Сторінка
1

Будова й властивості атомного ядра

План

1. Історія розвитку уявлень про будову атомного ядра.

1.1. Механічні моделі будови ядра.

1.2. Відкриття Резерфорда. Ядро атома.

1.3. Модель атома Бора.

1.4. Розщеплення ядра. Протон.

2. Сучасні теорії будови атомного ядра.

2.1. Протонно-нейтронна модель ядра.

2.2. Краплинна модель ядра.

2.3. Оболонкова модель ядра.

3. Основні властивості ядер атомів.

3.1. Дефект маси. Енергія зв'язку ядра.

3.2. Ядерні сили.

Історія розвитку уявлень про будову атомного ядра

Усі тіла навколишньої живої й неживої природи складаються з дрібних частинок — атомів: Першими, хто висловив припущення про це, вважаються давньогрецькі філософи Левкіпп і Демокріт. Саме вони назвали атомом дрібну неподільну частинку, що утворює речовину. Вони вважали, що речовини утворюються в результаті зіткнення атомів і появи зв'язків між ними. Ні природу, ні механізм утворення цих зв'язків вони не уточнювали, зате зробили припущення про форму атомів. Вони вважали, що атоми мають форму правильних багатогранників: куба («атоми землі»), тетраедра («атоми вогню»), октаедра («атоми повітря»), ікосаедра («атоми води»).

Більше двадцяти століть знадобилося вченим для того, щоб експериментально підтвердити атомістичну теорію будови речовини. Остаточно ця ідея утвердилася в науці в другій половині дев'ятнадцятого століття. До початку двадцятого століття фізики вже мали досить інформації про масу й розміри атома. На той час стало зрозумілим, що атоми не є дрібними частинками в складі речовини. Вони мають певну внутрішню структуру, розгадка якої дозволила б пояснити періодичність властивостей хімічних елементів. Однак тільки експерименти англійського фізика Ернеста Резерфорда стали основою для створення сучасної протонно-нейтронної моделі атома.

Механічні моделі будови атома

Вивчення атомного ядра невіддільне від вивчення елементарних частинок. Справа в тому, що в ядрах атомів частинок настільки мало, що властивості кожної з них не усереднюються, а відіграють важливу роль у формуванні властивостей ядра. Тому після відкриття електрона в науці виникла безліч теорій про будову атома.

Японський фізик Хантаро Нагаока представив будову атома аналогічною до будови Сонячної системи: у центрі атома розташовується його позитивно заряджена частинка (вона порівнювалася із Сонцем), навколо якої по встановлених кільцеподібних орбітах, ніби планети, рухаються електрони. Зміщення електронів зі своїх орбіт призводить до збудження електромагнітних хвиль.

Цей погляд на будову атома зберігався до початку двадцятого століття. Але таку модель було важко поєднати з електродинамічними уявленнями, і вона була відкинута, поступившись місцем моделі Томсона.

Англійський фізик Джозеф Джон Томсон запропонував модель атома у вигляді позитивно зарядженої по всьому об'єму сфери діаметром 10~10 м, усередину якої, ніби родзинки в пудинг, вкраплені електрони. Позитивний заряд сфери компенсується сумарним негативним зарядом електронів. Випромінювання світла відбувається в результаті коливання атомів відносно центру сфери.

Томсон розташував електрон в атомі Гідрогену в центрі позитивно зарядженої сфери. У багатоелектронних атомах електрони формували в стійкі конфігурації, параметри яких можна було розрахувати. Томсон вважав, що саме конфігурація електронів визначає хімічні властивості атомів. Пізніше ідея Томсона розділити електрони в атомі на групи призвела до появи теорії атомних орбіталей. Однак пізніші відкриття змусили відмовитися від теорії Томсона на користь планетарної моделі атома.

Відкриття Резерфорда. Ядро атома

У моделі Томсона маса атома рівномірно розподілена у його об'ємі. Резерфорд довів, що це припущення неправильне. У результаті дослідів із розсіювання о.-частинок металевою фольгою він встановив, що в рідкісних випадках (1 з 10 000) α-частинка відхиляється на кут, більший за 90°, тоді як більшість а-частинок вільно проходила крізь тонку фольгу, відхиляючись на дуже незначний кут.

Резерфорд писав: «Це було майже так само неймовірно, як немовби ви вистрілили 15-дюймовим снарядом в аркуш цигаркового паперу, а снаряд повернувся б назад і влучив у вас».

Це дозволило Резерфордові припустити, що в атомі існує позитивно заряджене ядро малого розміру, яке зосередило в собі майже всю масу атома. Досліди Резерфорда довели, що ядра атомів мають велику міцність, тому що не руйнуються навіть при зіткненнях із масивними а-частинками, які вдаряють об них із великою силою.

На підставі своїх досліджень Резерфорд модифікував планетарну модель атома. Відповідно до його теорії, атом складається з позитивно зарядженого масивного

ядра та електронів, що рухаються навколо нього, утворюючи електронну оболонку атома. Ядро має дуже маленький розмір (приблизно 10-15м), однак у ньому зосереджено 99,9 % усієї маси атома. Заряд ядра за величиною дорівнює сумі зарядів електронів атома.

Визначення заряду ядра озброїло вчених однією з найважливіших характеристик атома. У 1913 році було доведено, що заряд ядра збігається з порядковим номером елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва. Нільс Бор писав: «Із самого початку було зрозумілим, що завдяки великій масі ядра і його малій довжині в просторі у порівнянні з розмірами всього атома будова електронної системи повинна залежати майже цілком від повного електричного заряду ядра. Такі міркування відразу наводили на думку про те, що вся сукупність фізичних і хімічних властивостей кожного елемента може визначатися одним цілим числом .».

Експерименти Резерфорда стали підґрунтям для створення сучасної протонно-нейтронної моделі атома. Відповідно до неї, у центрі атома знаходиться ядро, решту об'єму атома займають електрони. Ядро складається з позитивно заряджених протонів і нейтронів, які не мають заряду. Різні електрони притягаються до ядра з різною силою, тому деякі з них можуть «відриватися», перетворюючи атом на позитивно заряджений іон (катіон). Якщо ж атом приєднує електрони, то він перетворюється на негативно заряджений іон (аніон).

Модель атома Бора

Перейнявшись ідеями Резерфорда, Бор на основі планетарної моделі розвиває теорію будови атома, яка згодом була названа моделлю Резерфорда — Бора.

Справа в тому, що класична модель Резерфорда не могла пояснити деякі явища в атомі. Так, залишалася незрозумілою стійкість атома. Теоретично, рухаючи по своїх орбітах із великим прискоренням, електрон повинен випромінювати електромагнітні хвилі, що супроводжується втратою енергії. Втрачаючи енергію, електрон повинен наближатися до ядра і дуже скоро упасти на нього. Крім того, не вдавалося пояснити походження спектрів атомів, що складаються з певних ліній. Якщо характер руху електрона пояснювати законами електродинаміки, то спектр атома повинен бути суцільний, тоді як експериментально були отримані лінійчаті спектри. Лінії у них групуються в серії і згущаються в короткохвильовій частині спектра. Передбачалося, що частоти ліній відповідних серій підкоряються певним математичним законам.