Министерство образования, науки и молодежной политики Республики Тыва
МОУ школа-гимназия №5 г. Кызыла
Реферат
на тему
«Ядро атома химического элемента»
Выполнил учащийся 8 «И» класса
Покоянов Марк
Кызыл
2008
Ядро атома обнаружил в 1909-1911годах Эрнест Резерфорд, изучая природу радиоактивности. Более того, он доказалэкспериментально существование ядра атома, «обстреливая» α-частицами фольгу из золота, котораябыла настолько тонкой, что могла висеть в воздухе и пропускала свет.
По расчетам Э.Резерфорда атом, размеры которого не более 10-6нм,имеет ядро диаметром порядка 10-10нм.
В 1913 году Г. Мозли установил, что заряд ядра атома равенпорядковому номеру химического элемента в таблице Д.И. Менделеева.
И, наконец, открытие Э. Резерфордом в 1920 году протона, аДж. Чедвиком в 1922 году нейтрона предложили простейшую модель строения атома:
1) Вцентре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть внутреннего пространства атома(радиус ядра атома водорода равен 6,5 * 10-7нм).
2) Весьположительный заряд и почти вся массаатома сосредоточены в его ядре.
3) Ядраатомов состоят из протонов и нейтронов (общее название – нуклоны)
Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одногопротона. Ядра всех остальных атомов состоят из протонов и нейтронов.
Протонно – нейтроннаямодель ядра атома была предложена в 1932году одновременно и независимо советским физиком Д.Д. Иваненко и В.Гейзенбергом.
Протонобладает массой ( он в 1836,12 раз массивнее электрона), положительным зарядом,равным по абсолютной величине заряду электрона, имеет спин (s=1/2) исобственный магнитный момент. Собственный магнитный момент протона в 660 разменьше магнитного момента электрона.
Нейтронэлектрического заряда не имеет, его масса близка к массе протона, но немногобольше. Нейтрон обладает спином (s=1/2) и собственным магнитным моментом.
Всвободном состоянии нейтрон нестабилен (радиоактивен). Он самопроизвольнораспадается, превращаясь в протон, испуская электрон (е-) и частицу,называемую антинейтрино. Масса антинейтрино равна нулю.
******
Однойиз важнейших характеристик атомного ядра является зарядовое число «Z». Оно равно количеству протонов, входящих всостав ядра, и определяет его заряд, который равен Z * е+ (е – этоабсолютная величина заряда электрона). Число «Z» определяет порядковый номерхимического элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева, поэтому егоназывают атомным номером ядра атомахимического элемента.
Числонуклонов (суммарное число протонов и нейтронов) в ядре атома обозначаетсябуквой «А» и называется массовым числомядра атома.
Числонейтронов равно «N» (N=А-Z).
Обозначение ядер атомов химических элементов приведено в таблице Д.И. Менделеева.
Ядра атомов с одинаковым значением числа Z,но с разными значениями числа А, называется изотопами. Большинство химических элементов имеют по несколькоизотопов. Например, кислород имеет три изотопа, олово – 10 изотопов и т.д.
Ядрас одинаковым массовым числом «А» называются изобарами. Например, аргонAr и кальций Са.
Ядрас одинаковым числом нейтронов N=A-Z носят название изотонов. Например, углерод-13 и азот-14.
Вприроде встречаются химические элементы с атомным номером Z от 1 до 92, исключаятехнеций (Tc, Z=43) и прометий (Pm, Z=61). Плутоний (Pu, Z=94), после полученияего искусственным путем, был обнаружен в ничтожных количествах в природномминерале – смоляной обманки. Остальные трансурановые (следующие в таблицеДмитрия Ивановича Менделеева за ураном) элементы (с Z от 93 до 107 и далее)были получены искусственным путем.
********
Всепопытки построения теории ядра атома наталкиваются на две серьёзные трудности:
1) Недостаточностьзнаний о силах, действующих между нуклонами ядра атома.
2) Чрезвычайнуюгромоздкость квантовой задачи многих тел (ядро атома с массовым числом Апредставляет собой систему из А тел).
Эти трудности вынуждают идти по пути создания ядерныхмоделей, позволяющих описывать сравнительно простыми математическимисредствами, определенную совокупность свойств ядер атома.
Но ни одна из подобных моделей не может дать исчерпывающегоописания ядра атома. Приходится пользоваться несколькими моделями, каждая изкоторых подбирается так, чтобы получить согласие с экспериментом. Все моделиядра атома описать невозможно, но две из них наиболее известны.
*******
Капельнаямодель ядра атома была предложена советским ученым Я.И. Френкелем в 1939 году,и развита затем Н. Бором, другими учеными.
Я.ИФренкель обратил внимание на сходство атомного ядра с капелькой жидкости.Сходство заключается в том, что в обоих случаях силы, действующие междучастицами, — молекулами в жидкости и нуклонами в ядре атома, — являются короткодействующими (действующими наочень близких расстояниях). Кроме того, практически одинаковая плотностьвещества в разных ядрах свидетельствуют о крайне малой сжимаемости ядерноговещества. С той же малой сжимаемостью обладают и жидкости. Указанное сходстводало основание уподобить ядро атома заряженной капельке жидкости.
Капельнаямодель позволила вывести полуэмпирическую (полуэкспериментальную) формулу для энергии связи частиц в ядре,объяснить многие другие явления, в частности процесс деления тяжелых ядер.
********
Оболочечнаямодель ядра атома была развита Марией Гепперт-Майер и другими учеными.
Вэтой модели нуклоны считаются движущимися в неком поле(центрально-симметричном) независимо друг от друга. В соответствии с этим вядре атома имеются дискретные энергетические уровни (подобные энергетическим уровнем электронов в атоме).Эти энергетические уровни заполняются согласно принципу Паули (тем более чтоспины нуклонов равны +1/2). Энергетические уровни группируются в оболочке, вкаждой из которых может находиться определенное число нуклонов (полная аналогияслоям электронной оболочки атома).
Полностьюзаполненная оболочка образует особо устойчивую структуру в ядре атомахимического элемента (подобие атомам инертных газов).
Всоответствии с опытом, особо устойчивыми оказываются ядра атомов, у которыхчисло протонов, либо число нейтронов, либо оба эти числа равны: 2, 8, 20, 28,50, 82, 126 и 152.
Этичисла получили название магических.
Ядраатомов, у которых магическими являются и Z и N, называются дважды магическими.Дважды магических ядер атомов известно всего пять: гелий Не (Z=2, N=2); кислород О (Z=8, N=8); кальций-40 Са40 (Z=20, N=20);кальций-48 Ca48 (Z=20, N=28); свинец Pb(Z=82, N=126).
Распространенностьв природе химических элементов с ядрами,выраженными магическими числами, очень велика.
Ядрахимических элементов, имеющие полностью заполненные нуклонные оболочки,обладают повышенной стабильностью по сравнению с соседними ядрами.
Так,например, тяжелые ядра, характеризующиеся магическими числами, имеютзначительно большие периоды полураспада[1].Например, период полураспада ядер N=126 превосходит период полураспада ядер сN=128.
Согласнооболочечной модели, ядра атомов с чётными значениями Z и N, наиболее стабильны.Менее стабильны ядра атомов с одним чётным значением (Z или N). И, наконец,минимальная стабильность у ядер атомов с нечётными Z и N.
Двести семьдесят три стабильных изотопа,встречающиеся в природе, распределяются в соответствии с этим правиломследующим образом:
Z
N
Число изотопов
Чёт
Чёт
166
Чёт
Нечет
47
Нечет
Чёт
55
Нечет
Нечет
5
*******
Огромнаяэнергия связи нуклонов в ядре атома указывает на то, что между ними имеетсяочень активное взаимодействие. Это взаимодействие носит характер притяжения.Она удерживает нуклоны на расстоянии порядка 10-13 см, друг отдруга, несмотря на сильное электростатическое (кулоновское) отталкивание междупротонами.
Ядерноевзаимодействие между нуклонами получило название сильного взаимодействия. Оно описывается силами, отличительнымиособенностями которых являются:
1) Короткодействие.Силы действуют на расстоянии порядка 10-13см. На расстоянияхсущественно меньших 10-13см. притяжение нуклонов сменяетсяотталкиванием.
2) Сильноевзаимодействие зависит от зарядов нуклонов. Ядерные силы, действующие междудвумя протонами, протоном и нейтроном и двумя нейтронами, имеют одинаковуювеличину.
3) Ядерныесилы зависят от взаимной ориентации спинов нуклонов. Так протон и нейтронудерживаются вместе, если их спины параллельны друг к другу.
4) Ядерныесилы нельзя представить направленными вдоль прямой, соединяющей центры взаимодействующихнуклонов.
5) Ядерныесилы обладают свойством насыщения, которая проявляется в том, что энергия связинуклонов при увеличении их числа не растёт, а остаётся примерно постоянной. Нанасыщение ядерных сил указывает факт пропорциональности объёма ядра числуобразующих его нуклонов.
*****
По современным представлениям сильное взаимодействиеобусловлено тем, что нуклоны виртуально обмениваются частицами, получившиминазвание мюонов.
Представим себе, например, что два человека (два нуклона)несут груз, при чем такой, что двоим одновременно невозможно за него взяться ивместе с тем настолько тяжёлый, что одному не под силу удерживать его долго.Поставить груз на землю и отдохнуть тоже нельзя. Если груз выпадет из рук, топоднять его невозможно.
Если бы не было второго человека, то дело кончилось бы,конечно, тем, что первый рано или поздно выронил бы ношу. Но вместе люди могутнести груз, передавая его, как только наступает усталость от одного к другому.
Нечто подобное происходит и в ядре атома.
В1934 году советский физик И.Е.Тамм высказал предположение, что взаимодействиемежду нуклонами в ядре атома передается посредством каких-то виртуальныхчастиц.
Виртуальнымичастицами в квантовой механике называются частицы, которые невозможнообнаружить за время их существования. Это короткоживущие частицы.
В1935 году японский физик Х. Юкава высказал смелую гипотезу о том, что в природесуществуют пока необнаруженные частицы с массой в 200-300 раз больше массыэлектрона, выполняющие роль переносчиков ядерного взаимодействия. Эти частицыназвали мезонами.
В1936 году Андерсон и Неддермайер обнаружили в космических лучах частицы смассой, равной 207 массам электрона.
Итолько в 1947 году Оккиалини и Поуэл открыли в космическом излучении типмезонов, которые действительнооказались носителями ядерных сил. Их назвалиπ-мезонами (пи-мезонами). Они были предсказаны Юкавой за 12 лет до этого.
Существуютположительные (π+), отрицательные (π-) инейтральные (π0) пи-мезоны.
Былиопределены величины зарядов положительных и отрицательных пи-мезонов, их массы.Была найдена масса нейтрального пи-мезона.
Спинвсех пи-мезонов оказался равным нулю.
Всетри частицы нестабильны. Время их жизни от 2,6 * 10-8с. до 0,8 * 10-6с.
Обменноевзаимодействие между нуклонами заключается в поглощении или испусканиипи-мезона.
Протониспускает положительный пи-мезон и превращается в нейтрон. Нейтрон поглощаетэтот пи-мезон и превращается в протон. Затем процесс протекает в обратномнаправлении. За счёт такого взаимодействия протоны и нейтроны удерживаются вядре атома друг возле друга.
Витоге ядро атома оказывается весьма и весьма стабильным образованием, и потомуатомы химических элементов не распадаются на составные части.
Литература:
1. В.И. Григорьев, Г.Я. Мякишев. Силы в природе.- М.: Наука. Главная редакцияфизико-математической литературы, 1983.
2. Г.Е.Рудзитис, Ф.Г. Фельдман. Химия: Органическая химия. Основы общей химии(Обобщение и углубление знаний): Учебник для 11 класса общеобразовательныхучреждений. – М.: Просвещение, 1999.
3. Энциклопедическийсловарь юного физика для среднего и старшего школьного возраста. Составитель В.А. Чуянов. Москва. «Педагогика», 1984
4. И.В.Савельев. Курс общей физики: том 3. – М.: Наука. Главная редакцияфизико-математической литературы, 1987.
[1]Период полураспада – это время, за которое распадается половина ядер атомов.