§ 24. Протонно-нейтронна модель ядра атома. Ядерні сили

Вам уже відомо, що ядро атома - це центральна, позитивно заряджена частина атома, у якій сконцентрована майже вся його маса. Заряд цієї серцевини атома дорівнює сумарному заряду електронної оболонки, унаслідок чого атом у цілому є електронейтральним. Лінійні розміри різних ядер неоднакові - від 3 • 10^-15 до 10 • 10^-15 м, що в 10⁴-10⁵ разів менше за поперечний розмір самого атома. Ядерна речовина має надзвичайно велику густину - 10¹⁴ г/см³. Чайна ложка, наповнена тільки ядрами, важила б сотні мільйонів тонн.

Упевнившись, що атом не є «неподільним», фізики намагалися встановити «цеглинки», з яких він складається, тобто такі структурні елементи матерії, внутрішня будова яких на цей момент невідома і які назвали елементарними частинками. Електрон - перша з відомих елементарних частинок, структура атомного ядра була ще не встановлена.

У 1913 р. Резерфорд припустив, що ядро атома Гідрогену є елементарною частинкою, яку назвали протоном і яка входить до складу інших атомних ядер. Цю гіпотезу було підтверджено експериментально в 1919 р., коли в дослідах виявили окремі протони.

Маса протона в 1840 разів більша за масу електрона, його електричний заряд за значенням такий самий, як у електрона, але позитивний. У наступного елемента - Гелію - ядро в чотири рази важче за ядро Гідрогену, а в останнього природного елемента, Урану, - у 238 разів. Масове число А є найближчим цілим числом до значення відносної атомної маси хімічного елемента, для Урану А = 238. Але зарядове число для Урану Ζ = 92, тобто до його складу входять 92 протони, і решта маси ядра має припадати ще на якісь частинки.

У 1932 р. англійський фізик Джеймс Чедвік на досліді встановив, що невідоме дуже проникне випромінювання, яке спостерігали він та інші вчені, є потоком нейтральних частинок, маса яких близька до маси протона. Існування такої частинки ще у 1920 р. передбачав Резерфорд, її назвали нейтроном. Того самого року Дмитро Іваненко і Вернер Гейзенберг запропонували протонно-нейтронну модель ядра атома, яку в подальшому підтверджували всі дослідження.

Згідно із цією моделлю ядро атома складається з протонів і нейтронів, яким присвоїли загальну назву нуклони. Кількість нейтронів N у ядрі хімічного елемента дорівнює різниці між масовим і зарядовим числами, тобто:

N = А - Ζ.

Ядра атомів узагальнено називають нуклідами.

Нукліди позначають символом хімічного елемента зі значенням масового числа А зверху і значенням зарядового числа Ζ внизу ліворуч (^A_ZΧ). Наприклад, ¹₁Н - ядро атома Гідрогену, ⁴₂Не - ядро атома Гелію (альфа-частинка), ²³⁸₉₂U - ядро атома Урану.

Але як утримуються в ядрі однойменно заряджені частинки? Що утримує нуклони в ядрі?

Адже електричні сили відштовхування між позитивно зарядженими протонами в ядрі повинні зумовити їхнє розлітання в різні боки. Але протони не тільки не розлітаються, а ще й протидіють спробам зруйнувати ядро. Учені з’ясували: щоб розщепити ядро, потрібно надати частинкам, що бомбардують, значної енергії.

Сили, які утримують частинки в ядрі, називають ядерними силами.

Ядерні сили є короткодіючими, на відміну від далекодіючих електромагнітних сил і сил тяжіння. Радіус дії ядерних сил приблизно дорівнює 10^-15 м, тобто розміру нуклонів. На цих відстанях ядерні сили притягування в сотні разів перевищують електричні сили відштовхування між протонами. Про ядерні сили образно кажуть, що це - «богатир з дуже короткими руками».

Ядерні сили є також зарядово незалежними, ця властивість виявляється в тому, що протон з протоном взаємодіють так само, як і протон з нейтроном.

Ядерні сили є прикладом так званих сильних взаємодій, саме вони зумовлюють те, що для розщеплення ядра потрібна значна енергія, тобто вони є дуже «міцними». Найменше значення енергії, яка забезпечує розщеплення ядра на складові частинки, може бути мірою енергії зв’язку ядра, тобто його «міцності». Ядра хімічних елементів мають різну «міцність». Найслабше зв’язані частинки в ядрах легких елементів, що містяться на початку періодичної системи елементів. Енергія зв’язку швидко зростає зі збільшенням кількості частинок у ядрі, зростає і «міцність» ядер, досягаючи максимуму для Феруму і близьких до нього елементів.

Оскільки ядерні сили є короткодіючими, то, починаючи з деякого елемента, зв’язок між нуклонами не збільшується, хоч їхня кількість у ядрі зростає. Ось чому «міцність» ядер елементів середньої частини періодичної системи елементів майже однакова.

В ядрах важких елементів, що стоять у кінці періодичної системи елементів, зростає роль електричних сил відштовхування. Саме ці сили і «розштовхують» усі, навіть найвіддаленіші, протони ядра, роблять їх менш «міцними». Отже, стає зрозумілою поведінка останнього серед природних елементів - Урану, ядра якого є радіоактивними, нестійкими саме через значну роль електричних сил. Решта елементів, що стоять за Ураном, у природі зовсім не трапляються, а створюються штучно.

У ядрі атома зосереджено величезну енергію взаємодії складових частинок, вона в мільйони разів перевищує енергію взаємодії електронів з ядром в атомах, тобто таку, що може виділятися під час хімічних реакцій. Пізніше ви дізнаєтеся, що внаслідок описаних вище властивостей ядер елементів під час ядерних перетворень можна домогтися виділення значної енергії синтезом (злиттям) легких ядер або під час поділу (розщеплення) важких ядер Урану, Плутонію тощо.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО