Естественно-научное познание материи на нуклонном уровне началось в первой половине прошлого столетия после открытия нейтрона – частицы, похожей на ядро атома водорода – протон, но без электрического заряда. С открытием нейтрона появилась возможность экспериментально исследовать структуру и свойства ядра. Нейтронами удобно бомбардировать ядро: электрическое поле ядра не отталкивает их и даже медленные нейтроны могут беспрепятственно приближаться к нему на такое расстояние, при котором проявляется сильное взаимодействие и возникают ядерные силы притяжения.
Из опытов Резерфорда следует, что размер ядра атома 10–14–10–15 м (для сравнения, размер атома – около 10–10 м). Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон-нейтронную модель ядра предложил известный российский физик Д.Д. Иваненко (1904–1994), профессор МГУ им. М.В. Ломоносова, а развил её В. Гейзенберг(1901–1976), немецкий физик.
Протон имеет положительный заряд, по модулю равный заряду электрона, и массу покоя, превосходящую массу электрона в 1836 раз. Нейтрон– нейтральная частица с массой покоя, приблизительно равной массе покоя протона (нейтрон немного тяжелее протона). Он стабилен только в составе ядер. Свободный нейтрон распадается на электрон, протон и электронное антинейтрино. Его период полураспада около 12 мин.
Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат., nucleus – ядро), а общее число – массовым числом А. Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где e – заряд протона, Z – зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Заряд ядра определяет специфику химического элемента: число электронов в атоме, конфигурацию их электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.
Ядра с одинаковыми значениями Z, но разными А (или с разными числами нейтронов N = A – Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми значениями А, но разными Z – изобарами. Например, водород (Z = 1) имеет три изотопа: протий (Z = 1, N = 0), дейтерий (Z = 1, N = 1), тритий (Z = 1, N = 2). В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют лишь некоторые изотопы, например изотопы водорода).
Связь нуклонов в ядре обеспечивают ядерные силы, намного превышающие силы других фундаментальных взаимодействий. Основные свойства ядерных сил: короткодействие, зарядовая независимость, насыщение, зависимость от взаимной ориентации спинов нуклонов, ядерные силы – силы только притяжения и др.
С энергетической точки зрения, ядра элементов средней части таблицы Менделеева наиболее стабильны. Тяжёлые и лёгкие ядра менее устойчивы. Это означает, что энергетически выгодны два ядерных процесса:
− деление тяжёлых ядер на более лёгкие (цепная реакция);
− слияние лёгких ядер и образование более тяжёлых (синтез ядер).
Оба процесса практически реализованы в виде соответственно цепной реакции деления и термоядерного синтеза. Они сопровождаются выделением огромного количества энергии.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
