Состав ядра

Когда Резерфорд установил на опыте существование атомного ядра, было невозможно сказать, из чего оно состоит. Первая составная частица любого ядра — протон (ядро атома водорода) — была официально открыта Резерфордом в 1919 году, и он же дал протону это имя (от греческого «протос» — первый, основной). Резерфорд доказал на опыте, что протон входит в состав ядра, осуществив первую в мире искусственную ядерную реакцию: «выбивание» протона из ядра азота с помощью альфа-частиц.

Некоторое время предполагали, что ядра состоят из протонов и электронов: ведь при радиоактивном бета-распаде из ядер вылетают электроны — значит, они там были? Однако по целому ряду параметров протонно-электронная модель ядра противоречит законам квантовой механики.

Наконец, в 1932 году был открыт нейтрон — нейтральная частица, по массе почти такая же, как протон. Нейтроны вылетали из бериллия при облучении его альфа-частицами.

Советский физик Дмитрий Иваненко и независимо от него Гейзенберг первыми предположили, что именно нейтроны наряду с протонами входят в состав ядра. А появление электрона при бэта-распаде они совершенно верно трактовали как его рождение: нейтрон в ядре превращается в протон, и при этом рождается электрон, так что суммарный заряд сохраняется. Идея о том, что протон и нейтрон обладают одинаковой «степенью элементарности», и что они могут превращаться друг в друга, испуская электрон или позитрон, в дальнейшем подтвердилась.

Протоны и нейтроны называют одним словом нуклоны — «ядерные частицы».

У протона и нейтрона нет какой-то твёрдой оболочки, как у ореха, их условный радиус немного меньше одного ферми (10^-15 м).

Ядро атома с порядковым номером Z (в таблице Менделеева) содержит Z протонов и имеет положительный заряд +Ze (Z называют зарядовым числом). Массовое число А показывает, сколько всего нуклонов в ядре. Число нейтронов в нем (A — Z).

 

Состав ядра указывается в символической записи: _Z^AX. Здесь Х — символ химического элемента, Z — зарядовое число, А - массовое число. Например, ₂⁴He — ядро гелия (оно же — альфа-частица).

В свободном состоянии, то есть вне ядра, протон стабилен и может существовать бесконечно долго, а нейтрон в свободном состоянии живет всего несколько минут и распадается на протон и электрон. Только в ядре нейтроны могут существовать сколь угодно долго (если это не радиоактивное ядро).

Многие химические элементы существуют в природе в нескольких вариантах: зарядовые числа (то есть число протонов в ядре) у них одинаковые, а число нейтронов отличается. Такие элементы называют изотопами. Химические свойства изотопов тождественны, они отличаются только массой. Одни изотопы могут быть стабильны, а другие — радиоактивны.

У водорода есть три изотопа: ₁¹H — обычный (лёгкий) водород, ₁²H — тяжёлый водород, или дейтерий (один протон и один нейтрон), ₁³H — сверхтяжёлый водород, или тритий (один протон и два нейтрона). Легкий водород и дейтерий стабильны, а тритий радиоактивен. Чемпион по количеству стабильных изотопов — олово: 10 изотопов.