§ 35. Протонно-нейтронная модель строения ядра атома

Вы уже знаете, что вещества состоят из мельчайших частиц – атомов, взаимодействующих между собой. Изучая строение и свойства атома, можно создавать новые источники энергии, вещества с заранее заданными свойствами, использовать новые возможности в медицине, технологии производства. В этой связи необходимо ответить на вопросы: как устроен атом? Каким закономерностям он подчиняется?

В физике за атомную единицу массы (1 а.е.м.) принимается величина, равная  массы изотопа углерода :

 

В экспериментах Резерфорда по изучению рассеяния α-частиц веществом было установлено, что в центральной части атома, размеры которого , находится положительно заряженное ядро, имеющее размер , в котором сосредоточено 99,96  % от массы атома (рис. 208).

Для завершения построения модели атома необходимо было ответить на вопрос: обладает ли атомное ядро структурой, и если обладает, то какой?
Наличие в ядре положительно заряженных частиц — протонов было экспериментально доказано Резерфордом с его учениками в 1919 г. Протон, обозначаемый латинской буквой p, представляет собой ядро атома водорода. Он обладает массой  и зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона .

В 1930 г. немецкие ученые Вальтер Боте и Ганс Беккер, изучая реакции, происходящие при облучении бериллия α-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью, первоначально названное бериллиевыми лучами. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик провел эксперименты по изучению свойств этого излучения и установил, что бериллиевые лучи состоят из электрически нейтральных частиц с массой, сравнимой с массой протона. Эти частицы он назвал нейтронами (от англ. neutral — нейтральный).

Нейтрон — еще одна частица наряду с электроном, протоном и фотоном. Эта частица обозначена латинской буквой n. Она имеет массу , совпадающую с массой протона, электрически нейтральна. Из-за отсутствия электрического заряда у нейтрона взаимодействие с веществом очень слабо. Вследствие этого нейтрон движется в веществе прямолинейно до тех пор, пока не столкнется с каким-либо атомным ядром. При столкновениях с тяжелыми атомами нейтрон почти не теряет энергию, как упругий мячик, отскакивающий от стены. При столкновении же с легкими атомами (водород, бериллий, углерод) нейтрон передает им часть своей энергии и начинает двигаться медленнее. Вещества, содержащие легкие атомы, называют замедлителями нейтронов. Наиболее эффективными замедлителями нейтронов являются вещества, содержащие водород (например, вода), вследствие того, что масса атома водорода близка к массе нейтрона. Со временем кинетическая энергия нейтрона становится такой же, как кинетическая энергия теплового движения частиц окружающей среды. Такие относительно медленно движущиеся нейтроны называются тепловыми.

Нейтроны устойчивы только в составе стабильных ядер. Нейтрон в свободном состоянии, т. е. находящийся вне ядра, является нестабильной частицей. Его среднее время жизни t = 886 c.

После открытия нейтронов в 1932 г. физики — советский Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий Вернер Гейзенберг — предложили протонно-нейтронную модель строения ядра. Согласно этой модели ядро состоит из частиц двух типов — протонов и нейтронов (рис. 209).

В соответствии с современными физическими представлениями протон и нейтрон являются двумя разными зарядовыми состояниями одной и той же частицы — нуклона (от лат. nucleus — ядро). В состоянии без электрического заряда нуклон является нейтроном, а в состоянии с положительным электрическим зарядом   — протоном.

Число протонов в ядре называется зарядовым числом (атомным номером) и обозначается буквой Z (число протонов в ядре равно количеству электронов в нейтральном атоме). Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе элементов Менделеева. Общее число нуклонов называется массовым числом и обозначается буквой A. Массовое число совпадает с округленной до целого числа атомной массой элемента. Протон и нейтрон имеют массовое число А = 1, а электрон A = 0. Число нейтронов в ядре равно N = A − Z.

Для характеристики ядра достаточно знать зарядовое Z и массовое A числа. Для обозначения атомного ядра  применяется такой же символ, как для соответствующего химического элемента. Слева внизу символа ставится зарядовое число ядра Z, а вверху — массовое число A. Например, символ  обозначает ядро углерода, содержащего 12 нуклонов, 6 из которых протоны, а 6 других — нейтроны.

Атом с определенными значениями зарядового числа Z и массового числа A называется нуклидом.

В ядрах одного химического элемента всегда содержится одно и то же количество протонов, а число нейтронов может быть различным. Например, в ядрах углерода число протонов всегда 6, а число нейтронов может быть 5, 6, 7, 8, 9 или 10.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами (от греч.  (изос) — одинаковый и τοπος (топос) — место) данного химического элемента. Например, хорошо известны изотопы водорода — дейтерий  и тритий , которые содержат, соответственно, один и два нейтрона в ядре (рис. 210).

В 1962 г. физики и химики приняли за массовое число углерода  величину, равную точно 12,00000 и рассчитали атомные массы всех остальных элементов относительно . Хотя массовое число изотопа обычно приводится целым числом, на самом деле оно «не совсем» целое. Так, например, массовые числа кислорода , калия  и урана  равны, соответственно, 18, 41, 235. Методами масс-спектроскопии удалось с очень большой точностью измерить массы отдельных изотопов. По отношению к углероду  масса кислорода  равна , калия  —, урана  —  Масса протона  , нейтрона — 

Массы некоторых атомов приведены в таблице 10.

