Вопросы.

1. Как называются протоны и нейтроны вместе?

Протоны и нейтроны вместе называются нуклоны.

2. Что называется массовым числом и какой буквой оно обозначается?

Массовым числом А называется количество нуклонов в ядре.

3. Что можно сказать о числовом значении массы атома (в а.е.м.) и его массовом числе?

Массовое число равно массе ядра m выраженной в а.е.м., округленной до целых чисел.

4. Как называется и какой буквой обозначается число протонов в ядре?

Число протонов в ядре называется зарядовым числом Z.

5. Что можно сказать о зарядовом числе, заряде ядра (выраженном в элементарных электрических зарядах) и порядковом номере в таблице Д. И. Менделеева для любого химического элемента?

Зарядовое число равно заряду ядра выраженному в элементарных электрических зарядах и порядковому номеру в таблице Д.И.Менделеева.

6. Как в общем виде принято обозначать ядро любого химического элемента?

7. Какой буквой обозначают число нейтронов в ядре?

Число нейтронов в ядре обозначается N.

8. Какой формулой связаны между собой массовое число, зарядовое число и число нейтронов в ядре?

9. Как с точки зрения протонно нейтронной модели ядра объясняется существование ядер с одинаковыми зарядами и различными массами?

Это объясняется тем, что в таких ядрах находится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, такие разновидности химических элементов называются изотопами.

Упражнения.

1. Сколько нуклонов в ядре атома бериллия 94Be? Сколько в нем протонов? нейтронов?

2. Для атома калия 39 19 K определите: а) зарядовое число; б) число протонов; в) заряд ядра (в элементарных электрических зарядах); г) число электронов; д) порядковый номер в таблице Д. И. Менделеева; е) массовое число ядра; ж) число нуклонов; а) число нейтронов; и) массу ядра (в а. е. м. с точностью до целых чисел).

3. Определите с помощью таблицы Д. И. Менделеева, атом какого химического элемента имеет: а) 3 протона в ядре; б) 9 электронов.

4. При α-распаде исходное ядро, излучая α-частицу 4 2 He, превращается в ядро атома другого химического элемента. Например, На сколько клеток и в какую сторону (к началу или к концу таблицы Д. И. Менделеева) смещен образовавшийся элемент но отношению к исходному? Перепишите в тетрадь данное ниже правило смещения для α-распада, заполнив пропуски: при α-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д. И. Менделеева на... клетки ближе к ее чем исходный.

Образовавшийся элемент смещен на две клетки к началу таблицы.
При α - распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д.И.Менделеева на две клетки ближе к её началу чем исходный.

5. При β-распаде исходного ядра один из входящих в это ядро нейтронов превращается в протон, электрон 0 -1 e и антинейтрино 0 0 v (частицу, легко проходящую сквозь земной шар и, возможно, не имеющую массы). Электрон и антинейтрино вылетают из ядра, а протон остается в ядре, увеличивая его заряд на единицу. Например, Перепишите данное ниже правило смещения для β-распада, заполнив пропуски нужными словами: при β-распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д. И. Менделеева на... клетку ближе к... таблицы, чем исходный.

Образовавшийся элемент смещен на одну клетку к концу таблицы.
При β - распаде одного химического элемента образуется другой элемент, который расположен в таблице Д.И.Менделеева на одну клетку ближе к её концу чем исходный.

Исследование атомных ядер началось после установления следующих экспериментальных фактов: 1) открытие в 1896 году французским учёным Анри Беккерелем естественной радиоактивности; 2) открытие в 1910 году английским учёным Содди изотопии химических элементов; 3) ядерная модель атома, предложенная в 1911 году великим английским физиком Эрнестом Резерфордом.

Резерфорд, исследуя радиоактивность, пришел в 1908 году к выводу, что при радиоактивном распаде происходит превращение атомов одних химических элементов в атомы других элементов. Позже, исследуя прохождение a-частиц с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт через тонкие пленки золота, Резерфорд открыл ядерную модель атома, после чего стало ясно, что при радиоактивности имеет место превращение ядер одних элементов в ядра других элементов.

Открытие изотопии сыграло следующую роль. Атомные веса, т.е. массы атомов химически чистых элементов, как правило, выражаются в а.е.м. числами, не очень близкими к целым. Например, атомный вес бора (В) – 10,82; Ne – 20,183; Cl – 35,457; Fe -56,85 ;… . С открытием изотопии утвердилось мнение, согласно которому химически чистый элемент представляет собой смесь изотопов, отличающихся друг от друга атомными весами. Атомные веса изотопов оказались ближе к целым числам, чем атомные веса элементов, причём тем ближе, чем легче изотоп, т.е. чем меньше его атомный вес. Это навело ученых на мысль, что ядро состоит из частиц, атомные веса которых близки к единице. Этому условию хорошо удовлетворяет ядро атома водорода – протон, атомный вес которого близок к единице (1,008). Кроме того, так как заряд протона положителен, то напрашивалась идея, что в состав ядра обязательно должны входить протоны. Другие составные частицы ядра пришлось выяснять довольно долго. Явление естественной β-активности, казалось, свидетельствовало о том, что в состав ядра входят электроны. Поэтому была предложена протонно-электронная модель ядра. Однако протонно-электронная модель оказалась несостоятельной. По этой модели спин ядра, составленного из чётного числа протонов и электронов, должен быть целым (спин протона, как и спин электрона равен ½ ħ), а на практике наблюдаются и полуцелые числа. Модель не объясняла, почему магнитный момент ядра в 2000 раз меньше магнитного момента электрона. Наконец, протонно-электронная модель оказалась в противоречии с принципом Гейзенберга. Зная размеры ядра, можно оценить величину импульса электрона, входящего в состав ядра, а следовательно, и величину его энергии. Такие оценки дают, что энергия электрона в ядре около 200 Мэв. Согласно эксперименту, энергия связи одной частицы в ядре 7 – 8 Мэв. Кроме того, энергия в 200 Мэв во много раз превышает энергию электронов, испускаемых ядром при β-распаде.

Выход из затруднения был найден после того, как в 1932 году сотрудник Резерфорда, Чадвик, открыл новую элементарную частицу – нейтрон. Масса нейтрона примерно равна массе протона, чуть превышая её, а электрический заряд равен 0. Вскоре после открытия нейтрона, в 1934 году, советским физиком Д.Д.Иваненко была высказана гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Эта же гипотеза была независимо высказана Гейзенбергом.

В настоящее время протонно-нейтронная структура ядра является общепризнанной и лежит в основе современных представлений о ядре и всей ядерной физики.

По современным данным протон (р) имеет положительный заряд, равный заряду электрода q p = 1,6 . 10 -19 Кл и массу покоя m p = (1,0075957 ± ±0,000001) а.е.м. = (1836,09±0,01) m e .

Нейтрон (n) - нейтральная частица с массой покоя m n = (1,008982 ± ±0,000003)а.е.м. = (1838,63 ± 0,01) m e , где 1а.е.м.= 1,667 . 10 -27 кг – 1/12 массы атома С 12 ;

m e = 9,106 . 10 -31 кг – масса покоя электрона.

В современной физике считается, что протон и нейтрон – два зарядовых состояния одной и той же частицы, которая называются нуклоном (от лат. nucleus - ядро). Итак, протон – протонное состояние нуклона, нейтрон – нейтронное состояние нуклона. Общее число нуклонов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в периодической, системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z =1 до Z = 107. Так как Z равно числу протонов в ядре, то число нейтронов в ядре равно: N = A – Z. В ядерной физике принято ядро обозначать тем же символом, что и нейтральный атом: , где Х - символ

химического элемента, Z - атомный номер (число протонов в ядре), А- массовое число (число нуклонов в ядре).

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет в число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распределение по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свойства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутри­атомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. с. с разными числами нейтронов) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа; - протий (Z =1, N = 0) ; - дейтерий, (Z =1, N = 1); - тритий (Z =1, N = 2).В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют изотопы водорода), определяющимися в основном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента.

Примером ядер-изобар могут служить ядра: , , . В настоящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z, либо A , либо тем и другим.

Резерфорд показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 - 10 -15 м (для сравнения, линейные размеры атома примерно 10-10 м). Радиус ядра - задается эмпирической формулой R = R 0 A 1/3 , где R 0 = (1,3÷1,7)10 -15 м. Однако при употреблении этого понятия необходимо соблюдать осторожность из-за его неоднозначности, например из-за размытости границы ядра. Объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер: ρ » 10 17 кг/м 3 .

Как известно в настоящее время общепринятой является планетарная модель атома , по которой атом представляет собой ядро, обладающее положительным зарядом, вокруг которого на довольно большом по сравнению с размерами ядра расстоянии вращаются отрицательно заряженные электроны.

Состав атомного ядра

Исследования показали, что ядро атома – это не единое цельное образование, оно состоит из более мелких частиц. Когда-то полагали, что эти частицы – только положительно заряженные протоны. Однако, в первой половине ХХ века сначала теоретически, а потом и практически было открыто существование нейтронов, которые наряду с протонами входят в состав ядра.

При этом нейтроны не обладают электрическим зарядом, они нейтральны, а также нейтроны обладают немного большей массой, чем протоны. В большинстве случаев этой разницей пренебрегают и считают их массу примерно равной.

Массовое число и зарядовое число

Итак, в состав атомного ядра входят протоны и нейтроны (История открытия протона и нейтрона). И те и другие называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Таким образом, можно сказать, что ядра атомов состоят из нуклонов. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой A.

Массовое число, соответственно, характеризует массу атома. Так как масса протонов и нейтронов практически равна, поэтому приняли среднее значение массы нуклона, примерно равное 1 а.е.м. (атомной единице массы ). A численно равно массе атома, выраженной в а.е.м.

Число протонов в ядре называют зарядовым числом и обозначают буквой Z. Массовое число и зарядовое число каждого химического элемента ставится перед буквенным обозначением элемента. То есть ядра любых элементов можно обозначить так: (Z^A)X. Причем массовое число всегда ставят сверху, а зарядовое – снизу.

Например: (7^14)N – азот, (26^56)Fe – железо, (92^235)U – уран. Соответственно массовое число и масса ядра азота: A = 14, m ≈ 14 а.е.м., железа: A = 56, m ≈ 56 а.е.м., урана: A = 235, m ≈ 235 а.е.м., зарядовое число азота: Z = 7, железа: Z = 26, урана: Z = 92.

Заряд любого протона равен одному зарядовому числу, а также одному элементарному электрическому заряду. Следовательно, зарядовое число Z, которое отображает количество протонов в ядре, численно равно положительному заряду ядра, который в данном случае выражен в элементарных зарядовых единицах.

Буквой N обозначают число нейтронов в ядре. Не следует путать число нейтронов с химическим символом азота, который тоже обозначается латинской буквой N, но без наклона. Число нейтронов не добавляют в обозначение химического элемента, однако его можно легко высчитать. Массовое число A - это общее число нуклонов ядра, поэтому A= Z+ N. Следовательно, число нейтронов N=A-Z.

В центре атома сосредоточена основная его масса и весь положительный заряд. Эта область атома получила название ядра.

Размеры атома м, а размеры ядра
м масса ядра составляет 99,95% массы атома. В нейтральном атомеZ электронов. Заряд ядра положительный и кратен элементарному заряду
Кл. Заряд ядра можно представить как
, гдеZ - зарядовое число, оно совпадает с химическим номером таблицы Менделеева и равно числу протонов, входящих в ядро.

Второй важнейшей характеристикой ядра является его масса. Масса ядра оказалась больше суммы масс протонов, входящих в ядро.

Было сделано предположение, что в состав ядра входят нейтральные частицы. В 1932 году Чедвиг открыл нейтроны. Иваненко и Гейзенберг предложили протонно-нейтронную теорию ядра. Ядро расщепляется на протоны и нейтроны. Они называются нуклонами. Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом A . Общее число нейтронов равно N=A-Z. Масса покоя протона равна
кг, масса нейтрона равна
кг.

Ядро химического элемента обозначают тем же символом, что и нейтральный атом
, гдеZ - атомный номер (заряд ядра), A - массовое число (число нуклонов в ядре). Ядра с одинаковым зарядовым числом, но с разным массовым, называются изотопами (изотопы различаются числом нейтронов). Ядра с одинаковым массовым числом, но с разным зарядовым, называются изобарами.

28. Свойства ядерных сил.

Особенности ядерных сил:

29. Радиоактивность. Альфа и бетта-распад. Правила смещения.

Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

Радиоактивное излучение имеет сложный состав. В магнитном поле узкий пучок радиоактивного излучения расщепляется на три компонента:

-частицы – поток ядер гелия с зарядом Z =2 e и массовым числом A =4 (
). Скорость-частиц равна
м/с. Попадая в вещество-частицы активно взаимодействуют с атомами и молекулами, ионизируют и возбуждают его. Когда энергия-частицы уменьшается до теплового движения, она захватывает два электрона и превращается в атом гелия (He ). До этого она проходит путь, называемый пробегом. Из-за сильного взаимодействия с веществом пробег малый. Лист бумаги или одежда задерживают -частицы. Лист алюминия толщиной 0,05 мм также задерживает-частицы. Ионизирующая способность-частиц велика и равна
пар на длине пробега.

-частицы – это поток электронов, вылетающих из ядер со скоростью
м/с. Ядро испускает электрон при превращении нейтрона в протон:

где - обозначение электрона,- электронное антинейтрино.

Ионизирующая способность -частиц в сотни раз меньше, чем у-частиц, а проникающая способность больше.-излучение задерживается слоем алюминия толщиной в 2мм.