§ 36. Строение атомного ядра. Ядерные силы

В начале 20-го века стало ясно, что ядро атома так же, как и сам атом, состоит из более мелких частиц. Раздел физики, изучающий строение атомных ядер, процессы их превращения и механизмы ядерных реакций, называют ядерной физикой. Одной из основных характеристик атомного ядра является его электрический заряд. Ядро имеет положительный заряд q, величина которого равна произведению элементарного заряда e на порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева: q = e×Z. Число Z, определяющее заряд атома, называют зарядовым числом.

Положительно заряженная частица, входящая в состав атомных ядер, была обнаружена Томсоном в 1907 г., а потом подробно изучена Резерфордом в 1919 г. Установка Резерфорда (рис. 36) состояла из свинцового контейнера К с источником α-частиц И. Отверстие О в контейнера было закрыто металлической фольгой Ф, через которую α-частицы проникать не могли и экраном Э, покрытым кристаллами сернистого цинка, свечение которых наблюдали с помощью микроскопа М. При заполнении контейнера азотом и другими газообразными веществами на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление каких-то частиц, способных проникать через фольгу, полностью задерживающую поток α-частиц. Частицы, образующиеся при столкновении α-частиц с атомами газа, были названы протонами и обозначаются буквой p. Измерения показали, что положительный заряд протона равен элементарному заряду, а его масса m_p = 1 а.е.м.

В состав атомных ядер могут входить не только заряженные протоны, но их электронейтральные двойники, называемые нейтронами и обозначаемыми буквой n Нейтроны были открыты английским физиком Дж. Чэдвиком в 1932 г. при изучении свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. Это излучение состояло из потока нейтронов и легко проходило через слой свинца с толщиной 10-20 см. Измерения показали, что масса нейтрона m_n = 1,0087 а.е.м. Высокую проникающую способность нейтронов объясняют их электронейтральностью.

После открытия нейтрона советский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель атомного ядра, согласно которой оно состоит из частиц двух видов – протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Общее число нуклонов в ядре равно его массовому числу А, для которого справедливо следующее соотношение:

A = Z + N,                                                      (36.1)

где Z - число протонов в ядре, равное его зарядовому числу, а N – число нейтронов в ядре. Ядра химических элементов обозначают символом , где X – химический символ элемента. Например, - ядро водорода, - ядро углерода, а  - ядро кислорода.

Все свойства химического элемента определяются зарядом его ядра, т.е. числом протонов в нём. Однако ядра одного и того же химического элемента могут содержать разное число нейтронов. Разновидности химического элемента, отличающиеся только числом нейтронов, называют изотопами. У большинства элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода три изотопа: - обычный водород, - дейтерий и - тритий. В естественных условиях химические элементы представляют собой смесь изотопов. Поэтому относительная атомная масса элемента, зависящая от процентного содержания изотопов в природе, всегда отличается от целых чисел.

Чтобы атомные ядра были стабильными, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра силами, превышающими кулоновские силы отталкивания протонов. Гравитационные силы относительно слабы и поэтому не могут удержать протоны в ядре. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называют ядерными. Ядерные силы действуют только на расстояниях, сравнимых с размером ядра (10^-14 – 10^-15 м), где они в десятки раз больше кулоновских. На бóльших расстояниях действием ядерных сил можно пренебречь.

Вопросы для повторения:

·        Что называют нуклонами и массовым числом?

·        Дайте определение изотопов.

·        Что называют ядерными силами?

 

 

Рис. 36. Схема установки, с помощью которой были обнаружены протоны, p.