Меню сайта

11 класс

§ 67. Искусственное превращение атомных ядер. Протонно-нейтронная модель атомного ядра

Искусственное превращение атомных ядер.

Впервые искусственное превращение ядер было осуществлено Резерфордом в 1919 г. В силу того что ядро весьма устойчиво и ни высокие температуры, ни давления, ни электромагнитные поля не вызывают превращения элементов и не влияют на скорость радиоактивного распада, Резерфорд предположил, что для разрушения или преобразования ядра нужна очень большая энергия. Наиболее подходящим носителем большой энергии в то время были α-частицы, вылетающие из ядер при радиоактивном распаде.

Первым ядром, подвергшимся искусственному преобразованию, стало ядро азота ¹⁴   ₇ N. Бомбардируя его α-частицами большой энергии, испускаемыми радием, Резерфорд обнаружил появление протонов — ядер атома водорода. Спустя несколько лет превращение ядра атома азота удалось наблюдать в камере Вильсона. Примерно одна α-частица из 50 000, испущепных радиоактивным препаратом в камере, захватывается ядром атома азота, что приводит к испусканию протона (¹   ₁ p). При этом ядро атома азота превращается в ядро изотопа кислорода:

¹⁴   ₇ N + ⁴   ₂ Hе ⟶ ¹⁷   ₈ O + ¹   ₁ p.

Данное превращение атомных ядер называют ядерной реакцией.

На рисунке 11.10 показана одна из фотографий рассмотренного процесса. Слева видна характерная «вилка» — разветвление трека. Жирный след принадлежит ядру атома кислорода, а тонкий — протону. Остальные α-частицы не претерпевают столкновений с ядрами, и их треки прямолинейны.

Другими исследователями были обнаружены превращения ядер атомов фтора, натрия, алюминия и др. под влиянием α-частиц.

Существенно, что кинетическая энергия α-частицы не равна сумме кинетических энергий протона и нового ядра, возникшего в результате превращения. Реакция идёт с поглощением кинетической энергии. Часть кинетической энергии (примерно 1,2 ∙ 10⁶ эВ) переходит во внутреннюю энергию вновь образовавшегося ядра. Но аналогичная реакция расщепления ядра атома алюминия приводит к выделению кинетической энергии: кинетическая энергия продуктов реакции больше кинетической энергии α-частицы, бомбардировавшей ядро алюминия, на 400 000 эВ. Уже эти наблюдения показали, что запасы энергии внутри атомных ядер исключительно велики, и нужно только научиться эту энергию извлекать и использовать.

Ядерные реакции происходят, когда частицы вплотную приближаются к ядру. Одноимённо заряженные частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому сближение положительно заряженных частиц с ядрами (или ядер друг с другом) возможно, если этим частицам (или ядрам) сообщена большая кинетическая энергия. Эта энергия сообщается протонам, ядрам дейтерия (дейтронам), α-частицам и другим более тяжёлым ядрам с помощью ускорителей элементарных частиц и ионов.

Открытие нейтрона.

В начале 1930-х гг. были экспериментально обнаружены неизвестные ранее лучи, которые назвали бериллиевым излучением. Оно возникало при бомбардировке бериллия α-частицами.

Французские учёные Ирен Жолио-Кюри (1897—1956) и Фредерик Жолио-Кюри (1900—1958) обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко увеличивается. Они справедливо предположили, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластины протоны, имеющиеся в большом количестве в этом водородсодержащем веществе.

C помощью камеры Вильсона (схема опыта приведена на рис. 11.11) Жолио-Кюри обнаружили эти протоны и но длине свободного пробега оценили их энергию. Если допустить, что протоны ускорялись в результате столкновения с γ-квантами, то энергия этих квантов должна быть огромной — около 55 МэВ.

В 1932 г. ученик Резерфорда — английский физик Джеймс Чедвик (1891 — 1974) наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением.

По его оценке, энергия γ-квантов, способных сообщать ядрам скорость, соответствующую наблюдениям, должна была составлять 90 МэВ. Аналогичные наблюдения треков ядер аргона привели к цифре 150 МэВ. Стало очевидным, что предположение об излучении бериллием γ-квантов несостоятельно. Из бериллия под действием α-частиц вылетают какие-то достаточно тяжёлые частицы, так как только при столкновениях с тяжёлыми частицами протоны или ядра атомов азота и аргона могли получить ту большую энергию, которая наблюдалась. Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ, то, следовательно, они были электрически нейтральными. Ведь заряженная частица сильно взаимодействует с веществом и поэтому быстро теряет свою энергию. Новая частица была названа нейтроном.

При столкновении α-частиц с ядрами атомов бериллия происходит следующая реакция:

⁹   ₄ Be + ⁴   ₂ Hе ⟶ ¹²   ₆ C + ¹   ₀ n.

Здесь ¹   ₀ n— символ нейтрона; его заряд равен нулю, а относительная атомная масса равна приблизительно единице.

Согласно современным данным, нейтрон имеет массу, равную 1,6749 ∙ 10^-27 кг.

Протонно-нейтронная модель ядра.

После того как в опытах Чедвика был открыт нейтрон, российский физик Дмитрий Дмитриевич Иваненко (1904—1994) и В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра. Она была подтверждена последующими исследованиями ядерных превращений и в настоящее время является бесспорной. Согласно протонно-нейтронной модели, ядра состоят из элементарных частиц двух сортов: протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно числу электронов в атомной оболочке, так как в целом атом нейтрален.

Следовательно, число протонов в ядре равно атомному номеру Z элемента в таблице Д. И. Менделеева.

А = Z + N.

При ядерных реакциях выполняются закон сохранения электрического заряда, энергии и импульса.

При любой ядерной реакции выполняется закон сохранения массового числа.

Так как массы протона и нейтрона близки друг к другу, то массовое число равно округлённой до целого числа относительной атомной массе элемента. Ядра изотопов имеют одно и то же значение Z, но различные массовые числа А, т. е. различное число нейтронов N. Для протонов и нейтронов часто используют термин «нуклоны», т. е. ядерные частицы.

Вопросы:

1. Как было осуществлено искусственное превращение атомных ядер?

2. Что называют ядерными реакциями?

3. Почему для протекания ядерных реакций необходимо сблизить взаимодействующие частицы на очень малые расстояния?

4. Как был открыт нейтрон?

5. Что называют массовым числом?

6. Сформулируйте закон сохранения массового числа.

Вопросы для обсуждения:

1. Бомбардируя атомы бора ¹¹   ₅ B быстрыми протонами, в камере Вильсона получили три почти одинаковых следа частиц, направленных в разные стороны. Какие это частицы?

2. Почему α-частицы, испускаемые радиоактивными препаратами, не могут вызвать ядерных реакций в тяжёлых химических элементах?

3. Если нуклоны способны притягиваться друг к другу, то почему же все ядра до сих пор не слились в одно гигантское ядро?

Упражнения:

1. Назовите химический элемент, в атомном ядре которого содержится:

а) 7 р + 7n;

б) 51 р + 71n;

в) 10l p + 155n нуклонов.

2. Во сколько раз меньше нейтронов содержит ядро атома азота ¹⁴   ₇ N, чем ядро цинка ⁶⁵ ₃₀ Zn?

3. Сколько протонов и нейтронов содержит ядро изотопа ²⁷ ₁₃ Al:

а) в количестве 1 моль;

б) массой 1 г?

4. При бомбардировке изотопа железа ⁵⁶ ₂₆ Fe нейтронами образуется β-радиоактивный изотоп марганца с атомной массой 56. Запишите реакцию получения искусственно радиоактивного марганца и реакцию происходящего с ним β-распада.

5. Запишите недостающие обозначения в ядерных реакциях:

а) ²³⁹ ₃₄ Pu + ⁴   ₂ Hе ⟶ ? + ¹   ₀ n;

б) ? + ⁴   ₂ Hе ⟶ ¹⁰   ₆ B + ¹   ₀ n;

в) ⁶   ₃ Li + ¹   ₁ p ⟶ ? + ⁴   ₂ Hе;

г) ¹⁴   ₇ N + ? ⟶ ¹⁵   ₈ O + γ.