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 для электрона, -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 . 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.
Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником -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 -частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы -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 -частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной , 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 -частицы выбивают H-частицы или протоны.
По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду , 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.
Состав и строение атома. Изотопы. 7 класс.
Масса протона , по современным измерениям, равна p = 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:
Следовательно, Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой . Так как , в энергетических единицах масса протона равна .
Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых -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 , 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 Дж. Чедвиком заняться ее поиском. Через 12 лет, в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия -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.
Схема установки для обнаружения нейтронов
При бомбардировке бериллия -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 -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 -квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка .
Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия -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 -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной . Такой огромной энергией не могли обладать -кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием -частиц вылетают не безмассовые -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 n = 1,67493∙10 –27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна . 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 и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен , где – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом .
Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом :
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.
Состав атомного ядра. Число протонов
Предложенная Э. Резерфордом в (1911) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:
- атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
- более (99,96) % массы атома сосредоточено в его ядре;
- диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.
Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:
Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов . Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).
Протон ((p)) — частица, имеющая заряд (+1) и относительную массу, равную (1).
Нейтрон ((n)) — частица без заряда с относительной массой (1).
К элементарным частицам относятся также электроны ( е _ ), которые образуют электронную оболочку атома.
Рис. (1). Строение атома
Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 1 1840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.
Протон имеет положительный заряд (+1). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: (–)(1).
Параграф 7 Вопрос 6 ГДЗ Рудзитис Фельдман 8 класс (Химия)
В состав ядра атома входят два типа элементарных частиц: нейтроны и протоны. Также их называют нуклонами (от лат. nucleus — ядро). Они обладают одинаковой массой, но различно заряжены: нейтроны не имеют заряда, протоны – положительны.
*Цитирирование задания со ссылкой на учебник производится исключительно в учебных целях для лучшего понимания разбора решения задания.
*размещая тексты в комментариях ниже, вы автоматически соглашаетесь с пользовательским соглашением
Энергия связи ядра
Энергетической характеристикой атомного ядра является его энергия связи – минимальная энергия, которая необходима для расщепления ядра на свободные нуклоны:
E св = ( Z m p + N m n ) c 2 – M c 2 , E_ = (Zm_p + Nm_n)c^2 – Mc^2, E св = ( Z m p + N m n ) c 2 – M c 2 , где M , M, M , m p , m_p, m p , m n m_n m n – масса ядра, протона и нейтрона соответственно, c c c – скорость света. E св E_ E св ядра тем больше, чем больше A , A, A , а удельная энергия связи (энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон) для большинства ядер лежит в интервале энергий 7–9 МэВ (рис. 7). Такая особенность удельной энергии связи атомного ядра объясняется короткодействием ядерных сил: нуклон в ядре, как правило, взаимодействует лишь со своим ближайшим окружением.
Постоянство плотности и удельной энергии связи позволяет рассматривать атомное ядро как каплю заряженной жидкости, что привело к разработке капельной модели ядра . На основе этой модели немецкий физик К. Ф. фон Вайцзеккер в 1935 г. предложил полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра, названную формулой Вайцзеккера :
E св = a 1 A – a 2 A 2 / 3 – a 3 Z ( Z – 1 ) A – 1 / 3 – a 4 ( N – Z ) 2 A – 1 + a 5 A – 3 / 4 , E_ = a_1A – a_2A^ – a_3Z(Z–1)A^ – a_4(N–Z)^2A^ + a_5A^, E св = a 1 A – a 2 A 2/3 – a 3 Z ( Z –1 ) A –1/3 – a 4 ( N – Z ) 2 A –1 + a 5 A –3/4 , где a 1 , a_1, a 1 , a 2 , a_2, a 2 , a 3 , a_3, a 3 , a 4 , a_4, a 4 , a 5 a_5 a 5 – эмпирические коэффициенты, имеющие размерность энергии.
В дальнейшем были обнаружены ядра, у которых наблюдались значительные отклонения от формулы Вайцзеккера. Это магические ядра , проявляющие наибольшую устойчивость, т. е. имеющие аномально большую энергию связи по сравнению с близкими по составу нуклидами и повышенную распространённость в природе. Их форма близка к сферической, а число нейтронов и/или протонов в них равно 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Обнаружение и исследование магических ядер привело к созданию оболочечной модели ядра .
Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ. Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ. Атомное ядро – потенциальный источник огромной энергии. Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов (рис. 7) имеет максимум при A ≈ Aapprox A ≈ 50–60, где располагаются наиболее устойчивые ядра. Поэтому существуют два возможных процесса, позволяющих извлечь ядерную энергию : деление тяжёлых ядер и синтез (слияние) лёгких ядер. В обоих процессах удельная энергия связи конечных ядер возрастает и возникающий при этом избыток энергии освобождается. Первый процесс, проходящий при возникновении неуправляемой цепной ядерной реакции деления, может привести к ядерному взрыву , а идущий в контролируемом режиме используется в ядерных реакторах . Второй процесс ( термоядерные реакции ) имеет место в звёздах и был реализован человечеством в термоядерном оружии (водородной бомбе). Предпринимаются попытки создания термоядерного реактора для использования этой самой большой (при расчёте на единицу массы топлива) энергии в мирных целях.
Энергетические состояния ядра
Атомные ядра могут находиться в различных энергетических состояниях: невозбуждённом (с наименьшей энергией) и возбуждённых состояниях . Возбуждённые состояния образуют спектр ядерных уровней, который дискретен до энергии возбуждения около 10 МэВ. При бóльших энергиях этот спектр становится непрерывным за счёт возрастающей плотности уровней и их ширины. Область ядерных возбуждений лежит в интервале 0–100 МэВ. Выше этой энергии в ядре начинают проявляться возбуждённые состояния отдельных нуклонов. Сведения о различных ядерных состояниях собраны в базах данных международных ядерных центров.
Несмотря на то что атомное ядро открыто более 100 лет назад, его изучение ещё далеко от завершения. Это связано с необычайной сложностью ядра, включающего до 300 нуклонов, которые также имеют сложную внутреннюю структуру. Причём нуклоны размером около 10 –15 м плотно сжаты в пространстве размером не более 10 –14 м, где они движутся со скоростями, достигающими 20 % скорости света, и испытывают самые сильные из известных взаимодействий. При теоретическом описании атомного ядра используют приближённые методы решения задачи многих тел; широко распространён феноменологический подход, в основе которого лежат ядерные модели, отражающие различные свойства атомного ядра. Обусловлено это тем, что в разных процессах атомное ядро проявляет различные и, на первый взгляд, несовместимые друг с другом свойства. Оно похоже на газ (вырожденный ферми-газ ), и в то же время большая плотность роднит его с ферми-жидкостью . В ряде случаев атомное ядро проявляет свойства, сближающие его и с плазмой , и с твёрдым телом . В нём присутствуют как одночастичные возбуждения, характерные для атомов, так и коллективные, присущие молекулам и макроскопическим объектам. Поэтому в физике атомного ядра часто используют идеи из других областей физики (атомной и молекулярной физики, гидродинамики, физики твёрдого тела и элементарных частиц). Теоретический аппарат ядерной физики также весьма разнообразен – от классической электродинамики и статистической физики до квантовой механики и квантовой теории поля .
Опубликовано 21 ноября 2022 г. в 12:47 (GMT+3). Последнее обновление 21 ноября 2022 г. в 12:47 (GMT+3). Связаться с редакцией
Протон
Из каких же частиц состоят ядра атомов? В наше время является фактом то, что ядра атомов различных элементов состоят из двух видов частиц, то есть из нейтронов и протонов. Вторая из этих частиц является лишившийся единственного своего электрона атомом водорода. Такая частица была замечена уже в опытах Дж. Томсона 1907 года. Ученый смог измерить у нее отношение e m .
Следовательно, опыт Резерфорда, открывший явление расщепления ядер азота и иных элементов таблицы Менделеева в условиях ударов быстрых α -частиц, также показал, что в состав атомных ядер входят протоны.
Вследствие открытия протонов у некоторых физиков появилось предположение, что новые частицы не просто входят в состав ядер атомов, а являются его единственными возможными элементами. Однако по причине того, что отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны, данное предположение было признано несостоятельным. Для более тяжелых ядер такое отношение оказывается меньше, чем для легких, из чего следует, что при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра возрастает быстрее заряда.
Нейтроны
В 1920 году Э. Резерфордом была высказана гипотеза о присутствии в составе ядер некой компактной жестко связанной пары, состоящей из электрона и протона. В понимании ученого данная связка являлась электрически нейтральным образованием в качестве частицы, обладающей практически эквивалентной массе протона массой. Им также было придумано название для данной гипотетической частицы, Резерфорд хотел назвать ее нейтроном. К сожалению, приведенная идея, несмотря на свою красоту, была ошибочной. Было выяснено, что электрон не может являться частью ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10 – 13 с м , электрон должен обладать невероятной кинетической энергией, которая на много порядков превосходит энергию связи ядер в расчете на одну частицу.
Идея о существовании некой тяжелой нейтрально заряженной частицы в составе ядра была крайне привлекательна для Резерфорда. Ученый незамедлительно обратился к группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком с предложением заняться ее поисками. По прошествии 12 лет, в 1932 году Чедвик провел экспериментальное исследование излучения, возникающего в условиях облучения бериллия α -частицами. В процессе он обнаружил, что данное излучение является потоком нейтральных частиц, обладающих массой, практически эквивалентной массе протона. Таким образом был открыт нейтрон. На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирована упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.
Рисунок 6 . 5 . 2 . Схема установки для обнаружения нейтронов.
В процессе бомбардировки бериллия испускаемыми радиоактивным полонием α -частицами появляется мощное проникающее излучение, способное пройти сквозь преграду в виде 10 — 20 сантиметрового слоя свинца. Данное излучение практически в то же время, что и Чедвик обнаружили супруги дочь Марии и Пьера Кюри Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, однако ими было выдвинуто предположение, что это γ -лучи большой энергии. Они заметили, что если на пути излучения бериллия установить парафиновую пластину, то ионизирующая способность данного излучения скачкообразно увеличивается. Супруги доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина в большом количестве имеющиеся в приведенном водородосодержащем веществе протоны. Используя значение длины свободного пробега протонов в воздухе, учеными была оценена энергия γ -квантов, обладающих способностью в условиях столкновения сообщать протонам нужную скорость. Полученное в результате оценки значение энергии оказалось огромным – около 50 М э В .
В 1932 Дж. Чедвиком была выполнена целая серия из экспериментов, направленных на всестороннее изучение свойств излучения, которое возникает при облучении бериллия α -частицами. В своих опытах Чедвик применял разные методы исследования ионизирующих излучений.
На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирован счетчик Гейгера, прибор, использующийся для регистрации заряженных частиц.
Данное устройство состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, обычно в его качестве выступает аргон, при низком давлении. Заряженная частица в процессе перемещения в газе вызывает ионизацию молекул.
Возникающие в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается явление ударной ионизации. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.
Определение 5
Еще одним обладающим чрезвычайной важностью для исследования частиц прибором является камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след или, как его еще называют, трек.
Траекторию частицы можно фотографировать или наблюдать непосредственно. Фундаментом действия созданной в 1912 году камеры Вильсона является явление конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. При помощи камеры Вильсона появляется возможность наблюдения искривления траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.
В своих экспериментах Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона следы испытавших столкновение с бериллиевым излучением ядер азота. Основываясь на данных опытах, ученый оценил энергию γ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Полученное значение равнялось 100 – 150 М э В . Настолько огромной энергией не могли обладать испущенные бериллием γ -кванты. Исходя из этого факта, Чедвик заключил, что из бериллия при воздействии α -частиц вылетают не безмассовые γ -кванты, а достаточно тяжелые частицы. Данные частицы обладали немалой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, соответственно, они были электронейтральны. Таким образом было доказано существование нейтрона – частицы, которую предсказал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика.
Определение 6
Нейтрон представляет собой элементарную частицу. Ошибочным будет ее представление в виде компактной протон-электронной пары, как изначально предполагал Резерфорд.
Исходя из результатов современных измерений, мы можем сказать, что масса нейтрона m n = 1 , 67493 · 10 – 27 к г = 1 , 008665 а . е . м .
В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна 939 , 56563 М э В . Масса нейтрона примерно на две электронные массы превосходит массу протона.
Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко на пару с немецким физиком В. Гейзенберг выдвинул 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 Z e , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .
Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра A :
Нейтроны
Нейтроны – это частицы, которые также находятся в атомном ядре. Они не имеют электрического заряда, поэтому называются нейтральными. Нейтроны взаимодействуют с протонами и другими нейтронами с помощью сильного ядерного взаимодействия, которое обеспечивает стабильность ядра.
Нейтроны имеют массу, примерно равную массе протона. Масса нейтрона составляет около 1,67 × 10^-27 килограмма. Это также очень маленькая масса, но в атомном масштабе она имеет большое значение.
Нейтроны не имеют электрического заряда, поэтому они не взаимодействуют с электрическим полем. Однако они взаимодействуют с другими частицами через сильное ядерное взаимодействие. Это взаимодействие позволяет нейтронам оставаться в ядре и обеспечивает стабильность ядра.
Нейтроны также играют важную роль в ядерных реакциях. Они могут быть захвачены другими ядрами, что приводит к образованию новых элементов и высвобождению энергии. Это основа для работы ядерных реакторов и ядерных бомб.
Количество нейтронов в ядре может варьироваться, и это определяет изотопы элемента. Изотопы имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Например, углерод-12 имеет 6 протонов и 6 нейтронов, а углерод-14 имеет 6 протонов и 8 нейтронов.
Изотопы
Изотопы – это разновидности атомов одного и того же элемента, которые отличаются только количеством нейтронов в их ядрах. Все изотопы одного элемента имеют одинаковое количество протонов в ядре, но разное количество нейтронов.
Количество нейтронов в ядре определяет массовое число изотопа. Массовое число – это сумма протонов и нейтронов в ядре. Например, углерод-12 имеет 6 протонов и 6 нейтронов, поэтому его массовое число равно 12. Углерод-14 имеет 6 протонов и 8 нейтронов, поэтому его массовое число равно 14.
Изотопы могут иметь различные свойства, такие как стабильность и радиоактивность. Стабильные изотопы не подвержены распаду и остаются в ядре в течение длительного времени. Радиоактивные изотопы, с другой стороны, подвержены распаду и испускают радиацию в процессе распада.
Изотопы играют важную роль в науке и технологии. Они используются в радиоактивных исследованиях, медицине, археологии и других областях. Некоторые изотопы также используются в ядерной энергетике и ядерных взрывах.
Ядерные Силы
Возникает вопрос – если протоны обеспечивают положительный заряд ядра, то почему существуют ядра элементов с зарядом больше единицы ? Ведь протоны, заряженные одинаково, должны отталкиваться друг от друга!
Нуклоны удерживает вместе особое Сильное (или ядерное) взаимодействие. Особенность ядерного взаимодействия в том, что его переносчики (глюоны и составленные из них пионы) – не только переносят сильное взаимодействие, но и сами в нем участвуют. Поэтому они не могут далеко удаляться друг от друга, и радиус действия ядерных сил не превышает размеры ядер. Эти силы значительно больше кулоновских сил отталкивания, и поэтому ядра, содержащие много положительных протонов стабильны.
Эти же силы определяют стабильность нейтрона в составе ядер. Свободный нейтрон – это нестабильная частица с периодом полураспада около 600 сек. Ядерные взаимодействия делают распад нейтрона в ядрах с малым их числом $N$ энергетически невыгодным.
Протонно-нейтронная модель ядра
Таким образом, в состав атомного ядра входят протоны и нейтроны, которые удерживаются вместе короткодействующим Сильным взаимодействием. Число протонов в ядре $Z$ соответствует номеру элемента в Периодической Системе Менделеева. Общее число нуклонов в ядре $A$ соответствует массовому числу элемента:
Чем больше протонов в ядре – тем больше силы кулоновского отталкивания, и тем менее стабильно ядро. Наличие $N$ нейтронов в ядре стабилизирует его.
Для тяжелых элементов, содержащих в ядре много протонов, число нейтронов должно быть еще больше. Так, например, ядро наиболее распространенного в природе свинца-208 содержит 82 протона и 126 нейтронов. Однако, если число нейтронов становится слишком большим, становится энергетически выгоден распад нейтрона, а с распадом нейтрона уменьшаются ядерные силы, и ядро распадается. Именно поэтому наиболее стабильными являются ядра со средним числом нейтронов и протонов.
