1. Строение атомного ядра
Открытие протона и нейтрона
Открыв атомное ядро, Резерфорд решил выяснить: является ли оно тоже составным? С этой целью он снова использовал быстрые α-частицы.
Оказалось, что при бомбардировке этими частицами атомов азота из них вылетают ядра водорода. Резерфорд назвал их протонам1).
Протон имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, а масса протона примерно в 1800 раз больше массы электрона.
Возник вопрос: могут ли ядра атомов всех химических элементов состоять только из протонов? Тогда заряд ядра должен быть прямо пропорционален массе ядра. Но это противоречит опыту: например, заряд ядра гелия в 2 раза больше заряда ядра водорода, а масса ядра гелия в 4 раза больше массы ядра атома водорода.
Резерфорд заметил, что массы всех ядер с большой точностью кратны массе протона, поэтому он предположил, что в атомных ядрах кроме протонов есть нейтральные частицы, масса каждой из которых примерно равна массе протона.
И эти частицы действительно были обнаружены на опыте. Их назвали нейтронами. Вы, наверное, догадались, почему их так назвали?
Протонно-нейтронная модель ядра
Советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые получили общее название — нуклоны2).
1) От греческого «протос» — первый.
2) От латинского «нуклеус» — ядро.
Структура наиболее лёгких ядер и их обозначения схематически представлены на рисунке 20.1.
Рис. 20.1
Число Ζ протонов в ядре называют зарядовым числом, число нейтронов в ядре обозначают Ν, общее число нуклонов в ядре A = Ζ + N называют массовым числом ядра.
1. Докажите, что заряд ядра равен Ze.
Номер химического элемента в таблице Менделеева равен зарядовому числу ядра. Ядро атома обозначают как и соответствующий ему химический элемент, указывая при этом слева вверху — массовое число, а слева внизу — зарядовое число. Например, ядро углерода с массовым числом 12 и зарядовым числом 6 обозначают 126C.
На приведённом выше рисунке 20.1 рядом со схематическими изображениями ядер указаны их обозначения.
Протон и нейтрон обозначают соответственно 11р и 10n, однако для этих частиц массовое и зарядовое числа указывают не всегда, записывая их обозначения как р и n.
2. Ядерные силы
Протоны и нейтроны взаимодействуют посредством сил, которые назвали ядерными. На расстояниях, сравнимых с размерами самих нуклонов, эти силы примерно в 100 раз больше электрических сил. Поэтому ядерные силы могут удерживать в ядре одноимённо заряженные и, следовательно, отталкивающиеся вследствие электрического взаимодействия протоны.
Второе существенное отличие ядерных сил от электрических состоит в том, что ядерные силы имеют очень малый радиус действия — порядка 10-15—10-14 м (размеры ядра обусловлены именно радиусом действия ядерных сил).
Наконец, третье отличие состоит в том, что ядерные силы не зависят от электрического заряда взаимодействующих частиц: два протона взаимодействуют посредством ядерных сил друг с другом так же, как протон с нейтроном или два нейтрона.
3. Открытие радиоактивности
В конце 19-го века французский физик А. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают неизвестные в то время лучи: они засвечивали фотопластинку. Продолжив его исследования, французские физики супруги М. Склодовская-Кюри и П. Кюри установили, что подобное излучение испускают и некоторые другие элементы. Такое самопроизвольное излучение ядер атомов назвали естественной радиоактивностью1).
М. Склодовская-Кюри 1867-1934
П. Кюри 1859-1906
Супруги Кюри открыли также новый, чрезвычайно радиоактивный элемент — радий. Например, крупинка радия массой 0,1 г за один час излучает энергию, равную 58 Дж.
2. Оцените, на какой этаж можно было бы забросить футбольный мяч, совершив работу, равную 58 Дж. Необходимые данные найдите сами.
Изотопы
Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться друг от друга массовыми числами. Такие ядра (а также содержащие их атомы) называют изотопами2). Иногда в обозначении изотопа указывают только его массовое число.
3. Найдите схематические изображения различных изотопов одного и того же химического элемента на рисунке 20.1.
Исследования показали, что радиоактивны все изотопы с зарядовым числом Ζ > 82. Однако существуют радиоактивные изотопы и с меньшим зарядовым числом: например, радиоактивным является изотоп углерода 146С.
1) От латинского «радио» — излучать.
2) От греческих «изос» — одинаковый и «топос» место: элементы, имеющие ядра с одинаковым электрическим зарядом, занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов Менделеева.
4. Радиоактивные превращения
Чтобы определить состав радиоактивного излучения, Резерфорд поместил пучок вылетающих из ядра частиц в сильное магнитное поле (рис. 20.2). При этом пучок расщепился на три пучка: их Резерфорд назвал α-, β- и γ-лучами.
Рис. 20.2
4. На что указывает расщепление пучка?
5. Используя правило левой руки, определите по рисунку 20.2 знаки зарядов частиц, входящих в состав α-, β- и γ-лучей.
Дальнейшие исследования показали, что
α-лучи — это поток ядер гелия 42Не;
β-лучи — поток быстрых электронов;
γ-лучи — поток фотонов большой энергии.
Фотоны большой энергии называют γ-квантами.
Правило смещения при α-распаде
6. Как изменяются массовое и зарядовое числа ядра при α-распаде (испускании α-частицы)?
Уравнение α-распада имеет вид
AZX → А-4Z-2Y + 42Не.
Мы видим, что
при α-распаде атомное ядро превращается в ядро другого химического элемента, расположенного на две клетки ближе к началу таблицы Менделеева.
7. В результате α-распада ядро радия 22688Ra превратилось в ядро радона 22286Rn. Напишите уравнение этого распада.
Правило смещения при β-распаде
8. Как изменяются массовое и зарядовое числа ядра при β-распаде (испускании электрона)?
Уравнение β-распада имеет вид1)
AZX →AZ+1Y + 0-1e.
Мы видим, что
при β-распаде атомное ядро превращается в ядро другого химического элемента, который находится на одну клетку дальше от начала таблицы Менделеева.
9. В результате β-распада ядро свинца 21482Рb превратилось в ядро висмута 21483Bi. Напишите уравнение этого распада.
γ-излучение
10. Изменяются ли массовое и зарядовое числа ядра вследствие излучения гамма-кванта?
11. Становится ли атомное ядро ядром другого элемента вследствие излучения гамма-кванта?
5. Закон радиоактивного распада
Периодом полураспада для данного вида радиоактивных ядер называют промежуток времени, в течение которого распадается половина начального числа ядер.
Понятием периода полураспада можно пользоваться только в том случае, когда начальное число радиоактивных ядер достаточно велико , поскольку распад каждого ядра является случайным событием. Ниже об этом мы расскажем подробнее.
1) В приведённой формуле для наглядности указаны зарядовое и массовое числа электрона. Далее электрон мы будем обозначать просто е.
Расчёт (с использованием дифференциального и интегрального исчисления) показывает, что справедлив
закон радиоактивного распада: число радиоактивных атомов Ν, оставшихся через промежуток времени t, выражается формулой
где Ν0 — начальное число атомов, Т — период полураспада.
13. На рисунке 20.3 изображен график зависимости от времени количества оставшихся атомных ядер некоторого радиоактивного изотопа.
Рис. 20.3
Вероятностный характер закона радиоактивного распада
Вероятность того, что данный радиоактивный атом распадётся в течение ближайшей секунды, не зависит от того, сколько времени этот атом существует: миллиард лет, один год или одну секунду.
Это означает, что распад атомного ядра происходит случайно. Однако случайность тоже имеет свои закономерности: невозможно предсказать, когда распадётся данный радиоактивный атом, зато можно предсказать, какая доля радиоактивных атомов распадётся в заданный промежуток времени, используя закон радиоактивного распада.
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
14. Определите количество протонов, нейтронов и электронов в атомах углерода 126С, бериллия 94Ве, радия 22689Ra, цезия 13355Cs.
16. Назовите химический элемент, в атомном ядре которого содержатся:
16. Сколько нейтронов и протонов в ядре атома серебра, в котором содержится 108 нуклонов?
17. Чем отличаются по составу ядра изотопов азота 147N и 157N?
18. Пользуясь периодической системой химических элементов Менделеева, определите состав ядра кобальта, содержащего 32 нейтрона. Запишите соответствующее ему символическое обозначение AΖΧ.
19. Какие из радиоактивных излучений:
20. Какую частицу испустило ядро тория 23090Τh, если в результате радиоактивного распада оно превратилось в ядро радия 22688Ra?
21. Ядро полония-212 испытало один α-распад. Ядро какого химического элемента образовалось при этом? Найдите этот элемент в таблице Менделеева.
22. В результате β-распада ядра какого химического элемента образовался висмут-210?
23. Пусть Ν0 — число радиоактивных атомов в начальный момент времени. Сколько радиоактивных ядер распадётся за время, равное: