Строение атомного ядра: история изучения и современные характеристики
Строение атомного ядра составляет один из принципиальнейших вопросов современной науки. Постоянно производимые в этой области эксперименты позволили ученым не только с высокой степенью точности определить, что из себя представляет атом, но и активно использовать полученные знания в различных отраслях промышленности и при создании новейших образцов вооружения.
Вопрос о строении всего сущего на планете интересовал ученых с незапамятных времен. Так, еще в Древней Греции часть ученых считала, что по своему строению материя едина и неделима, а их оппоненты настаивали, что материя делима и состоит из мельчайших частиц - атомов, поэтому свойства различных предметов так отличаются друг от друга.
Прорыв в изучении строения молекул произошел в XVIII веке, когда в работах М.В. Ломоносова, Л. Лавуазье, Д. Дальтона, А. Авогадро были заложены основы атомно-молекулярной теории, согласно которой все в природе состоит из молекул, а те, в свою очередь, из неделимых частиц – атомов, взаимодействие которых друг с другом и определяет основные свойства тех или иных веществ.
Новый этап в изучении строения молекул и атомов наступил в конце XIX века, когда Э. Резерфордом и рядом других ученых были сделаны открытия, в результате которых строение атома и атомного ядра предстало в совершенно новом свете. Так, оказалось, что атом вовсе не является неделимой частицей, напротив, он состоит из еще более мелких компонентов – ядра и электронов, которые двигаются вокруг него по замысловатым орбитам. Общая нейтральность атома привела к выводу о том, что электроны, имеющие отрицательный заряд, должны уравновешиваться элементами с положительным зарядом. Как оказалось впоследствии, такие элементы действительно существуют: они получили название ɑ-частиц, или протонов.
Современные научные знания позволяют утверждать, что строение атомного ядра намного сложнее, чем это представлялось даже сто лет назад. Так, на сегодняшний день известно, что ядро атома включает в себя не только протоны, но и частицы, не обладающие зарядом – нейтроны. В совокупности протоны с нейтронами называются нуклонами. Так как масса нейтрона всего на 0,14% превышает массу протона, то обычно при расчетах этой разницей пренебрегают.
Размеры ядра находятся в пределах 10-12 и 10-13 см. При этом, несмотря на то, что именно в ядре сосредоточено более 95% массы атома, размеры самого атома в сто тысяч раз превышают размеры ядра.
Основные количественные характеристики, которые характеризуют строение атомного ядра, можно извлечь из периодической таблицы Д.И. Менделеева. Как известно, количество протонов в ядре равно сумме вращающихся вокруг него электронов и соответствует порядковому номеру в таблице элементов. Для того чтобы узнать количество нейтронов, необходимо из общей массы элемента вычесть порядковый номер и округлить до целого числа. Вещества, у которых число протонов совпадает, а количество нейтронов различно, называются изотопами.
Одним из важнейших вопросов, которым задавались ученые, изучавшие строение ядра, был вопрос о силах, удерживающих протоны, ведь, обладая одинаковым зарядом, они должны отталкиваться. Как показали исследования, расстояния между протонами в ядре настолько малы, что отталкивание между ними попросту не возникает. Более того, бионы, которые располагаются между протонами, способствуют тесному взаимодействию и постоянному притяжению последних друг к другу.
Строение атомного ядра еще таит в себе множество загадок. Их разгадка не только поможет человечеству лучше узнать устройство окружающего мира, но и совершить качественный прорыв в науке и технике.