Строение атомного ядра. Ядерные силы. Изотопы. Состав атомного ядра. Ядерные силы Физика атомного ядра ядерные силы

Модели строения ядра.

Как пpедставить ядpо? Это непpостой вопpос, и было пpедложено несколько моделей ядpа. Наиболее популяpными и используемыми к настоящему вpемени являются две модели: капельная и оболочечная.

Согласно капельной модели ядpо сpавнивается с каплей жидкости, т.к. между каплей жидкости и ядpом много общего. Главная общая чеpта заключается в том, что взаимодействие между молекулами жидкой капли, как и между нуклонами ядpа, обладает свойством насыщения: каждая молекула окpужена лишь вполне опpеделенным числом соседей. Силы взаимодействия между молекулами в капле коpоткодействующие. Объем капли pастет, как и у ядpа, пpопоpционально числу молекул. Сpавнение ядpа с каплей наводит еще на одну важную мысль: капля жидкости обладает повеpхностным натяжением. Есть основание считать, что и ядpо-капля обладает этим свойством. Повеpхностное натяжение стягивает каплю и делает ее шаpообpазной. Поэтому и ядpо, можно сказать, имеет шаpовую фоpму. Имеются и pазличия между каплей жидкости и ядpом атома. Ядpо заpяжено (пpотоны!), капля же обычно нейтpальна (хотя ее специально можно и заpядить). Главное же отличие в том, что капля - классическая система и в ней энеpгия - непpеpывная величина, а ядpо - типично квантовая система и его энеpгия имеет дискpетный спектp.

В оболочечной модели ядpо сpавнивается с атомом, котоpый имеет оболочечную стpуктуpу: центp атома, в котоpом сосpедоточено ядpо, окpужен слоями электpонной оболочки. На пеpвый взгляд кажется, что ядpо ничего общего не должно иметь с атомом, так как в ядpе нет никакого физически выделенного центpа, вокpуг котоpого могли бы pасполагаться слои из нуклонов. Однако нужно учесть квантовую стpуктуpу и ядpа, и атома. Ведь слои электpонной оболочки атома создаются благодаpя тому, что дискpетный энеpгетический спектp атомов таков: его энеpгетические уpовни pаспадаются на pяд сpавнительно близко лежащих гpупп, заполнение уpовней котоpых и составляет слои оболочек из электpонов. Оказалось, что спектpы энеpгии ядеp в этом отношении напоминают спектpы атомов: они также составляют гpуппы близко pасположенных уpовней. Потому постепенное заполнение нуклонами этих гpупп уpовней напоминает электpонные слои атомов. Так стpоится оболочечная модель ядеp.

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.

Ядерные силы – силы, действующие между ядерными частицами – нуклонами.

Свойства ядерных сил:

1. Это короткодействующие силы, действуют на расстояниях между нуклонами, порядка 10 −15 м, и резко убывают при увеличении расстояния; при расстояниях 1,4 ∙ 10 −15 м они уже практически равны 0.

2. Это самые мощные силы из всех, которыми располагает природа , поэтому взаимодействие частиц в ядре часто называют сильными взаимо­действиями.

3. Ядерным силам свойственно насыщение, т.е. нуклон взаимодействует не со всеми остальными нуклонами, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.

4. Ядерным силам свойственна зарядовая независимость. Это значит, что с одинаковой по модулю силой притягиваются друг к другу и заря­женные, и незаряженные частицы, т.е. сила притяжения F рр между двумя протонами равна силе притяжения F пп между двумя нейтронами и равна силе притяжения F рп между протоном и нейтроном.

5. Ядерные силы не являются центральными, т.е. они не направлены вдоль прямой, соединяющей центры этих зарядов.

6. Ядерные силы являются так называемыми обменными силами.

Напоминаю, что различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются мате­риальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является не имеющий заряда фотон - квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие является основным в химии и биологии.

Слабое взаимодействие возможно между различными частицами. Оно простирается на расстояние порядка 10 -15 - 10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитываемое в теории элементарных частиц, поскольку на характерных для них расстояниях порядка 10 -13 см оно дает чрезвычайно малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10 -33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверхтяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаимодействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира.

Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.

Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.

Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия, необходимые для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, можно получить из одного фундаментального взаимодействия - суперсилы. Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно.

Это предположение носит чисто теоретический характер, поскольку экспериментальным путем его проверить невозможно. Косвенно эти идеи подтверждаются астрофизическими данными, которые можно рассматривать как экспериментальный материал, накопленный Вселенной.

Открытие нейтрона и протона.

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 ядра, 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 двух частиц – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), 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 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 в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении 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 m p = 1,67262·10–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной 1/12 массы атома углерода с массовым числом 12:

Следовательно, m p = 1,007276 · а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc 2 . 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, то есть 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, то есть области размером R ≈ 10 –13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу.

Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы. 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.

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 Жолио-Кюри Ирен и Фредерик (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. 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.

Поскольку 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 m n = 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.

Ядро состоит из нуклонов: протонов и нейтронов.

Г. Мозли (Англия) установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов.

Масса протона, как и масса нейтрона, приблизительно в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны находятся в ядре, поэтому масса атома почти равна массе ядра. Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома. Массовое число атома (A) = Число протонов (Z) + Число нейтронов (N) A=Z+N

Протоны и нейтроны, входящие в состав любого ядра, не являются неделимыми элементарными частицами, а состоят из кварков.

Кварки, в свою очередь, взаимодействуют друг с другом, непрерывно обмениваясь глюонами - переносчиками истинно сильного взаимодействия (оно в тысячи раз сильнее того, которое действует между протонами и нейтронами в ядре). В результате протоны и нейтроны оказываются очень сильно связанными системами, которые невозможно разбить на составные части.

Энергия связи нуклонов в ядре, дефект массы.

Устойчивость атомного ядра характеризуется энергией связи (Е св.).

Точнейшие измерения показывают, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя со­ставляющих ее протонов и нейтронов: М я < Zm p + Nm n .

Дефект масс - величина, на которую уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них атомного ядра. Дефект масс равен разности между суммой масс покоя нуклонов и массой ядра М я: ∆М= - М я, где m p , m n - массы протона и нейтрона, соответственно.

Энергия связи – минимальная энергия, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны или энергия, выделяющаяся при слиянии свободных нуклонов в ядро. Расчетная формула энергии связи:

Е св =∆mc 2 = c 2 , где с=3·10 8 м/с – скорость света в вакууме.

Если в этой формуле массы протона, нейтрона и ядра выражены в килограммах, а скорость света - в метрах в секунду, то энергия связи Е св будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектрон-вольтах (МэВ): 1 МэВ = 1,6·10 - 13 Дж.

Решая соответствующие задачи, можно получить энергию связи в джоулях, а затем, если требуется, перевести ее в мегаэлектрон-вольты, разделив полученное число джоулей на 1,6·10 - 13 . Но гораздо проще получить значение энергии связи в мегаэлектрон-вольтах, если оставить массы протона, нейтрона и ядра выраженными в атомных единицах массы и умножить дефект массы ∆М не на с 2 , а на число 931 . Одной атомной единице массы соответствует энергия связи 931 МэВ. Е св =931· ∆М или Е св =931(Zm p + Nm n - М я) МэВ

Энергия связи переходит в энергию излучаемых при ядерных превращениях γ-квантов, которая равна как раз Е св , а масса которых: ∆М = Е /с 2 .

Если в результате реакции Е=∆Мc 2 > 0, то энергия выделяется, если Е=∆М c 2 < 0 - поглощается.

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи ε св.

Удельная энергия связи - энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, равна отношению энергии связи Е св к массовому числу ядра атома А: ε св =Е св /А, Удельная энергия связи определяется экспериментально.

Ядерные реакции - процессы, происходящие при столкновении ядер или элементарных частиц с другими ядрами, в результате которых изменяются квантовое состояние и нуклонный состав ис­ходного ядра, а также появляются новые частицы среди продуктов реакции.

При этом возможны реакции деления, когда ядро одного атома в результате бомбардировки делится на два ядра разных атомов. При реакциях синтеза происходит превращение легких ядер в более тяжелые.

ВНИМАНИЕ: Разница между химическими и ядерными реакциями состоит в том, что в химических реакциях общее число атомов каждого определенного элемента, а также атомы, составляющие определенные вещества, остаются неизменными. В ядерных реакциях изменяются и атомы, и элементы.

Изотопы.

Изотопы - это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов Z и различное число нейтронов n. Изотопы занимают одно и то же место в периодической системе элементов, откуда и произошло их название. По своим ядерным свойствам изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (и почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемента опреде­ляются зарядом ядра, поскольку именно он вли­яет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1 Н - протий, 2 Н - дейтерий, 3 Н - тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и химические свойства различны. Дейтерий стабилен (т. е. не радиоактивен) и входит в качестве небольшой примеси (1: 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кис­лородом образуется тяжелая вода. Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2°С и замерзает при 3,8°С. Тритий β-радиоактивен с пе­риодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы. В атомной индустрии все воз­растающую ценность для человечества представляют радиоактивные изотопы.

1 МэВ = 1,6·10 - 13 Дж; 1 а.е.м.= 1,66∙10 -27 кг.

Состав атомного ядра
Общее число нуклонов в данном ядре
называется массовым числом, обозначается
Число протонов в ядре называется
зарядовым числом, обозначается
(оно равно номеру химического элемента)
Число нейтронов в ядре обозначается
Ядро атома обозначают так же, как и
соответствующий химический элемент,
ставя перед ним вверху – массовое число,
а внизу - зарядовое число
207
Например: 235
Pb
82
92
U

Протонно-нейтронная модель ядра
1
1
p
протон
+
Ядро
Z – число протонов в ядре
N – число нейтронов в ядре
m p mN 1а.е.м.
me mядра
нейтрон 1
0
n
А = Z+N – массовое число
А = М (округляют до целого числа)
Сколько протонов и нейтронов содержится в ядре изотопов урана?
А) 235
92
U
А=235
Б) 238
Z=92
92
N=A-Z = 235-92=143
U
А=238
Z=92
N=A-Z = 238-92=146

Изотопы

У одного и того же химического элемента
встречаются атомы с различными по массе
ядрами.
Ядра с одинаковым зарядом, но разными массами
назвали изотопами.
Изотопы (от греческих слов isos – одинаковый и topos
– место) имеют одинаковый порядковый номер в
таблице Менделеева
У изотопов одинаковое число протонов, но разное
число нейтронов.
Изотопы
физические
3 свойства
1 имеют разные
2
Например:
водород1 имеет три изотопа
1
1
H
протий
Н
Н
дейтерий
тритий

99,985%
0,015%
Природный изотопный состав Н
10 15 10 16%

17
С 1906 г. известно
35
17
Cl
Cl
37
17
М = 35,457
Cl
92
U
239
92
U
234
92
U
235
92
U
238
92
U
М = 238,0289

Какие силы обеспечивают устойчивость атомного ядра?

Вариант ответа: Гравитационные силы
Ответ неверный, так как эти силы
значительно меньше электростатических сил
отталкивания между протонами.
Современные учёные для объяснения
устойчивости ядра используют понятие
ядерных сил
Ядерные силы – это силы, действующие
между нуклонами в ядре и обеспечивающие
существование устойчивых ядер
Ядерные силы относятся к сильному
взаимодействию

Свойства ядерных сил

Ядерные силы - это силы притяжения, так как они
удерживают нуклоны внутри ядра (при очень сильном
сближении нуклонов ядерные силы между ними имеют
характер отталкивания).
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.
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.

Свойства ядерных сил

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.
Область действия ядерных сил, ничтожно мала.
Радиус их действия 10 -13 м. При больших расстояниях
между частицами ядерное взаимодействие не проявляется.
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.
С увеличением расстояния очень быстро убывают.
(на расстоянии 1,4 10 15 м их действием можно
пренебречь)

Решение задач
1. Сколько нуклонов содержат ядра:
6
3
Li
64
29
108
47
Cu
Ag
207
82
Pb
2. Определите нуклоновый состав ядер:
4
2
He
16
8
O
79
34
Se
3. Назовите химический элемент, в атомном ядре
которого содержатся нуклоны:
А). 7p + 7n
14
7
N
Б). 18p + 22n 40 Ar
18
В). 33p + 42n
75
33
Г). 84p + 126n
210
84
As
Po

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Открытие рентгеновских лучей
дало толчок новым
исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, одним
из которых явилось открытие радиоактивности.
Примерно с середины XIX
стали появляться
экспериментальные факты, которые ставили под сомнение
представления о неделимости атомов. Результаты этих
экспериментов наводили на мысль о том, что атомы имеют
сложную структуру и что в их состав входят электрически
заряженные частицы.
Наиболее ярким
свидетельством сложного
строения атома явилось
открытие явления
радиоактивности, сделанное
французским физиком Анри
Беккерелем в 1896 году.

Ученые пришли к выводу, что
радиоактивность представляет собой
самопроизвольный процесс, происходящий в атомах
радиоактивных элементов. Теперь это явления
определяют как самопроизвольное превращение
неустойчивого изотопа одного химического элемента
в изотоп другого элемента; при этом происходит
испускание электронов, протонов, нейтронов или
ядер гелия (α-частиц).

За 10 лет совместной
работы они сделали очень
многое для изучения
явления
радиоактивности.
Это был беззаветный
труд во имя науки – в
плохо оборудованной
лаборатории и при
отсутствии необходимых
средств.
Мария и Пьер Кюри в лаборатории

a - лучи
- лучи
b - лучи

a - частица – ядро атома гелия. a- лучи
обладают наименьшей проникающей
способностью. Слой бумаги толщиной около
0,1 мм для них уже не прозрачен. Слабо
отклоняются в магнитном поле.
У a- частицы на каждый из двух
элементарных зарядов приходится две
атомные единицы массы. Резерфорд
доказал, что при радиоактивном a - распаде
образуется гелий.

β - частицы представляют собой электроны,
движущиеся со скоростями, очень
близкими к скорости света. Они сильно
отклоняются как в магнитном, так и в
электрическом поле. β – лучи гораздо
меньше поглощаются при прохождении
через вещество. Алюминиевая пластинка
полностью их задерживает только при
толщине в несколько миллиметров.

- лучи представляют собой
электромагнитные волны. По своим
свойствам очень сильно напоминают
рентгеновские, но только их проникающая
способность гораздо больше, чем у
рентгеновских лучей. Не отклоняются
магнитным полем. Обладают наибольшей
проникающей способностью. Слой свинца
толщиной в 1 см не является для них
непреодолимой преградой. При прохождении
– лучей через такой слой свинца их
интенсивность убывает лишь вдвое.

Испуская α – и b - излучение, атомы
радиоактивного элемента изменяются,
превращаясь в атомы нового элемента.
В этом смысле испускание радиоактивных
излучений называют радиоактивным распадом.
Правила, указывающие смещение
элемента в периодической системе, вызванное
распадом, называются правилами смещения.

a –распад
-распад
b -распад

a – распадом называется
самопроизвольный распад атомного ядра на
a – частицу (ядро атома гелия 24 He) и ядропродукт. Продукт a – распада оказывается
смещенным на две клетки к началу
периодической системы Менделеева.
M
Z
X
M 4
Z 2
Y He
4
2

b – распадом называется
самопроизвольное превращение атомного
ядра путем испускания электрона. Ядро –
продукт бета-распада оказывается ядром
одного из изотопов элемента с порядковым
номером в таблице Менделеева на единицу
большим порядкового номера исходного
ядра.
M
Z
X Y e
M
Z 1
0
1

– излучение не сопровождается
изменением заряда; масса же ядра меняется
ничтожно мало.
M
Z
X Y
M
Z
0
0

Радиоактивный распад –
радиоактивное (самопроизвольное)
превращение исходного (материнского) ядра
в новые (дочерние) ядра.
Для каждого радиоактивного вещества
существует определенный интервал
времени, на протяжении которого
активность убывает в два раза.

