Фізика. 9 клас. Бар’яхтар

Розділ ІV. Фізика атома та атомного ядра. Фізичні основи атомної енергетики

• Ви знаєте, як працює тепловий двигун, а тепер дізнаєтесь, як працює ядерний реактор
• Ви чули, що радіація завдає шкоди, а тепер дізнаєтесь, як вона лікує
• Ви знаєте, що життя на Землі неможливе без сонячної енергії, а тепер дізнаєтеся, звідки Сонце її «бере»
• Ви знаєте, що однойменні заряди відштовхуються, а тепер дізнаєтеся, коли вони притягуються
• Ви можете розрахувати, скільки теплоти виділиться під час згоряння 1 кг дров, а тепер зможете обчислити кількість теплоти, що виділиться під час «згоряння» 1 кг урану

§ 22. Сучасна модель атома. Протонно-нейтронна модель ядра атома. Ядерні сили. Ізотопи

Історія фізичної науки налічує майже 2500 років, але тільки минулого століття фізики перетворилися з поважних викладачів і кабінетних учених на консультантів урядів. Кількість фахівців-фізиків збільшилася в сотні разів, було створено величезні підприємства для виробництва фізичних приладів і обладнання (рис. 22.1). І сталося це передусім завдяки успіхам ядерної фізики, яка вивчає структуру та властивості атомних ядер, процеси, що в них відбуваються, та механізми перетворення атомних ядер. У цьому параграфі ви детальніше дізнаєтесь про атом і атомне ядро.

Рис. 22.1. Найбільша на сьогодні дослідницька установка — прискорювач заряджених частинок, перший запуск якого відбувся в 2008 р.: а — вигляд ізсередини; б — схематичне зображення. Вражають розміри цього прискорювача: елементарні частинки розганяються у величезному кільці завдовжки 26 км. Країни Європи мусили об'єднати свої зусилля, щоб побудувати це диво техніки

1. Дізнаємося про класичний дослід Резерфорда

Експерименти, здійснені вченими протягом XIX ст., довели, що атом має складну структуру. Фізикам стало відомо, що до складу атома входять електрони, які мають негативний заряд, а власне атом є нейтральним.

У 1908-1911 рр. під керівництвом Ернеста Резерфорда (рис. 22.2) досвідчений дослідник Ганс Ґейґер (1882-1945) і молодий аспірант Ернест Марсден (1889-1970) проводили серію дослідів щодо з’ясування структури атома. Для дослідів учені використали речовину, із якої з великою швидкістю вилітали позитивно заряджені частинки — так звані α-частинки (альфа-частинки).

Рис. 22.2. Ернест Резерфорд (1871-1937) — видатний англійський фізик. Заклав основи вчення про радіоактивність і будову атома, здійснив першу ядерну реакцію. Лауреат Нобелівської премії (1908 р.), член усіх академій наук світу

Вузький пучок α-частинок зі свинцевого контейнера спрямовувався на тонку золоту фольгу, а далі потрапляв в екран, покритий шаром кристалів цинк сульфіду (рис. 22.3). Якщо в такий екран улучала α-частинка, то в місці її влучання відбувався слабкий спалах світла. Учені спостерігали спалахи за допомогою мікроскопа та реєстрували влучання α-частинок в екран.

Рис. 22.3. Схема досліду з розсіяння α-частинок (дослід Резерфорда)

У результаті дослідів було з’ясовано, що переважна більшість α-частинок проходить крізь золоту фольгу, не змінюючи напрямку руху, деякі відхиляються від початкової траєкторії. А от приблизно одна з 20 000 частинок відскакувала від фольги, начебто натикаючись на якусь перешкоду (рис. 22.4).

Рис. 22.4. Траєкторії α-частинок, що пролітають поряд із ядром Ауруму. Чим ближче до ядра пролітає α-частинка, тим більша сила відштовхування, яка діє на неї, і тим більше частинка відхиляється від початкової траєкторії

Зрозуміло, що Е. Резерфорд не міг бачити внутрішню структуру атома, тому він залучив логіку. Якщо позитивний заряд і маса рівномірно розподілені по всьому об’єму атома (а саме таке уявлення про атом існувало на той час), то всі α-частинки повинні були пролетіти крізь фольгу практично не відхиляючись, адже їхня енергія величезна (це приблизно як бити м’ячем крізь павутиння).

Якщо ж позитивний заряд і маса зосереджені в невеликому об’ємі всередині атома, а навколо — «порожнеча», то бомбардування α-частинками нагадуватиме кидки тенісними м’ячиками через поле, на якому розташована закріплена на жердині металева банка. Тільки в мізерній кількості випадків м’ячики влучать у банку та відскочать від неї, решта ж пролетить повз.

Очевидно, що друге припущення значно більше підходить для пояснення результатів експерименту. Таким чином, після зазначених дослідів Резерфорд у 1911 р. запропонував ядерну модель будови атома: атом складається з позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими частинками — електронами; саме в ядрі зосереджена мало не вся маса атома.

• На вашу думку, чи відскочила б α-частинка в досліді Резерфорда, якби ядро мало негативний заряд? якби маса ядра була набагато меншою від маси α-частинки?

Хоча в ядрі зосереджена майже вся маса атома, розмір ядра порівняно з атомом надзвичайно малий (діаметр атома становить приблизно 10^-10 м, а ядра — 10^-15 м). Для наочності уявіть, що атом вдалося збільшити до розміру великого стадіону. При цьому розмір ядра такого атома теж має зрости. На скільки? Обчислення показують, що діаметр ядра атома дорівнював би розміру мурахи, що повзе по траві стадіону.

Ядерна модель атома, запропонована Резерфордом, була розвинена в роботах видатного данського фізика Нільса Бора (1885-1962). Саме на ядерній моделі ґрунтується сучасне уявлення про будову атома (рис. 22.5).

Рис. 22.5. «Еволюція» моделі атома

2. Згадуємо будову атомного ядра

Із курсів фізики і хімії ви добре знаєте, що атомне ядро складається із частинок двох видів: протонів, які мають позитивний електричний заряд, і нейтронів, які не мають заряду. Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона та майже у 2000 разів більша за масу електрона. Протони й нейтрони, що входять до складу ядра атома, називають нуклонами. Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (масовим) числом і позначають символом А.

Атом є електрично нейтральним: сумарний заряд протонів у ядрі дорівнює сумарному заряду електронів, що розташовані навколо ядра. Оскільки заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то зрозуміло, що в атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів.

Кількість протонів у ядрі називають зарядовим (протонним) числом і позначають символом Ζ. Порядковий номер елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва відповідає кількості протонів у ядрі (зарядовому числу).

Знаючи зарядове (Ζ) і масове (А) числа ядра атома, можна визначити кількість нейтронів (Ν) у цьому ядрі: N = Α - Ζ.

Вид атомів, який характеризується певним значенням зарядового числа та певним значенням масового числа, називають нуклідом (рис. 22.6)

Рис. 22.6. Позначення нукліда хімічного елемента

• Скільки протонів і нейтронів містить ядро нукліда Алюмінію (²⁷₁₃Al)?

Якщо різні нукліди мають однакове зарядове число, то їхні хімічні властивості є однаковими — нукліди належать одному хімічному елементу.

Різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами («однакові за місцем»).

Кожний хімічний елемент має декілька ізотопів (рис. 22.7).

Рис. 22.7. Ізотопи Гідрогену, які існують у природі. Символом е^- позначено електрони, р⁺ — протони, n — нейтрони

3. Дізнаємося про сильну взаємодію

Ви вже знаєте, що електрони, маючи негативний заряд, утримуються навколо позитивного ядра завдяки електромагнітній взаємодії. Але яким чином у складі одного ядра і на дуже близькій відстані один від одного утримуються протони, адже однойменно заряджені частинки відштовхуються?

