Composizione e struttura del nucleo atomico (brevemente)

Molto prima della comparsa di dati attendibili sulla struttura interna di tutto ciò che esiste, i pensatori greci immaginavano la materia sotto forma delle più piccole particelle di fuoco che erano in costante movimento. Probabilmente, questa visione dell'ordine mondiale delle cose derivava da conclusioni puramente logiche. Nonostante qualche ingenuità e assoluta infondatezza di questa affermazione, si è rivelato vero. Sebbene gli scienziati potessero confermare un'ipotesi coraggiosa solo ventitre secoli dopo.

Struttura atomica

Alla fine del 19 ° secolo, furono studiate le proprietà del tubo di scarico attraverso il quale passava la corrente. Le osservazioni hanno dimostrato che in questo caso vengono emessi due flussi di particelle:

1. Raggi catodici che si formano vicino agli elettrodi collegati all'estremità negativa della batteria. I raggi catodici passavano attraverso il tubo ed erano in grado di scivolare attraverso il foro dell'elettrodo positivo, come una corrente di particelle cariche. Le osservazioni hanno dimostrato che la relazione tra la carica di tale particella e la sua massa è sempre la stessa e non dipende dal tipo di gas.
2. Raggi positivi La seconda corrente di particelle va nella direzione opposta e può passare nel foro dell'elettrodo negativo. Le deviazioni nei campi dimostrano che hanno alte velocità e diversi valori del rapporto tra carica e massa.

Le particelle negative dei raggi catodici erano chiamate elettroni. Successivamente, in molti processi sono state trovate particelle con lo stesso rapporto di carica-massa. Gli elettroni sembravano essere componenti universali di diversi atomi, separandosi piuttosto facilmente quando bombardavano ioni e atomi.

Le particelle che trasportano una carica positiva sembravano essere frammenti di atomi dopo aver perso uno o più elettroni. In realtà, i raggi positivi erano gruppi di atomi privi di particelle negative e, di conseguenza, avevano una carica positiva.

Modello Thompson

Sulla base degli esperimenti, è stato trovato che le particelle positive e negative rappresentavano l'essenza dell'atomo, erano i suoi componenti. Lo scienziato inglese J. Thomson propose la sua teoria. Secondo la sua opinione, la struttura dell'atomo e del nucleo atomico era una specie di massa in cui le cariche negative erano spremute in una sfera carica positivamente, come l'uvetta in una torta. La compensazione della carica ha reso il "cupcake" elettricamente neutro.

Modello Rutherford

Una giovane scienziata americana Rutherford, analizzando le tracce lasciate dopo le particelle alfa, giunse alla conclusione che il modello Thompson è imperfetto. Alcune particelle alfa sono state deviate a piccoli angoli - 5-10 ^o . In rari casi, le particelle alfa deviavano a grandi angoli di 60-80 ^o , e in casi eccezionali, gli angoli erano molto grandi - 120-150 ^o . Il modello dell'atomo di Thompson non poteva spiegare una tale differenza.

Rutherford propone un nuovo modello che spiega la struttura dell'atomo e il nucleo atomico. La fisica dei processi afferma che un atomo deve essere vuoto al 99%, con un nucleo minuscolo ed elettroni che ruotano attorno ad esso, che si muovono in orbite.

Deviazioni in colpi, spiega dal fatto che le particelle di un atomo hanno le loro cariche elettriche. Sotto l'influenza del bombardamento di particelle cariche, gli elementi atomici si comportano come corpi carichi ordinari nel macrocosmo: particelle con cariche identiche si respingono a vicenda e con cariche opposte si attraggono l'un l'altra.

Stato degli atomi

All'inizio del secolo scorso, quando furono lanciati i primi acceleratori di particelle elementari, tutte le teorie che spiegavano la struttura del nucleo atomico e l'atomo stesso attendevano la verifica sperimentale. A quel punto, le interazioni di raggi alfa e beta con gli atomi erano già accuratamente studiate. Fino al 1917, si pensava che gli atomi fossero o stabili o radioattivi. Gli atomi stabili non possono essere suddivisi, il decadimento dei nuclei radioattivi non può essere controllato. Ma Rutherford è riuscito a confutare questa opinione.

Primo protone

Nel 1911, E. Rutherford avanzò l'idea che tutti i nuclei fossero composti di elementi identici, la base per la quale è un atomo di idrogeno. Su questa idea, lo scienziato ha spinto un'importante conclusione di precedenti studi sulla struttura della materia: le masse di tutti gli elementi chimici sono divise senza resto dalla massa di idrogeno. La nuova ipotesi ha aperto opportunità senza precedenti, consentendo una nuova visione della struttura del nucleo atomico. Le reazioni nucleari dovrebbero confermare o confutare una nuova ipotesi.

Gli esperimenti furono condotti nel 1919 con atomi di azoto. Bombardandoli con particelle alfa, Rutherford ottenne un risultato sorprendente.

L'atomo N assorbì la particella alfa, quindi si trasformò in un atomo di ossigeno O ¹⁷ ed emise un nucleo di idrogeno. Questa fu la prima trasformazione artificiale di un atomo di un elemento in un altro. Tale esperienza ha instillato la speranza che la struttura del nucleo atomico, la fisica dei processi esistenti consenta altre trasformazioni nucleari.

Lo scienziato ha usato nei suoi esperimenti il ​​metodo della scintillazione - flash. Dalla frequenza dei razzi, ha tratto conclusioni su quale sia la composizione e la struttura del nucleo atomico, sulle caratteristiche delle particelle prodotte, sulla loro massa atomica e sul loro numero di sequenza. Una particella sconosciuta era chiamata protone di Rutherford. Aveva tutte le caratteristiche di un atomo di idrogeno, privo del suo unico elettrone - una singola carica positiva e la massa corrispondente. Quindi, è stato dimostrato che il protone e il nucleo di idrogeno sono le stesse particelle.

Nel 1930, quando furono costruiti e lanciati i primi grandi acceleratori, il modello atomico di Rutherford fu testato e provato: ogni atomo di idrogeno consisteva in un singolo elettrone, la cui posizione è impossibile da determinare, e un atomo libero con un singolo protone positivo all'interno. Poiché i protoni, gli elettroni e le particelle alfa possono entrare da un atomo quando sono bombardati, gli scienziati hanno pensato che fossero componenti di qualsiasi nucleo atomico. Ma un tale modello del nucleo atomico sembrava essere instabile - gli elettroni erano troppo grandi per adattarsi al nucleo, inoltre, c'erano serie difficoltà associate alla violazione della legge della quantità di moto e alla conservazione dell'energia. Queste due leggi, come contabili rigorosi, dicevano che la quantità di movimento e la massa durante il bombardamento scompaiono in una direzione sconosciuta. Poiché queste leggi erano generalmente accettate, era necessario trovare spiegazioni per tale perdita.

neutroni

Scienziati di tutto il mondo hanno avviato esperimenti volti a scoprire nuovi costituenti dei nuclei atomici. Negli anni '30, i fisici tedeschi Becker e Bothe bombardarono gli atomi di berillio con particelle alfa. In questo caso, è stata registrata una radiazione sconosciuta, che è stata decisa per essere chiamata raggi G. Studi dettagliati hanno descritto alcune delle caratteristiche dei nuovi raggi: potrebbero diffondersi rigorosamente in linea retta, non interagire con i campi elettrici e magnetici e avere un alto potere penetrante. Successivamente, le particelle che formano questo tipo di radiazione sono state trovate nell'interazione delle particelle alfa con altri elementi - boro, cromo e altri.

Ipotesi di Chadwick

Poi James Chadwick, collega e allievo di Rutherford, nella rivista Nature ha dato un breve messaggio, che in seguito è diventato famoso. Chadwick ha attirato l'attenzione sul fatto che le contraddizioni nelle leggi di conservazione sono facilmente risolvibili, assumendo che la nuova radiazione sia una corrente di particelle neutre, ognuna delle quali ha una massa approssimativamente uguale alla massa del protone. Considerando questa ipotesi, i fisici hanno sostanzialmente integrato l'ipotesi che spiega la struttura del nucleo atomico. In breve, l'essenza delle aggiunte è stata ridotta a una nuova particella e al suo ruolo nella struttura dell'atomo.

Proprietà del neutrone

La particella rilevata è stata chiamata "neutrone". Le particelle appena scoperte non formavano campi elettromagnetici attorno a loro, passavano facilmente attraverso la sostanza senza perdere energia. In rare collisioni con nuclei leggeri di atomi, un neutrone è in grado di estrarre un nucleo da un atomo, perdendo una parte significativa della sua energia. La struttura del nucleo atomico presuppone la presenza di un diverso numero di neutroni in ciascuna sostanza. Gli atomi con la stessa carica nucleare, ma con un diverso numero di neutroni sono chiamati isotopi.

I neutroni fungevano da ottimo sostituto per le particelle alfa. Attualmente, sono usati per studiare la struttura del nucleo atomico. In breve, il loro significato per la scienza non può essere descritto, ma fu proprio grazie al bombardamento di neutroni dei nuclei atomici che i fisici furono in grado di ottenere isotopi di quasi tutti gli elementi noti.

La composizione del nucleo di un atomo

Allo stato attuale, la struttura del nucleo atomico è una combinazione di protoni e neutroni tenuti insieme da forze nucleari. Ad esempio, il nucleo di elio è un fascio di due neutroni e due protoni. Gli elementi leggeri hanno un numero quasi uguale di protoni e neutroni, mentre gli elementi pesanti hanno un numero molto più grande di neutroni. Questa immagine della struttura del nucleo è confermata da esperimenti su moderni grandi acceleratori con protoni veloci. Le forze elettriche di repulsione del protone sono bilanciate dalle forze del nucleo che agiscono solo nel nucleo stesso. Sebbene la natura forze nucleari non ancora pienamente compreso, la loro esistenza è quasi provata e spiega pienamente la struttura del nucleo atomico.

La relazione di massa ed energia

Nel 1932, la macchina fotografica di Wilson catturò una straordinaria fotografia che dimostrava l'esistenza di particelle cariche positive, con massa di elettroni. Prima di questo, gli elettroni positivi erano teoricamente predetti da P. Dirac. Un vero elettrone positivo è stato rilevato anche nelle radiazioni cosmiche. Un nuovo pezzo era chiamato positrone. Quando si scontrano con il suo gemello - un elettrone, avviene la distruzione - la distruzione reciproca di due particelle. Questo rilascia una certa quantità di energia.

Quindi, la teoria sviluppata per il mondo macro era perfettamente adatta per descrivere il comportamento dei più piccoli elementi della materia.