Конспект урока: Атомное ядро. Элементарные частицы. Состав ядра

Заряд ядра

Открытие радиоактивности послужило основным доказательством тому, что атом имеет сложную структуру. Благодаря открытиям Томсона и Милликена, стало понятно, что электроны — отрицательно заряжённые частицы — входят в состав атома. Резерфорду удалось определить, что ядро заряжено положительно. Основываясь на планетарную модель, Резерфорд предположил, что атомное ядро также имеет сложную структуру. Эксперименты, проведённые с помощью масс-спектрографа, показали, что массы атомов всех химических элементов приблизительно кратны массе атома водорода. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу, что в состав атомного ядра любого химического элемента входят ядра атома водорода. В 1913 г. британскому физику Г. Мозли удалось точно измерить электрические заряды некоторых атомных ядер. Заряды ядер атомов различных химических элементов он определил по спектрам рентгеновского излучения, испускаемого атомами при облучении вещества потоком электронов высокой энергии. Мозли заключил, что электрический заряд ядра равен произведению элементарного электрического заряда $e$ на порядковый номер $Z$ химического элемента в таблице Менделеева:

$q=e·Z$.

В 1919 г. Резерфорд, бомбардируя атомы азота альфа-частицами высокой энергии, обнаружил, что при взаимодействии альфа-частиц с атомами азота появляются какие-то новые заряжённые частицы. Исследуя поведение этих частиц в магнитных и электрических полях, удалось установить, что эти частицы обладают положительным зарядом, который по модулю равен значению элементарного заряда. Масса же новой частицы совпадала с массой самого лёгкого изотопа водорода — протия. В связи с этим данные частицы получили название «протоны». Опыты по бомбардировке альфа-частицами других элементов показали, что протоны входят в состав атомов всех химических элементов. На основании этих опытов было сделано заключение, что ядра всех элементов содержат протоны.

Например, зарядовое число ядра атома водорода равно 1, зарядовое число ядра атома гелия — 2, зарядовое число ядра углерода — 6.

Нейтрон

Заметим, что предположение о том, что ядро любого атома состоит только из протонов, неверно. Согласно данному предположению, масса ядра должна быть приближённо равна значению $m_{я}=Z·m_p$, однако, если посмотреть в периодическую таблицу Менделеева, то сразу заметно, что атомные массы элементов отличаются от суммарной массы протонов. Исключением является легчайший изотоп водорода — протий, ядро которого состоит из 1 протона, — и его атомная масса соответственно примерно равна 1 а .е. м. Если же взять, например, ядро атома урана, то оно содержит 92 протона,  а его атомная масса равна 
238 а. е. м. Таким образом, Резерфорд в 1920 г. заключил, что в состав ядра входит ещё один тип частиц. Эти частицы не имеют заряда, а их масса сопоставима с массой протонов. Такие частицы Резерфорд назвал нейтронами.

Резерфорду не удалось обнаружить нейтроны. Не удалось это сделать и британскому физику Д. Чедвику в 1932 г. Он облучал бериллий альфа-частицами и обнаружил частицы с массой, близкой к массе протона. Главной особенностью данных частиц было то, что на характер их движения не влияло ни магнитное, ни электрическое поле. В конечном итоге был сделан вывод, что эти частицы, не имеющие электрического заряда, являются ранее предсказанными Резерфордом нейтронами.

Состав атомных ядер

После открытия нейтрона независимо друг от друга советский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг предложили модель ядра, состоящего из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается знаком $Z$. Число нейтронов в ядре обозначается знаком $N$. В дальнейшем выяснилось, что протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, непрерывно превращаются друг в друга. Поэтому эти частицы, когда они находятся в ядре, называют нуклонами. 

Изотопы

Заметим, что в природе встречаются атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Такие ядра называют изотопами. Из-за разного числа нейтронов ядра различных изотопов одного химического элемента обладают разными массами и могут отличаться физическими свойствами, например способностями к радиоактивному распаду. Из-за одинакового заряда атомы разных изотопов одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами.

В виде примера рассмотрим ядра атома водорода, которые представлены в природе тремя изотопами: самый лёгкий изотоп водорода — протий, ядром которого является один протон, обозначается символом ${}_1{}^{1}H$, тяжёлый изотоп водорода — дейтерий, ядро которого содержит один протон и один нейтрон, обозначается символом ${}_1{}^{2}H$, заключительный изотоп — тритий, состоящий из 
1 протона и 2-х нейтронов, обозначается символом ${}_1{}^{3}H$.

В соответствии с введёнными обозначениями реакцию, в которой Чедвик обнаружил нейтрон, можно записать в виде

${}_4{}^9\mathrm{Be}+{}_2{}^4\mathrm{He}\to {}_6{}^{12}\mathrm{C}+{}_0{}^1\mathrm{n}$.