Ядро атома химического элемента

Ядро атома химического элемента

Ядро атома обнаружил в 1909-1911 годах Эрнест Резерфорд, изучая природу радиоактивности. Более того, он доказал экспериментально существование ядра атома, «обстреливая»  α-частицами фольгу из золота, которая была настолько тонкой, что могла висеть в воздухе и пропускала свет.

По расчетам Э.Резерфорда атом, размеры которого не более 10^-6нм, имеет ядро диаметром порядка 10^-10нм.

В 1913 году Г. Мозли установил, что заряд ядра атома равен порядковому номеру химического элемента в таблице Д.И. Менделеева.

И, наконец, открытие Э. Резерфордом в 1920 году протона, а Дж. Чедвиком в 1922 году нейтрона предложили простейшую модель строения атома:

1)   В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть внутреннего пространства атома (радиус ядра атома водорода равен 6,5 * 10^-7нм).

2)   Весь положительный заряд  и почти вся масса атома сосредоточены в его ядре.

3)   Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов (общее название – нуклоны)             

Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одного протона. Ядра всех остальных атомов состоят из протонов и нейтронов.

Протонно – нейтронная модель  ядра атома была предложена в 1932 году одновременно и независимо советским физиком Д.Д. Иваненко и В. Гейзенбергом.

Протон обладает массой ( он в 1836,12 раз массивнее электрона), положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона, имеет спин (s=1/2) и собственный магнитный момент. Собственный магнитный момент протона в 660 раз меньше магнитного момента электрона.

Нейтрон электрического заряда не имеет, его масса близка к массе протона, но немного больше. Нейтрон обладает спином (s=1/2) и собственным магнитным моментом.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон, испуская электрон (е^-) и частицу, называемую антинейтрино. Масса антинейтрино равна нулю.

******

Одной из важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число «Z». Оно равно количеству протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен Z * е⁺ (е – это абсолютная величина заряда электрона). Число «Z» определяет порядковый номер химического элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева, поэтому его называют атомным номером ядра атома химического элемента.

Число нуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре атома обозначается буквой «А» и называется массовым числом ядра атома.

Число нейтронов равно «N» (N=А-Z).

Обозначение   ядер     атомов     химических      элементов     приведено в таблице Д.И. Менделеева.

    Ядра атомов с одинаковым значением числа Z, но с разными значениями числа А, называется изотопами. Большинство химических элементов имеют по несколько изотопов. Например, кислород имеет три изотопа, олово – 10 изотопов и т.д.

Ядра с одинаковым массовым числом «А» называются изобарами.    Например, аргон Ar и кальций Са.

Ядра с одинаковым числом нейтронов N=A-Z носят название изотонов. Например, углерод-13 и азот-14.

В природе встречаются химические элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключая технеций (Tc, Z=43) и прометий (Pm, Z=61). Плутоний (Pu, Z=94), после получения его искусственным путем, был обнаружен в ничтожных количествах в природном минерале – смоляной обманки. Остальные трансурановые (следующие в таблице Дмитрия Ивановича Менделеева за ураном) элементы (с Z от 93 до 107 и далее) были получены искусственным путем.

********

Все попытки построения теории ядра атома наталкиваются на две серьёзные трудности:

1) Недостаточность знаний о силах, действующих между нуклонами ядра атома.

2) Чрезвычайную громоздкость квантовой задачи многих тел (ядро атома с массовым числом А представляет собой систему из А тел).

Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерных моделей, позволяющих описывать сравнительно простыми математическими средствами, определенную совокупность свойств ядер атома.

Но ни одна из подобных моделей не может дать исчерпывающего описания ядра атома. Приходится пользоваться несколькими моделями, каждая из которых подбирается так, чтобы получить согласие с экспериментом. Все модели ядра атома описать невозможно, но две из них наиболее известны.

*******

Капельная модель ядра атома была предложена советским ученым Я.И. Френкелем в 1939 году, и развита затем Н. Бором, другими учеными.

Я.И Френкель обратил внимание на сходство атомного ядра с капелькой жидкости. Сходство заключается в том, что в обоих случаях силы, действующие между частицами, - молекулами в жидкости и нуклонами в ядре атома, - являются короткодействующими (действующими на очень близких расстояниях). Кроме того, практически одинаковая плотность вещества в разных ядрах свидетельствуют о крайне малой сжимаемости ядерного вещества. С той же малой сжимаемостью обладают и жидкости. Указанное сходство дало основание уподобить ядро атома заряженной капельке жидкости.

Капельная модель позволила вывести полуэмпирическую (полуэкспериментальную)  формулу для энергии связи частиц в ядре, объяснить многие другие явления, в частности процесс деления тяжелых ядер.

********

Оболочечная модель ядра атома была развита Марией Гепперт-Майер и другими учеными.

В этой модели нуклоны считаются движущимися в неком поле (центрально-симметричном) независимо друг от друга. В соответствии с этим в ядре атома имеются дискретные энергетические уровни (подобные  энергетическим уровнем электронов в атоме). Эти энергетические уровни заполняются согласно принципу Паули (тем более что спины нуклонов равны +1/2). Энергетические уровни группируются в оболочке, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов (полная аналогия слоям электронной оболочки атома).

Полностью заполненная оболочка образует особо устойчивую структуру в ядре атома химического элемента (подобие атомам инертных газов).

В соответствии с опытом, особо устойчивыми оказываются ядра атомов, у которых число протонов, либо число нейтронов, либо оба эти числа равны: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 и 152.

Эти числа получили название магических.

Ядра атомов, у которых магическими являются и Z и N, называются дважды магическими. Дважды магических ядер атомов известно всего пять: гелий Не (Z=2, N=2); кислород О (Z=8, N=8);    кальций-40 Са⁴⁰ (Z=20, N=20); кальций-48 Ca⁴⁸ (Z=20, N=28); свинец Pb (Z=82, N=126). 

Распространенность в природе химических элементов  с ядрами, выраженными магическими числами, очень велика.

Ядра химических элементов, имеющие полностью заполненные нуклонные оболочки, обладают повышенной стабильностью по сравнению с соседними ядрами.

Так, например, тяжелые ядра, характеризующиеся магическими числами, имеют значительно большие периоды полураспада[1]. Например, период полураспада ядер N=126 превосходит период полураспада ядер с N=128.

 Двести семьдесят три стабильных изотопа, встречающиеся в природе, распределяются в соответствии с этим правилом следующим образом:

Z

N

Число изотопов

Чёт

Чёт

166

Чёт

Нечет

47

Нечет

Чёт

55

Нечет

Нечет

5

*******

Огромная энергия связи нуклонов в ядре атома указывает на то, что между ними имеется очень активное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения. Она удерживает нуклоны на расстоянии порядка 10^-13 см, друг от друга, несмотря на сильное электростатическое (кулоновское) отталкивание между протонами.

Ядерное взаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия.  Оно описывается силами, отличительными особенностями которых являются:

1) Короткодействие. Силы действуют на расстоянии порядка 10^-13см. На расстояниях существенно меньших 10^-13см. притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2) Сильное взаимодействие зависит от зарядов нуклонов. Ядерные силы, действующие между двумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеют одинаковую величину.

3) Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так протон и нейтрон удерживаются вместе, если их спины параллельны друг к другу.

4) Ядерные силы нельзя представить направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

5) Ядерные силы обладают свойством насыщения, которая проявляется в том, что энергия связи нуклонов при увеличении их числа не растёт, а остаётся примерно постоянной. На насыщение ядерных сил указывает факт пропорциональности объёма ядра числу образующих его нуклонов.

*****

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившими название мюонов.

Представим себе, например, что два человека (два нуклона) несут груз, при чем такой, что двоим одновременно невозможно за него взяться и вместе с тем настолько тяжёлый, что одному не под силу удерживать его долго. Поставить груз на землю и отдохнуть тоже нельзя. Если груз выпадет из рук, то поднять его невозможно.

Если бы не было второго человека, то дело кончилось бы, конечно, тем, что первый рано или поздно выронил бы ношу. Но вместе люди могут нести груз, передавая его, как только наступает усталость от одного к другому.

Нечто подобное происходит и в ядре атома.

В 1934 году советский физик И.Е.Тамм высказал предположение, что взаимодействие между нуклонами в ядре атома передается посредством каких-то виртуальных частиц.

Виртуальными частицами в квантовой механике называются частицы, которые невозможно обнаружить за время их существования. Это короткоживущие частицы.

В 1935 году японский физик Х. Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природе существуют пока необнаруженные частицы с массой в 200-300 раз больше массы электрона, выполняющие роль переносчиков ядерного взаимодействия. Эти частицы назвали мезонами.

В 1936 году Андерсон и Неддермайер обнаружили в космических лучах частицы с массой, равной 207 массам электрона.

И только в 1947 году Оккиалини и Поуэл открыли в космическом излучении тип мезонов,      которые действительно оказались носителями    ядерных сил.    Их    назвали π-мезонами (пи-мезонами). Они были предсказаны Юкавой за 12 лет до этого.

Существуют положительные (π⁺), отрицательные (π^-) и нейтральные (π⁰) пи-мезоны.

Были определены величины зарядов положительных и отрицательных пи-мезонов, их массы. Была найдена масса нейтрального пи-мезона.

Спин всех пи-мезонов оказался равным нулю.

Все три частицы нестабильны. Время их жизни от 2,6 * 10^-8с. до 0,8 * 10^-6с.

Обменное взаимодействие между нуклонами заключается в поглощении или испускании пи-мезона.

Протон испускает положительный пи-мезон и превращается в нейтрон. Нейтрон поглощает этот пи-мезон и превращается в протон. Затем процесс протекает в обратном направлении. За счёт такого взаимодействия протоны и нейтроны удерживаются в ядре атома друг возле друга.

В итоге ядро атома оказывается весьма и весьма стабильным образованием, и потому атомы химических элементов не распадаются на составные части.

Литература:

1.   В.И.  Григорьев, Г.Я. Мякишев. Силы в природе. -  М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.

2.   Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. Химия: Органическая химия. Основы общей химии (Обобщение и углубление знаний): Учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 1999.

3.   Энциклопедический словарь юного физика для среднего и старшего  школьного возраста. Составитель В.А. Чуянов. Москва. «Педагогика», 1984

4.   И.В. Савельев. Курс общей физики: том 3. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1987.