Лекция 13.

Организация материи на физическом и химическом уровнях

 

3. Атомное ядро

 

Открытие атомного ядра. Открытия в области химии и физики в конце XIX века свидетельствовали о сложном строении атома. В 1896 г. было открыто явление радиоактивности, в 1897г. был открыт электрон.

Стало ясно, что электроны являются составной частью атомов всех элементов. Но, так как электроны заряжены отрицательно, а атом нейтрален, очевидно, что внутри атома находится положительно заряженная часть, которая своим зарядом компенсирует отрицательный заряд электронов.

Первое представление об истинных размерах ядра давали опыты Резерфорда и его учеников в 1911 г. по рассеянию альфа-частиц в тонкой металлической фольге, спереди и сзади которой помещалисб экраны, покрытые сульфидом цинка. Прослеживая движения альфа-частиц, ученые установили, что большинство частиц не отклоняется от своего первоначального пути, следовательно, основная часть пространства, занимаемого атомами, для них проницаема. Лишь небольшая часть альфа-частиц отклонилась от прямолинейного движения, а ничтожная доля (примерно одна частица на 10 000), отскакивала почти в обратном направлении и давала вспышки на втором экране   Эти опыты явно свидетельствовали о малых размерах центрального ядра и указали на способ определения ядерного заряда. Резерфорд установил, что альфа-частицы приближаются к центру положительного заряда на расстояние примерно 10^–14 м, а это позволило ему сделать вывод, что таков максимально возможный радиус ядра.

В  1930 г. был открыт нейтрон. Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

  Таким образом, под ядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтронов (обозначение p и n). Масса протона m_P = 1,673×10^-27 =1,836m_e , m_n  = 1,675×10^-27 = 1835,5m_e.  Масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»).

Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон – частица незараженная. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z  элемента в таблице Менделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числу электронов.

Число нейтронов в ядре определяется  следующим образом: N_P = A – Z, где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число нейтронов). Для обозначения ядер применяется  запись   _ZX^A, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300 устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопами связано явление радиоактивности – ядерного распада.

Ядро в целом – устойчивая система, для его разрушения необходимо затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, представляющими сильное взаимодействие и имеют обменный характер. Частица-переносчик взаимодействия – глюон.