08. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое число. Ядерные силы

Строение атома

Сегодня мы поговорим о строении ядра атома, зарядовом наборе, массовом наборе и ядерных силах. Прежде чем перейти к вопросу о строении ядра, необходимо обратиться к истории.

В своих экспериментах Резерфорд установил, что существует такая частица, как протон. Через некоторое время, в 1932 году, Чедвик установил, что существует ещё одна частица — нейтрон.

После этого открытия, российский учёный Иваненко и немецкий учёный Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома.

По этой теории Иваненко — Гейзенберга, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны. Эти протоны и нейтроны в ядре вместе было решено назвать нуклонами (от лат. nucleus — ядро).

Идея о заряде ядра была впервые выдвинута в 1913 году английским учёным Генри Мозли.

Он предположил, что, раз атом электронейтрален, порядковый номер элемента, умноженный на элементарный электрический заряд, это и есть заряд ядра.

Каким образом Мозли пришёл к такому заключению? Дело в том, что количество электронов в атоме соответствует порядковому номеру. Значит, заряд всех электронов — это произведение порядкового номера на заряд одного электрона. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, то же самое можно говорить и о ядре.

Давайте посмотрим на то, как Мозли пришёл именно к тому, что мы называем зарядовым числом.

Зарядовое и массовое числа

, — заряд ядра, — число протонов в ядре, зарядовое число,  — заряд электрона.

Заряд ядра, по такому утверждению, определяется как произведение порядкового номера на элементарный электрический заряд. — это заряд электрона (его называют элементарным электрическим зарядом), взятый по модулю, т. к. заряд ядра положительный. Порядковый номер стали называть зарядовым числом, числом протонов в ядре.

Следующее число, о котором необходимо сказать, — это массовое число. Оно обозначено буквой ; его берут из таблицы Менделеева и округляют до целых.

Теперь рассмотрим уравнение Иваненко — Гейзенберга. Это уравнение состоит из трёх чисел: массового числа, зарядового числа и числа нейтронов: , — массовое число, — порядковый номер элемента, — число нейтронов в ядре.

Массовое число говорит о том, какое количество нуклонов входит в ядро. По таблице Менделеева определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

будет порядковым номером и числом протонов в ядре. — это число нейтронов. Из этого уравнения можно определить число нейтронов и число протонов, зная массовое число и порядковый номер.

Изотопы

В 1913 году ещё один учёный, Содди, установил, что существуют химические элементы с абсолютно одинаковыми химическими свойствами, но разным массовым числом.

Такие элементы, у которых одинаковые химические свойства, но разное массовое число, стали называть изотопами. Также у изотопов разная радиоактивность.

Всё это привело к изучению вопроса об изотопах. Здесь показаны изотопы лёгких и тяжёлых химических элементов из разных областей таблицы Менделеева. Это показывает, что практически все химические элементы имеют изотопы. Обратите внимание, что порядковый номер ставится внизу — это число , а сверху пишется массовое число — число .

У водорода таких изотопов три. Первый изотоп  называется протий — это самый простой химический элемент, наиболее распространённый во Вселенной. В его состав входит всего лишь 1 протон, а нейтронов совсем нет.

Есть второй вид водорода — это дейтерий . Порядковый номер дейтерия 1, а массовое число равно 2. Ядро дейтерия состоит из одного протона и из одного нейтрона.

Еще один изотоп водорода — тритий . Порядковый номер трития 1, а массовое число говорит о том, что в ядре этого изотопа находятся 2 нейтрона.

Ещё один элемент — это уран. Он находится в совсем другой области таблицы Менделеева, среди тяжёлых элементов. У урана два распространённых изотопа. Первый — это уран 235, , с порядковым номером 92 и массовым числом 235. Второй изотоп — ; его порядковый номер тоже 92, а массовое число 238.

Очень часто, когда речь идёт об изотопах, в частности урана, порядковый номер не называется — просто говорят химический элемент и его массовое число — например, уран-238 или уран-235.

Ядерные силы

Как нуклоны удерживаются внутри ядра? Мы знаем, что в ядре, размеры которого очень и очень малы, сосредоточено большое количество частиц нуклонов. За счёт электростатического отталкивания эти частицы, казалось бы, должны очень быстро распадаться и разлетаться — ведь, как мы знаем, только разноимённые заряженные частицы притягиваются, а если частицы заряжены одноимённо, они должны отталкиваться.

Внутри ядра находятся положительно заряженные протоны. В этом же ядре находятся ещё и нейтроны, значит, должны быть силы, которые удерживают вместе те и другие частицы. Эти силы называют ядерными силами. У них существуют свои особые свойства.

Первое свойство: ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. И это действительно так. Когда удалось их определить, то выяснилось, что они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания.

Второе: ядерные силы действуют только на малом расстоянии. Например, на расстоянии — это и есть диаметр ядра. Но стоит только размеру ядра увеличиться до , ядро обязательно распадётся. На этом расстоянии ядерные силы уже не действуют. А силы электростатического отталкивания продолжают действовать, и именно они отвечают за то, что ядро распадается.

Есть и другие свойства ядерных сил: они не центральны, т. е. не действуют вдоль прямой, соединяющей частицы, и не зависят от того, обладает частица зарядом или нет, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны.

Ядерные силы имеют важное значение в плане стабильности ядра, они отвечают за долговременность существования этого элемента.

Домашнее задание

1. Определите нуклонный состав ядер железа  (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

2. В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.

3. Оцените силу гравитационного взаимодействия между двумя нейтронами в ядре. Масса нейтрона примерно равна , расстояние между нейтронами примите равным , значение гравитационной постоянной .