Ядерная физика. Строение атомного ядра

Э. Резерфорд, проделав эксперимент по изучению рассеяния a-частиц при прохождении через тонкие пленки золота, пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Резерфорд показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10^-14–10^-15 м, в то время как линейные размеры атома примерно 10^-10 м. Открытие атомных ядер привело к возникновению новой проблемы в экспериментальной и теоретической физике – проблемы строения и свойств атомного ядра.

Физики-экспериментаторы, инженеры разработали совершенную экспериментальную технику, методы исследования объектов микромира, с помощью которых смогли получить, проанализировать и обобщить огромный объем информации об атомных ядрах различных атомов.

Электрический заряд ядра. Точные измерения электрического заряда Q атомных ядер были выполнены в 1913 году Г.Мозли. Оказалось, что электрический заряд ядра атома

Q = Ze (19.1)

где e – элементарный электрический заряд, Z – порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева или зарядовое число ядра. Атомы, ядра которых обладают одинаковыми зарядами, имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому химически идентичны.

Масса атомного ядра. Другой важной характеристикой атомного ядра является его масса m _я. В ядерной физике и физике элементарных частиц в качестве единицы массы используется атомная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода :

1 а.е.м. =1,66 ^. 10^-27 кг.

Энергетический эквивалент атомной единицы массы, т.е. энергия покоя частицы массой 1 а.е.м.:

Е ₀ = m ₀ c ² = 1,66 ^. 10^-27. (3 ^. 10⁸ )² Дж = 931,5Мэв.

Изотопы. Развитие техники масс-спектрометрии позволило установить, что большинство химических элементов представляют собой смесь атомов с одинаковым зарядовым числом Z, но с различными массами М. Такие атомы назвали изотопами элемента. Например, в природе есть три вида атомов водорода. Масса ядра самого легкого изотопа водорода – протия – равна примерно 1а.е.м.; масса ядра атома второго изотопа водорода – дейтерия – равна примерно 2 а.е.м.; масса ядра атома третьего изотопа водорода – трития – равна примерно 3 а.е.м.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: , где X – символ химического элемента, Z – атомный номер элемента (заряд ядра в единицах элементарного заряда), А – массовое число.

Состав атомного ядра. Первая частица, входящая в состав атомных ядер, была открыта Э.Резерфордом в 1919 г. Он исследовал взаимодействие a-частиц с ядрами атомов азота и установил, что a-частицы выбивают из ядра положительно заряженные частицы, масса которых равна массе ядра атома водорода :

. (19.2)

Эти частицы назвали протонами. Выполнив опыты с атомами других веществ, Резерфорд получил такой же результат: a-частицы выбивают из ядер протоны. Было сделано предположение, что ядра атомов всех элементов содержат протоны. Заряд протона положительный и равен элементарному заряду е. Масса протона m _p = 1,6726×10^-27 кг = 1,00728 а.е.м.» 1836 m _е, где m _е – масса электрона. Обозначение протона - .

В 1932 г. Дж. Чедвик выполнил опыты по изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия a-частицами в следующей реакции:

. (19.3)

Он установил, что излучение является потоком нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Опыты Чедвика явились экспериментальным доказательством существования нейтронов. Заряд нейтрона равен нулю, масса нейтрона m_n = 1,6749×10^-27 кг = 1,00866 а.е.м.» 1839 m _е, обозначение нейтрона – . Важно отметить, что масса нейтрона немного больше массы протона. Это объясняет отсутствие нейтронов в природе в свободном состоянии. Покидая ядро, нейтрон может распадаться на протон, электрон и электронное нейтрино и делает это в среднем за семнадцать минут.

После открытия нейтрона Д. Иваненко и В. Гейзенбергом в 1932 г. была предложена протонно-нейтронная модель ядра. Согласно этой модели атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z, число нейтронов обозначается буквой N, общее число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу А:

А = Z + N. (19.4)

Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus – ядро).

Дата добавления: 2014-01-04