Состав атомного ядра. Ядерные реакции

На прошлом уроке мы с вами рассматривали опыты Эрнеста Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц, на основании которых им была предложена ядерная модель атома. Напомним, что в этой модели в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома, а вокруг ядра по замкнутым траекториям вращаются электроны.

Однако ещё долгое время для учёных оставался загадкой состав атомного ядра, хотя к 1920-м гг. XX вв. учёные не сомневались в том, что ядра атомов, как и сами атомы, имеют сложную структуру.

В 1919 году Эрнест Резерфорд предположил, что в состав ядер атомов всех химических элементов входит ядро атома водорода, так как массы атомов химических элементов превышают массу атома водорода в целое число раз.

Чтобы подтвердить своё предположение Резерфорд поставил опыт по исследованию взаимодействия ядер азота с альфа-частицами.

Результаты опытов показали, что альфа-частицы выбивают из ядер азота какие-то частицы, которые легко проходили сквозь фольгу. Исследование этих частиц в электрических и магнитных полях показали, что они обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода:

Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. И практически во всех случаях было обнаружено, что из их ядер альфа-частицы выбивают протоны. Так было доказано, что протоны входят в состав ядер атомов.

А так, как атом в целом электрически нейтрален, то число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке, которое определяется зарядовым числом.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят только из них. Однако оно оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остаётся постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны.

В связи с этим в 1920 году Эрнест Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер частиц с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице — нейтрон.

Лишь через 12 лет ученику Резерфорда Джеймсу Чедвику удалось найти эту частицу. Оказалось, что при облучении бериллия альфа-частицами возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть слой свинца толщиной до 20 см и не ионизирующее газ в счётчике Гейгера.

Так был открыт нейтрон — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда, с массой, практически равной массе протона:

Практически сразу же после открытия нейтрона советским физиком Дмитрием Иваненко и немецким учёным Вернером Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель строения атомного ядра, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Согласно этой модели, ядра всех химических элементов (за исключением водорода) состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов.

В соответствии с современными физическими представлениями протон и нейтрон являются двумя разными зарядовыми состояниями одной и той же частицы — нуклона (от латинского «нуклеус» — ядро). Ядра же атомов стали называть нуклидами.

Напомним, что общее число нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают латинской буквой «А». Оно ставится вверху перед буквенным обозначением химического элемента.

Из-за малости масс частиц в ядерной физике массовое число принято выражать не в килограммах, а в атомных единицах массы и округлять до целых чисел:

Число нейтронов в ядре обозначают большой латинской буквой «Эн» (N). Нетрудно догадаться, что оно равно разнице между массовым и зарядовым числами:

N = A – Z.

Отметим также то, что в ядрах одного химического элемента всегда содержится одно и то же количество протонов, а число нейтронов может быть различным.

В 1910 году Фредерик Содди предложил называть такие разновидности атомов одного и того же химического элемента изотопами (что по-гречески означает «равноместные»), так как по своим химическим свойствам они должны быть помещены в одну и ту же клетку таблицы Менделеева.

На основании многих экспериментов было установлено, что изотопы одинаково вступают в химические реакции и образуют одинаковые соединения. Это говорило о том, что химические свойства элементов определяются не атомной массой, а зарядовым числом ядра. Действительно, например, нуклиды трития и гелия-три  имеют близкие по величине атомные массы, но принципиально разные химические свойства. На прошлых уроках мы с вами познакомились с явлением естественной радиоактивности, при которой ядро атома химического элемента может самопроизвольно превратиться в ядро атома другого химического элемента, испустив при этом элементарные частицы, гамма-кванты или более лёгкие ядра.

Спустя 38 лет после открытия Беккереля французские учёные Фредерик и Ирен Жолио-Кюри провели небольшой опыт. Они поместили в близи источника быстрых альфа-частиц алюминиевую фольгу и подвергли её облучению в течение нескольких минут. Затем они удалили источник и поднесли к фольге счётчик Гейгера. Какого же было удивление учёных, когда они обнаружили, что алюминиевая фольга стала радиоактивной: она испускали позитроны в течение некоторого времени.

Дальнейшие исследования показали, что при облучении, ядра алюминия захватывают альфа-частицы и превращаются в ядра изотопа фосфора-тридцать с испусканием нейтрона:

Полученный искусственно изотоп фосфора радиоактивен. Поэтому он в течение короткого промежутка времени самопроизвольно испускает позитрон и превращается в стабильный изотоп кремния-тридцать:

Так было открыто явление искусственной радиоактивности, за которое супруги Жолио-Кюри в 1935 году были удостоены Нобелевской премии по химии.

Искусственная радиоактивность — это распад изотопов, полученных искусственным путём (то есть в результате ядерных реакций).

А ядерными реакциями называют превращение атомных ядер при их взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом.

Сразу обратим ваше внимание на то, что в любой ядерной реакции выполняются законы сохранения энергии и импульса. При этом, что важно, сумма зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядовых и массовых чисел ядер и частиц, получающихся в результате реакции.

Чаще всего символически ядерные реакции записываются, как:

А + а → В + b,

где А — это исходное ядро, а — бомбардирующая частица. Соответственно, В — это конечное ядро, а b — испускаемая частица.

Как вы могли заметить, в большинстве ядерных реакций, которые называют прямыми ядерными взаимодействиями, участвуют два ядра и две частицы. Первая пара «ядро — частица» называется исходной, а вторая — конечной:

А + а → В + b.

Особый тип ядерных реакций представляют реакции деления элементов, расположенных в конце Периодической системы химических элементов. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Напомним, что ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии, называется экзотермической. Если же наоборот, ядерная реакция происходит за счёт поглощения энергии, то её называют эндотермической.

Интересно, что распад тяжёлых ядер на более лёгкие элементы долгое время считался невозможным (вплоть до 1938 года). В этом году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман при поиске элементов, расположенных за ураном в таблице Менделеева, облучали уран нейтронами и в продуктах реакции нашли следы бария.

В январе 1939 года австрийский физик Лиза Мейтнер и её племянник Отто Роберт Фриш предположили, что при попадании нейтрона в тяжёлое ядро урана происходит деление последнего на две примерно равные части. А поскольку в дочерних относительно лёгких ядрах оказывается избыток нейтронов, то вероятен ещё и вылет нескольких нейтронов.

В том же году Фредерик Жолио-Кюри, Ханс Халбан и Лев Николаевич Коварский показали, что действительно при делении одного ядра урана на два осколка освобождается два или три нейтрона и выделяется около 200 МэВ мегаэлектронвольт энергии.

А теперь представим, что у нас есть некоторое количество ядер урана-двести тридцать пять. Образовавшиеся в результате первого деления нейтроны смогут разделить новые ядра урана образовав новые нейтроны. Так, при определённых условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции.

Ядерная реакция деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой же реакции, называется цепной ядерной реакцией.

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуется коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов равен отношению числа нейтронов в теле в данном поколении цепной реакции к их числу в следующем поколении:

Цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, если количество нейтронов в каждом следующем поколении не уменьшается (то есть коэффициент размножения нейтронов будет равен единице). Если коэффициент размножения нейтронов будет меньше единицы, то реакция будет затухающей. Если же больше единицы — то скорость реакции нарастает со временем, что может привести к ядерному взрыву.