Строение атомного ядра. Обозначение ядер.

Из предыдущей лекции известно, что внутри атома имеется ядро. Его размеры в десятки раз меньше размера атома. При этом почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. На электронную оболочку приходится 1/4000 доля всей массы атома. Остальная масса сосредоточена в его ядре. Из чего же состоит атомное ядро?

Известно, что ядро имеет положительный заряд. Следовательно, в нём должны присутствовать положительно заряженные частицы. При анализе соотношения заряда и массы ядра, приходим к выводу, что в ядре существуют частицы, которые обладают массой, но не обладают зарядом. Таким образом, в ядре находятся два вида частиц: протоны и нейтроны:

Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева и обозначается Z. Масса ядра измеряется в а.е.м и обозначается А. Тогда число нейтронов в ядре равно (A – Z). Нуклоны – это общее название протонов и нейтронов. Таким образом, атомные ядра обозначаются так:

_Z X^A

Рассмотрим ядра самых лёгких элементов: водорода, тяжёлого водорода, сверхтяжёлого водорода и гелия:

Таким образом обозначаются и все остальные ядра элементов таблицы Менделеева, в том числе и тяжёлые ядра. Например, 92U²³⁸. Расшифровывается так: в ядре урана 92 протона, всего частиц – 238, нейтронов 238 – 92 = 146.

В ядре всех элементов (кроме водорода) имеются множество протонов. Каким же образом ядро держится, ведь между одноимённо заряженными протонами действуют чудовищные силы электрического отталкивания! Оказывается, на очень близких к частицам расстояниях начинают действовать ядерные силы притяжения, которые значительно сильнее сил электрического отталкивания. Они и держат ядро в устойчивом состоянии.

Следует отметить, что в нейтральном атоме количество протонов в ядре равно числу электронов на его орбите. А свойства макротела зависит от электронных оболочек его атомов. Но, как известно, число электронов определяется числом протонов в его ядре, значит число протонов в ядре определяет место элемента в таблице Менделеева. Однако, число нейтронов в ядре может варьироваться. Ядра, у которых число протонов одинаково, а число нейтронов различно, называются изотопами.

Попробуем представить себе гипотетические весы, способные взвешивать элементарные частицы. Положим на обе чаши этих весов по одному ядру атома гелия:

Понятно, что весы будут находиться в равновесии. Это хорошо укладывается в рамки наших логических рассуждений.

А теперь мысленно представим себе, что ядро на левой чашке весов мы разберём на отдельные нуклоны и все составные части оставим лежать на той же чаше. С точки зрения здравого смысла равновесие измениться не должно: в конце концов, какая разница, как лежат на этой чаше частицы: вместе или по отдельности. Однако, на практике получается совсем другой результат:

На первый взгляд получается невозможное: масса ядра казалась меньше суммы масс его составных частей! Но в микромире это действительно так. И этот факт называется дефектом массы. Или в количественном выражении:

Dm = (Zmp + Nmn) – Mя

Откуда же берётся такое несоответствие? Как это связать с законом сохранения массы веществ и с законом сохранения энергии?

Ответ на этот вопрос даёт формула Эйнштейна: E = mc²

Оказывается, этот дефект массы связан с энергией: Ec = Dmc².

Эта формула выражает так называемую энергию связи.