Склад атомного ядра. Відкриття нейтрона. Ізотопи

Український фізик Іваненко і німецький фізик Гейзенберг 1932 року незалежно один від одного запропонували протонно-нейтронну модель ядра, згідно з якою ядро складається із протонів і нейтронів. Оскільки атом в цілому електронейтральний, а заряд протона дорівнює модулю заряду електрона, то число протонів у ядрі дорівнює числу електронів в атомній оболонці. Відповідно число протонів в ядрі дорівнює атомному номеру елемента в періодичній системі елементів Менделєєва. А кількість нейтронів дорівнює різниці між атомною масою ізотопу і значенням порядкового номера.

Суму числа протонів Z і числа нейтронів N називають масовим числом А; воно дорівнює:

A= Z + N.

Маси протонів і нейтронів приблизно однакові і дорівнюють 1 а. о. м. Маса електрона набагато менша від маси ядра. Визначити число протонів і нейтронів в ядрі атома дуже просто. Наприклад:

Усі хімічні елементи, які знаходяться в одному рядку таблиці елементів Менделєєва, мають однакові хімічні властивості, але фізичні властивості їх трохи відрізняються. Такі елементи називаються ізотопами. Ізотопи мають ядра атомів з одним і тим самим значенням Z, але різними кількостями N. Натепер відомо ізотопи всіх хімічних елементів. Наприклад, водень має три ізотопи:

1. - водень звичайний - основний ізотоп стабільний.

2. - дейтерій (тяжкий водень); входить як домішка до природного водню її вміст становить (1/4500 частину).

3. - надтяжкий водень - тритій; отримують штучним шляхом, b – радіоактивний

Між протонами і нейтронами в ядрі діють значні сили кулонівського відштовхування, але ядро не розлітається, оскільки протони і нейтрони в ядрі утримують могутні ядерні сили. Це най потужніші сили в природі, що є мірою сильної взаємодії. Їх характерна особливість - вони діють на дуже малих відстанях, що приблизно дорівнюють розміру ядра (10^-12 – 10^-13 см).

Щоб вибити нуклон із ядра, потрібно виконати величезну роботу, тобто передати ядру енергію зв'язку. Це - енергія, яка потрібна для повного розщеплення ядра на нуклони, або енергія, яка виділяється під час утворення ядра із окремих частинок.

Оскільки остаточну теорію ядерних сил поки що не створено, то енергію зв'язку розраховують за формулою Ейнштейна:

E= mc².

Але точні вимірювання мас ядер показують, що

M_я < Zm_p + Nm_n,

Існує так званий дефект мас:

ΔM = Zm_p + Nm_n – M_я.

Підставивши значення дефекту мас в рівняння для енергії, отримаємо формулу для визначення енергії зв'язку:

E_зв = ΔMс² = ( Zm_p + Nm_n – M_я)·с².

Фізичні сталі.

Маса спокою електрона:

Маса спокою протона:

Маса спокою нейтрона:

Ядра, з частинок, під дією ядерних сил на малих відстанях прямують одна до одної з величезним прискоренням. Випромінювані при цьому g - кванти мають енергію E_зв і масу .

Важливу інформацію про властивості ядер містить залежність енергії зв'язку від масового числа А.

Питомою енергією зв'язку називають енергію зв'язку, яка припадає на один нуклон.

Питома енергія зв'язку елементів масові частки яких 50-60 найбільшоа, тому ядра цих елементів найбільш стійкі.

Питома енергія зв'язку тяжких ядер зменшується за рахунок зростаючої із збільшенням Z кулонівської енергії відштовхування, оскільки сила Кулона F_k намагається розірвати ядро.

На відміну від хімічних реакцій, під час яких змін зазнають лише молекули, а ядра атомів залишаються без змін, то час ядерних реакцій змін зазнають самі атомні ядра. При цьому замість одних хімічних елементів утворюються інші. Отже зміну атомних ядер у результаті їх взаємодії з елементарними частинками між собою називають ядерними реакціями.

Ядерні реакції бувають як штучні, так і природні. Штучні ядерні реакції відбуваються за допомогою ядер дейтерію - дейтронів, a-частинок інших важких ядер, які розганяють до великих швидкостей, щоб під час зближення можна було подолати кулонівські сили відштовхування і ввійти в зону ядерних сил. У результаті злиття початкових ядер на деякий час утворюється комбіноване ядро, що згодом розпадається на уламки, які кулонівські сили розганяють до світлових швидкостей, близьких до швидкості світла.

Першу ядерну реакцію на швидких протонах було здійснено 1932 року, коли вдалося розщепити літій на дві a-частинки:

Серед різних ядерних реакцій особливо важливу роль у житті людини відіграють ланцюгові реакції поділу деяких важких ядер. Німецькі фізики О. Ган і Ф. Шрассман 1938 року вперше провели ядерну реакцію поділу ядер урану під час бомбардування їх нейтронами. У результаті цієї реакції ядро атома урану поділилось на два нерівні уламки, і вивільнилось 2 чи 3 нейтрони і величезна енергія.

Нейтрон відкрив 1932 року англійський фізик Д. Чедвік. Його можна отримати внаслідок попадання a - частинки в ядро берилію:

У рівнянні цієї ядерної реакції - символ нейтрона; його заряд дорівнює нулю, а відносна маса - приблизно одиниці. Нейтрон - нестабільна частинка: вільний нейтрон за час близько 15 хв розпадається на протон, електрон і нейтрино - частинку, що не має маси спокою.

Відкриття нейтрона стало поворотним етапом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їх перетворення. Наприклад, спостерігається така реакція:

Великий італійський фізик Енріко Фермі першим почав вивчати реакції, спричинювані нейтронами. Він виявив, що ядерні перетворення зумовлюються не тільки швидкими, а й повільними нейтронами. Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей у звичайній воді.