Электрический заряд ядра

Ядро имеет положительный электрический заряд, который образуют протоны. Число протонов Z называют зарядом ядра, подразумевая, что он равен величине Z e Кл, где е = 1,602 ×10^-19 Кл (4,8×10^-10 CГCЕ ед.) – абсолютная величина элементарного электрического заряда.

Заряд ядра был определен в 1913 г. Мозли, который измерил с помощью дифракции на кристаллах длину λ волны характеристического рентгеновского излучения для ряда химических элементов, следующих друг за другом в периодической системе элементов. Измерения показали, что λ изменяется дискретным образом от некоторой целой величины Z, которая совпадает с порядковым номером элемента и изменяется на единицу при переходе от элемента к соседнему элементу в периодической системе, а для водорода равна единице. Мозли интерпретировал эту величину как заряд ядра и установил, что (закон Мозли):

a Z – b,

(1.2.1)

где a и b – константы для данной серии рентгеновского излучения и не зависят от элемента.

Закон Мозли определяет заряд ядер химического элемента косвенным образом. Прямые опыты по измерению заряда ядер на основе закона Кулона были выполнены Чедвиком в 1920 г. В 1911 г. Резерфорд, используя закон Кулона, получил формулу

(1.2.2)

которая позволила объяснить экспериментальные результаты по рассеянию α-частиц на тяжелых ядрах, что, в конечном итоге, привело в 1911 г. к открытию атомного ядра и созданию ядерной модели атома. В формуле (1.2.2): N – количество α-частиц, падающих в единицу времени на рассеиватель; dN – количество рассеянных в единицу времени α-частиц в телесный угол dΩ под углом θ; Z e и n – заряд ядер рассеивателя и их концентрация; v и m_α – скорость и масса α-частиц. Схема опыта Чедвика приведена на рис. 1.2.1. Рассеиватель α-частиц в виде кольца (заштриховано на рис 1.2.1) размещался сносно и на равных расстояниях между источником И и детектором α-частиц Д. При измерении количества dN рассеянных α-частиц отверстие в кольце закрывалось экраном, который поглощал прямой пучок α‑частиц из источника в детектор. Детектор регистрировал только α‑частицы, рассеянные в телесный угол d Ω под углом θ к падающему пучку α-частиц. Затем кольцо перекрывалось экраном с отверстием, и измерялась плотность тока α-частиц в точке расположения детектора. Используя полученные данные, рассчитывалось количество N α‑частиц, падающих на кольцо в единицу времени. Таким образом, если известна энергия α-частиц, испускаемых источником, без труда определяется величина Z в формуле (1.2.2). Некоторые из результатов, полученные Чедвиком, приведены в таблице 1.2.1 и не оставляют сомнений в справедливости закона Мозли.