Фізика. 9 клас. Головко

§ 29. Будова атомного ядра

• Протонно-нейтронна модель ядра атома

• Ізотопи

• Ядерні сили

• *Дефект маси. Енергія зв’язку атомних ядер

ПРОТОННО-НЕЙТРОННА МОДЕЛЬ ЯДРА АТОМА. У 1919 р. Е. Резерфорд виявив у продуктах розщеплення ядер атомів багатьох елементів присутність мікрочастинок — ядер атома водню. Вчений назвав цю частинку протоном і припустив, що протони входять до складу всіх атомних ядер.

Після відкриття протона було висловлено припущення, що ядра атомів складаються з одних протонів. Однак це припущення виявилося хибним, оскільки відношення заряду ядра до його маси не залишається постійним для різних ядер, як це було б, якби до складу ядер входили лише протони. Для важчих ядер це відношення виявляється меншим, ніж для легших, тобто під час переходу до важчих ядер маса ядра зростає швидше, ніж заряд.

Тому було розроблено протонно-електронну гіпотезу будови ядра, відповідно до якої електрони, що входили до ядра, відігравали роль «цементуючого засобу», який утримував протони в ядрі.

У 1930 р. П. Дірак поставив під сумнів наявність електронів усередині ядра. А в 1932 р. Дж. Чедвік експериментально виявив потік електрично нейтральних частинок із масою, близькою до маси протона, які отримали назву нейтрони. У травні того самого року український учений Д. Іваненко першим серед фізиків запропонував протонно-нейтронну модель атомного ядра: на підставі аналізу експериментальних даних він обґрунтував, що ядро складається з протонів і нейтронів.

Д. Іваненко вважав, що нейтрон і протон є елементарними частинками, які можуть переходити один в одного, випускаючи електрон або позитрон. Надалі протон і нейтрон почали розглядатись як два стани однієї частинки — нуклона, й ідея Іваненко стала загальноприйнятою.

Дмитро Дмитрович Іваненко (1904—1994), український фізик-теоретик, автор протон-нейтронної моделі атомного ядра

Згідно з цією моделлю кількість нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів у ядрі атома, дорівнює нуклонному числу атома А; кількість протонів дорівнює заряду ядра атома Ζ, кількість нейтронів визначається їх різницею N = А - Ζ.

Таким чином, сьогодні використовується планетарна модель атома з протонно-нейтронною моделлю ядра (рис. 29.1)

Рис. 29.1. Модель атома Карбону

ІЗОТОПИ. З курсу хімії вам відомо, що всі хімічні елементи впорядковано у вигляді періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Хімічний елемент — тип атомів, що характеризується певним протонним числом.

У комірках (рис. 29.2) періодичної таблиці розміщено інформацію, яка містить символ елемента та протонне число. Крім того, можуть зазначатися назва та атомна маса елемента. Порядковий номер елемента дорівнює кількості протонів атомного ядра (протонному числу).

Рис. 29.2. Комірка хімічного елементу Гідрогену в періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Кожен вид атомів, незалежно від належності до конкретного елемента, однозначно описується числом нуклонів (сумою протонів і нейтронів). Тому кількість різновидів атомів перевищує число хімічних елементів. Кожен різновид атомів називається нуклідом.

Нуклід — різновид атомів, що характеризується певним протонним та нуклонним числом. Радіоактивні атоми називають радіонуклідами.

Кількість протонів у ядрі називають протонним числом, яке позначають латинською літерою Ζ. Протонне число збігається з порядковим номером елемента періодичної системи. Загальна кількість нуклонів (протонів та нейтронів) у ядрі називають нуклонним або масовим числом, що позначається літерою А.

Різновиди атомів одного й того самого хімічного елемента, що мають певне нуклонне число, називають ізотопами.

Нуклід позначають також іншим способом: до назви елемента через дефіс приєднується нуклонне число. Наприклад, ізотоп (нуклід) Сульфуру позначається або Сульфур-32. Нуклід — це ширше поняття, ніж ізотоп, оскільки кожен ізотоп є нуклідом, але тільки нукліди одного елемента є ізотопами. Наприклад, атом Карбону з 12 нуклонами в ядрі, атом Кобальту з 59 нуклонами і атом Урану з 235 нуклонами — це нукліди, тобто конкретні види атомів різних елементів, а три різних атома Карбону з 12, 13 і 14 нуклонами в їх ядрах — це ізотопи елемента Карбон.

Назви ізотопів збігаються з назвами відповідного хімічного елементу, за винятком Гідрогену (рис. 29.3), ізотопи якого мають власну назву і символи: Протій — ¹₁H, Дейтерій — ²₁H або ²₁D, Тритій — ³₁Η або ³₁T.

Рис. 29.3. Протонно-нейтронні моделі атомів Гідрогену

Оскільки більшість хімічних елементів існують у природі у вигляді суміші ізотопів, то атомна маса хімічного елемента визначається величиною атомних мас кожного ізотопу з урахуванням їхньої частки в природі. Наприклад, природний Хлор має дев’ять нуклідів, але найпоширенішими є тільки два з них: ³⁵₁₇Сl (75,53 %) та ³⁷₁₇Сl (24,47 %). Їхні атомні маси відповідно дорівнюють 34,95 а. о. м. та 36,97 а. о. м.. Тоді середня атомна маса Хлору дорівнює

Саме ця маса Хлору й вказується у періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

ЯДЕРНІ СИЛИ. Ядра більшості хімічних елементів стійкі. Це свідчить про те, що протони та нейтрони утримуються в ядрі певними силами. Що це за сили? Це не можуть бути сили електростатичної взаємодії, оскільки до складу атомних ядер входять протони й сила електростатичного відштовхування, навпаки б, прагнула розщепити ядро. Гравітаційне притягання між протонами в 10³⁶ разів менше, ніж електростатичне відштовхування. Отже, в ядрі між нуклонами існує особливий тип взаємодії, яку називають сильною, а сили, які їй відповідають, називають ядерними. Ядерні сили приблизно в 100 разів перевищують значення кулонівських сил, які діють в ядрі між протонами.

Ядерні сили є короткодіючими. На відстанях більших за 3 • 10^-15 м, вони практично не діють і різко збільшуються на відстані 2,2 • 10^-15 м. Коли нуклони, зіткнувшись, зближуються на відстані 0,5 • 10^-15 м, ядерні сили відштовхування переважають сили притягання.

У сучасній фізиці загальноприйнятою є теорія, згідно з якою ядерні сили мають обмінний характер. У 1935 р. японський фізик X. Юкава висунув гіпотезу, що в природі існують частинки масою у 200—300 разів більшою від маси електрона і саме через них здійснюється взаємодія нуклонів. Такі частинки було виявлено експериментально в 1947 р. Вони одержали назву пі-мезонів.

Пі-мезони не входять до складу протонів і нейтронів, а випромінюються та поглинаються ними.

Хідекі Юкава (1907—1981), японський фізик-теоретик, лауреат Нобелівської премії з фізики (1949 р.)

*ДЕФЕКТ МАСИ. ЕНЕРГІЯ ЗВ’ЯЗКУ АТОМНИХ ЯДЕР. Якщо порівняти масу атомного ядра із сумою мас відокремлених нуклонів, які його утворюють, то з’ясується, що вони не збігаються: маса ядра завжди менша за суму мас його складових на величину Am. Цю величину називають дефектом мас.

Δm = Zm_p + Nm_n - m_я.

Причина виникнення дефекту мас полягає в тому, що для утворення ядра з вільних протонів і нейтронів потрібно виконати роботу, яка дорівнює енергії зв’язку. Згідно із законом взаємозв’язку маси та енергії, зміна енергії на ΔЕ супроводжується пропорційною зміною маси системи на Δm:

ΔЕ = Δmс², де с — швидкість світла у вакуумі.

Як одиниця маси в атомній та ядерній фізиці використовується атомна одиниця маси (1,66057 • 10^-27 кг), а як одиниця енергії — 1 МеВ (1,6 • 10^-19 Дж).

! Головне в цьому параграфі

Згідно з протонно-нейтронною моделлю будови кількість нуклонів, тобто сума протонів і нейтронів у ядрі атома, дорівнює нуклонному числу атома А; кількість протонів дорівнює заряду ядра атома Ζ, кількість нейтронів визначається їх різницею N = А - Ζ.

Хімічний елемент — тип атомів, що характеризується певним протонним числом.

Протонне число — кількість протонів у ядрі. Позначається латинською літерою Ζ і збігається з порядковим номером елемента періодичної системи.

Нуклонне число (масове число) — загальна кількість нуклонів (протонів та нейтронів) у ядрі, позначається літерою А.

Ізотопи — різновиди атомів одного елемента, що мають певне нуклонне число. Це різновиди атомів одного й того самого хімічного елемента.

В ядерній фізиці ізотоп хімічного елемента X прийнято позначати символом хімічного елемента із зазначенням його нуклонного числа (зліва вгорі) та протонного числа (зліва донизу), тобто у вигляді ^A_ZX. Нуклід позначають також іншим способом: до назви елемента через дефіс приєднується нуклонне число.

В ядрі між нуклонами існує особливий тип взаємодії, яку називають сильною, а сили, що їй відповідають, називають ядерними. Ядерні сили приблизно в 100 разів перевищують значення кулонівських сил, які діють в ядрі між протонами.

? Запитання для самоперевірки

1. З яких частинок складається атом? Атомне ядро?
2. Як визначити кількість протонів у ядрі? Кількість нейтронів?
3. Який тип взаємодії забезпечує утримання електронів у ядрі атома?
4. Що таке ізотопи? Наведіть приклади.
5. У чому відмінність між термінами «ізотоп» та «нуклід»?
6. Як визначається атомна маса елемента, що вказується біля елемента в періодичній системі елементів Д. І. Менделєєва?
7*. Чому виникає дефект мас? Чим це можна пояснити?

Вправа до § 29

1 (c). У ядрі атома міститься 17 протонів. Що це за елемент?
2 (с). У ядрі атома Карбону міститься 8 нейтронів та 6 протонів. Скільки електронів у цьому атомі?
3 (с). Скільки електронів містить йон Сульфуру ³²₁₆S²^-.
4 (д). Який склад ядра атома Аргентуму-107, Хлору-37, Радію-226.
5 (д). Чим відрізняються ядра ізотопів Урану та ²³⁵₉₂U та ²³⁶₉₂U?
6 (в). Визначте масу (в а. о. м. із точністю до цілих чисел) і заряд (в елементарних зарядах) атомів Літію ⁶₃Li та Феруму ⁵⁶₂₆Fe.

Зміст