Строение атома и атомного ядра

Зачем это нужно

Атомные электростанции дают около пятой части электроэнергии России. Радиоактивные изотопы лечат рак, позволяют определить возраст древних находок и проверить качество сварных швов. Солнце светит благодаря ядерным реакциям. Чтобы понимать эти технологии, их пользу и опасность, нужно знать, как устроены атом и его ядро.

Радиоактивность

В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что соли урана сами испускают невидимое излучение. Мария и Пьер Кюри открыли ещё более активные элементы — полоний и радий. Явление назвали радиоактивностью. Оно доказало, что атом — не «неделимая» частица: из него что-то вылетает.

В магнитном поле излучение разделяется на три вида:

Опыт Резерфорда

В 1911 году Эрнест Резерфорд обстреливал тонкую золотую фольгу α-частицами. Почти все пролетали насквозь, но примерно одна из нескольких тысяч отклонялась на большой угол, а некоторые отскакивали назад — «как если бы снаряд отскочил от папиросной бумаги». Вывод: почти вся масса и весь положительный заряд атома сосредоточены в крошечном ядре размером около $10^{-15}$ м, а размер атома около $10^{-10}$ м — в сто тысяч раз больше. Так появилась планетарная модель: электроны движутся вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.

Состав ядра

Ядро состоит из протонов (заряд $+e$, открыт Резерфордом в 1919 г.) и нейтронов (без заряда, открыт Чедвиком в 1932 г.). Вместе их называют нуклонами. Обозначение $^A_Z\text{X}$:

• $Z$ — зарядовое число = число протонов = номер в таблице Менделеева;
• $A$ — массовое число = число нуклонов;
• $N = A - Z$ — число нейтронов.

Изотопы — атомы одного элемента с разным числом нейтронов: $^{12}_6\text{C}$ и $^{14}_6\text{C}$.

Протоны отталкиваются, но ядро не разлетается: его удерживают ядерные силы — самые мощные силы в природе, но действующие только на расстояниях порядка размеров ядра.

Разобранный пример 1

Сколько протонов и нейтронов в ядре $^{238}_{92}\text{U}$?

$Z = 92$ протона, $N = 238 - 92 = 146$ нейтронов.

Радиоактивные превращения

При распаде сохраняются заряд и число нуклонов:

• α-распад: $^A_Z\text{X} \to {}^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + {}^4_2\text{He}$ — элемент сдвигается на 2 клетки назад;
• β-распад: $^A_Z\text{X} \to {}^{A}_{Z+1}\text{Y} + {}^{\;\,0}_{-1}e$ — на 1 клетку вперёд.

Разобранный пример 2

Радий-226 ($Z = 88$) испытывает α-распад. Какой элемент получится?

$A = 226 - 4 = 222$, $Z = 88 - 2 = 86$ — это радон $^{222}_{86}\text{Rn}$.

Период полураспада $T$ — время, за которое распадается половина ядер. Через $t$ остаётся $N = N_0 \cdot 2^{-t/T}$.

Разобранный пример 3

Было 1000 ядер, период полураспада 2 суток. Сколько останется через 6 суток?

$6 : 2 = 3$ периода, $1000 : 2^3 = 125$ ядер.

Разобранный пример 4 (радиоуглеродный метод)

Углерод-14 ($Z = 6$) испытывает β-распад с периодом полураспада около 5700 лет. Что получается и как это используют?

1. $A$ не меняется, $Z = 6 + 1 = 7$ — получается азот $^{14}_7\text{N}$.
2. Живые организмы постоянно получают углерод-14 из воздуха, а после гибели его доля уменьшается вдвое каждые 5700 лет. Измерив остаток, археологи определяют возраст древесины, костей и тканей.

Деление урана. Ядерная энергетика

Ядро урана-235, поглотив нейтрон, делится на два осколка и выпускает 2–3 новых нейтрона, выделяя около 200 МэВ энергии. Новые нейтроны делят другие ядра — идёт цепная реакция. В атомной бомбе она неуправляемая. В ядерном реакторе её регулируют: замедлитель (вода, графит) снижает скорость нейтронов, а управляющие стержни поглощают лишние нейтроны. Энергия деления нагревает воду, пар крутит турбину генератора. Первая в мире АЭС заработала в Обнинске в 1954 году.

В недрах Солнца идёт термоядерный синтез: ядра водорода сливаются в гелий, выделяя ещё больше энергии на единицу массы.

Биологическое действие радиации

Излучение ионизирует молекулы и повреждает клетки. Его действие оценивают эквивалентной дозой в зивертах (Зв). Естественный фон даёт человеку около 2–3 мЗв в год. Защита — время (меньше находиться у источника), расстояние (дальше от него) и экранирование (бетон, свинец, вода).

Типичные ошибки

• Путать массовое число $A$ и зарядовое $Z$.
• Считать, что при β-распаде из ядра вылетает электрон с орбиты.
• Думать, что за два периода полураспада распадаются все ядра (остаётся четверть).
• Путать деление тяжёлых ядер (АЭС) и синтез лёгких (Солнце).
• Считать, что γ-лучи задерживает лист бумаги.

Что дальше

• Физика атомного ядра — атомное ядро подробно в 11 классе.
• Строение и эволюция Вселенной — как ядерные реакции в звёздах создают элементы и определяют их эволюцию.