Атомное ядро.

Атомное ядро. После того как было открыто сложное строение атома, все внимание физиков было перенесено на атомное ядро. Так же как и атомы, их ядра обладают разнообразными свойствами, которые могут быть объяс­нены только различной структурой ядер. Надо было найти те «кирпичики», или более простые частицы, из ко­торых состоят ядра всех элементов.

Исследования радиоактивных превращений показали, что ядра некоторых элементов могут самопроизвольно распадаться, выбрасывая альфа-частицы и электроны.

Но физикам было ясно, что альфа-частица (ядро атома гелия) не может быть составной частью любого ядра. Ядро водорода, например, приблизительно в четыре раза легче альфа-частицы. Кроме того, большинство атомных ядер имеет массу, не кратную массе альфа-частицы.

При помощи весьма остроумных приборов — масспектрографов физики сумели очень точно измерить массы разных атомов и ядер. Оказалось, что атомные веса всех ядер измеряются числами, кратными весу ядра атома водорода. Поэтому ученые вначале предположили, что ядра всех элементов состоят из разного количества ядер водорода, или, как их принято называть, протонов. Но протон имеет положительный заряд, равный по вели­чине отрицательному заряду электрона. Поэтому ядро с атомным весом А должно, очевидно, иметь А элементар­ных положительных зарядов. Для того же, чтобы атом был в целом нейтрален, его электронная оболочка должна, казалось бы, содержать А электронов. Но это не соответствует действительности: число наружных элек­тронов в атоме значительно меньше. Пришлось сделать предположение, что остальные электроны находятся вну­три ядра. Это как будто бы соответствует действительно­сти. Бета-лучи, получающиеся при радиоактивном распаде ядер, есть не что иное, как поток очень быстрых элек­тронов.

Однако эта гипотеза о протонно-электронной струк­туре ядра, как показали исследования, противоречит мно­гим экспериментальным фактам. В 1932 году был открыт нейтрон — частица, не имеющая электрического заряда, масса которой близка к массе протона. Нейтроны были обнаружены в ядрах почти всех атомов, и на этом осно­вании советским физиком Д. Д. Иваненко была выска­зана идея о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Эта теория была подтверждена всеми дальней­шими исследованиями и яв­ляется в наше время общепри­нятой.

Схема строения самых про­стых ядер показана на рис. 2. Наиболее простым является ядро водорода. Оно состоит из одной частицы — протона, которая входит в состав всех остальных ядер. Ядро гелия уже значительно сложнее и состоит из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов. А ядро урана имеет весьма сложное строение: в нем 238 частиц, из кото­рых 92 протона и 146 нейтронов.

Общее число протонов и нейтронов в ядре равно мас­совому числу М, которое представляет собой округленный до целого числа атомный вес А.

clip_image002

Рис. 2. Схема строения са­мых простых ядер

Количество протонов в ядре равно числу наружных электронов, то есть атомному номеру Z. Зная массовое число (атомный вес) и номер химического элемента в периодической системе, очень легко определить количе­ство нейтронов в атомном ядре. Оно равно: N = М — Z.

Заряд ядра определяется количеством протонов, и лю­бое уменьшение или увеличение их числа вызывает изме­нение числа электронов в электронной оболочке атома.

Поэтому такое изменение числа прото­нов меняет химические свойства атома. Происходит превращение атома одного элемента в другой.

Удаление или прибавление нейтронов в ядре не приводит к образованию нового химического элемента, так как заряд и, следовательно, номер элемента в перио­дической системе остаются прежними. Такие атомы отличаются друг от друга массами и, обладая одними и теми же химическими свойствами, являются раз­новидностями одного химического эле­мента. Эти разновидности называются изотопами, то есть веществами, находя­щимися в одной клетке периодической си­стемы Менделеева. Каждый химический элемент, встречающийся в природе, пред­ставляет собой обычно смесь разновидно­стей этого элемента и является природной смесью изотопов.

clip_image004

Рис. 3. Схема строения изо­топов водорода

У водорода, например, три изотопа, схемы атомов которых приведены на рис. 3. В ядре каждого изотопа водорода есть один протон, и поэтому во всех ато­мах существует по одному электрону, который уравновешивает положительный заряд ядра. Дейтерий — устойчивый изо­топ водорода с массовым числом 2 — со­держится в природном водороде в ко­личестве 0,02 процента. Ядро его атома состоит из одного протона и нейтрона. Ядро сверхтяже­лого радиоактивного водорода — трития состоит из трех частиц: одного протона и двух нейтронов. Трития в при­родной смеси водорода почти нет. Но сейчас он может быть получен в довольно больших количествах искус­ственно в ядерных реакторах.

Число устойчивых изотопов у отдельных химических элементов, например у олова, доходит до 10.

В настоящее время физикам известно около трехсот устойчивых и примерно восемьсот радиоактивных изо­топов.