Состав атомного ядра. Массовое число.Зарядовое число. Ядерные силы

Ре­зер­форд в своих экс­пе­ри­мен­тах уста­но­вил, что су­ще­ству­ет такая ча­сти­ца, как про­тон. Через неко­то­рое время в 1932 году Че­двик уста­но­вил, что су­ще­ству­ет еще одна ча­сти­ца, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся ней­трон. После этого от­кры­тия неза­ви­си­мо друг от друга два че­ло­ве­ка, рус­ский уче­ный Ива­нен­ко и немец­кий уче­ный Гей­зен­берг, пред­ло­жи­ли про­тон­но-ней­трон­ную мо­дель стро­е­ния ядра атома. По этой тео­рии Ива­нен­ко – Гей­зен­бер­га, ядро лю­бо­го атома со­дер­жит про­то­ны и ней­тро­ны. Эти про­то­ны и ней­тро­ны вме­сте, те, ко­то­рые на­хо­дят­ся в ядре атома, было ре­ше­но на­зы­вать нук­ло­на­ми. Таким об­ра­зом, «нук­лон» (от лат. «ядро») – общее на­зва­ние для про­то­нов и ней­тро­нов. Те ча­сти­цы, ко­то­рые имеют заряд, и те ча­сти­цы, ко­то­рые заряд не имеют, ней­тро­ны, эти все ча­сти­цы вме­сте на­зы­ва­ют­ся нук­ло­на­ми. Да­вай­те еще вот о чем по­го­во­рим. Идея о за­ря­де ядра была впер­вые вы­дви­ну­та в 1913 году ан­глий­ским уче­ным Генри Мозли. Он пред­ло­жил, что, раз атом элек­тро­ней­тра­лен, по­ряд­ко­вый номер эле­мен­та, умно­жен­ный на эле­мен­тар­ный элек­три­че­ский заряд, это и есть заряд ядра. Каким об­ра­зом Мозли при­шел к та­ко­му за­клю­че­нию? Дело в том, что ко­ли­че­ство элек­тро­нов в атоме со­от­вет­ству­ет по­ряд­ко­во­му но­ме­ру. Зна­чит, заряд всех элек­тро­нов – это про­из­ве­де­ние по­ряд­ко­во­го но­ме­ра на заряд од­но­го элек­тро­на. По­сколь­ку в ядре со­сре­до­то­чен по­ло­жи­тель­ный заряд, зна­чит, то же самое можно го­во­рить и о ядре. Да­вай­те по­смот­рим на то, как при­шел Мозли имен­но к тому, что мы на­зы­ва­ем за­ря­до­вым чис­лом. По­смот­ри­те:

qЯ = Z. |e|

qЯ – заряд ядра

е – заряд элек­тро­на

Z – число про­то­нов в ядре, за­ря­до­вое число

Заряд числа, по та­ко­му утвер­жде­нию, опре­де­ля­ет­ся как про­из­ве­де­ние по­ряд­ко­во­го но­ме­ра на эле­мен­тар­ный элек­три­че­ский заряд. В дан­ном слу­чае е – это заряд элек­тро­на, эле­мен­тар­ный элек­три­че­ский заряд его на­зы­ва­ют, и взят он по мо­ду­лю, по­то­му что по­нят­но, что заряд ядра у нас по­ло­жи­тель­ный. В этом слу­чае по­ряд­ко­вый номер стали на­зы­вать за­ря­до­вым чис­лом, по­ряд­ко­вый номер – это число, со­от­вет­ству­ю­щее числу про­то­нов в ядре. Таким об­ра­зом, мы, го­во­ря о по­ряд­ко­вом но­ме­ре, можем го­во­рить о ко­ли­че­стве про­то­нов в ядре. Сле­ду­ю­щее число, о ко­то­ром необ­хо­ди­мо ска­зать, – это число массы. Оно, это число, обо­зна­че­но бук­вой А, и это самое число берут то же из таб­ли­цы Мен­де­ле­е­ва и округ­ля­ют его до целых. Даль­ше мы можем го­во­рить о том урав­не­нии, ко­то­рое на­зы­ва­ет­ся во всем мире урав­не­ни­ем Ива­нен­ко – Гей­зен­бер­га. Это урав­не­ние со­сто­ит из трех чисел: мас­со­во­го числа, за­ря­до­во­го числа и числа ней­тро­нов. Да­вай­те по­смот­рим, как оно за­пи­сы­ва­ет­ся и как обо­зна­ча­ют­ся дан­ные ве­ли­чи­ны.

