Атомное ядро

Итак, атом состоит из атомного ядра и обращающихся вокруг него электронов. А из чего состоит атомное ядро?

В 1932 г. было установлено, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Протон представляет собой положительно заряженную частицу с массой, которая в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона совпадает по модулю с зарядом электрона:

Q = e = 1,6-10-19 Кл.

Ядра разных атомов содержат разное число протонов. Например, в ядре атома водорода лишь один протон, в ядре атома кислорода восемь, в ядре атома урана девяносто

два.

Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером соответствующего элемента в таблице Д. И. Менделеева. С этим же номером совпадает и число электронов в атоме. А раз так, то число протонов в ядре равно числу электронов, обращающихся вокруг этого ядра, и потому обозначается той же буквой:

Z – число протонов в ядре.

Помимо порядкового номера, в таблице Д. И. Менделеева для каждого химического элемента указано еще одно число, которое, будучи округленным до целого числа,

показывает общее число частиц (протонов и нейтронов) в атомном ядре (см. форзац). Оно обозначается буквой А и называется Массовым числом:

A – массовое число ядра.

Нейтрон представляет собой нейтральную частицу с массой, которая в 1839 раз превышает массу электрона. Электрический заряд нейтрона равен нулю:

Qn = 0.

Число нейтронов в атомном ядре обозначается буквой N. Оно находится по формуле

N = A – Z.

Чтобы найти число нейтронов в ядре, надо из массового числа этого ядра вычесть число протонов в нем.

Поскольку нейтроны не имеют заряда, то электрический заряд атомного ядра совпадает с суммарным зарядом протонов, находящихся в данном ядре.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре особыми – ядерными – силами. Эти силы в сто раз превосходят электрические и потому не дают одноименно заряженным протонам разлететься в разные стороны. Характеристикой устойчивости атомного ядра является его Энергия связи (Eсв).

Так называют энергию, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные частицы. В ядерной физике эту энергию принято измерять в мегаэлектронвольтах (МэВ):

1 МэВ = 1,6 – 10-13 Дж (табл. 1).

энергии связи атомных ядер Элементарные частицы (электроны, протоны и др.), а также атомные ядра невозможно увидеть ни в один микроскоп, даже электронный. Тем не менее с помощью специальных приборов о них можно узнать много важного. Например, пролетая через так называемую камеру Вильсона, заряженная частица ионизирует встречные молекулы пара, которым наполнена камера, и тем самым создает вдоль своего пути цепочку ионов.

В результате конденсации на этих ионах пара образуется трек – туманный след из капелек воды. Изучение этого трека позволяет определить многие характеристики пролетевшей частицы. В других приборах (например, счетчиках Гейгера) прохождение каждой частицы вызывает кратковременное появление электрического тока, что позволяет вести их счет.

Некоторые из подобных приборов используют в качестве дозиметров – устройств для определения доз облучения, знание которых необходимо для обеспечения безопасности работы при наличии ионизирующих излучений.

При столкновениях атомных ядер друг с другом, а также с какими-либо иными частицами эти ядра могут превратиться в ядра других атомов. Например, при столкновении ядра атома урана с нейтроном могут образоваться ядра атомов ксенона и стронция, а также два новых нейтрона:

N + U → Xe + Sr + 2n, (4.1)

А в результате столкновения ядра атома водорода с ядром атома углерода может появиться ядро атома азота:

H + C → N. (4.2)

Подобные превращения называют Ядерными реакциями. При этом реакции типа (4.1), при которых тяжелые ядра превращаются в более легкие, называют реакциями деления, а реакции типа (4.2), при которых из легких ядер образуются более тяжелые,- реакциями синтеза.

Превращения атомных ядер не могут быть какими угодно. В природе происходят только такие ядерные реакции, при которых сохраняется общий электрический заряд частиц, а также их суммарное массовое число.

В ходе ядерных реакций может выделяться значительная энергия. Например, при делении атомных ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется примерно такая же энергия, что и при сжигании 3 т угля! Благодаря этому ядерные реакции находят широкое применение в атомной энергетике (АЭС).

??? 1. Из каких частиц состоит атомное ядро? Что вы знаете об этих частицах? 2. Как находится число протонов в ядре? 3. Что такое массовое число?

4. Как находится число нейтронов в ядре? 5. Что представляют собой ядерные реакции? Приведите примеры таких реакций. 6. Почему ядерные реакции находят широкое применение в атомной энергетике? 7. С помощью каких приборов регистрируют и изучают заряженные частицы?

8. Сколько частиц входит в состав ядра атома водорода? 9. В курсе физики старших классов будет доказано, что энергия, выделяющаяся в той или иной ядерной реакции, равна разности суммарных энергий связи образующихся и исходных ядер. Воспользовавшись этим фактом, определите, какая энергия выделяется в реакциях (4.1) и (4.2).



Атомное ядро