Фізіка. 11 клас

Вы ўжо ведаеце, што рэчывы складаюцца з драбнюткіх часціц — атамаў, якія ўзаемадзейнічаюць паміж сабой. Вывучаючы будову і ўласцівасці атама, можна ствараць новыя крыніцы энергіі, рэчывы з загадзя зададзенымі ўласцівасцямі, выкарыстоўваць новыя магчымасці ў медыцыне, тэхналогіі вытворчасці. У гэтай сувязі неабходна адказаць на пытанні: якую будову мае атам? Якім заканамернасцям ён падпарадкоўваецца?

У эксперыментах Рэзерфарда па вывучэнні рассейвання α-часціц рэчывам было вызначана, што ў цэнтральнай частцы атама,памеры  якога  знаходзіцца дадатна зараджанае ядро, якое мае памер , у якім засяроджана 99,96  % ад масы атама (мал. 208). Для завяршэння пабудовы мадэлі атама неабходна было адказаць на пытанне: ці мае атамнае ядро структуру, і калі мае, то якую?  Наяўнасць у ядры дадатна зараджаных часціц — пратонаў — была эксперыментальна даказана Рэзерфардам з яго вучнямі ў 1919 г. Пратон, які абазначаецца лацінскай літарай p, уяўляе сабой ядро атама вадароду. Ён мае масу  і зарад, роўны па абсалютнай велічыні зараду элект­рона .

У 1930 г. нямецкія вучоныя Вальтэр Батэ і Ганс Бекер, вывучаючы рэакцыі, якія адбываюцца пры апраменьванні берылію α-часціцамі, выявілі новае выпраменьванне, што валодае вельмі вялікай пранікальнай здольнасцю, першапачаткова названае берыліевымі праменямі. У 1932 г. англійскі фізік Джэймс Чэдвік правёў эксперыменты па вывучэнні ўласцівасцей гэтага выпраменьвання і ўстанавіў, што берыліевыя прамені складаюцца з электрычна нейтральных часціц з масай, параўнальнай з масай пратона. Гэтыя часціцы ён назваў нейтронамі (ад англ. neutral — нейтральны). 

Нейтрон — яшчэ адна часціца нароўні з электронам, пратонам і фатонам. Гэта часціца абазначаецца лацінскай літарай n. Яна мае масу ,  якая амаль супадае з масай пратона, і электрычна нейтральная. З-за адсутнасці электрычнага зараду ў нейтрона ўзаемадзеянне з рэчывам вельмі слабае. З прычыны гэтага нейтрон рухаецца ў рэчыве прамалінейна да таго часу, пакуль не сутыкнецца з якім-небудзь атамным ядром. Пры сутыкненнях з цяжкімі атамамі нейтрон амаль не губляе энергію, як пругкі мячык, які адскоквае ад сцяны. Пры сутыкненні ж з лёгкімі атамамі (вадарод, берылій, вуглярод) нейтрон перадае ім частку сваёй энергіі і пачынае рухацца павольней. Рэчывы, якія змяшчаюць лёгкія атамы, называюць запавольнікамі нейтронаў. Найбольш эфектыўнымі запавольнікамі нейтронаў з’яўляюцца рэчывы, якія змяшчаюць вадарод (напрыклад, вада), з прычыны таго, што маса атама вадароду блізкая да масы нейтрона. З часам кінетычная энергія нейтрона становіцца такой жа, як кінетычная энергія цеплавога руху часціц навакольнага асяроддзя. Такія нейтроны, што адносна павольна рухаюцца, называюцца цеплавымі.

Нейтроны ўстойлівыя толькі ў складзе стабільных ядзер. Нейтрон у свабодным стане, г. зн. змешчаны па-за ядром, з’яўляецца нестабільнай часціцай. Яго сярэдні час жыцця t = 886 c.

Пасля адкрыцця нейтронаў у 1932 г. фізікі — савецкі Дзмітрый Дзмітрыевіч Іваненка і нямецкі Вернер Гейзенберг — прапанавалі пратонна-нейтронную мадэль будовы ядра. Паводле гэтай мадэлі ядро складаецца з часціц двух тыпаў — пратонаў і нейтронаў (мал. 209). 

У адпаведнасці з сучаснымі фізічнымі ўяўленнямі пратон і нейтрон з’яўляюцца двума рознымі зарадавымі станамі адной і той жа часціцы — нуклона (ад лац. nucleus — ядро). У стане без электрычнага зараду (q = 0) нуклон з’яўляецца нейтронам, а ў стане з дадатным электрычным зарадам (q = e) — пратонам. 

Лік пратонаў у ядры называецца зарадавым лікам (атамным нумарам) і абазначаецца літарай Z. (Лік пратонаў у ядры роўны колькасці электронаў у нейтральным атаме.) Зарадавы лік супадае з парадкавым нумарам хімічнага элемента ў перыядычнай сістэме элементаў Мендзялеева. Агульны лік нуклонаў называецца масавым лікам і абазначаецца літарай A. Масавы лік супадае з акругленай да цэлага ліку атамнай масай элемента. Пратон і нейтрон маюць масавы лік A = 1, а электрон A = 0. Лік нейтронаў у ядры роўны N = A – Z. 

Для характарыстыкі ядра дастаткова ведаць зарадавы Z і масавы A лікі. Для абазначэння атамнага ядра  выкарыстоўваецца такі ж сімвал, як для адпаведнага хімічнага элемента. Злева ўнізе сімвала ставіцца зарадавы лік ядра Z, а ўверсе — масавы лік A. Напрыклад, сімвал  абазначае ядро вугляроду, якое змяшчае 12 нуклонаў, 6 з якіх пратоны, а 6 іншых — нейтроны.

Атам з пэўнымі значэннямі зарадавага ліку Z і масавага ліку A называецца нуклідам.

У ядрах аднаго хімічнага элемента заўсёды ўтрымліваецца адна і тая ж колькасць пратонаў, а лік нейтронаў можа быць розным. Напрыклад, у ядрах вугляроду лік пратонаў заўсёды 6, а лік нейтронаў можа быць 5, 6, 7, 8, 9 ці 10. 

Атамы, ядры якіх утрымліваюць аднолькавы лік пратонаў, але розны лік нейтронаў, называюцца ізатопамі (ад грэч.  (ізас) — аднолькавы і τοπος (топас) — месца) дадзенага хімічнага элемента. Напрыклад, добра вядомы ізатопы вадароду — дэйтэрый  і трытый  , якія змяшчаюць, адпаведна, адзін і два нейтроны ў ядры (мал. 210).

У 1962 г. фізікі і хімікі прынялі за масавы лік вугляроду  велічыню, роўную дакладна 12,00000 і разлічылі атамныя масы ўсіх астатніх элементаў адносна . Хоць масавы лік ізатопа звычайна прыводзіцца цэлым лікам, на самай справе ён «не зусім» цэлы. Так, напрыклад, масавыя лікі кіслароду , калію  і урану   роўны адпаведна 18, 41, 235. Метадамі мас-спектраскапіі атрымалася з вельмі вялікай дакладнасцю вымераць масы асобных ізатопаў. У адносіне да вугляроду  маса кіслароду  роўна , калію  — , урану  —  Маса пратона , нейтрона — 

Масы некаторых атамаў прыведзены ў табліцы 10.

Табліца 10. Масы атамаў хімічных элементаў

Элемент	Ізатоп	Маса атама, а. а. м.	Элемент	Ізатоп	Маса атама, а. а. м.
Вадарод		1,00783	Вуглярод		11,01143
Вадарод		2,01410	Вуглярод		12,00000
Вадарод		3,01605	Азот		14,00307
Гелій		4,00260	Кісларод		15,99491
Літый		6,01513	Фтор		18,99840
Літый		7,01601	Алюміній		26,98146
Берылій		8,00531	Крэмній		27,98154
Берилий		9,01218	Уран		235,04393
Бор		10,01296	Уран		238,05079
Бор		11,00931	Плутоній		239,05216

Хімічныя ўласцівасці элементаў вызначаюцца не атамнай масай, а зарадавым лікам ядра, г. зн. лікам электронаў у электрычна нейтральным атаме элемента і іх размеркаваннем па энергетычных узроўнях. Сапраўды, атамныя масы ізатопаў адрозніваюцца, а іх хімічныя ўласцівасці аднолькавыя. Напрыклад, атамы нуклідаў вадароду  і гелію  маюць блізкія па велічыні атамныя масы, але прынцыпова розныя хімічныя ўласцівасці.

У рамках пратонна-нейтроннай мадэлі ядра паўстае пытанне аб яго ўстойлівасці. Сапраўды, паміж змешчанымі ў ядры пратонамі дзей­нічаюць сілы электрастатычнага адштурхвання велізарнай велічыні. Калі лічыць адлегласць паміж пратонамі  то модуль сілы адштурхвання , а гравітацыйная сіла іх прыцягнення складае ўсяго  .

Чым жа тлумачыцца ўстойлівасць ядра, калі ўнутры яго дзейнічаюць такія велізарныя сілы кулонаўскага адштурхвання паміж пратонамі?

Прычына ўстойлівасці ядра заключаецца ў існаванні, акрамя сіл электрастатычнага адштурхвання паміж пратонамі (нуклонамі), ядзерных сіл прыцягнення паміж нуклонамі. Ядзерныя сілы адрозніваюцца па сваёй прыродзе як ад сіл электрамагнітных, так і ад сіл гравітацыйных. Яны ўяўляюць сабой новы від узаемадзеяння паміж нуклонамі, які называюць моцным узаемадзеяннем. 

Ядзерныя сілы маюць шэраг адметных уласцівасцей: 

1) з’яўляюцца сіламі прыцягнення і адштурхвання;

2) на адлегласцях парадку памеру ядра прыкладна ў 100 разоў пераўзыходзяць па велічыні кулонаўскія сілы адштурхвання ў ядры;

3) праяўляюцца толькі на адлегласцях паміж часціцамі парадку памеру ядра  г. зн. з’яўляюцца караткадзеючымі сіламі. На адлегласцях, большых за , яны не праяўляюцца;

4) не залежаць ад электрычнага зараду нуклонаў, якія ўзаема­дзейнічаюць (ядзерныя сілы паміж двума пратонамі, нейтронамі ці пратонам і нейтронам аднолькавыя). Гэта ўласцівасць называецца зарадавай незалежнасцю;

5) маюць уласцівасць насычэння. Гэта азначае, што змешчаныя ўнутры ядра нуклоны могуць узаемадзейнічаць толькі са сваімі блі­жэйшымі суседзямі;

6) не з’яўляюцца цэнтральнымі, г. зн. яны не накіраваны па лініі, якая злучае цэнтры нуклонаў, што ўзаемадзейнічаюць.

Эксперыменты паказалі, што многія ядры маюць прыкладна сферычную форму, а аб'ём ядра прапарцыянальны масаваму ліку А. Згодна з эксперыментальнымі данымі радыус ядзер нарастае ў залежнасці ад масавага ліку ў адпаведнасці з формулай:

Паколькі аб’ём шара , то аб’ём ядра прапарцыянальны масаваму ліку А.

.

Усе ядры маюць шчыльнасць  а адзін кубічны сантыметр ядзернага рэчыва мае масу 180 млн тон.

Паколькі масы і энергіі ядзерных велічынь у адзінках СІ маюць вельмі малыя значэнні, для зручнасці вылічэнняў усе масы ў ядзернай фізіцы выражаюць у атамных адзінках масы (а. а. м.), а энергіі — у электронвольтах (эВ). Выкарыстаўшы формулу Эйнштэйна E = mc², масу таксама можна выразіць у адзінках энергіі — электронвольтах:  Напрыклад, у атамных адзінках масы маса электрона m_e = 0,00054858 а. а. м., маса пратона m_p = 1,007276 а. а. м., маса нейтрона m_n = 1,008665 а. а. м., маса атама вадароду m_p = 1,007825 а. а. м., а ў энергетычных адзінках m_e = 0,511 МэВ, m_p = 938,281 МэВ, m_n = 939,567 МэВ 

Сувязь паміж рознымі адзінкамі масы вызначаецца наступнымі суадносінамі:

, .

Ізатопы выкарыстоўваюцца ў біялогіі для вывучэння працэсу фотасінтэзу, для даследавання выкарыстання раслінамі фосфару, азоту, калію і мікра­элементаў, пры даследаванні працэсаў абмену рэчываў і біясінтэзу; у медыцыне — пры дыягностыцы захворванняў, для радыеімуннага аналізу і тамаграфіі; у экалогіі — для даследавання пераносу, назапашвання і распаду розных забруджвальнікаў у паветры, вадзе і глебе.  Д. Чэдвік за адкрыццё нейтрона атрымаў Нобелеўскую прэмію па фі­зіцы ў 1935 г.