З’ясовано, що всі частинки в ядрі притягуються одна до одної завдяки взаємодії, яка в сотні разів сильніша, ніж електромагнітне відштовхування протонів (рис. 22.8). Саме тому взаємодію нуклонів називають сильною взаємодією.

Рис. 22.8. Сили взаємодії між нуклонами ядра

Сили, які діють між протонами й нейтронами в ядрі та забезпечують існування атомних ядер, називають ядерними силами.

Основні властивості ядерних сил:

• 1) є тільки силами притягання;
• 2) є близькодіючими: вимірювання показали, що ядерні сили між нуклонами виявляються лише на відстанях, які приблизно дорівнюють розмірам нуклона (10^-15 м);
• 3) не залежать від заряду: на однаковій відстані сили, що діють між двома протонами, між двома нейтронами або між протоном і нейтроном, є однаковими;
• 4) мають властивість насичення: нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю нуклонів-«сусідів».

Відкриття будови атомного ядра сміливо можна назвати «міжнародним».

Протон відкрив англійський фізик, уродженець Нової Зеландії Ернест Резерфорд (1911 р.), нейтрон — англійський фізик Джеймс Чедвік (1932 р.). Гіпотезу про протонно-нейтронну будову ядра атома вперше незалежно один від одного висловили радянський учений, уродженець Полтавщини Дмитро Дмитрович Іваненко і німецький учений Вернер Гейзенберґ (1932 р.). Відтоді уявлення про будову ядра практично не змінилися.

Підбиваємо підсумки

У результаті дослідів під керівництвом Е. Резерфорда було створено ядерну модель будови атома, згідно з якою весь позитивний заряд атома зосереджений у його ядрі — частині, розміри якої незначні порівняно з розмірами атома.

Ядра атомів складаються з нуклонів — протонів і нейтронів. Кількість протонів (Z) у ядрі атома даного елемента дорівнює порядковому номеру цього елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва, кількість нуклонів (А) — масовому числу.

Вид атомів, який характеризується певною кількістю протонів і певною загальною кількістю нуклонів, називають нуклідом.

Різновиди хімічного елемента, атоми яких містять у своїх ядрах однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами даного хімічного елемента.

У ядрі нуклони утримуються разом завдяки дії ядерних сил. Ядерні сили є близькодіючими — на відстанях, більших за розмір нуклона, вони не виявляються.

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід Е. Резерфорда із розсіяння α-частинок та його результати. 2. Із яких частинок складається атом? атомне ядро? 3. Що таке зарядове число? масове число? 4. Як визначити кількість протонів і нейтронів у ядрі? Наведіть приклад. 5. Що таке нуклід? 6. Які нукліди називають ізотопами? Назвіть ізотопи Гідрогену. 7. Який тип взаємодії забезпечує утримання нуклонів у ядрі атома? 8. Дайте означення ядерних сил, назвіть їхні властивості.

Вправа № 22

1. Скільки протонів і скільки нейтронів міститься в ядрі атома Аргону ⁴⁰₁₈Аr?

2. Чим відрізняються ядра ізотопів Урану: ²³⁸₈₂U i ²³⁵₉₂U?

3. У ядрі атома Бору міститься 5 протонів і 6 нейтронів. Скільки електронів у цьому атомі? скільки нуклонів у ядрі цього атома?

4. Серед поданих символів хімічних елементів визначте той, що відповідає атому з найбільшою кількістю електронів: Са, Cu, Ge, Sb, Р. Скористайтеся Періодичною системою хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

5. Оцініть силу ядерної взаємодії між протонами ядра на відстані 10^-15 м.

6. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про життя й наукову діяльність нашого співвітчизника Дмитра Дмитровича Іваненка.