Его сиятельство атом

В итоге Резерфорд сформулировал планетарную модель атома (рис. 3). В центре атома находится массивное ядро, его положительный заряд по величине равен суммарному заряду всех электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Разные атомы отличаются числом электронов (и зарядом ядра), и это определяет их химические свойства и возможности объединяться с другими атомами.

За множество важнейших экспериментальных результатов нобелевского лауреата Эрнеста Резерфорда называют «отцом ядерной физики».

Строение ядра атома. Изотопы

Ядра атомов тоже оказались сложными, состоящими из двух видов частиц.

Первые из них – протоны – обозначаются латинской буквой p. Их заряд по величине такой же, как у электронов, но положительный. Масса протона почти в две тысячи раз больше массы электрона. Поэтому практически вся масса атома сосредоточена в ядре (вспомните опыт Резерфорда). Число протонов в ядре равно числу электронов в атоме. Поэтому атом в целом заряда не имеет. Протон открыл Резерфорд в 1919 г.

Но ведь положительно заряженные протоны отталкиваются друг от друга, ядро должно «развалиться». Дело в том, что, кроме протонов, в ядре содержатся нейтральные частицы примерно той же массы – нейтроны (обозначение – n). Их в ядре примерно столько же, сколько и протонов. В целом ядро оказывается очень устойчивым за счет особых ядерных сил, действующих между его частицами. Протон и нейтрон объединяются термином нуклон, от латинского nucleus – ядро.

Нейтрон открыл Джеймс Чедвик (1891–1974) в 1932 г. (за что получил Нобелевскую премию).

Вы знаете газ гелий: им наполняют воздушные шарики, если хотят, чтобы они летали. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов (рис. 4); α-частицы – это ядра атома гелия, имеющие двойной положительный электрический заряд.

Рис. 4. Ядро атома гелия

Иногда в ядрах атомов содержится одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Такие элементы называются изотопами. Их химические свойства одинаковы, но по физическим свойствам они могут сильно отличаться, особенно по склонности к радиоактивному распаду. Например, в ядре урана-238 (U-238) содержится 238 нуклонов, из них 92 протона и 146 нейтронов, а в изотопе U-235 – такое же количество протонов, но 143 нейтрона. В природе еще встречается (очень редко) изотоп U-234. Радиоактивные свойства изотопов урана очень различаются, мы познакомимся с этим позже.

У водорода ядро самого распространенного изотопа состоит лишь из одного протона (рис. 5). Но существуют еще изотопы водорода дейтерий и тритий (рис. 5).

Рис. 5. Изотопы водорода

Ядра водорода возникли раньше ядер других элементов, сразу после рождения нашей Вселенной. Водород и сейчас составляет основную часть ее вещества (звезд, туманностей) – 88,6 процента. На втором месте по распространенности во Вселенной стоит гелий – 11,3 процента.

Ядерные реакции. Линейные ускорители и циклотроны

В 1902–1903 годах Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди (1877–1956) показали, что в результате естественной радиоактивности получаются другие химические элементы, т. е. изменяются ядра атомов. До этого были известны разнообразные химические реакции, затрагивающие не ядра реагирующих атомов, а только их электроны. Идею о ядерных реакциях не сразу приняли, т. к. представление о неизменности атомов слишком укоренилось.

Но можно ли искусственно вызвать ядерные реакции? Чтобы получить другой элемент, надо изменить число протонов в ядре. А уж ядро подберет себе из окружающей среды нужное число электронов.

Силы, удерживающие нуклоны в ядре, очень велики. Воздействовать на ядро, чтобы выбить из него часть нуклонов, можно, только если ядро «бомбардировать» частицами с большой энергией.

Первоначально в распоряжении физиков в качестве таких частиц были только α-частицы от природных радиоактивных веществ: радия или полония. Именно α-частицы использовал Резерфорд в своем классическом эксперименте с золотой фольгой (глава 1). Но в этом эксперименте α-частицы не проникали в ядра атомов металла, а просто рассеивались ими, т. к. у них был одинаковый электрический заряд, а такие заряды отталкиваются. Однако можно взять в качестве мишени вещество, в ядре которого протонов меньше и поэтому оно не так сильно отталкивает α-частицы и может их «впустить».

В 1919 г. Резерфорд облучил α-частицами азот, в ядро которого входят 7 протонов и 7 нейтронов. Это была первая в истории искусственная ядерная реакция, в итоге которой получили ядро одного из изотопов кислорода с 8 протонами и 9 нейтронами и 1 ядро водорода (т. е. протон). Именно анализ этого эксперимента привел Резерфорда к открытию протона.

По образному выражению Э. Резерфорда, возникла современная алхимия. Ведь алхимики стремились найти секрет превращения одного вещества (например, свинца) в другое (например, золото).