Состав атомных ядер

Состав атомных ядер

    В 20-х годах XX века сомнений насчет сложности строения открытых Резерфордом в 1911 году ядер атомов у физиков уже не оставалось. На данный факт указывало большое количество различных совершенных к тому времени время экспериментов, таких как:

    • открытие явления радиоактивности,
    • опытное доказательство ядерной модели атома,
    • измерение отношения em для электрона, α-частицы и для H-частицы, представляющей собой ядро атома водорода,
    • открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций,
    • измерение зарядов атомных ядер и многие другие.

    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 em.

    Определение 1

    Э. Резерфордом в 1919 году были обнаружены в продуктах расщепления ядер атомов значительного числа элементов атомные ядра водорода. Физиком найденной частице было дано название протона. Он предположил, что в состав любого из ядер атомов входят протоны.

    Схема опытов Резерфорда проиллюстрирована на рисунке 6.5.1.

    Рисунок 6.5.1. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М представляет собой микроскоп.

    Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры с расположенным в ней контейнером К, в котором находился источник α-частиц. Металлическая фольга, на рисунке обозначенная как Ф, перекрывала окно камеры. Толщина фольги подбиралась таким образом, чтобы предотвратить проникание через нее α-частиц. За окном был расположен покрытый сернистым цинком экран, на изображении 6.5.1 отмеченный буквой Э. Применяя микроскоп М, можно было наблюдать световые вспышки или, как их еще называют, сцинтилляции в точках, в точках экрана, в которых происходило попадание тяжелых заряженных частиц.

    В процессе заполнения камеры азотом с низким давлением на экране обнаруживались световые вспышки. Данное явление указывало на тот факт, что в условиях эксперимента существует поток неизвестных частиц, обладающих способностью проникать сквозь практически полностью задерживающую поток α-частиц фольгу Ф. Раз за разом удаляя от окна камеры экран Э. Резерфорд смог измерить среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Полученная величина оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном H-частиц.

    С помощью исследований воздействия электрических и магнитных полей на выбиваемые из ядер азота частицы были получены данные о положительности их элементарного заряда. Также было доказано, что масса таких частиц эквивалентна массе ядер атомов водорода.

    Впоследствии опыт выполнили с целым рядом других газообразных веществ. Во всех проведенных подобных опытах было обнаружено, что из их ядер α-частицы выбивают H-частицы или протоны.

    Согласно современным измерениям, положительный заряд протона абсолютно эквивалентен элементарному заряду e=1,60217733·1019 Кл. Другими словами, по модулю он равен отрицательному заряду электрона. В наше время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 1022. Подобное совпадение зарядов двух значительно отличающихся друг от друга частиц вызывает искреннее недоумение и по сей день остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

    Определение 2

    Опираясь на современные измерения, можно заявить, что масса протона равна mp=1,67262·1027 кг. В условиях ядерной физики принадлежащую частицам массу нередко выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равных массы атома углерода с массовым числом 12

    1 а. е. м.=1,66057·10-27 кг.

    Соответственно, mp=1,007276 а. е. м

    Довольно часто выражение массы частицы наиболее удобно при использовании эквивалентных значений энергии в соответствии со следующей формулой: E=mc2. По причине того, что 1 эВ=1,60218·1019 Дж, в энергетических единицах масса протона равняется 938,272331 МэВ.

    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 R1013 см, 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 МэВ.

    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.

    Определение 3

    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.

    Определение 4

    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.

    Доказательство 1

    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 100150 МэВ. 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 mn=1,67493·1027 кг=1,008665 а. е. м.

    В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна 939,56563 МэВ. 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.

    Определение 7

    Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

    Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений.

    Определение 8

    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 Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N.

    Определение 9

    Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра A

    A=Z+N.

    Определение понятия изотопа

    Ядра химических элементов обозначают символом XZA, где X – химический символ элемента. Например,
    H11 – водород, He24 – гелий, C612 – углерод, O816 – кислород, U92238 – уран.

    Определение 10

    Число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие ядра называются изотопами.

    Большая часть химических элементов обладает несколькими изотопами. Например, у водорода их три: H11 – обычный водород, H12 – дейтерий и H13 – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3.

    Химические элементы в природных условиях чаще всего представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равняется 12,011.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,2 из 5 (14 голосов)