Лекция к уроку "Строение атомного ядра"

Тема: «Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер»

Планетарная модель атома, или модель Резерфорда — это историческая модель строения атома, предложенная Эрнестом Резерфордом как результат эксперимента с рассеиванием альфа-частиц.

Д ля вычисления распределения «+» заряда в атоме, английский ученый Э. Резерфорд провел исследование рассеяния α-частиц фольгой из разных веществ. Большинство α-частиц беспрепятственно, практически не отклоняясь, проходило сквозь фольгу, и лишь 1 из 2000 частиц отклонялась на углы, большие 90°. Результатом этих экспериментов в 1911 г. стало предложение Резерфордом следующей модели строения атома.

 Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг него обращаются электроны, каждый по своей орбите, как планеты Солнечной системы, обращающиеся вокруг Солнца. Именно поэтому модель назвали планетарной.

 Расстояние от электронов до ядра весьма большое (в сравнении с размером ядра). Оценки Резерфорда дали понять, что диаметр ядра равняется примерно 10^-12—10^-13 см. Размер самого атома составляет 10^-8 см.

Положительный заряд ядра q_ядра связан с числом электронов Z в атоме при помощи соотношения:

  ,

где е — заряд электрона.

 Заряд ядра и число электронов в атоме, соответственно, совпадает с порядковым номером эле­мента в таблице Д. И. Менделеева.

В целом атом является электронейтральным. Электрон, отрываясь или присоединяясь к атому (как результат столкновения, например, либо при разных химических процессах) может образовывать положительно либо отрицательно заряженные ионы.

Простая и наглядная модель атома Резерфорда отлично объясняла результаты этих опытов. Но основываясь на этой модели строения атома нельзя объяснить факт существования атома и его устойчивость.

Исходя из законов электродинамики Максвелла, электрон, который двигается по орбите с большим ус­корением, должен испускать электромагнитные волны с частотой, которая была бы равна частоте его обращения вокруг ядра, в результате этого в ближайшее время, лишившись в результате излучения всей энергии, он упал бы на ядро. Исходя из расчетов, которые основаны на механике Ньютона и электродинамике Мак­свелла, это время составляет лишь 10^-8 секунды. На самом деле этого не случается. Нейтральные невозбужденные атомы существуют бесконечно долго.

Это несоответствие опыта выводам теории связано с попыткой применения законов классической физики к внутриатомным явлениям (которые, как выяснилось, подчиняются законам кванто­вой механики).

Выход из образовавшейся в теории атома ситуации нашел датский физик Нильсом Бором.

Открытие радиоактивности

Истории известны такие случаи, когда великие идеи приходили ученым совершенно случайно. Это можно отнести и к французскому физику Анри Беккерелю, осуществившему в 1896 году открытие радиоактивности. Поводом к проведению опыта стало изучение В. Рентгеном Х-лучей. При этом ученый сделал предположение, что они связаны с таким явлением, как люминесценция. И вероятно, что этот вид свечения невозможен без катодных лучей.

Беккерель решил заняться изучением гипотезы, выдвинутой В. Рентгеном. Его интересовало, могут ли светящиеся вещества испускать лучи, имеющие способность проникать сквозь непрозрачные перегородки. Чтобы ответить на этот вопрос, Беккерель взял фотографическую пластину, обернул ее черной пленкой, сверху положил покрытый солью урана медный крестик и поставил на солнце. Спустя некоторое время он проявил пленку. Оказалось, что она почернела именно в тех местах, где находился крестик. Это свидетельствовало о том, что уран способен создавать излучение, проходящее сквозь непрозрачные предметы и действующее на фотопластинку. В тот момент А. Беккерель полагал, что причина свечения урана – солнце.

Через некоторое время ученый решил вновь повторить эксперимент. Но на этот раз пасмурная ненастная погода помешала ему начать исследование. Беккерель отложил пластинку в черной обертке с крестиком в темный шкаф на несколько дней. Когда физик проявил фотопленку, выяснилось, что, находясь в темноте, она почернела намного больше, чем при воздействии солнца. Исследуя большое количество химических соединений, Беккерель определил, что испускать лучи, проникающие через темную бумагу, способны только вещества, в составе которых имеется уран. Так было сделано открытие радиоактивности

Впоследствии данное явление было тщательно изучено супругами Марией Склодовской и Пьером Кюри. Открытие радиоактивности стало поводом к изучению многих других элементов. Пьер и Мария обнаружили, что многие химические вещества способны испускать лучи трех вводов: бета-, альфа-, гамма-. Ими было тщательно исследовано явление радиоактивности, изучена его проникающая способность и поведение в магнитном поле. Данные открытия позволили ученым найти массу, скорость и заряд частиц, входящих в состав лучей.

В результате исследований были сделаны значимые открытия в области физики. Оказалось, что альфа-лучи состоят из огромного множества относительно тяжелых частиц, скорость движения которых 16 тысяч км в секунду. Каждая из них имеет два положительных заряда электричества и обладает массой. В основе бета-лучей - электроны, или отрицательно заряженные легкие элементы. Их скорость достигает более 300 тысяч км в секунду. А гамма-лучи по своему составу схожи с рентгеновскими. Немного позже ученые-физики обнаружили еще несколько интересных фактов. Выяснилось, что излучая бета- или альфа- частицы, атомы одних химических элементов могут превращаться в другие .

В результате исследования руд, в составе которых находился торий и уран, был открыт совершенно новый, ранее не изученный химический элемент. Свое название – полоний – он получил в честь родной страны Марии – Польши. Немного позже физиками был открыт еще один радиоактивный элемент – радий (лучистый). Этот компонент выделял довольно сильное излучение. В таблице Д. Менделеева радий, имеющий атомную массу 226, занял 88 клетку. Немного позже было определено, что химические элементы, порядковый номер которых больше 83, по природе своей являются радиоактивными, то есть способны самопроизвольно создавать излучение.

В 1903 году супруги Кюри за открытие радиоактивности были награждены Нобелевской премией. Мария Склодовская становится первой в истории женщиной-профессором. Благодаря ей в Сорбонском университете впервые вводится курс лекций по изучению радиоактивности

Правило смещения (выучить)

М – атомная масса; Z – заряд ядра, порядковый номер элемента в таблице Менделеева

- распад: , где - гелий

- распад: , где - электрон

Изотопы

Изотопы - элементы с одинаковым атомным номером, но с различным массовым числом А.

Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

Для названий и символов изотопов обычно используют названия и символы соответствующих химических элементов.

Верхний индекс указывает массовое число – сумму чисел протонов и нейтронов в ядре.

Нижний индекс – порядковый номер элемента в периодической системе химических элементов.

Изотопы записываются так (например, изотопы калия):   ,

В одород имеет три изотопа:

• протий .

• дейтерий . Другое обозначение D.

• тритий . Другое обозначение Т.

Углерод имеет три изотопа с массой 12, 13, 14, кислород также имеет три изотопа с массой 16, 17, 18.

Изотопы, имеющие одинаковые массовые числа, но различные заряды ядер, называются изобарами.

,

 На данный момент науке известно около 280 стабильных и более 2000 радиоактивных изотопов у 116 природных и искусственно полученных химических элементов.

Радиоактивность (от лат. radio – излучаю, radius – луч и activus – действенный), самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа химического элемента в другой изотоп (зачастую – изотоп другого элемента), сопровождаемое испусканием ядер элементарных частиц.

Открытие нейтрона

 В 1932 г. произошло важнейшее для всей ядерной физики событие: учеником Резерфорда английским физиком Джеймс Чедвиком был открыт нейтрон.

При бомбардировке бериллия -частицами протоны не появлялись. Но обнаружилось какое-то сильно проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как свинцовая пластина толщиной 10—20 см. Было сделано предположение, что это -лучи большой энергии.
Ирен Жолио-Кюри (дочь Марии и Пьера Кюри) и ее муж Фредерик Жолио-Кюри обнаружили, что если на пути излучения, образующегося при бомбардировке бериллия -частицами, поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко увеличивается. Они справедливо предположили, что излучение выбивает из парафиновой пластины протоны, имеющиеся в большом количестве в таком водородсодержащем веществе. С помощью камеры Вильсона (схема опыта приведена на рисунке 13.10) супруги Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию. По их данным, если протоны ускорялись в результате столкновения с -квантами, то энергия этих квантов должна была быть огромной —около 55 МэВ.

Чедвик наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. По его оценке, энергия -квантов, способных сообщать ядрам азота скорость, которая обнаруживалась в этих наблюдениях, должна была составлять 90 МэВ. Аналогичные лее наблюдения в камере Вильсона треков ядер аргона привезли к выводу, что энергия этих гипотетических -квантов должна составлять 150 МэВ. Таким образом, считая, что ядра приходят в движение в результате столкновения с безмассовыми частицами, исследователи пришли к явному противоречию: одни и те же -кванты обладали различной энергией.

Стало очевидным, что предположение об излучении бериллием -квантов, т. е. безмассовых частиц, несостоятельно. Из бериллия под действием -частиц вылетают какие-то достаточно тяжелые частицы. Ведь только при столкновении с тяжелыми частицами протоны или ядра азота и аргона могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась на опыте. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электрически нейтральными. Ведь заряженная частица сильно взаимодействует с веществом и поэтому быстро теряет свою энергию.

Новая частица была названа нейтроном. Существование ее предсказывал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика. По энергии и импульсу ядер, сталкивающихся с нейтронами, была определена масса этих новых частиц. Она оказалась чуть больше 1 а.е.м. (1 атомной единицы массы). Было установлено в итоге, что при попадании -частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:


Здесь — символ нейтрона; его заряд равен нулю, а относительная масса — примерно единице».

Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время около 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино — безмассовую нейтральную частицу.

Элементарная частица — нейтрон не имеет электрического заряда. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы.