Ядра атомів: у самому серці матерії

Ядро атома виходить крихітним, його радіус у 10 000–100 000 разів найменше атома. Кожне ядро ​​містить певну кількість протонів (позначимо його Z) і певну кількість нейтронів (позначимо його N), скріплених разом у вигляді кульки, що за розміром не сильно перевищує суму їх розмірів. Зазначимо, що протони і нейтрони часто називають «нуклонами», а Z+N часто називають A – загальна кількість нуклонів в ядрі. Також Z, "атомне число" - кількість електронів в атомі.

Типове мультяшне зображення атома (рис. 1) надзвичайно перебільшує розмір ядра, але більш-менш правильно представляє ядро ​​як недбало сполучене скупчення протонів і нейтронів.

Вміст ядра

Звідки нам відомо, що в ядрі? Ці крихітні об'єкти просто охарактеризувати (і це було просто історично) завдяки трьом фактам природи.

1. Протон і нейтрон відрізняються за масою лише на тисячну частину, так що якщо нам не потрібна надзвичайна точність, можна сказати, що у всіх нуклонів маса однакова, і назвати її масою нуклону, m_нуклон:

(≈ означає «приблизно одно»)

2. Кількість енергії, необхідної для утримання разом протонів і нейтронів в ядрі, відносно мало - близько тисячної частки енергії маси (E = mc 2 ) протонів і нейтронів, так що маса ядра майже дорівнює сумі мас його нуклонів:

3. Маса електрона дорівнює 1/1835 маси протона - так що майже вся маса атома міститься в його ядрі:

Тут мається на увазі наявність четвертого важливого факту: всі атоми певного ізотопу певного елемента однакові, як і їх електрони, протони і нейтрони.

Оскільки в найпоширенішому ізотопі водню міститься один електрон та один протон:

маса атома M_атом певного ізотопу просто дорівнює Z+N, помноженому на масу атома водню

і похибка цих рівнянь приблизно 0,1%.

Оскільки нейтрони електрично нейтральні, електричний заряд Q_ядро ядра просто дорівнює кількості протонів, помноженому на електричний заряд протона («e»):

На відміну від попередніх рівнянь, це рівняння виконується точно.

Ці рівняння проілюстровані на рис. 2

Використовуючи відкриття останніх десятиліть XIX століття і перших десятиліть XX, фізики знали, як виміряти в експерименті обидва позначені червоним значення: заряд ядра в e, і масу будь-якого атома в атомах водню. Отже, ці значення були відомі вже в 1910-х. Проте правильно інтерпретувати їх змогли лише 1932 року, коли Джеймс Чедвік визначив, що нейтрон (ідею якого запропонував Ернест Резерфорд 1920-го) є окремою часткою. Але як тільки стало зрозуміло, що нейтрони існують, і що їхня маса практично дорівнює масі протона, відразу стало ясно, як інтерпретувати числа Z і N — кількість протонів і нейтронів. А також одразу народилася нова загадка – чому у протонів та нейтронів майже однакова маса.

Чесно кажучи, фізикам того часу з наукового погляду страшно пощастило, що це було так легко встановити. Закономірності мас і зарядів настільки прості, що навіть найдовші загадки було розкрито відразу після відкриття нейтрона. Якби хоча б один із перелічених мною фактів природи виявився невірним, тоді на те, щоб зрозуміти, що відбувається всередині атомів та їх ядер, пішло б набагато більше часу.

На жаль, з інших точок зору було б набагато краще, якби все виявилося складніше. появою кількох авторитарних та експансіоністських урядів у Європі та Азії. і зброї з ядра атома. Реактори, що видають ядерну енергію, були отримані лише за десять років, а за тринадцять – ядерну зброю.

Звідки нам відомо, що ядро ​​атома маленьке?

Одна справа – переконати себе, що певне ядро ​​певного ізотопу містить Z протонів і N нейтронів; свою структуру, як нагадує нам мультяшне зображення.

Я вже згадував, що атоми практично порожні. Уявіть собі алюмінієву фольгу; через неї нічого не видно.
1. Настільки великі, що з-поміж них немає просвітів,
2. Настільки щільні та тверді, що світло крізь них не минає.

Щодо першого пункту ви маєте рацію, у твердому речовині між двома атомами майже немає вільного простору. Але з другим пунктом ви помилитеся.