Таблица 10. Массы атомов некоторых химических элементов

Элемент	Изотоп	Масса атома, а.е.м	Элемент	Изотоп	Масса атома, а.е.м
Водород		1,00783	Углерод		11,01143
Водород		2,01410	Углерод		12,00000
Водород		3,01605	Азот		14,00307
Гелий		4,00260	Кислород		15,99491
Литий		6,01513	Фтор		18,99840
Литий		7,01601	Алюминий		26,98146
Берилий		8,00531	Кремний		27,98154
Берилий		9,01218	Уран		235,04393
Бор		10,01296	Уран		238,05079
Бор		11,00931	Плутоний		239,05216

Химические свойства элементов определяются не атомной массой, а зарядовым числом ядра, т. е. числом электронов в электрически нейтральном атоме элемента и их распределением по энергетическим уровням. Действительно, атомные массы изотопов различаются, а их химические свойства одинаковы. Например, атомы нуклидов водорода   и гелия  имеют близкие по величине атомные массы, но принципиально разные химические свойства.

В рамках протонно-нейтронной модели ядра возникает вопрос о его устойчивости. Действительно, между протонами, находящимися в ядре, действуют силы электростатического отталкивания огромной величины. Если считать расстояние между протонами , то модуль силы отталкивания , а гравитационная сила их притяжения составляет всего .

Чем же объясняется устойчивость ядра, если внутри него действуют такие огромные силы кулоновского отталкивания между протонами?
Причина устойчивости ядра кроется в существовании, кроме сил электростатического отталкивания между протонами (нуклонами), ядерных сил притяжения между нуклонами. Ядерные силы отличаются по своей природе как от сил электромагнитных, так и сил гравитационных. Они представляют новый вид взаимодействия между нуклонами, который называют сильным взаимодействием.

Ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1) являются силами притяжения и отталкивания;
2) на расстояниях порядка размера ядра примерно в 100 раз превосходят по величине кулоновские силы отталкивания в ядре;
3) проявляются только на расстояниях между частицами порядка размера ядра , т. е. являются короткодействующими силами. На расстояниях, больших , они не проявляются;
4) не зависят от электрического заряда взаимодействующих нуклонов (ядерные силы между двумя протонами, нейтронами или протоном и нейтроном одинаковы). Это свойство называется зарядовой независимостью;
5) обладают свойством насыщения. Это означает, что находящиеся внутри ядра нуклоны могут взаимодействовать только со своими ближайшими соседями;
6) не являются центральными, т. е. они не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Эксперименты показали, что многие ядра имеют примерно сферическую форму, а объем ядра пропорционален массовому числу А. Согласно экспериментальным данным радиус ядер возрастает в зависимости от массового числа в соответствии с формулой: 

Так как объем шара , то объем ядра пропорционален массовому числу А. Вычислим плотность ядерного вещества:

.

Все ядра имеют плотность ,  а один кубический сантиметр ядерного вещества имеет массу 180 млн тонн.

Так как массы и энергии ядерных величин в единицах СИ имеют очень малые значения, для удобства вычислений все массы в ядерной физике выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), а энергии — в электронвольтах (эВ). Используя формулу Эйнштейна , массу также можно выразить в единицах энергии — электронвольтах: . Например, в атомных единицах массы масса электрона , масса протона , масса нейтрона , масса атома водорода , а в энергетических единицах , ,  .

Связь между различными единицами массы определяется следующими соотношениями:

Изотопы применяются в биологии для изучения фотосинтеза, для исследования использования растениями фосфора, азота, калия и микроэлементов, при исследовании процессов обмена веществ и биосинтеза; в медицине —  при диагностике заболеваний, для радиоиммунного анализа и томографии; в экологии  — для исследования переноса, накопления и распада различных загрязнителей в воздухе, воде и почве. Дж. Чедвик за открытие нейтрона получил Нобелевскую премию по физике в 1935 г

Вопросы к параграфу

Упражнение 21

1. Определите количество нуклонов в изотопах: а) актиния ; б) ксенона ; в) циркония .
2. Определите состав ядер атомов бора, кремния, брома.
3. Сколько нуклонов, нейтронов, протонов содержат нейтральные атомы:а) ; б) ; в) ; г) ; д)?
4. Определите элемент, в ядре которого содержится: а) 20 протонов и 20 нейтронов; б) 12 протонов и 14 нейтронов; в) 10 протонов и 12 нейтронов; г) 104 протона и 156 нейтронов.
5. Ядра, каких элементов получатся, если заменить нейтроны протонами, а протоны нейтронами в ядрах: а); б) ; в)  .
6. Определите отношение радиусов ядер атома плутония , урана  и водорода .
7. Используя приближенное соотношение, для определения радиуса (сферического) ядра  (A— массовое число) рассчитайте: а) объем, занимаемый каждым нуклоном в ядре; б) среднее расстояние между нуклонами; в) силу электростатического отталкивания между соседними протонами в ядре.