Строение атомного ядра. Изотопы. Физики атомного ядра. Состав и характеристики ядра. Масса и энергия связи ядра. Ядерные силы. Радиоактивность. a-, b- распад, g излучение Уравнение Иваненко - Гейзенберга

Состав и характеристика атомного ядра .

Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы, называемой протоном. Ядра всех остальных атомов состоят из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы носят название нуклонов.

Протон . Протоно (p) обладает зарядом +eи массой

m p = 938,28 МэВ

Для сравнения укажем, что масса электрона равна

m e = 0,511 МэВ

Из сопоставления и следует, что m p = 1836m e

Протон имеет спин, равный половине (s= ), и собственный магнитный момент

Единица магнитного момента, называемая ядерным магнетоном. Из сравнения масс протона и электрона вытекает, что μ я в 1836 раз меньше магнетона Бора μ б. Следовательно, собственный магнитный момент протона примерно в 660 раз меньше, чем магнитный момент электрона.

Нейтрон . Нейтрон (n) был открыт в 1932 г. английским физи­ком

Д. Чедвиком. Электрический заряд этой частицы равен нулю, а масса

m n = 939,57МэВ

очень близка к массе протона. Разность масс нейтрона и протона (m n –m p)

составляет 1,3 МэВ, т.е. 2,5 m e .

Нейтрон обладает спином, равным половине (s= ) и (не­смотря на отсутствие электрического заряда) собственным магнитным моментом

μ n = - 1,91μ я

(знак минус указывает на то, что направления собственных механи­ческого и магнитного моментов противоположны). Объяснение этого удивительного факта будет дано позже.

Отметим, что отношение экспериментальных значений μ p и μ n с большой степенью точности равно - 3/2 . Это было замечено лишь после того, как такое значение было получено теоретически.

В свободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен) – он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон (e -) и еще одну частицу, называемую антинейтрино
. Период полураспада (т.е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Схе­му распада можно написать следующим образом:

Масса покоя антинейтрино равна нулю. Масса нейтрона больше массы прото­на на 2,5m e . Следовательно, масса нейтрона превышает суммарную массу частиц, фигурирующих в правой части уравнения на 1,5m e , т.е. на 0,77 МэВ. Эта энергия выделяется при распаде нейтрона в виде кинетической энергии образующихся частиц.

Характеристики атомного ядра . Одной из важнейших характерис­тик атомного ядра является зарядовое числоZ. Оно равно коли­честву протонов, входящих в состав ядра, и определяет его заряд, который равен +Z e . ЧислоZопределяет порядковый номер химичес­кого элемента в периодической таблице Менделеева. Поэтому его так­же называют атомным номером ядра.

Число нуклонов (т.е. суммарное число протонов и нейтронов) в ядре обозначается буквой А и называется массовым числом ядра. Число нейтронов в ядре равно N=A–Z.

Для обозначения ядер применяется символ

где под Xподразумевается химический символ данного элемента. Слева вверху ставится массовое число, слева внизу – атомный номер (последний значок часто опускают). Иногда массовое число пишут не слева, а справа от символа химического элемента

Ядра с одинаковым Z, но разными А называютсяизотопами . Большинство химических элементов имеет по несколько стабильных изотопов. Так, например, у кислорода имеется три стабильных изотопа:

, у олова - десять, и т.д.

Водород имеет три изотопа:

– обычный водород, или протий (Z=1, N=0),

– тяжелый водород, или дейтерий (Z=1, N=1),

– тритий (Z=1, N=2).

Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами . В качестве примера можно привести
и
. Ядра с одинако-­ вым числом нейтроновN = A – Z носят названиеизотонов (
,
).Наконец, существуют радиоактивные ядра с одинаковымиZ и A, отличающиеся периодом полураспада. Они называютсяизомерами . Напри-­ мер, имеются два изомера ядра
, у одного из них период полу­-распада равен 18 мин, у другого – 4,4 часа.

Известно около 1500 ядер, различающихся либо Z, либо А, либо и тем и другим. Примерно 1/5 часть этих ядер устойчивы, осталь­ные радиоактивны. Многие ядра были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

В природе встречаются элементы с атомным номером Z от1до 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 обманке. Остальные трансурановые (т.е. заурановые) элементы (сZ от 93 до 107) были получены искусственным путем посредством различ­ных ядерных реакций.

Трансурановые элементы кюрий (96 Cm), эйнштейний (99 Es),фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) получили название в честь выдающихся ученыхII. и М. Кюри, А. Эйнштейна, З. Ферми и Д.И. Менделеева. Лоуренсий (103 Lw) назван в честь изобретателя циклотрона Э. Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) получил свое название в честь выдающегося физика И.В. Курчатова.

Некоторые трансурановые элементы, в том числе курчатовий и элементы с номерами 106 и 107, были получены в Лаборатории ядерных реак­ций Объединенного института ядерных исследований в Дубне ученым

Н.Н. Флеровым и его сотрудниками.

Размеры ядер . В первом приближении ядро можно считать шаром, радиус которого довольно точно определяется формулой

(ферми – название применяемой в ядерной физике единицы длины, рав­ной

10 -13 см). Из формулы следует, что объем ядра пропорцио­нален числу нуклонов в ядре. Таким образом, плотность вещества во всех ядрах примерно одинакова.

Спин ядра . Спины нуклонов складываются в результирующий спин ядра. Спин нуклона равен 1/2. Поэтому квантовое число спина ядра будет полуцелым при нечетном числе нуклонов А и целым или нулем при четном А. Спины ядерJне превышают нескольких единиц. Это указывает на то, что спины большинства нуклонов в ядре взаимно компенсируют друг друга, располагаясь антипараллельно. У всех четно-четных ядер (т.е. ядро с четным числом протонов и четным чис­лом нейтронов) спин равен нулю.

Механический момент ядра M J складывается с моментом электрон­ной оболочки
в полный момент импульса атомаM F , который определяется квантовым числом F.

Взаимодействие магнитных моментов электронов и ядра приводит к тому, что состояния атома, соответствующие различным взаимным ориентациям M J и
(т.е. различнымF), имеют немного отли­чающуюся энергию. Взаимодействием моментов μ L иμ S обусловлива­ется тонкая структура спектров. Взаимодействиемμ J и определяется сверхтонкая структура атомных спектров. Расщеп­ление спектральных линий, соответствующее сверхтонкой структуре, настолько мало (порядка нескольких сотых ангстрема), что может на­блюдаться лишь с помощью приборов самой высокой разрешающей силы.

Тема: Состав атомного ядра. Ядерные силы.

Цель урока: познакомить учащихся с особенностями строения атомного ядра.

Задачи урока:

Образовательные:

} Повторить, обобщить и углубить знания о составе атомных ядер;

} Сформировать понятие «изотопы веществ»;

} Сформировать понятие «ядерная сила»;

} Изучить свойства ядерных сил;

Развивающие:

} Развить умения совершать мыслительные операции: анализ, синтез, систематизацию, сравнение, конкретизация;

} Развивать интерес к физике;

} Показать связь теоретических знаний с практикой;

} Научить пользоваться Периодической системой Менделеева для определения состава атомного ядра;

} Продолжить формирование умения применять теоретические знания при решении задач;

} Способствовать развитию гибкого мышления учащихся;

} Способствовать развитию у учащихся внимания;

Воспитывающие:

} Воспитание целостной картинки мира;

} Воспитать умение использовать знания, полученные учащимися при изучении других предметов.

Оборудование: Периодическая система Менделеева, презентация к уроку, раздаточный материал.

Эпиграф к уроку:

«Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле»

Аристотель.

Ход урока.

I. Организационный момент.

Древнегреческий философ Аристотель сказал «Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле». Пусть эти слова, сказанные еще в 4 веке до нашей эры, станут девизом нашего сегодняшнего урока.(Слайд 1)

II. Этап проверки домашнего задания

Фронтальный опрос:

1. Кто первый выдвинул гипотезу о том, что в состав атомных ядер всех химических элементов входит ядро атома водорода ? (английский физик Эрнест Резерфорд)

2. В каком году были получены факты подтверждающие справедливость данной гипотезы? (В 1919 г при наблюдении взаимодействия α – частиц с ядрами атомов азота)

3. Как иначе называется ядро атома водорода? (протон от греческого слова protos – первый)

4. Благодаря изобретению, какого прибора окончательно было доказано существование протона? (камера Вильсона)

5. Запишите на доске символьное обозначение протона (11Н, 11р)

6. О существовании, каких частиц входящих в атомное ядро в 1920 году выдвинул предположение Эрнест Резерфорд? (нейтрон)

7. Кем и когда данное предположение было доказано? (в 1932 г - английский физик Джеймс Чедвиг (ученик Резерфорда))

8. Запишите на доске символьное обозначение нейтрон (10n).

Возьмите оценочные листы (Приложение 1)и поставьте себе оценку за данный этап урока

III. Этап изучения нового материала.

1.Каждый должен хотя бы в общих чертах представлять, как устроен мир, в котором он живет. Поэтому важно знать, что мир познаваем, что по мере углубления знаний картина мира усложняется.

Ребята, как вы думаете, очём мы будем сегодня говорить на уроке?

А я думаю, что мы будем изучать строение атома.)

Да мы продолжим работу по изучению строения атомного ядра. Тема нашего урока: «Строение атомного ядра. Ядерные силы». Запишите тему урока в тетради (Слайд 2).

Давайте попробуем определить цели и задачи урока.

(Изучить строение атомных ядер. Какие силы удерживают частицы, из которых состоят ядра) (Слайд 3)

В истории современной физики есть год, который называют «годом чудес». Это 1932 год. Одним из его «чудес» было открытие нейтрона и создание нейтронно - протонной модели атомного ядра (советскими физиками – и Гапоном; немецким физиком – Вернером Гейзенбергом; итальянским физиком – Майораном).

Ядро имеет форму шара R ≈ 10-15 м, в нем сконцентрировано приблизительно 99,96% всей массы атома, ρ = 2,7∙1017 кг/м³.

Протон: р (1919 г), время жизни 10³¹ лет, m = 1836,2me, qp = +e

Нейтрон: n, q=0, время жизни вне ядра 15 мин, m=1838,7me

О составе атомного ядра нам подготовил сообщение Скоробогатько Вадим.

Обе эти частицы часто называют еще нуклонами.(Слайд 4.)

Любой химический элемент обозначается условно – Х (Слайд 5).

Число частиц входящих в состав атомного ядра называется массовым числом и обозначается A. (Слайд 6).

Число протонов в ядре называется зарядовым числом и обозначается Z. (Слайд 7)

Число нейтронов входящих в состав ядра обозначается N.

A= N + Z (Слайд 8).

2.Дальнейшее исследование атомных ядер привело к обнаружению того, что у одного и того же химического элемента атомы могут иметь ядра разной массы.

Причем все эти атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, а, следовательно, имеют одинаковый заряд ядра. Если заряды ядер одинаковы, значит, имеют один и тот же порядковый номер в таблице, т. е. занимают в таблице одну и туже клетку.

(Слайд 9). Все разновидности одного химического элемента назвали изотопами.

Сейчас уже экспериментально доказано, что почти все химические элементы имеют изотопы.

Например:

Наличие, каких частиц входящих состав ядра различно для изотопов? (нейтронов)

Именно наличие, различного числа нейтронов в ядрах изотопов является причинной различных физических свойств химических веществ, которые более подробно будут изучены в 11 классе .

3.Гипотеза о протонно – нейтронном составе атомного ядра подтвердилась, но возникает следующий вопрос: почему ядро не распадается на отдельные частицы?

Чтобы ответить на поставленный вопрос вспомним ранее изученный материал:

Между всеми телами имеющими массу существует взаимное притяжение. Сила тяготения рассчитывается по закону всемирного тяготения: F=Gm1m2/r2.

Протоны, входящие в состав ядра обладают положительным зарядом, а значит, между ними возникает отталкивание, к тому же сила электрического отталкивания в 1039 раз больше чем сила гравитационного притяжения. Только из этого факта можно сделать вывод, что между частицами входящими в состав ядра возникает взаимодействие еще более сильное, чем электрическое, иначе протоны, входящие в состав ядра разлетелись с огромной скоростью.

Ученые пришли к выводу, что в природе существует еще один вид взаимодействия, которое было названо сильным.

(Слайд 10). Силы притяжения между частицами входящими в состав ядра назвали ядерными.

(Слайд 11). Свойства ядерных сил:

Ø являются только силами притяжения;

Ø во много раз больше кулоновских сил;

Ø не зависят от наличия заряда;

Ø короткодействующие: заметны на расстоянии r ≈ 2,2∙10 -15 м;

Ø взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения).

https://pandia.ru/text/80/367/images/image003_45.gif" width="31" height="13">0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Название вещества

Массовое число, A

Зарядовое число, Z

Число нейтронов, N

Германий

Проверьте как вы выполнили задание и поставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

2.Слайд 14. Определить недостающий химический элемент.

Слайд 15. Проверьте как вы выполнили задание и поставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

Mg

Na

Li

C

O

3.Составьте вопросы к кроссворду(1 вариант – к словам расположенным по горизонтали, 2 вариант – к словам расположенным по вертикали) (Приложение 1)

Поставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

VI. Подведение итогов урока

Закончите фразу:

1. Атом любого химического элемента состоит из…

2. Ядро любого химического элемента состоит из…

3. Сумму протонов и нейтронов называют …, в периодической системе массовое число равно….

4. В периодической системе число протонов в ядре равно …, и называется ….

5. Число нейтронов в ядре равно … (разности массового и зарядового числа)

6. Протоны и нейтроны удерживаются в ядре …. (ядерными силами)

7. Изотопы – это… (разновидности одного и того же химического элемента, различающиеся по массе атомных ядер).

8. Энергия связи – это… (энергия, необходимая для расщепления ядра на отдельные нуклоны).

9. Ядерной реакцией называется … (изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом).

Какаие вы ставили перед собой цели и удалось ли вам их достичь? Выставьте себе оценку в оценочном листе за данный вид работы.

Подсчитайте среднюю оценку за урок.

VII. Слайд 17. Д/з: §61, 62 упр. 45 (учебник: ,)

VIII. Рефлексия.

Продолжите фразу

Сегодня на уроке

} Я почувствовал …
Я понял …
Я буду …

Физика наука о природе - показывает нам как велик мир в котором мы живем, но этот мир познаваем, а значит, физика дает человеку необыкновенную силу.

Из мысли о мельчайших частицах, в конце концов, появились все блага, которыми мы сегодня располагаем: новые материалы, телевизоры, лазер, компьютер. А главная идея о мельчайших частицах помогла понять мир с единой точки зрения.

Ребята, наш урок подошел к концу. Мне бы хотелось его закончить словами пословицы «Не стыдно не знать, стыдно не учиться!». А сколько еще непознанного вокруг! Какое поле деятельности для пытливого ума. Так что запускайте свой «вечный двигатель», и вперед!

Приложение 1.

Оценочный лист__________________________________________________

Ядро атома состоит из нуклонов, которые подразделяются на протоны и нейтроны.

Символическое обозначение ядра атома:

А- число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов (или атомная масса)
Z- число протонов (равно числу электронов)
N- число нейтронов (или атомный номер)

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Действуют между всеми нуклонами в ядре;
- силы притяжения;
- короткодействующие

Нуклоны притягиваются друг к другу ядерными силами, которые совершенно непохожи ни на гравитационные, ни на электростатические. . Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием. Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.
Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение - 1 Фм (в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954). Все ядра имеют размеры нескольких ферми. Радиус ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - сгустки очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях.
Ядерные силы - сильные взаимодействия. Они многократно превосходят кулоновскую силу (на одинаковом расстоянии). Короткодействие ограничивает действие ядерных сил. С ростом числа нуклонов ядра становятся неустойчивыми, и поэтому большинство тяжелых ядер радиоактивны, а совсем тяжелые вообще не могут существовать.
Конечное число элементов в природе - следствие короткодействия ядерных сил.

Строение атома - Класс!ная физика

Знаете ли вы?

В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = =110 -114.
В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера.
Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500.

Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева
они расположены в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место).
Химические свойства изотопов почти тождественны.
Если элементов всего в природе - около 100, то изотопов - более 2000. Многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны, и распадаются, испуская различные виды излучений.
Изотопы одного и того же элемента по составу отличаются лишь количеством нейтронов в ядре.

Изотопы водорода.

Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то то, что останется, сможет пролезть в игольное ушко.

Любознательным

«Глиссирующие» автомобили

Если, двигаясь на автомобиле по мокрой дороге с большой скоростью, резко затормозить, то автомобиль поведет себя как глиссер; шины его начнут скользить по тонкой пленке воды, практически не касаясь дороги. Почему это происходит? Почему автомобиль не всегда скользит на мокрой дороге, даже если тормоз не нажат? Существует ли такой рисунок протектора, который уменьшает этот эффект?

Оказывается...
Предлагалось несколько рисунков протектора, уменьшающего вероятность «аквапланирования». Например, канавка может отводить воду к задней точке контакта протектора с дорогой, откуда вода будет выбрасываться наружу. По другим, более мелким канавкам вода может отводиться в стороны. Наконец, небольшие углубления на протекторе могут как бы «промокать» водяной слой на дороге, прикасаясь к нему непосредственно перед зоной основного контакта протектора с дорожным покрытием. Во всех случаях задача состоит в том, чтобы как можно скорее убрать воду из зоны контакта и не допустить аквапланирования.

Изучая состав вещества, ученые пришли к выводу, что вся материя состоит из молекул и атомов. Долгое время атом (в переводе с греческого "неделимый") считался наименьшей конструкционной единицей вещества. Однако дальнейшие исследования показали, что атом имеет сложное строение и, в свою очередь, включает более мелкие частицы.

Из чего состоит атом?

В 1911 году ученый Резерфорд высказал предположение, что в атоме имеется центральная часть, обладающая положительным зарядом. Так впервые появилось понятие об атомном ядре.

По схеме Резерфорда, названной планетарной моделью, атом состоит из ядра и элементарных частиц с отрицательным зарядом - электронов, движущихся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются по орбите вокруг Солнца.

В 1932 году другой ученый, Чедвик, открыл нейтрон - частицу, не имеющую электрического заряда.

Согласно современным представлениям, ядра соответствует планетарной модели, предложенной Резерфордом. Ядро несет в себе большую часть атомной массы. Также оно имеет положительный заряд. В атомном ядре находятся протоны - положительно заряженные частицы и нейтроны - частицы, не несущие заряда. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Отрицательно заряженные частицы - электроны - движутся по орбите вокруг ядра.

Количество протонов в ядре равняется движущихся по орбите. Следовательно, сам атом является частицей, не несущей заряда. Если атом захватит чужие электроны или потеряет свои, то он становится положительным или отрицательным и называется ионом.

Электроны, протоны и нейтроны обобщенно называют субатомными частицами.

Заряд атомного ядра

Ядро имеет зарядовое число Z. Оно определяется количеством протонов, входящих в состав атомного ядра. Узнать это количество просто: достаточно обратиться к периодической системе Менделеева. Порядковый номер элемента, которому принадлежит атом, равняется количеству протонов в ядре. Таким образом, если химическому элементу кислороду соответствует порядковый номер 8, то количество протонов тоже будет равняться восьми. Поскольку число протонов и электронов в атоме совпадает, то электронов тоже будет восемь.

Количество нейтронов называют изотопическим числом и обозначают буквой N. Их число может различаться в атоме одного и того же химического элемента.

Сумма протонов и электронов в ядре называется массовым числом атома и обозначается буквой А. Таким образом, формула подсчета массового числа выглядит так: А=Z+N.

Изотопы

В случае, когда элементы имеют равное количество протонов и электронов, но разное число нейтронов, их называют изотопами химического элемента. Изотопов может быть один или несколько. Они помещаются в одну и ту же ячейку периодической системы.

Изотопы имеют большое значение в химии и физике. Например, изотоп водорода - дейтерий - в сочетании с кислородом дает совершенно новую субстанцию, которую называют тяжелой водой. Она имеет иную температуру кипения и замерзания, чем обычная. А сочетание дейтерия с другим изотопом водорода - тритием приводит к термоядерной реакции синтеза и может использоваться для выработки огромного количества энергии.

Масса ядра и субатомных частиц

Размеры и масса атомов и ничтожно малы в представлениях человека. Размер ядер составляется примерно 10 -12 см. Массу атомного ядра измеряют в физике в так называемых атомных единицах массы - а.е.м.

За одну а.е.м. принимают одну двенадцатую часть массы атома углерода. Используя привычные единицы измерения (килограммы и граммы), массу можно выразить следующим равенством: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г. Выраженная таким образом, она называется абсолютной атомной массой.

Несмотря на то, что атомное ядро является самой массивной составляющей атома, его размеры относительно электронного облака, окружающего его, чрезвычайно малы.

Ядерные силы

Атомные ядра являются чрезвычайно устойчивыми. Это значит, что протоны и нейтроны удерживаются в ядре какими-то силами. Это не могут быть электромагнитные силы, поскольку протоны являются одноименно заряженными частицами, а известно, что частицы, обладающие одинаковым зарядом, отталкиваются друг от друга. Гравитационные силы же слишком слабы, чтобы удержать нуклоны вместе. Следовательно, частицы удерживаются в ядре иным взаимодействием - ядерными силами.

Ядерное взаимодействие считается самым сильным из всех существующих в природе. Поэтому данный тип взаимодействия между элементами атомного ядра называют сильным. Оно присутствует у множества элементарных частиц, как и электромагнитные силы.

Особенности ядерных сил

1. Короткодействие. Ядерные силы, в отличие от электромагнитных, проявляются лишь на очень малых расстояниях, сопоставимых с размерами ядра.
2. Зарядовая независимость. Данная особенность проявляется в том, что ядерные силы действуют одинаково на протоны и нейтроны.
3. Насыщение. Нуклоны ядра взаимодействуют лишь с определенным числом других нуклонов.

Энергия связи ядра

С понятием сильного взаимодействия тесно связано другое - энергия связи ядер. Под энергией ядерной связи понимают то количество энергии, которое требуется, чтобы разделить атомное ядро на составляющие его нуклоны. Она равняется энергии, необходимой для формирования ядра из отдельных частиц.

Для вычисления энергии связи ядра необходимо знать массу субатомных частиц. Вычисления показывают, что масса ядра всегда меньше, чем сумма входящих в его состав нуклонов. Дефектом массы называют разницу между массой ядра и суммой его протонов и электронов. При помощи о связи массы и энергии (Е=mc 2) можно вычислить энергию, выработанную при образовании ядра.

О силе энергии связи ядра можно судить по следующему примеру: при образовании нескольких граммов гелия вырабатывается столько же энергии, сколько при сгорании нескольких тонн каменного угля.

Ядерные реакции

Ядра атомов могут взаимодействовать с ядрами других атомов. Такие взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакции бывают двух типов.

1. Реакции деления. Они происходят, когда более тяжелые ядра в результате взаимодействия распадаются на более легкие.
2. Реакции синтеза. Процесс, обратный делению: ядра сталкиваются, тем самым образуя более тяжелые элементы.

Все ядерные реакции сопровождаются выбросом энергии, которая впоследствии используется в промышленности, в военной сфере, в энергетике и так далее.

Ознакомившись с составом атомного ядра, можно сделать следующие выводы.

1. Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронов, находящихся вокруг него.
2. Массовое число атома равняется сумме нуклонов его ядра.
3. Нуклоны удерживаются сильным взаимодействием.
4. Огромные силы, придающие атомному ядру стабильность, называются энергиями связи ядра.

Протонно-электронная теория

К началу $1932$ г. Было известно только три элементарные частицы: электрон, протон и нейтрон. По этой причине было сделано предположение, что ядро атома состоит с протонов и электронов (протонно-электронная гипотеза). Считалось, что в состав ядра с номером $Z$ в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и массовым числом $A$ входит $A$ протонов и $Z-A$ нейтронов. В соответствии с этой гипотезой электроны, которые входили в состав ядра, выполняли роль «цементирующего» средства, с помощью которого положительно заряженные протоны удерживались в ядре. Сторонники протонно-электронной гипотезы состава атомного ядра считали, что $\beta ^-$ - радиоактивность -- это подтверждение правильности гипотезы. Но эта гипотеза оказалась на в состоянии объяснить результаты эксперимента и была отброшена. Одним с таких затруднений была невозможность объяснить то, что спин ядра азота $^{14}_7N$ равен единице $(\hbar)$. В соответствии с протонно-электронной гипотезой, ядро азота $^{14}_7N$ должно состоять с $14$ протонов и $7$ электронов. Спин протонов и электронов равен $1/2$. По этой причине ядро атома азота, которое состоит в соответствии с этой гипотезой с $21$ частицы, должно иметь спин $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Это несоответствие протонно-электронной теории названо «азотной катастрофой». Так же непонятным было то, что при наличии электронов в ядре его магнитный момент имеет малый магнитный момент по сравнению с магнитным моментом электрона.

В $1932$ году Дж. Чедвик открыл нейтрон. После этого открытия Д. Д. Иваненко и Е. Г. Гапон выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомного ядра, какую подробно разработал В. Гейзенберг.

Замечание 1

Протонно-нейтронный состав ядра подтвержден не только теоретическими выводами, но и непосредственно опытами по расщеплению ядра на протоны и нейтроны. Сейчас общепринято, что атомное ядро состоит с протонов и нейтронов, которые так же называются нуклонами (от латинского nucleus -- ядро, зерно).

Строение атомного ядра

Ядро являет собой центральную часть атома, в которой сосредоточено положительный электрический заряд и основная часть массы атома. Размеры ядра, в сравнении с орбитами электронов чрезвычайно малы: $10^{-15}-10^{-14}\ м$. ядра состоят с протонов и нейтронов, которые почти одинаковы по массе, но электрический заряд несет только протон. Полное число протонов называется атомным номером $Z$ атома, который совпадает с числом электронов у нейтральном атоме. Нуклоны удерживаются в ядре большими силами, по своей природе эти силы не относятся ни к электрическим ни к гравитационным, а по величине они на много превышают силы, которые связывают электроны с ядром.

Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра:

• ядра всех химических элементов состоят из нуклонов;
• заряд ядра обусловлен только протонами;
• число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента;
• число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов ($N=A-Z$)

Протон ($^2_1H\ или\ p$) -- положительно заряженная частица: её заряд равен заряду электрона $e=1.6\cdot 10^{-19}\ Кл$, а масса покоя $m_p=1.627\cdot 10^{-27}\ кг$. Протон является ядром налёгшего нуклона атома гидрогена.

Для упрощения записей и расчётов массу ядра зачастую определяют в атомных единицах массы (а.е.м) или в единицах энергии (записывая вместо массы соответствующую энергию $E=mc^2$ в электрон-вольтах). За атомною единицу массы берут $1/12$ массы нуклида углерода $^{12}_6С$. В этих единицах получаем:

Протон подобно электрону имеет собственный момент импульса -- спин, который равен $1/2$ (в единицах $\hbar $). Последний, во внешнем магнитном поле может ориентироваться только так, что его проекция и направления поля равны $+1/2$ или $-1/2$. Протон, как и электрон, подлежит квантовой статистике Ферми-Дирака, т.е. принадлежит к фермионам.

Протон характеризируется собственным магнитным моментом, который для частицы со спином $1/2$ зарядом $e$ и массой $m$ равен

Для электрона собственный магнитный момент равен

Для описания магнетизма нуклонов и ядер используют ядерный магнетон (в $1836$ раз меньше магнетона Бора):

Поначалу считали, что магнитный момент протона равен ядерному магнетону, т.к. его масса в $1836$ раз больше массы электрона. Но измерения показали, что на самом деле собственный магнитный момент протона в $2,79$ раз больше от ядерного магнетрона, имеет положительный знак, т.е. направление совпадает со спином.

Современная физика объясняет эти разногласия тем, что протоны и нейтроны взаимопреобразуются и на протяжении некоторого времени пребывают в состоянии диссоциации на $\pi ^\pm $ -- мезон и соответственного знака другой нуклон:

Масса покоя $\pi ^\pm $ - мезона равна $193,63$ МэВ, по этому его собственный магнитный момент в $6,6$ раз больше от ядерного магнетона. В измерениях появляется некоторое эффективное значение магнитного момента протона и $\pi ^+$ -- мезонного окружения.

Нейтрон ($n$) -- электрически нейтральная частица; ее масса покоя

Хоть нейтрон и лишен заряда, он имеет магнитный момент $\mu _n=-1.91\mu _Я$. Знак «$-$» показывает, что за направлением магнитный момент противоположный спину протона. Магнетизм нейтрона определяется эффективным значением магнитного момента частиц, на которые он способен диссоцыировать.

В свободном состоянии нейтрон неустойчивая частица и произвольно распадается (период полураспада $12$ мин): излучая $\beta $ -- частицу и антинейтрино он превращается в протон. Схема распада нейтрона записывается в таком виде:

В отличии от внутриядерного распада нейтрона $\beta $ -- распад принадлежит и до внутреннего распада и до физики элементарных частиц.

Взаимное преобразование нейтрона и протона, равенство спинов, приближённость масс и свойств дают основания предполагать, что речь идет о двух разновидностях одной и той же ядерной частицы -- нуклона. Протонно-нейтронная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Как составляющие ядра протоны и нейтроны обнаруживают в многочисленных реакциях деления и синтеза.

В произвольных и штучных делениях ядер наблюдаются так же потоки электронов, позитронов, мезонов, нейтрино и антинейтрино. Масса $\beta $ -- частицы (электрон или позитрон) в $1836$ раз меньше массы нуклона. Мезоны -- положительные, отрицательные и нулевые частицы -- по массе занимают промежуточное место между $\beta $ -- частицами и нуклонами; время жизни таких частиц очень мало и составляет миллионные доли секунды. Нейтрино и антинейтрино -- элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю. Однако электроны, позитроны и мезоны не могут быть составляющими ядра. Эти легкие частицы не могут быть локализованы в малом объеме, которым является ядро радиусом $\sim 10^{-15}\ м$.

Для доказательства этого определим энергию электрического взаимодействия (например, электрона с позитроном или протоном в ядре)

и сравним ее с собственной энергией электрона

Посколькy энергия внешнего взаимодействия превышает собственную энергию электрона, он не может существовать и сохранять собственную индивидуальность, в условиях ядра он будет уничтожен. Другая ситуация с нуклонами, их собственная энергия более $900$ МэВ, поэтому в ядре они могут сохранять свои особенности.

Легкие частицы излучаются с ядер в процессе перехода их с одного состояния в другое.