Понятие о строении атомного ядра. Изотопы

Атом является наименьшей частицей химического элемента, которая несет все физико-химические свойства данного вещества, поэтому каждому элементу соответствует свой определенный вид атомов. В природе обнаружены 94 химических элемента и еще 24 получены в результате ядерных реакций.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые формируют его электронную оболочку. Принадлежность атома к данному химическому элементу определяет величина электрического заряда ядра – атомный номер Z. Обычно атом электронейтрален, т.к. положительный заряд ядра компенсируется соответствующим числом отрицательно заряженных электронов. При отрыве электронов атом превращается в положительно заряженный ион. Величина заряда соответствует числу потерянных электронов.

Основная масса атома сосредоточена в ядре (99,9%), при этом оно занимает ничтожный объем и имеет чрезвычайно высокую плотность (примерно 10¹⁷кг/м³). Ядро состоит из частиц двух видов: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Общее название ядерных частиц нуклоны. Число протонов равно заряду атома, т.е. атомному номеру Z. Число общее число нуклонов в ядре равно атомному или массовому числу атома А. Таким образом, А = Z(число протонов)+N( число нейтронов). Атомный номер и массовое число входят в обозначение элемента в Периодической таблице Менделеева в качестве верхнего и нижнего индекса соответственно(67).

Нуклоны в ядре удерживаются вместе очень мощными ядерными силами взаимного притяжения, которое преодолевает электростатическое отталкивание между одноименно заряженными протонами. Каждое ядро можно охарактеризовать числом протонов и нейтронов, входящий в его состав. Пока число протонов относительно невелико, т. е. в области легких элементов наиболее стабильны ядра с равным количеством протонов и нейтронов. С возрастанием атомного номера число нейтронов увеличивается, и для тяжелых элементов их количество в полтора раза превышает число протонов.

Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами одного элемента. По химико-физическим показателям изотопы практически одинаковы, но их ядерные свойства могут отличаться очень сильно. Легкие элементы имеют мало изотопов, в середине периодической таблицы изотопов особенно много, к концу – их вновь становится меньше. В земной коре преобладают изотопы с четным числом протонов и четным числом нейтронов (около87% атомов). Известно лишь четыре стабильных элемента с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов – водород, литий, бор и азот.

Все ядра делятся на стабильные и радиоактивные. Стабильные могут неограниченно долго существовать, сохраняя неизменным свой нуклонный состав и все свойства. Радиоактивные ядра с течением времени распадаются, т.е. происходит изменение их нуклонного состава, как правило, с испусканием частицы. При α-распаде испускается α-частица, которая содержит 2 протона и 2 нейтрона (ядро атома гелия), и «дочернее» ядро смещается на клетки периодической таблицы влево. При β-распаде либо 1 протон превращается в нейтрон, либо нейтрон – в протон и соответственно испускается позитрон или электрон, а «дочернее» ядро смещается на одну клетку вправо. Самопроизвольный распад атомных ядер происходит всегда с одинаковой скоростью. Никакими доступными методами невозможно ни ускорить, ни замедлить этот процесс. Каждый радиоактивный элемент характеризуется периодом полураспада – это промежуток времени, за которое распадается половина начального числа атомов. Эта величина варьирует от долей секунды до миллиардов лет. Предполагают, что в процессе формирования Земли равновероятно возникали и стабильные и радиоактивные ядра, однако к настоящему времени большинство радиоактивных уже распалось, поэтому сейчас преобладают стабильные ядра. Из естественных изотопов до современности сохранились только самые долгоживущие изотопы: торий-232, уран-235, уран-238, калий-40.

Атомное ядро является сложным объектом для теоретического описания, поэтому при изучении атомных свойств прибегают к упрощенным моделям. Наибольшее распространение получили 2 модели: модель жидкой капли и оболочечная модель.

Согласно модели жидкой капли атомное ядро является сгустком очень плотного, положительно заряженного вещества (ядерная материя), которое ведет себя в ядерных реакциях подобно капли жидкости, т.е. может нагреваться, колебаться, вращаться и даже разрываться надвое. Эта модель как раз наилучшим образом объясняет такое явление как деление ядра (16).

Оболочечная модель основана на представлении, что нуклоны движутся внутри ядра по определенным орбитам (оболочкам) подобно движению электронов в атоме. Каждый нуклон движется в поле, создаваемом остальными нуклонами. Эта модель была призвана объяснить существование магических ядер – это ядра с максимальной энергией связи нуклонов, поскольку в них содержится определенное число нуклонов. Числа нуклонов, соответствующие полностью заполненным оболочкам протонов или нейтронов, называют магическими числами. Это числа 2,8,20,28,50,82 и 126. Если число протонов или нейтронов соответствует одному из магических чисел, то ядро называется магическим, когда и Z и N – равно магическим числа, то ядро является наиболее прочным дважды магическим (гелий, кислород и кальций) (44) .