Протонно-нейтронная модель ядра

Повторение

Каков состав атомных ядер?

Ядро (атомное) – это положительно заряженная центральная часть атома, в которой сосредоточено 99,96% его массы. Радиус ядра ~10^–15м, что приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома, определяемого размерами его электронной оболочки.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Их общее количество в ядре обозначают буквой А и называют массовым числом. Число протонов в ядре Z определяет электрический заряд ядра и совпадает с атомным номером элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Число нейтронов в ядре может быть определено как разность между массовым числом ядра и числом протонов в нем. Массовое число – это число нуклонов в ядре.

Строение атома

Конкретные представления о строении атома развивались по мере накопления физикой фактов о свойствах вещества. Открыли электрон, измерили его массу. Мысль об электронном строении атома, впервые высказанную В. Вебером в 1896 г., развил Х. Лоренц. Именно он создал электронную теорию: электроны входят в состав атома.

 

Опираясь на эти открытия, Дж. Томсон в 1898 г. предложил модель атома в виде положительно заряженного шара радиусом 10^{-10 м, в котором плавают электроны, нейтрализующие положительный заряд:}

 

 

 

Экспериментальная проверка модели атома Томсона была осуществлена в 1911 г. английским физиком Э. Резерфордом:

 

 

 

Пропуская пучок Альфа - частиц через тонкую золотую фольгу, Э. Резерфорд обнаружил, что какая-то часть частиц отклоняется на довольно значительный угол от своего первоначального направления, а небольшая часть – отражается от фольги. Но согласно модели атома Томсона, частицы могли отклоняться только на углы около 200, но появлялись частицы, угол отклонения которых был больше 90⁰ (рисунок выше)

 

Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами. Обобщая результаты своих опытов.

 

Резерфорд предложил ядерную (планетарную) модель строения атома:

Атом имеет ядро, размеры которого малы по сравнению с размерами самого атома.

В ядре сконцентрирована почти вся масса атома.

Отрицательный заряд всех электронов распределен по всему объему:

 

 

Открытие нейтрона

Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы.

 

Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия? - частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рисунке приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.  

 

 

.

 

Это не протон-электронная пара, как первоначально предполагал Резерфорд. По современным измерениям масса нейтрона m_n = 1,67493·10^–27 кг = 1,008665 а.е.м.

В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ.

Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

 

Протонно-нейтронная модель ядра

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10^–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна m_p = 1,67262·10^{-27 кг.}

Протоны и нейтроны в ядре принято называть нуклонами.

 

 

 

Символическое обозначение ядра атома

А - число нуклонов, т.е. протонов + нейтронов (или атомная масса)

Z - число протонов (равно числу электронов)

N - число нейтронов (или атомный номер)

N = A – Z

Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы нуклоновского отталкивания протонов.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными.

Особенности ядерных сил:

Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.

Важной особенностью ядерных сил является их короткодействующий характер. Ядерные силы заметно проявляются, как показали опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц, лишь на расстояниях порядка размеров ядра (10–14–10–15 м). Ядерные силы очень быстро спадают с расстоянием.

Радиус их действия порядка 0,000 000 000 000 001 метра.

Для этой сверхмалой длины, характеризующей размеры атомных ядер, ввели специальное обозначение Фм (в честь итальянского физика Э. Ферми, 1901-1954).

Все ядра имеют размеры нескольких Ферми.

Радиус действия ядерных сил равен размеру нуклона, поэтому ядра - концентрация очень плотной материи. Возможно, самой плотной в земных условиях. Ядерные силы - сильные взаимодействия.

На больших расстояниях проявляется действие сравнительно медленно убывающих кулоновских сил.

 

На основании опытных данных можно заключить, что протоны и нейтроны в ядре притягиваются не зависимо от наличия заряда т. е. ядерные силы не зависят электрического заряда.

ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

силы притяжения;

действуют между всеми нуклонами в ядре;

короткодействующие.

 

 

 

В середине XX века теория ядра предсказала существование стабильных элементов с порядковыми номерами Z = 110 - 114.

В Дубне был получен 114-й элемент с атомной массой А = 289, который "жил" всего 30 секунд, что невероятно долго для атома с ядром такого размера. Сегодня теоретики уже обсуждают свойства сверхтяжелых ядер массой 300 и даже 500.

Атомы с одинаковыми атомными номерами называют изотопами: в таблице Менделеева

они расположены в одной клеточке (по-гречески изос - равный, топос - место).

Химические свойства изотопов почти одинаковы. Если элементов всего в природе - около 100, то изотопов - более 2000.

Многие из них неустойчивы, то есть радиоактивны, и распадаются, испуская различные виды излучений.

Изотопы одного и того же элемента по составу отличаются лишь количеством нейтронов в ядре.

Решение задач:

1. Сколько нуклонов, протонов и нейтронов содержится в ядрах следующих элементов:

₁₁ ²³Na    A = 23  N = 23 – 11 = 12  Z = 11

₁₁²¹ Na A = 21    N = 21 – 11 = 9       Z = 11

₄⁹ B     A = 9      N = 9 – 4 = 5            Z = 4

Самостоятельно: ₈¹⁶O  ₃⁷Li ₆¹²C  ₇¹⁴N    ₁₃²⁷Al     ₉₂²³⁵U      ₈₂²⁰⁷Pb

2. Чем отличаются следующие элементы:

₈¹⁷О  и  ₈¹⁶О  ₉₂²³⁵U  и ₉₂²³⁹U

Самостоятельная работа. Вариант первый выполняют студенты с нечетным порядковым номером (по списку в журнале), второй – с четным.

Вариант 1

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. алюминий (²⁷₁₃Al) захватывает нейтрон и испускает α-частицу;
2. азот (¹⁴₇N) бомбардируется α-частицами и испускает протон.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

1. ³⁵₁₇Cl + ¹₀n → ¹₁p +
2. ¹³₆C + ¹₁p →
3. ⁷₃Li + ¹₁p → 2
4. ¹⁰₅B + ⁴₂He → ¹₀n +
5. ²⁴₁₂Mg + ⁴₂He → ²⁷₁₄Si +
6. ⁵⁶₂₆Fe + ¹₀n → ⁵⁶₂₅Mn +

Ответы: а) ¹³₇N; б) ¹₁p; в) ¹₀n; г) ¹⁴₇N; д) ⁴₂He; е) ³⁵₁₆S

3. Определите энергетический выход реакций:

1. ⁷₃Li + ¹₀n → ⁴₂He + 13H;
2. ⁹₄Be + ⁴₂He → ¹₀n + ¹³₆C.

Вариант 2

1. Напишите уравнения следующих ядерных реакций:

1. фосфор(³¹₁₅Р) захватывает нейтрон и испускает протон;
2. алюминий (²⁷₁₃Al) бомбардируется протонами и испускает α-частицу.

2. Закончите уравнение ядерных реакций:

1. ¹⁸₈О + ¹₁p → ¹₀n +
2. ¹¹₅B + ⁴₂He → ¹₀n +
3. ¹⁴₇N + ⁴₂He → ¹⁷₈О +
4. ¹²₆C + ¹₀n → ⁹₄Be +
5. ²⁷₁₃Al + ⁴₂He → ³⁰₁₅Р +
6. ²⁴₁₁Na → ²⁴₁₂Mg + ⁰_-1е +

Ответы: а) ⁴₂He; б) ¹⁸₉F; в) ¹⁴₇N; г) ¹₀n; д) γ; е) ¹₁p

3. Определите энергетический выход реакций:

1. ⁶₃Li + ¹₁p → ⁴₂He + ³₂He;
2. ¹⁹₉F + ¹₁p → ⁴₂He + ¹⁶₈O.

1 вариант.

1. Кто открыл явление радиоактивности?

А) М. Кюри;
Б) Дж. Томсон;
В) Беккерель;
Г) Э. Резерфорд

2. Изменяется ли атом в результате радиоактивного распада?

А) не изменяется;
Б) изменяется запас энергии атома, но атом остается того же химического элемента;
В) атом изменяется, превращается в атом другого химического элемента;
Г) в результате радиоактивного распада атом полностью исчезает.

3. Что такое - излучение?

А) поток быстрых двухзарядных ионов гелия;
Б) поток быстрых электронов;
В) поток квантов электромагнитного излучения высокой энергии;
Г) поток нейтральных частиц.

4. Какой прибор позволяет наблюдать следы заряженных частиц в виде полосы из капель воды в газе?

А) фотопластинка;
Б) счетчик Гейгера-Мюллера;
В) камера Вильсона;
Г) электронный микроскоп.

5. В атомном ядре содержится 25 протонов и 30 нейтронов. Каким положительным зарядом, выраженным в элементарных электрических зарядах +е, обладает это атомное ядро?

А) +5е;
Б) +30е;
В) +25е;
Г) 0.

6. Из каких частиц состоят ядра атомов?

А) из протонов;
Б) из нейтронов;
В) из протонов, нейтронов и электронов;
Г) из протонов и нейтронов.

7. Сколько электронов содержится в электронной оболочке нейтрального атома, у которого ядро состоит из 6 протонов и 8 нейтронов?

А) 6;
Б) 8;
В) 2;
Г) 14.

8. Какие частицы из перечисленных ниже легче других способны проникать в атомное ядро и вызывать ядерные реакции?

А) электроны;
Б) нейтроны;
В) -частицы;
Г) все перечисленные в выше.

9. Какая частица Х образуется в результате реакции Li + ?

А) гамма-квант;
Б) электрон;
В) позитрон;
Г) нейтрон.

10. Массовое число – это:

А) число протонов в ядре;
Б) число нейтронов в ядре;
В) число электронов в электронной оболочке;
Г) число нуклонов в ядре.

Вариант.

1. По какому действию было открыто явление радиоактивности?

А) по действию на фотопластинку;
Б) по ионизирующему действию;
В) по следам в камере Вильсона;
Г) по вспышкам света, вызываемым в кристаллах ударами частиц.

2. Что такое -излучение?

А) поток быстрых двухзарядных ионов гелия;
Б) поток быстрых электронов;
В) поток квантов электромагнитного излучения высокой энергии;
Г) поток нейтральных частиц.

3. Что такое -излучение?

А) поток быстрых двухзарядных ионов гелия;
Б) поток быстрых электронов;
В) поток квантов электромагнитного излучения высокой энергии;
Г) поток нейтральных частиц.

4. Что одинаково у атомов разных изотопов одного химического элемента и что у них различно?

А) одинаковы заряды и массы атомных ядер, различны химические свойства атомов;
Б) одинаковы заряды, различны массы ядер и химические свойства;
В) одинаковы заряды ядер и химические свойства, различны массы ядер;
Г) одинаковы массы ядер, различны химические свойства и заряды ядер.

5. Какой прибор при прохождении через него ионизирующей частицы выдает сигнал в виде кратковременного импульса электрического тока:

А) счетчик Гейгера;
Б) фотоэлемент;
В) динамик;
Г) камера Вильсона.

6. В атомном ядре содержится Z протонов и N нейтронов. Чему равно массовое число М этого ядра?

А) Z;
Б) N;
В) Z-N;
Г) Z+N.

7. Энергия связи рассчитывается по формуле:

А) Е= m·c;
Б) Е= m·c²;
В) Е=m·c²;
Г) Е= m·V².

8. Для вычисления энергии связи ядра в СИ в каких единицах нужно выразить значение дефекта массы?

А) в а. е. м;
Б) в МэВ;
В) в мг;
г) в кг.

9. В реакции ядром какого изотопа является ядро Х?

А) ;
Б) ;
В) ;
Г) .

10. Ядро изотопа содержит:

А) 3р и 7n;
Б) 3р и 4 n;
В) 3р и 10n;
Г) 7р и 3 n.