Історія фізичної науки налічує майже 2500 років, але тільки минулого століття фізики перетворилися з поважних викладачів і кабінетних учених на консультантів урядів. Кількість фахівців-фізиків збільшилася в сотні разів, було створено величезні підприємства для виробництва фізичних приладів і обладнання. І сталося це передусім завдяки успіхам ядерної фізики, яка вивчає структуру та властивості атомних ядер, процеси, що в них відбуваються, та механізми перетворення атомних ядер. У цьому параграфі ви детальніше дізнаєтесь про атом і атомне ядро.  

Найбільша на сьогодні дослідницька установка CERN — прискорювач заряджених частинок, перший запуск якого відбувся в 2008 р.: а — вигляд ізсередини; б — схематичне зображення. Вражають розміри цього прискорювача: елементарні частинки розганяються у величезному кільці завдовжки 26 км. Країни Європи мусили об'єднати свої зусилля, щоб побудувати це диво техніки  

Експерименти, здійснені вченими протягом XIX ст., довели, що атом має складну структуру. Фізикам стало відомо, що до складу атома входять електрони, які мають негативний заряд, а власне атом є нейтральним.

У 1908-1911 рр. під керівництвом Ернеста Резерфорда досвідчений дослідник Ганс Ґейґер (1882-1945) і молодий аспірант Ернест Марсден (1889-1970) 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 (альфа-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.  

Зрозуміло, що Е. Резерфорд не міг бачити внутрішню структуру атома, тому він залучив логіку. Якщо позитивний заряд і маса рівномірно розподілені по всьому об’єму атома (а саме таке уявлення про атом існувало на той час), то всі α-частинки повинні були пролетіти крізь фольгу практично не відхиляючись, адже їхня енергія величезна (це приблизно як бити м’ячем крізь павутиння).

Якщо ж позитивний заряд і маса зосереджені в невеликому об’ємі всередині атома, а навколо — «порожнеча», то бомбардування α-частинками нагадуватиме кидки тенісними м’ячиками через поле, на якому розташована закріплена на жердині металева банка. Тільки в мізерній кількості випадків м’ячики влучать у банку та відскочать від неї, решта ж пролетить повз.

Відкриття будови атомного ядра сміливо можна назвати «міжнародним».

Протон відкрив англійський фізик, уродженець Нової Зеландії Ернест Резерфорд (1911 р.), нейтрон — англійський фізик Джеймс Чедвік (1932 р.). Гіпотезу про протонно-нейтронну будову ядра атома вперше незалежно один від одного висловили радянський учений, уродженець Полтавщини Дмитро Дмитрович Іваненко і німецький учений Вернер Гейзенберґ (1932 р.). Відтоді уявлення про будову ядра практично не змінилися.

Із курсів фізики і хімії ви добре знаєте, що атомне ядро складається із частинок двох видів: протонів, які мають позитивний електричний заряд, і нейтронів, які не мають заряду. Маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона та майже у 2000 разів більша за масу електрона. Протони й нейтрони, що входять до складу ядра атома, називають нуклонами. Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним (масовим) числом і позначають символом А.

Атом є електрично нейтральним: сумарний заряд протонів у ядрі дорівнює сумарному заряду електронів, що розташовані навколо ядра. Оскільки заряд протона за модулем дорівнює заряду електрона, то зрозуміло, що в атомі кількість протонів дорівнює кількості електронів.

Кількість протонів у ядрі називають зарядовим (протонним) числом і позначають символом Ζ. Порядковий номер елемента в Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва відповідає кількості протонів у ядрі (зарядовому числу).

Знаючи зарядове (Ζ) і масове (А) числа ядра атома, можна визначити кількість нейтронів (Ν) у цьому ядрі: N = Α - Ζ.

Вид атомів, який характеризується певним значенням зарядового числа та певним значенням масового числа, називають нуклідом.

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід Е. Резерфорда із розсіяння α-частинок та його результати. 

2. Із яких частинок складається атом? атомне ядро? 

3. Що таке зарядове число? масове число? 

4. Як визначити кількість протонів і нейтронів у ядрі? Наведіть приклад. 

5. Що таке нуклід? 

6. Які нукліди називають ізотопами? Назвіть ізотопи Гідрогену. 

7. Який тип взаємодії забезпечує утримання нуклонів у ядрі атома? 

8. Дайте означення ядерних сил, назвіть їхні властивості.

Задачі

1. Скільки протонів і скільки нейтронів міститься в ядрі атома Аргону 4018Аr?

2. Чим відрізняються ядра ізотопів Урану: 23892U i 23592U?

3. У ядрі атома Бору міститься 5 протонів і 6 нейтронів. Скільки електронів у цьому атомі? скільки нуклонів у ядрі цього атома?

4. Серед поданих символів хімічних елементів визначте той, що відповідає атому з найбільшою кількістю електронів: Са, Cu, Ge, Sb, Р. Скористайтеся Періодичною системою хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

5. Оцініть силу ядерної взаємодії між протонами ядра на відстані 10-15 м.

6. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про життя й наукову діяльність нашого співвітчизника Дмитра Дмитровича Іваненка.

Будуємо атом

Опис

Побудуйте атоми з протонів, нейтронів і електронів, і подивіться, як змінюються номери елементів, їх заряд і маса. Потім зіграйти в гру, щоб перевірити свої ідеї!

Приклади навчальних цілей

• Використовуйте протони, нейтрони і електрони для створення моделей атомів, визначте елемент, і його масу і заряд.

• Передбачте, як додавання або віднімання з протонів, нейтронів, електронів змінюють елемент , його заряд і масу.

• Використовуйте ім'я елемента, масу і заряд для визначення числа протонів, нейтронів і електронів.

• Дайте визначення протона, нейтрона, електрона, атому та іона.

• Згенеруйте ізотопний символ для атома, враховуючи кількість протонів, нейтронів і електронів.

Побудуй ядро

Приклади навчальних цілей

• Поясніть, як зміна числа нейтронів або протонів впливає на атомний номер і вид ізотопу.

• Опишіть, як різні розпади змінюють нуклони в ядрі, і чи це змінює символ показаного атома та впливає на такі параметри, як атомний номер/атомна маса.

Згадуючи через 20 років про свої перші досліди, Е. Резерфорд говорив: «Це було, мабуть, найнеймовірніше явище, яке коли – небудь зустрічалося в моєму житті. Воно було майже таким неймовірним, як коли б ви обстрілювали б 15 – дюймовим снарядами аркуш найтоншого паперу, а вони б відскакували назад і потрапляли у вас. Після роздуму над цією обставиною я впевнився, що це зворотне розсіювання могло бути результатом тільки прямого попадання. Але коли я провів потрібні розрахунки, то побачив, що отриманий результат за величиною також неймовірний, за винятком того єдиного випадку, коли ви маєте справу з системою, в якій більша частина маси атома сконцентрована в дуже малому ядрі».

Багаторазово повторивши досліди, Е. Резерфорд в 1911 році опублікував їх результати і висновки про те, що пощастило виявити позитивно заряджену частину атома ― ядра атома, в якому зосереджена майже вся його маса. Це ядро займало лише дуже малу частинку об’єму всього атома, приблизно одну стотисячну його поперечника. Атом виявився порожнім!