Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

КВАНТОВА ФІЗИКА. ЕЛЕМЕНТИ ТЕОРІЇ ВІДНОСНОСТІ

3. АТОМ ТА АТОМНЕ ЯДРО

3.2. БУДОВА АТОМНОГО ЯДРА

3.2.1. ВІДКРИТТЯ ПРОТОНА І НЕЙТРОНА

1919 р. Е. Резерфорд здійснив першу ядерну реакцію і відкрив протон (р):

+ + p.

Протон — елементарна частинка з масою спокою, трохи більшою за 1 а. о. м. (1,67 ∙ 10^-27 кг) та елементарним позитивним зарядом + е (1,6 ∙ 10^-19 Кл).

1932 р. Д. Чедвік відкрив нейтрон (n):

+ n.

Нейтрон — елементарна частинка з масою спокою, трохи більшою за масу спокою протона, проте електричний заряд відсутній.

3.2.2. БУДОВА ЯДРА

Теорія будови ядра (Д. Іваненко, В. Гейзенберг та ін.). Ядро кожного атома складається тільки з протонів та нейтронів. Протони і нейтрони називають нуклонами.

♦ Кількість електронів у нейтральному атомі дорівнює кількості протонів у ядрі цього атома.

Для позначення ядра атома хімічного елемента перед символом елемента вгорі вказують нуклонне число, а внизу — протонне число (рис. 3.4).

Рис. 3.4

А — масове число атома (заокруглена до цілого відносна атомна маса), що дорівнює числу нуклонів у ядрі, — нуклонне число.

Z — число протонів у ядрі (порядковий номер елемента в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва), — протонне число.

N =А — Z — число нейтронів у ядрі.

У ядрах деяких атомів протони і нейтрони можуть перетворюватися один в одного:

• при перетворенні протона в нейтрон випромінюються позитрон і нейтрино:

+ e⁺ + v;

• при перетворенні нейтрона в протон випромінюються електрон й антинейтрино:

+ e^- + v;

• нейтрино та антинейтрино — нейтральні частинки з дуже малою масою.

• Протони і нейтрони в ядрі безперервно обмінюються частинками -мезонами (⁺, ^-, ⁰) — так звана обмінна взаємодія.

3.2.3. ЯДЕРНІ СИЛИ

У ядрі протони і нейтрони міцно зв'язані ядерними силами, які є проявом сильної взаємодії.

Властивості ядерних сил

• Мають малий радіус дії (приблизно розмір нуклона).

• Є лише силами притягання.

• Дуже потужні (на близьких відстанях у 100-1000 разів більші за сили кулонівського відштовхування).

• Однакові для будь-якої пари нуклонів (протон — нейтрон, протон — протон, нейтрон — нейтрон).

• Кожен нуклон взаємодіє тільки із невеликою кількістю нуклонів-сусідів.

3.2.4. ЕНЕРГІЯ ЗВ'ЯЗКУ ЯДРА. ДЕФЕКТ МАСИ

Енергія ядра:

Е = m_ядрас²

Енергія зв'язку ядра — це енергія, яка потрібна, щоб розщепити ядро на окремі нуклони, або енергія, яка виділиться при утворенні ядра з вільних нуклонів.

Енергія зв'язку ядра визначається за дефектом маси ядра:

Е_зв = ∆m_ядрас², де [Е_зв] = Дж, [∆m] = кг.

Дефект маси ядра дорівнює різниці між сумою мас нуклонів у вільному стані й масою ядра:

∆m_ядра = Zm_р + Nm_n - m_ядра.

♦ Енергія зв'язку ядра найчастіше вимірюється в МеВ:

1 МеВ = 10⁶ еВ = 106 ∙ 1,6 ∙ 10^-19 Дж =1,6 ∙ 10^-13 Дж.

Е_зв = ∆m ∙ 931,5,

де [Е_зв] = МеВ, [∆m] = а. о. м.

Питома енергія зв'язку атомного ядра — це енергія, яка приходиться на один нуклон ядра:

E_пит = ,

де Е_зв — енергія зв'язку ядра, А — кількість нуклонів у ядрі.