заявил об открытии, перевернувшее представления о химии не только общества философов, перед которым выступал ученый, но и всего научного мира. В докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» Резерфорд говорил об:
«…атоме, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».
Открытие атомного ядра послужило началом для ядерной физики, изучающей свойства атомных ядер химических элементов. Современное определение атомного ядра звучит так:
- протонов p;
- нейтронов n.
Наука воспринимает атомное ядро как физический объект с характерными для него свойствами. Теоретическое описание модели атомного ядра практически не представляется возможным из-за малого размера частиц, составляющих атом. Из-за этого появляется множество представлений о строении атомного ядра, некоторые из которых могут взаимоисключать, противоречить или дополнять друг друга.
Теории строения атомного ядра:
Предложена Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапоном в 1932 году, дополнена М. Гепперт-Майер и Х. Йенесоном в 1949 году.
Модель ядра представляет собой систему протонов и нейтронов, которые движутся в усредненном поле независимо друг от друга из-за силовых воздействий от других нуклонов.
Отрицательные частицы заполняют электронные оболочки до предела, а дальше электроны продолжают присоединяться со значительным понижением энергии связи.
Теория является неполной из-за невозможности объяснения деформированных ядер.
Предложена Н. Бором в 1936 году.
Согласно данной теории, ядро по форме представляет собой сферическую равномерно заряженную каплю, которая напоминает жидкость. Она обладает несжимаемостью, насыщением ядерных сил, испарением нуклонов.
Теория является макроскопической, не объясняя свойств и строение ядра на микроскопическом уровне.
- Кластерная или модель нуклонных ассоциаций.
Появление относится ко второй половине 30-х годов прошлого века.
Согласно теории, ядро представляет собой α-частичные кластера.
Теория подходит для описания некоторых легких ядер, но не пригодна для более сложных систем.
В 1936 году и в 1937 году была параллельно открыта Я. Френкелем и Л. Ландау.
Рассматривает модель атома с точки зрения уровней разного порядка, средние и тяжелые ядра на которых возбуждаются при высокой энергии, но расстояние между ними остается маленьким.
Открытие относится к 1952 году, когда О. Бор и Б. Моттельсон разработали свою систему на основе теории капельной модели строения атомного ядра.
По теории ядро образуется нуклонами заполненных электронных оболочек и окружается внешними нуклонами.
Также предложена в 1952 году О. Бором и Б. Моттельсоном. Объясняла некоторые особенности поведения ядер тем, что нуклоны, образующие ядро, могут деформироваться и становиться вытянутыми или сплюснутыми.
Предложена в 1958 году О. Бором и Дж. Валатином.
Согласно теории, спаривание нуклонов приводит к сверхтекучести ядерного вещества. Причина спаривания — взаимодействие частиц, которые движутся по индивидуальным орбитам.
Описывала причину сочетания вращения всего ядра с движением отдельных нуклонов. Согласно этой модели, ядро атома должно быть несферическим.
Ядро — полупрозрачная сфера, которая обладает определенным коэффициентом преломления и поглощения, а частица, попадающая в такую среду, испытывает все характерные для полупрозрачной оптической среды виды взаимодействия.
Ядро воспринимается как жидкая капля. Используется для объяснения спектра коллективных возбуждений сферических ядер.
Ядерно-физические характеристики
Важным понятием для определения ядерно-физических характеристик является понятие нуклида.
Нуклид — атом, который определяется четко установленным массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием. Нуклид имеет определенное время жизни, которое является достаточным для наблюдений и опытов.
К ядерно-физическим характеристикам относятся понятия:
- заряда;
- массы;
- радиуса;
- моментов ядра;
- энергия связи.
Заряд Z атомного ядра определяется числом протонов, так же, как и порядковый номер химического элемента. Впервые заряд ядра в 1913 году определил английский физик Г. Мозли, сделавший вывод, что найденная в его опытах константа атома не может быть ничем другим, кроме как зарядом атомного ядра.
Изотопы химических элементов имеют разную массу M из-за разницы в числе нейтронов A — Z. Ядерная физика измеряет массу ядер в а.е.м. — атомных единицах массы, которая рассчитывается как 1/12 массы 12С.
Для определения массы ядра необходимо из общей массы M вычесть все электроны.
Энергетический эквивалент массы вычисляется согласно соотношению Эйнштейна по формуле:
где cc — скорость света в вакууме.
Радиус ядра вычисляется соотношением:
— массы свободного протона и нейтрона