Число. Изотопы

Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома.

Исследуя прохождение узкого пучка альфа-частиц через тонкие слои вещества, Резерфорд обнаружил, что большинство из них проходит сквозь золотую фольгу толщиной около 4·10^–7 м, состоящую из тысячи слоев атомов, почти не отклоняясь от первоначального направления, как будто бы на их пути не было никаких препятствий. Однако очень небольшая доля этих частиц отклонялась на большие углы, испытав действие больших сил. Примерно одна из каждых восьми тысяч альфа-частиц отклонялась в направлении, противоположном первоначальному

До этого опыта господствовали представления об атоме как о разреженном и в целом нейтральном шаре, который не мог остановить и отбросить назад заряженную частицу, движущуюся с большой скоростью. В опытах Резерфорда  -частицы обладали кинетической энергией около 5 МэВ, что дает скорость  -частиц около 15 000 км/с. Резерфорд писал: «Это было столь же неправдоподобно, как если бы Вы произвели выстрел по обрывку папиросной бумаги 15-дюймовым снарядом, а он вернулся бы назад и угодил в Вас!».

Для того чтобы понять новое явление, Резерфорд с сотрудниками подсчитал число -частиц, рассеяных на различные углы, и оценил размеры ядра. На основе результатов этих измерений Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, согласно которой строение атома подобно строению Солнечной системы.

В центре каждого атома (рис. 3) имеется положительно заряженное ядро радиусом порядка 10^–14 м, а вокруг него на расстояниях около 10^–10 м подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца, по круговым орбитам движутся электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в атомном ядре. Альфа-частицы могут без рассеяния проходить через тысячи слоев атомов, так как основная часть пространства внутри атома пуста, а столкновения с легкими электронами почти не влияют на движение тяжелой альфа-частицы. Заметное отклонение этих частиц от первоначального направления происходит только при их столкновениях с атомными ядрами.

После открытия атомных ядер были измерены их размеры, электрические заряды и массы. В 1913 г. английский физик Г.Мозли установил, что ядра атомов различных химических элементов имеют различные заряды, которые связаны с атомными номерами Z химических элементов. Заряд q ядра атома какого-либо химического элемента с порядковым номером Z в таблице Менделеева равен:

q = eZ

где e = 1,6·10^–19 Кл – элементарный электрический заряд, равный модулю заряда электрона.

На основании обнаруженной закономерности – зависимости заряда q ядра от порядкового номера Z химического элемента – можно было предположить, что атомное ядро с порядковым номером Z построено из одинаковых заряженных частиц, обладающих элементарным зарядом e. Такой частицей мог быть протон – ядро атома водорода. Положительный электрический заряд протона равен элементарному заряду e, а масса протона равна:

m _p = 1,6726·10^–27 кг.

Однако ядро атома гелия – второго элемента таблицы Менделеева – имеет заряд, равный двум элементарным зарядам, а его масса превосходит массу протона примерно в 4 раза, а не в два. Подобные расхождения наблюдаются и у ядер атомов всех остальных химических элементов. Следовательно, атомные ядра не могут состоять только из протонов.

В 1932 г. английский физик Дж.Чадвик открыл новую элементарную частицу – нейтрон. Нейтрон не имеет электрического заряда, а его масса немного больше массы протона:

m _n = 1,6749·10^–27 кг.

Ядра атомов всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов. Число Z протонов называется атомным номером химического элемента. Сумма числа протонов Z и числа нейтронов N называется массовым числом и обозначается буквой A:

A = Z + N

Массовое число A с хорошей точностью выражает массу ядра в атомных единицах массы (а.е.м.). Атомные ядра всех атомов имеют форму, близкую к форме шара. Радиус атомного ядра возрастает с увеличением атомного номера элемента и составляет 10^–15 ÷ 10^–14 м.

Точные измерения масс атомов показали, что все химические элементы имеют изотопы – атомы с одинаковым числом Z протонов, но с разным числом N нейтронов в атомном ядре. При одинаковом числе протонов атомы изотопов обладают одинаковым строением электронных оболочек. Следовательно, они являются атомами одного химического элемента и обладают одинаковыми химическими свойствами. Изотоп X, содержащий Z протонов в ядре и обладающий массовым числом A, обозначается как: .

Между одноименно заряженными протонами в атомных ядрах действуют кулоновские силы отталкивания. На расстоянии порядка 10^–14 м эти силы очень велики, однако протоны не разлетаются в противоположные стороны. Следовательно, между протонами кроме кулоновских сил отталкивания действуют силы другой физической природы, являющиеся силами притяжения. Эти силы назвали ядерными силами.

Ядерные силы на расстояниях ~1,5·10^–15 м значительно превосходят кулоновские силы отталкивания, но с увеличением этого расстояния очень быстро убывают. На расстояниях порядка радиуса атома действие ядерных сил ничтожно мало по сравнению с действием электромагнитных сил между протонами.

Ядерные силы притяжения одинаково действуют между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном. Одинаковая способность протонов и нейтронов к ядерному взаимодействию служит основанием для рассмотрения их в качестве двух состояний одной частицы

Поиск по сайту: