Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

То, что все предметы состоят из элементарных частиц, предполагали еще ученые Древней Греции. Но ни доказать этот факт, ни опровергнуть в те времена не было никакой возможности. Да и о свойствах атомов в древности могли лишь догадываться, основываясь на собственных наблюдениях за различными веществами.

Доказать, что все вещества состоят из элементарных частиц, удалось лишь в 19-м веке и то косвенно. В это же время физики и химики по всему миру пытались создать единую теорию элементарных частиц, описывающую их строение и объясняющую различные свойства, такие, например, как заряд ядра.

Изучению молекул, атомов и их строения были посвящены труды многих ученых. Физика постепенно перешла в изучение микромира - элементарных частиц, их взаимодействия и свойств. Ученые стали интересоваться, из чего состоит выдвигать гипотезы и пытаться их доказать, хотя бы косвенно.

В результате в качестве базовой теории была принята планетарная предложенная Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором. Согласно этой теории, заряд ядра любого атома положительный, в то время как по его орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, в итоге делая атом электрически нейтральным. Со временем данная теория была многократно подтверждена разного рода экспериментами, начиная с опытов одного из ее соавторов.

Современная ядерная физика считает теорию Резерфорда-Бора фундаментальной, все исследования атомов и их элементов основываются на ней. С другой стороны большинство гипотез, появившихся за последние 150 лет, практически так и не были подтверждены. Получается, что ядерная физика в своем большинстве является теоретической ввиду сверхмалых размеров изучаемых объектов.

Конечно же, в современном мире определить заряд ядра алюминия, например (или любого другого элемента) намного проще, чем в 19-м веке и тем более — в Древней Греции. Но делая новые открытия в данной области, ученые порой приходят к удивительным заключениям. Пытаясь найти решение одной задачи, физика сталкивается с новыми проблемами и парадоксами.

Изначально теория Резерфорда говорит о том, что химические свойства вещества зависят от того, каков заряд ядра его атома и, как следствие, от числа электронов, вращающихся по его орбитам. Современная химия и физика в полной мере подтверждают данную версию. Несмотря на то, что изучение структуры молекул изначально отталкивалось от простейшей модели — атома водорода, заряд ядра которого равен 1, теория в полной мере распространяется на все элементы таблицы Менделеева, включая и полученные искусственным путем в конце прошлого тысячелетия.

Любопытно, что еще задолго до исследований Резерфорда английский химик, врач по образованию Вильям Проут заметил, что удельный вес различных веществ кратен данному показателю водорода. Он тогда предположил, что все иные элементы попросту состоят из водорода на каком-то простейшем уровне. Что, например, частица азота — это 14 таких минимальных частиц, кислорода - 16 и т. д. Если рассматривать данную теорию глобально в современной интерпретации, то в целом она верна.

Атомы любых веществ являются электрически нейтральными частицами. Атом состоит из ядра и совокупности электронов. Ядро несет положительный заряд, суммарный заряд которого равен сумме зарядов всех электронов атома.

Общие сведения о заряде ядра атома

Заряд ядра атома определяет местоположение элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и соответственно химические свойства вещества, состоящего их этих атомов и соединений этих веществ. Величина заряда ядра равна:

где Z - номер элемента в таблице Менделеева, e - величина заряда электрона или .

Элементы с одинаковыми числами Z, но разными атомными массами называют изотопами. Если элементы имеют одинаковые Z, то у них ядро имеет равное число протонов, а если атомные массы различны, то число нейтронов в ядрах этих атомов разное. Так, у водорода имеется два изотопа: дейтерий и тритий.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов и нейтронов. Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода. Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

Масса покоя протона () примерно равна:

Подробнее о протоне можно узнать, прочитав раздел «Заряд протона».

Эксперименты по измерению заряда ядра

Первым заряды ядер измерил Мозли в 1913 г. Измерения были косвенными. Ученый определил связь между частотой рентгеновского излучения () и зарядом ядра Z.

где C и B - постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра измерил Чедвик в 1920 г. Он проводил рассеивание - частиц на металлических пленках, по сути, повторяя опыты Резерфорда, которые привели Резерфорда к построению ядерной модели атома.

В этих экспериментах - частицы пропускались через тонкую металлическую фольгу. Резерфорд выяснил, что в большинстве случаев частицы проходили сквозь фольгу, отклоняясь на малые углы от первоначального направления движения. Это объясняется тем, что - частицы отклоняются под воздействием электрических сил электронов, которые имеют значительно меньшую массу, чем - частицы. Иногда, довольно редко - частицы отклонялись на углы превышающие 90 o . Этот факт Резерфорд объяснил наличием в атоме заряда, который локализован в малом объеме, и этот заряд связан с массой, которая много больше, чем у - частицы.

Для математического описания результатов своих экспериментов Резерфорд вывел формулу, которая определяет угловое распределение - частиц после их рассеяния атомами. При выводе этой формулы ученый использовал закон Кулона для точечных зарядов и при этом считал, что масса ядра атома много больше, чем масса - частицы. Формулу Резерфорда можно записать как:

где n - количество рассеивающих ядер на единицу площади фольги; N - число - частиц, которые проходят за 1 секунду через единичную площадку, перпендикулярно к направлению потока - частиц; - количество частиц, которые рассеиваются внутри телесного угла - заряд центра рассеяния; - масса - частицы; - угол отклонения - частиц; v - скорость - частицы.

Формулу Резерфорда (3) можно использовать для того, чтобы найти заряд ядра атома (Z), если провести сравнение числа падающих - частиц (N) с числом (dN) частиц рассеянных под углом , то функция будет зависеть только от заряда рассеивающего ядра. Проводя опыты и применяя формулу Резерфорда Чедвик нашел заряды ядер платины, серебра и меди.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Пластину из металла облучают - частицами, имеющими большую скорость. Некоторая часть этих частиц при упругом взаимодействии с ядрами атомов металла изменяет направление своего движения на противоположное. Каков заряд ядра атомов металла (q), если минимальное расстояние сближения частицы и ядра равно r. Масса - частицы равна ее скорость v. При решении задачи релятивистскими эффектами можно пренебречь. Частицы считать точечными, ядро неподвижным и точечным.
Решение	Сделаем рисунок. Двигаясь в направлении ядра атома - частица преодолевает силу Кулона, отталкивающую ее от ядра, так как частица и ядро имеют положительные заряды. Кинетическая энергия движущейся - частицы переходит в потенциальную энергию взаимодействия ядра атома металла и - частицы. За основу решения задачи следует принять закон сохранения энергии.: Потенциальную энергию точечных заряженных частиц найдем как: где заряд - частицы равен: , так как и - частиц - это ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов, , так как будем считать, что эксперимент проводят в воздухе. Кинетическая энергия - частицы до соударения с ядром атома равна: В соответствии с (1.1) приравняем правые части выражений (1.2) и (1.3), имеем: Из формулы (1.4) выразим заряд ядра:
Ответ

Физические свойства атомных ядер.
Размещено на реф.рф
Заряд ядра. Размер ядра. Моменты ядер.
Размещено на реф.рф
Спин ядра. Магнитный и электрический моменты ядра. Масса ядра и масса атома. Дефект массы. Энергия связи. Основные особенности энергии связи. Основное правило. Ядерные силы: основные характеристики, кулоновский и ядерный потенциалы ядра. Обменный характер ядерных сил.

Закон Мозли. Электрический заряд ядра образуют протоны, входящие в его состав. Число протонов Z называют его зарядом, имея ввиду, что абсолютное значение заряда ядра равно Ze. Заряд ядра совпадает с порядковым номером Z элемента в периодической системе элементов Менделœеева. Впервые заряды атомных ядер определил английский физик Мозли в 1913 году. Измерив с помощью кристалла длину волны λ характеристического рентгеновского излучения для атомов некоторых элементов, Мозли обнаружил регулярное изменение длины волны λ у элементов, следующих друг за другом в периодической системе (рис.2.1). Это наблюдение Мозли интерпретировал зависимостью λ от некоторой константы атома Z , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

где и - постоянные. Из экспериментов по рассеянию рентгеновских квантов атомными электронами и α -частиц атомными ядрами уже было известно, что заряд ядра примерно равен половинœе атомной массы и, следовательно, близок к порядковому номеру элемента. Поскольку испускание характеристического рентгеновского излучения является следствием электрических процессов в атоме, Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атомов, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента͵ должна быть только зарядом атомного ядра (закон Мозли).

Рис. 2.1. Рентгеновские спектры атомов сосœедних элементов, полученные Мозли

Измерение длин волн рентгеновского излучения выполняется с большой точностью, так что на базе закона Мозли принадлежность атома к химическому элементу устанавливается абсолютно надежно. Вместе с тем тот факт, что константа Z в последнем уравнении является зарядом ядра, хотя и обоснован косвенными экспериментами, в конечном счете держится на постулате – законе Мозли. По этой причине после открытия Мозли заряды ядер многократно измерялись в опытах по рассеянию α -частиц на базе закона Кулона. В 1920 году Чедвиг усовершенствовал методику измерения доли рассеянных α -частиц и получил заряды ядер атомов меди, серебра и платины (см. таблицу 2.1). Данные Чедвига не оставляют сомнений в справедливости закона Мозли. Помимо указанных элементов в экспериментах были определœены также заряды ядер магния, алюминия, аргона и золота.

Таблица 2.1. Результаты опытов Чедвика

Определœения. После открытия Мозли стало ясно, что основной характеристикой атома является заряд ядра, а не его атомная масса, как это предполагали химики 19 века, ибо заряд ядра определяет число атомных электронов, а значит, химические свойства атомов. Причина различия атомов химических элементов как раз и состоит в том, что их ядра имеют разное число протонов в своем составе. Напротив, разное число нейтронов в ядрах атомов при одинаковом числе протонов никак не меняет химические свойства атомов. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядрах, называются изотопами химического элемента.

Атом с определœенным числом протонов и нейтронов в составе ядра принято называть нуклидом. Состав ядра задается числами Z и A . Об изотопе говорят только имея ввиду принадлежность к химическому элементу, к примеру, 235 U есть изотоп урана, но 235 U – делящийся нуклид, а не делящийся изотоп.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число нейтронов, но разное число протонов, называются изотонами. Атомы с одинаковыми массовыми числами, но различным протон-нейтронным составом ядер, называются изобарами.

ЗАРЯД ЯДРА - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ЗАРЯД ЯДРА" 2017, 2018.