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

Ви дізнаєтесь

Про ядерну взаємодію як одну з фундаментальних взаємодій у природі

Пригадайте

Що вам відомо про протон і нейтрон

Складові частинки атомного ядра. Нуклони. До 20-х років XX ст. фізики вже не сумнівалися в тому, що атомні ядра також мають складну структуру. У цьому їх переконували численні експериментальні факти. Так, у 1919 р. Ернест Резерфорд, здійснюючи експерименти з розщеплення ядер атомів багатьох елементів, виявив частинку, яку згодом назвав протоном (позначається — р). Він висловив припущення, що протони входять до складу всіх атомних ядер.

Після відкриття протона було висловлено припущення, що ядра атомів складаються тільки з протонів. Однак це припущення виявилося неспроможним, оскільки відношення заряду ядра до його маси є різним для різних ядер.

У 1930 р. Вальтер Боте й Герберт Бекер з Гісенського університету проводили опромінення Берилію альфа-частинками й вивчали утворений при цьому потік нових частинок. Оскільки ці частинки не взаємодіяли з електричним і магнітним полями, було зроблено висновок, що випромінюються електрично нейтральні частинки. Подібні досліди в 1932 р. повторили Федерік Жоліо-Кюрі, Марія Склодовська-Кюрі, Джеймс Чедвік. Ці досліди підтвердили існування елементарної частинки, яку тепер називають нейтроном (позначається — n).

У 1932 р., після відкриття протона й нейтрона ученими Дмитром Дмитровичем Іваненком (Україна) і Вернером Гейзенбергом (Німеччина), була запропонована протонно-нейтронна модель ядра атома (мал. 179).

Мал. 179. Модель атомного ядра

Відповідно до цієї моделі:

ядра усіх хімічних елементів складаються з протонів і нейтронів (нейтрони і протони, як складові частинки ядер, мають спільну назву — нуклони);
сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (або масовим) числом і позначають символом А;
кількість протонів називають протонним (або зарядним) числом і позначають символом Ζ;
протонне число відповідає порядковому номеру елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва;
кількість нейтронів дорівнює різниці між масовим і протонним числом (Ν = А - Ζ)
заряд ядра обумовлений тільки протонами;
кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів, що обертаються навколо нього.

Для умовного позначення ядер атома хімічного елемента використовують символ ^A_ZX, де А — нуклонне число; Ζ — протонне число. Певне атомне ядро з відомими A, Ζ, і N ще називають нуклідом.

Ви звернули увагу, що масове число нам довелось округлити до цілих? У чому тут причина? Річ у тім, що ядра атомів хімічного елемента можуть відрізнятися кількістю нейтронів. Атоми хімічного елемента, у ядрах яких міститься однакова кількість протонів і різна кількість нейтронів, називаються ізотопами. Атомна маса природного хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва є середньою атомною масою всіх його ізотопів.

Детальніше властивості ізотопів і приклади їх використання ми розглянемо в § 34.

Властивості й природа ядерних сил. Ядра атомів — це дуже стійкі утворення, які стійкіші, ніж атоми. Так, наприклад, щоб розділити ядро Гелію на окремі нуклони, необхідно витратити в сотні тисяч разів більше енергії, ніж для відриву обох його електронів від ядра. Це пояснюється тим, що між нуклонами в ядрі існує особлива, внутрішньоядерна взаємодія, тобто діють особливі — ядерні сили. Що ж це за сили?

Ядерні сили мають такі специфічні властивості:

діють на відстанях, сумірних із розмірами нуклонів (порядку 1 • 10^-15 м), і різко зменшуються при збільшенні відстані (на відстанях 1,4 • 10^-15 м вони вже практично не діють);
це найпотужніші сили, що є в природі, тому взаємодію частинок у ядрі часто називають сильною взаємодією;
ядерним силам властиве насичення (окремий нуклон взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з найближчими сусідами);
ядерним силам властива зарядова незалежність (заряджені й незаряджені частинки притягуються з однаковою силою, тобто сила взаємодії між двома протонами дорівнює силі взаємодії між двома нейтронами й дорівнює силі взаємодії між протоном і нейтроном);
ядерні сили не є центральними (тобто вони не направлені уздовж прямої, що сполучає центри взаємодіючих частинок);
ядерні сили є так званими обмінними силами (взаємодія між нуклонами виникає внаслідок обміну між ними деякою третьою частинкою).

Підбиваємо підсумки

• Ядра всіх хімічних елементів складаються з нуклонів: протонів і нейтронів, між якими існує особлива внутрішньоядерна взаємодія (сильна взаємодія) і діють особливі ядерні сили. Ядерні сили мають специфічні властивості, які відрізняють їх від сил, що діють під час електромагнітної взаємодії.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. У чому суть протонно-нейтронної моделі ядра атома?
2. Які сили діють між нуклонами в ядрі? Опишіть їхні особливості. До якого типу взаємодії належать ядерні сили?
3. Як у ядерній фізиці позначають хімічний елемент? Схарактеризуйте за цими параметрами Літій.
4. Яка частинка має більшу масу: протон чи електрон? У скільки разів більшу?

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

Вправа 15

1. Порядковий номер Калію в таблиці Менделєєва 19. Масове число 39. Визначте для атома Калію кількість електронів, протонів і нейтронів.
2. Визначте кількість електронів в атомах хімічних елементів Магнію й Алюмінію.
3. У ядрі атома деякого хімічного елемента міститься 56 протонів. Назвіть цей елемент.
4. Визначте кількість протонів в атомах хімічних елементів Фосфору і Хлору.
5. Назвіть хімічні елементи, в атомному ядрі яких міститься така кількість нуклонів: а) 7р, 7n; б) 18р, 22n; в) 3р, 4n; г) 84p, 126n.
6. Ядро атома певного елемента має електричний заряд 4,8 • 10^-18 Кл. Який це елемент?

Зміст