Ядро атомное
Состав атомных ядер
Делимо ли атомное ядро? И если да, то из каких частиц оно состоит? На этот вопрос пытались ответить многие физики.
В 1909 г.
британский физик Эрнест Резерфорд вместе с немецким физиком Гансом Гейгером и физиком из Новой Зеландии Эрнстом Марсденом провёл свой известный эксперимент по рассеянию α-частиц, результатом которого стал вывод о том, что атом вовсе не неделимая частица. Он состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Причём, несмотря на то, что размер ядра примерно в 10 000 раз меньше размера самого атома, в нём сосредоточено 99,9% массы атома.
Но что из себя представляет ядро атома? Какие частицы входят в его состав? Это сейчас мы знаем, что ядро любого элемента состоит из протонов и нейтронов, общее название которых нуклоны. А в начале ХХ века после появления планетарной, или ядерной, модели атома, это было загадкой для многих учёных. Выдвигались разные гипотезы и предлагались разные модели. Но правильный ответ на этот вопрос снова дал Резерфорд.
Открытие протона
Опыт Резерфорда
Ядро атома водорода – это атом водорода, из которого удалили его единственный электрон.
К 1913 г. были вычислены масса и заряд ядра атома водорода. Кроме того, стало известно, что масса атома любого химического элемента всегда делится без остатка на массу атома водорода. Этот факт навёл Резерфорда на мысль, что в любое ядро входят ядра атомов водорода. И ему удалось доказать это экспериментально в 1919 г.
В своём опыте Резерфорд поместил источник α-частиц в камеру, в которой был создан вакуум. Толщина фольги, закрывавшей окно камеры, была такой, что α-частицы не могли выходить наружу. За окном камеры располагался экран, на который нанесли покрытие из сернистого цинка.
Когда камеру начинали заполнять азотом, на экране фиксировались световые вспышки.
Это означало, что под воздействием α-частиц из азота выбивались какие-то новые частицы, без труда проникавшие через фольгу, непроходимую для α-частиц.
Оказалось, что неизвестные частицы имеют положительный заряд, равный по величине заряду электрона, а их масса равна массе ядра атома водорода. Эти частицы Резерфорд назвал протонами.
Но вскоре стало понятно, что ядра атомов состоят не только из протонов. Ведь если бы это было так, то масса атома равнялась бы сумме масс протонов в ядре, а отношение заряда ядра к массе было бы величиной постоянной.
На самом деле, это справедливо только для простейшего атома водорода. В атомах других элементов всё по-другому. К примеру, в ядре атома бериллия сума масс протонов равна 4 единицам, а масса самого ядра равна 9 единицам.
Значит, в этом ядре существуют и другие частицы, обладающие массой в 5 единиц, но не имеющие заряда.
Открытие нейтрона
В 1930 г. немецкий физик Вальтер Боте Боте и Ханс Беккер во время эксперимента обнаружили, что излучение, возникающее при бомбардировке атомов бериллия α-частицами, имеет огромную проникающую способность.
Спустя 2 года английский физик Джеймс Чедвик, ученик Резерфорда, выяснил, что даже свинцовая пластинка толщиной 20 см, помещённая на пути этого неизвестного излучения, не ослабляет и не усиливает его. Оказалось, что и электромагнитное поле не оказывает на излучаемые частицы никакого воздействия. Это означало, что они не имеют заряда.
Так была открыта ещё одна частица, входящая в состав ядра. Её назвали нейтроном. Масса нейтрона оказалась равной массе протона.
Протонно-нейтронная теория ядра
После экспериментального открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг, независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную теорию ядра, которая дала научное обоснование состава ядра. Согласно этой теории ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Их общее название — нуклоны.
Общее число нуклонов в ядре обозначают буквой A. Если число протонов в ядре обозначить буквой Z, а число нейтронов буквой N, то получим выражение:
A = Z + N
Это уравнение называется уравнением Иваненко-Гейзенберга.
Так как заряд ядра атома равен количеству протонов в нём, то Z называют также зарядовым числом. Зарядовое число, или атомный номер, совпадает с его порядковым номером в периодической системе элементов Менделеева.
В природе существуют элементы, химические свойства которых абсолютно одинаковы, а массовые числа разные. Такие элементы называются изотопами. У изотопов одинаковое количество протонов и разное количество нейтронов.
К примеру, у водорода три изотопа. Все они имеют порядковый номер, равный 1, а число нейтронов в ядре у них разное. Так, у самого простого изотопа водорода, протия, массовое число 1, в ядре 1 протон и ни одного нейтрона. Это простейший химический элемент.
Протий
У второго изотопа, дейтерия, массовое число равно 2. Ядро состоит из одного протона и одного нейтрона.
Третий изотоп водорода – тритий. В его ядре 1 протон и 2 нейтрона.
Некоторые химические элементы имеют одинаковое количество нуклонов в ядре, но разное количество протонов и нейтронов. Такие элементы называются изобары.
Протонно-нейтронная теория ядра связала строение ядер элементов с устройством периодической системы Менделеева. Её правильность подтвердили дальнейшие научные исследования в области ядерной физики.
Атомное ядро: строение, масса, состав
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, строение атомного 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 числу электронов, 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 субатомных частиц ничтожно малы в представлениях человека. Размер ядер составляется примерно 10-12см. 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. = 1,660540·10-24г. 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
- Короткодействие. Ядерные силы, в отличие от электромагнитных, проявляются лишь на очень малых расстояниях, сопоставимых с размерами ядра.
- Зарядовая независимость. Данная особенность проявляется в том, что ядерные силы действуют одинаково на протоны и нейтроны.
- 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 формулы Эйнштейна о связи массы и энергии (Е=mc2) 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.
- Реакции деления. Они происходят, когда более тяжелые ядра в результате взаимодействия распадаются на более легкие.
- 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.
- Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронов, находящихся вокруг него.
- Массовое число атома равняется сумме нуклонов его ядра.
- Нуклоны удерживаются сильным взаимодействием.
- Огромные силы, придающие атомному ядру стабильность, называются энергиями связи ядра.
Периодическая система
|
Ядро каждого атома или иона состоит из N нейтронов и Z протонов. Нейтроны и протоны — элементарные частицы, имеющие массу около 1 а. е. м.: mn = 1,0087 а.е.м., mp = 1,0078 а.е.м.Сумма числа протонов и числа нейтронов, содержащихся в ядре атома, называется массовым числом атома (ядра). Поскольку и протон, и нейтрон имеют массу, очень близкую к атомной единице массы, то массовое число атома приближенно выражает его атомную массу. Но число протонов равно числу положительных зарядов, т.е. порядковому номеру элемента; следовательно, число нейтронов равняется разности между массовым числом и порядковым номером элемента. Запись каждого элемента AZЭ (например, для хлора 3617Cl, железа 5626Fe) характеризуется не только указанием его символа, но и характеристик ядра его атома: А = N + Z — массового числа и Z — заряда ядра. Конкретное ядро с данным массовым числом А и данным зарядом Z называется нуклидом. Масса ядра mя всегда меньше, чем масса всех составляющих его протонов и нейтронов. Разность называется дефектом массы. Дефект массы атомного ядраСумма масс протонов и нейтронов, образующих ядро гелия, равна: тогда как в действительности масса ядра гелия равна 4,0026, т.е. примерно на 0,03 а.е.м. меньше. Аналогичные результаты получаются при подсчете масс других ядер. Из теории относительности вытекает связь между массой и энергией, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = m·с 2. Из этого уравнения следует, что каждому изменению массы должно отвечать и соответствующее изменение энергии. Если при образовании атомных ядер происходит заметное уменьшение массы, это значит, что одновременно выделяется огромное количество энергии. Дефект массы при образовании ядра атома гелия составляет 0,03 а.е.м., а при образовании 1 моля атомов гелия — 0,03 г. Согласно уравнению Эйнштейна, это соответствует выделению 2,7·10 12 Дж энергии. Чтобы составить себе представление о колоссальной величине этой энергии, достаточно указать, что она примерно равна той энергии, которую может дать в течение часа электростанция, равная по мощности Днепрогэсу.
Нуклоны распределены приблизительно равномерно по объему ядра. Между образующими ядро частицами действуют два вида сил:
С возрастанием расстояния между взаимодействующими частицами ядерные силы убывают гораздо более резко, чем силы электростатического взаимодействия. Поэтому их действие заметно проявляется только между очень близко расположенными частицами. Но при ничтожных расстояниях между частицами, составляющими атомное ядро, ядерные силы притяжения превышают силы отталкивания, вызываемые присутствием одноименных зарядов, и обеспечивают устойчивость ядер. Энергия связи ядра приблизительно прямо пропорционально зависит от числа нуклонов, а энергия связи, приходящаяся на один нуклон, имеет максимальное значение при средних атомных массах. Поэтому средние по массе ядра стабильнее, чем ядра более легкие и более тяжелые. При Z > 84 все ядра нестабильные. Ядра с четными значениями Z и N встречаются гораздо чаще. При этом наиболее устойчивы ядра с количеством нуклонов 2, 8, 14, 20, 28, 50, 82, 126. Эти числа получили название магических и связаны с тем, что, как и для электронов в атоме, для ядер справедлив принцип заполнения оболочек с особенно устойчивыми конфигурациями. Классификация ядерЯдра классифицируются в зависимости от значений Z и N. Различают:
Изотопы — ядра, имеющие одинаковые числа протонов (Z = const). Название происходит от греческих слов «изос» — одинаковый и «топос» — место. Атомы изотопов обладают одинаковым зарядом ядра (и, следовательно, тождественными химическими свойствами), но разным числом нейтронов (а значит, и разным массовым числом). Так, природный хлор состоит из двух изотопов с массовыми числами 35 и 37, магний — из трех изотопов с массовыми числами 24, 25 и 26. Химические свойства изотопов тождественны. Это значит, что если и существует некоторое различие между изотопами в отношении их химических свойств, то оно так мало, что практически не обнаруживается. Исключение составляют изотопы водорода 11H и 21H. Вследствие огромной относительной разницы в их атомных массах (масса атома одного изотопа вдвое больше массы атома другого изотопа) свойства этих изотопов заметно различаются.
Известен также радиоактивный изотоп водорода 31H — тритий (период полураспада около 12 лет), получаемый только искусственным путем; его обозначают символом Т. Изотопы — ядра, содержащие равные числа нейтронов (N = const), например, 136C и 147N. Изобары имеют равные массовые числа (Z + N = const), например, 136C и 137N. К изомерам относятся такие ядра, которые имеют равные числа и нейтронов, и протонов (Z = const, N = const), но неравные энергии связи ядер. Изотопные индикаторыПри изучении механизма химических и биологических процессов широко используют так называемые изотопные индикаторы, или «меченые атомы». Применение их основано на том, что при химических превращениях можно проследить пути перехода интересующего элемента, измерив концентрацию одного из его изотопов в каком-либо из взятых для реакции веществ. Так как все изотопы одного и того же элемента ведут себя при химических реакциях практически тождественно, то по изменению состава изотопов данного элемента в тех или иных продуктах реакции можно проследить, куда именно он перешел. Так, применение тяжелого изотопа кислорода 188O при изучении процесса усвоения диоксида углерода растениями (для опытов пользовались диоксидом углерода и водой, обогащенными 188O) показало, что процесс идет согласно схемам, в которых изотоп 188O отмечен звездочкой: 6СO2 + 12Н2O* → С6Н12O6 + 6Н2O + 6O*2 6СO*2 + 12Н2O → С6Н12O*6 + 6Н2O* + 6O2 Таким образом, было установлено, что возвращаемый растениями в атмосферу кислород целиком берется из воды, а не из диоксида углерода. |