Современная модель атома. Протонно-нейтронная модель ядра атома. Ядерные силы. Изотопы

 
 

История физической науки насчитывает почти 2500 лет, но только в прошлом веке физики — преподаватели и кабинетные ученые — стали консультировать руководителей государств. Количество специалистов-физиков возросло в сотни раз, были созданы огромные предприятия для производства физических приборов и оборудования (рис. 22.1). И произошло это прежде всего благодаря успехам ядерной физики, изучающей структуру и свойства атомных ядер, процессы, которые в них происходят, и механизмы преобразования атомных ядер. Из данного параграфа вы подробнее узнаете об атоме и атомном ядре.

Узнаём о классическом опыте Резерфорда

Эксперименты ученых Х1Х в. доказали, что атом имеет сложную структуру. Было установлено, что в состав атома входят электроны, имеющие отрицательный заряд, а в целом атом нейтрален.

В 1908-1911 гг. под руководством Эрнеста Резерфорда (рис. 22.2) опытный исследователь Ганс Гейгер (1882-1945) и молодой аспирант Эрнест Марсден (1889-1970) провели серию опытов по выяснению структуры атома. Для опытов использовалось вещество, из которого с большой скоростью вылетали положительно заряженные частицы — так называемые α-частицы (альфа-частицы).

Узкий пучок α-частиц направлялся из свинцового контейнера на тонкую золотую фольгу, а затем попадал в экран, покрытый слоем кристаллов цинк сульфида (рис. 22.3). В месте попадания α-частицы в экран происходила слабая вспышка света. Ученые наблюдали вспышки с помощью микроскопа, регистрируя попадания.

В результате опытов обнаружилось, что, как правило, α-частицы проходят сквозь золотую фольгу, не изменяя направления движения, некоторые отклоняются от начальной траектории, а вот примерно одна из 20 000 частиц отскакивает от фольги, будто натыкаясь на препятствие (рис. 22.4).

Рис. 22.1. Крупнейшая на сегодня исследовательская установка — ускоритель заряженных частиц, первый запуск которого состоялся в 2008 г.: а — вид изнутри; б — схематическое изображение. Поражают размеры ускорителя: элементарные частицы разгоняются в огромном кольце длиной 26 км. Странам Европы пришлось объединить усилия, чтобы построить это чудо техники



 

Понятно, что Э. Резерфорд не мог видеть внутреннюю структуру атома, поэтому он опирался на логику. Если положительный заряд и масса равномерно распределены по всему объему атома (именно такое представление об атоме было в то время), то все α-частицы должны были пролететь сквозь фольгу практически не отклоняясь, ведь их энергия колоссальна (это примерно как бить мячом сквозь паутину).

Рис. 22.2. Эрнест Резерфорд (1871-1937) — выдающийся английский физик. Заложил основы учения о радиоактивности и строении атома, осуществил первую ядерную реакцию. Лауреат Нобелевской премии (1908 г.), член всех академий наук мира

Рис. 22.3. Схема опыта по рассеянию α-частиц (опыт Резерфорда)

Если же положительный заряд и масса сосредоточены в небольшом объеме внутри атома, а вокруг — «пустота», бомбардировка α-частицами будет напоминать броски теннисными мячиками через поле, на котором расположена закрепленная на шесте металлическая банка. Только в ничтожно малом количестве случаев мячики попадут в банку и отскочат от нее, в остальных же случаях они пролетят мимо. Очевидно, что данное предположение больше подходит для объяснения результатов опытов.

Итак, в 1911 г. Резерфорд предложил ядерную модель строения атома: атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными частицами — электронами; именно в ядре сосредоточена едва ли не вся масса атома.

Как вы считаете, отскочила бы α-частица в опыте Резерфорда от ядра, если бы оно имело отрицательный заряд? Если бы масса ядра была намного меньше массы α-частицы?

Хотя в ядре сосредоточена почти вся масса атома, размер ядра по сравнению с атомом чрезвычайно мал (диаметр атома порядка 1010 м, ядра — 10 15 м). Для наглядности

Рис. 22.4. Траектории α-частиц, пролетающих вблизи ядра Аурума. Чем ближе к ядру пролетает α-частица, тем больше действующая на нее сила отталкивания и тем больше частица отклоняется от первоначальной траектории


представьте, что атом удалось увеличить до размера большого стадиона. Разумеется, размер ядра такого атома тоже увеличится. На сколько? Вычисления показывают, что диаметр ядра атома был бы равен размеру муравья, ползущего по траве стадиона.

Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом, была развита в работах выдающегося датского физика Нильса Бора (1885-1962). Именно на ядерной модели основано современное представление о строении атома (рис. 22.5).


 

Вспоминаем строение атомного ядра

Из курсов физики и химии вы знаете, что атомное ядро состоит из частиц двух видов: протонов, имеющих положительный электрический заряд, и нейтронов, не имеющих заряда. Масса протона примерно равна массе нейтрона и почти в 2000 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны, входящие в состав ядра атома, называют нуклонами. Суммарное количество протонов и нейтронов в атоме называют нуклонным (массовым) числом и обозначают символом А.

Атом является электрически нейтральным: суммарный заряд протонов в ядре равен суммарному заряду электронов, расположенных вокруг ядра. Так как заряд протона по модулю равен заряду электрона, то понятно, что в атоме число протонов равно числу электронов.

Число протонов в ядре называют зарядовым (протонным) числом и обозначают символом Z. Порядковый номер элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева соответствует числу протонов в ядре (зарядовому числу).

 

Атом — это неделимая составляющая

химического

элемента

Атом представляет собой

положительно заряженный шар,

в который вкраплены электроны (модель «пудинга с изюмом»)

Внутри атома расположено положительно заряженное ядро, содержащее почти всю массу атома; ядро окружено электронами, вращающимися вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца (планетарная модель атома)

Электроны вращаются вокруг ядра по определенным стационарным орбитам

Каждый электрон в атоме наиболее вероятно можно обнаружить в определенной области вокруг ядра; форма такой области определяется энергией электрона

Рис. 22.5. «Эволюция» модели атома

Зная зарядовое (Z) и нуклонное (A) числа ядра атома, можно определить количество нейтронов (N) в данном ядре: N = A - Z.

Рис. 22.6. Обозначение нуклида химического элемента

Кулоновские (электростатические) силы отталкивания пытаются «разрушить» ядро

Ядерные силы удерживают нуклоны внутри ядра

Рис. 22.8. Силы взаимодействия нуклонов ядра

Вид атомов, который характеризуется определенным значением зарядового числа и определенным значением массового числа, называют нуклидом (рис. 22.6).

 


Сколько протонов и нейтронов содержит ядро нуклида Алюминия 

Если разные нуклиды имеют одинаковое зарядовое число, то их химические свойства одинаковы — нуклиды принадлежат одному химическому элементу.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами («одинаковые по месту»).

Каждый химический элемент имеет несколько изотопов (рис. 22.7).

Узнаём о сильном взаимодействии

Электроны, имея отрицательный заряд, удерживаются вокруг положительного ядра благодаря электромагнитному взаимодействию. Но как в составе одного ядра и на очень близком расстоянии друг от друга удерживаются протоны, ведь одноименно заряженные частицы отталкиваются?

Оказывается, что все частицы в ядре притягиваются друг к другу благодаря взаимодействию, которое в сотни раз сильнее, чем электромагнитное отталкивание протонов (рис. 22.8). Именно поэтому взаимодействие нуклонов называют сильным взаимодействием.

Силы, которые действуют между протонами и нейтронами в ядре и обеспечивают существование атомных ядер, называют ядерными силами.

Основные свойства ядерных сил:

1) являются только силами притяжения;

2) близкодействующие:проявляются только на расстояниях порядка 1015 м (размер нуклона);

Открытие строения атомного ядра можно назвать «международным».

Протон открыл английский физик, уроженец Новой Зеландии Эрнест Резерфорд (1911 г.), нейтрон — английский физик Джеймс Чедвик (1932 г.). Гипотезу о протоннонейтронном строении ядра атома впервые независимо друг от друга выдвинули советский ученый, уроженец Полтавщины Дмитрий Дмитриевич Иваненкои немецкий ученый Вернер Гейзенберг (1932 г.). С тех пор представления о строении ядра практически не изменились.

3) не зависят от заряда:на одинаковом расстоянии силы, действующие между двумя протонами, между двумя нейтронами или между протоном и нейтроном, одинаковы;

4) имеют свойство насыщения:нуклон способен к ядерному взаимодействию одновременно только с небольшим количеством нуклонов-«соседей».

Подводим итоги

В результате опытов под руководством

Э. Резерфорда была создана ядерная модель строения атома, согласно которой весь положительный заряд атома сосредоточен в его ядре — части, размеры которой незначительны по сравнению с размерами атома.

Ядра атомов состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Число протонов (Z) в ядре атома данного элемента равно порядковому номеру этого элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, число нуклонов (A) — нуклонному числу.

Вид атомов, характеризующийся определенным количеством протонов и определенным общим количеством нуклонов, называют нуклидом.

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называют изотопами данного химического элемента.

Нуклоны удерживаются в ядре благодаря действию ядерных сил притяжения. Ядерные силы — близкодействующие: на расстояниях, которые больше размера нуклона, они не проявляются.

Контрольные вопросы

1. Опишите опыт Э. Резерфорда по рассеянию α-частиц и его результаты. 2. Из каких частиц состоит атом? атомное ядро? 3. Что такое зарядовое число? массовое число? 4. Как определить количество протонов и нейтронов в ядре? Приведите пример. 5. Что такое нуклид? 6. Какие нуклиды называют изотопами? Назовите изотопы Гидрогена. 7. Какой тип взаимодействия обеспечивает удержание нуклонов в ядре атома? 8. Дайте определение ядерных сил, опишите их свойства.

Упражнение № 22

1. Сколько протонов и сколько нейтронов в ядре атома Аргона 18 Ar ?

2оо 235

2. Чем отличаются ядра изотопов Урана: 92U и 92U ?

3. В ядре атома Бора содержится 5 протонов и 6 нейтронов. Сколько электронов в этом атоме? сколько нуклонов в ядре этого атома?

4. Среди приведенных символов химических элементов укажите тот, который соответствует атому с наибольшим количеством электронов: Ca, Cu, Ge, Sb, P. Воспользуйтесь Периодической системой химических элементов Д. И. Менделеева.

5. Оцените силу ядерного взаимодействия протонов ядра на расстоянии 1015 м.

6. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о жизни и научной деятельности нашего соотечественника Дмитрия Дмитриевича Иваненко.

скачать dle 11.0фильмы бесплатно

Популярне з Фізики за 9 клас

Добавити коментар

Автору дуже потрібно знати, чи Вам допоміг даний матеріал?!

    • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
      heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
      winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
      worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
      expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
      disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
      joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
      sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
      neutral_faceno_mouthinnocent
оновити, якщо не видно коду

Коментарів 0


Ми створили сайт TEXTBOOKS з метою розміщення матеріалів (шкільних підручників) Міністерства Освіти України, для покращення освітнього процесу учнів у школах та вузах України.
Онлайн перегляд шкільного матеріалу допоможе Вам знайти якісну відповідь на поставлені питання вчителя.
Використовуйте Наш ресур для підготовки до ЗНО 2021, адже у нас присутні підготовчі курси з математики, української мови та літератури, англіської мови та історії України.