После опытов Резерфорда стало ясно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Однако оставалось неясным, из чего состоит само ядро. Ответ на этот вопрос был получен в 1932 году, когда советский физик Дмитрий Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель строения ядра.
Протоны и нейтроны
Согласно современным представлениям, ядро атома состоит из элементарных частиц, которые называются нуклонами. Существует два вида нуклонов: протоны и нейтроны.
Протон — это элементарная частица, входящая в состав ядра, имеющая положительный заряд +e (где e — элементарный заряд, равный 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл) и массу, примерно равную 1 атомной единице массы (а.е.м.).
Нейтрон — это элементарная частица, входящая в состав ядра, не имеющая электрического заряда (заряд равен нулю) и имеющая массу, также примерно равную 1 а.е.м.
Протоны и нейтроны имеют почти одинаковую массу, поэтому их общее название — нуклоны (от латинского nucleus — ядро).
| Частица | Обозначение | Заряд | Масса (а.е.м.) |
|---|---|---|---|
| Протон | p (или 11H) | +1 | 1,00728 |
| Нейтрон | n (или 10n) | 0 | 1,00866 |
| Электрон | e (или 0-1e) | -1 | 0,00055 |
Зарядовое и массовое числа
Для характеристики атомного ядра используются два основных числа: зарядовое и массовое.
Зарядовое число (Z) — это число протонов в ядре. Оно определяет заряд ядра и совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической таблице Менделеева.
Массовое число (A) — это общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре.
Таким образом, массовое число равно сумме числа протонов и числа нейтронов:
где N — число нейтронов в ядре.
Число нейтронов можно найти по формуле:
Ядро химического элемента обозначается символом элемента с указанием массового числа сверху и зарядового числа снизу. Например, ядро атома водорода обозначается как 11H, ядро гелия — 42He, ядро урана — 23892U.
Ядерные силы
Возникает вопрос: почему протоны, имеющие одинаковый положительный заряд, не отталкиваются друг от друга и не разлетаются? Дело в том, что между нуклонами в ядре действуют особые силы, которые называются ядерными силами.
Ядерные силы обладают следующими свойствами:
- Это силы притяжения. Они удерживают нуклоны в ядре.
- Они короткодействующие. Действуют только на очень малых расстояниях (порядка 10⁻¹⁵ м).
- Они не зависят от заряда. Ядерные силы действуют одинаково между двумя протонами, двумя нейтронами, а также между протоном и нейтроном.
- Они обладают свойством насыщения. Каждый нуклон взаимодействует не со всеми нуклонами ядра, а только с ближайшими соседями.
Важно: Ядерные силы значительно превосходят электрические силы отталкивания между протонами. Именно благодаря ядерным силам ядро остаётся устойчивым, несмотря на кулоновское отталкивание протонов.
Изотопы
Исследования показали, что ядра атомов одного и того же химического элемента могут содержать разное число нейтронов. Такие разновидности атомов называются изотопами.
Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов (Z), но разное число нейтронов (N).
Например, водород имеет три изотопа:
- Протий — 11H (один протон, ноль нейтронов).
- Дейтерий — 21H (один протон, один нейтрон).
- Тритий — 31H (один протон, два нейтрона).
Изотопы имеют одинаковые химические свойства (так как они определяются числом электронов, которое равно числу протонов), но могут отличаться по массе и физическим свойствам, в частности по радиоактивности.
