Состав атомного ядра — в помощь студенту

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.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

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:

  1. Катодные лучи, которые образовывались вблизи электродов, соединенных с отрицательным концом батареи. Катодные лучи проходили через трубку и смогли проскочить через отверстие в положительном электроде, как поток заряженных частиц. Наблюдение показали, что отношения заряда такой частицы к ее массе всегда одинаково и не зависит от вида газа.
  2. Положительные лучи. Второй поток частиц идет в противоположном направлении и может проходить в отверстие в отрицательном электроде. Отклонения в полях доказывают, что они имеют высокие скорости и различные значения отношения заряда к массе.Состав атомного ядра - в помощь студенту

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.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Древняя месопотамия - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

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.

Состав атомного ядра - в помощь студенту

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 5-10o. В редких случаях альфа-частицы отклонялись на большие углы в 60-80o, а в исключительных случаях углы были очень большими — 120-150o.

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.

Состав атомного ядра - в помощь студенту

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 О17 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.

Состав атомного ядра - в помощь студенту

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.

Состав атомного ядра - в помощь студенту

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.

Состав атомного ядра - в помощь студентуТакая 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.

Состав атомного ядра - в помощь студентуДо 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.

Источник: https://www.syl.ru/article/203714/new_sostav-i-stroenie-atomnogo-yadra-kratko

Состав ядра атома. Ядерные силы. Дефект массы и энергия связи ядра атома. Ядерные реакции. Ядерная энергетика

Состав атомного ядра - в помощь студентуСостав ядра атома

В 1932г. после открытия  протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) предложили  протонно-нейтронную модель атомного ядра.


Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A:  A = Z + N.

 Ядра химических элементов обозначают символом :
  X  – химический символ элемента.

Например,  – водород,  – кислород,  – уран.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом и называют зарядовым числом (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N.

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. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными.

Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия.

Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.

Ядерные силы обладают следующими свойствами:

  • обладают силами притяжения;
  • является силами короткодействующими (проявляются на малых расстояниях между нуклонами);
  • ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.

Дефект массы и энергия связи ядра атома

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра.

Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью.

Эти измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:  Состав атомного ядра - в помощь студенту

Разность масс Состав атомного ядра - в помощь студенту называется дефектом масс. По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = mc2 можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра Eсв:  Состав атомного ядра - в помощь студенту

Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.

Ядерная энергетика

В нашей стране была построена первая в мире атомная электростанция и запущена в 1954 году в СССР, в городе Обнинске. Развивается строительство мощных атомных электростанций. В настоящее время в России 10 действующих АЭС. После аварии на Чернобыльской АЭС приняты дополнительные меры по безопасности атомных реакторов.

Преимущества АЭС:

  • практическая независимость от источников топлива из-за небольшого объёма используемого топлива;
  • экологическая чистота при правильной эксплуатации.

Проблемы ядерной энергетики:

  • тяжелые последствия аварий;
  • радиоактивные отходы;
  • тепловое загрязнение;
  • содействие распространению ядерного оружия.
    Состав атомного ядра - в помощь студентуСхема работы атомной электростанции на двухконтурном водо-водяном энергетическом реакторе (ВВЭР)

    Состав атомного ядра - в помощь студентуатомная электроэнергетика

Источник: http://kaplio.ru/sostav-yadra-atoma-yadernye-sily-defekt-massy-i-energiya-svyazi-yadra-atoma-yadernye-reaktsii-yadernaya-energetika/

Состав и характеристика атомного ядра

Ядро простейшего атома — атома водорода — состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц — протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

  • Протон. Протоно ( p ) обладает зарядом +e и массой
  • Mp= 938,28 МэВ
  • Для сравнения укажем, что масса электрона равна
  • me= 0,511 МэВ
  • Из сопоставления и следует, что mp= 1836 me
  • Протон имеет спин, равный половине (s = ), и собственный магнитный момент

Состав атомного ядра - в помощь студенту

Где

Состав атомного ядра - в помощь студенту

— единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μя в 1836 раз меньше магнетона Бора μб. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон. Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физи­ком

Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса

Mn = 939,57 МэВ

Очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона (mn – mp)

Составляет 1,3 МэВ, т. е. 2,5 me.

