Склад атомного ядра
Е. Резерфорд, запропонував планетарну модель атома, згідно з якою, атом складається з позитивно зарядженого ядра і оточуючих його електронів. Проаналізувавши ці досліди, Резерфорд також показав, що атомні ядра мають розміри приблизно 10 -14 - 10 -15 м (лінійні розміри атома приблизно 10-10 м).
Атомне ядро складається з елементарних частинок - протонів і нейтронів. Протон (р) має позитивний заряд, рівний заряду електрона, і масу спокою mp = 1,6726 10 -27 кг +1836 me. де me - маса електрона. Нейтрон (n) - нейтральна частинка з масою спокою mn = 1,6749 10 -27 кг 1839 me. Протони і нейтрони називаються нуклонами (від лат. Nucleus - ядро). Загальна кількість нуклонів в атомному ядрі називається масовим числом А.
Атомне ядро характеризується зарядом Ze. де е = 1.6022 10 -19 Кл- заряд протона, що дорівнює заряду електрона Z - Зарядове число ядра, яка дорівнює кількості протонів в ядрі і збігається з порядковим номером хімічного елемента в Періодичній системі елементів Менделєєва.
Ядро позначається тим же символом, що і нейтральний атом:. де X - символ хімічного елемента, Z - атомний номер (число протонів в ядрі), А - масове число (число нуклонів в ядрі).
Так як атом нейтральний, то заряд ядра визначає і число електронів в атомі. Від числа же електронів залежить їх розподіл по станам в атомі, від якого, в свою чергу, залежать хімічні властивості атома. Отже, заряд ядра визначає специфіку даного хімічного елемента, т. Е. Визначає число електронів в атомі, конфігурацію їх електронних оболонок, величину і характер внутріатомної електричного поля.
Масу ядер дуже точно можна визначити за допомогою мас-спектрометрів - вимірювальних приладів, які поділяють за допомогою електричних і магнітних полів пучки заряджених частинок (зазвичай іонів) з різними питомими зарядами Q / m. Mace-спектрометричні вимірювання показали, що маса ядра менше, ніж сума мас складових його нуклонів. Але так як і кожному зміни маси має відповідати зміна енергії, то, отже, при утворенні ядра повинна виділятися певна енергія. Із закону збереження енергії випливає і зворотне: для поділу ядра на складові частини необхідно затратити таку ж кількість енергії, що виділяється при його утворенні. Енергія, яку необхідно затратити, щоб розщепити ядро на окремі нуклони, називається енергією зв'язку ядра.
Використовуючи рівняння Ейнштейна, що визначає зв'язок маси і енергії, нескладно визначити енергію зв'язку нуклонів в ядрі
де mp. mn. MЯ - відповідно маси протона, нейтрона і ядра. У таблицях зазвичай призводить не маси MЯ ядер, а маси m атомів. Тому для енергії зв'язку ядра користуються формулою
де mH - маса атома водню. Так як mH більше mp на величину me. то перший член в квадратних дужках включає в себе масу Z електронів. Але так як маса атома m відрізняється від маси ядра MЯ якраз на масу Z електронів, то обчислення за цими двома формулами призводять до однакових результатів. величина
називається дефектом маси ядра. На цю величину зменшується маса всіх нуклонів при утворенні з них атомного ядра.
Енергію зв'язку прийнято вимірювати в електрон-вольтах (еВ): 1 еВ чисельно дорівнює роботі, досконалої силами поля при переміщенні елементарного електричного заряду (заряду, рівного заряду електрона) при проходженні їм різниці потенціалів в 1 В. Оскільки заряд електрона дорівнює 1.6 10 - 19 Кл, то 1 еВ = 1.6 10 -19 Дж.
Масу атомів, а також дефект маси ядер прийнято вимірювати в атомних одиницях маси (а.е.м) 1 а.е.м. чисельно дорівнює 1/12 маси ізотопу атома вуглецю С 12, 1 а.е.м. = 1.6606 10 -27 кг. Однією атомної одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії (а.е.е.) 1 а.е.е. = 931.5016 МеВ.
Часто замість енергії зв'язку розглядають питому енергію зв'язку dEсв - енергію зв'язку, віднесену до одного нуклони. Вона характеризує стійкість (міцність) атомних ядер, тобто чим більше dEсв. тим стійкіше ядро.
Питома енергія зв'язку залежить від масового числа A елемента (рис. 4.1). Для легких ядер (A £ 12) питома енергія зв'язку круто зростає до 6¸7 МеВ, зазнаючи цілий ряд стрибків, потім більш повільно зростає до максимальної величини 8.7 МеВ у елементів з А = 50¸60, а потім поступово
Зменшення питомої енергії зв'язку при переході до важких елементів пояснюється тим, що зі зростанням числа протонів в ядрі збільшується і енергія їх кулонівського відштовхування. Тому зв'язок між нуклонами стає менш сильною, а самі ядра менш
міцними. Мал. 4.1
З рис. 4.1 випливає, що найбільш стійкими з енергетичної точки зору є ядра середньої частини таблиці Менделєєва. Важкі і легкі ядра менш стійкі. Це означає, що енергетично вигідні такі процеси:
1) поділ важких ядер на більш легкі;
2) злиття легких ядер один з одним в більш важкі.
При обох процесах виділяється величезна кількість енергії; ці процеси в даний час здійснено практично (реакції поділу і термоядерні реакції).
Між складовими ядро нуклонами діють сили, що значно перевищують кулонівських сили відштовхування між протонами. Вони називаються ядерними силами. Ядерні сили відносяться до класу сильних взаємодій. Ядерні сили мають такі властивості: ядерні сили є силами тяжіння, вони є короткодіючими (дія проявляється тільки на відстані 10 -15 м), їм властива зарядова незалежність (сили, що діють між протоном і нейтроном і двома протонами однакові за величиною), ядерним силам властиво насичення (кожен нуклон в ядрі взаємодіє тільки з обмеженим числом найближчих до нього нейтронів).
Ядерні сили - сили обмінного характеру, т. Е. Здійснюються шляхом обміну часток між взаємодіючими нуклонами.