Състав и структура на атомното ядро ​​(накратко)

Дълго преди появата на надеждни данни за вътрешната структура на всичко, което съществува, гръцките мислители са си представяли материята под формата на най-малките огнени частици, които са в постоянно движение. Вероятно тази визия за световния ред на нещата е извлечена от чисто логически изводи. Въпреки известната наивност и абсолютна необоснованост на това твърдение се оказа вярно. Въпреки че учените биха могли да потвърдят смело предположение само двадесет и три века по-късно.

Атомна структура

В края на 19-ти век се изследват свойствата на разтоварващата тръба, през която минава ток. Наблюденията показват, че в този случай се отделят два потока частици:

1. Катодните лъчи, които се образуват в близост до електродите, свързани към отрицателния край на батерията. Катодните лъчи преминават през тръбата и могат да се промъкнат през дупката в положителния електрод, като поток от заредени частици. Наблюденията показват, че връзката на заряда на такава частица с неговата маса винаги е една и съща и не зависи от вида газ.
2. Положителни лъчи. Вторият поток от частици отива в обратна посока и може да премине в дупката в отрицателния електрод. Отклоненията в полетата показват, че те имат високи скорости и различни стойности на съотношението заряд-маса.

Отрицателните частици катодни лъчи се наричат ​​електрони. Впоследствие в много процеси бяха открити частици със същото съотношение на заряд-маса. Електроните изглеждаха универсални компоненти от различни атоми, които лесно се отделят при бомбардиране на йони и атоми.

Частиците, носещи положителен заряд, изглеждаха фрагменти от атоми след загуба на един или повече електрони. Всъщност положителните лъчи бяха групи от атоми, лишени от отрицателни частици, и като резултат имаха положителен заряд.

Модел на Томпсън

Въз основа на експериментите беше установено, че положителните и отрицателните частици представляват същността на атома, са негови компоненти. Английският учен Дж. Томсън предложи теорията си. Според него, структурата на атома и атомното ядро ​​е вид маса, в която отрицателните заряди са притиснати в положително заредена топка, като стафиди в торта. Компенсацията на таксата направи „cupcake“ електрически неутрален.

Модел на Ръдърфорд

Един млад американски учен Ръдърфорд, анализирайки следите, останали след алфа частици, стигна до заключението, че моделът на Томпсън е несъвършен. Някои алфа частици бяха отклонени при малки ъгли - 5-10 ^o . В редки случаи алфа частиците се отклоняват при големи ъгли 60-80 ^o , а в изключителни случаи ъглите са много големи - 120-150 ^o . Моделът на Томсън на атома не може да обясни тази разлика.

Ръдърфорд предлага нов модел, който обяснява структурата на атома и атомното ядро. Физиката на процесите твърди, че атомът трябва да е 99% празен, с малък ядро ​​и електрони, които се въртят около него, които се движат по орбити.

Отклоненията в ударите, той обяснява с факта, че частиците на атома имат свои собствени електрически заряди. Под въздействието на бомбардиращи заредени частици атомните елементи се държат като обикновени заредени тела в макрокосмоса: частици с еднакви заряди се отблъскват и с противоположни заряди се привличат.

Състояние на атомите

В началото на миналия век, когато стартираха първите ускорители на елементарни частици, всички теории, обясняващи структурата на атомното ядро ​​и самия атом, чакаха експериментална проверка. По това време взаимодействията на алфа и бета лъчи с атоми вече са добре проучени. До 1917 г. се смяташе, че атомите са или стабилни, или радиоактивни. Стабилните атоми не могат да се разделят, разпадането на радиоактивните ядра не може да се контролира. Но Ръдърфорд успя да опровергае това мнение.

Първи протон

През 1911 г. Е. Ръдърфорд изтъква идеята, че всички ядра са съставени от идентични елементи, основата на които е водороден атом. По тази идея, ученият настоява за важен извод от предишни изследвания на структурата на материята: масите на всички химически елементи се разделят без остатък от масата на водорода. Новото предположение отвори безпрецедентни възможности, позволявайки нов поглед върху структурата на атомното ядро. Ядрените реакции трябва да потвърдят или опровергаят нова хипотеза.

Експериментите са проведени през 1919 г. с азотни атоми. Като ги бомбардира с алфа частици, Ръдърфорд постигна изненадващ резултат.

Атом N абсорбира алфа частицата, след това се превръща в кислороден атом ¹⁷ и излъчва ядро ​​на водород. Това беше първата изкуствена трансформация на атом от един елемент в друг. Такова преживяване внушава надежда, че структурата на атомното ядро, физиката на съществуващите процеси позволяват други ядрени трансформации.

Ученият използвал в експериментите си метода на сцинтилацията. От честотата на изригванията той прави заключения за състава и структурата на атомното ядро, за характеристиките на произведените частици, за тяхната атомна маса и поредния номер. Непозната частица се нарича Rutherford proton. Той имал всички характеристики на водороден атом, лишен от единствения му електрон - единичен положителен заряд и съответната маса. Така беше доказано, че протонът и ядрото на водорода са еднакви частици.

През 1930 г., когато са построени и пуснати в експлоатация първите големи ускорители, атомният модел на Ръдърфорд е тестван и доказан: всеки водороден атом се състои от един електрон, чиято позиция е невъзможно да се определи, и един свободен атом с един положителен протон. Тъй като протони, електрони и алфа частици могат да летят от атом при бомбардиране, учените смятат, че са компоненти на всяко атомно ядро. Но такъв модел на атомното ядро ​​изглеждаше нестабилен - електроните бяха твърде големи, за да се поберат в ядрото, освен това имаше сериозни трудности, свързани с нарушаването на закона за инерцията и запазването на енергията. Тези два закона, като строги счетоводители, казват, че количеството на движението и масата по време на бомбардировките изчезват в неизвестна посока. Тъй като тези закони бяха общоприети, беше необходимо да се намерят обяснения за подобно изтичане.

неутрони

Учени от цял ​​свят организираха експерименти, насочени към откриването на нови съставки на атомните ядра. През 30-те години германските физици Бекер и Боте бомбардират берилиевите атоми с алфа частици. В този случай бе записана неизвестна радиация, за която беше решено да се нарича G-лъчи. Подробни проучвания описват някои от характеристиките на новите лъчи: те могат да се разпространяват стриктно по права линия, да не взаимодействат с електрически и магнитни полета и да имат висока проникваща сила. По-късно частиците, формиращи този вид радиация, са открити при взаимодействието на алфа частици с други елементи - бор, хром и др.

Хипотезата на Чадуик

Тогава Джеймс Чадуик, колега и ученик в Ръдърфорд, в списание "Природа" даде кратко съобщение, което по-късно стана известно. Чадуик обърна внимание на факта, че противоречията в законите за запазване лесно се решават, като се приема, че новата радиация е поток от неутрални частици, всяка от които има маса, приблизително равна на масата на протона. Имайки предвид това предположение, физиците съществено допълниха хипотезата, обясняваща структурата на атомното ядро. Накратко, същността на допълненията се свежда до нова частица и нейната роля в структурата на атома.

Неутронни свойства

Откритата частица е получила името "неутрон". Новооткритите частици не образуват електромагнитни полета около себе си, те лесно преминават през веществото, без да губят енергия. В редки сблъсъци с леки ядра от атоми, неутронът е в състояние да избие ядро ​​от атом, като загуби значителна част от енергията си. Структурата на атомното ядро ​​предполага наличието на различен брой неутрони във всяко вещество. Атомите със същия ядрен заряд, но с различен брой неутрони, се наричат ​​изотопи.

Неутроните служат като отличен заместител на алфа частици. В момента те се използват за изследване на структурата на атомното ядро. Накратко, тяхното значение за науката не може да бъде описано, но именно благодарение на неутронното бомбардиране на атомните ядра физиците успяха да получат изотопи на почти всички известни елементи.

Съставът на ядрото на един атом

В момента структурата на атомното ядро ​​е комбинация от протони и неутрони, държани заедно от ядрените сили. Например, хелиевото ядро ​​е сноп от два неутрона и два протона. Леките елементи имат почти еднакъв брой протони и неутрони, докато тежките елементи имат много по-голям брой неутрони. Тази картина на структурата на ядрото се потвърждава от експерименти върху модерни големи ускорители с бързи протони. Електрическите сили на протонното отблъскване се балансират от ядрените сили, които действат само в самото ядро. Въпреки че природата ядрени сили все още не е напълно разбрано, тяхното съществуване е почти доказано и напълно обяснява структурата на атомното ядро.

Връзката на масата и енергията

През 1932 г. камерата на Уилсън засне невероятна снимка, доказваща съществуването на положително заредени частици, с електронна маса. Преди това положителните електрони бяха теоретично предсказани от П. Дирак. В космическото лъчение бе открит и реален положителен електрон. Ново парче се нарича позитрон. Когато се сблъска с неговия близнак - електрон, се случва унищожението - взаимното унищожаване на две частици. Това освобождава определено количество енергия.

Така теорията, разработена за макросвета, е напълно подходяща за описване на поведението на най-малките елементи на материята.