АТОМНЕ ЯДРО

Вперше гіпотеза існування атомного ядра було висловлено Еге. Резерфордом на підставі дослідів з розсіювання а-частинок речовиною [див. § 1J. Резерфорд дійшов висновку, що атом складається з позитивно зарядженого ядра (розмірами 10 14 - 10-15 м і масою, практично рівної масі атома), навколо якого по замкнутих орбіт рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома. Природно постало питання про внутрішню структуру атомного ядра. Дослідження розщеплення атомних ядер показало, що це процес супроводжується вильотом протонів. Це було доказом того, що протони входять до складу атомного ядра. Далі, після відкриття Дж. Чедвіком (1932) нейтронів | їх існування було передбачено ще Резерфордом (1921) |, було запропоновано модель ядра, що складається з протонів і нейтронів.

Атомним ядром називають позитивно заряджену центральну частину атома, у якій зосереджена практично вся маса атома. Атомне ядро ​​будь-якого хімічного елемента (крім ядра атома водню, що складається з одного протона) складається з елементарних частинок протонів і нейтронів [Д.Д. Іваненко (1932) та Ст. Гейзенберг]. Протони та нейтрони називають нуклонами. Нуклони в ядрі утримуються ядерними силами і рухаються всередині ядра з нерелятивістськими швидкостями. Поряд із терміном «атомне ядро» використовують також назву нуклід (Загальна назва атомних ядер, що відрізняються числом протонів Z та нейтронів IV). Основні характеристики нуклонів [електричний заряд, маса (в кг та в масах електрона т), спин] представлені у табл. 5. Таблиця 5

Атомні ядра характеризують зарядовим числом Z: воно дорівнює числу протонів в ядрі, збігається з порядковим номером хімічного елемента в періодичній системі елементів Менделєєва і визначає заряд ядра + Ze. Загальна кількість нуклонів в атомному ядрі називають масовим числом А. Таким чином, різниця чисел N = А — Z визначає число нейтронів у ядрі. Нуклонам (протону та нейтрону) приписується А = I, електрону А = 0. Оскільки атом нейтральний, заряд ядра визначає і число електронів в атомі. Від числа електронів залежить їх розподіл за станами в атомі, від якого, у свою чергу, залежать хімічні властивості атома. Отже, заряд ядра визначає специфіку даного хімічного елемента, Т. е. визначає число електронів в атомі, конфігурацію їх електронних оболонок, величину та характер внутрішньоатомного електричного поля. Для позначення ядер використовується символічний запис уХ, де X - символ хімічного елемента, Z - атомний номер (число протонів в ядрі), А - Масове число (число нуклонів в ядрі), наприклад ^Al, -^U і т. д. Атомні ядра одного і того ж елемента з різним числом нейтронів називають ізотопами. Ізотопи мають однакове число Z (однакове число протонів) та різні масові числа А (Різне число нуклонів), наприклад 9 В 10 В "В Атомні ядра різних елементів з однаковим масовим числом А називають ізобарами, Ізобари мають різні Z (різне число протонів) і однакове масове число (однакове число нуклонів), наприклад 2I _S 0 ,T1, 2 g"Pb, 2 g§Вi.

Атомні ядра різних елементів з однаковим числом нейтронів N (N = А - Z) називають ізотопами, ізотопи мають різні Z (різне число протонів), різне масове число А (Різне число нуклонів), але однакове N (однакове число нейтронів), наприклад ₆с, '₇ 5 n, l6 _s0. Форму атомних ядер у першому наближенні вважатимуться сферичною. Досліди щодо розсіювання заряджених частинок на ядрах приводять до висновку, що радіус ядра може бути виражений наступною емпіричною формулою: де R₀ = 1,3-1,7 фм. Отже, обсяг ядра пропорційний числу нуклонів в ядрі, а середня густина числа нуклонів в ядрі (їх число в одиниці об'єму) для всіх багатонуклонних ядер практично однакова: р ~ 1017 кг/м 3 .

Склад атомного ядра

Більшість маси всіх елементів Землі зосереджена в елементарних частках, званих протонами і нейтронами (загальна назва – нуклоны). Поговоримо коротко про протони та нейтрони у складі атомних ядер.

Протони та нейтрони

На початку XXв дослідах Еге. Резерфорда було встановлено, що практично вся маса та позитивний заряд атома зосереджений у компактному ядрі. Навколо ядра по дуже далеким (стосовно розміру ядра) орбітам обертаються електрони. Атом загалом нейтральний, оскільки заряд електронів і ядра однаковий.

Мал. 1. Планетарна модель атома.

Подальші досліди Еге. Резерфорда привели у 1919 р. до відкриття протона, і до розуміння, що весь позитивний заряд ядра забезпечується наявністю у його складі протонів. Протон – це досить важка частка, важча електрона в 1830 разів, що приблизно дорівнює одній атомній одиниці маси. Його позитивний заряд за модулем дорівнює заряду електрона. Ядро найлегшого елемента - водню - має одиничний заряд, і складається з одного протона, навколо якого звертається один електрон.

В 1930 Д. Чедвіком було відкрито нейтрон.Це ще одна елементарна частка, майже з такою ж масою, як у протона, але не має заряду, що входить до складу ядер.

Ядерні Сили

Виникає питання – якщо протони забезпечують позитивний заряд ядра, чому існують ядра елементів із зарядом більше одиниці ? Адже протони, заряджені однаково, повинні відштовхуватися один від одного!

Нуклони утримує разом особливу сильну (або ядерну) взаємодію. Особливість ядерної взаємодії у цьому, що його переносники (глюони і складені їх півонії) – як переносять сильне взаємодія, а й у ньому беруть участь. Тому вони можуть далеко віддалятися друг від друга, і радіус дії ядерних сил вбирається у розміри ядер. Ці сили значно більше кулонівських сил відштовхування, і тому ядра, що містять багато позитивних протонів, стабільні.

Ці самі сили визначають стабільність нейтрону у складі ядер. Вільний нейтрон – це нестабільна частка з періодом напіврозпаду близько 600 с. Ядерні взаємодії роблять розпад нейтрону в ядрах з малим числом $N$ енергетично невигідним.

Протонно-нейтронна модель ядра

Таким чином, до складу атомного ядра входять протони і нейтрони, які утримуються разом короткодіючим сильним взаємодією. Число протонів у ядрі $Z$ відповідає номеру елемента в Періодичній Системі Менделєєва. Загальна кількість нуклонів у ядрі $A$ відповідає масовому числу елемента:

Мал. 3. Протонно-нейтронна модель ядра.

Чим більше протонів у ядрі – тим більше сили кулонівського відштовхування, і тим менш стабільне ядро. Наявність $N$ нейтронів у ядрі стабілізує його.

Для важких елементів, що містять у ядрі багато протонів, число нейтронів має бути ще більшим.Так, наприклад, ядро ​​найбільш поширеного в природі свинцю-208 містить 82 протони та 126 нейтронів. Однак, якщо кількість нейтронів стає занадто великою, стає енергетично вигідним розпад нейтрону, а з розпадом нейтрону зменшуються ядерні сили, і ядро ​​розпадається. Саме тому найбільш стабільними є ядра із середнім числом нейтронів та протонів.

Що ми дізналися?

Ядро атома складається з елементарних частинок – протонів та нейтронів, які утримуються разом особливими ядерними силами. Число протонів у ядрі відповідає номеру елемента у Періодичній системі. Загальна кількість нуклонів - відповідає масовому числу.

склад атомного ядра. Ядерні сили

У цьому відеоуроці ми дамо строгі визначення зарядового та масового числа. Також ви дізнаєтеся, яка загальна назва протонів та нейтронів у ядрі атома. Познайомтеся з ізотопами та навчитеся пояснювати їх існування на основі протонно-нейтронної моделі ядра. А також дізнаєтеся, як називаються сили, що діють між протонами та нейтронами в ядрі, і які їх характерні риси.

На даний момент ви не можете подивитися чи роздати відеоурок учням

Щоб отримати доступ до цього та інших відеоуроків комплекту, потрібно додати його до особистого кабінету.

Отримайте неймовірні можливості

Конспект уроку "Склад атомного ядра. Ядерні сили"

Практично відразу після відкриття нейтрона радянським фізиком Дмитром Іваненком та німецьким вченим Вернером Гейзенбергом було запропоновано протонно-нейтронну модель атомного ядра. Згідно з нею, ядра всіх хімічних елементів (за винятком водню) складаються з двох видів частинок: протонів та нейтронів. Протони та нейтрони називають нуклонами (від латинського "нуклеус" - ядро), а ядра атомів – нуклідами.

Загальна кількість нуклонів у ядрі називають масовим числом і позначають літерою А. Воно ставиться вгорі перед літерним позначенням хімічного елемента.

Наприклад, масове число кисню дорівнює 16, а вуглецю - 12.

Ми вже говорили про те, що масове число прийнято виражати в атомних одиницях маси (скорочено, а. е. м) і округлювати до цілих чисел. Нагадаємо також, що атомну одиницю маси виражають через масу атома вуглецю; вона дорівнює 1/12 частини маси атома вуглецю:

Число протонів у ядрі відповідає порядковому чи атомному номеру елемента в таблиці Менделєєва і називається зарядовим числомоскільки воно визначає заряд ядра. Позначається зарядове число буквою Z.

У прикладах, зарядове число кисню дорівнює восьми, а вуглецю — 6.

Як видно з наведених прикладів, число заряду ставиться внизу перед буквеним позначенням елемента.

Нагадаємо, що заряд протона позитивний і дорівнює елементарному електричному заряду. Отже, зарядове число чисельно дорівнює заряду ядра, що у елементарних електричних зарядах.

Оскільки атом в цілому електрично нейтральний, то зарядове число визначає одночасно кількість електронів в атомі.

Число нейтронів у ядрі позначають великою літерою N. Неважко здогадатися, що воно дорівнює різниці між масовим і зарядовим числом:

Таким чином, ядро ​​будь-якого атома позначається буквеним символом елемента. Вгорі вказується значення його масового числа, а внизу зарядового.

У загальному випадку будь-який хімічний елемент періодичної таблиці Дмитра Івановича Менделєєва можна подати у вигляді:

де під X мається на увазі символ хімічного елемента.

Ще раз уточнимо, як визначається число протонів, електронів і нейтронів в ядрі атома будь-якого хімічного елемента. По-перше, необхідно подивитися в таблиці Менделєєва порядковий номер хімічного елемента, що цікавить нас. Таким чином ми знайдемо зарядове число, тобто кількість протонів та електронів у ядрі. Потім, все в тій же таблиці, необхідно подивитися атомну масу цього елемента і округлити до цілих. Тим самим знайдемо масове число, тобто загальна кількість нуклонів в ядрі. І нарешті, щоб визначити кількість нейтронів у ядрі атома, ми повинні будемо відняти від масового числа зарядове.

На основі нової, протонно-нейтронної моделі будови атомних ядер було дано пояснення багатьом експериментальним фактам. Так, наприклад, ще в 1906-1907 роках вченими було виявлено, що продукт радіоактивного розпаду урану - іоній і продукт радіоактивного розпаду торію - радіоторій мають ті ж хімічні властивості, що і торій, але відрізняються від нього атомною масою і характеристиками радіоактивного розпаду. При цьому атоми мали однакові хімічні властивості, а відокремити їх один від одного було неможливо ніякими хімічними методами. Вперше на існування таких атомів звернув увагу Фредерік Содді у 1910 році. Він запропонував називати такі різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента ізотопами (що по-грецьки означає «рівномісні»), оскільки за своїми хімічними властивостями вони повинні бути поміщені в ту саму клітинку таблиці Менделєєва.

На основі багатьох експериментів було встановлено, що ізотопи однаково вступають у хімічні реакції та утворюють однакові сполуки.Це свідчило, що кількість електронів в електронних оболонках, отже, і заряд ядра в ізотопів однакові. Отже, ядра ізотопів відрізняються лише числом нейтронів. Інакше кажучи, хімічні властивості елементів визначаються не атомної масою, а зарядовим числом ядра. Дійсно, наприклад, нукліди водню-три та гелію-три мають близькі за величиною атомні маси, але принципово різні хімічні властивості.

З усіх відомих на сьогоднішній день ізотопів (а вони є у всіх хімічних елементів) тільки ізотопи водню мають назви:

Протий є найпоширенішим ізотопом у природі, яке ядро ​​містить лише одне протон. Ізотоп дейтерію (його ще називають важкою водою), містить у своєму ядрі один протон і один нейтрон. Відповідно, у тритію — один протон і два нейтрони. В даний час в лабораторіях отримані ізотопи водню і з великою кількістю нейтронів: трьома, чотирма, п'ятьма і навіть шістьма.

Слід зазначити, що різні атоми мають різну кількість ізотопів. Наприклад, у урану їх 26, але найпоширенішими в природі є два - це уран-235 (близько 0,7%), і уран-238 (трохи більше 99%). Ви, напевно, звернули увагу, що ми не називали зарядового числа ізотопів урану. Справа в тому, що зазвичай ізотопи називають їх масовими числами, так як зарядові числа у них однакові.

Зазначимо, що ізотопи бувають стійкі (або стабільні) та нестійкі (тобто радіоактивні). Стабільні ізотопи зберігаються як завгодно довго.

А нестабільні ізотопи з часом перетворюються на інші хімічні елементи внаслідок радіоактивних перетворень.

В даний час відомо близько 280 стабільних ізотопів хімічних елементів та понад 2 тис.радіоактивних ізотопів.

Як правило, природні елементи є сумішшю декількох ізотопів, тому виникає завдання їхнього поділу. Як ми вже знаємо, магнітне поле викривляє траєкторію руху заряджених частинок. На цій властивості магнітного поля засновано дію пристрою, що називається мас-спектрографом, який використовується для поділу ізотопів за масовим числом.

Закріплення матеріалу.

Наприкінці зазначимо, що запропонована Іваненко та Гейзенбергом протонно-нейтронна модель будови ядра згодом повністю була підтверджена експериментально. Однак залишалося невирішеним ще одне питання: чому ядра атомів не розпадаються на окремі нуклони? Дійсно, адже ми знаємо, що ядра атомів є вельми стійкими утвореннями, хоча до їх складу входять однаково заряджені частинки протони. А оскільки розміри ядер дуже малі, то між протонами мають існувати величезні сили електричного відштовхування — близько 230 ньютонів, що для часток з масою близько 10 –27 ступеня кілограм є дуже великою силою. Тому постає питання: яка взаємодія перешкоджає взаємному відштовхуванню між однойменно зарядженими частинками?

Ми знаємо, що крім електромагнітних сил у природі існують також гравітаційні сили. Можливо, стабілізуючу роль ядрах грає саме гравітаційне взаємодія між нуклонами?

Ні, оскільки розрахунки показують, що сила гравітаційного тяжіння між двома протонами в ядрі дуже мала в порівнянні з силою електростатичного відштовхування. Цей результат дозволяє зробити висновок про те, що між ядерними частинками, мабуть, діють сили особливої ​​природи, що радикально відрізняються від гравітаційних та електромагнітних сил. Ці сили прийнято називати ядерними силами. Оскільки ядерна взаємодія у багато разів перевищує електромагнітне, його ще називають сильною взаємодією.

Іншою особливістю ядерних сил є те, що вони дуже швидко зменшуються зі збільшенням відстані між ядерними частинками. Простіше кажучи, вони діють на відстанях, які можна порівняти з розмірами самих ядер.