Якби атоми були непроникними, тоді крізь алюмінієву фольгу ніщо не змогло б пройти – ані фотони видимого світла, ані рентгенівські фотони, ані електрони, ані протони, ані атомні ядра. Все, що ви направили б у бік фольги, або застрявало б у ній, або відскакувало б - так само, як будь-який кинутий об'єкт повинен відскочити або застрягти в гіпсокартонній стінці (рис. 3). Але насправді електрони високої енергії можуть легко пройти через шматочок алюмінієвої фольги, як і рентгенівські фотони, високоенергетичні протони, високоенергетичні нейтрони, високоенергетичні ядра, і так далі. Електрони та інші частинки – майже всі, якщо точніше – можуть пройти через матеріал, не втративши ні енергії, ні імпульсу в зіткненнях із чимось, що міститься всередині атомів. Лише мала частина їх вдариться об атомне ядро ​​або електрон, і в цьому випадку вони можуть втратити більшу частину своєї початкової енергії руху. Але більшість електронів, протонів, нейтронів, рентгенівських променів і так просто спокійно пройдуть наскрізь (рис. 4). Це не схоже на жбурлення гальки в стіну; це схоже на кидання гальки в сітчастий паркан (рис. 5).

Чим товщі фольга - наприклад, якщо складати все більше і більше аркушів фольги разом - тим вірогідніше частинки, запущені в неї, зіткнутися з чимось, втратить енергію, відскочать, змінять напрямок руху або навіть зупиняться. Те саме було б правильно, якби ви нашарували одну за одною дротяні сітки (рис. 6). І, як ви розумієте, з того, наскільки далеко середня галька може проникнути крізь шари сітки і наскільки великі розриви в сітці, вчені можуть підрахувати на основі дистанції, пройденої електронами або атомними ядрами, наскільки атом порожній.

За допомогою таких експериментів фізики початку XX століття встановили, що всередині атома ніщо – ні атомне ядро, ні електрони – не може бути більшим, ніж одна тисячна мільйонна мільйонна частка метра, тобто в 100 000 разів менше самого атома. Те, що такого розміру досягає ядро, а електрони щонайменше у 1000 разів менше, ми встановлюємо в інших експериментах – наприклад, у розсіюванні високоенергетичних електронів один з одного, або з позитронів.

Щоб бути ще більш точним, слід згадати, що деякі частинки втратить частину енергії в процесі іонізації, в якому електричні сили, що діють між часткою, що летить і електроном, можуть вирвати електрон з атома. Це дальнодіючий ефект, і зіткненням насправді не є. Підсумкова втрата енергії значна для електронів, що летять, але не для ядра, що летить.

Ви можете задуматися над тим, чи схоже те, як частинки проходять крізь фольгу, на те, як куля проходити крізь папір – розштовхуючи частини паперу в сторони. Можливо, перші кілька частинок просто розштовхують атоми в сторони, залишаючи великі отвори, якими проходять наступні? Ми знаємо, що це не так, оскільки ми можемо провести експеримент, в якому частинки проходять всередину та назовні контейнера, зробленого з металу або скла, усередині якого вакуум. Якби частка, проходячи через стінки контейнера, створювала отвори за розміром перевищують атоми, тоді всередину спрямувалися б молекули повітря, і вакуум зник. Але у таких експериментах вакуум залишається!

Також досить легко визначити, що ядро ​​– це не особливо структурована купка, усередині якої нуклони зберігають свою структуру.Про це вже можна здогадатися за тим фактом, що маса ядра дуже близька до суми мас протонів і нейтронів, що містяться в ньому. Це виконується і для атомів, і для молекул - їх маси майже рівні сумі мас їх вмісту, крім невеликої корекції на зв'язуючу енергію - і це відображено в тому факті, що молекули досить легко розбити на атоми (наприклад, нагрівання їх так, щоб вони сильніше стикалися один з одним), і вибити електрони з атомів (знов-таки за допомогою нагріву). Подібним чином відносно легко розбити ядра на частини, і цей процес називатиметься розщепленням, або зібрати ядро ​​з дрібніших ядер і нуклонів, і цей процес називатиметься синтезом. Наприклад, відносно повільно рухаються протони або невеликі ядра, що стикаються з більшим ядром, можуть розбити його на частини; немає необхідності, щоб частинки, що зіштовхуються, рухалися зі швидкістю світла.

Але щоб зрозуміти, що це не є неминучим, згадаю, що ці властивості не мають самі протони і нейтрони. Маса протона не дорівнює приблизної сумі мас об'єктів, що містяться в ньому; протон не можна розбити на частини; а для того, щоб протон продемонстрував щось цікаве, необхідні енергії, порівняні з енергією маси самого протона. Молекули, атоми та ядра відносно прості; протони та нейтрони надзвичайно складні.