5.9. Атомное ядро

Проникнуть внутрь атома с целью познания его строения удалось великому Резерфорду. В 1911 г. он проделал свой знаменитый опыт по облучение тонкой золотой фольгичастицами (ядрами атома гелия). Он наблюдал рассеяниечастиц и обнаружил, что большая часть- частиц проникает через фольгу беспрепятственно или отклонялись на незначительные углы. Однако некото­рые- частицы отклонялись на большие углы или даже отбрасывались от фольги назад. Анализируя полученные результаты, Резерфорд предложил ядерную «планетарную» модель атома: в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро диаметром ~10^-15м, вокруг которого по орби­там вращаются электроны, создавая электронную оболочку атома диаметром ~10^-10м. Положительный заряд ядра равен суммарному заряду отрицательно заряженных электронов, так что в целом атом электрически нейтрален.

Атом любого химического элемента в таблице Менделеева можно обозна­чить символом , где А - массовое число; Z -номер элемента (или зарядовое число). Ядро состоит из положительно заряженных протонов с элементарным зарядом е=1,6·10^-19Кл. (их числоN_p=Z) и нейтронов (их числоN_n= А -Z). Следовательно, сумма всех ядерных частицN_p+N_n= А. Число электронов с элементарным за­рядом е также равноN_e=Z. Простейший атом водородасостоит из протона и электрона. У атомадва протона, 2 нейтрона и 2 электрона. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Масса электрона состав­ляет 1/1836 от массы протона.

Однако резерфордовская модель атома не могла объяснить некоторых затруднении. Например, согласно законам классической электродинамики, вся­кий движущийся электрический заряд (имеется ввиду заряд электрона на орбите атома) должен излучать электромагнитные волны. Они должны уносить часть энергии электрона, скорость его должна уменьшаться, а частота вращения увеличиваться. Таким образом, спектр излучения атома должен быть сплошным, на самом же деле спектр атомов линейчатый. В итоге электрон должен упасть на ядро, поэтому такой атом должен быть нестабильным, что противоречит природным данным. Это противоречие пытался разрешить Н. Бор, о чем уже было сказано (см. п.5.4.).

Для измерения массы атомов часто используется атомная единица массы(1 а.е.м.=1,66·10^-27кг). Это удобно, т.к. масса ядра, выраженная в а.е.м., численно равна количеству нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре: А =Np+Nn. Радиус ядра также можно выразить через массовое число А

R=RoA^1/3(5.42.)

где Ro=1,2·10^-15м, постоянная для всех ядер.

Зная размеры ядра, можно оценить плотность ядерного вещества:

В связи с тем, что объем Vядра пропорционален А, тоρне зависит от А.

Опыт показывает, что масса m_яядра атома всегда меньше суммарной массы свободных нуклонов, входивших в состав ядра. Разность между этими массами называетсядефектом массыΔm:

(5.43.)

«Потеря массы» на величину Δmсвязана сэнергией связи ядра:

Есв = Δm·c², (5.44.)

где с – скорость света в вакууме. Для полного расщепления ядра на отдельные составляющие его нуклоны необходимо затратить энергию, равную Есв. Если же ядро естественно распадается, то ядерная энергия выделяется.

Величина, равная отношению энергии связи ядра к числу нуклонов А в ядре, определяет удельную энергию связиЕсв/A. Она является мерой устойчивости ядра. Наибольшее значение удельной энергии связи приходится на ядра с А в интервале от 40 до 100.

Если дефект массы Δmвыражен в а.е.м., то энергию связи можно подсчитать по формуле:

Есв=931 ΔmМэВ (5.45.)

где 931 МэВ/а.е.м. – коэффициент пропорциональности во внесистемных единицах. Таким образом, важнейшими характеристиками атомных ядер являются:

1. заряд Ze; 2) массаm; 3) дефект массы Δm; 4) энергия связи Есв и др.

Внутри ядра между нуклонами кроме гравитационных, кулоновских, магнитных сил действуют более мощные ядерные силыособой природы. Действуют они на очень малых расстояниях, только в пределах ядра, связывают они все нуклоны (и протоны и нейтроны).

Ядерные силы намного превосходят силы электростатического отталкивания протонов в ядре. Этим силам свойственно насыщение, т.е. каждый нуклон связывает определенное число других нуклонов в ядре и т.д. Природа этих сил окончательно не изучена.