Чому дорівнює масове число ядра атома урану 23892

0 Comments

Склад атомного ядра

Атомне ядро — це центральна частина атома, що складається з протонів і нейтронів (які разом називаються нуклонами).

Ядро було відкрито Е. Резерфордом у 1911 р. при дослідженні проходження α-частинок через речовину. Виявилося, що майже вся маса атома (99,95%) зосереджена в ядрі. Розмір атомного ядра має порядок величини 10 -13 -10 -12 см, що в 10 000 разів менше розміру електронної оболонки.

Запропонована Е. Резерфордом планетарна модель атома і експериментальне спостереження їм ядер водню, вибитих α -частинками з ядер інших елементів (1919-1920 рр.), привели вченого до подання про протон. Термін протон був введений на початку 20-х рр. 20-го століття.

Протон (від грец. protons — перший, символ p) — стабільна елементарна частинка, ядро атома водню.

Протон — позитивно заряджена частинка, заряд якої за абсолютною величиною дорівнює заряду електрона e= 1,6 · 10 -19 Кл. Маса протона в 1836 разів більше маси електрона. Маса спокою протона мр= 1,6726231 · 10 -27 кг = 1,007276470 а.е.м.

Другою часткою, що входить до складу ядра, є нейтрон.

Нейтрон (від лат. neuter — ні той, ні інший, символ n) — це елементарна частинка, яка не має заряду, тобто нейтральна.

Маса нейтрона в 1839 разів перевищує масу електрона. Маса нейтрона майже дорівнює (трохи більше) масі протона: маса спокою вільного нейтрона mn = 1,6749286 · 10 -27 кг = 1,0008664902 а.е.м. і перевершує масу протона па 2,5 маси електрона. Нейтрон, поряд з протоном під загальною назвою нуклон входить до складу атомних ядер.

Нейтрон був відкритий у 1932 р. учнем Е. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардуванні берилію α-частинками. Виникаюче при цьому випромінювання з великою проникною здатністю (долала перепону з свинцевої пластини товщиною 10-20 см) посилювало свою дію при проходженні через парафінову пластину (див. малюнок). Оцінка енергії цих частинок по треках в камері Вільсона, зроблена подружжям Жоліо-Кюрі і додаткові спостереження дозволили виключити первісне припущення про те, що це γ-кванти. Велика проникаюча здатність нових частинок, названих нейтронами, пояснювалася їх электронейтральністю. Адже заряджені частинки активно взаємодіють з речовиною і швидко втрачають свою енергію. Існування нейтронів було передбачене Е. Резерфордом за 10 років до дослідів Д. Чедвига. При попаданні α-частинок в ядра берилію відбувається наступна реакція:

Тут Фізика атомного ядра Складу ядра — символ нейтрона; заряд його дорівнює нулю, а відносна атомна маса приблизно дорівнює одиниці. Нейтрон — нестабільна частинка: вільний нейтрон за час ~15 хв. розпадається на протон, електрон і нейтрино — частинки, що позбавлена маси спокою.

Після відкриття Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 р. Д. Іваненко і Ст. Гейзенберг незалежно один від одного запропонували протонно-нейтронну (нуклонну) модель ядра. Відповідно до цієї моделі, ядро складається з протонів і нейтронів. Число протонів Z збігається з порядковим номером елемента в таблиці Менделєєва Д. І.

Заряд ядра Q визначається числом протонів Z, що входять до складу ядра, і кратні абсолютній величині заряду електрона e:

Число Z називається зарядовим числом ядра або атомним номером.

Масовим числом ядра А називається загальне число нуклонів, тобто протонів і нейтронів, що містяться в ньому. Число нейтронів у ядрі позначається літерою N. Таким чином, масове число дорівнює:

Нуклонам (протону і нейтрону) приписується масове число, рівне одиниці, електрону — нульове значення.

Поданням про склад ядра сприяло також відкриття ізотопів.

Ізотопи (від грец. isos — рівний, однаковий і topoa — місце) — це різновиди атомів одного і того ж хімічного елемента, атомні ядра яких мають однакове число протонів (Z) і різне число нейтронів (N).

Ізотопами називаються також ядра таких атомів. Ізотопи є нуклідами одного елемента.

Нуклід (від лат. nucleus — ядро) — будь-яке атомне ядро (відповідно атом) з заданими числами Z і N.

Ізотопи займають одне і те ж місце в Періодичній системі елементів, звідки і пішла їх назва. За своїми ядерними властивостями (наприклад, за здатністю вступати в ядерні реакції) ізотопи, як правило, істотно відрізняються. Хімічні (b майже в тій же мірі фізичні) властивості ізотопів однакові. Це пояснюється тим, що хімічні властивості елемента визначаються зарядом ядра, оскільки саме він впливає на структуру електронної оболонки атома.

Винятком є ізотопи легких елементів. Ізотопи водню 1 Н — протій, 2 Н— дейтерій, 3 Н — тритій настільки сильно відрізняються по масі, що і їх фізичні та хімічні властивості різні. Дейтерій стабільний (тобто не радіоактивний) і входить в якості невеликої домішки (1:4500) у звичайний водень. При з’єднанні дейтерію з киснем утворюється важка вода. Вона при нормальному атмосферному тиску кипить при 101,2°С і замерзає при +3,8ºС. Тритій β-радіоактивний з періодом напіврозпаду близько 12 років.

У всіх хімічних елементів є ізотопи. У деяких елементів є лише нестабільні (радіоактивні) ізотопи. Для всіх елементів штучно отримані радіоактивні ізотопи.

Ізотопи урану. У елемента урану є два ізотопи з масовими числами 235 і 238. Ізотоп складає всього 1/140 частину від більш поширеного .

§ 11. Склад атомних ядер. Атомний номер елемента — заряд ядра його атома

На теперішній час у ядрі атома відкрито такі найважливіші елементарні частинки, як протони (позначають символом р) і нейтрони (позначають символом гі). Вони є різними станами однієї частинки — нуклона.

Різновид атомних ядер з певним числом протонів і нейтронів називають нуклідом.

Відомості про основні частинки, що входять до складу атома, наведено в таблиці 4.

Основні частинки, які утворюють атом

Частинка

Позначення

Автор і рік відкриття

Заряд

Масове число

Маса

кг

а.о.м.

Дж. Дж. Томсон, 1897

Е. Резерфорд, 1920

Протон — стабільна елементарна частинка з позитивним електричним зарядом +1 в одиницях елементарного електричного заряду й масою, що дорівнює 1 а.о.м. (або 1,66 · 10 -27 кг).

Існування протона передбачив і дав йому назву Е. Резерфорд.

Нейтрон — електрично нейтральна елементарна частинка також масою 1 а.о.м.

Невдовзі після відкриття нейтрона український учений Д. Д. Іваненко вперше запропонував протонно-нейтронну модель будови ядра атома, яку в подальшому розвинув німецький фізик В. Гейзенберг.

Відповідно до цієї моделі сумарна кількість протонів Ζ і нейтронів N у ядрі атома певного елемента дорівнює цілочисловому округленому значенню атомної маси, яке називають масовим, або нуклонним, числом атома А:

Масове число = число протонів + число нейтронів.

Оскільки маса кожного протона та нейтрона приблизно дорівнює 1 а.о.м., а маса електрона дуже мала, то масове число атома приблизно дорівнює його відносній атомній масі.

Число протонів у ядрі характеризує його заряд і дорівнює атомному (порядковому) номеру хімічного елемента, або протонному числу Ζ:

За цією формулою можна визначити число нейтронів:

Нуклонне та протонне числа позначають відповідно верхнім і нижнім індексами ліворуч від символу елемента, наприклад:

Через те що позитивний заряд протона й негативний заряд електрона однакові за абсолютним значенням, в атомі як в електронейтральній частинці число електронів в оболонці завжди дорівнює числу протонів у ядрі. Таким чином, позитивний заряд ядра визначає число електронів в електронній оболонці атома й тим самим усі властивості елемента, а також місце його розташування в періодичній системі. У цьому полягає фізичний зміст атомного номера елемента:

атомний номер елемента = числу протонів у ядрі = заряду ядра атома = числу електронів в атомі.

Отже, атом складається з ядра та електронів; ядро (нуклід), у свою чергу, складається з протонів та нейтронів і має позитивний заряд. Нуклідом називають різновид атомів.

Дмитро Дмитрович Іваненко

(1904-1994)

Видатний фізик-теоретик XX ст., автор протонно-нейтронної моделі атомного ядра. Народився в Полтаві. Навчався в Полтавському педагогічному інституті й Харківському університеті.

У 1929 р. очолив теоретичний відділ Українського фізико-технічного інституту. У 1930-1931 рр. — професор Харківського університету, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту.

Ім’я Д. Д. Іваненка назавжди ввійшло в історію світової науки.

Приклад розв’язування задач

Скільки електронів, протонів і нейтронів міститься в атомі Йоду 127 І?

Йод має атомний номер 53, отже, атом Йоду містить 53 протони та 53 електрони. Визначимо число нейтронів у ядрі атома 127 І:

N = А – 53 = 127 – 53 = 74.

Відповідь: 53 електрони, 53 протони, 74 нейтрони.

Запитання та завдання

°1. Які елементарні частинки атома є різними станами однієї частинки — нуклона?

°2. Яку елементарну частинку атома називають протоном? нейтроном? Який заряд та яка маса кожної з них?

3. У чому сутність протонно-нейтронної моделі будови ядра атома? Який учений уперше її запропонував?

°4. Що таке масове, або нуклонне, число атома? За якою формулою його обчислюють?

5. Чому приблизно дорівнює масове число атома?

6. Що таке протонне число? Чому воно дорівнює?

7. Чому атом є електронейтральною частинкою?

8. Чому дорівнює число електронів в електронній оболонці атома?

9. У чому полягає фізичний зміст атомного номера елемента?

10. Атом Карбону містить 6 електронів. Чому дорівнює заряд: а) атома Карбону; б) ядра атома Карбону?

11. Ядро атома хімічного елемента містить два протони й два нейтрони. Запишіть позначення цього атома: укажіть хімічний символ, атомний номер (протонне число) і масове (нуклонне) число.

12. Скільки протонів і нейтронів містяться в ядрах атомів: а) Хлору; б) Цинку?

§ 58. Атомне ядро

Протонно-нейтронна модель атомного ядра. Історію ядерної фізики прийнято відліковувати з 1896 р. У цьому році Анрі Беккерель відкрив явище радіоактивності, яке не можна було пояснити на основі тогочасних уявлень про будову атома.

На початку 30-х років ХХ ст. було досліджено структуру атомного ядра й розроблено його модель, яку й донині використовують для пояснення процесів мікросвіту. Згідно з цією моделлю, до складу ядра атома входять частинки двох видів — протони та нейтрони. (Надалі ми частіше вживатимемо термін «частинки», але не забуваймо, що ці частинки мають і хвильові властивості.)

Протон (позначається р) — стабільна елементарна частинка. З одного протона складається ядро атома Гідрогену. Протон має елементарний позитивний заряд е = 1,6 • 10 -19 Кл.

Нейтрон (позначається n) — електрично нейтральна частинка. Нейтрон — стабільна частинка лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон — нестабільна частинка, яка розпадається на інші частинки.

Нейтрони та протони як складові частини атомного ядра мають спільну назву — нуклони.

Оскільки атом в цілому електронейтральний, а заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то кількість протонів Z у ядрі дорівнює кількості електронів в атомній оболонці. Число Z в атомному ядрі визначає атомний номер і його місце в таблиці Менделєєва. Кожне атомне ядро характеризується зарядом Zе, масою mя і масовим числом А, що дорівнює кількості нуклонів у ядрі, А = N + Z, де N — кількість нейтронів, Z — кількість протонів.

Позначаючи ядра хімічного елемента, вказують кількість протонів Z знизу й масове число А — зверху. Наприклад, ядро Гелію позначається так:

Енергія зв’язку. У ядрі зосереджена майже вся (понад 99,95 %) маса атома. Маси ядер прийнято вимірювати в атомних одиницях маси (а. о. м.). Маса протона mр = 1,672617 • 10 -27 кг = 1,00728 а. о. м. Маса нейтрона mn = 1,674920 • 10 -27 кг = 1,00866 а. о. м. (Згідно з формулою взаємозв’язку маси-енергії Е = mс 2 маси ядер також вимірюють одиницями енергії — електрон-вольтами.)

Дослідженнями доведено, що загальна маса ядра завжди менша від суми мас частинок, з яких воно складається, тобто Мя < Zmp + Мmn . Різницю між сумою мас нуклонів (нейтронів і протонів), які входять до складу ядра, і масою ядра називають дефектом маси Δm. Дефект маси визначає енергію зв’язку: що більший дефект мас, то більша енергія зв’язку й стійкіше ядро.

Енергія зв’язку ядра Езв визначається роботою, яку потрібно виконати, щоб розділити ядро на окремі частинки й віддалити їх одну від одної на таку відстань, на якій їхньою взаємодією можна нехтувати.

Згідно із законом взаємозв’язку маси-енергії: Езв = Δmс 2 . Оскільки енергію зв’язку зазвичай виражають у МеВ, а дефект мас — в а.о.м., і враховуючи, що

для обчислень можна користуватись формулою

Якби не було дефекту маси, то ядро розпалося б на нуклони самостійно, без виконання роботи. Для забезпечення стабільності ядра його маса має бути меншою від суми мас його нуклонів.

Питомою енергією зв’язку називають енергію зв’язку, яка припадає на один нуклон.

На малюнку 244 наведено криву залежності питомої енергії зв’язку від масового числа для стабільних ядер. Як видно з малюнка, питома енергія зв’язку спочатку зростає зі збільшенням масового числа, досягає насичення (близько 8 МеВ/нуклон для А ≈ 15) і для А > 60 крива повільно спадає. Питома енергія зв’язку має максимум (приблизно 8,8 МеВ) для А ≈ 56. Максимум кривої відповідає найстабільнішим ядрам.

Мал. 244. Крива залежності питомої енергії зв’язку від масового числа для стабільних ядер

Сильна взаємодія. Ядра атомів можна аналізувати не лише з погляду енергії, а й з позиції тих сил, які утримують нуклони в ядрі. Сили, які діють між ядерними частинками й зумовлюють утворення атомних ядер, мають особливий характер. Оскільки ці сили перевищують електромагнітну кулонівську силу відштовхування, яка, своєю чергою, перевищує гравітаційну силу притягання, то ці сили дістали назву сильних (ядерних) сил. Ядерні сили належать до нового типу взаємодії — сильної взаємодії.

Дослідження показали, що ядерні сили притягання діють між будь-якими двома нуклонами на відстанях між центрами частинок близько 2 • 10 -15 м і різко зменшуються зі збільшенням відстані; на відстанях, більших за 3 • 10 -15 м, вони вже практично дорівнюють нулю. Коли ж нуклони, зіткнувшись, зближуються до відстані 0,5 • 10 -15 м, ядерні сили перетворюються на сили відштовхування. Пригадайте, подібний характер має взаємодія між молекулами, але сили й енергія взаємодії нуклонів у мільйони разів більші, а відстані між частинками — в мільйони разів менші.

Дуже малий радіус дії ядерних сил свідчить про те, що нуклони всередині ядра взаємодіють лише із сусідніми, а не з усіма нуклонами ядра. Відповідно можна помітити деяку схожість між атомним ядром та краплиною рідини. Нуклони в ядрі, як і молекули в рідині, взаємодіють тільки зі своїми найближчими сусідами. Густина ядра, як і краплини, не залежить від розміру. Поверхневі нуклони односторонньо пов’язанні з внутрішніми, і під дією сил поверхневого натягу ядро, як і краплина, має набувати сферичної форми. У збудженому ядрі нуклони коливаються, подібно до молекул у нагрітій краплині. Численні зіткнення можуть привести до того, що який-небудь з нуклонів дістане енергію, достатню для подолання ядерних сил, і вилетить з ядра. Коли заряджена частинка, наприклад, протон або α-частинка, перебуває на відстані, що перевищує радіус дії ядерних сил, то ядро діє на неї просто як позитивно заряджена краплина. Наведений опис називають краплинною моделлю ядра. Краплинна модель ядра дає змогу обчислити радіуси ядер і наочно пояснити деякі їхні властивості.

Але чи завжди процес зіткнення ядра з іншим ядром або частинкою буде супроводжуватись вильотом нуклона? Чи не може атомне ядро поглинути енергію, одержану під час зіткнення, і перерозподілити її між нуклонами, що входять до його складу, змінивши тим самим свою внутрішню енергію? Що відбуватиметься з таким ядром далі?

Відповіді на ці запитання дали досліди з вивчення взаємодії протонів з атомними ядрами. Виявляється, з поступовим збільшенням енергії протонів спочатку спостерігаються тільки пружні зіткнення з атомними ядрами, кінетична енергія не перетворюється на інші види енергії, а лише перерозподіляється між протоном і атомним ядром як однією цілою частинкою. Однак, починаючи з деякого значення енергії протона, можуть відбуватись і непружні зіткнення, в яких протон поглинається ядром і повністю віддає йому свою енергію. Ядро кожного ізотопу характеризується певним набором «порцій» енергії, які воно може сприйняти. Пояснення властивостей ядра в цьому разі здійснюють за допомогою оболонкової моделі. Згідно із цією моделлю, нуклони в ядрі не перемішані як завгодно, а, подібно до електронів в атомі, розміщуються зв’язаними групами, заповнюючи дозволені ядерні оболонки.

Мал. 245. Енергетичні рівні ядра атома Феруму

Таким чином, квантування енергії та низки інших параметрів є властивістю не лише атомів, а й атомних ядер. Проте між енергетичними діаграмами атомів та атомних ядер є суттєві відмінності. На малюнку 245 зображено енергетичну діаграму ядра ізотопу Феруму

Зверніть увагу, що енергія, потрібна для переведення атомного ядра в збуджений стан, — порядку мегаелектронвольт, коли для переведення у збуджений стан атома достатньо кількох електронвольт.

Самодовільний перехід атомного ядра зі збудженого стану в основний супроводжується випромінюванням гамма-квантів. Гамма-кванти є найбільш короткохвильовим видом електромагнітного випромінювання.

Незважаючи на те, що оболонкова модель атома дає змогу пояснити спектри енергетичних станів, вона, як і краплинна модель, не спроможна пояснити всіх властивостей сильної взаємодії, зокрема обмінний характер ядерних сил. Як ми з’ясуємо згодом, нуклони взаємодіють між собою через третю частинку, якою вони постійно обмінюються.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Які характерні властивості ядерних сил відрізняють їх від інших типів сил — електричних, магнітних, гравітаційних? 2. Не користуючись відповідними таблицями, порівняйте енергії зв’язку таких двох ядер:

3. Нуклони в ядрі мають кінетичну й потенціальну енергії. Яка за модулем сумарна енергія нуклонів більша? Чому?

Приклади розв’язування задач

Задача. Розрахуйте енергію зв’язку ядра атома Дейтерію. Відповідь наведіть в електрон-вольтах. Використайте необхідні довідкові дані з таблиць мас ізотопів.

Вправа 34