Вам уже известно, что ядро атома - это центральная, положительно заряженная часть атома, в которой сконцентрирована почти вся его масса. Заряд этой сердцевины атома равен модулю суммарного заряда электронов оболочки, вследствие чего атом в целом электронейтрален. Линейные размеры разных ядер неодинаковы. Они находятся в пределах от 3'10-15 до 10'10-15 м, что в 104-105 раз меньше поперечного размера самого атома. Ядерное вещество имеет чрезвычайно большую плотность — 1014 г/см3. Масса чайной ложки, наполненной только ядрами, составляла бы сотни миллионов тонн.
Убедившись, что атом не является «неделимым», физики старались установить, из каких «кирпичиков» он состоит, то есть найти структурные элементы материи, внутреннее строение которых на данный момент неизвестно и которые назвали элементарными частицами. Электрон - первая из известных элементарных частиц, структура атомного ядра еще не была установлена.
В 1913 г. Резерфорд предположил, что ядро атома Гидрогена является элементарной частицей, которую назвали протоном и которая входит в состав других атомных ядер. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально в 1919 г., когда в опытах обнаружили отдельные протоны.
Масса протона в 1840 раз больше массы электрона, его электрический заряд по значению такой же, как у электрона, но положительный. У еле-
дующего элемента - Гелия - ядро в четыре раза тяжелее ядра Гидрогена, а у последнего природного элемента Урана - в 238 раз. Массовое число А является ближайшим целым числом к значению относительной атомной массы химического элемента, для Урана А - 238. Но зарядовое число для Урана Z - 92, то есть в его состав входят 92 протона, и остальная масса ядра должна приходиться еще на какие-то частицы.
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик на опыте установил, что неизвестное излучение с большой проникающей способностью, которое наблюдали он и другие ученые, является потоком нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Существование такой частицы еще в 1920 г. предполагал Резерфорд, ее назвали нейтроном. В том же году Дмитрий Иваненко и Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома, в дальнейшем подтвержденную всеми исследованиями.
Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтронов -нуклонов. Количество нейтронов N в ядре химического элемента равно разности между массовым и зарядовым числами, то есть:
Ядра атомов обобщенно называют нуклидами.
Нуклиды обозначают символом химического элемента с указанием значений массового числа А сверху и зарядового числа Z внизу с левой стороны
Например,
- ядро атома Гидрогена,
ядро атома Гелия
ядро атома Урана.
Но как удерживаются в ядре одноименно заряженные частицы? Что удерживает нуклоны в ядре?
Ведь электрические силы отталкивания между положительно заряженными протонами в ядре должны обусловить их разлет в разные стороны. Но протоны не только не разлетаются, а еще и противодействуют попыткам разрушить ядро. Ученые выяснили, чтобы расщепить ядро, следует сообщить бомбардирующим частицам значительную энергию.
Силы, удерживающие частицы в ядре, называют ядерными силами.
Ядерные силы являются короткодействующими, в отличие от дально-действующих электромагнитных сил и сил тяготения. Радиус действия ядерных сил приблизительно равен 10-15 м, то есть размеру нуклонов. На этих расстояниях ядерные силы притяжения в сотни раз превышают электрические силы отталкивания между протонами. О ядерных силах образно говорят, что это - «богатырь с очень короткими руками».
Ядерные силы зарядонезависимы, это свойство проявляется в том, что протон с протоном взаимодействуют так же, как и протон с нейтроном.
Ядерные силы относятся к сильным взаимодействиям, для расщепления ядра необходима значительная энергия, поэтому ядра очень «прочные». Наименьшее значение энергии, при котором происходит расщепление ядра на составляющие частицы, может быть мерой энергии связи ядра, то есть его «прочности». Ядра химических элементов имеют разную «прочность». Слабее всего связаны частицы в ядрах легких элементов, расположенных в начале периодической системы элементов. Энергия связи быстро растет с увеличением количества частиц в ядре, возрастает и «прочность» ядер,
достигая максимума для ядер Феррума и близких к нему элементов. Однако, поскольку ядерные силы являются короткодействующими, то, начиная с некоторого элемента, связь между нуклонами не увеличивается, хоть их количество в ядре возрастает. Вот почему «прочность» ядер элементов средней части периодической системы элементов почти одинакова. В ядрах тяжелых элементов возрастает роль электрических сил отталкивания. Именно эти силы и «расталкивают» все, даже самые отдаленные, протоны ядра, делают их менее «прочными». Следовательно, становится понятным поведение последнего среди природных элементов — Урана, ядра которого являются радиоактивными, неустойчивыми именно из-за значительной роли электрических сил. Остальные элементы, расположенные после Урана, в природе вовсе не встречаются, их получают искусственно.
В ядре атома сосредоточена огромная энергия взаимодействия составляющих частиц, она в миллионы раз превышает энергию взаимодействия электронов с ядром в атомах, которая может выделяться при химических реакциях. Позже вы узнаете, что вследствие описанных выше свойств ядер элементов во время ядерных превращений можно добиться выделения значительной энергии при синтезе (слиянии) легких ядер или при делении (расщеплении) тяжелых ядер Урана, Плутония и т. д.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Каково строение ядра атома?
2. Что такое нуклон?
3. Какие силы определяют «прочность» атомных ядер? Назовите свойства этих сил.
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк