Ответы на экзаменационные билеты № 1-20 по курсу "Физика" (Механическое движение. Законы Ньютона. Нуклоны: протон и нейтрон, их массы), страница 7

В экспериментах Резерфорда по изучению внутренней структуры атома золотая фольга облучалась а-частицами, проходящими через щели в свинцовых экранах со скоростью 107 м/с. а-Частицы, испускаемые радиоактивным источником, представляют собой ядра атома гелия. После взаимодействия с атомами фольги а-частицы попадали на экраны, покрытые слоем сернистого цинка. Ударяясь об экраны, а-частицы вызывали слабые вспышки света (рис. 48, а). По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенные углы. Подсчет показал, что большинство ос-частиц проходит фольгу беспрепятственно. Однако некоторые а-частицы (одна из 20 000) резко отклонялись от первоначального направления (рис. 48, б). Столкновение ос-частицы с электроном не может так существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 7350 раз меньше массы а-частицы.

Резерфорд предположил, что отражение а-час-тиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами, обладающими массами, соизмеримыми с массой а-частицы. На основании результатов подобного рода опытов Резерфорд предложил модель атома: в центре атома расположено положительно заряженное атомное ядро, вокруг которого (подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца) вращаются под действием электрических сил притяжения отрицательно заряженные электроны. Атом электронейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов. Линейный размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше размера атома. Такова планетарная модель атома по Резерфорду.

Билет №20

 В первой трети XX в. в лаборатории Резерфорда были открыты нуклоны: протон и нейтрон , их массы соответственно равны: mр = 1,0073 а. е. м., mn = 1,0087 а. е. м. После чего Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома. Согласно теории построения этой модели любое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z (порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева). Суммарное число протонов и нейтронов называют массовым числом А — Z + N, где N — число нейтронов. Для обозначения конкретного ядра используют символ атома с указанием сверху значения массового числа А, а снизу — зарядового числа Z: гелий , уран .

Ядра элементов весьма устойчивы. Это значит, что кроме кулоновских сил отталкивания между протонами в ядре действуют и значительные силы притяжения, которые называют ядерными. Ядерные силы являются короткодействующими, их радиус действия не превышает размеры ядра , они обладают зарядовой независимостью (два протона или протон и нейтрон взаимодействуют между собой одинаково).

Установлено, что масса ядра элемента всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в ядро, т. е. . Эта разница масс называется дефектом масс: .Например, дефект масс ядра гелия составляет Дм = 4,0330 - 4,0026 = 0,0304 а. е. м. А это значит, что внутренняя энергия атома гелия меньше энергии составляющих его частиц на: 

              Энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон), называется удельной энергией связи. Удельная энергия связи убывает для ядер» расположенных в конце периодической системы. Поэтому природе выгодно, чтобы массивное ядро разделилось на осколки с большой энергией связи (это явление естественной радиоактивности), В частности, энергетически выгодно, если одним из осколков окажется а- частица, у которой энергия связи весьма велика. Однако делению ядра препятствуют мощные ядерные силы. Вот почему самопроизвольный распад ядра на а-частицу и ядро другого элемента происходит сравнительно редко.

В результате реакции деления высвобождается огромная энергия, например ядро урана в результате ядерной реакции с нейтроном распадается на осколки: и несколько нейтронов. Для урана удельная энергия связи составляет 7,6 МэВ, а у осколков деления — 8,5 МэВ. Разность энергии между материнским ядром к осколками деления 0,9 МэВ/нуклон. Так как в каждом процессе деления участвуют 236 нуклонов, то при делении одного ядра урана выделяется энергия: 0,9 МэВ - 236 = 200 МэВ. При делении ядер 1 кг урана выделится энергия 5,2 • 10в26ст. МэВ — = 8,3 • 10в13ст. Дж. Такую энергию можно получить при сжигании (химическая реакция) 2500 т нефти. Именно деление ядер урана является источником энергии в атомных электростанциях и в атомных бомбах.