Состав атомных ядер

Содержание:

24 августа 2023
14 минут
4255

Преподаватель физики

В $20$ -х годах XX века сомнений насчет сложности строения открытых Резерфордом в $1911$ году ядер атомов у физиков уже не оставалось. На данный факт указывало большое количество различных совершенных к тому времени время экспериментов, таких как:

открытие явления радиоактивности,
опытное доказательство ядерной модели атома,
измерение отношения $\frac{e}{m}$ для электрона, $α$ -частицы и для $H$ -частицы, представляющей собой ядро атома водорода,
открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций,
измерение зарядов атомных ядер и многие другие.

Протон

Из каких же частиц состоят ядра атомов? В наше время является фактом то, что ядра атомов различных элементов состоят из двух видов частиц, то есть из нейтронов и протонов. Вторая из этих частиц является лишившийся единственного своего электрона атомом водорода. Такая частица была замечена уже в опытах Дж. Томсона $1907$ года. Ученый смог измерить у нее отношение $\frac{e}{m}$ .

Определение 1

Э. Резерфордом в $1919$ году были обнаружены в продуктах расщепления ядер атомов значительного числа элементов атомные ядра водорода. Физиком найденной частице было дано название протона. Он предположил, что в состав любого из ядер атомов входят протоны.

Схема опытов Резерфорда проиллюстрирована на рисунке $6.5.1 .$

Протон

Рисунок $6.5.1 .$ Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. $К$ – свинцовый контейнер с радиоактивным источником $α$ -частиц, $Ф$ – металлическая фольга, $Э$ – экран, покрытый сульфидом цинка, $М$ представляет собой микроскоп.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры с расположенным в ней контейнером $К$ , в котором находился источник $α$ -частиц. Металлическая фольга, на рисунке обозначенная как $Ф$ , перекрывала окно камеры. Толщина фольги подбиралась таким образом, чтобы предотвратить проникание через нее $α$ -частиц. За окном был расположен покрытый сернистым цинком экран, на изображении $6.5.1$ отмеченный буквой Э. Применяя микроскоп $М$ , можно было наблюдать световые вспышки или, как их еще называют, сцинтилляции в точках, в точках экрана, в которых происходило попадание тяжелых заряженных частиц.

В процессе заполнения камеры азотом с низким давлением на экране обнаруживались световые вспышки. Данное явление указывало на тот факт, что в условиях эксперимента существует поток неизвестных частиц, обладающих способностью проникать сквозь практически полностью задерживающую поток $α$ -частиц фольгу $Ф$ . Раз за разом удаляя от окна камеры экран Э. Резерфорд смог измерить среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Полученная величина оказалась приблизительно равной $28 с м$ , что совпадало с оценкой длины пробега наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном $H$ -частиц.

С помощью исследований воздействия электрических и магнитных полей на выбиваемые из ядер азота частицы были получены данные о положительности их элементарного заряда. Также было доказано, что масса таких частиц эквивалентна массе ядер атомов водорода.

Впоследствии опыт выполнили с целым рядом других газообразных веществ. Во всех проведенных подобных опытах было обнаружено, что из их ядер $α$ -частицы выбивают $H$ -частицы или протоны.

Согласно современным измерениям, положительный заряд протона абсолютно эквивалентен элементарному заряду $e = 1, 60217733 \cdot 10^{- 19} К л$ . Другими словами, по модулю он равен отрицательному заряду электрона. В наше время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью $10^{- 22}$ . Подобное совпадение зарядов двух значительно отличающихся друг от друга частиц вызывает искреннее недоумение и по сей день остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Определение 2

Опираясь на современные измерения, можно заявить, что масса протона равна $m_{p} = 1, 67262 \cdot 10^{- 27} к г$ . В условиях ядерной физики принадлежащую частицам массу нередко выражают в атомных единицах массы $(а . е . м .)$ , равных массы атома углерода с массовым числом $12$ :

$1 а . е . м . = 1, 66057 \cdot 10^{- 27} к г$ .

Соответственно, $m_{p} = 1, 007276 а . е . м$ .

Довольно часто выражение массы частицы наиболее удобно при использовании эквивалентных значений энергии в соответствии со следующей формулой: $E = m c^{2}$ . По причине того, что $1 э В = 1, 60218 \cdot 10^{- 19} Д ж$ , в энергетических единицах масса протона равняется $938, 272331 М э В$ .

Следовательно, опыт Резерфорда, открывший явление расщепления ядер азота и иных элементов таблицы Менделеева в условиях ударов быстрых $α$ -частиц, также показал, что в состав атомных ядер входят протоны.

Вследствие открытия протонов у некоторых физиков появилось предположение, что новые частицы не просто входят в состав ядер атомов, а являются его единственными возможными элементами. Однако по причине того, что отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны, данное предположение было признано несостоятельным. Для более тяжелых ядер такое отношение оказывается меньше, чем для легких, из чего следует, что при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра возрастает быстрее заряда.

Нейтроны

В $1920$ году Э. Резерфордом была высказана гипотеза о присутствии в составе ядер некой компактной жестко связанной пары, состоящей из электрона и протона. В понимании ученого данная связка являлась электрически нейтральным образованием в качестве частицы, обладающей практически эквивалентной массе протона массой. Им также было придумано название для данной гипотетической частицы, Резерфорд хотел назвать ее нейтроном. К сожалению, приведенная идея, несмотря на свою красоту, была ошибочной. Было выяснено, что электрон не может являться частью ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что локализованный в ядре, т. е. области размером $R \approx 10^{- 13} с м$ , электрон должен обладать невероятной кинетической энергией, которая на много порядков превосходит энергию связи ядер в расчете на одну частицу.

Идея о существовании некой тяжелой нейтрально заряженной частицы в составе ядра была крайне привлекательна для Резерфорда. Ученый незамедлительно обратился к группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком с предложением заняться ее поисками. По прошествии $12$ лет, в $1932$ году Чедвик провел экспериментальное исследование излучения, возникающего в условиях облучения бериллия $α$ -частицами. В процессе он обнаружил, что данное излучение является потоком нейтральных частиц, обладающих массой, практически эквивалентной массе протона. Таким образом был открыт нейтрон. На рисунке $6.5.2$ проиллюстрирована упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Нейтроны

Рисунок $6.5.2 .$ Схема установки для обнаружения нейтронов.

В процессе бомбардировки бериллия испускаемыми радиоактивным полонием $α$ -частицами появляется мощное проникающее излучение, способное пройти сквозь преграду в виде $10 - 20$ сантиметрового слоя свинца. Данное излучение практически в то же время, что и Чедвик обнаружили супруги дочь Марии и Пьера Кюри Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, однако ими было выдвинуто предположение, что это $γ$ -лучи большой энергии. Они заметили, что если на пути излучения бериллия установить парафиновую пластину, то ионизирующая способность данного излучения скачкообразно увеличивается. Супруги доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина в большом количестве имеющиеся в приведенном водородосодержащем веществе протоны. Используя значение длины свободного пробега протонов в воздухе, учеными была оценена энергия $γ$ -квантов, обладающих способностью в условиях столкновения сообщать протонам нужную скорость. Полученное в результате оценки значение энергии оказалось огромным – около $50 М э В$ .

В $1932$ Дж. Чедвиком была выполнена целая серия из экспериментов, направленных на всестороннее изучение свойств излучения, которое возникает при облучении бериллия $α$ -частицами. В своих опытах Чедвик применял разные методы исследования ионизирующих излучений.

Определение 3

На рисунке $6.5.2$ проиллюстрирован счетчик Гейгера, прибор, использующийся для регистрации заряженных частиц.

Данное устройство состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, обычно в его качестве выступает аргон, при низком давлении. Заряженная частица в процессе перемещения в газе вызывает ионизацию молекул.

Определение 4

Возникающие в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается явление ударной ионизации. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.

Определение 5

Еще одним обладающим чрезвычайной важностью для исследования частиц прибором является камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след или, как его еще называют, трек.

Траекторию частицы можно фотографировать или наблюдать непосредственно. Фундаментом действия созданной в $1912$ году камеры Вильсона является явление конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. При помощи камеры Вильсона появляется возможность наблюдения искривления траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Доказательство 1

В своих экспериментах Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона следы испытавших столкновение с бериллиевым излучением ядер азота. Основываясь на данных опытах, ученый оценил энергию $γ$ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Полученное значение равнялось $100 - 150 М э В$ . Настолько огромной энергией не могли обладать испущенные бериллием $γ$ -кванты. Исходя из этого факта, Чедвик заключил, что из бериллия при воздействии $α$ -частиц вылетают не безмассовые $γ$ -кванты, а достаточно тяжелые частицы. Данные частицы обладали немалой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, соответственно, они были электронейтральны. Таким образом было доказано существование нейтрона – частицы, которую предсказал Резерфорд более чем за $10$ лет до опытов Чедвика.

Определение 6

Нейтрон представляет собой элементарную частицу. Ошибочным будет ее представление в виде компактной протон-электронной пары, как изначально предполагал Резерфорд.

Исходя из результатов современных измерений, мы можем сказать, что масса нейтрона $m_{n} = 1, 67493 \cdot 10^{- 27} к г = 1, 008665 а . е . м .$

В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна $939, 56563 М э В$ . Масса нейтрона примерно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко на пару с немецким физиком В. Гейзенберг выдвинул гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Определение 7

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений.

Определение 8

Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом $Z$ и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).

Заряд ядра равен $Z e$ , где $e$ – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом $N$ .

Определение 9

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра $A$ :

$A = Z + N$ .

Определение понятия изотопа

Ядра химических элементов обозначают символом ${}_{Z}^{A}X$ , где $X$ – химический символ элемента. Например,
${}_{1}^{1}H$ – водород, ${}_{2}^{4}{He}$ – гелий, ${}_{6}^{12}C$ – углерод, ${}_{8}^{16}O$ – кислород, ${}_{92}^{238}U$ – уран.

Определение 10

Число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие ядра называются изотопами.

Большая часть химических элементов обладает несколькими изотопами. Например, у водорода их три: ${}_{1}^{1}H$ – обычный водород, ${}_{1}^{2}H$ – дейтерий и ${}_{1}^{3}H$ – тритий. У углерода – $6$ изотопов, у кислорода – $3$ .

Химические элементы в природных условиях чаще всего представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равняется $12, 011$ .

Курсовая работа по физике

от 5 дней/ от 2160 р.

Реферат по физике

от 1 дня/ от 840 р.

Решение задач по физике

от 1 дня/ от 150 р.