Что такое нуклоны и что из них можно "построить"

Середина прошлого столетия ознаменовала рождение новой эры в истории человечества. Каменный век когда-то сменился бронзовым, затем чередой шли периоды царствования железа, пара и электричества. Сейчас мы находимся в самом начале эры атома. Даже самые поверхностные знания в области строения атомного ядра открывают перед человечеством невиданные горизонты.

Что мы знаем об атомном ядре? То, что оно составляет 99,99% массы всего атома и состоит из частиц, которые принято называть нуклонами. Что такое нуклоны, сколько их, какие они бывают, сейчас знает каждый старшеклассник, имеющий твердую четверку по физике.

Как мы представляем себе строение атома

Увы, не скоро появится техника, позволяющая разглядеть частицы, составляющие атом, атомное ядро. К тому, как устроена материя, есть тысячи вопросов, также есть масса теорий строения элементарных частиц. На сегодня теорией, которая отвечает на большую часть вопросов, является планетарная модель строения атома.

Согласно ей, вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны, удерживаемые электрическим притяжением. А что такое нуклоны? Дело в том, что ядро не монолитно, оно состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов – частиц с нулевым зарядом. Вот их-то, частицы, из которых построено атомное ядро, и принято называть нуклонами.

Откуда же взялась эта теория, если частицы так малы? К выводу о планетарной конструкции атома ученые пришли, направляя на тончайшие пластинки металлов пучки различных микрочастиц.

Каковы его размеры

Знания о строении атома не будут полными, если не представить себе его элементы в масштабе. Ядро чрезвычайно мало даже по сравнению с самим атомом. Если нарисовать в своем воображении атом, например, золота в виде огромного воздушного шара диаметром в 200 метров, то его ядром будет всего-навсего… лесной орех. Но что такое нуклоны и почему они играют такую важную роль? Да хотя бы потому, что именно в них сосредоточена вся масса атома.

В гнездах кристаллической решетки атомы золота расположены достаточно плотно, поэтому расстояние между соседними «орехами» в принятом нами масштабе будет около 250-300 метров.

Протон

Ученые давно подозревали, что ядро атома – не какая-то монолитная субстанция. Уж больно бросались в глаза величины массы и заряда, растущие «ступеньками» от одного химического элемента к другому. Логичным было предположить, что существуют некие частицы с фиксированным положительным зарядом, из которых и «набираются» ядра всех атомов. Сколько нуклонов положительно заряженных имеется в ядре, таким и будет его заряд.

Предположения о сложном строении атомного ядра делались еще в период построения Менделеевым его периодической таблицы элементов. Однако технических возможностей для того, чтобы экспериментально подтвердить догадки, в то время не существовало. Только в начале 20 века Эрнестом Резерфордом был поставлен опыт, подтвердивший существование протона.

В результате воздействия на вещество излучением радиоактивных металлов время от времени появлялась частица – копия ядра атома водорода. Она имела те же вес (1,67 ∙ 10^-27 кг) и атомный заряд +1.

Нейтрон

К выводу о необходимости поисков еще одной частицы, заочно названной нейтроном, пришли быстро. Так как вопрос, сколько нуклонов в ядре и какие они бывают, лежал в неравномерности роста массы и заряда с изменением порядкового номера элемента. Резерфорд сделал предположение о существовании двойника протона с нулевым зарядом, но подтвердить догадку у него не получилось.

В целом же ядерщики уже хорошо представляли себе, что такое нуклоны и количественный состав атомных ядер. И неуловимая частица, пока никем не обнаруженная экспериментально, ждала своего часа. Открывателем ее принято считать Джеймса Чедвика, которому удалось-таки выделить «невидимку» из вещества, подвергнув его бомбардировке разогнанными до сверхвысоких скоростей ядрами гелия (α-частицами). Масса частицы, как и предполагалось, оказалась равной массе открытого ранее протона. По данным современных исследований, нейтрон немного тяжелее.

Еще немного о «кирпичиках» атомного ядра

Рассчитать, сколько нуклонов в ядре того или иного химического элемента или его изотопа, несложно. Для этого необходимы две вещи: таблица Менделеева и калькулятор, хотя можно посчитать и в уме. Пример – два распространенных изотопа урана: 235 и 238. Эти цифры обозначают атомную массу. Порядковый же номер урана - 92, он всегда обозначает заряд ядра.

Как известно, нуклоны в ядре атома могут быть либо положительно заряженными протонами, либо нейтронами такой же массы, но не имеющими заряда. Порядковый номер 92 обозначает число в ядре протонов. Количество нейтронов вычисляется простым отниманием:

• - уран 235, число нейтронов = 235 – 92 = 143;
• - уран 238, число нейтронов = 238 – 92 = 146.

А сколько нуклонов можно собрать воедино за раз? Считается, что на определенном этапе жизни звезд с достаточной массой, когда термоядерная реакция больше не в силах сдерживать силу гравитации, давление в недрах светила возрастает настолько, что «приклеивает» электроны к протонам. В результате заряд становится нулевым, и пара протон-электрон становится нейтроном. Полученное вещество, состоящее из «прессованных» нейтронов, чрезвычайно плотное.

Звезда весом в наше Солнце превращается в шар диаметром в пару десятков километров. Чайная ложка же такой "нейтронной каши" могла бы весить на Земле несколько сотен тонн.