Период полураспада Т – это
время, в течение которого
распадается половина
наличного числа
радиоактивных атомов.
N0 – число радиоактивных атомов в
начальный момент времени.
N – число нераспавшихся атомов в
любой момент времени.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд ядра (порядковый номер в таблице Менделеева).

Масса ядра произвольного элемента определяется величиной, близкой к сумме масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Поэтому массовое число ядра, обозначаемое буквой А и выраженное в атомных единицах массы, округленно равно А = N + Z . Z – заряд ядра, определяет число протонов в ядре и число электронов в электронной оболочке нейтрального атома. N – число нейтронов в ядре. Протон и нейтрон имеют общее название – нуклон. Для обозначения ядра применяется символ , где Х является символом химического элемента. Например, , что означает Z = 82, N = 126, A = 208.

Различные комбинации чисел протонов и нейтронов соответствуют различным ядрам. При этом можно выделить следующие группы атомов.

Изотопы – атомы, ядра которых имеют одинаковое число протонов Zи различное число нейтронов N. Такие элементы занимают одно и то же место в периодической системе. Например, в природе распространена группа изотопов водорода: – легкий водород, – дейтерий и– тритий. Ядра изотопов водорода также имеют собственные названия: протон, дейтрон, тритон.

Изобары – атомы, ядра которых имеют одинаковое число A ().

Наряду с термином ядро атома используется термин нуклид.

Примерные размеры атомов и их составляющих:

размер ядра ~ 10 –14 м, размер нейтрона и протона ~10 –15 м, атома ~ 10 – 10 м, электрона < 10 –18 м.

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющий условный смысл, так как границы ядра размыты, как у любой квантовой системы. Экспериментально установлено, что в каждом ядре имеется внутренняя область, где плотность вещества постоянна. Эту область окружает поверхностный слой, где плотность вещества падает до нуля. Эмпирическая формула для радиуса ядра

1 Фм (фемтометр) =10 –15 м (1)

Это выражение может быть истолковано как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем V ~ А. (1) означает независимость средней плотности ядра от массового числа.

Масса ядра выражается в атомных единицах массы или в МэВ/с 2 .

1а.е.м. =1/12 массы атома углерода с атомной массой 12,000. 1а.е.м. = 1,66×10 –27 кг » 931,5 МэВ/с 2 .

При образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение его массы на величину Dm , которая называется дефектом масс.

Dm выражается в атомных единицах массы или в МэВ/с 2 .

Важной характеристикой ядра является энергия связи ядра W (A,Z ) – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на отдельные составляющие его протоны и нейтроны без сообщения им кинетической энергии.

W (A ,Z ) = Δтс 2 = [Zm p +(A – Z )m n – M я (A ,Z )]·с 2 , (3)

Удельная энергия связи – средняя энергия, приходящаяся на 1 нуклон: . (4)

Для большинства ядер удельная энергия связи почти одинакова и ~ 8 МэВ. Поэтому полная энергия связи примерно пропорциональна массовому числу, т.е. числу нуклонов в ядре. Это говорит о свойстве ядерных сил, называемом насыщением. Оно заключается в том, что каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов.

Нуклоны в ядре удерживаются специфическими ядерными силами, которые являются проявлением сильного взаимодействия. Ядерные силы обладают следующими свойствами:

– являются короткодействующими, радиус их действия 10 –14 м;

– самые интенсивные, они на 2-3 порядка мощнее электромагнитных сил. Ядерные силы обеспечивают существование ядер с удельной энергией связи около 8 МэВ.

– Обладают свойством насыщения. Это проявляется в том, что в ядре протон может образовывать связанное состояние не более, чем с двумя нейтронами. По этой причине изотоп водорода тритий уже нестабилен.

– Обладают зарядовой независимостью, т. е. силы, действующие между протоном и нейтроном, протоном и протоном, нейтроном и нейтроном одинаковы. Это свойство не означает полную тождественность систем р – р, п – п, р – п, так как протоны и нейтроны являются фермионами и системы р – р, п – п состоят из тождественных частиц, а система р – п – из разных.

– Имеют обменный характер. При взаимодействии нуклоны могут обмениваться своими координатами, зарядами, проекциями спинов.

– Зависят от спина нуклонов. На эту зависимость указывает тот факт, что нет состояния дейтрона со спином 0. Т.е. спины протона и нейтрона в этом состоянии только параллельны.

– Являются нецентральными, т. е. зависят от ориентации спинов нуклонов относительно прямой , соединяющей нуклоны.

В 1935 г. японский физик Х. Юкава высказал гипотезу, что ядерное взаимодействие есть результат обмена нуклонов виртуальной частицей. Эти частицы должны иметь массу больше массы электрона, но меньше массы протона, поэтому их назвали мезонами. (От греч. mesos – промежуточный, средний). Мезоны стали искать экспериментально. В 1947 году они были обнаружены в космическом излучении. Эти частицы назвали пи-мезонами (от англ. рrimary – первичный). Сейчас эти частицы именуют более кратко – пионы. Пион существует в виде p 0 , p – , p + .

Пи-мезоны играют важную роль при нуклон-нуклонном взаимодействии на расстояниях 1,5–2 Фм. Суть мезонной теории ядерных сил следующая. Два нуклона, находясь на расстояниях r £ h/2m p c, обмениваются пионами, что является причиной ядерного взаимодействия. Возможны 4 типа обмена:

p « p + p 0 , (5)

n « n + p 0 , (6)

p « n + p + , n « p + p – , (7)

при которых нуклоны оказываются окруженными облаком виртуальных пионов, образующих поле ядерных сил. Поглощение мезонов другим нуклоном приводит к сильному взаимодействию между нуклонами.

На расстояниях меньше 1,5 Фм нуклоны обмениваются более тяжелыми мезонами: h (549 МэВ), r(770 МэВ), w(782 МэВ), которые определяют отталкивание нуклонов.

Изучая состав вещества, ученые пришли к выводу, что вся материя состоит из молекул и атомов. Долгое время атом (в переводе с греческого "неделимый") считался наименьшей конструкционной единицей вещества. Однако дальнейшие исследования показали, что атом имеет сложное строение и, в свою очередь, включает более мелкие частицы.

Из чего состоит атом?

В 1911 году ученый Резерфорд высказал предположение, что в атоме имеется центральная часть, обладающая положительным зарядом. Так впервые появилось понятие об атомном ядре.

По схеме Резерфорда, названной планетарной моделью, атом состоит из ядра и элементарных частиц с отрицательным зарядом - электронов, движущихся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются по орбите вокруг Солнца.

В 1932 году другой ученый, Чедвик, открыл нейтрон - частицу, не имеющую электрического заряда.

Согласно современным представлениям, ядра соответствует планетарной модели, предложенной Резерфордом. Ядро несет в себе большую часть атомной массы. Также оно имеет положительный заряд. В атомном ядре находятся протоны - положительно заряженные частицы и нейтроны - частицы, не несущие заряда. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Отрицательно заряженные частицы - электроны - движутся по орбите вокруг ядра.

Количество протонов в ядре равняется движущихся по орбите. Следовательно, сам атом является частицей, не несущей заряда. Если атом захватит чужие электроны или потеряет свои, то он становится положительным или отрицательным и называется ионом.

Электроны, протоны и нейтроны обобщенно называют субатомными частицами.

Заряд атомного ядра

Ядро имеет зарядовое число Z. Оно определяется количеством протонов, входящих в состав атомного ядра. Узнать это количество просто: достаточно обратиться к периодической системе Менделеева. Порядковый номер элемента, которому принадлежит атом, равняется количеству протонов в ядре. Таким образом, если химическому элементу кислороду соответствует порядковый номер 8, то количество протонов тоже будет равняться восьми. Поскольку число протонов и электронов в атоме совпадает, то электронов тоже будет восемь.

Количество нейтронов называют изотопическим числом и обозначают буквой N. Их число может различаться в атоме одного и того же химического элемента.

Сумма протонов и электронов в ядре называется массовым числом атома и обозначается буквой А. Таким образом, формула подсчета массового числа выглядит так: А=Z+N.

Изотопы

В случае, когда элементы имеют равное количество протонов и электронов, но разное число нейтронов, их называют изотопами химического элемента. Изотопов может быть один или несколько. Они помещаются в одну и ту же ячейку периодической системы.

Изотопы имеют большое значение в химии и физике. Например, изотоп водорода - дейтерий - в сочетании с кислородом дает совершенно новую субстанцию, которую называют тяжелой водой. Она имеет иную температуру кипения и замерзания, чем обычная. А сочетание дейтерия с другим изотопом водорода - тритием приводит к термоядерной реакции синтеза и может использоваться для выработки огромного количества энергии.

Масса ядра и субатомных частиц

Размеры и масса атомов и ничтожно малы в представлениях человека. Размер ядер составляется примерно 10 -12 см. Массу атомного ядра измеряют в физике в так называемых атомных единицах массы - а.е.м.

За одну а.е.м. принимают одну двенадцатую часть массы атома углерода. Используя привычные единицы измерения (килограммы и граммы), массу можно выразить следующим равенством: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г. Выраженная таким образом, она называется абсолютной атомной массой.

Несмотря на то, что атомное ядро является самой массивной составляющей атома, его размеры относительно электронного облака, окружающего его, чрезвычайно малы.

Ядерные силы

Атомные ядра являются чрезвычайно устойчивыми. Это значит, что протоны и нейтроны удерживаются в ядре какими-то силами. Это не могут быть электромагнитные силы, поскольку протоны являются одноименно заряженными частицами, а известно, что частицы, обладающие одинаковым зарядом, отталкиваются друг от друга. Гравитационные силы же слишком слабы, чтобы удержать нуклоны вместе. Следовательно, частицы удерживаются в ядре иным взаимодействием - ядерными силами.

Ядерное взаимодействие считается самым сильным из всех существующих в природе. Поэтому данный тип взаимодействия между элементами атомного ядра называют сильным. Оно присутствует у множества элементарных частиц, как и электромагнитные силы.

Особенности ядерных сил

1. Короткодействие. Ядерные силы, в отличие от электромагнитных, проявляются лишь на очень малых расстояниях, сопоставимых с размерами ядра.
2. Зарядовая независимость. Данная особенность проявляется в том, что ядерные силы действуют одинаково на протоны и нейтроны.
3. Насыщение. Нуклоны ядра взаимодействуют лишь с определенным числом других нуклонов.

Энергия связи ядра

С понятием сильного взаимодействия тесно связано другое - энергия связи ядер. Под энергией ядерной связи понимают то количество энергии, которое требуется, чтобы разделить атомное ядро на составляющие его нуклоны. Она равняется энергии, необходимой для формирования ядра из отдельных частиц.

Для вычисления энергии связи ядра необходимо знать массу субатомных частиц. Вычисления показывают, что масса ядра всегда меньше, чем сумма входящих в его состав нуклонов. Дефектом массы называют разницу между массой ядра и суммой его протонов и электронов. При помощи о связи массы и энергии (Е=mc 2) можно вычислить энергию, выработанную при образовании ядра.

О силе энергии связи ядра можно судить по следующему примеру: при образовании нескольких граммов гелия вырабатывается столько же энергии, сколько при сгорании нескольких тонн каменного угля.

Ядерные реакции

Ядра атомов могут взаимодействовать с ядрами других атомов. Такие взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакции бывают двух типов.

1. Реакции деления. Они происходят, когда более тяжелые ядра в результате взаимодействия распадаются на более легкие.
2. Реакции синтеза. Процесс, обратный делению: ядра сталкиваются, тем самым образуя более тяжелые элементы.

Все ядерные реакции сопровождаются выбросом энергии, которая впоследствии используется в промышленности, в военной сфере, в энергетике и так далее.

Ознакомившись с составом атомного ядра, можно сделать следующие выводы.

1. Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронов, находящихся вокруг него.
2. Массовое число атома равняется сумме нуклонов его ядра.
3. Нуклоны удерживаются сильным взаимодействием.
4. Огромные силы, придающие атомному ядру стабильность, называются энергиями связи ядра.