Строение атомного ядра. Радиоактивность. Ядерные реакции. Элементарные частицы

Строение атомного ядра Открыв атомное ядро, Резерфорд решил выяснить: является ли оно тоже составным? Для этого он снова использовал быстрые $\alpha$-частицы. Оказалось, что при бомбардировке $\alpha$-частицами атомов азота из них вылетают какие-то новые заряженные частицы. Исследуя действие на эти частицы электрических и магнитных полей, установили, что данные частицы имеют положительный заряд, равный элементарному, а их масса равна массе самого лёгкого изотопа водорода - протия . Резерфорд назвал их протонами . Протоны были обнаружены и при бомбардировке $\alpha$-частицами и других элементов. На основании этих опытов было сделано заключение, что ядра всех элементов содержат протоны . Количество $Z$ протонов в ядре называют зарядовым числом . Зарядовое число ядра атома равно порядковому номеру соответствующего этому атому химического элемента в Таблице Д. И. Менделеева. Заряд ядра равен произведению зарядового числа на модуль элементарного заряда: $\boldsymbol{q=Ze}$. Например, в ядре атома железа ${ }_{26}^{56} \mathrm{Fe}$ содержится 26 протонов. Значит заряд ядра $q=26 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл $=4,16 \cdot 10^{-18}$ Кл. В ядре атома гелия ${ }_{2}^{4} \mathrm{He}$ содержится 2 протона. Значит заряд ядра $q=2 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл $=3,2 \cdot 10^{-19}$ Кл. Резерфорд заметил, что массы всех ядер с большой точностью кратны массе протона, поэтому он предположил, что в атомных ядрах кроме протонов есть нейтральные частицы, масса каждой из которых примерно равна массе протона. И эти частицы действительно были обнаружены на опыте. Их назвали нейтронами. Открыть нейтрон удалось в 1932 г. английскому физику Джеймсу Чедвику при облучении бериллия альфа-частицами. На характер движения этих частиц не влияли ни электрическое, ни магнитное поля, поэтому был сделан вывод, что эти частицы не имеют электрического заряда и являются предсказанными Резерфордом нейтронами. В свободном состоянии нейтрон нестабилен - он самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон и антинейтрино : $$ n \rightarrow p+e^{-}+\bar{v}. $$ Советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзен- берг предложили протонно-нейтронную модель ядра , согласно которой ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые получили общее название нуклоны . Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой $A$. Массовое число атомного ядра равно сумме его зарядового числа $Z$ и числа $N$ нейтронов в этом ядре: $\boldsymbol{A=Z+N}$. Номер химического элемента в Таблице Менделеева равен зарядовому числу ядра. Ядро атома обозначают так же, как и соответствующий химический элемент, указывая при этом слева вверху - массовое число, а слева внизу - зарядовое число. Например, ядро углерода с массовым числом 12 и зарядовым числом 6 обозначают ${ }_{6}^{12} \mathrm{C}$. Протон и нейтрон обозначают соответственно ${ }_{1}^{1} p$ и ${ }_{0}^{1} n$. В природе встречаются атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов . Их называют изотопами . Например, водород имеет три изотопа: ${ }_{1}^{1} \mathrm{H}$ - протий, ${ }_{1}^{2} \mathrm{H}$-дейтерий, ${ }_{1}^{3} \mathrm{H}$ - тритий. Например, в ядре атома лития ${ }_{3}^{7} \mathrm{Li}$ зарядовое число $Z=3$, массовое число $A=7$, число протонов в ядре $N_{p}=Z=3$, число нейтронов $N_{n}=A-Z=7-3=4$. В ядре атома бора ${ }_{5}^{10} \mathrm{B}$ зарядовое число $Z=5$, массовое число $A=10$, число протонов в ядре $N_{p}=Z=5$, число нейтронов $N_{n}=A-Z=10-5=5$. Ядерные силы Факт существования устойчивых атомных ядер свидетельствует о том, что между нуклонами в ядре действуют очень большие силь взаимного притяжения . Эти силы не только компенсируют действие кулоновских сил отталкивания между протонами ядра, но и обеспечивают его устойчивость. Силы, обеспечивающие удержание нуклонов в ядре атома, называют ядерными силами . Это самые мощные силы из всех существующих в природе. Поэтому взаимодействие нуклонов ядерными силами часто называют сильным взаимодействием. Основные свойства ядерных сил: ядерные силы являются силами притяжения ; ядерные силы являются короткодействующими - их действие проявляется только на расстоянии примерно $10^{-15}$ м. При увеличении расстояния между нуклонами ядерные силы быстро уменьшаются до нуля, а при расстояниях, меньших их радиуса действия, оказываются примерно в 100 раз больше кулоновских сил, действующих между протонами на том же расстоянии; ядерным силам свойственна зарядовая независимость : ядерные силы, действующие между двумя протонами, или двумя нейтронами, или, наконец, между протоном и нейтроном, одинаковы по величине. Отсюда следует, что ядерные силы имеют неэлектрическую природу ; ядерным силам свойственно насыщение , т. е. каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов; ядерные силы не являются центральными , т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов. Масса и энергия связи ядра Поскольку между входящими в состав ат...