4.1. Сучасна модель атома. Протонно-нейтронна модель ядра атома. Ядерні сили. Ізотопи

1. Модель атома Джозефа Томсона

Джозеф Томсон відкрив електрон ще в 1897 р. Виходячи з відомостей про електронейтральність атома, учений створив модель: атом складається з позитивно зарядженої кулі, заряд якої рівномірно розподілено по всьому об’єму, і негативно заряджених електронів, розміщених у цьому об’ємі. Модель була схожа на пудинг з родзинками.

Виходячи з моделі атома Томсона, можна було пояснити явища йонізації атомів, електролізу, періодичну систему елементів, але вона не давала змоги пояснити електромагнітні та оптичні явища.

Проблемне питання

• Чи дійсно позитивний заряд розподілений по всьому об'єму атома?

2. Класичний дослід Резерфорда

Ернест Резерфорд, Ернест Марсден і Ганс Гейгер у 1908-1911 рр. проводили серію дослідів щодо з’ясування структури атома. Для дослідів учені використали речовину, із якої з великою швидкістю вилітали позитивно заряджені частинки – так звані α-частинки.

Вузький пучок α-частинок зі свинцевого контейнера спрямовувався на тонку золоту фольгу, а далі потрапляв в екран, покритий шаром кристалів цинк сульфіду. Якщо в такий екран улучала α-частинка, то в місці її влучання відбувався слабкий спалах світла. Учені спостерігали спалахи за допомогою мікроскопа та реєстрували влучання α-частинок в екран.

Під час дослідів було виявлено:

-         переважна більшість α- частинок проходить крізь золоту фольгу, не змінюючи напрямку руху;

-         деякі відхиляються від початкової траєкторії;

-         приблизно одна з 20 000 частинок відскакувала від фольги, начебто натикаючись на якусь перешкоду.

Проблемне питання

• Чому деякі α-частинки відскакують від фольги?

Оскільки побачити атом неможливо, то пояснення зміни напрямку руху α- частинок ґрунтувалося на логічних припущеннях.

Учений ретельно підрахував кількість частинок, що летіли в кожному з напрямків, а потім за допомогою складного, але переконливого математичного аналізу обґрунтував ядерну модель атома.

Ядерна модель будови атома:

-         атом складається з позитивно зарядженого ядра, оточеного негативно зарядженими частинками – електронами;

-         99,9% маси і весь позитивний заряд атома зосереджені в ядрі атома;

-         розмір ядра порівняно з атомом надзвичайно малий (діаметр атома становить приблизно 10^– 10 м, а ядра –  10^–15 м).

3. Будова атомного ядра

Атомне ядро складається із частинок двох видів:

-         протони (мають позитивний електричний заряд);

-         нейтрони (не мають заряду).

Нуклони – це протони й нейтрони, що входять до складу ядра атома.

Нуклонне (масове) число (А) – це сумарна кількість протонів і нейтронів в атомі.

Зарядове (протонне) число (Z) – це кількість протонів у ядрі.

Кількість нейтронів (N) у цьому ядрі: N = A – Z.

Нуклід – це вид атомів, який характеризується певним значенням зарядового числа та певним значенням масового числа.

Проблемне питання

• Скільки протонів і нейтронів містить ядро нукліда Титану ?

Ізотопи – це різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів.

4. Сильна взаємодія

Проблемне питання

• Яким чином у складі одного ядра і на дуже близькій відстані один від одного утримуються протони, адже однойменно заряджені частинки відштовхуються?

Кулонівські (електростатичні) сили відштовхування намагаються «зруйнувати» ядро.

Ядерні сили – це сили, які діють між протонами й нейтронами в ядрі та забезпечують існування атомних ядер.

Основні властивості ядерних сил:

1) є тільки силами притягання;

2) є близькодіючими: вимірювання показали, що ядерні сили між нуклонами виявляються лише на відстанях, які приблизно дорівнюють розмірам нуклона (10^–15 м);

3) не залежать від заряду: на однаковій відстані сили, що діють між двома протонами, між двома нейтронами або між протоном і нейтроном, є однаковими;

4) мають властивість насичення: нуклон виявляється здатним до ядерної взаємодії одночасно лише з невеликою кількістю нуклонів-«сусідів»