Структура атомного ядра.

 

Из радиоактивных атомов вырываются всевозможные заряженные частицы – электроны, протоны p (заряд +е, масса равна массе атома водорода и в 1836 раз тяжелее электрона) альфа частицы (заряд +2е, масса примерно в 4 раза превышает массу протона). Глядя в таблицу Менделеева, люди догадались, что протон – не что иное, как ядро атома водорода. Видимо, из таких ядер и электронов сконструированы ядра других химических элементов. Однако эти модели оказались неверными. В 1932 году была открыта и исследована частица, которая чуть тяжелее протона (в 1839 раз тяжелее электрона) и не имеет заряда. Это нейтрон. Невозможность включения в состав ядер электронов (почему – узнаем позже) и соотнесение зарядовых и массовых чисел ядер по таблице Менделеева, привело к протон-нейтронной модели ядра, которая и стала общепринятой.

 

Сравним ядра Н и Не.Второе имеет заряд в 2 раза больший первого (два протона), а массу в 4 раза больше (то есть, кроме двух протонов туда войдут два нейтрона). То есть эти ядра можно условно изобразить (рис). Сразу может возникнуть несколько вопросов. Если ядро содержит лишь положительные и нейтральные частицы, почему они не разлетаются под действием сил отталкивания? Почему атомные массы в таблице Менделеева не являются целыми числами? Может ли ядро содержать 3 протона и 100 нейтронов?

 

То, что многие ядра стабильны, говорит о том, что внутри ядер действуют силы другой природы, нежели электрические. Именно они удерживают протоны от разлета. Это сильное ядерное взаимодействие. Радиус его действия примерно равен размеру ядра. Если частицы в ядре немного «растолкать», ядерные силы перестанут их удерживать, и части ядра (осколки) разлетятся с большими скоростями. Произойдет превращение одних ядер в другие (ядерная реакция).

 

Ядро обычно изображается символом . X –это химический символ элемента, Z-целое число, равное заряду ядра (числу протонов), A-массовое число (сумма числа протонов и нейтронов). Зарядовое число равно числу электронов атома, а это определяет его химические свойства. Если один или несколько электронов удалить из атома, то заряд ядра будет не скомпенсирован – возникнет положительный ион.

 

Например, обычный гелий имеет ядра . Когда были изучены свойства гелия, выяснилось, что в природном гелии существует небольшой процент более легких атомов, ядра которых имеют другую структуру . Так были открыты изотопы – ядра одного и того же химического элемента, имеющие разные массы. Поэтому число различных ядер намного превышает число химических элементов. Если в природном составе элемента присутствует несколько изотопов, то атомная масса не будет целым числом. Водород имеет три стабильных изотопа, изображенных на рисунке: протий (обычный водород), дейтерий и тритий. Соответствующие ядра носят названия протон, дейтрон и тритон. Каждый элемент в таблице Менделеева кроме самых последних, имеет хотя бы один стабильный изотоп. То есть ядро, которое может существовать бесконечно долго, самопроизвольно не распадаясь на осколки. У стабильных изотопов легких ядер число протонов примерно равно числу нейтронов, у тяжелых – число нейтронов примерно в 1.5 раза больше. Например, стабильные изотопы свинца . Поэтому, его атомная масса равна 207.19. Кроме того, существуют нестабильные ядра, способные самопроизвольно распадаться на другие. Кроме того, развалить нестабильное ядро может подлетающая частица, например нейтрон или протон. Таким образом осуществляются ядерные реакции. Запись их сходна с химическими реакциями, и по сути в них происходит то же самое. Одни связи между частицами разрываются, а другие возникают. Просто сила этих связей примерно в миллион раз больше, чем у химических. Поэтому и выделение энергии во столько же раз больше.

 

Примером ядерной реакции может служить реакция деления ядра урана

 

В силу закона сохранения массы,суммы массовых чисел слева и справа должны быть одинаковыми. 235+1=144+89+3. В силу закона сохранения заряда, суммы зарядовых чисел слева и справа должны быть одинаковыми. 92+0=56+36+0. Реакция начинается с взаимодействия нейтрона, имеющего достаточную кинетическую энергию, с ядром урана. Ядро становится неустойчивым, и распадается на два осколка с вылетом трех нейтронов.

 

Другой пример представляют реакции синтеза

Из двух легких ядер образуется одно тяжелое с вылетом нейтрона. Из лекции о энергии химической связи можно вспомнить, что если частицы в продукте реакции связаны сильнее, чем в исходных ядрах, то реакция идет с выделением кинетической энергии ядер (тепловой энергии). Высокий выход такой энергии делает ядерную энергетику выгодной.

 

Помимо перечисленных, в ядерных реакциях могут образовываться и другие типы элементарных частиц. В курсе 11 класса это будет рассмотрено подробнее.

 

В заключение хотелось бы обозначить общую черту продвижения вглубь материи. Выясняется, что частицы, которые мы считали неделимыми кирпичиками мироздания, также имеют структуру и могут быть разделены на части.Силы, удерживающие молекулы в кристалле льда невелики. Достаточно немного нагреть лед на костре, и они разрушатся. Взаимодействие между молекулами воды будет преодолено. Следующий уровень – структура молекулы. Она состоит из атомов и для ее разделения на атомы необходима химическая реакция в специальном электрическом поле. Структура атома кислорода. Для отделения всех электронов необходимо более сильное воздействие, затрачиваемая энергия гораздо больше. Структура ядра. Наконец, для разделения ядра атома кислорода на 8 протонов и 8 нейтронов необходима энергия в миллион раз большая, чем для удаления электронов. Сам протон и нейтрон тоже имеют «составные части». Однако для их получения у человека в обозримом будущем не будет нужного количества энергии. Проникая на каждый следующий уровень вглубь природы, человек повышает энергетическое воздействие на нее примерно в 1000000 раз.