Строение атомного ядра: протоны, нейтроны, ядерные силы и изотопы

Из чего состоит ядро

Ядро — центральная часть атома. Оно очень мало: примерно в сто тысяч раз меньше самого атома. Если атом увеличить до размеров большого стадиона, ядро будет размером с горошину. Но в нём сосредоточена почти вся масса атома.

Частиц в ядре две.

Частица	Обозначение	Заряд	Масса	Где находится
Протон	p	+1 (положительный)	около 1 а. е. м.	в ядре
Нейтрон	n	0	чуть больше протона	в ядре

Общее название для протонов и нейтронов — нуклоны (от латинского «нуклеус» — ядро). Электроны в ядро не входят: они находятся вокруг него. О том, как устроен атом целиком, рассказано в статье о строении атома.

Протонно-нейтронную модель ядра предложили в 1932 году советский физик Дмитрий Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг. Её подтвердило открытие нейтрона английским физиком Джеймсом Чедвиком в том же году. До этого учёные думали, что в ядре есть электроны, но это не сходилось с расчётами.

Как описать ядро тремя числами

Зарядовое число Z — число протонов. Оно определяет химический элемент. Совпадает с порядковым номером в таблице Менделеева.

Массовое число A — число всех нуклонов, то есть сумма протонов и нейтронов.

Число нейтронов N — считается вычитанием: N = A − Z.

Запись ядра: символ элемента, слева внизу Z, слева вверху A. Пример: ядро азота-14 — A равно 14, Z равно 7. Значит, в нём 7 протонов и 14 − 7 = 7 нейтронов.

Ядро	Z (протонов)	A (нуклонов)	N (нейтронов)
Гелий-4	2	4	2
Кислород-16	8	16	8
Железо-56	26	56	30
Уран-235	92	235	143
Уран-238	92	238	146

Последние две строки — это изотопы: ядра одного элемента (у обоих 92 протона) с разным числом нейтронов. Химически они почти одинаковы, а по свойствам ядра различаются, и именно уран-235 используют в атомных реакторах. Как работает такая станция, показано в статье о том, как работает АЭС.

Ядерные силы: что держит ядро вместе

Протоны заряжены одинаково, значит, отталкиваются друг от друга. Расстояния в ядре крошечные, и электрическое отталкивание там огромно. Почему ядро не разлетается? Потому что есть другая сила — ядерная.

Свойства ядерных сил:

1. Очень сильные. На расстояниях внутри ядра они многократно превосходят электрическое отталкивание.
2. Короткодействующие. Работают только на расстоянии порядка размера нуклона: примерно 10⁻¹⁵ метра. Чуть дальше от соседа — и они исчезают.
3. Не зависят от заряда. Притягиваются и протон к протону, и нейтрон к нейтрону, и протон к нейтрону.
4. Насыщаются. Каждый нуклон взаимодействует лишь с ближайшими соседями, а не со всеми частицами ядра.

Из-за короткодействия в больших ядрах, где протонов много, отталкивание накапливается: заряды действуют на большом расстоянии, а ядерные силы нет. Поэтому в тяжёлых ядрах нейтронов заметно больше, чем протонов, ведь они добавляют притяжения без добавочного заряда. А самые тяжёлые ядра неустойчивы.

Энергия связи и дефект масс

Чтобы разорвать ядро на отдельные нуклоны, нужно затратить энергию. Её называют энергией связи. Она большая: во много миллионов раз больше энергии, которая связывает электроны в атоме.

Есть любопытное следствие. Если взвесить ядро и отдельно взвесить все его нуклоны, окажется, что ядро легче. Разница называется дефектом масс. Она превратилась в энергию связи по формуле Эйнштейна E = mc²: масса и энергия связаны. Чем больше дефект масс, тем прочнее ядро. Именно на этой разнице основано выделение энергии при делении тяжёлых ядер и при синтезе лёгких. Синтез идёт в недрах звёзд, об этом рассказано в статье о строении Солнца.

Как открыли ядро и его части

История ядра — цепочка опытов за несколько десятилетий.

• 1911 год. Эрнест Резерфорд по опыту с рассеянием альфа-частиц на золотой фольге понял, что в центре атома есть маленькое тяжёлое положительное ядро.
• 1919 год. Резерфорд обстрелял альфа-частицами азот и получил из него кислород и частицы, в которых узнали ядра водорода. Так открыли протон и впервые искусственно превратили один элемент в другой.
• 1932 год. Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон. После этого стала понятной картина ядра из протонов и нейтронов.
• 1938 год. Немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман обнаружили, что ядро урана при захвате нейтрона делится на два осколка. Это открытие лежит в основе современных атомных электростанций.

За каждым открытием стоял вопрос, который нельзя было решить «глазами»: ядро слишком мало. Поэтому физики бросали в него частицы и по тому, как они отскакивали, судили о его устройстве, как по эху в тёмной комнате угадывают форму мебели.

Как это работает: радиоактивный распад

Если в ядре слишком много протонов или нейтронов, оно неустойчиво и меняется само. Это явление открыл в 1896 году французский физик Анри Беккерель, а супруги Мария и Пьер Кюри исследовали его и открыли новые радиоактивные элементы, полоний и радий.

1. Ядро неустойчиво. У него избыток энергии или неудачное соотношение протонов и нейтронов.
2. Ядро выбрасывает частицу. Она вылетает с большой энергией.
3. Меняется состав ядра. Появляется ядро другого элемента или другого изотопа.
4. Процесс продолжается. Пока новое ядро тоже не окажется устойчивым.

Виды распада:

• Альфа-распад. Ядро выбрасывает ядро гелия-4 (два протона и два нейтрона). Z уменьшается на 2, A — на 4. Пример: радий-226 превращается в радон-222.
• Бета-распад. Внутри ядра нейтрон превращается в протон, вылетает электрон. Z увеличивается на 1, A не меняется. Пример: углерод-14 превращается в азот-14.
• Гамма-излучение. Возбуждённое ядро сбрасывает избыток энергии как излучение, состав не меняется.

Скорость распада описывает период полураспада: время, за которое распадается половина ядер. У иода-131 он около 8 суток, у углерода-14 около 5 700 лет. По углероду-14 определяют возраст древних находок из дерева и кости.

Чем отличается от похожего

Ядро и атом. Атом целиком нейтрален, у ядра положительный заряд.

Изотопы и разные элементы. Разные элементы отличаются числом протонов, изотопы одного элемента — числом нейтронов.

Массовое и зарядовое число. Массовое — число всех нуклонов, зарядовое — только протонов.

Деление и синтез. Деление — раскол тяжёлого ядра на осколки, как в реакторе. Синтез — слияние лёгких ядер, как в Солнце. В обоих случаях выделяется энергия.

Радиоактивность и радиация. Радиоактивность — свойство ядер распадаться. Радиация, точнее ионизирующее излучение, — то, что при этом вылетает.

Интересные факты

Почти вся масса в точке. Ядро занимает в атоме ничтожную часть объёма, а несёт больше 99,9 процента его массы. Поэтому вещество, по сути, состоит из пустоты, в которой разбросаны крохотные тяжёлые «горошины».

Фон вокруг нас. Небольшая радиоактивность есть всегда: она идёт от горных пород, космических лучей и даже от бананов, где немного калия-40. Этот естественный фон человек получал всегда, а для оценки опасности используют специальные единицы и нормы, за которыми следят специалисты.

Превращение элементов. Средневековые алхимики мечтали превратить свинец в золото. Оказалось, что на уровне ядер это возможно, но получить так золото гораздо дороже, чем добыть его из земли.

Ядро без электронов. Если убрать у атома все электроны, останется голое ядро, которое называют ионом. Именно такие частицы летят с огромной скоростью в ускорителях, где физики сталкивают ядра, чтобы изучать их строение.

Как ответить на уроке

План ответа «Строение атомного ядра»:

1. Ядро состоит из протонов и нейтронов (нуклонов).
2. Заряд ядра равен числу протонов Z; массовое число A — число нуклонов; N = A − Z.
3. Ядерные силы: сильные, короткодействующие, не зависят от заряда.
4. Изотопы — ядра одного элемента с разным числом нейтронов.
5. Радиоактивность: альфа-, бета- и гамма-излучение; период полураспада.

Вопросы для самопроверки:

• Сколько протонов и нейтронов в ядре кислорода-16 (порядковый номер 8)? 8 протонов и 8 нейтронов.
• Во что превратится уран-238 (Z = 92) после альфа-распада? В торий-234 (Z = 90): заряд уменьшится на 2, массовое число на 4.
• Почему ядро не разваливается? Его удерживают ядерные силы притяжения, которые на малых расстояниях сильнее электрического отталкивания протонов.