Урав­не­ние Ива­нен­ко - Гей­зен­бер­га

А = Z + N

А – мас­со­вое число,

Z – по­ряд­ко­вый номер эле­мен­та,

N – число ней­тро­нов в ядре

По­смот­ри­те: мас­со­вое число А го­во­рит о том, какое ко­ли­че­ство нук­ло­нов вхо­дит в ядро. Ока­за­лось, что, по таб­ли­це Мен­де­ле­е­ва опре­де­ляя мас­со­вое число хи­ми­че­ско­го эле­мен­та, мы опре­де­ля­ем число нук­ло­нов в ядре атома.

Z, как мы го­во­ри­ли, будет по­ряд­ко­вый номер и число про­то­нов в ядре. N в дан­ном слу­чае – это число ней­тро­нов. Таким об­ра­зом, мы можем из этого урав­не­ния опре­де­лить число ней­тро­нов, число про­то­нов, зная мас­со­вое число и по­ряд­ко­вый номер. Здесь необ­хо­ди­мо от­ме­тить важ­ный мо­мент. Дело в том, что в 1913 году еще один уче­ный Содди (вы пом­ни­те, что этот че­ло­век ра­бо­тал вме­сте с Ре­зер­фор­дом) уста­но­вил ин­те­рес­ную вещь. Вы­яс­не­но было, что су­ще­ству­ют хи­ми­че­ские эле­мен­ты с аб­со­лют­но оди­на­ко­вы­ми хи­ми­че­ски­ми свой­ства­ми, но раз­ным мас­со­вым чис­лом. Такие эле­мен­ты, у ко­то­рых оди­на­ко­вые хи­ми­че­ские свой­ства, но раз­ное мас­со­вое число, стали на­зы­вать изо­то­па­ми. Изо­то­пы – это хи­ми­че­ские эле­мен­ты с оди­на­ко­вы­ми хи­ми­че­ски­ми свой­ства­ми, но с раз­лич­ной мас­сой атом­ных ядер.

Еще надо до­ба­вить, что у изо­то­пов раз­ная ра­дио­ак­тив­ность. Все это вме­сте при­ве­ло к изу­че­нию этого во­про­са. Здесь по­ка­за­ны изо­то­пы лег­ких и тя­же­лых эле­мен­тов хи­ми­че­ских. Да­вай­те по­смот­рим. Мы вы­бра­ли спе­ци­аль­но раз­ные об­ла­сти таб­ли­цы Мен­де­ле­е­ва, чтобы по­ка­зать, что прак­ти­че­ски все эле­мен­ты хи­ми­че­ские имеют изо­то­пы.

Изо­то­пы:

Н – про­тий     U

H – дей­те­рий   U

Н – три­тий


У во­до­ро­да этих изо­то­пов три. Пер­вый изо­топ Н на­зы­ва­ет­ся про­тий. Об­ра­ти­те вни­ма­ние, что по­ряд­ко­вый номер ста­вит­ся внизу, вот это число Z, а свер­ху пи­шет­ся мас­со­вое число – это число А. Свер­ху А, внизу Z, и если мы по­ни­ма­ем, что  это обо­зна­ча­ет, что в ядре атома про­тия самый про­стой хи­ми­че­ский эле­мент, самый рас­про­стра­нен­ный во все­лен­ной. Там всего лишь 1 про­тон, а ней­тро­нов в этом ядре со­всем нет. Есть вто­рой вид во­до­ро­да – это дей­те­рий. На­вер­ное, мно­гие слы­ша­ли такое слово. Об­ра­ти­те вни­ма­ние: по­ряд­ко­вый номер 1, а мас­со­вое число равно 2. Так что ядро дей­те­рия со­сто­ит уже из 1 про­то­на и из од­но­го ней­тро­на. И есть еще один изо­топ во­до­ро­да. На­зы­ва­ет­ся три­тий. Три­тий как раз (по­ряд­ко­вый номер пер­вый), а мас­со­вое число го­во­рит о том, что в ядре этого изо­то­па на­хо­дят­ся 2 ней­тро­на. И еще один эле­мент – это уран. Со­всем дру­гая сто­ро­на таб­ли­цы Мен­де­ле­е­ва. Это уже тя­же­лые эле­мен­ты. У урана 2 изо­то­па рас­про­стра­нен­ных. Это уран 235. По­ряд­ко­вый номер 92, а мас­со­вое число 235. Сразу можно го­во­рить о том, чем от­ли­ча­ет­ся ядро од­но­го эле­мен­та от дру­го­го. Вто­рой изо­топ: тоже по­ряд­ко­вый номер 92, а мас­со­вое число 238. Очень часто, когда идет речь об изо­то­пах, в част­но­сти урана, ни­ко­гда не го­во­рят по­ряд­ко­во­го но­ме­ра. Про­сто го­во­рят «уран», на­зы­ва­ют хи­ми­че­ский эле­мент и го­во­рят его мас­со­вое число – 238. Или уран 235. Мы об­суж­да­ем этот во­прос по той про­стой при­чине, что знаем, как се­год­ня этот хи­ми­че­ский эле­мент важен для энер­ге­ти­ки нашей стра­ны и во­об­ще ми­ро­вой энер­ге­ти­ки в целом.

Сле­ду­ю­щий во­прос, ко­то­рый мы долж­ны за­тро­нуть, вы­те­ка­ет из ска­зан­но­го. Как эти ча­сти­цы, эти нук­ло­ны удер­жи­ва­ют­ся внут­ри ядра? Мы на­зва­ли раз­лич­ные хи­ми­че­ские эле­мен­ты, изо­то­пы раз­лич­ные, осо­бен­но у тя­же­лых эле­мен­тов, там, где нук­ло­нов, т.е. про­то­нов и ней­тро­нов, много. Как, каким об­ра­зом они удер­жи­ва­ют­ся внут­ри ядра? Мы знаем, что в ма­лень­ком ядре рас­сто­я­ния, раз­ме­ры ядра очень и очень малы, бы­ва­ет со­бра­но боль­шое ко­ли­че­ство ча­стиц нук­ло­нов. Как эти нук­ло­ны там так плот­но, тесно удер­жи­ва­ют­ся, ка­ки­ми си­ла­ми? Ведь за счет элек­тро­ста­ти­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния эти ча­сти­цы долж­ны очень быст­ро рас­па­дать­ся, раз­ле­тать­ся. Мы знаем, что раз­но­имен­ные толь­ко за­ря­ды при­тя­ги­ва­ют­ся, ча­сти­цы, за­ря­жен­ные раз­но­имен­ны­ми за­ря­да­ми. Если ча­сти­цы за­ря­же­ны од­но­имен­но, по­нят­но, что они долж­ны от­тал­ки­вать­ся. Внут­ри ядра на­хо­дят­ся про­то­ны. Они по­ло­жи­тель­но за­ря­же­ны. Раз­мер ядра очень мал. В этом же ядре на­хо­дят­ся еще и ней­тро­ны, зна­чит, долж­ны быть силы, ко­то­рые удер­жи­ва­ют вме­сте те и дру­гие ча­сти­цы. Эти самые силы на­зы­ва­ют ядер­ны­ми си­ла­ми. Ядер­ные силы – это силы при­тя­же­ния, дей­ству­ю­щие между нук­ло­на­ми. Можно ска­зать, что у этих сил су­ще­ству­ют свои осо­бые свой­ства.

Пер­вое свой­ство, о ко­то­ром мы долж­ны ска­зать, – это то, что ядер­ные силы долж­ны пре­вос­хо­дить силы элек­тро­ста­ти­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния. И это так, когда уда­лось их опре­де­лить, то вы­яс­ни­лось, что они в 100 раз пре­вос­хо­дят силы элек­тро­ста­ти­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния. Еще одно очень важ­ное за­ме­ча­ние, что дей­ству­ют ядер­ные силы на малом рас­сто­я­нии. На­при­мер, 10-15м – это и есть диа­метр ядра, эти силы дей­ству­ют. Но стоит толь­ко уве­ли­чить­ся раз­ме­ру ядра до 10-14, ка­за­лось, со­всем немно­го, то это при­во­дит к тому, что ядро обя­за­тель­но рас­па­дет­ся. На этом рас­сто­я­нии уже ядер­ные силы не дей­ству­ют. А силы элек­тро­ста­ти­че­ско­го от­тал­ки­ва­ния про­дол­жа­ют дей­ство­вать и имен­но они от­ве­ча­ют за то, что ядро рас­па­да­ет­ся.

Еще можно ска­зать о ядер­ных силах то, что они не цен­траль­ны, т.е. они не дей­ству­ют вдоль пря­мой, со­еди­ня­ю­щей эти ча­сти­цы. И то, что ядер­ные силы не за­ви­сят от того, об­ла­да­ет ча­сти­ца за­ря­дом или не об­ла­да­ет, по­то­му что в ядро вхо­дят и про­то­ны, и ней­тро­ны. Вме­сте эти ча­сти­цы на­хо­дят­ся. Таким об­ра­зом, вывод: эти ча­сти­цы, нук­ло­ны, удер­жи­ва­ют­ся в ядре за счет ядер­ных сил, и эти силы дей­ству­ют толь­ко в ядре. Еще можно от­ме­тить, что ядер­ные силы имеют важ­ное зна­че­ние в плане ста­биль­но­сти ядра. От­ве­ча­ют за дол­го­вре­мен­ность су­ще­ство­ва­ния этого эле­мен­та. В за­клю­че­ние мы можем от­ме­тить еще одно: когда мы будем го­во­рить об энер­ге­ти­ке, вот здесь имен­но ядер­ные силы будут иг­рать ос­нов­ную роль.

Последнее изменение: Понедельник, 4 Июнь 2018, 16:53