Атомное ядро. Раскрывая тайны

Современное представление об атоме, подтверждением которому являются труды большего количества учёных-теоретиков и естествоиспытателей двадцатого века, позволяет нам с высокой степенью вероятности судить о его строении и наличии в его составе различных элементарных частиц. Атомное ядро представляет собой центральную массивную часть атома. В его состав входят протоны и нейтроны, получившие общее название - нуклоны. Основная масса атома (99,95%) сосредоточена в его ядре. Размер его ничтожно мал, а электрический заряд положительный и кратен абсолютному заряду одного электрона.

Видео: Строение атомного ядра. Ядерные силы

По количеству электронов, или заряду атомного ядра, можно судить об индивидуальных свойствах элемента. Это число соответствует его порядковому номеру в периодической системе.

Открытие атомного ядра является заслугой Э. Резерфорда (Е. Rutherford), его опыты в 1911 году с рассеиванием a-частиц при прохождении их через вещество позволили с высокой долей вероятности описать конструкцию атома.

Видео: Раскрывая тайны звезд. Софико Чиаурели (2016)

За основу было взято атомное ядро водорода, а элементарная частица, составляющая основу ядер других химических элементов, получила с 1920 года имя протон. Но протон-электронная структура атома имела целый ряд недостатков и не объясняла многие физические явления.

К описанию состава ядра наука об элементарных частицах подошла вплотную после открытия нейтрона. В 1932 году Дж.Чедвик (J. Chadwick), В. Гёйзенберг (W. Heisenberg) и Д. Д. Иваненко сделали предположение о наличии в ядре частицы с нейтральным зарядом. А строительным материалом, из которого состоит атомное ядро, являются протоны и нейтроны. Количество нуклонов определяет массовое число элемента.

Вещества, имеющие одинаковое количество протонов в ядре (заряд ядра), именуются изотопами. Изотоны – вещества, имеющие одинаковое количество нейтронов. Вещества с одинаковым количеством нуклонов - изобары.

Физика атомного ядра предполагает наличие более мелких составных "кирпичиков" для нейтронов и протонов. Кварки, глюоны, мезонные поля составляют сложную систему - атомное ядро. Дальнейшее описание сложных взаимосвязей элементарных частиц берёт на себя квантовая хромодинамика.

Видео: Квантовая физика. Мир внутри атомного ядра. Видеолекция

Задаваясь проблемой стабильности ядра, в состав которого входят как частицы, не имеющие электрического заряда (нейтроны), так и положительно заряженные протоны, ученые пришли к выводу, что в ядре существуют особо действующие ядерные силы, которые отличаются и от электромагнитных, и от гравитационных.

Влияние этих сил строго ограничено расстоянием, они относятся к короткодействующим и ограничены незначительным радиусом действия.

К заряду нуклонов ядерные силы проявляют изрядную независимость. Одинаково притягиваются абсолютно разные частицы. Это явление ярко проявляется при сравнении энергий связи зеркальных ядер. Такое название получили ядра с одинаковым количеством нуклонов, вот только количество протонов в одном соответствует количеству нейтронов в другом и наоборот. Примером могут быть ядра гелия и трития (тяжелого водорода).

Также необычные явления происходят в процессе образования ядер. Если подсчитать массу ядра и отдельно массы элементов, входящих в его состав, то масса ядра окажется меньше. Подобный эффект объясняется выделением в процессе синтеза ядра энергии, которая получила название энергия связи атомных ядер. Численно её можно определить, подсчитав величину работы, которую потребуется совершить для расщепления ядра на составляющие элементы (нуклоны) без сообщения им определённой кинетической энергии.

В связи с этим было введено понятие удельной энергии связи ядра. Её рассчитывают в численном эквиваленте, приходящимся на один нуклон, что в среднем составляет 8 МэВ/нуклон. С увеличением количества нуклонов в ядре происходит убывание энергии связи.

В качестве критерия устойчивости атомных ядер используют соотношение числа протонов и нейтронов.