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 ничтожно малы в представлениях человека. Размер ядер составляется примерно 10 -12 см. 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 -24 г. 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 о связи массы и энергии (Е=mc 2) 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.
Ядро атома состоит из нуклонов, которые подразделяются на протоны и нейтроны.
Символическое обозначение ядра атома:
А- число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов (или атомная масса)
Z- число протонов (равно числу электронов)
N- число нейтронов (или атомный номер)
ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ
Действуют между всеми нуклонами в ядре;
- силы притяжения;
- короткодействующие
Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно непохожи ни на гравитационные, ни на электростатические. . Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.
Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение - 1 Фм (в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.
Ядерные силы - сильные взаимодействия. Они многократно превосходят кулоновскую силу (на одинаковом расстоянии). Короткодействие ограничивает действие ядерных сил. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.
Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.
Строение атома - Класс!ная физика
Знаете ли вы?
В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114.
В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера.
Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500.
Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева
они расположены в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место).
Химические свойства изотопов почти тождественны.
Если элементов всего в природе - около 100, то изотопов - более 2000. Многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны, и распадаются, испуская различные виды излучений.
Изотопы одного и того же элемента по составу отличаются лишь количеством нейтронов в ядре.
Изотопы водорода.
Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то то, что останется, сможет пролезть в игольное ушко.
Любознательным
«Глиссирующие» автомобили
Если, двигаясь на автомобиле по мокрой дороге с большой скоростью, резко затормозить, то автомобиль поведет себя как глиссер; шины его начнут скользить по тонкой пленке воды, практически не касаясь дороги. Почему это происходит? Почему автомобиль не всегда скользит на мокрой дороге, даже если тормоз не нажат? Существует ли такой рисунок протектора, который уменьшает этот эффект?
Оказывается...
Предлагалось несколько рисунков протектора, уменьшающего вероятность «аквапланирования». Например,
канавка может отводить воду к задней точке контакта протектора с дорогой, откуда вода будет выбрасываться наружу.
По другим, более мелким канавкам вода может отводиться в стороны. Наконец, небольшие углубления на протекторе могут
как бы «промокать» водяной слой на дороге, прикасаясь к нему непосредственно перед зоной основного контакта протектора
с дорожным покрытием. Во всех случаях задача состоит в том, чтобы как можно скорее убрать воду из зоны контакта
и не допустить аквапланирования.
Академик А. Ф. ИОФФЕ. "Наука и жизнь" № 1, 1934 г.
Статьей "Ядро атома" академика Абрама Федоровича Иоффе открывался первый номер журнала "Наука и жизнь", вновь созданного в 1934 году.
Э. Резерфорд.
Ф. У. Астон.
ВОЛНОВАЯ ПРИРОДА МАТЕРИИ
В начале XX века атомистическое строение материи перестало быть гипотезой, и атом сделался такой же реальностью, как реальны обычные для нac факты и явления.
Выяснилось, что атом есть очень сложное образование, в состав которого, несомненно, входят электрические заряды, а может быть, и только одни электрические заряды. Отсюда, естественно, возник вопрос о структуре атома.
Первая модель атома была построена по образцу Солнечной системы. Однако такое представление о структуре атома вскоре оказалось несостоятельным. И это естественно. Представление об атоме как о Солнечной системе было чисто механическим перенесением картины, связанной с астрономическими масштабами, в область атома, где масштабы - только стомиллионные доли сантиметра. Столь резкое количественное изменение не могло не повлечь за собой и очень существенного изменения качественных свойств тех же явлений. Это различие прежде всего сказалось в том, что атом, в отличие от Солнечной системы, должен быть построен по гораздо более жестким правилам, чем те законы, которые определяют орбиты планет Солнечной системы.
Возникло два затруднения. Во-первых, все атомы данного рода, данного элемента по своим физическим свойствам совершенно одинаковы, а следовательно, совершенно одинаковы должны быть орбиты электронов в этих атомах. Между тем законы механики, управляющие движением небесных тел, для этого не дают решительно никаких оснований. В зависимости от начальной скорости орбита планеты может быть, по этим законам, совершенно произвольна, планета может вращаться каждый раз с соответственной скоростью по любой орбите, на любых расстояниях от Солнца. Если бы такие же произвольные орбиты существовали в атомах, то атомы одинакового вещества не могли бы быть настолько совпадающими по своим свойствам, например, давать строго одинаковый спектр свечения. Это одно противоречие.
Другое - заключалось в том, что движение электрона вокруг атомного ядра, если к нему применить законы, хорошо нами изученные в большом масштабе лабораторных опытов или даже астрономических явлений, должно было бы сопровождаться непрерывным излучением энергии. Следовательно, энергия атома должна была бы непрерывно истощаться, и опять-таки атом не мог бы сохранить одинаковыми и неизменными свои свойства на протяжении столетий и тысячелетий, а весь мир и все атомы должны были бы испытывать непрерывное затухание, непрерывную потерю заключающейся в них энергии. Это тоже никак несовместимо с основными свойствами атомов.
Последнее затруднение ощущалось особенно остро. Казалось, оно завело всю науку в неразрешимый тупик.
Крупнейший физик Лоренц закончил нашу беседу по этому поводу так: "Я жалею, что не умер пять лет назад, когда этого противоречия еще не было. Тогда я умер бы в убеждении, что я раскрыл часть истины в явлениях природы".
В это же время, весной 1924 года, де-Бройль, молодой ученик Ланжевена, в своей диссертации выразил мысль, которая в дальнейшем своем развитии привела к новому синтезу.
Идея де-Бройля, потом довольно существенно измененная, но до сих пор в основном сохранившаяся, заключалась в том, что движение электрона, вращающегося вокруг ядра в атоме, не есть просто движение некоего шарика, как это представляли себе раньше, что это движение сопровождается некоторой волной, идущей вместе с движущимся электроном. Электрон - не шарик, а некоторая размытая в пространстве электрическая субстанция, движение которой представляет собой в то же время распространение волны.
Это представление, затем распространенное не только на электроны, но и на движение всякого тела - и электрона, и атома, и целой совокупности атомов, - утверждает, что всякое движение тела заключает в себе две стороны, из которых мы в отдельных случаях можем видеть особенно отчетливо одну сторону, тогда как другая заметно не проявляется. В одном случае мы видим как бы распространяющиеся волны и не замечаем движения частиц, в другом случае, наоборот, на первый план выступают сами движущиеся частицы, а волна ускользает от нашего наблюдения.
Но на самом деле всегда обе эти стороны имеются, и, в частности, в движении электронов имеется не только перемещение самих зарядов, но и распространение волны.
Нельзя сказать, что движения электронов по орбитам нет, а есть только пульсация, только волны, т. е. нечто другое. Нет, правильнее было бы сказать так: того движения электродов, которое мы уподобляли движению планет вокруг Солнца, мы вовсе не отрицаем, но самое это движение имеет характер пульсации , а не характер движения земного шара вокруг Солнца.
Я не стану здесь излагать строение атома, строение той электронной его оболочки, которая определяет все основные физические свойства - сцепление, упругость, капиллярность, химические свойства и т. п. Все это - результат движения электронной оболочки, или, как мы теперь скажем, пульсации атома.
ПРОБЛЕМА АТОМНОГО ЯДРА
Ядро играет в атоме самую существенную роль. Это - тот центр, вокруг которого вращаются все электроны и свойствами которого в конечном счете обусловливается все остальное.
Первое, что мы могли узнать о ядре, - это его заряд. Мы знаем, что в состав атома входит некоторое число отрицательно заряженных электронов, но атом в целом не обладает электрическим зарядом. Значит, где-то должны быть соответствующие положительные заряды. Эти положительные заряды сосредоточены в ядре. Ядро - положительно заряженная частица, вокруг которой пульсирует электронная атмосфера, окружающая ядро. Заряд ядра определяет собой и число электронов.
Электроны железа и меди, стекла и дерева совершенно одинаковы. Для атома никакой беды не составляет потерять несколько своих электронов или даже потерять все свои электроны. Пока остается положительно заряженное ядро, это ядро притянет к себе из других окружающих тел столько электронов, сколько ему нужно, и атом сохранится. Атом железа до тех пор останется железом, пока цело его ядро. Если он потеряет несколько электронов, то положительный заряд ядра окажется больше, чем совокупность оставшихся отрицательных зарядов, и весь атом в целом приобретет избыточный положительный заряд. Тогда мы его называем не атомом, а положительным ионом железа. В другом случае атом может, наоборот, привлечь к себе больше отрицательных электронов, чем в нем имеется положительных зарядов, - тогда он будет заряжен отрицательно, и мы называем его отрицательным ионом; это будет отрицательный ион того же элемента. Следовательно, индивидуальность элемента, все его свойства существуют и определяются ядром, зарядом этого ядра прежде всего.
Далее, - масса атома в подавляющей своей части определяется именно ядром, а не электрона ми, - масса электронов составляет меньше одной тысячной массы всего атома; больше чем 0,999 всей массы - это масса ядра. Это имеет тем большее значение, что массу мы считаем мерой того запаса энергии, которым обладает данное вещество; масса - такая же мера энергии , как эрг, киловатт-час или калория .
Сложность ядра обнаружилась в явлении радиоактивности, открытом, вскоре за рентгеновыми лучами, на грани нашего столетия. Известно, что радиоактивные элементы непрерывно излучают энергию в виде альфа-, бета- и гамма-лучей. Но такое непрерывное излучение энергии должно иметь какой-то источник. В 1902 г. Резерфорд показал, что единственным источником этой энергии должен быть атом, иначе сказать, ядерная энергия. Другая сторона радиоактивности заключается в том, что испускание этих лучей переводит один элемент, находящийся в одном месте периодической системы, в другой элемент с другими химическими свойствами. Иными словами, радиоактивные процессы осуществляют превращение элементов. Если верно, что ядром атома определяется его индивидуальность и что, пока ядро цело, до тех пор и атом остается атомом данного элемента, а не какого-нибудь другого, то переход одного элемента в другой означает изменение самого ядра атома.
Выбрасываемые радиоактивными веществами лучи дают первый подход, позволяющий составить себе некоторое общее представление о том, что заключено в ядре.
Альфа-лучи представляют собой ядра гелия, а гелий - второй элемент периодической системы. Можно думать поэтому, что в состав ядра входят ядра гелия. Но измерение скоростей, с которыми вылетают альфа-лучи, приводит сразу же к очень серьезному затруднению.
ТЕОРИЯ РАДИОАКТИВНОСТИ ГАМОВА
Ядро заряжено положительно. При приближении к нему всякая заряженная частица испытывает силу притяжения или отталкивания. В больших масштабах лабораторий взаимодействия электрических зарядов определяются законом Кулона: два заряда взаимодействуют друг с другом с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональной величине одного и другого зарядов. Изучая законы притяжения или отталкивания, которые испытывают частицы, приближаясь к ядру, Резерфорд установил, что вплоть до очень близких к ядру расстояний, порядка 10 -12 см, еще справедлив тот же закон Кулона. Если это так, то мы легко можем подсчитать, какую работу должно произвести ядро, отталкивая от себя положительный заряд, когда он выходит из ядра и выбрасывается наружу. Альфа-частицы и заряженные ядра гелия, вылетая из ядра, движутся под отталкивающим действием его заряда; и вот соответствующий подсчет дает, что под действием одного только отталкивания альфа-частицы должны были накопить кинетическую энергию, соответствующую, по крайней мере, 10 или 20 млн. электронвольт, т. е. энергию, которая получается при прохождении зарядом, равным заряду электрона, разности потенциалов в 20 млн. вольт . А на самом деле, вылетая из атома, они выходят с энергией, гораздо меньшей, всего в 1-5 млн. электронвольт. А ведь, кроме того,
естественно было ожидать, что и ядро, выбрасывая альфа-частицу, еще что-то дает ей в придачу. В момент выбрасывания в ядре происходит что-то вроде взрыва, и самый этот взрыв сообщает какую-то энергию; к этому прибавляется работа сил отталкивания, а оказывается, что сумма этих энергий меньше того, что должно дать одно отталкивание. Это противоречие снимается, как только мы откажемся от механического перенесения в эту область взглядов, выработанных на опыте изучения больших тел, где мы не принимаем во внимание волнового характера движения. Г. А. Гамов первый дал правильное толкование этому противоречию и создал волновую теорию ядра и радиоактивных процессов.
Известно, что на достаточно больших расстояниях (больше 10 -12 см) ядро отталкивает от себя положительный заряд. С другой стороны, несомненно, что внутри самого ядра, в котором находится много положительных зарядов, они почему-то не отталкиваются. Самое существование ядра показывает, что положительные заряды внутри ядра взаимно притягивают друг друга, а вне ядра - от него отталкиваются.
Как же можно описать энергетические условия в самом ядре и вокруг него? Гамов создал следующее представление. Будем изображать на диаграмме (рис. 5) величину энергии положительного заряда в данном месте расстоянием от горизонтальной прямой А .
По мере приближения к ядру энергия заряда будет возрастать, потому что будет совершаться работа против силы отталкивания. Внутри ядра, наоборот, энергия должна снова уменьшиться, потому что здесь существует не взаимное отталкивание, а взаимное притяжение. На границах ядра происходит резкое спадание величины энергии. Наш рисунок изображен на плоскости; на самом деле нужно, конечно, представить себе его в пространстве с таким же распределением энергии и по всем другим направлениям. Тогда мы получаем, что вокруг ядра имеется шарообразный слой с высокой энергией, как бы некоторый энергетический барьер, защищающий ядро от проникновения положительных зарядов, так называемый "барьер Гамова".
Если стоять на точке зрения привычных взглядов на движение тела и забыть о волновой его природе, то нужно ожидать, что в ядро может пробраться только такой положительный заряд, энергия которого не меньше высоты барьера. Наоборот, для того, чтобы выйти из ядра, заряду нужно сначала достигнуть вершины барьера, после чего его кинетическая энергия начнет возрастать по мере удаления от ядра. Если на вершине барьера энергия была равна нулю, то при удалении из атома она и получит те самые 20 млн. электронвольт, которые на самом деле никогда не наблюдаются. Новое понимание ядра, которое внес Гамов, заключается в следующем. Движение частицы нужно рассматривать как волновое. Следовательно, на этом движении сказывается энергия не только в занимаемой частицей точке, но и во всей размытой волне частицы, охватывающей довольно значительное пространство. Исходя из представлений волновой механики, мы можем утверждать, что, если даже энергия в данной точке не достигла того предела, который соответствует вершине барьера, частица может оказаться по другую его сторону, где ее уже не втягивают в ядро действующие там силы притяжения.
Нечто аналогичное представляет следующий опыт. Представьте себе, что за стеной комнаты находится бочка с водой. От этой бочки проведена труба, которая проходит высоко наверху через отверстие, в стене и подает воду; внизу вода выливается. Это - хорошо известное устройство, называемое сифоном. Если бочка с той стороны поставлена выше, чем конец трубы, то через нее будет непрерывно вытекать вода со скоростью, определяемой разностью уровня воды в бочке и конца трубы. Ничего удивительного здесь нет. Но если бы вы не знали о существовании бочки по ту сторону стены и видели только трубу, по которой течет вода с большой высоты, то для вас этот факт казался бы непримиримым противоречием. Вода течет с большой высоты и в то же время не накапливает той энергии, которая соответствует высоте трубы. Однако объяснение в данном случае очевидно.
Аналогичное явление мы имеем в ядре. Заряд из своего нормального положения А поднимается в состояние большей энергии В , но вовсе не достигает вершины барьера С (рис. 6).
Из состояния В альфа-частица, проходя сквозь барьер, начинает отталкиваться от ядра не с самой вершины С , а с меньшей высоты энергии B 1 . Поэтому при выходе наружу накопленная частицей энергия будет зависеть не от высоты С , а от меньшей высоты, равной B 1 (рис. 7).
Это качественное рассуждение можно облечь и в количественную форму и дать закон, определяю щий вероятность прохождения барьера альфа-частицей в зависимости от той энергии В , которой она обладает в ядре, а следовательно, и от той энергии, которую она получит при выходе из атома.
При помощи ряда опытов был установлен очень простой закон, связывавший числа выбрасываемых радиоактивными веществами альфа-частиц с их энергией или скоростью. Но смысл этого закона был совершенно непонятен.
Первый успех Гамова заключался в том, что из его теории совершенно точно и непринужденно вытекал этот количественный закон испускания альфа-частиц. Сейчас "энергетический барьер Гамова" и волновое его толкование являются основой всех наших представлений о ядре.
Свойства альфа-лучей качественно и количественно хорошо объясняются теорией Гамова, но известно, что радиоактивные вещества испускают и бета-лучи - потоки быстрых электронов. Испускания электронов модель не в состоянии объяснить. Это - одно из самых серьезных противоречий теории атомного ядра, которое до самого последнего времени осталось неразрешенным, но решение которого теперь, по-видимому, намечается .
СТРОЕНИЕ ЯДРА
Перейдем теперь к рассмотрению того, что мы знаем о строении ядра.
Больше 100 лет назад Проутом была высказана мысль, что, может быть, элементы периодической системы вовсе не являются отдельными, ничем между собой не связанными формами материи, а представляют собой только разные комбинации атома водорода. Если бы это было так, то можно было бы ожидать, что не только заряды всех ядер будут представлять собою целые кратные заряда водорода, но и массы всех ядер будут выражаться целыми кратными массы ядра водорода, т. е. все атомные веса должны были бы выражаться целыми числами. И действительно, если посмотреть на таблицу атомных весов, то можно увидеть большое число целых чисел . Например, углерод - ровно 12, азот ровно 14, кислород - ровно 16, фтор - ровно 19. Это, конечно, не случайность. Но есть все-таки атомные веса, далекие от целых чисел. Например, неон имеет атомный вес 20,2, хлор - 35,46. Поэтому гипотеза Проута осталась частичной догадкой и не могла сделаться теорией строения атома. Изучая поведение заряженных ионов, особенно легко можно изучать свойства ядра атома, воздействуя на них, например, электрическим и магнитным полем.
Основанный на этом метод, доведенный до чрезвычайно большой точности Астоном, позволил установить, что все элементы, атомные веса которых не выражались целыми числами, на самом деле представляют собой не однородное вещество, а смесь двух или нескольких - 3, 4, 9 - разных видов атомов. Так, например, атомный вес хлора, равный 35,46, объясняется тем, что на самом деле имеется несколько сортов хлорных атомов. Существуют атомы хлора с атомным весом 35 и 37, и эти два вида хлора смешаны между собой в такой пропорции, что их средний атомный вес получается 35,46. Оказалось, что не только в одном этом частном случае, но и во всех без исключения случаях, где атомные веса не выражаются целыми числами, мы имеем смесь изотопов, т. е. атомов с одинаковым зарядом, следовательно, представляющих собой один и тот же элемент, но с различными массами. Каждый же отдельный сорт атомов всегда имеет целый атомный вес.
Таким образом, гипотеза Проута получила сразу значительное подкрепление, и вопрос можно было бы считать решенным, если бы не одно исключение, а именно, сам водород. Дело в том, что наша система атомных весов построена не на водороде, принятом за единицу, а на атомном весе кислорода, который условно принят равным 16. По отношению к этому весу атомные веса выражаются почти точными целыми числами. Но сам водород в этой системе имеет атомный вес не единицу, а несколько больше, именно 1,0078. Это число отличается от единицы довольно значительно- на 3 / 4 %, что далеко превосходит все возможные ошибки в определении атомного веса.
Оказалось, что и у кислорода имеется 3 изотопа: кроме преобладающего, с атомным весом 16, другой - с атомным весом 17 и третий - с атомным весом 18 . Если относить все атомные веса к изотопу 16, то атомный вес водорода все-таки окажется немного больше единицы. Далее был найден второй изотоп водорода - водород с атомным весом 2 - дейтерий, как его назвали открывшие его американцы, или диплоген, как его называют англичане. Этого дейтерия примешано всего примерно 1/6000 часть, и поэтому на атомном весе водорода присутствие этой примеси сказывается очень мало.
Следующий за водородом гелий имеет атомный вес 4,002. Если бы он был составлен из 4 водородов, то атомный вес его должен был бы быть, очевидно, 4,031. Следовательно, в этом случае мы имеем некоторую потерю в атомном весе, а именно: 4,031 - 4,002 = 0,029. Возможно ли это? Пока мы не считали массу некоторой мерой материи, конечно, это было невозможно: это значило бы, что часть материи исчезла.
Но теория относительности установила с несомненностью, что масса не есть мера количества материи , а мера той энергии, которой эта материя обладает. Материя измеряется не массой, а количеством зарядов, составляющих эту материю. Эти заряды могут иметь большую или меньшую энергию. Когда одинаковые заряды сближаются - энергия увеличивается, когда они удаляются - энергия уменьшается. Но это, конечно, не значит, что изменилась материя.
Когда мы говорим, что при образовании гелия из 4 водородов исчезло 0,029 атомного веса, то это значит, что исчезла соответствующая этой величине энергия. Мы знаем, что каждый грамм вещества обладает энергией, равной 9 . 10 20 эрг. При образовании 4 г гелия теряется энергия, равная 0,029 . 9 . 10 20 эргам. За счет этого уменьшения энергии 4 ядра водорода соединятся в новое ядро. Лишняя энергия выделится в окружающее пространство, и останется соединение с несколько меньшей энергией и массой. Таким образом, если атомные веса измеряются не точно, целыми числами 4 или 1, а 4,002 и 1,0078, то именно эти тысячные доли приобретают особенное значение, потому что они определяют энергию, выделяющуюся при образовании ядра.
Чем больше выделяется энергии при образовании ядра, т. е. чем больше при этом потеря в атомном весе, тем прочнее ядро. В частности, ядро гелия очень прочно, потому что при его образовании выделяется энергия, соответствующая потере в атомном весе - 0,029. Это очень большая энергия. Чтобы судить о ней, лучше всего запомнить такое простое соотношение: одна тысячная атомного веса соответствует примерно 1 млн электронвольт. Так что 0,029 это примерно 29 млн. электронвольт. Для того чтобы разрушить ядро гелия, чтобы разложить его обратно на 4 водорода, нужна колоссальная энергия. Ядро такой энергии не получает, поэтому ядро гелия чрезвычайно устойчиво, и поэтому-то именно из радиоактивных ядер выделяются не ядра водорода, а целые ядра гелия, альфа-частицы. Эти соображения приводят нас к новой оценке атомной энергии. Мы уже знаем, что в ядре сосредоточена почти вся энергия атома, и притом энергия громадная. 1 г вещества имеет, если перевести на более наглядный язык, столько энергии, сколько можно получить от сжигания 10 поездов по 100 вагонов нефти. Следовательно, ядро - совершенно исключительный источник энергии. Сравните 1 г с 10 поездами - таково соотношение концентрации энергии в ядре по сравнению с энергией, которой мы пользуемся в нашей технике.
Однако, если вдуматься в те факты, которые мы сейчас рассматриваем, то можно, наоборот, придти к совершенно противоположному взгляду на ядро. Ядро с этой точки зрения является не источником энергии, а ее кладбищем: ядро - это остаток после выделения громадного количества энергии, и в нем мы имеем самое низкое состояние энергия.
Следовательно, если мы можем говорить о возможности использования энергии ядра, то только в том смысле, что, может быть, не все ядра дошли до предельно низкой энергии: ведь и водород и гелий - оба существуют в природе, и, следовательно, не весь водород соединился в гелий, хотя гелий и обладает меньшей энергией. Если бы мы могли имеющийся водород сплотить в гелий, то получили бы известное количество энергии. Это не 10 поездов с нефтью, но все-таки это будет примерно 10 вагонов с нефтью. И это не так уж плохо, если бы можно было из 1 г вещества получить столько энергии, сколько от сжигания 10 вагонов нефти.
Таковы возможные запасы энергии при перестройке ядер. Но возможность, конечно, еще далеко не реальность .
Каким же образом можно реализовать эти возможности? Для того, чтобы оценить их, перейдем к рассмотрению состава атомного ядра.
Мы можем теперь сказать, что во всех ядрах имеются положительные ядра водорода, которые называются протонами, обладают единицей атомного веса (точнее 1,0078) и единичным положительным зарядом. Но ядро не может состоять из одних протонов. Возьмем, например, самый тяжелый элемент, занимающий 92-е место в периодической таблице, - уран с атомным весом 238. Если предположить, что все эти 238 единиц составлены из протонов, то уран имел бы 238 зарядов, между тем он имеет всего 92. Следовательно, либо там не все частицы заряжены, либо там кроме 238 протонов имеются 146 отрицательных электронов. Тогда все благополучно: атомный вес был бы 238, положительных зарядов 238 и отрицательных 146, следовательно, суммарный заряд 92. Но мы уже установили, что предположение о наличии в ядре электронов несовместимо с нашими представлениями: ни по размерам, ни по магнитным свойствам электронов в ядро поместить нельзя. Оставалось какое-то противоречие.
ОТКРЫТИЕ НЕЙТРОНА
Это противоречие было уничтожено новым опытным фактом, который примерно два года тому назад был открыт Иреной Кюри и мужем ее Жолио (Ирена Кюри - дочь Марии Кюри, открывшей радий) . Ирена Кюри и Жолио открыли, что при бомбардировке бериллия (четвертого элемента периодической системы) альфа-частицами бериллий испускает какие-то странные лучи, проникающие через громадные толщи вещества. Казалось бы, paз они так легко проникают сквозь вещества, они не должны вызывать там сколько-нибудь значительных действий, иначе их энергия истощилась бы и они не проникали бы сквозь вещество. С другой стороны, оказывается, что эти лучи, столкнувшись с ядром какого- нибудь атома, отбрасывают его с громадной силой, как бы ударом тяжелой частицы. Так что, с одной стороны, нужно думать, что эти лучи - тяжелые ядра, а с другой стороны, они способны проходить громадные толщи, не оказывая никакого влияния.
Разрешение этого противоречия найдено было в том, что эта частица не заряжена. Если у частицы нет электрического заряда, то тогда на нее ничто не будет действовать, и сама она ни на что не будет действовать. Только тогда, когда она при своем движении наскочит где-нибудь на ядро, она его отбрасывает.
Таким образом, появились новые незаряженные частицы - нейтроны. Оказалось, что масса этой частицы примерно такая же, как масса частицы водорода - 1,0065 (на одну тысячную меньше протона, стало быть, энергия ее примерно на 1 млн электронвольт меньше). Эта частица похожа на протон, но только лишена положительного заряда, она нейтральна, ее назвали нейтроном.
Как только выяснилось существование нейтронов, было предложено совершенно иное представление о строении ядра. Оно было впервые высказано Д. Д. Иваненко, а затем развито, в особенности Гайзенбергом, получившим Нобелевскую премию прошлого года. В ядре могут находиться протоны и нейтроны. Можно было предположить, что ядро и составлено только из протонов и нейтронов. Тогда совсем по-другому, но совсем просто представляется все построение периодической системы. Как, например, надо себе представить уран? Его атомный вес 238, т. е. там 238 частичек. Но часть из них протоны, часть нейтроны. Каждый протон имеет положительный заряд, нейтроны совсем не имеют заряда. Если заряд урана - 92, то это значит, что 92 - протона, а все остальное - нейтроны. Это представление уже сейчас привело к ряду весьма замечательных успехов, сразу разъяснило целый ряд свойств периодической системы, которые раньше представлялись совершенно загадочными. Когда протонов и нейтронов немного, то, по современным представлениям волновой механики, нужно ожидать, что число протонов и нейтронов в ядре одинаково. Зарядом обладает только протон, и число протонов дает атомный номер. А атомный вес элемента - это сумма весов протонов и нейтронов, потому что и те и другие имеют по единице атомного веса. На этом основании можно сказать, что атомный номер - это половина атомного веса.
Теперь остается все-таки одно затруднение, одно противоречие. Это - противоречие, создаваемое бета-частицами.
ОТКРЫТИЕ ПОЗИТРОНА
Мы пришли к заключению, что в ядре нет ничего кроме положительно заряженного протона. А как же тогда выбрасываются из ядра отрицательные электроны, если там вообще никаких отрицательных зарядов нет? Как видите, мы попали в трудное положение.
Из него нас выводит опять-таки новый экспериментальный факт, новое открытие. Это открытие было сделано, пожалуй впервые, Д. В. Скобельцыным, который, давно уже изучая космические лучи, нашел, что среди зарядов, которые выбрасывают космические лучи, есть и положительные легкие частицы. Но это открытие настолько противоречило всему тому, что твердо было установлено, что Скобельцын сначала не придал своим наблюдениям такого толкования.
Следующим, кто открыл это явление, был американский физик Андерсен в Пасадене (Калифорния), а после него в Англии, в лаборатории Резерфорда, - Блэккет. Это - положительные электроны или, как их не очень удачно назвали, - позитроны. Что действительно это положительные электроны - можно проще всего видеть по их поведению в магнитном поле. В магнитном поле электроны отклоняются в одну сторону, а позитроны - в другую, и направление их отклонения определяет собою их знак.
Вначале позитроны наблюдались только при прохождении космических лучей. Совсем недавно те же Ирена Кюри и Жолио открыли новое замечательное явление. Оказалось, что существует новый тип радиоактивности, что ядра алюминия, бора, магния, сами по себе не радиоактивные, будучи бомбардированы альфа-лучами, становятся радиоактивными. В течение от 2 до 14 минут они продолжают сами собой испускать частицы, и эти частицы уже не альфа- и бета-лучи, а позитроны.
Теория позитронов была создана гораздо раньше, чем был найден сам позитрон. Дирак поставил себе задачу придать уравнениям волновой механики такую форму, чтобы они удовлетворяли и теории относительности.
Эти уравнения Дирака, однако, привели к очень странному следствию. Масса в них входит симметрично, т. е. при изменении знака массы на противоположный уравнения не изменяются. Эта симметрия уравнений относительно массы позволила Дираку предсказать возможность существования положительных электронов.
В то время никто положительных электронов не наблюдал, и существовала твердая уверенность, что положительных электронов нет (можно судить об этом по той осторожности, с которой подошли к данному вопросу и Скобельцын и Андерсен), поэтому теория Дирака была отвергнута. Спустя два года положительные электроны были на самом деле найдены, и, естественно, вспомнили о теории Дирака, предсказавшей их появление.
"МАТЕРИАЛИЗАЦИЯ" И "АННИГИЛЯЦИЯ"
Эта теория связана с целым рядом неосновательных толкований, которые обрастают ее со всех сторон. Мне хотелось бы здесь разобрать названный так по инициативе мадам Кюри процесс материализации - появление при прохождении гамма-лучей сквозь материю одновременно пары из положительного и отрицательного электрона . Этот опытный факт толкуют как превращение электромагнитной энергии в две частицы материи, которых раньше не существовало. Этот факт, следовательно, истолковывается как создание и исчезновение материи под влиянием тех иных лучей.
Но если ближе присмотреться к тому, что мы в действительности наблюдаем, то легко видеть, что такое толкование появления пар не имеет никаких оснований. В частности, в работе Скобельцына прекрасно видно, что появление пары зарядов под воздействием гамма-лучей происходит вовсе не в пустом пространстве, появление пар наблюдается всегда только в атомах. Следовательно, здесь мы имеем дело не с материализацией энергии, не с появлением какой-то новой материи, а только с разделением зарядов внутри той материи, которая уже существует в атоме. Где она находилась? Надо думать, что процесс расщепления положительного и отрицательного заряда происходит недалеко от ядра, внутри атома, но не внутри ядра (на сравнительно не очень большом расстоянии 10 -10 -10 -11 см, тогда как радиус ядра 10 -12 -10 -13 см).
Совершенно то же можно сказать и об обратном процессе "аннигиляции материи" - соединения отрицательного и положительного электрона с выделением одного миллиона электронвольт энергии в виде двух квантов электромагнитных гамма-лучей. И этот процесс происходит всегда в атоме, по-видимому вблизи его ядра.
Здесь мы подходим к возможности разрешения отмеченного уже нами противоречия, к которому приводит испускание бета-лучей отрицательных электронов ядром, которое, как мы думаем, электронов не содержит.
Очевидно, бета-частицы вылетают не из ядра, а благодаря ядру; благодаря выделению энергии внутри ядра около него происходит процесс расщепления на положительный и отрицательный заряды, причем отрицательный заряд выбрасывается, а положительный втягивается в ядро и связывается с нейтроном, образуя положительный протон. Таково предположение, которое высказывалось в последнее время.
Вот что мы знаем о составе атомного ядра.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение скажем несколько слов о дальнейших перспективах.
Если при изучении атомов мы дошли до некоторых границ, за которыми количественные изменения перешли в новые качественные свойства, то на границах атомного ядра перестают действовать и те законы волновой механики, которые мы обнаружили в атомной оболочке; в ядре начинают нащупываться очень еще неясные контуры новой, еще более обобщающей теории, по отношению к которой волновая механика представляет собой только одну сторону явления, другая сторона которого начинает сейчас открываться - и начинает, как всегда, с противоречий.
Работы над атомным ядром имеют и другую очень любопытную сторону, тесно переплетающу юся с развитием техники. Ядро очень хорошо защищено барьером Гамова от внешних воздействий. Если, не ограничиваясь только наблюдением распада ядер в радиоактивных процессах, мы захотели бы извне прорваться в ядро, перестроить его, то для этого потребовалось бы чрезвычай но мощное воздействие.
Задача о ядре самым настойчивым образом требует дальнейшего развития техники, перехода от тех напряжений, которые уже освоены высоковольтной техникой, от напряжений в несколько сотен тысяч вольт, к миллионам вольт. Создается новый этап и в технике. Это работа над созданием новых источников напряжения, в миллионы вольт, ведется сейчас во всех странах - и за границей и у нас, в частности в Харьковской лаборатории, которая первая начала эту работу, и в Ленинградском физико-техническом институте, и в других местах.
Проблема ядра - одна из самых актуальных проблем нашего времени в физике; над ней нужно с чрезвычайной интенсивностью и настойчивостью работать, и в этой работе необходимо обладать большой смелостью мысли. В своем изложении я указал несколько случаев, когда, переходя к новым масштабам, мы убеждались, что наши логические привычки, все наши представления, построенные на ограниченном опыте, не годятся для новых явлений и новых масштабов. Нужно преодолеть этот свойственный каждому из нас консерватизм здравого смысла. Здравый смысл - это концентрированный опыт прошлого; нельзя ожидать, что этот опыт полностью охватит и будущее. В области ядра больше, чем в какой-нибудь другой, приходится все время иметь в виду возможность новых качественных свойств и не бояться их. Мне кажется, что именно здесь должна сказаться мощь диалектического метода, лишенного этого консерватизма метода, предсказавшего и весь ход развития современной физики. Я, конечно, понимаю здесь под диалектическим методом не совокупность фраз, взятых из Энгельса. Не его слова, а их смысл нужно перенести в нашу работу; только один диалектический метод может нас продвинуть вперед в такой совершенно новой и передовой области, как проблема ядра.
Состав ядра атома. Расчет протонов и нейтронов
Согласно современным представлениям, атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро атома, в свою очередь, состоит из более малых элементарных частиц ‒ из определенного количества протонов и нейтронов (общепринятое название для которых – нуклоны), связанных между собой ядерными силами.
Количество протонов в ядре определяет строение электронной оболочки атома. А электронная оболочка определяет физико-химические свойства вещества. Число протонов соответствует порядковому номеру атома в периодической системе химических элементов Менделеева, именуется также зарядовое число, атомный номер, атомное число. Например, число протонов у атома Гелия – 2. В периодической таблице он стоит под номером 2 и обозначается как He 2 Символом для обозначения количества протонов служит латинская буква Z. При записи формул зачастую цифра, указывающая на количество протонов, располагается снизу от символа элемента либо справа, либо слева: He 2 / 2 He.
Количество нейтронов соответствует определённому изотопу того или иного элемента. Изотопы – это элементы с одинаковым атомным номером (одинаковым количеством протонов и электронов), но с разным массовым числом. Массовое число – общее количество нейтронов и протонов в ядре атома (обозначается латинской буквой А). При записи формул массовое число указывается вверху символа элемента с одной из сторон: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп Гелия – Гелий - 4)
Таким образом, чтобы узнать число нейтронов в том или ином изотопе, следует от общего массового числа отнять число протонов. Например, нам известно, что в атоме Гелия-4 He 4 2 cодержится 4 элементарные частицы, так как массовое число изотопа – 4 . При этом нам известно, что He 4 2 меет 2 протона. Отняв от 4 (общее массовое число) 2 (кол-во протонов) получаем 2 – количество нейтронов в ядре Гелия-4.
ПРОЦЕСС РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРЕ АТОМА. В качестве примера мы не случайно рассмотрели Гелий-4 (He 4 2), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку ядро Гелия-4, именуемое альфа-частицей (α-частица) обладает наибольшей эффективностью в ядерных реакциях, его часто используют для экспериментов в этом направлении. Стоит отметить, что в формулах ядерных реакций зачастую вместо He 4 2 используется символ α.
Именно с участием альфа-частиц была проведена Э. Резерфордом первая в официальной истории физики реакция ядерного превращения. В ходе реакции α-частицами (He 4 2) «бомбардировались» ядра изотопа азота (N 14 7), вследствие чего образовался изотоп оксигена (O 17 8) и один протон (p 1 1)
Данная ядерная реакция выглядит следующим образом:
Осуществим расчёт количества фантомных частичек По до и после данного преобразования.
ДЛЯ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО НЕОБХОДИМО:
Шаг 1. Посчитать количество нейтронов и протонов в каждом ядре:
- количество протонов указано в нижнем показателе;
- количество нейтронов узнаем, отняв от общего массового числа (верхний показатель) количество протонов (нижний показатель).
Шаг 2. Посчитать количество фантомных частичек По в атомном ядре:
- умножить количество протонов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 протоне;
- умножить количество нейтронов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 нейтроне;
Шаг 3. Сложить количество фантомных частичек По:
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах до реакции;
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах после реакции;
- сравнить количество фантомных частичек По до реакции с количеством фантомных частичек По после реакции.
ПРИМЕР РАЗВЁРНУТОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРАХ АТОМОВ.
(Ядерная реакция с участием α-частицы (He 4 2), провёденная Э. Резерфордом в 1919 году)
ДО РЕАКЦИИ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Количество протонов: 7
Количество нейтронов: 14-7 = 7
в 1 протоне – 12 По, значит в 7 протонах: (12 х 7) = 84;
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 84+231 = 315
He 4 2
Количество протонов – 2
Количество нейтронов 4-2 = 2
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 2 протонах: (12 х 2) = 24
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 24+66 = 90
Итого, количество фантомных частичек По до реакции
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
ПОСЛЕ РЕАКЦИИ (O 17 8) и один протон (p 1 1):
O 17 8
Количество протонов: 8
Количество нейтронов: 17-8 = 9
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 8 протонах: (12 х 8) = 96
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 96+297 = 393
p 1 1
Количество протонов: 1
Количество нейтронов: 1-1=0
Количество фантомных частичек По:
В 1 протоне – 12 По
Нейтроны отсутствуют.
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 12
Итого, количество фантомных частичек По после реакции
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Сравним количество фантомных частичек По до и после реакции:
ПРИМЕР СОКРАЩЁННОЙ ФОРМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ.
Известной ядерной реакцией является реакция взаимодействия α-частиц с изотопом бериллия, прикоторой впервые был обнаружен нейтрон, проявивший себя как самостоятельная частица в результате ядерного преобразования. Данная реакция была осуществлена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Формула реакции:
213 + 90 → 270 + 33 - количество фантомных частичек По в каждом из ядер
303 = 303 - общая сумма фантомных частичек По до и после реакции
Количества фантомных частичек По до и после реакции равны.
СОСТАВ ЯДРА АТОМА. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ
1. Состав атомного ядра. Вскоре после открытия нейтрона (1932 г.) советский физик Д. Д. Иваненко и несколько позднее немецкий физик В. Гейзенберг высказали предположение, согласно которому атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов. Число протонов Z , входящих в состав ядра, определяет его заряд, который равен +Ze . Число Z называется атомным номером (оно определяет порядковый номер химического элемента в Периодической таблице Менделеева) или зарядовым числом ядра.
Число нуклонов А (т. е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N = A -Z .
Для обозначения ядер применяется символ
где под X подразумевается химический символ элемента. Вверху ставится его массовое число, внизу - атомный номер.
2. Изотопы. С 1906 г. известно, что не все атомы одного и того же химического элемента имеют одинаковую массу. Например, среди атомов хлора встречаются атомы с массой, близкой к 35, и массой, близкой к 37. Среди атомов урана встречаются атомы с массой 234, 235, 238 и 239. Есть различия по массе и у атомов других веществ.
Все изотопы одного и того же элемента имеют очень близкие химические свойства, что свидетельствует об одинаковом строении их электронных оболочек, а следовательно, и об одинаковых зарядах ядер и о равном числе протонов в ядрах. Отсюда происходит и их название - от греческого слова "изос" - одинаковый и "топос" - место: одинаковое место в Периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева.
Отличие в массе у изотопов вызвано различным числом в них нейтронов. Таким образом, изотопами называют разновидности данного химического элемента, различающиеся по массе их ядер.
Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди. Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени. Для каждого радиоактивного вещества существует интервал времени, на протяжении которого активность убывает в 2 раза, т.е. период полураспада Т данного вещества. Пусть число радиоактивных атомов N , время t =0. Через t 1 =Т число нераспавшихся ядер N 1 = N 0 /2, через t 2 =2Т останется
По истечении времени t=nT , т.е. спустя n периодов полураспада T , радиоактивных атомов останется:
Поскольку n=t/T ,
Это и есть основной закон радиоактивного распада.
4. Ядерные силы. Простые факты свидетельствуют о прочности атомных ядер: окружающие нас предметы существуют длительное время, не распадаясь на частицы. Но как эти факты объяснить? Ведь в состав атомных ядер входят протоны, и электростатические силы отталкивания должны были бы их "растолкнуть". Отсюда следует вывод, что внутри ядер между нуклонами действуют какие-то силы, превосходящие силы электростатического отталкивания. Эти силы получили название ядерных сил. Ядерные силы действуют между любыми нуклонами (между протонами, между нейтронами и между протонами и нейтронами). Характерной особенностью ядерных сил является их короткодействие: на расстояниях 10 -15 м они примерно в 100 раз больше сил электростатического взаимодействия, но уже на расстояниях 10 -14 м они оказываются ничтожно малыми.
5. Энергия связи. Для удаления из ядра протона или нейтрона необходимо совершить работу по преодолению короткодействующих ядерных сил. В результате энергия системы "оставшееся ядро - удаленный нуклон" увеличивается на ∆E , равную работе внешних сил.
Энергию, необходимую для полного разделения ядра на отдельные протоны и нейтроны, называют энергией связи ядра.
Согласно закону взаимосвязи массы и энергии, при этом увеличивается и масса частиц на
Следовательно, масса ядра всегда меньше сумм масс составляющих его частиц, взятых в отдельности. В ядерной физике массу частиц выражают в атомных единицах массы. Атомная единица массы равна 1/12 массы атома изотопа углерода-12.
1 а.е.м. = 1,6605655·10 -27 кг
В таблице приведены массы некоторых стабильных ядер и элементарных частиц.
Таблица
| Символ ядра | Масса, а. е. м. | Символ ядра | Масса, а. е. м. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
Правило смещения. Превращения ядер подчиняются так называемому правилу смещения,и сформулированному впервые Содди: при a-распаде ядро теряет положительный заряд 2е и масса его убывает приблизительно на четыре атомных единицы массы. В результате элемент смещается на две клетки к началу периодической системы . Символически это можно записать так:
Здесь элемент обозначается, как и в химии, общепринятыми символами: заряд ядра записывается в виде индекса слева внизу символа, а атомная масса - в виде индекса слева вверху символа. Например, водород обозначается символом . Для a - частицы, являющейся ядром атома гелия, применяется обозначение и т. д. При β - распаде из ядра вылетает электрон. В результате заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
Здесь обозначает электрон: индекс "0" вверху означает, что масса его очень мала по сравнению с атомной единицей массы. После β - распада элемент смещается на одну клетку ближе к концу периодической системы . Гамма-излучение не сопровождается изменением заряда; масса же ядра меняется ничтожно мало.
Правила смещения показывают, что при радиоактивном распаде сохраняется электрический заряд и приближенно сохраняется относительная атомная масса ядер.
Возникшие при радиоактивном распаде новые ядра в свою очередь обычно также радиоактивны.
Пример. Пользуясь данными этой таблицы, подсчитаем энергию связи ядра атома гелия:
Масса ядра гелия - 4,002603 а.е.м.
Масса отдельных нуклонов
Разность масс: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) а.е.м. =0,030377 а.е.м., а энергия связи:
Так как: 1 а.е.м.= 1,660566*10 -27 кг, а с = 3*10 8 м/с, то ∆ E = 0,030377*1,660566*10 -27 кг * 9 10 16 м 2 /с 2 , или ∆E =0,030377 * 1,660566·9·10 -11 Дж.
В ядерной физике энергию принято выражать в электронвольтах. Так как 1 эВ=1,60219·10 -19 Дж, то
Нетрудно заметить, что дробь
не зависит от условия задачи. Поэтому в дальнейшем расчеты в атомных реакциях будем производить так:
∆E = ∆m а.е.м. 931 МэВ/а.е.м.
Таким образом, энергия связи ядра атома гелия:
Разделив полную энергию связи ядра атома на число нуклонов в нем, можно получить так называемую удельную энергию связи. Для ядра атома гелия удельная энергия связи равна МэВ на нуклон.
Ответ: удельная энергия связи для ядра атома гелия приблизительно равна 7МэВ на нуклон.
Загрузка...
