Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow ОБЩАЯ ХИМИЯ
Посмотреть оригинал

Строение атомных ядер

После того как были установлены сложная природа атома, наличие в его составе тяжелого ядра (99,98% всей массы атома) с малым диаметром и гигантской плотностью и целого сонма электронов, движущихся вокруг ядра, предстояло глубже изучить как строение ядра, так и характер движения электронов.

Многие факты свидетельствовали о сложном составе атомного ядра. Достаточно вспомнить, что ядро атома радия превращается в ядро гелия и ядро радона. Следовательно, ядро не является чем-то монолитным. Но следует обратить внимание на то, что явление радиоактивности наблюдалось только у тяжелых элементов, а ядра легких атомов не обнаруживали признаков неустойчивости. Однако уже вскоре после создания ядер- ной модели атома Резерфордом были достигнуты в этой области новые успехи. Он использовал а-лучи радия для «обстрела» газообразного азота. Те а-частицы, которые сталкивались непосредственно с ядром атома азота, выбивали из него положительно заряженную частицу с массой, равной атому водорода, а сами захватывались ядром, образуя один из изотопов кислорода:

Простейшую частицу с зарядом +1 и массой 1 а.е.м. Резерфорд назвал протоном. В принципе, нет никакой разницы между ядром атома водорода и протоном, это одна и та же частица. Главный результат эксперимента состоял в том, что протон удалось выбить из легкого ядра. Стало весьма вероятным предположение, что ядра всех атомов состоят из протонов. В последующих опытах протоны удавалось выбивать и из многих других атомных ядер.

Открытие возможности превращения ядер с применением а-частиц вызвало быстрый прогресс в развитии физических методов изучения ядер- ных процессов. В распоряжении исследователей были ничтожные количества радиоактивных а-излучателей, процент попадания а-частиц в атомные ядра, используемые в качестве мишеней, был ничтожен. Такая методика не могла удовлетворить физиков. Потребовалось создание специальных установок, позволяющих получать мощные потоки заряженных частиц.

Первые установки для этой цели были созданы в начале 30-х гг. XX в. Вместо а-частиц в них был применен мощный поток протонов, получаемый из обыкновенного водорода в вакуумной разрядной трубке. Иод действием электрического поля напряжением до нескольких миллионов вольт протоны разгонялись до очень больших скоростей. В конце разгонной трубки помещались изучаемые вещества. При таких условиях быстрые протоны оказались способными действовать на ядра многих элементов, вызывая их превращения.

Первой мишенью, взятой для бомбардировки протонами, был литий. Результатом расщепления ядра лития было выделение большой энергии, значительно превышающей энергию ударяющегося протона, и превращение реагирующих частиц в два ядра гелия:

Во многих других ядерных превращениях также наблюдалось образование ядер гелия. Новый метод инициирования ядерных превращений открыл широкие перспективы для детального изучения строения атомного ядра. Очевидным преимуществом метода была его управляемость: возможность регулировать скорость протонов и собирать их в узкий пучок. Использование электростатических установок представляло большой шаг вперед по сравнению с применением радиоактивных источников, но и эта техника быстро перестала удовлетворять физиков. На смену этим установкам пришли циклотроны, в которых ускорение частиц происходит под действием переменного электрического поля. Циклотроны представляют собой огромные сооружения. В одном из них масса магнита составляла 4000 т.

Во второй половине XX в. стало очевидным, что познание глубинной структуры материи, проверка теорий элементарных частиц невозможны без сверхмощных ускорителей. В Европе на границе Франции и Швейцарии построен адронный коллайдер (ускоритель для сталкивающихся пучков частиц) с подземной круговой вакуумной камерой длиной 27 км. Этот коллайдер предназначен, в частности, для изучения структуры частиц, составляющих атомное ядро, и проверки стандартной теоретической модели.

Заряд и массу ядер не удавалось привести в соответствие без допущения, что в ядрах наряду с протонами имеются и электроны, так как число массовых единиц в ядре превышает заряд ядра. На присутствие электронов в составе ядер косвенно указывает и p-распад, приводящий к увеличению заряда ядра на единицу. Например, один из изотопов урана превращается в ближайший трансурановый элемент нептуний в результате р-распада:

Напомним, что образовавшийся электрон — это и есть р-частица, вылетевшая из ядра урана. Заряд ядра увеличился, а массовое число при потере электрона не изменилось.

Гипотеза о том, что атомные ядра состоят из протонов и электронов, продержалась в науке всего десять с небольшим лет. Новое открытие сильно изменило представление об атомном ядре. В 1930 г. было обнаружено, что при попадании а-лучей на поверхность бериллия возникают новые лучи с огромной проникающей способностью. Слой свинца толщиной 3 см поглощает их лишь наполовину. Природа этих лучей была установлена в 1932 г. Дж. Чедвиком. Оказалось, что они представляют собой поток ранее не наблюдавшихся электрически нейтральных частиц с массой, незначительно превышающей массу протона. Эти частицы были названы нейтронами; в соответствии со сказанным они обозначаются п° или п. Они возникают в результате следующей ядерной реакции:

В дальнейших исследованиях оказалось, что нейтроны образуются также при взаимодействии а-частиц с атомами лития, бора, фтора, алюмини я и других элементов. Огромная проникающая способность нейтронов объясняется отсутствием у них электрического заряда. Пролетая сквозь вещество, они не взаимодействуют с электрическими зарядами и поглощаются только при прямом попадании в атомные ядра. Вероятность этого становится достаточно высокой только в толстом слое вещества.

Свободный нейтрон оказался неустойчивой частицей со средним временем существования 14,8 мин. При распаде нейтрона образуются протон и электрон ((3-частица) и возникает излучение особого вида частиц — антинейтрино, движущихся почти со скоростью света. В устойчивых атомных ядрах нейтрон тоже становится устойчивым, но в неустойчивых — сохраняется возможность его распада с вылетом р-частицы.

После открытия нейтронов физик Д. Д. Иваненко (СССР) предложил новое объяснение строения ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны составляют только оболочку ядра. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны. В табл. 4.2 приведены основные данные о субатомных частицах.

Таблица 4.2

Субатомные частицы

Символ

Название

Масса

Заряд

Спин s

а.е.м.

т{е) = 1

(вращение)

„0

Нейтрон

1,0087

1838,6

0

1/2

Р+

Протон

1,0073

1836,1

+ 1

1/2

е~

Электрон

0,0005486

1

-1

1/2

Массовое (нуклонное) число А ядра равно суммарному числу протонов и нейтронов. Вследствие того что эти частицы имеют массы, близкие к 1 а.е.м., массовое число совпадает с округленной до целого числа атомной массой. Число протонов равно порядковому номеру элемента и характеризует заряд ядра Z. Поэтому, обозначая число нейтронов как N, можно написать равенство:

Первые две величины являются индексами в обозначении нуклида. Отсюда можно рассчитать число нейтронов в атомном ядре.

Пример 4.1. Сколько нейтронов находится в ядре нуклида 2^U?

Решение. Расшифруем данные: А = 238; Z = 92; отсюда

Раскрытие природы атомного ядра позволило объяснить известную странность в таблице Менделеева: в трех случаях более тяжелые элементы расположены впереди более легких (табл. 4.3). Заряды ядер однозначно подтверждают, что последовательность элементов установлена правильно. Однако в каждой паре элементов у предшествующего элемента преобладают более тяжелые изотопы, а у последующего — более легкие.

Распространенность в природе главных изотопов элементов с аномальной атомной массой

Таблица 4.3

Элемент

Атомный номер

А,-

А нуклида и содержание в %

Аргон

18

39,948

40 - 99,6

Калий

19

39,098

39 - 93,3

Кобальт

27

58,933

59 - 100

Никель

28

58,693

58 - 67,3 60 - 26,1

Теллур

52

127,60

126 - 18,9 129-31,7 130 - 34,0

Иод

53

126,904

127- 100

Установление структуры атомных ядер повлекло за собой новое понимание закона периодичности. Основной характеристикой химического элемента оказался заряд ядра, называемый также атомным номером. Масса атома тоже является функцией атомного номера, характер которой усложнен существованием изотопов. С учетом всего этого закон Менделеева стали формулировать следующим образом.

Свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от зарядов атомных ядер.

 
Посмотреть оригинал
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы