В видах частиц, которые испускает атом, мы разобрались и даже обсудили биологическое воздействие излучения. Теперь разберемся со строением самого атома. Мы уже обсудили, что удобный инструмент для исследования структуры вещества – поток α-частиц.

Серию экспериментов по этим исследованиям в 1911 году провел британский физик Эрнест Резерфорд. Он поместил в сосуд вещество, которое испускает α-частицы, чтобы сформировать пучок частиц. Эти частицы невидимы, поэтому для их обнаружения использовался экран, покрытый слоем вещества, которое светится при попадании α-частицы. Таким образом, их можно обнаружить по вспышкам.

На пути пучка поместили тонкую металлическую фольгу и откачали воздух, чтобы α-частицы взаимодействовали только с атомами фольги. Помещая экран с разных сторон от фольги, можно обнаруживать частицы, которые отклонялись от прямолинейной траектории (см. рис. 12).

Рис. 12. Опыт Резерфорда

Вот что получили в результате: большинство частиц проходили через вещество, почти не отклоняясь. Некоторые частицы отклонялись на угол 30° и более, и очень редкие частицы, примерно одна на 10 000, меняли направление движения на противоположное.

Какие из этого выводы? Отражаться α-частицы могли только от положительно заряженных ядер, в которых сосредоточена значительная масса (см. рис. 13).

Рис. 13. Столкновение альфа-частиц с ядрами вещества

Причем ядра расположены на расстояниях, которые намного превышают их размер, так, что большая часть пространства остается незаполненной, и поэтому большая часть α-частиц прошла сквозь фольгу беспрепятственно.

Масштабы микромира

Мы воспринимаем вещество как что-то сплошное. В газах расстояния между молекулами намного больше самих молекул, в жидкостях и твердых телах эти расстояния меньше, в этом мы разобрались еще в 7 классе, когда обсуждали строение вещества. Но вот эксперимент показал, что и сами атомы на самом деле не сплошные и большая часть их объема не заполнена.

О протонах и электронах говорить как о частицах можно лишь приближенно, это одна из простейших моделей. Есть и другие модели, что они ведут себя как некие сгустки энергии, облака и т. д. Что они собой представляют на самом деле – нам своим умом, привыкшим к восприятию макромира, не понять. Поэтому понятия размеров и расстояний стоит использовать с оговорками. Тем не менее для общего представления рассмотрим такую модель.

Представьте: если бы ядро атома было размером с теннисный мячик, электроны вращались бы вокруг него на расстоянии нескольких километров! Так что вещество, можно считать, в основном состоит из пустоты, в которой ядра атомов и электроны – достаточно редкие «вкрапления». И все взаимодействия, которые мы воспринимаем как непосредственный контакт, на самом деле происходят посредством электромагнитного поля.

Это трудно осознать, ведь вот мы щупаем какой-то предмет, и наша рука касается этого предмета без пустоты. Но представьте: вы с закрытыми глазами подносите магнит к другому магниту одноименными полюсами. Вы почувствуете, будто упираетесь во что-то мягкое, вообразите контакт, хотя на самом деле магниты взаимодействуют посредством поля. Так и взаимодействие частиц посредством полей на микроуровне мы воспринимаем через привычные нам понятия на макроуровне.

Последующие экспериментальные исследования состава ядра дополнили модель атома и привели ее в такой вид: атом состоит из положительно заряженного ядра, которое состоит из протонов и электронов, а вокруг него движутся электроны. Состав атомного ядра, а именно количество протонов в нем (а значит, и его заряд), определяет то, какому химическому элементу принадлежит этот атом.

Пока не будем уделять внимание электронам, которые движутся вокруг ядра. Они сравнительно легко могут покидать атом и присоединяться к нему, образуя ионы. Вы помните, что в проводниках, в которых свободными носителями заряда являются электроны, почти от каждого атома отделяется по электрону. Сосредоточимся на строении ядра.

Как обозначать ядра разных химических элементов? Кое-что об этом вы уже говорили на уроках химии. Для каждого химического элемента придумали свое буквенное обозначение, их вы можете найти в таблице химических элементов Менделеева.

Чтобы судить о составе ядра, радом с буквенным обозначением пишут еще два числа: сверху – массовое число, снизу – зарядовое число (см. рис. 14).

Рис. 14. Описание вещества в таблице Менделеева

Зарядовое число (обычно обозначают буквой ) – это заряд ядра в единицах элементарного электрического заряда . Так как заряд протона равен , то есть один элементарный заряд, то зарядовое число показывает количество протонов в ядре. В таблице Менделеева зарядовое число соответствует порядковому номеру элемента.

Массовое число (обычно обозначают буквой ) – это масса ядра в атомных единицах массы, округленная до целых чисел. На уроках химии вы вводили эту единицу измерения массы как 1/12 части массы атома углерода . Так как масса протона и масса нейтрона приблизительно равны 1 а. е. м. (а мы округляем до целых), то массовое число показывает суммарное количество протонов и нейтронов в ядре – для них еще придумали общее название «нуклоны» от слова nucleus (ядро).

Ядра с одинаковым количеством протонов, то есть ядра одного химического элемента, могут содержать разное количество нейтронов. Такие ядра с разным количеством нейтронов называются изотопами (см. рис. 15).

Рис. 15. Некоторые виды изотопов водорода

Задача 1

Определите количество нейтронов в ядре атома .

Мы определились с условным обозначением ядер химических элементов: два числа возле буквенного обозначения – это массовое число и зарядовое число . Здесь , .

Массовое число – это масса ядра в а. е. м., а поскольку масса протона и масса нейтрона равны по 1 а. е. м., то массовое число показывает суммарное количество протонов и нейтронов в ядре, об этом мы уже сказали.

Зарядовое число показывает количество протонов в ядре, об этом мы тоже говорили. Поэтому найти количество нейтронов (обозначим его ) легко: нужно от суммы протонов и нейтронов отнять протоны.

В нашем случае:

Задача решена.

Не всегда элементы обозначаются именно так, с двумя числами. Поскольку радий – 88-й элемент в таблице Менделеева и это можно подсмотреть, то понятно, что зарядовое число радия может быть равно только 88, и его можно не писать, оставив запись в таком виде: – или в таком: радий-226.

Теперь, используя обозначения, мы можем записывать ядерные реакции в виде уравнений. Для этого приведем в соответствие с этими обозначениями некоторые другие частицы, которые могут фигурировать в этих реакциях. α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов, то есть представляет собой ядро гелия . Электрон мы обычно обозначаем буквой , допишем заряд –1 и массу , если округлить до целых, 0. Протон представляет собой ядро атома водорода . Нейтрон обозначим буквой , его заряд нулевой, а масса – 1 а. е. м.

В результате распада ядра радия-226 образуется ядро радона-222 и α-частица. При бомбардировке ядер азота α-частицами образуется изотоп кислорода-17 и испускается протон. При бомбардировке ядер лития α-частицами образуется изотоп бора-10 и испускается нейтрон.

Ядерные реакции подчиняются законам сохранения массы и заряда. Суммарное массовое число частиц до реакции равняется суммарному массовому числу после реакции, и то же касается зарядового числа. Зная эти закономерности, можно заполнять пропуски в таких реакциях, потренируемся это делать в ответвлении.

Задача 2

Какой элемент образуется при α-распаде ядра урана-238?

В задаче описан распад атомного ядра, будем записывать уравнение ядерной реакции и применять к нему законы сохранения массы и заряда.

Ядро урана-238 распадается на альфа-частицу и ядро какого-то элемента, который мы пока не знаем. Запишем: уран обозначается , 238 – это его массовое число, запишем его сверху. Зарядовое число можно узнать из таблицы Менделеева. Уран – 92-й элемент, записываем зарядовое число внизу.

Неизвестный нам элемент обозначим , массовое и зарядовое числа обозначим и . Альфа-частица – это ядро гелия .

Теперь запишем, что массовое число частиц до реакции и после реакции сохраняется:

То же запишем для зарядового числа:

Ищем в таблице Менделеева 90-й элемент, это торий. Тогда полностью уравнение реакции будет выглядеть так:

Ответ: торий-234.

Список литературы

Соколович Ю.А., Богданова Г.С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е изд., передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
Перышкин А.В., Гутник Е.М. Физика, 9 кл.: учебник для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2009. – 300 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Домашнее задание

Воспользуйтесь интернет-источниками и выпишите самые большие дозы радиации, которые получают люди, живущие в местах с повышенным радиационным фоном. Попробуйте пояснить, почему эти люди не страдают лучевой болезнью.
Какие изотопы представляют наибольшую опасность на АЭС? Почему?