фізика 11 клас 30.03.2020

Тема: Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Ядерні сили. Енергія зв’язку атомних ядер

Пригадайте

- Що вам відомо про протон і нейтрон?

Складові частинки атомного ядра. Нуклони.

До 20-х років XX ст. фізики вже не сумнівалися в тому, що атомні ядра також мають складну структуру. У цьому їх переконували численні експериментальні факти. Так, у 1919 р. Ернест Резерфорд, здійснюючи експерименти з розщеплення ядер атомів багатьох елементів, виявив частинку, яку згодом назвав протоном (позначається — р). Він висловив припущення, що протони входять до складу всіх атомних ядер.

Після відкриття протона було висловлено припущення, що ядра атомів складаються тільки з протонів. Однак це припущення виявилося неспроможним, оскільки відношення заряду ядра до його маси є різним для різних ядер.

У 1930 р. Вальтер Боте й Герберт Бекер з Гісенського університету проводили опромінення Берилію альфа-частинками й вивчали утворений при цьому потік нових частинок. Оскільки ці частинки не взаємодіяли з електричним і магнітним полями, було зроблено висновок, що випромінюються електрично нейтральні частинки.

Мал. 179. Модель атомного ядра

Подібні досліди в 1932 р. повторили Федерік Жоліо-Кюрі, Марія Склодовська-Кюрі, Джеймс Чедвік. Ці досліди підтвердили існування елементарної частинки, яку тепер називають нейтроном (позначається — n).

У 1932 р., після відкриття протона й нейтрона ученими Дмитром Дмитровичем Іваненком (Україна) і Вернером Гейзенбергом (Німеччина), була запропонована протонно-нейтронна модель ядра атома (мал. 179).

Відповідно до цієї моделі:

- ядра усіх хімічних елементів складаються з протонів і нейтронів (нейтрони і протони, як складові частинки ядер, мають спільну назву — нуклони);

- сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (або масовим) числом і позначають символом А;

- кількість протонів називають протонним (або зарядним) числом і позначають символом Z;

- протонне число відповідає порядковому номеру елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва;

- кількість нейтронів дорівнює різниці між масовим і протонним числом N = А - Z);

- заряд ядра обумовлений тільки протонами;

- кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів, що обертаються навколо нього.

Для умовного позначення ядер атома хімічного елемента використовують символ X, де А — нуклонне число; Z — протонне число. Певне атомне ядро з відомими А, Z, і N ще називають нуклідом.

Опишемо будову довільного атома. Наприклад, хімічний елемент Алюміній

Його порядковий номер 13, отже, у ядрі міститься 13 протонів (протонне число Z = 13). Оскільки атом електрично нейтральний, то навколо ядра обертається 13 електронів. Нуклонне число А = 27. Визначимо кількість нейтронів у ядрі: N = А - Z = 27 - 13 = 14.

Ви звернули увагу, що масове число нам довелось округлити до цілих? У чому тут причина? Річ у тім, що ядра атомів хімічного елемента можуть відрізнятися кількістю нейтронів. Атоми хімічного елемента, у ядрах яких міститься однакова кількість протонів і різна кількість нейтронів, називаються ізотопами. Атомна маса природного хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва є середньою атомною масою всіх його ізотопів.

Властивості й природа ядерних сил. Ядра атомів — це дуже стійкі утворення, які стійкіші, ніж атоми. Так, наприклад, щоб розділити ядро Гелію на окремі нуклони, необхідно витратити в сотні тисяч разів більше енергії, ніж для відриву обох його електронів від ядра. Це пояснюється тим, що між нуклонами в ядрі існує особлива, внутрішньоядерна взаємодія, тобто діють особливі — ядерні сили. Що ж це за сили?

Ядерні сили мають такі специфічні властивості:

- діють на відстанях, сумірних із розмірами нуклонів (порядку 1 · 10¹⁵ м), і різко зменшуються при збільшенні відстані (на відстанях 1,4 · 10¹⁵ м вони вже практично не діють);

- це найпотужніші сили, що є в природі, тому взаємодію частинок у ядрі часто називають сильною взаємодією;

- ядерним силам властиве насичення (окремий нуклон взаємодіє не з усіма іншими нуклонами, а лише з найближчими сусідами);

- ядерним силам властива зарядова незалежність (заряджені й незаряджені частинки притягуються з однаковою силою, тобто сила взаємодії між двома протонами дорівнює силі взаємодії між двома нейтронами й дорівнює силі взаємодії між протоном і нейтроном);

- ядерні сили не є центральними (тобто вони не направлені уздовж прямої, що сполучає центри взаємодіючих частинок);

- ядерні сили є так званими обмінними силами (взаємодія між нуклонами виникає внаслідок обміну між ними деякою третьою частинкою).

Підбиваємо підсумки

- Ядра всіх хімічних елементів складаються з нуклонів: протонів і нейтронів, між якими існує особлива внутрішньоядерна взаємодія (сильна взаємодія) і діють особливі ядерні сили. Ядерні сили мають специфічні властивості, які відрізняють їх від сил, що діють під час електромагнітної взаємодії.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

1. У чому суть протонно-нейтронної моделі ядра атома?

2. Які сили діють між нуклонами в ядрі? Опишіть їхні особливості. До якого типу взаємодії належать ядерні сили?

3. Як у ядерній фізиці позначають хімічний елемент? Схарактеризуйте за цими параметрами Літій.

4. Яка частинка має більшу масу: протон чи електрон? У скільки разів більшу?

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі