Atomkjernen: struktur, masse, sammensetning. Struktur av kjernen til et atom Kjerner med samme antall nøytroner

Spørsmål "Hva består materie av?", "Hva er materiens natur?" har alltid okkupert menneskeheten. Siden antikken har filosofer og forskere lett etter svar på disse spørsmålene, og skapt både realistiske og helt fantastiske og fantastiske teorier og hypoteser. Imidlertid, bokstavelig talt for et århundre siden, kom menneskeheten så nært som mulig til å løse dette mysteriet, og oppdaget materiens atomstruktur. Men hva er sammensetningen av kjernen til et atom? Hva består alt av?

Fra teori til virkelighet

Ved begynnelsen av det tjuende århundre var atomstruktur ikke lenger bare en hypotese, men et absolutt faktum. Det viste seg at sammensetningen av kjernen til et atom er et veldig komplekst konsept. Dens sammensetning inkluderer Men spørsmålet oppsto: inkluderer sammensetningen av atomet forskjellige antall av disse ladningene eller ikke?

Planetarisk modell

I utgangspunktet ble det forestilt at atomet var bygget veldig likt vårt solsystem. Det viste seg imidlertid raskt at denne ideen ikke var helt sann. Problemet med en rent mekanisk overføring av en astronomisk målestokk av et bilde til et område som opptar milliondeler av en millimeter innebar en betydelig og dramatisk endring i fenomenenes egenskaper og kvaliteter. Hovedforskjellen var de mye strengere lovene og reglene som atomet ble bygget etter.

Ulemper med planetmodellen

For det første, siden atomer av samme type og grunnstoff må være helt identiske i parametere og egenskaper, så må banene til elektronene til disse atomene også være de samme. Bevegelseslovene til astronomiske legemer kunne imidlertid ikke gi svar på disse spørsmålene. Den andre motsetningen er at bevegelsen til et elektron i dets bane, hvis vi bruker godt studerte fysiske lover på det, nødvendigvis må ledsages av en permanent frigjøring av energi. Som et resultat ville denne prosessen føre til utarming av elektronet, som til slutt ville forfalle og til og med falle inn i kjernen.

Mors bølgestruktur Og

I 1924 fremmet den unge aristokraten Louis de Broglie en idé som revolusjonerte det vitenskapelige samfunnets forståelse av spørsmål som sammensetningen av atomkjerner. Tanken var at elektronet ikke bare er en kule i bevegelse som roterer rundt kjernen. Dette er et uskarpt stoff som beveger seg i henhold til lover som minner om forplantningen av bølger i rommet. Ganske raskt ble denne ideen utvidet til bevegelsen til enhver kropp som helhet, og forklarer at vi bare legger merke til den ene siden av denne bevegelsen, men den andre vises faktisk ikke. Vi kan se forplantningen av bølger og ikke merke bevegelsen til en partikkel, eller omvendt. Faktisk eksisterer begge disse sidene av bevegelse alltid, og rotasjonen av et elektron i bane er ikke bare bevegelsen av selve ladningen, men også forplantningen av bølger. Denne tilnærmingen er radikalt forskjellig fra den tidligere aksepterte planetmodellen.

Elementær basis

Kjernen til et atom er sentrum. Elektroner kretser rundt det. Kjernens egenskaper bestemmer alt annet. Det er nødvendig å snakke om et slikt konsept som sammensetningen av kjernen til et atom fra det viktigste punktet - fra ladningen. I sammensetningen av atomet er det visse elementer som har en negativ ladning. Selve kjernen har en positiv ladning. Fra dette kan vi trekke visse konklusjoner:

1. Kjernen er en positivt ladet partikkel.
2. Rundt kjernen er det en pulserende atmosfære skapt av ladningene.
3. Det er kjernen og dens egenskaper som bestemmer antall elektroner i et atom.

Kjerneegenskaper

Kobber, glass, jern, tre har de samme elektronene. Et atom kan miste et par elektroner eller til og med alle. Hvis kjernen forblir positivt ladet, er den i stand til å tiltrekke den nødvendige mengden negativt ladede partikler fra andre kropper, noe som vil tillate den å overleve. Hvis et atom mister et visst antall elektroner, vil den positive ladningen på kjernen være større enn resten av de negative ladningene. I dette tilfellet vil hele atomet få en overflødig ladning, og det kan kalles et positivt ion. I noen tilfeller kan et atom tiltrekke seg flere elektroner, noe som får det til å bli negativt ladet. Derfor kan det kalles et negativt ion.

Hvor mye veier et atom? ?

Massen til et atom bestemmes hovedsakelig av kjernen. Elektronene som utgjør atomet og atomkjernen veier mindre enn en tusendel av den totale massen. Siden masse regnes som et mål på energireserven som et stoff har, anses dette faktum som utrolig viktig når man studerer et slikt problem som sammensetningen av kjernen til et atom.

Radioaktivitet

De vanskeligste spørsmålene oppsto etter oppdagelsen av radioaktive elementer som sender ut alfa-, beta- og gammabølger. Men slik stråling må ha en kilde. Rutherford viste i 1902 at en slik kilde er selve atomet, eller mer presist, kjernen. På den annen side er radioaktivitet ikke bare utslipp av stråler, men også transformasjon av ett grunnstoff til et annet, med helt nye kjemiske og fysiske egenskaper. Det vil si at radioaktivitet er en endring i kjernen.

Hva vet vi om kjernefysisk struktur?

For nesten hundre år siden fremmet fysikeren Prout ideen om at grunnstoffene i det periodiske system ikke er usammenhengende former, men er kombinasjoner.Derfor kunne man forvente at både ladningene og massene til kjernene ville bli uttrykt i form av hele og flere ladninger av hydrogen i seg selv. Dette er imidlertid ikke helt sant. Ved å studere egenskapene til atomkjerner ved hjelp av elektromagnetiske felt, fant fysiker Aston at elementer hvis atomvekter ikke var hele og multipler faktisk var en kombinasjon av forskjellige atomer, og ikke ett stoff. I alle tilfeller hvor atomvekten ikke er et helt tall, observerer vi en blanding av forskjellige isotoper. Hva det er? Hvis vi snakker om sammensetningen av kjernen til et atom, er isotoper atomer med samme ladninger, men med forskjellige masser.

Einstein og atomkjernen

Relativitetsteorien sier at masse ikke er et mål som mengden materie bestemmes etter, men et mål på energien materien har. Følgelig kan materie måles ikke etter masse, men etter ladningen som utgjør denne materien og energien til ladningen. Når en identisk ladning nærmer seg en annen lignende, vil energien øke, ellers vil den avta. Dette betyr absolutt ikke en endring i saken. Følgelig, fra denne posisjonen, er kjernen til et atom ikke en energikilde, men snarere en rest etter frigjøring. Dette betyr at det er en slags motsetning.

Nøytroner

Curies, da de bombarderte beryllium med alfapartikler, oppdaget noen merkelige stråler som, når de kolliderte med kjernen til et atom, frastøter det med enorm kraft. Imidlertid er de i stand til å passere gjennom en stor tykkelse av materie. Denne motsetningen ble løst ved at denne partikkelen viste seg å ha en nøytral elektrisk ladning. Følgelig ble det kalt et nøytron. Takket være videre forskning viste det seg at det er nesten det samme som protonet. Generelt sett er nøytronet og protonet utrolig like. Tatt i betraktning denne oppdagelsen, var det definitivt mulig å fastslå at kjernen til et atom inneholder både protoner og nøytroner, og i like store mengder. Alt falt gradvis på plass. Antall protoner er atomnummeret. Atomvekt er summen av massene av nøytroner og protoner. En isotop kan kalles et grunnstoff der antallet nøytroner og protoner ikke er likt hverandre. Som diskutert ovenfor, i et slikt tilfelle, selv om elementet i hovedsak forblir det samme, kan dets egenskaper endres betydelig.

Sammensetning av kjernen til et atom

I 1932 etter oppdagelsen av protonet og nøytronet av forskerne D.D. Ivanenko (USSR) og W. Heisenberg (Tyskland) foreslo proton-nøytronmodellatomkjernen.
I følge denne modellen består kjernen av protoner og nøytroner. Det totale antallet nukleoner (dvs. protoner og nøytroner) kalles massenummer EN: EN = Z + N . Kjernene til kjemiske elementer er betegnet med symbolet:
X– kjemisk symbol på grunnstoffet.

For eksempel hydrogen

En rekke notasjoner er introdusert for å karakterisere atomkjerner. Antall protoner som utgjør atomkjernen er angitt med symbolet Z og ring ladenummer (dette er serienummeret i det periodiske systemet til Mendeleev). Atomladningen er Ze , Hvor e– elementær ladning. Antall nøytroner er angitt med symbolet N .

Kjernefysiske styrker

For at atomkjerner skal være stabile, må protoner og nøytroner holdes inne i kjernene av enorme krefter, mange ganger større enn kreftene fra Coulomb-frastøtingen av protoner. Kreftene som holder nukleoner i kjernen kalles kjernefysisk . De representerer en manifestasjon av den mest intense typen interaksjon kjent i fysikk - den såkalte sterke interaksjonen. Kjernekrefter er omtrent 100 ganger større enn elektrostatiske krefter og titalls størrelsesordener større enn kreftene til gravitasjonsinteraksjon mellom nukleoner.

Kjernefysiske krefter har følgende egenskaper:

• har tiltrekningskraft;
• er kreftene korttidsvirkende(manifisterer ved små avstander mellom nukleoner);
• kjernekraft er ikke avhengig av tilstedeværelse eller fravær av en elektrisk ladning på partikler.

Massefeil og bindingsenergi til atomkjernen

Den viktigste rollen i kjernefysikk spilles av konseptet atombindende energi .

Bindingsenergien til en kjerne er lik minimumsenergien som må brukes for å splitte kjernen fullstendig i individuelle partikler. Fra loven om bevaring av energi følger det at bindingsenergien er lik energien som frigjøres under dannelsen av en kjerne fra individuelle partikler.

Bindingsenergien til enhver kjerne kan bestemmes ved nøyaktig å måle massen. For tiden har fysikere lært å måle massene av partikler – elektroner, protoner, nøytroner, kjerner osv. – med svært høy nøyaktighet. Disse målingene viser det massen til en hvilken som helst kjerne M I er alltid mindre enn summen av massene til dets protoner og nøytroner:

Masseforskjellen kalles massefeil. Ved massedefekt ved bruk av Einsteins formel E = mc 2, kan du bestemme energien som frigjøres under dannelsen av en gitt kjerne, dvs. bindingsenergien til kjernen E St:

Denne energien frigjøres under dannelsen av en kjerne i form av γ-kvantestråling.

Kjernekraft

Verdens første atomkraftverk ble bygget i vårt land og lansert i 1954 i USSR, i byen Obninsk. Byggingen av kraftige atomkraftverk er under utvikling. For tiden er det 10 atomkraftverk i drift i Russland. Etter ulykken ved atomkraftverket i Tsjernobyl ble det iverksatt ytterligere tiltak for å sikre sikkerheten til atomreaktorer.

Kjernen til et atom består av nukleoner, som er delt inn i protoner og nøytroner.

Symbolsk betegnelse på kjernen til et atom:

A er antall nukleoner, dvs. protoner + nøytroner (eller atommasse)
Z- antall protoner (lik antall elektroner)
N er antall nøytroner (eller atomnummer)

atomkrefter

Virker mellom alle nukleoner i kjernen;
- tiltrekningskrefter;
- korttidsvirkende

Nukleoner tiltrekkes av hverandre av kjernekrefter, som er helt ulik enten gravitasjons- eller elektrostatiske krefter. . Kjernefysiske krefter forfaller veldig raskt med avstand. Aksjonsradiusen deres er omtrent 0.000 000 000 000 001 meter.
For denne ultra-lille lengden, som karakteriserer størrelsen på atomkjerner, ble en spesiell betegnelse introdusert - 1 fm (til ære for den italienske fysikeren E. Fermi, 1901-1954). Alle kjerner er flere Fermi i størrelse. Radiusen til kjernekrefter er lik størrelsen på et nukleon, så kjerner er klumper av veldig tett stoff. Kanskje den tetteste i terrestriske forhold.
Kjernefysiske krefter er sterke vekselvirkninger. De er mange ganger større enn Coulomb-kraften (på samme avstand). Kortdistanseaksjon begrenser effekten av kjernefysiske krefter. Når antallet nukleoner øker, blir kjerner ustabile, og derfor er de fleste tunge kjerner radioaktive, og veldig tunge kan ikke eksistere i det hele tatt.
Det endelige antallet grunnstoffer i naturen er en konsekvens av kortdistansevirkningen til atomkrefter.

Strukturen til atomet - Kul fysikk

Visste du?

På midten av 1900-tallet forutså kjernefysisk teori eksistensen av stabile grunnstoffer med atomnummer Z = 110 -114.
I Dubna ble det 114. elementet med atommasse A = 289 oppnådd, som "levde" i bare 30 sekunder, noe som er utrolig lenge for et atom med en kjerne av denne størrelsen.
I dag diskuterer teoretikere allerede egenskapene til supertunge kjerner som veier 300 og til og med 500.

Atomer med samme atomnummer kalles isotoper: i det periodiske systemet
de er plassert i samme celle (på gresk isos - lik, topos - plass).
De kjemiske egenskapene til isotoper er nesten identiske.
Hvis det er rundt 100 grunnstoffer i naturen, så er det mer enn 2000 isotoper. Mange av dem er ustabile, det vil si radioaktive, og forfaller, sender ut forskjellige typer stråling.
Isotoper av samme grunnstoff er forskjellige i sammensetning bare i antall nøytroner i kjernen.

Isotoper av hydrogen.

Hvis du fjerner plass fra alle atomene i menneskekroppen, kan det som blir igjen passe gjennom nåløyet.

For den nysgjerrige

Planende biler

Hvis du, mens du kjører en bil på våt vei i høy hastighet, bremser kraftig, vil bilen oppføre seg som et glider; dekkene begynner å gli på en tynn vannfilm, praktisk talt uten å berøre veien. Hvorfor skjer dette? Hvorfor glir ikke en bil alltid på våt vei, selv om bremsen ikke er på? Er det et slitemønster som reduserer denne effekten?

Viser seg...
Flere slitebanemønstre ble tilbudt for å redusere sannsynligheten for vannplaning. For eksempel kan sporet lede vann til det bakre kontaktpunktet av slitebanen med veien, hvor vannet vil bli kastet ut. Andre, mindre riller kan drenere vann til sidene. Til slutt kan små fordypninger på slitebanen så å si "våte" vannlaget på veien ved å berøre det like før området hvor slitebanens hovedkontakt er mot veibanen. I alle tilfeller er målet å fjerne vann fra kontaktsonen så raskt som mulig og hindre vannplaning.

Et atom er den minste partikkelen i et kjemisk grunnstoff som beholder alt Kjemiske egenskaper. Et atom består av en kjerne, som har en positiv elektrisk ladning, og negativt ladede elektroner. Ladningen til kjernen til ethvert kjemisk element er lik produktet av Z og e, der Z er serienummeret til dette elementet i det periodiske systemet av kjemiske elementer, e er verdien av den elementære elektriske ladningen.

Elektron er den minste partikkelen av et stoff med negativ elektrisk ladning e=1,6·10 -19 coulombs, tatt som en elementær elektrisk ladning. Elektroner, som roterer rundt kjernen, befinner seg i elektronskallene K, L, M osv. K er skallet nærmest kjernen. Størrelsen på et atom bestemmes av størrelsen på elektronskallet. Et atom kan miste elektroner og bli et positivt ion eller få elektroner og bli et negativt ion. Ladningen til et ion bestemmer antall elektroner som går tapt eller oppnådd. Prosessen med å gjøre et nøytralt atom til et ladet ion kalles ionisering.

Atomkjerne(den sentrale delen av atomet) består av elementære kjernefysiske partikler - protoner og nøytroner. Radiusen til kjernen er omtrent hundre tusen ganger mindre enn radiusen til atomet. Tettheten til atomkjernen er ekstremt høy. Protoner- Dette er stabile elementærpartikler med en enkelt positiv elektrisk ladning og en masse 1836 ganger større enn massen til et elektron. Et proton er kjernen til et atom av det letteste grunnstoffet, hydrogen. Antall protoner i kjernen er Z. Nøytron er en nøytral (uten elektrisk ladning) elementarpartikkel med en masse veldig nær massen til et proton. Siden massen til kjernen består av massen av protoner og nøytroner, er antall nøytroner i kjernen til et atom lik A - Z, hvor A er massetallet til en gitt isotop (se). Protonet og nøytronet som utgjør kjernen kalles nukleoner. I kjernen er nukleoner forbundet med spesielle kjernekrefter.

Atomkjernen inneholder en enorm reserve av energi, som frigjøres under kjernefysiske reaksjoner. Kjernereaksjoner oppstår når atomkjerner samhandler med elementære partikler eller med kjernene til andre elementer. Som et resultat av kjernefysiske reaksjoner dannes nye kjerner. For eksempel kan et nøytron forvandles til et proton. I dette tilfellet blir en beta-partikkel, det vil si et elektron, kastet ut fra kjernen.

Overgangen av et proton til et nøytron i kjernen kan utføres på to måter: enten sendes en partikkel med masse lik elektronets masse, men med positiv ladning, kalt positron (positronforfall), ut fra kjernen, eller kjernen fanger et av elektronene fra K-skallet nærmest (K -fangst).

Noen ganger har den resulterende kjernen et overskudd av energi (er i en opphisset tilstand) og frigjør overskuddsenergi i form av elektromagnetisk stråling med en veldig kort bølgelengde når den går tilbake til normal tilstand. Energien som frigjøres under kjernefysiske reaksjoner brukes praktisk talt i ulike industrier.

Et atom (gresk atomos - udelelig) er den minste partikkelen i et kjemisk grunnstoff som har sine kjemiske egenskaper. Hvert grunnstoff er bygd opp av en bestemt type atom. Atomet består av en kjerne, som bærer en positiv elektrisk ladning, og negativt ladede elektroner (se), og danner elektronskallene. Størrelsen på den elektriske ladningen til kjernen er lik Z-e, der e er den elementære elektriske ladningen lik ladningen til elektronet (4,8·10 -10 elektriske enheter), og Z er atomnummeret til dette elementet i det periodiske systemet for kjemiske elementer (se .). Siden et ikke-ionisert atom er nøytralt, er antallet elektroner inkludert i det også lik Z. Sammensetningen av kjernen (se Atomkjernen) inkluderer nukleoner, elementærpartikler med en masse som er omtrent 1840 ganger større enn massen til elektronet (lik 9,1 10 - 28 g), protoner (se), positivt ladet, og nøytroner uten ladning (se). Antall nukleoner i kjernen kalles massetallet og er betegnet med bokstaven A. Antall protoner i kjernen, lik Z, bestemmer antall elektroner som kommer inn i atomet, strukturen til elektronskallene og kjemikaliet egenskapene til atomet. Antall nøytroner i kjernen er A-Z. Isotoper er varianter av samme grunnstoff, hvis atomer skiller seg fra hverandre i massenummer A, men har samme Z. I kjernene av atomer av forskjellige isotoper av samme grunnstoff er det altså annet nummer nøytroner med samme antall protoner. Når man betegner isotoper, skrives massetallet A over grunnstoffsymbolet, og atomnummeret under; for eksempel er isotoper av oksygen utpekt:

Dimensjonene til et atom bestemmes av dimensjonene til elektronskallene og er for alle Z en verdi i størrelsesorden 10 -8 cm Siden massen til alle elektronene i et atom er flere tusen ganger mindre enn massen til kjernen , massen til atomet er proporsjonal med massetallet. Den relative massen til et atom i en gitt isotop bestemmes i forhold til massen til et atom i karbonisotopen C12, tatt som 12 enheter, og kalles isotopmassen. Det viser seg å være nær massetallet til den tilsvarende isotopen. Den relative vekten til et atom til et kjemisk grunnstoff er gjennomsnittsverdien (med tanke på den relative mengden av isotoper av et gitt grunnstoff) verdien av isotopvekten og kalles atomvekt (masse).

Atomet er et mikroskopisk system, og dets struktur og egenskaper kan bare forklares ved hjelp av kvanteteori, skapt hovedsakelig på 20-tallet av det 20. århundre og ment å beskrive fenomener på atomskala. Eksperimenter har vist at mikropartikler - elektroner, protoner, atomer, etc. - i tillegg til korpuskulære, har bølgeegenskaper, manifestert i diffraksjon og interferens. I kvanteteorien, for å beskrive tilstanden til mikroobjekter, brukes et bestemt bølgefelt, karakterisert ved en bølgefunksjon (Ψ-funksjon). Denne funksjonen bestemmer sannsynlighetene for mulige tilstander til et mikroobjekt, dvs. karakteriserer de potensielle mulighetene for manifestasjon av visse av dets egenskaper. Variasjonsloven for funksjonen Ψ i rom og tid (Schrodingers ligning), som lar en finne denne funksjonen, spiller samme rolle i kvanteteorien som Newtons bevegelseslover i klassisk mekanikk. Å løse Schrödinger-ligningen fører i mange tilfeller til diskrete mulige tilstander i systemet. Så, for eksempel, når det gjelder et atom, oppnås en serie bølgefunksjoner for elektroner som tilsvarer forskjellige (kvantiserte) energiverdier. Systemet med atomenerginivåer, beregnet ved kvanteteoriens metoder, har fått strålende bekreftelse i spektroskopi. Overgangen til et atom fra grunntilstanden som tilsvarer det laveste energinivået E 0 til en hvilken som helst av de eksiterte tilstandene E i skjer ved absorpsjon av en viss del av energien E i - E 0 . Et eksitert atom går til en mindre eksitert eller grunntilstand, vanligvis ved å sende ut et foton. I dette tilfellet er fotonenergien hv lik forskjellen i energiene til atomet i to tilstander: hv = E i - E k hvor h er Plancks konstant (6,62·10 -27 erg·sek), v er frekvensen av lys.

I tillegg til atomspektre gjorde kvanteteorien det mulig å forklare andre egenskaper ved atomer. Spesielt valens, naturen kjemisk forbindelse og strukturen til molekyler, ble teorien om det periodiske systemet av elementer skapt.

Lenge før fremkomsten av pålitelige data om den indre strukturen til alle ting, forestilte greske tenkere materie i form av bittesmå brennende partikler som var i konstant bevegelse. Sannsynligvis ble denne visjonen om tingenes verdensorden utledet fra rent logiske konklusjoner. Til tross for en viss naivitet og den absolutte mangelen på bevis for denne uttalelsen, viste det seg å være sant. Selv om forskere var i stand til å bekrefte denne dristige gjetningen bare tjuetre århundrer senere.

Atomstruktur

I sent XIXårhundre, ble egenskapene til et utladningsrør som strøm ble ført gjennom studert. Observasjoner har vist at det i dette tilfellet sendes ut to strømmer av partikler:

De negative partiklene av katodestråler ble kalt elektroner. Deretter ble det oppdaget partikler med samme ladning-til-masse-forhold i mange prosesser. Elektroner så ut til å være universelle komponenter av forskjellige atomer, ganske lett separert når de ble bombardert av ioner og atomer.

Partikler med positiv ladning ble representert som fragmenter av atomer etter at de hadde mistet ett eller flere elektroner. Faktisk var de positive strålene grupper av atomer som var blottet for negative partikler og som et resultat hadde en positiv ladning.

Thompson modell

Basert på eksperimenter ble det funnet at positive og negative partikler representerte essensen av atomet og var dets komponenter. Den engelske vitenskapsmannen J. Thomson foreslo sin teori. Etter hans mening var strukturen til atomet og atomkjernen en slags masse der negative ladninger ble presset inn i en positivt ladet ball, som rosiner i en cupcake. Ladningskompensasjon gjorde "cupcaken" elektrisk nøytral.

Rutherford modell

Den unge amerikanske forskeren Rutherford, som analyserte sporene etterlatt av alfapartikler, kom til den konklusjonen at Thompsons modell var ufullkommen. Noen alfapartikler ble avbøyd i små vinkler - 5-10 o. I sjeldne tilfeller ble alfapartikler avbøyd i store vinkler på 60-80 o, og i unntakstilfeller var vinklene svært store - 120-150 o. Thompsons modell av atomet kunne ikke forklare forskjellen.

Rutherford foreslår en ny modell som forklarer strukturen til atomet og atomkjernen. Fysikken i prosessen sier at et atom skal være 99 % tomt, med en liten kjerne og elektroner som roterer rundt seg og beveger seg i baner.

Han forklarer avvik under sammenstøt med at partiklene til et atom har sine egne elektriske ladninger. Under påvirkning av bombardering av ladede partikler oppfører atomelementer seg som vanlige ladede legemer i makrokosmos: partikler med samme ladninger frastøter hverandre, og de med motsatt ladning tiltrekker seg.

Tilstanden til atomer

På begynnelsen av forrige århundre, da de første partikkelakseleratorene ble lansert, ventet alle teorier som forklarte strukturen til atomkjernen og selve atomet på eksperimentell verifisering. På den tiden var interaksjonene mellom alfa- og beta-stråler med atomer allerede blitt grundig studert. Frem til 1917 trodde man at atomer enten var stabile eller radioaktive. Stabile atomer kan ikke splittes, og nedbrytningen av radioaktive kjerner kan ikke kontrolleres. Men Rutherford klarte å tilbakevise denne oppfatningen.

Første proton

I 1911 fremmet E. Rutherford ideen om at alle kjerner består av identiske grunnstoffer, hvis grunnlag er hydrogenatomet. Forskeren ble tilskyndet til denne ideen av en viktig konklusjon fra tidligere studier av materiens struktur: massene til alle kjemiske elementer er delt uten en rest av massen av hydrogen. Den nye antagelsen åpnet for enestående muligheter, og tillot oss å se strukturen til atomkjernen på en ny måte. Kjernefysiske reaksjoner skulle bekrefte eller avkrefte den nye hypotesen.

Eksperimenter ble utført i 1919 med nitrogenatomer. Ved å bombardere dem med alfapartikler, oppnådde Rutherford et fantastisk resultat.

N-atomet absorberte en alfapartikkel, ble deretter til et oksygenatom O 17 og sendte ut en hydrogenkjerne. Dette var den første kunstige transformasjonen av et atom av ett grunnstoff til et annet. En slik opplevelse ga håp om at strukturen til atomkjernen og fysikken til eksisterende prosesser gjør det mulig å gjennomføre andre kjernefysiske transformasjoner.

Forskeren brukte scintillasjonsblitsmetoden i sine eksperimenter. Basert på frekvensen av fakler, trakk han konklusjoner om sammensetningen og strukturen til atomkjernen, om egenskapene til de genererte partiklene, om deres atommasse og serienummer. Den ukjente partikkelen ble kalt proton av Rutherford. Den hadde alle egenskapene til et hydrogenatom strippet for sitt eneste elektron - en enkelt positiv ladning og tilsvarende masse. Dermed ble det bevist at protonet og hydrogenkjernen er de samme partiklene.

I 1930, da de første store akseleratorene ble bygget og lansert, ble Rutherfords modell av atomet testet og bevist: hvert hydrogenatom består av et ensomt elektron, hvis posisjon ikke kan bestemmes, og et løst atom med et ensomt positivt proton inni. . Siden protoner, elektroner og alfapartikler kan fly ut av et atom under bombardement, trodde forskerne at disse var komponentene i enhver atomkjerne. Men en slik modell av kjerneatomet virket ustabil - elektronene var for store til å passe inn i kjernen, i tillegg var det alvorlige vanskeligheter forbundet med brudd på loven om momentum og bevaring av energi. Disse to lovene sa, i likhet med strenge regnskapsførere, at momentum og masse under et bombardement forsvinner i ukjent retning. Siden disse lovene var allment aksepterte, var det nødvendig å finne forklaringer på en slik lekkasje.

Nøytroner

Forskere over hele verden utførte eksperimenter med sikte på å oppdage nye komponenter i atomkjerner. På 1930-tallet bombarderte de tyske fysikerne Becker og Bothe berylliumatomer med alfapartikler. Samtidig ble det registrert ukjent stråling, som det ble besluttet å kalle G-stråler. Detaljerte studier avslørte noen av egenskapene til de nye strålene: de kunne forplante seg strengt i en rett linje, samhandlet ikke med elektriske og magnetiske felt, hadde høy penetreringsevne. Senere ble partiklene som danner denne typen stråling funnet under interaksjonen av alfapartikler med andre elementer - bor, krom og andre.

Chadwicks formodning

Så ga James Chadwick, en kollega og student av Rutherford, en kort melding i tidsskriftet Nature, som senere ble allment kjent. Chadwick trakk oppmerksomheten til det faktum at motsetninger i bevaringslover lett kan løses hvis vi antar at den nye strålingen er en strøm av nøytrale partikler, som hver har en masse omtrent lik massen til et proton. Med tanke på denne antagelsen utvidet fysikere hypotesen som forklarer strukturen til atomkjernen betydelig. Kort fortalt ble essensen av tilleggene redusert til en ny partikkel og dens rolle i atomets struktur.

Egenskaper til nøytronet

Den oppdagede partikkelen fikk navnet "nøytron". De nyoppdagede partiklene dannet ikke elektromagnetiske felt rundt seg og passerte lett gjennom materie uten å miste energi. Ved sjeldne kollisjoner med lette atomkjerner er et nøytron i stand til å slå kjernen ut av atomet, og mister en betydelig del av energien. Strukturen til atomkjernen antok tilstedeværelsen av et annet antall nøytroner i hvert stoff. Atomer med samme kjerneladning, men forskjellig antall nøytroner, kalles isotoper.

Nøytroner fungerte som en utmerket erstatning for alfapartikler. For tiden brukes de til å studere strukturen til atomkjernen. Det er umulig å kort beskrive deres betydning for vitenskapen, men det var takket være bombardementet av atomkjerner av nøytroner at fysikere var i stand til å skaffe isotoper av nesten alle kjente grunnstoffer.

Sammensetning av kjernen til et atom

For tiden er strukturen til atomkjernen en samling av protoner og nøytroner holdt sammen av kjernekrefter. For eksempel er en heliumkjerne en klump av to nøytroner og to protoner. Lette elementer har nesten like mange protoner og nøytroner; tunge grunnstoffer har et mye større antall nøytroner.

Dette bildet av strukturen til kjernen bekreftes av eksperimenter med moderne store akseleratorer med raske protoner. De elektriske frastøtende kreftene til protoner balanseres av kjernekrefter, som bare virker i selve kjernen. Selv om arten av kjernefysiske krefter ennå ikke er fullstendig studert, er deres eksistens praktisk talt bevist og forklarer fullstendig strukturen til atomkjernen.

Forholdet mellom masse og energi

I 1932 tok Wilsons kamera et fantastisk fotografi som beviste eksistensen av positivt ladede partikler med massen til et elektron.

Før dette ble positive elektroner spådd teoretisk av P. Dirac. Et ekte positivt elektron er også oppdaget i kosmiske stråler. Den nye partikkelen ble kalt et positron. Når den kolliderer med sin doble - et elektron, oppstår utslettelse - gjensidig ødeleggelse av to partikler. Dette frigjør en viss mengde energi.

Dermed var teorien utviklet for makrokosmos fullt egnet for å beskrive oppførselen til de minste elementene i materie.