Чему равно число протонов в ядре

Итак, атом состоит из атомного ядра и обращающихся вокруг него электронов. А из чего состоит атомное ядро?

В 1932 г. было установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон представляет собой положительно заряженную частицу с массой, которая в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона совпадает по модулю с зарядом электрона:

q = e = 1,6·10 –19 Кл.

Ядра разных атомов содержат разное число протонов. Например, в ядре атома водорода лишь один протон, в ядре атома кислорода восемь, в ядре атома урана девяносто два.

Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером соответствующего элемента в таблице Д. И. Менделеева. С этим же номером совпадает и число электронов в атоме. А раз так, то число протонов в ядре равно числу электронов, обращающихся вокруг этого ядра, и потому обозначается той же буквой:

Z — число протонов в ядре.

Помимо порядкового номера, в таблице Д. И. Менделеева для каждого химического элемента указано еще одно число, которое, будучи округленным до целого числа, показывает общее число частиц (протонов и нейтронов) в атомном ядре (см. форзац). Оно обозначается буквой А и называется массовым числом:

A — массовое число ядра.

Нейтрон представляет собой нейтральную частицу с массой, которая в 1839 раз превышает массу электрона. Электрический заряд нейтрона равен нулю:

Число нейтронов в атомном ядре обозначается буквой N. Оно находится по формуле

Чтобы найти число нейтронов в ядре, надо из массового числа этого ядра вычесть число протонов в нем.

Поскольку нейтроны не имеют заряда, то электрический заряд атомного ядра совпадает с суммарным зарядом протонов, находящихся в данном ядре.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре особыми — ядерными — силами. Эти силы в сто раз превосходят электрические и потому не дают одноименно заряженным протонам разлететься в разные стороны. Характеристикой устойчивости атомного ядра является его энергия связи (Eсв). Так называют энергию, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные частицы. В ядерной физике эту энергию принято измерять в мегаэлектронвольтах (МэВ):

1 МэВ = 1,6 · 10 -13 Дж (табл. 1).

Энергии связи атомных ядер

Элементарные частицы (электроны, протоны и др.), а также атомные ядра невозможно увидеть ни в один микроскоп, даже электронный. Тем не менее с помощью специальных приборов о них можно узнать много важного. Например, пролетая через так называемую камеру Вильсона, заряженная частица ионизирует встречные молекулы пара, которым наполнена камера, и тем самым создает вдоль своего пути цепочку ионов. В результате конденсации на этих ионах пара образуется трек — туманный след из капелек воды. Изучение этого трека позволяет определить многие характеристики пролетевшей частицы. В других приборах (например, счетчиках Гейгера) прохождение каждой частицы вызывает кратковременное появление электрического тока, что позволяет вести их счет. Некоторые из подобных приборов используют в качестве дозиметров — устройств для определения доз облучения, знание которых необходимо для обеспечения безопасности работы при наличии ионизирующих излучений.

4. ЯДРО АТОМА / ИЗОТОПЫ / ЧИСЛО НЕЙТРОНОВ В АТОМЕ

При столкновениях атомных ядер друг с другом, а также с какими-либо иными частицами эти ядра могут превратиться в ядра других атомов. Например, при столкновении ядра атома урана с нейтроном могут образоваться ядра атомов ксенона и стронция, а также два новых нейтрона:

n + U → Xe + Sr + 2n, (4.1)

а в результате столкновения ядра атома водорода с ядром атома углерода может появиться ядро атома азота:

Подобные превращения называют ядерными реакциями. При этом реакции типа (4.1), при которых тяжелые ядра превращаются в более легкие, называют реакциями деления, а реакции типа (4.2), при которых из легких ядер образуются более тяжелые,— реакциями синтеза.

Превращения атомных ядер не могут быть какими угодно. В природе происходят только такие ядерные реакции, при которых сохраняется общий электрический заряд частиц, а также их суммарное массовое число.

В ходе ядерных реакций может выделяться значительная энергия. Например, при делении атомных ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется примерно такая же энергия, что и при сжигании 3 т угля! Благодаря этому ядерные реакции находят широкое применение в атомной энергетике (АЭС).

. 1. Из каких частиц состоит атомное ядро? Что вы знаете об этих частицах? 2. Как находится число протонов в ядре? 3. Что такое массовое число? 4. Как находится число нейтронов в ядре? 5. Что представляют собой ядерные реакции? Приведите примеры таких реакций. 6. Почему ядерные реакции находят широкое применение в атомной энергетике? 7. С помощью каких приборов регистрируют и изучают заряженные частицы? 8. Сколько частиц входит в состав ядра атома водорода? 9. В курсе физики старших классов будет доказано, что энергия, выделяющаяся в той или иной ядерной реакции, равна разности суммарных энергий связи образующихся и исходных ядер. Воспользовавшись этим фактом, определите, какая энергия выделяется в реакциях (4.1) и (4.2).

Химические элементы

Химический элемент — совокупность атомов с одним и тем же зарядом ядра, числом протонов в ядре и электронов в электронной оболочке. Закономерную связь химических элементов отражает периодическая таблица Д.И. Менделеева.

Химический элемент

  • Обозначение химического элемента
  • Русское наименование
  • Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов
  • Атомная масса
  • Распределение электронов по энергетическим уровням
  • Электронная конфигурация внешнего уровня

Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))

Протоны, нейтроны и электроны

Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов равно числу электронов.

Протоны, нейтроны и электроны

Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:

Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия, кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.

Протоны, нейтроны и электроны

Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.

Изотопы

Изотопы (греч. isos — одинаковый + topos — место) — общее название разновидностей одного и того же химического элемента, имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное число нейтронов.

Вероятно, вы не задумывались, но вся таблица Д.И. Менделеева и представленные в ней химические элементы — это самые распространенные на земле изотопы.

Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.

Изотопы водорода

В таблице Д.И. Менделеева представлен самый распространенный из трех — протий. Он содержит 1 протон и 1 электрон, нейтроны отсутствуют. У дейтерия 1 протон, 1 нейтрон и 1 электрон. У трития 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.

Теперь очевидно, что изотопы — атомы одного и того же химического элемента, различающиеся числом нейтронов.

Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который включен в таблицу Д.И. Менделеева.

Изотопы лития

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Блиц-опрос по теме Химические элементы

Состав атомного ядра.

Атомное ядро. 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. Протон (p) обладает зарядом + и массой mp= 938,28 МэВ Для сравнения укажем, что масса электрона равна me= 0,511 МэВ Из сопоставления и следует, что mp= 1836me Протон имеет спин, равный половине (s=), и собственный магнитный момент =+2.79, Где ==5,05*эрг/Гс (=5.05* Дж/Тл) — 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= 939,57МэВ 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= — 1,91μя (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 μpи μnс 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: 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.

Зарядовое число 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 Ядра с одинаковым Z, но разными А называются изотопами. Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа: , у олова – десять. 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 . Ядра с одинаковым числом нейтронов N = A -Z носят название изотопов N.Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковыми Z и A, отличающиеся периодом полураспада. Они называются изомерами. Например, имеются два изомера ядра, у одного из них период полураспада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа. Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо 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 от1до 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 (99Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученых Кюри, Эйнштейна, Ферми и Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика 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. Размеры ядер. В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой R=1.3* Acm=1.3A Ферми (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 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 M3 (т.е. различным F), имеют немного отличающуюся энергию. Взаимодействием моментов μL и μS обусловливается тонкая структура спектров. Взаимодействием μJ и μз 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. Энергия связи нуклонов в ядре Ядерные силы притягивают нуклоны, находящиеся в атомном ядре, друг к другу и не дают ему развалиться на части. Чтобы разделить атомное ядро на составляющие нуклоны, необходимо совершить работу против действия ядерных сил. Энергию, которую необходимо затратить для расщепления ядра на отдельные нуклоны, называют энергией связи атомного ядра. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из отдельных нуклонов происходит выделение энергии, равной по величине энергии связи данного атомного ядра. Выделение энергии, происходящее при образовании атомного ядра, происходит за счёт работы ядерных сил, притягивающих нуклоны друг к другу. Энергию связи атомного ядра часто измеряют в электрон-вольтах(эВ) – внесистемных единицах энергии, численно равным энергии, приобретаемой частицей, несущей один элементарный заряд при перемещении в ускоряющем электрическом поле между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ = 1,60219× Дж. Применяются также кратные единицы – килоэлектрон-вольт (кэВ), равный 10 3 эВ и мегаэлектрон-вольт (МэВ), равный10 6 эВ. Рассчитать энергию связи ядер можно, используя соотношение между энергией и массой, открытое Эйнштейном в созданной им специальной теории относительности. Согласно теории относительности покоящееся тело массой m обладает энергией E, которая равна: Е= mc 2 , где с– скорость света. Из следует, что, если масса тела изменится на Dm, то и его энергия изменится на величину DE, и при этом: DЕ= Dmc 2 . (24.1) Измерения показали, что масса ядра Мя всегда меньше суммы масс нуклонов, из которых оно состоит, что можно записать в виде: МяZmp+Nmn, Где mp и mn — массы протона и нейтрона, а Z и N- их количество в ядре, соответственно. Превышение суммы масс нуклонов, входящих в ядро, над массой ядра называют дефектом масс DM: DM=Zmp+Nmn-Мя. (24.2) Дефект масс вызван тем, что нуклоны, образуя ядро, теряют энергию, равную энергии связи этого ядра. Поэтому, подставляя (24.1) в (24.2), можно найти следующее выражение энергии связи ядра EСВ: EСВ= DM×с 2 = (Zmp+Nmn-Мя)×с 2 (24.3) С помощью (24.3) можно вычислить энергию связи любых ядер. Например, энергия связи самого простого ядра, дейтерия, состоящего из протона и нейтрона, равна 2,2 МэВ. Чтобы расщепить на нуклоны α-частицу () необходимо затратить 28МэВ, а энергия связи ядра изотопа железа ( составляет 493МэВ. Чем больше массовое число атомного ядра, тем больше его энергия связи. Важной характеристикой атомного ядра является его удельная энергия связи отношение энергии связи ядра к его массовому числу. Удельная энергия связи – это энергия связи, приходящаяся на один нуклон. Удельная энергия связи ядра всегда больше энергии, необходимой для разделения молекулы на атомы (энергия химической связи) или отщепления электрона от атома (энергия ионизации). Например, энергия химической связи молекулы водорода (4,8 эВ) и энергия ионизации атома водорода (13, 6 эВ) в сотни тысяч раз меньше удельной энергии связи ядра дейтерия (1,1 МэВ/нуклон). Зависимость удельной энергии связи (ЕСВ/А) от массового числа А ядра показана на рис. 37. Видно, что с ростом массового числа удельная энергия связи сначала увеличивается, потом достигает максимума (около 8,8 МэВ/нуклон), а далее с ростом А постепенно снижается до 7,6 МэВ/нуклон для изотопа урана. При этом максимальную удельную энергии связи имеют ядра элементов с массовыми числами от 50 до 60, т.е. ядра железа и близких к нему элементов.

Характеристики ядра

Основными характеристиками атомных ядер являются электрический заряд, масса, спин, энергия связи и так далее.

Ядро каждого из атомов обладает положительным зарядом. В качестве носителя положительного заряда выступает протон. По той причине, что заряд протона численно эквивалентен заряду электрона e , можно записать, что заряд ядра элемента равен + Z e ( Z выражает собой целое число, которое указывает на порядковый номер химического элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева). Значение Z также характеризует число протонов, входящих в состав ядра и количество электронов в атоме. Именно из-за этого его определяют как атомный номер ядра. Электрический заряд представляет собой одну из основных характеристик атомного ядра, от которой зависят оптические, химические и иные свойства атомов.

Масса ядра

Существует также другая значимая характеристика ядра, а именно масса. Массу атомов и ядер принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.), в качестве атомной единицы массы выступает 1 12 массы нуклида углерода C 6 12 :

где N A = 6 , 022 · 10 23 м о л ь — 1 обозначает число Авогадро.

Кроме того, есть другой способ выражения атомной массы: исходя из соотношения Эйнштейна E = m c 2 , ее выражают в единицах энергии. По той причине, что масса протона m p = 1 . 00728 а . е . м . = 938 , 28 М э В , масса нейтрона m n = 1 . 00866 а . е . м . = 939 , 57 М э В , а масса электрона m e = 5 , 49 ⋅ 10 — 4 а . е . м . = 0 , 511 М э В ,

Из приведенных выше значений видно, что масса электрона несущественно мала, если сравнивать ее с массой ядра, поэтому масса ядра практически эквивалентна массе всего атома и отлична от целых чисел.

Энергия связи. Дефект масс ядер

Содержимое ядра

Откуда нам известно, что находится в ядре? Эти крохотные объекты просто охарактеризовать (и это было просто исторически) благодаря трём фактам природы.

1. Протон и нейтрон отличаются по массе всего лишь на тысячную часть, так что если нам не нужна чрезвычайная точность, можно сказать, что у всех нуклонов масса одинакова, и назвать её массой нуклона, mнуклон:

(≈ означает «примерно равно»)

2. Количество энергии, необходимой для удержания вместе протонов и нейтронов в ядре, относительно мало – порядка тысячной доли части энергии массы (E = mc 2 ) протонов и нейтронов, так что масса ядра почти равна сумме масс его нуклонов:

3. Масса электрона равняется 1/1835 массы протона – так что почти вся масса атома содержится в его ядре:

Тут подразумевается наличие четвёртого важного факта: все атомы определённого изотопа определённого элемента одинаковы, как и все их электроны, протоны и нейтроны.

Поскольку в самом распространённом изотопе водорода содержится один электрон и один протон:

масса атома Mатом определённого изотопа просто равна Z+N, помноженному на массу атома водорода

и погрешность этих уравнений примерно равна 0,1%.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, электрический заряд Qядро ядра просто равен количеству протонов, помноженному на электрический заряд протона («e»):

В отличие от предыдущих уравнений, это уравнение выполняется точно.

Эти уравнения проиллюстрированы на рис. 2

Рис. 2

Используя открытия последних десятилетий XIX века и первых десятилетий XX, физики знали, как измерить в эксперименте оба обозначенных красным значения: заряд ядра в e, и массу любого атома в атомах водорода. Так что эти значения были известны уже в 1910-х. Однако правильно интерпретировать их смогли только в 1932 году, когда Джеймс Чедвик определил, что нейтрон (идею которого предложил Эрнест Резерфорд в 1920-м) является отдельной частицей. Но как только стало понятно, что нейтроны существуют, и что их масса практически равна массе протона, сразу же стало ясно, как интерпретировать числа Z и N — количество протонов и нейтронов. А также сразу родилась новая загадка – почему у протонов и нейтронов почти одинаковая масса.

Честно говоря, физикам того времени с научной точки зрения страшно повезло, что всё это было так легко установить. Закономерности масс и зарядов настолько просты, что даже самые долгие загадки были раскрыты сразу после открытия нейтрона. Если бы хотя бы один из перечисленных мною фактов природы оказался неверным, тогда на то, чтобы понять, что происходит внутри атомов и их ядер, ушло бы гораздо больше времени.

Рис. 3

К сожалению, с других точек зрения было бы гораздо лучше, если бы всё оказалось сложнее. Вряд ли можно было подобрать худший момент для этого научного прорыва. Открытие нейтрона и понимание структуры атома совпало с мировым экономическим кризисом, известным, как Великая Депрессия, и с появлением нескольких авторитарных и экспансионистских правительств в Европе и Азии. Быстро началась гонка ведущих научных держав в области понимания и получения энергии и оружия из ядра атома. Реакторы, выдающие ядерную энергию, были получены всего за десять лет, а за тринадцать – ядерное оружие. И сегодня нам приходится жить с последствиями этого.

Откуда нам известно, что ядро атома маленькое?

Одно дело – убедить себя, что определённое ядро определённого изотопа содержит Z протонов и N нейтронов; другое – убедить себя, что ядра атомов крохотные, и что протоны с нейтронами, будучи сжатыми вместе, не размазываются в кашу и не разбалтываются в месиво, а сохраняют свою структуру, как подсказывает нам мультяшное изображение. Как это можно подтвердить?

Я уже упоминал, что атомы практически пусты. Это легко проверить. Представьте себе алюминиевую фольгу; сквозь неё ничего не видно. Поскольку она непрозрачная, вы можете решить, что атомы алюминия:
1. Настолько крупные, что между ними нет просветов,
2. Настолько плотные и твёрдые, что свет сквозь них не проходит.

Насчёт первого пункта вы будете правы; в твёрдом веществе между двумя атомами почти нет свободного пространства. Это можно наблюдать на изображениях атомов, полученных при помощи особых микроскопов; атомы похожи на маленькие сферы (краями которых служат края электронных облаков), и они довольно плотно упакованы. Но со вторым пунктом вы ошибётесь.

Рис. 4

Если бы атомы были непроницаемыми, тогда сквозь алюминиевую фольгу ничто не смогло бы пройти – ни фотоны видимого света, ни рентгеновские фотоны, ни электроны, ни протоны, ни атомные ядра. Всё, что вы направили бы в сторону фольги, либо застревало бы в ней, либо отскакивало бы – точно так же, как любой кинутый объект должен отскочить или застрять в гипсокартонной стенке (рис. 3). Но на самом деле электроны высокой энергии легко могут пройти через кусочек алюминиевой фольги, как и рентгеновские фотоны, высокоэнергетические протоны, высокоэнергетические нейтроны, высокоэнергетические ядра, и так далее. Электроны и другие частицы – почти все, если точнее – могут пройти через материал, не потеряв ни энергии, ни импульса в столкновениях с чем-либо, содержащимся внутри атомов. Лишь малая часть их ударится об атомное ядро или электрон, и в этом случае они могут потерять большую часть своей начальной энергии движения. Но большая часть электронов, протонов, нейтронов, рентгеновских лучей и всякого такого просто спокойно пройдут насквозь (рис. 4). Это не похоже на швыряние гальки в стену; это похоже на швыряние гальки в сетчатый забор (рис. 5).

Рис. 5

Чем толще фольга – к примеру, если складывать всё больше и больше листов фольги вместе – тем вероятнее частицы, запущенные в неё, столкнуться с чем-либо, потеряют энергию, отскочат, изменят направление движения или даже остановятся. То же было бы верно, если бы вы наслаивали одну за другой проволочные сетки (рис. 6). И, как вы понимаете, из того, насколько далеко средняя галька может проникнуть сквозь слои сетки и насколько велики разрывы в сетке, учёные могут подсчитать на основании пройденной электронами или атомными ядрами дистанции, насколько атом пустой.

Рис. 6

Посредством таких экспериментов физики начала XX века установили, что внутри атома ничто – ни атомное ядро, ни электроны – не может быть большим, чем одна тысячная миллионных миллионных долей метра, то есть в 100 000 раз меньше самого атома. То, что такого размера достигает ядро, а электроны по меньшей мере в 1000 раз меньше, мы устанавливаем в других экспериментах – например, в рассеянии высокоэнергетических электронов друг с друга, или с позитронов.

Чтобы быть ещё более точным, следует упомянуть, что некоторые частицы потеряют часть энергии в процессе ионизации, в котором электрические силы, действующие между летящей частицей и электроном, могут вырвать электрон из атома. Это дальнодействующий эффект, и столкновением на самом деле не является. Итоговая потеря энергии значительна для летящих электронов, но не для летящего ядра.

Вы можете задуматься над тем, похоже ли то, как частицы проходят сквозь фольгу, на то, как пуля проходить сквозь бумагу – расталкивая части бумаги в стороны. Возможно, первые несколько частиц просто расталкивают атомы в стороны, оставляя большие отверстия, через которые проходят последующие? Мы знаем, что это не так, поскольку мы можем провести эксперимент, в котором частицы проходят внутрь и наружу контейнера, сделанного из металла или стекла, внутри которого вакуум. Если бы частица, проходя через стенки контейнера, создавала отверстия по размеру превышающие атомы, тогда внутрь устремились бы молекулы воздуха, и вакуум бы исчез. Но в таких экспериментах вакуум остаётся!

Также довольно легко определить, что ядро – это не особенно структурированная кучка, внутри которой нуклоны сохраняют свою структуру. Об этом уже можно догадаться по тому факту, что масса ядра очень близка к сумме масс содержащихся в нём протонов и нейтронов. Это выполняется и для атомов, и для молекул – их массы почти равны сумме масс их содержимого, кроме небольшой коррекции на связывающую энергию – и это отражено в том факте, что молекулы довольно легко разбить на атомы (к примеру, нагрев их так, чтобы они сильнее сталкивались друг с другом), и выбить электроны из атомов (опять-таки, при помощи нагрева). Сходным образом относительно легко разбить ядра на части, и этот процесс будет называться расщеплением, или собрать ядро из более мелких ядер и нуклонов, и этот процесс будет называться синтезом. К примеру, относительно медленно двигающиеся протоны или небольшие ядра, сталкивающиеся с более крупным ядром, могут разбить его на части; нет необходимости, чтобы сталкивающиеся частицы двигались со скоростью света.

Рис. 7

Но чтобы понять, что это не является неизбежным, упомяну, что этими свойствами не обладают сами протоны и нейтроны. Масса протона не равняется примерной сумме масс содержащихся в нём объектов; протон нельзя разбить на части; а для того, чтобы протон продемонстрировал что-нибудь интересное, необходимы энергии, сравнимые с энергией массы самого протона. Молекулы, атомы и ядра относительно просты; протоны и нейтроны чрезвычайно сложны.

  • Научно-популярное
  • Физика

Соотношение нуклонов в ядре и карта атомных ядер

Атомное ядро обозначают символом химического элемента ( Z A X ) , (^A_Ztext), ( Z A ​ X ) , в состав атома которого оно входит. Верхний и нижний левые индексы указывают соответственно полное число A A A нуклонов в нём ( массовое число A = Z + N A = Z + N ) и число протонов Z Z Z (равное заряду ядра в единицах заряда электрона). Так, например, ядро алюминия ( Al ) , (text), ( Al ) , имеющее 13 протонов и 14 нейтронов, обозначают 13 27 Al . ^_text. 13 27 ​ Al . Ядра с одинаковыми Z , Z, Z , но разными A A A называют изотопами , с одинаковыми A , A, A , но разными Z Z Z – изобарами . Известно около 3 тыс. нуклидов – ядер, отличающихся друг от друга либо значением A A A , либо Z Z Z , либо тем и другим. Более 90 % из них получены искусственным путём и обладают свойством радиоактивности . В природных образцах найдено 262 стабильных и 25 радиоактивных долгоживущих нуклидов (их период полураспада больше 0,5 млрд лет). Все они представлены на рис. 1 в виде т. н. N Z NZ -диаграммы, которую можно рассматривать как своеобразную карту атомных ядер. Каждому нуклиду отвечает отдельная точка на плоскости с осями чисел нейтронов ( N ) (N) ( N ) и протонов ( Z ) . (Z). ( Z ) . Совокупность этих точек образует линию стабильности атомных ядер .

Диаграмма атомных ядер

Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25). Рис. 1. Диаграмма атомных ядер, найденных в природных образцах. Синими точками отмечены стабильные ядра (их 262), красными – нестабильные (радиоактивные) долгоживущие атомные ядра (их 25). Лёгкие стабильные ядра ( A ≤ 20 A ≤ 20 A ≤ 20 ) располагаются вдоль линии N ≈ Z . N approx Z. N ≈ Z . С ростом A A A в ядрах, лежащих на линии стабильности, относительное число нейтронов увеличивается. У самых тяжёлых устойчивых нуклидов число нейтронов в ядре примерно в 1,5 раза превышает число протонов. Это объясняется возрастанием сил кулоновского отталкивания протонов с ростом Z . Z. Z . Эти силы стремятся разрушить атомное ядро. Поэтому восстановление устойчивости тяжёлых ядер достигается увеличением в них доли электрически нейтральных нейтронов.

Георгий Флёров и Юрий Оганесян

Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ. Рис. 2. Георгий Флёров и Юрий Оганесян, руководившие экспериментами по синтезу новых элементов таблицы Менделеева. Справа в таблице указаны трансфермиевые химические элементы в соответствии с их атомными номерами. Красным выделены элементы, названия которых даны в честь достижений российских и советских учёных. Таблица элементов: архив БРЭ. К самым тяжёлым стабильным ядрам относятся четыре изотопа свинца 82 204 Pb , ^_text, 82 204 ​ Pb , 82 206 Pb , ^_text, 82 206 ​ Pb , 82 207 Pb , ^_text, 82 207 ​ Pb , 82 208 Pb ^_text 82 208 ​ Pb и изотоп висмута 83 209 Bi . ^_text . 83 209 ​ Bi . Самые тяжёлые природные изотопы – это радиоактивные долгоживущие ядра тория ( 90 232 Th ) (^_text) ( 90 232 ​ Th ) и три изотопа урана 92 234 U , ^_text, 92 234 ​ U , 92 235 U , ^_text, 92 235 ​ U , 92 238 U . ^_text. 92 238 ​ U . Они показаны четырьмя красными точками в правом верхнем углу диаграммы рис. 1. Искусственным путём получено множество радиоактивных ядер, отсутствующих в природе. Их число примерно в 10 раз превышает число стабильных и долгоживущих ядер, представленных на рис. 1. Благодаря экспериментам по получению искусственных нуклидов известны ядра со значением Z Z Z до 118 и A A A до 294. Таким образом, количество известных химических элементов увеличилось примерно на 30 %. Эти элементы получили название трансурановых ( Z Z Z = 93–100) и трансфермиевых ( Z > 100 ) . (Z > 100). ( Z > 100 ) . Трансфермиевые элементы венчают современный существенно расширенный вариант таблицы Менделеева . Они перечислены на рис. 2. Четыре трансфермиевых элемента ( Db , (text, ( Db , Fl , text, Fl , Mc text Mc и Og ) text) Og ) синтезированы в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) и получили соответствующие названия. Элементы Flerovium и Oganesson названы в честь академиков Г. Н. Флёрова и Ю. Ц. Оганесяна , которые руководили экспериментами по синтезу новых элементов.

Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных)

Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных). Рис. 3. Диаграмма известных нуклидов (природных и искусственных). Вся совокупность известных атомных ядер представлена на N Z NZ -диаграмме (рис. 3). Области вне линии стабильности занимают искусственно полученные нестабильные радионуклиды , испытывающие радиоактивный распад. Цветом отмечены разные типы этого распада ( β + beta ^+ β + , β − beta ^- β − – бета-распад ; α alpha α – альфа-распад ; деление атомного ядра ; испускание протона или нейтрона). Реализация этих распадов возвращает вновь образованные ядра на линию стабильности.

Структура ядра

Схематическое изображение ядра углерода-12

Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ. Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ. Расстояния в ядерной физике принято измерять в ферми (Фм; 1 Фм = 10 –15 м, т. е. совпадает по величине с фемтометром). Атомное ядро представляет собой систему плотно упакованных нуклонов, среднее расстояние между которыми (1,5–2,0 Фм) сравнимо с размером нуклона. Нуклоны в ядре удерживаются мощными и короткодействующими ядерными силами притяжения, возникающими вследствие сильного взаимодействия между кварками и глюонами , из которых состоят нуклоны. Нуклон-нуклонное взаимодействие внутри атомного ядра реализуется путём обмена мезонами , прежде всего π-мезонами (рис. 4), которые, как и нуклоны, являются адронами , т. е. состоят из кварков и глюонов. Последовательное описание такого взаимодействия возможно лишь в рамках квантовой хромодинамики . Решение этой важнейшей проблемы ядерной физики до сих пор актуально.

Возможные формы ядер

Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ. Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ. Форма атомных ядер может быть различной. Но в любом случае это системы с центром симметрии . Есть ядра, имеющие сферическую форму. Большинство же ядер имеют форму, слегка отличающуюся от сферической. Несферические ядра (их также называют деформированными ядрами ) имеют форму, близкую к аксиально симметричному эллипсоиду, сплюснутому или вытянутому (рис. 5).

Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра

Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ. Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ. Для ядер с A ≥ 20 A ≥ 20 A ≥ 20 средняя плотность нуклонов меняется мало, т. е. объём ядра пропорционален A , A, A , а его радиус R R R пропорционален A ⅓ , text A^, A ⅓ , т. е. R = r 0 A . R = r_0A. R = r 0 ​ A . Константа r 0 r_0 r 0 ​ лежит в пределах 1,0–1,2 Фм. Плотность заряда и вещества максимальна в центре ядра и спадает к его границе (рис. 6), причём толщина поверхностного слоя, характеризующая этот спад, практически одинакова у различных ядер и составляет около 2,4 Фм. Средняя плотность ядерного вещества – около 10 17 кг/м 3 .

Как определить число протонов и нейтронов с помощью таблицы

Самый простой способ узнать точное число протонов и нейтронов в атоме — воспользоваться справочными таблицами изотопов химических элементов. В этих таблицах для каждого изотопа указаны значения:

  • Порядковый номер элемента (равен числу протонов)
  • Массовое число ядра
  • Число нейтронов

Рассмотрим пример для олова-120. По данным таблицы:

Порядковый номер:50 (число протонов)
Массовое число:120
Число нейтронов:70

Итак, в ядре атома олова-120 содержится 50 протонов и 70 нейтронов.

Как определить число протонов и нейтронов при ядерных реакциях

При ядерных реакциях, например делении или синтезе ядер, число протонов и нейтронов в исходных ядрах и продуктах реакции может изменяться. Однако при этом выполняются законы сохранения — заряда ядра и массового числа.

Это означает, что в реакции сумма зарядов (чисел протонов) и сумма массовых чисел исходных ядер должны быть равны суммарному заряду и массовому числу конечных ядер.

Например, при делении ядра урана-235 на два осколка суммарный заряд осколков будет равен 92 (числу протонов в U-235), а сумма их массовых чисел — 235.

Зная эти законы и массовые числа исходных ядер и продуктов реакции, можно рассчитать изменение числа протонов и нейтронов в каждом конкретном случае.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий