Historia nauki fizycznej liczy sobie prawie 2500 lat. Lecz dopiero od zeszłego wieku fizycy pracują nie tylko jako naukowcy, ale też są konsultantami rządów. Ilość specjalistów fizyków zwiększyła się stukrotnie. Stworzono wielkie przedsiębiorstwa produkujące przyrządy i urządzenia fizyczne (rys, 22.1). Jest to możliwe dzięki sukcesom fizyki jądrowej, która bada budowę i właściwości jąder atomowych, zjawiska, które w nich zachodzą i mechanizmy przemiany jąder atomowych. W tym paragrafie bardziej szczegółowo dowiesz się o atomie i jądrze atomowym.
Dowiadujemy się o doświadczeniu E. Rutherforda
Doświadczenia przeprowadzane przez uczonych w XIX wieku udowadniają, że atom ma złożoną budowę. Fizycy dowiedzieli się, że atom składa się z elektronu o ujemnym ładunku i jest neutralny.
W latach 1909-1911 doświadczony badacz Hans Geiger (1882—1945) i młody aspirant Ernest Marsden (1889—1970) pod kierownictwem fizyka angielskiego Ernesta Rutherforda (rys. 22.2) wykonali szereg doświadczeń, które wyjaśniały budowę atomu. W doświadczeniach wykorzystano substancję, z której z wielką prędkością wylatywały dodatnio naładowane cząstki - tzn. a-cząsthi {alfa-cząstki).
Wąską wiązkę α-cząstek z pojemnika ołowianego skierowywano na cienką złotą folię, która trafiała na ekran pokryty warstwą specjalnej substancji (rys. 22.3). Gdy α-cząstka trafiała w taki ekran, w tym miejscu obserwowano słaby błysk światła. Uczeni obserwowali te błyski za pomocą mikroskopu i rejestrowali każde trafianie α-cząstek w ekran.
W wyniku doświadczeń uczeni przekonali się, że większość α-cząstek przenika przez złotą folię, nie zmieniając kierunku ruchu, a część z nich odchyla się od początkowego toru. Lecz około 20 000 cząstek odbija się od folii niby trafiając na jakąś przeszkodę (rys. 22.4).
Rys. 22.1. Największe na dzień dzisiejszy urządzenie badawcze - to przyspieszacz cząstek naładowanych, którego pierwsze uruchomienie odbyło się w 2008 r.: a - wygląd wewnętrzny; b -wygląd schematyczny. Zadziwiają wymiary tego przyspieszacza: cząstki elementarne rozpędzają się w dużym pierścieniu o długości 26 km. Takie cudo techniki zostało zbudowane wspólnymi siłami wielu państw Europy
Wiadomo, że E. Rutherford nie mógł widzieć wewnętrznej budowy atomu. Dlatego rozważał w następujący sposób: jeżeli dodatni ładunek i masa równomiernie rozmieszczają się po całej objętości atomu (takie wyobrażenie o budowie atomu istniało na ten czas), to wszystkie α-cząstki powinny przelecieć przez folię prawie nie odchylając się, ponieważ ich energia jest ogromna (to tak jakby kopać piłką w pajęczynę).
Jeżeli dodatni ładunek i masa skupiają się w niewielkiej objętości w środku atomu, a przestrzeń ich otaczająca jest „pustką”, to bombardowanie α-cząstkami będzie przypominało rzucanie piłeczką w puszkę metalową umocowaną na patyku. Tylko w nielicznych przypadkach piłeczka odskoczy od puszki i wróci z powrotem do rzucającego, a w reszcie przypadków przeleci przez cel.
Prawdopodobnie drugi wariant lepiej tłumaczy wyniki doświadczenia. Zatem po zakończeniu doświadczeń E. Rutherford w 1911 roku zaproponował jądrowy model budowy atomu: atom składa się z dodatnio naładowanego jądra, w otoczeniu którego znajdują się ujemnie naładowane cząstki - elektrony; masa atomu jest skupiona w jądrze.
Jak uważasz, czy w doświadczeniu E. Rutherforda α-cząstka odskoczy, jeżeli jądro miałoby ujemny ładunek? jeżeli masa jądra byłaby o wiele mniejsza od masy a-cząstki?
Rys. 22.4. Tory α-cząstek, które przelatują obok jądra Au-rum. Im bliżej α-cząstka przelatuje od jądra, tym większa jest siła odpychania działająca na nią i tym więcej cząstka odchyla się od początkowego toru
Nie zważając na to, że w jądrze skupiona jest prawie cała masa atomu, rozmiary jądra w porównaniu z nim są na dużo mniejsze (średnica atomu wynosi ok. 10'10 m, a jądra — 10'15 m). Dla porównania wyobraźmy sobie, że atom zwiększono do rozmiarów dużego boiska. Przy tym rozmiary
jądra takiego atomu też powinny się zwiększyć. O ile? Obliczenia wskazują, że średnica jądra atomu będzie dorównywać rozmiarom mrówki, która porusza się po boisku.
Jądrowy model atomu Rutherforda został dalej rozwinięty w pracach wybitnego duńskiego fizyka Nielsa Bohra (1885—1962). Właśnie ten model jądrowy jest podstawą współczesnego wyobrażenia o budowie atomu (rys. 22.5).
Przypomnijmy budowę jądra atomowego
Z nauki fizyki i chemii dobrze wiesz, że jądro atomowe składa się z cząstek dwóch rodzajów: protonów o ładunku dodatnim i neutronów, które nie mają ładunku. Masa protonu w przybliżeniu równa się masie neutronu i jest prawie 2000 razy większa od masy elektronu. Protony i neutrony nazywamy nukleonami. Sumaryczną ilość protonów i neutronów nazywamy masą atomową i oznaczamy symbolem A.
Atom jest elektrycznie neutralny: sumaryczny ładunek protonów w jądrze jest równy sumarycznemu ładunkowi elektronów znajdujących się wokół jądra. Tak jak ładunek protonu, co do wartości bezwzględnej jest równy ładunkowi elektronu, zrozumiałe jest, że w atomie ilość protonów jest równa ilości elektronów.
Ilość protonów w jądrze nazywamy liczbą atomową i oznaczamy symbolem Z. Numer porządkowy pierwiastka w Układzie Okresowym pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa odpowiada ilości protonów w jądrze (liczbie protonowej).
Znając liczbę atomową (Z) i masę atomową (A) jądra pierwiastka chemicznego, można obliczyć ilość neutronów (N) w tym jądrze: N = A-Z.
Rodzaj atomu, który charakteryzuje się określoną wartością liczby i masy atomowej, nazywamy nuklidem (rys. 22.6).
Ile protonów i neutronów zawiera jądro nuklidu Aluminium
Jeżeli różne nuklidy mają jednakową liczbę atomową, to ich właściwości chemiczne będą jednakowe — nuklidy należą jednemu pierwiastkowi chemicznemu.
Odmiany atomów tego samego pierwiastka chemicznego, jądra których zawierają jednakową ilość protonów i mają różną ilość neutronów, nazywamy izotopami („jednakowe według miejsca").
Wszystkie pierwiastki chemiczne posiadają izotopy (rys. 22.7).
Dowiadujemy się o silnym oddziaływaniu
Już wiesz, że elektrony o ładunku ujemnym utrzymują się wokół dodatniego jądra dzięki elektromagnetycznemu oddziaływaniu. Jak będą utrzymywać się w jednym jądrze protony, jeżeli równoimienne naładowane cząstki odpychają się?
Udowodniono, że wszystkie cząstki w jądrze przyciągają się wzajemnie dzięki oddziaływaniu, które stukrotnie jest silniejsze od elektromagnetycznego odpychania protonów (rys. 22.8). Właśnie dlatego oddziaływanie nukleonów nazywamy oddziaływaniem silnym.
Siły wzajemnego oddziaływania protonów i neutronów, działające w jądrze i zapewniające istnienie jąder atomowych, nazywamy siłami jądrowymi.
Podstawowe właściwości sił jądrowych:
1) są tylko siłami przyciągania·,
2) są siłami krótko zasięgowymi: pomiary wykazały, że siły jądrowe pomiędzy
nukleonami powstają tylko na odległościach, które w przybliżeniu są równe rozmiarom nukleonu (10-15 m);
3) nie zależą od ładunku: na jednakowej odległości siły, działające pomiędzy dwoma protonami, pomiędzy dwoma neutronami lub pomiędzy protonem a neutronem, są jednakowe;
4) posiadają właściwość nasycenia: nukleon jest zdolny do jądrowego oddziaływania wyłącznie z jednoczesnym oddziaływaniem niewielkiej ilości nukleonów-„sąsiadów”.
Odkrycie budowy jądra atomowego można śmiało nazwać wydarzeniem „międzynarodowym”.
Proton został odkryty przez angielskiego fizyka, pochodzącego z Nowej Zelandii Ernesta Rutherforda (1911 r.), neutron - przez angielskiego fizyka Jamesa Chadwicka (1932 r.). Hipoteza protonowo-neutronowej budowy jądra atomu została wysunięta przez radzieckiego uczonego, pochodzącego z Połtawy, Dmytra Iwa-nenka i, niezależnie od niego, przez niemieckiego uczonego Wernera Heisenberga (1932 r.). Od tego czasu przedstawienie o budowie jądra praktycznie pozostaje niezmienne.
Podsumowanie
W wyniku doświadczeń, przeprowadzonych przez E. Rutherforda i jego współpracowników, stworzono model jądrowy budowy atomu, dzięki któremu wiemy, że w środku atomu znajduje się cząstka o ładunku dodatnim — jądro atomu, rozmiary której są o wiele mniejsze w porównaniu z rozmiarami atomu.
Jądra atomu składają się z nukleonów -protonów i neutronów. Ilość protonów (Z) w jądrze atomu danego pierwiastka jest równa porządkowemu numerowi tego pierwiastka w Układzie Okresowym pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa, ilość nukleonów (A) - jest równa masie atomowej.
Rodzaj atomów, który charakteryzuje się określoną ilością protonów i pewną ilością nukleonów, nazywamy nuklidem.
Odmiany pierwiastka chemicznego, atomy których zawierają w swoich jądrach jednakową ilość protonów, lecz różną ilość neutronów, nazywamy izotopami danego pierwiastka chemicznego.
W jądrze nukleony utrzymują się dzięki działaniu sił jądrowych. Siły jądrowe są siłami krótko zasięgowymi - nie występują na odległościach większych od rozmiaru nukleonu.
Pytania kontrolne
1. Opisz doświadczenie E. Rutherforda rozpraszania α-cząstek, podaj jego wyniki.
2. Z jakich cząstek składa się atom? jądro atomowe? 3. Co nazywamy liczbą atomową? masą atomowa? 4. Jak oblicza się ilość protonów i neutronów w jądrze? Podaj przykład. 5. Co nazywamy nuklidem? 6. Jakie nuklidy nazywamy izotopami? Podaj izotopy Wodoru. 7. Jaki typ oddziaływania zabezpiecza utrzymanie nukleonu w jądrze atomu? 8. Podaj definicję sił jądrowych, wymień ich właściwości.
Ćwiczenie nr 22
1. Ile protonów i neutronów zawiera jądro atomu Argonu
2. Czym różnią się jądra izotopów Uranu:
3. W jądrze atomu Boru znajduje się 5 protonów i 6 neutronów. Ile elektronów znajduje się w tym atomie? ile nukleonów zawiera jego jądro?
Wśród podanych symboli pierwiastków chemicznych wybierz ten, który zawiera największą ilość elektorów: Ca, Cu, Ge, Sb, P. Wykorzystaj Układ Okresowy pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa.
5. Oblicz siły oddziaływania jądrowego pomiędzy protonami jądra na odległości 1015 m.
6. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się o życiu i działalności D. Iwanenka.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar