Ядерная ⭐️ модель строения атома: что это, определение, кто предложил, в каком году

Внутренняя структура атома — что это такое

Определение, предпосылки открытия, кто открыл модель, в каком году

И физика, и химия, а также другие науки долгое время старались найти ответ на вопрос о строении атома. Данное знание позволило бы науке продвинуться в изучении химических элементов, их свойств, связей между ними и их соединениях в веществах.

Определение 

Атом — наименьшая часть химического элемента, сохраняющая его свойства.

Стоит отметить, что с древнегреческого слово «атом» переводится как «неделимый». Позже, ученые, открывшие атом, предполагали, что обнаружили самую маленькую частицу в мире, которая не способная расщепляться, делиться или изменяться сама по себе.

Однако в конце XIX — начале XX веков данные представления были опровергнуты.

Предпосылками к открытию внутреннего строения атома стали:

• конец XIX века — открытие явления фотоэффекта и лучей, представляющих собой поток электронов;
• 1896 год — А. Беккерель открывает явление радиоактивности, которое свидетельствует о наличии внутри атома электронов, с учетом того, что сам атом заряда не имеет;
• 1897 год — открытие электрона Томсоном;
• 1899-1903 года — опыты английского физика Э. Резерфорда и установление природы α, β и γ лучей, образующихся при радиоактивном распаде;
• 1903 год — Томсон предложил модель атома по типу «пудинга с изюмом»;
• 1909 год — Р. Милликен, американский физик, определил заряд электрона.

В 1909 – 1911 годах свои опыты продолжал Э. Резерфорд. Он заявил об открытии, перевернувшем представления о химии не только общества философов, перед которым выступал ученый, но и всего научного мира.

В докладе «Рассеяние α- и β-лучей и строение атома» Резерфорд говорил об:

«…атоме, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окруженного однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины».

Опыт Резерфорда по бомбардировке золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами показал, что некоторые частицы заметно отклонялись от первоначального направления движения. Открытие привело к установлению внутренней структуры атома.

Благодаря открытиям ученых конца XIX — начала XX веков удалось определить, что атом состоит из:

• атомного ядра;
• электронов e.

Атомное ядро состоит из элементарных частиц:

• протонов p;
• нейтронов n.

Модель атома Резерфорда сменила ранее главенствовавшую модель Томсона о строении атома по принципу «пудинга с изюмом». Согласно планетарной модели атома он:

«…состоит из крохотного положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена почти вся масса атома, вокруг которого вращаются электроны, — подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца».

На самом деле, Резерфорд не создал новую модель атома. Своими опытами он опроверг одну модель Томсона и подтвердил состоятельность другой, которая изначально предполагала планетарное строение атома.

Самой сложной частью атома в то время являлось и до сих пор остается атомное ядро. Точное теоретическое описание модели атомного ядра практически не представляется возможным из-за малого размера частиц, составляющих его. Из-за этого появляется множество представлений о строении атомного ядра, некоторые из которых являются взаимоисключающими, противоречащими или дополняющими друг друга.

Теории строения атомного ядра начали выдвигаться учеными в 30-х годах 20 века. Были предложены:

• оболочечная теория (Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон в 1932 году, дополнена М. Гёпперт-Майер и Х. Йенесоном в 1949 году);
• капельная теория (Н. Бор в 1936 году);
• кластерная или модель нуклонных ассоциаций (вторая половина 30-х годов 20 века);
• статистическая (в 1936 году и в 1937 году была параллельно открыта Я. Френкелем и Л. Ландау);
• коллективная (О. Бор и Б. Моттельсон в 1952 году);
• обобщенная Бора – Моттельсона (также О. Бор и Б. Моттельсон в 1952 году);
• сверхтекучая (предложена в 1958 году О. Бором и Дж. Валатином);
• ротационная;
• оптическая;
• вибрационная.

Закон радиоактивного распада

Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.

Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.

В начальный момент времени ​( t )​ = 0, число атомных ядер ​( N_0 )​.

Через промежуток времени, равный периоду полураспада ​( t=T_{1/2} )​, число атомных ядер ​( N=frac{N_0}{2} )​.

Через промежуток времени, равный двум периодам полураспада ( t=2T_{1/2} ), число атомных ядер ( N=frac{N_0}{4}=frac{N_0}{2^2} ).

Через промежуток времени, равный ​( n )​ периодам полураспада ​( t=nT_{1/2} )​, число атомных ядер ( N=frac{N_0}{2^n} ).

где ​( N )​ – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени ​( t )​; ​( N_0 )​ – начальное число атомных ядер; ​( T_{1/2} )​ – период полураспада.

На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.

Естественная радиоактивность.

С явления естественной радиоактивности началась ядерная физика. Альфа-, бета- и гамма-излучения, испускаемые ураном, имеют ядерное происхождение, тогда как оптические и рентгеновские спектры соответствуют электронной структуре атома. Альфа-частицы оказались ядрами гелия. Бета-частицы по своему заряду и массе идентичны электронам оболочки атома, однако их ядерное происхождение было четко продемонстрировано изменением заряда распадающегося ядра. Кроме того, энергия гамма-излучения значительно превышает энергию, которую могут излучать электроны из внешней оболочки атома, следовательно, это проникающее излучение имеет ядерное происхождение.

Некоторые встречающиеся в природе элементы с большим атомным номером (уран, торий, актиний) имеют радиоактивные изотопы, в результате распада которых образуются другие радиоактивные изотопы (такие, как радий), а в конечном итоге стабильный свинец. Время жизни «родительского» изотопа в каждом случае сравнимо с возрастом Земли, который оценивается в 10 млрд. лет. Предполагается, что в период образования Земли существовало большое число радиоактивных веществ, однако короткоживущие элементы уже давно превратились в стабильные конечные продукты. Возможно, некоторые из изотопов, которые называют «стабильными», в действительности распадаются, однако их периоды распада («времена жизни») столь велики, что существующими методами их не удается измерить.

Важная роль радиоактивности в физике ядра связана с тем, что радиоактивное излучение несет информацию о типах частиц и энергетических уровней ядра. Например, испускание альфа-частиц из ядра и относительная устойчивость образования из двух протонов и двух нейтронов косвенно указывает на возможность существования альфа-частиц внутри ядра.

Различие между естественной и искусственно наведенной радиоактивностью не очень существенно для понимания строения ядра, однако изучение естественных радиоактивных рядов позволило сделать важные выводы относительно возраста Земли и использовать такие элементы в качестве источников бомбардирующих частиц задолго до того, как были изобретены ускорители частиц.

Размеры и форма ядра.

Впервые размеры ядра правильно оценил Резерфорд, использовав для этой цели рассеяние альфа-частиц. Его первые эксперименты показали, что размеры заряженной части ядра – порядка 10–14 м. Более поздние и более точные эксперименты позволили установить, что радиус ядра приблизительно пропорционален А1/3 и, следовательно, плотность ядерного вещества почти постоянна. (Она колоссальна: 100 000 т/мм3.)

С открытием нейтрона стало ясно, что он представляет собой идеальное средство исследования ядра, поскольку нейтральные частицы, проходя на значительном удалении от ядра, не испытывают отклонения под действием заряда ядра. Другими словами, нейтрон сталкивается с ядром, если расстояние между их центрами оказывается меньше суммы их радиусов, а в противном случае не отклоняется. Опыты по рассеянию пучка нейтронов показали, что радиус ядра (в предположении сферической формы) равен:

R = r0A1/3,

где

r0» 1,4Ч10–15 м.

Таким образом, радиус ядра урана-238 равен 8,5Ч10–15 м. Полученное значение соответствует радиусу действия ядерных сил; оно характеризует расстояние от центра ядра, на котором внешний нейтральный нуклон начинает впервые «ощущать» его воздействие. Такая величина радиуса ядра сравнима с расстоянием от центра ядер, на котором происходит рассеяние альфа-частиц и протонов.

Рассеяние альфа-частиц, протонов и нейтронов на ядрах обусловлено действием ядерных сил; следовательно, такие измерения радиусов ядер дают оценку радиуса действия ядерных сил. Взаимодействие же электронов с ядрами почти полностью определяется электрическими силами. Поэтому рассеяние электронов можно использовать для изучения формы распределения заряда в ядре. Эксперименты с электронами очень высоких энергий, проведенные Р.Хофстедтером в Станфордском университете, дали детальную информацию о распределении положительного заряда по радиусу ядра. На рис. 6 представлено угловое распределение рассеянных ядрами золота электронов с энергией 154 МэВ. Верхняя кривая характеризует угловое распределение, рассчитанное в предположении, что положительный заряд сконцентрирован в точке; очевидно, что экспериментальные данные этому предположению не соответствуют. Гораздо лучшее согласие достигается в предположении о равномерном распределении протонов по объему ядра (нижняя кривая). Однако «радиус заряда» оказывается примерно на 20% меньше радиуса «ядерных сил», полученного на основе данных по рассеянию нейтронов. Это может означать, что распределение протонов в ядре отличается от распределения нейтронов.

Ядерные реакции. Деление и синтез ядер

Атомные ядра при взаимодействиях испытывают превращения. Эти превращения сопровождаются увеличением или уменьшением кинетической энергии участвующих в них частиц.

Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру и попадают в сферу действия ядерных сил. Одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга, поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена достаточно большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия, α-частицам и другим более тяжелым ядрам с помощью ускорителей.

Для осуществления ядерных реакций такой метод гораздо эффективнее, чем использование ядер гелия, испускаемых радиоактивными элементами. Во-первых, с помощью ускорителей частицам может быть сообщена энергия порядка 105 МэВ, т. е. гораздо большая той, которую имеют ​( alpha )​-частицы (максимально 9 МэВ). Во-вторых, можно использовать протоны, которые в процессе радиоактивного распада не появляются (это целесообразно потому, что заряд протонов вдвое меньше заряда α-частиц, и поэтому действующая на них сила отталкивания со стороны ядер тоже в 2 раза меньше). В-третьих, можно ускорить ядра более тяжелые, чем ядра гелия.

Наиболее распространенный вид ядерной реакции:

где ​( X )​ и ​( Y )​ – исходное и конечное ядра; ​( a )​ и ​( b )​ – бомбардирующая и испускающая частицы.

Эндотермическая реакция – это реакция с поглощением энергии:

Экзотермическая реакция – это реакция с выделением энергии:

При ядерных реакциях выполняются следующие законы.

• Закон сохранения электрического заряда:
  сумма электрических зарядов атомных ядер и частиц до реакции равна сумме электрических зарядов атомных ядер и частиц после реакции:

• Закон сохранения массового числа:
  сумма нуклонов атомных ядер и частиц до реакции равна сумме нуклонов атомных ядер и частиц после реакции:

• Закон сохранения энергии.

Примеры ядерных реакций

• Первое наблюдавшееся превращение ядра (Ю. Резерфорд, 1919):

• Первая ядерная реакция на быстрых протонах (1932):

• Открытие нейтрона (Дж. Чедвик, 1932):

• Первое искусственное получение радиоактивного распада и открытие позитрона. Радиоактивный распад под действием ​( alpha )​-частиц наблюдал Ф. Жолио-Кюри:

Изотоп фосфора оказался радиоактивным: его ядро распадается с испусканием позитрона и нейтрино:

Классификация ядерных реакций

Ядерные реакции классифицируются:

• по роду участвующих в них частиц – реакции под действием нейтронов, заряженных частиц, ​( gamma )​-квантов;
• по энергии вызывающих их частиц – реакции при малых, средних, высоких энергиях;
• по роду участвующих в них ядер – реакции на легких ядрах (А < 50), средних ядрах (50 < А < 100) и тяжелых ядрах (А > 100);
• по характеру происходящих ядерных превращений – реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц, реакции захвата.

Деление ядер – это деление атомного ядра урана на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

• Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов.
• При делении ядер испускаются нейтроны и ​( gamma )​-лучи.
• При делении ядер выделяется большая энергия.

Механизм деления ядер (капельная модель)

В тяжелых ядрах действуют значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада. Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на два осколка X и Y.

Под действием сил кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной приблизительно 1/30 скорости света. Одновременно испускается излучение высокой частоты.

Цепная ядерная реакция – ядерная реакция деления тяжелых ядер нейтронами, в результате которой число нейтронов возрастает и поэтому может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления.

В 1939 году было обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро изотопа урана-235 происходит деление ядра на два или три осколка с испусканием 2–3 нейтронов:

Эти нейтроны способны вызвать деление 2–3 новых ядер урана с испусканием 4–9 новых нейтронов и т. д., процесс может продолжаться самостоятельно, вовлекая все большее число новых ядер.

Условия протекания цепной ядерной реакции:

• должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны;
• количество вещества, способного делиться, должно быть достаточным для того, чтобы образующиеся нейтроны могли соударяться с другими ядрами, не покидая объем, не испытывая взаимодействия;
• скорость нейтронов должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер.

Минимальное количество вещества, необходимое для осуществления цепной ядерной реакции, называется критической массой.

Устройства, в которых осуществляются управляемые цепные ядерные реакции, называются ядерными реакторами.

Основные элементы ядерного реактора:

• Ядерное горючее (сырьевые и делящиеся вещества в реакторах – изотопы урана, плутоний, торий).
• Замедлитель и отражатель нейтронов, которые способствуют увеличению числа медленных нейтронов, наиболее эффективных для развития цепной реакции деления (графит, тяжелая или обычная вода).
• Регулирующие стержни, которые вводят в активную зону реактора для поддержания стационарного режима реактора, так как быстрое развитие реакции сопровождается выделением большого количества тепла и перегревом реактора; стержни выполнены из материалов, сильно поглощающих тепловые нейтроны (из бора, кадмия).
• Теплоноситель, который необходим для отвода тепла, образующегося в реакторе (вода, жидкий натрий и др.).
• Защитные устройства, которые применяют для защиты персонала, обслуживающего реактор, от действия на организм нейтронных потоков и ​( gamma )​-лучей.

Термоядерный синтез

График зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре от массового числа показывает, что кроме реакции деления тяжелых ядер с выделением энергии идут реакции синтеза легких ядер.

Синтез ядер – это слияние ядер в одно ядро, сопровождающееся выделением энергии.

Для осуществления реакции синтеза легких ядер требуются высокие энергии сливающихся частиц, так как необходимо преодолеть кулоновское отталкивание. Этого можно достичь за счет высокой температуры вещества.

Термоядерная реакция – это реакция синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящая при сверхвысоких температурах (порядка 107 К и выше).

В природе термоядерные реакции происходят в недрах звезд.

При термоядерном синтезе энергетический выход на единицу массы топлива оказывается выше, чем при реакции деления тяжелых ядер урана.

Пример реакции синтеза:

Синтез гелия из тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – происходит при температуре около 5·107 К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется 4,2·1011 Дж – такая же энергия выделяется при сгорании 10 т дизельного топлива.

Термоядерный синтез может стать одним из возможных альтернативных источников энергии. Поиск таких источников энергии важен, так как запасы нефти и газа на Земле ограничены.

В настоящее время ведется испытание установок для осуществления управляемых термоядерных реакций синтеза гелия из водорода. Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы. Количество дейтерия в океанической воде составляет примерно 4·1011 т, чему соответствует энергетический запас 1017 МВт·год. Наиболее заманчивой является возможность извлечения энергии дейтерия, содержащегося в обычной воде.

Определение размеров атомного ядра

Резерфорд сделал вывод о том, что α-частица могла быть отброшена назад только случае, если положительный заряд атома и его масса сконцентрированы в небольшом пространстве. Так ученый пришел к мысли о существовании атомного ядра. По его представлению, это было тело малых размеров, в котором сконцентрирована почти вся масса и весь положительный заряд атома.

На рисунке выше изображены траектории α-частиц, пролетающих на различных расстояниях от ядра. Подсчитывая количество α-частиц, рассеянных на различные углы, Резерфорд дал оценку размерам ядра. Выяснилось, что его диаметр равен примерно 10–12–10–13 см. Такой разброс связан с тем, что размеры ядер атомов разных веществ различны. Размер же самого атома равен 10–8 см. Это в 10–100 тыс. раз больше размера атомного ядра.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.

Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.

Свойства ядерных сил:

• являются силами притяжения;
• являются короткодействующими силами (действуют на малых расстояниях, не превышающих 2·10-15 м; на таком расстоянии ядерные силы больше кулоновских приблизительно в 100 раз);
• обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами и между протоном и нейтроном, одинаковы);
• имеют свойство насыщения (каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра);
• не являются центральными (не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).

Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.

Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:

где ​( M )​ – масса ядра.

Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:

где ​( Delta m )​ – дефект масс.

Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:

где ​( Delta E_{св} )​ – энергия связи, ​( c )​ – скорость света.

Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Энергетический эквивалент 1 а.е.м.

Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:

В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:

где ​( A )​ – массовое число.

Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом ​( A )​ ≈ 100). У тяжелых ядер (​( A )​ ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением ​( Z )​ кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Каково строение согласно модели Резерфорда

На сегодняшний день модель Резерфорда является единой утвержденной во всем мире. Атом, согласно общим представлением, представляет собой структуру, напоминающую планеты в космосе, вращающиеся вокруг Солнца.

Основная масса атома находится в атомном ядре, которое очень мало по отношению ко всему атому. Ядро положительно заряжено благодаря заряду протонов внутри него. Его размер равен примерно 10-14 — 10-15 метрам относительно размера всего атома, равного 10-10 метрам.

Вокруг атомного ядра по своим орбитам — электронным орбиталям — вращаются планеты-электроны. Они имеют отрицательный заряд, и в сумме с положительным зарядом ядра делают заряд всего атома электронейтральным.

Источник: msk.edu.ua

Опыты Резерфорда

Модель Томсона подверглась критике уже тогда, поскольку она абсолютно противоречила уже открытым к тому времени свойствам атома. Одно из главных свойств — устойчивость.

Известно, что масса электронов в несколько тысяч раз меньше массы атомов. Но в целом атом является нейтральным. Значит, основная масса приходится на его положительно заряженную часть. Для экспериментального исследования распределения положительного заряда, а значит, и массы внутри атома Эрнест Резерфорд предложил в 1906 г. применить зондирование атома с помощью α-частиц. Такие частицы образуются при распаде радия и некоторых других химических элементов. Их масса примерно в 8000 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен по модулю удвоенному заряду электрона. По сути, α-частицы — это лишенные электронов атомы гелия. Двигаются они со скоростью, равной 1/15 скорости света.

Такими частицами Резерфорд в своих экспериментах бомбардировал атомы тяжелых элементов. Известно, что электроны неспособны изменить траекторию движения α-частиц, потому что они слишком мало весят. Ведь небольшой камешек, врезавшийся в автомобиль, не может существенно повлиять на его скорость.

Изменить направление движения α-частиц может только положительный заряд атома. Так, если бомбардировать этими частицами атом, то по их рассеянию можно узнать, каким образом распределяется положительный заряд внутри него. Схема опыта резерфорда выглядит так:

Резерфорд поместил в цилиндр радиоактивное вещество. Вдоль цилиндра ученый высверлил узкий канал, из начал исходить пучок α-частиц. Этот поток попадал на тонкую золотую фольгу. Пройдя ее, частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. За экраном стоял микроскоп, с помощью которого можно было наблюдать столкновение полностью ионизированных атомов гелия с экраном. Ведь при каждом столкновении на экране можно было наблюдать вспышку — сцинтилляцию. Вся установка находилась внутри сосуда, из которого был выкачан воздух — это гарантировало отсутствие других факторов, которые могли бы повлиять на исход опыта.

Если провести опыт без фольги, то глядя в микроскоп, можно было наблюдать следующую картину: на экране формировался кружок, образованный сцинтилляциями от удара α-частиц об экран.

Но если на пути потока этих частиц поставить тонкую фольгу из золота, то картина меняется. Кружок, состоящий из сцинтилляций, становится больше.

Сделав небольшие изменения в установке, Резерфорду удалось обнаружить отклонения α-частиц на большие углы. Для этого он полностью окружил фольгу экранами и подсчитал число вспышек на каждом экране. Совершенно неожиданно оказалось, что некоторое количество α-частиц (примерно одна из двух тысяч) отклонилось на углы, превосходящие 90°. Позднее Резерфорд признался, что, предложив своим ученикам провести эксперимент по наблюдению за рассеянием α-частиц на большие углы, он сам не верил в положительный результат. «Это почти столь же невероятно, — говорил Резерфорд, — как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом в кусок тонкой бумаги, а снаряд возвратился бы к вам и нанес вам удар».

Такой результат эксперимента нельзя было предсказать, если считать, что атом действительно имеет такое строение, какое предположил Томсон. Ведь при распределении по всем объему атома положительный заряд не может создать сильное электрическое поле. Поэтому он не смог бы отклонить траекторию движения α-частиц кардинально. Максимальная сила отталкивания в этом случае может быть рассчитана путем применения закона Кулона:

Fmax=kqaqR2..

qa — заряд α-частицы, q — положительный заряд атома, R — радиус атома, а k — коэффициент пропорциональности. Напряженность электрического поля равномерно заряженного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля по мере приближения к центру. Поэтому чем меньше радиус R, тем больше сила, отталкивающая α-частицы.

Составное ядро и модель капли.

В более тяжелых ядрах число нуклонов настолько велико, что многие наблюдаемые закономерности поведения этих ядер лучше всего воспроизводятся моделью капли. Эту модель предложил в 1936 Н.Бор, чтобы объяснить большие времена жизни возбужденных ядер, образующихся при захвате медленных нейтронов. (В данном случае под временем жизни понимается время с момента возбуждения ядра до момента потери им энергии возбуждения в результате испускания излучения.) Времена жизни оказались в миллион раз больше времени, необходимого нейтрону, чтобы пересечь ядро (10–22 с). Это свидетельствует о том, что возбужденное ядро представляет собой некую систему («составное ядро»), время существования которой намного больше времени ее образования.

Бор высказал предположение, что ядерная реакция протекает в две стадии. На первой падающая частица входит в ядро-мишень, образуя «составное ядро», где в многочисленных столкновениях теряет свою первоначальную энергию, распределяя ее среди других нуклонов ядра. В результате ни у одной из частиц не оказывается энергии, необходимой для вылета из ядра. Вторая стадия, распад составного ядра, происходит спустя некоторое время, когда энергия случайно сконцентрируется на одной из частиц или потеряется в виде гамма-излучения. Считается, что вторая стадия не зависит от деталей механизма образования составного ядра. Вид распада определяется лишь игрой возможных вариантов.

В качестве простой аналогии этой картине ядерной реакции Бор предложил рассмотреть поведение капли. Между молекулами такой капли действуют силы, связывающие их друг с другом и препятствующие испарению, пока не будет подведено тепло извне. Появление еще одной молекулы, обладающей дополнительной кинетической энергией, приводит в результате ее статистического перераспределения к увеличению температуры капли как целого. Спустя некоторое время случайная концентрация энергии на какой-либо молекуле может привести к ее испарению. Теория Бора была детально разработана и позволила построить последовательную картину разнообразных ядерных реакций, в том числе реакций под действием нейтронов и заряженных частиц промежуточных энергий (вплоть до 100 МэВ). Полезными оказались введенные по аналогии понятия ядерной температуры, удельной теплоемкости и испарения частиц. Например, угловое распределение «испарившихся» частиц оказалось не зависящим от направления падающей частицы, т.е. изотропным, поскольку вся информация о первоначальном направлении теряется на стадии существования составного ядра.

Капельная модель оказалась особенно ценной при объяснении явления деления ядер, когда для развала ядра урана на две примерно равные части с большим выделением энергии достаточно поглощения одного медленного нейтрона. Электростатическое отталкивание протонов вызывает некоторую нестабильность ядра, которая обычно перекрывается за счет ядерных сил, обеспечивающих энергию связи. Но при повышении ядерной температуры сферической «капли» в ней могут возникнуть колебания, в результате которых капля деформируется в эллипсоид. Если деформация ядра будет продолжаться, то электростатическое отталкивание двух его положительно заряженных половин может возобладать, и тогда произойдет его деление.

Нуклонная модель ядра. Заряд ядра. Массовое число ядра

Элементарные частицы:

• протон
  Обозначение – ​( p )​, заряд ​( q_p )​ = 1,6·10-19 Кл, масса ​( m_p )​ = 1,67·10-27 кг.
• нейтрон
  Обозначение – ​( n )​, заряд отсутствует, масса ( m_n ) = 1,66·10-27 кг.
• электрон
  Обозначение – ​( e )​, заряд ​( q_e )​ = –1,6·10-19 Кл, масса ​( m_e )​ = 9,1·10-31 кг.

Нуклон – это частица, входящая в состав атомного ядра.

Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов.

Массовое число – это число, которое определяет количество протонов и нейтронов в ядре и равно округленному до целого значению массы атомного ядра в а.е.м.

Обозначение – ​( A )​, единица измерения – 1 атомная единица массы (а.е.м.).

Массовое число равно сумме количества протонов и нейтронов в ядре:

где ​( A )​ – массовое число; ​( Z )​ – количество протонов в ядре; ​( N )​ – количество нейтронов в ядре.

Зарядовое число – это число, которое показывает количество протонов в ядре.

Зарядовое число равно сумме зарядов протонов, входящих в состав ядра, выраженной в элементарных электрических зарядах.

Элементарный электрический заряд равен заряду электрона:

​( Z )​ – порядковый номер химического элемента в периодической таблице Менделеева.

Если некоторый химический элемент обозначить ​( {}^A_ZX )​, это означает, что в его ядре ​( Z )​ – протонов и ​( N=A-Z )​ – нейтронов.

Измерения массы атомов показали, что практически все химические элементы имеют изотопы.

Изотопы – это атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но отличающиеся количеством нейтронов в ядре.

Изотопы имеют:

• одинаковый атомный номер ​( Z )​ (одинаковое число протонов);
• различные массовые числа ​( A )​ (различное число нуклонов);
• одинаковое строение электронных оболочек;
• близкие химические свойства.

Изотопы бывают:

• стабильные – это изотопы, которые сохраняются сколь угодно долго;
• радиоактивные – это изотопы, которые превращаются в ядра других элементов с течением времени.

Изотопы водорода: водород имеет два стабильных изотопа – водород ​( {}^1_1H )​, дейтерий ​( {}^2_1H )​ и один радиоактивный изотоп тритий ​( {}^3_1H )​.

Искусственные превращения ядер.

Опыты с естественно радиоактивными элементами показали, что на скорость радиоактивного распада нельзя повлиять обычными физическими средствами: теплом, давлением и т.п. Таким образом, поначалу казалось, что нет какого-либо эффективного метода исследования структуры естественно стабильных изотопов. Однако в 1919 Резерфорд обнаружил, что ядра можно расщеплять, бомбардируя их альфа-частицами. Первым расщепленным элементом был азот, который в виде газа заполнял камеру Вильсона. Альфа-частицы, испускаемые ториевым источником, сталкивались с ядрами азота, поглощались ими, в результате чего испускались быстрые протоны. При этом происходила реакция

В результате такой реакции атом азота превращается в атом кислорода. В этом примере энергии связи ядер аналогичны теплу, которое выделяется при химической реакции, хотя и значительно превышают его. Впоследствии аналогичные результаты были получены и с многими другими элементами. Используя различные методы, можно измерить энергии и углы вылета испускаемых заряженных частиц, что обеспечивает проведение количественных экспериментов.

Следующим шагом явилось открытие, сделанное Дж.Кокрофтом и Э.Уолтоном в 1932. Они установили, что искусственно ускоренные пучки протонов с энергией 120 кэВ (т.е. значительно меньшей, чем у альфа-частиц в опытах Резерфорда) способны вызывать расщепление атомов лития в процессе

Два ядра гелия (альфа-частицы) одновременно вылетают в противоположные стороны. Причина, по которой эта реакция протекает при низкой энергии, заключается в прочной связи альфа-частиц; при добавлении протона к массе ядра 7Li сообщается энергия, которая почти равнозначна массам двух альфа-частиц. Остальная энергия, необходимая для протекания реакции, черпается из кинетической энергии бомбардирующих протонов.

Все известные элементы и встречающиеся в природе изотопы могут быть «искусственным» путем превращены в соседние элементы. Все эти новые изотопы оказываются радиоактивными, однако в результате последующего распада они превращаются в стабильные изотопы. Были получены новые элементы, вплоть до элемента с порядковым номером 103; все они оказались радиоактивными с относительно коротким периодом полураспада. В настоящее время известно свыше 1000 изотопов.

Открытие нейтрона.

Открытие изотопов не прояснило вопрос о строении ядра. К этому времени были известны лишь протоны – ядра водорода и электроны, а потому естественной была попытка объяснить существование изотопов различными комбинациями этих положительно и отрицательно заряженных частиц. Можно было бы думать, что ядра содержат А протонов, где А – массовое число, и А-Z электронов. При этом полный положительный заряд совпадает с атомным номером Z.

Такая простая картина однородного ядра поначалу не противоречила выводу о малых размерах ядра, вытекавшему из опытов Резерфорда. «Естественный радиус» электрона r0 = e2/mc2 (который получается, если приравнять электростатическую энергию e2/r0 заряда, распределенного по сферической оболочке, собственной энергии электрона mc2) составляет r0 = 2,82Ч10–15 м. Такой электрон достаточно мал, чтобы находиться внутри ядра радиусом 10–14 м, хотя поместить туда большое число частиц было бы затруднительно. В 1920 Резерфорд и другие ученые рассматривали возможность существования устойчивой комбинации из протона и электрона, воспроизводящей нейтральную частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Однако из-за отсутствия электрического заряда такие частицы с трудом поддавались бы обнаружению. Вряд ли они могли бы и выбивать электроны из металлических поверхностей, как электромагнитные волны при фотоэффекте.

Лишь спустя десятилетие, после того как естественная радиоактивность была глубоко исследована, а радиоактивное излучение стали широко применять, чтобы вызывать искусственное превращение атомов, было надежно установлено существование новой составной части ядра. В 1930 В.Боте и Г.Беккер из Гисенского университета проводили облучение лития и бериллия альфа-частицами и с помощью счетчика Гейгера регистрировали возникающее при этом проникающее излучение. Поскольку на это излучение не оказывали влияния электрические и магнитные поля и оно обладало большой проникающей способностью, авторы пришли к выводу, что испускается жесткое гамма-излучение. В 1932 Ф.Жолио и И.Кюри повторили опыты с бериллием, пропуская такое проникающее излучение через парафиновый блок. Они обнаружили, что из парафина выходят протоны с необычно высокой энергией, и заключили, что, проходя через парафин, гамма-излучение в результате рассеяния порождает протоны. (В 1923 было установлено, что рентгеновские лучи рассеиваются на электронах, давая комптоновский эффект.)

Дж.Чедвик повторил эксперимент. Он также использовал парафин и с помощью ионизационной камеры (рис. 1), в которой собирался заряд, возникающий при выбивании электронов из атомов, измерял пробег протонов отдачи.

Чедвик использовал также газообразный азот (в камере Вильсона, где вдоль следа заряженной частицы происходит конденсация водяных капелек) для поглощения излучения и измерения пробега атомов отдачи азота. Применив к результатам обоих экспериментов законы сохранения энергии и импульса, он пришел к выводу, что обнаруженное нейтральное излучение – это не гамма-излучение, а поток частиц с массой, близкой к массе протона. Чедвик показал также, что известные источники гамма-излучения не выбивают протонов.

Тем самым было подтверждено существование новой частицы, которую теперь называют нейтроном. Расщепление металлического бериллия происходило следующим образом:

Альфа-частицы 42He (заряд 2, массовое число 4) сталкивались с ядрами бериллия (заряд 4, массовое число 9), в результате чего возникали углерод и нейтрон.

Открытие нейтрона явилось важным шагом вперед. Наблюдаемые характеристики ядер теперь можно было интерпретировать, рассматривая нейтроны и протоны как составные части ядер. На рис. 2 схематически показана структура нескольких легких ядер.

Нейтрон, как теперь известно, на 0,1% тяжелее протона. Свободные нейтроны (вне ядра) претерпевают радиоактивный распад, превращаясь в протон и электрон. Это напоминает о первоначальной гипотезе составной нейтральной частицы. Однако внутри стабильного ядра нейтроны связаны с протонами и самопроизвольно не распадаются.

Источники

• https://Wika.TutorOnline.ru/himiya/class/11/kakovo-stroenie-atoma-soglasno-yadernoj-modeli-rezerforda
• https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/fizika-atomnogo-jadra.html
• https://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/ATOMNOGO_YADRA_STROENIE.html
• https://Spadilo.ru/planetarnaya-model-atoma/