Нейтрон обладает спином, равным половине (s = ) и (не­смотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

μn = — 1,91 μя

(знак минус указывает на то, что направления собственных механи­ческого и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.

Отметим, что отношение экспериментальных значений μp и μn с большой степенью точности равно — 3/2 . Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e-) и еще одну частицу, называемую антинейтрино . Период полураспада (т. е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схе­му распада можно написать следующим образом:

Состав атомного ядра - в помощь студенту

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы прото­на на 2,5me. Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения на 1,5me, т. е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра. Одной из важнейших характерис­тик атомного ядра является зарядовое число Z. Оно равно коли­честву протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Ze. Число Z определяет порядковый номер химичес­кого элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его так­же называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A – Z.

Для обозначения ядер применяется символ

Где под X подразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента

  1. Ядра с одинаковым Z, но разными А называются Изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных
  2. изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:

Состав атомного ядра - в помощь студенту

  • Водород имеет три изотопа:
  • – обычный водород, или протий (Z=1, N=0),
  • – тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),
  • – тритий (Z=1, N=2).
  • Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются Изобарами. В качестве примера можно привести и . Ядра с одинако-­ вым числом нейтронов N = A – Z носят название Изотонов (,). Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A,

отличающиеся периодом полураспада. Они называются Изомерами. Напри-­

мер, имеются два изомера ядра , у одного из них период полу­- распада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, осталь­ные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61).

Плутоний (Pu, Z = 94) после получения его искусственным путем был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманке. Остальные трансурановые (т. е.

заурановые) элементы (с Z от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различ­ных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученых II. и М. Кюри, А. Эйнштейна, З. Ферми и Д. И. Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика И. В. Курчатова.

Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реак­ций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым

Н. Н. Флеровым и его сотрудниками.

  1. Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой
  2. Состав атомного ядра - в помощь студенту
  3. (ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, рав­ной

10-13 см). Из формулы следует, что объем ядра пропорцио­нален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра. Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А.

Спины ядер J не превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т. е.

ядро с четным числом протонов и четным чис­лом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра MJ складывается с моментом электрон­ной оболочки в полный момент импульса атома MF, который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям MJ и (т. е. различным F), имеют немного отли­чающуюся энергию. Взаимодействием моментов μL и μS обусловлива­ется тонкая структура спектров.

Взаимодействием μJ и определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщеп­ление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

Источник: https://www.webpoliteh.ru/sostav-i-xarakteristika-atomnogo-yadra/

Состав атомного ядра. Ядерные силы — Класс!ная физика

Ядро атома состоит из нуклонов, которые подразделяются на протоны и нейтроны.

Состав атомного ядра - в помощь студенту

Символическое обозначение ядра атома:

А- число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов ( или атомная масса ) Z- число протонов ( равно числу электронов )

  • N- число нейтронов ( или атомный номер )
  • N = A — Z
  • ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ
  • — действуют между всеми нуклонами в ядре; — силы притяжения;
  • — короткодействующие.

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно непохожи ни на гравитационные, ни на электростатические. . Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.

Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение — 1 Фм ( в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра — сгустки очень плотной материи.

Возможно, самой плотной в земных условиях. Ядерные силы — сильные взаимодействия. Они многократно превосходят кулоновскую силу (на одинаковом расстоянии). Короткодействие ограничивает действие ядерных сил.

С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.

Конечное число элементов в природе — следствие короткодействия ядерных сил.

Следующая страница «Энергия связи. Дефект масс»

Строение атома — Класс!ная физика

Радиоактивность — Радиоактивные превращения — Состав атомного ядра. Ядерные силы — Энергия связи. Дефект масс — Деление ядер урана — Ядерная цепная реакция — Ядерный реактор — Термоядерная реакция

Состав атомного ядра - в помощь студенту

В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114. В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который «жил» всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера.

  1. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500.
  2. ___

Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева они расположены в одной клеточке (по-гречески изос — равный, топос — место). Химические свойства изотопов почти тождественны. Если элементов всего в природе — около 100, то изотопов — более 2000. Многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны, и распадаются, испуская различные виды излучений.

  • Изотопы одного и того же элемента по составу отличаются лишь количеством нейтронов в ядре.
  • Изотопы водорода.

Состав атомного ядра - в помощь студенту

___

Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то то, что останется, сможет пролезть в игольное ушко.

Хотите знать больше? «Знаете ли вы»

Любознательным

«Глиссирующие» автомобили

Если, двигаясь на автомобиле по мокрой дороге с большой скоростью, резко затормозить, то автомобиль поведет себя как глиссер; шины его начнут скользить по тонкой пленке воды, практически не касаясь дороги. Почему это происходит? Почему автомобиль не всегда скользит на мокрой дороге, даже если тормоз не нажат? Существует ли такой рисунок протектора, который уменьшает этот эффект? Оказывается…

Предлагалось несколько рисунков протектора, уменьшающего вероятность «аквапланирования». Например, канавка может отводить воду к задней точке контакта протектора с дорогой, откуда вода будет выбрасываться наружу. По другим, более мелким канавкам вода может отводиться в стороны.

Наконец, небольшие углубления на протекторе могут как бы «промокать» водяной слой на дороге, прикасаясь к нему непосредственно перед зоной основного контакта протектора с дорожным покрытием.

Во всех случаях задача состоит в том, чтобы как можно скорее убрать воду из зоны контакта и не допустить аквапланирования.

Источник: «Физический фейерверк» Дж. Уокер

Источник: http://class-fizika.ru/9_37.html

Состав атомных ядер

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 атома, 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 частиц двух видов – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, 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 представлена на рис. 6.5.1.

Состав атомного ядра - в помощь студенту
Рисунок 6.5.1.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 (т. е. световые вспышки) в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц.

При заполнении камеры азотом низкого давления 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 mp = 1,67262∙10–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной  массы атома углерода с массовым числом 12:

1 а. е. м. = 1,66057·10–27 кг.

Следовательно, mp = 1,007276  а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc2. 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, т. е. 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, т. е. области размером R ≈ 10–13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу.

Однако идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Джеймсом Чедвиком заняться ее поиском. 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. На рис. 6.5.2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Состав атомного ядра - в помощь студенту
Рисунок 6.5.2.Схема установки для обнаружения нейтронов

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 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (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. 6.5.2 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. 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 mn = 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. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N.

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A:

Ядра химических элементов обозначают символом , где X – химический символ элемента. Например,

 – водород,  – гелий,  – углерод,  – кислород,  – уран.

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода их три:  – обычный водород,  – дейтерий и   – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Источник: https://questions-physics.ru/fizika-atomov-i-yadra/sostav_atomnih_yader.html

История открытий в области строения атомного ядра

Изучение атомного ядра вынуждает заниматься элементарными частицами. Причина этого ясна: в ядрах атомов частиц так мало, что свойства каждой из них в отдельности не усредняются, а, напротив, играют определяющую роль.

1.1        Модели атома до Бора

Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории – с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда – Бора.

Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики.

В 1904 году появились публикации о строении атома, одни из которых принадлежали японскому физику Хантаро Нагаока, другие – английскому физику Д.Д. Томсону.

Нагаока представил строение атома аналогичным строению солнечной системы: роль Солнца играет положительно заряженная центральная часть атома, вокруг которой по установленным кольцеобразным орбитам движутся “планеты” – электроны. При незначительных смещениях электроны возбуждают электромагнитные волны.

В атоме Томсона положительное электричество “распределено” по сфере, в которую вкраплены электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном.

Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д.И. Менделеева.

Позднее Бор указал, что со времени этой попытки идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом.

Но вскоре оказалось, что новые опытные факты опровергают модель Томсона и, наоборот, свидетельствуют в пользу планетарной модели. Эти факты были открыты Резерфордом. В первую очередь следует отметить открытие ядерного строения атома.

1.2        Открытие атомного ядра

Уподобление атома планетной системе делалось еще в начале XX века. Но эту модель было трудно совместить с моделями электродинамики, и она была оставлена, уступив место модели Томсона. Однако в 1904 году начались исследования, приведшие к утверждению планетарной модели.

При изучении a-частиц Резерфорд, исходя из модели Томсона, подсчитал, что рассеивание a-частиц не может давать больших углов отклонений даже при многих столкновениях с частицей. И здесь Резерфорд обратился к планетарной модели.

7 марта 1911 года Резерфорд сделал в философском обществе в Манчестере доклад “Рассеяние a и b-лучей и строение атома”.

В докладе он, в частности, говорил: “Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. При таком устройстве a и b-частицы, когда они проходят на близком расстоянии от центра атома, испытывают большие отклонения, хотя вероятность такого отклонения мала”.

Важным следствием теории Резерфорда было указание на заряд атомного центра, который Резерфорд положил равным ±Ne. Заряд оказался пропорциональным атомному весу. “Точное значение заряда центрального ядра не было определено,- писал Резерфорд, – но для атома золота оно приблизительно равно 100 единицам заряда”.

Из последующих исследований и экспериментов Гейгера и Мардсена, предпринявших проверку формул Резерфорда, возникло представление о ядре как устойчивой части атома, несущей в себе почти всю массу атома и обладающей положительным (Резерфорд считал знак заряда неопределенным) зарядом. При этом число элементарных зарядов оказалось пропорциональным атомному весу.

Заряд ядра оказался важнейшей характеристикой атома. В 1913 году было показано, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева.

Бор писал: ”С самого начала было ясно, что благодаря большой массе ядра и его малой протяженности в пространстве сравнительно с размерами всего атома строение электронной системы должно зависеть почти исключительно от полного электрического заряда ядра.

Такие рассуждения сразу наводили на мысль о том, что вся совокупность физических и химических свойств каждого элемента может определяться одним целым числом…”

После знакомства с Резерфордом Бор, отказавшись от изучения электронной модели, начал работу в его группе. Обратившись к планетарной модели, Бор создал на ее основе теорию атома Резерфорда-Бора. Резерфорд понял революционный характер идей Бора и обсудил с ним основы этой теории, высказал критические замечания, после чего статьи Бора были опубликованы.

Во время Первой Мировой войны Бор продолжает работать в лаборатории Резерфорда. В 1915 году он опубликовал работы “О сериальном спектре водорода” и “О квантовой теории излучения в структуре атома”.

В 1916 году была опубликована статья Зоммерфельда, где он рассмотрел движение электрона по эллиптическим орбитам и обобщил правила квантования Бора. Бор с восторгом отозвался об этой статье.

Теория атома после открытий Зоммерфельда стала называться теорией Бора – Зоммерфельда.

В 1936 году Бор выступил со статьей “Захват нейтрона и строение ядра”, в которой предложил капельную модель ядра и механизм захвата нейтрона ядром. Странно, но ни Бор, ни другие не могли сразу предсказать деление ядра, подсказываемое капельной моделью, пока в начале 1939 г. не было открыто деление урана.

1.3        Атом Бора

Бор, как и Томсон до него, ищет такое расположение электронов в атоме, которое объяснило бы его физические и химические свойства. Бор берет за основу модель Резерфорда. Ему также известно, что заряд ядра и число электронов в нем, равное числу единиц заряда, определяется местом элемента в периодической системе элементов Менделеева.

Таким образом, это важный шаг в понимании физико-химических свойств элемента. Но остаются непонятными две вещи: необычайная устойчивость атомов, несовместимая с представлением о движении электронов по замкнутым орбитам, и происхождение их спектров, состоящих из вполне определенных линий.

Такая определенность спектра, его ярко выраженная химическая индивидуальность, очевидно, как-то связана со структурой атома. Все это трудно увязать с универсальностью электрона, заряд и масса которого не зависят от природы атома, в состав которого они входят.

Устойчивость атома в целом противоречит законам электродинамики, согласно которым электроны, совершая периодические движения, должны непрерывно излучать энергию и, теряя ее, “падать” на ядро.

К тому же и характер движения электрона, объясняемый законами электродинамики, не может приводить к таким характерным линейчатым спектрам, которые наблюдаются на самом деле. Линии спектра группируются в серии, они сгущаются в коротковолновом “хвосте” серии, частоты линий соответствующих серий подчинены странным арифметическим законам.

“Основным результатом тщательного анализа видимой серии линейчатых спектров и их взаимоотношений, – писал Бор, – было установление того факта, что частота u каждой линии спектра данного элемента может быть представлена с необыкновенной точностью формулой u = Tґ – Tґґ, где Tґ и Tґґ – какие-то два члена из множества спектральных элементов Т, характеризующих элемент”.

Бору удалось найти объяснение этого основного закона спектроскопии. Но для этого ему пришлось ввести в физику атома представления о стационарных состояниях атомов, находясь в которых электрон не излучает, хотя и совершает периодическое движение по круговой орбите.

1.4        Расщепление ядра

В 1919 году Резерфордом было сделано новое сенсационное открытие – расщепление ядра.

Резерфорд изучал столкновение a-частиц с легкими атомами. Столкновения a-частицы с ядрами таких атомов должны их ускорять. Так, при ударе a-частицы о ядро водорода оно увеличивает свою скорость в 1,6 раза, и ядро отбирает у a-частицы 64% ее энергии.

Прибор, применявшийся Резерфордом для излучения таких столкновений, представлял собой латунную камеру длиной 18 см, высотой 6 см и шириной 2 см.

Источником a-частиц служил металлический диск, покрытый активным веществом. Диск помещался внутри камеры и мог устанавливаться на разных расстояниях от экрана из сернистого цинка.

Камера могла заполняться различными газами. В частности, ее заполняли азотом.

С помощью многочисленных опытов Резерфорд показал, что в результате таких столкновений получаются частицы с максимальным пробегом, таким же, как у Н-атомов.

“Из полученных до сих пор результатов, – писал Резерфорд, – трудно избежать заключения, что атомы с большим пробегом, возникающие при столкновении a-частиц с азотом, являются не атомами азота, но, по всей вероятности, атомами водорода или атомами с массой 2.

Если это так, то мы должны заключить, что атом азота распадается вследствие громадных сил, развивающихся при столкновении с быстрой a-частицей, и что освобождающийся водородный атом образует составную часть атома”.

Так было открыто явление расщепления ядер азота при ударах быстрых a-частиц и впервые высказана мысль, что ядра водорода представляют собой составную часть ядер атомов. Впоследствии Резерфорд предложил термин “протон” для этой составной части ядра.

Резерфорд заканчивал свою статью словами: “Результаты в целом указывают на то, что если a-частицы или подобные им быстро движущиеся частицы со значительно большей энергией могли бы применяться для опытов, то можно было бы обнаружить разрушение ядерных структур многих легких атомов”.

В 1920 году Резерфорд в лекции “Нуклеарное строение атома” делает предположение о том, что существуют ядра с массой 3 и 2 и ядра с массой ядра водорода, но с нулевым зарядом. При этом он исходил из гипотезы, высказанной впервые М. Склодовской-Кюри, что в состав ядра входят электроны.

Резерфорд пишет, что ему “кажется весьма правдоподобным, что один электрон может связать два Н-ядра и, возможно, даже и одно Н-ядро. Если справедливо первое предположение, то оно указывает на возможность существования атома с массой около 2 и с одним зарядом.

Такое вещество нужно рассматривать как изотоп водорода. Второе предположение заключает в себе мысль о возможности существования атома с массой 1 и нуклеарным зарядом, равным нулю. Подобные образования представляются вполне возможными”.

Так была высказана гипотеза о существовании нейтрона и тяжелого изотопа водорода.

1.5        Протонно-нейтронная модель ядра

В 1932 году Д.Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон является наряду с протоном структурным элементом ядра. Однако протонно-нейтронная модель ядра была встречена большинством физиков скептически. Даже Резерфорд полагал, что нейтрон – это лишь сложное образование протона и электрона.

В 1933 году Иваненко на конференции в Ленинграде сделал доклад о модели ядра, в котором он защищал протонно-нейтронную модель, сформулировав основной тезис: в ядре имеются только тяжелые частицы. Иваненко отверг идеи о сложной структуре нейтрона и протона.

По его мнению, обе частицы должны обладать одинаковой степенью элементарности, т.е. и нейтрон, и протон могут переходить друг в друга.

В дальнейшем протон и нейтрон стали рассматриваться как два состояния одной частицы – нуклона, и идея Иваненко стала общепринятой, а в 1932 году в составе космических лучей была открыта еще одна элементарная частица – позитрон.

1.6 Искусственная радиоактивность

В 1934 году Фредерик Жолио и Ирен Кюри сообщили о б открытии ими нового вида радиоактивности. Им удалось доказать методом камеры Вильсона, что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их a-частицами полония.

Жолио и Кюри, исследуя это явление, показали, что в этом случае возникает новый этап радиоактивности, сопровождаемый испусканием положительных электронов.

Они впервые искусственно вызвали радиоактивность, создав новые радиоактивные изотопы, не наблюдаемые до этого в природе и были награждены за это выдающееся открытие Нобелевской премией.

На сегодняшний день теория атомного ядра получила дальнейшее развитие, и в следующей главе рассматривается ее актуальное состояние.

Источник: https://support17.com/zn-lecture-3/

Состав атомного ядра. Запись ядерных реакций — Технарь

Открытие нейтронов позволило немецкому ученому В. Гейзенбергу и советскому физику Д. Д. Иваненко создать гипотезу строения атомных ядер, согласно которой все атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов, которые получили общее название нуклонов.

Поскольку масса нуклона, выраженная в относительных единицах, очень близка к единице (масса протона составляет 1,007276, а масса нейтрона — 1,008665), то и масса атомного ядра в относительных единицах близка к целому числу, равному числу нуклонов в ядре. Это число называют массовым числом и обозначают буквой A. Так как число протонов в ядре выражается зарядовым числом Z, то число нейтронов равно A-Z.

Поскольку почти вся масса атома сосредоточена в ядре, относительная масса атома должна быть близка к целому числу А. Однако в действительности для многих элементов наблюдаются отклонения от этого правила. Причины таких отклонений будут рассмотрены в следующем параграфе.

При записи ядерных реакций применяются удобные обозначения, указывающие состав ядра и его положение в таблице Менделеева.

Для обозначения атомного ядра используется символ соответствующего химического элемента. Внизу слева от символа ставится зарядовое число Z, а вверху — массовое число A.

Например, символ 42He обозначает ядро гелия, содержащее четыре нуклона, два из которых протоны, а два других — нейтроны.

Для свободного нейтрона, находящегося вне ядра, применяется символ 0n1 так как его заряд равен нулю, а для протона — символ p или 11H. Электрон обозначается символом β— или -1e0. Нуль наверху означает, что масса электрона мала по сравнению с массой нуклона и не может изменять значения массовых чисел в ядерных реакциях.

Используя эти обозначения, радиоактивный распад урана с образованием α-частиц можно записать следующим образом:

23892U → 23490Th + 42He.

Такая запись показывает, что при распаде урана получаются торий и гелий. Следует помнить, что в ядерных реакциях сохраняется число нуклонов и заряд; происходит только их перераспределение между ядрами. Поэтому суммы верхних индексов в левой и правой частях уравнения ядерной реакции должны быть одинаковыми. Это же относится и к нижним индексам.

Реакция образования протонов при поглощении α-частиц ядрами азота записывается так:

42He + 147N → 189F → 11H + 178O,

т. е. ядро азота, поглощая α-частицу, превращается в нестабильное ядро фтора, которое, испуская протон, в свою очередь превращается в ядро кислорода.

  • Уравнение ядерной реакции, происходящей при облучении бериллия α-частицами, записывается следующим образом:
  • 94Be + 42He → 136C → 126C + 0n1,
  • В реакции превращения актиния в торий образуются β-частицы:
  • 22789Ac → 22790Th + -1e0,
  • Возникает вопрос: как могут вылетать отрицательно заряженные электроны из ядер, содержащих только положительные и нейтральные частицы? Оказывается, электрон возникает в момент распада ядра, в результате превращения одного из внутриядерных нейтронов в протон:
  • 0n1 → 11H + -1e0

(как мы увидим далее, это уравнение не совсем полно отражает распад нейтронов). В ядрах нерадиоактивных элементов нейтроны не подвержены такому распаду.

Источник: https://tehnar.net.ua/sostav-atomnogo-yadra-zapis-yadernyih-reaktsiy/

Ссылка на основную публикацию