Массовое число атомного ядра является важной характеристикой, определяющей состав и свойства атомных ядер. Данная статья посвящена истории открытия этого понятия, его физическому смыслу и практическому применению в науке.
История открытия массового числа
Понятие массового числа ядра появилось после открытия самого атомного ядра. В 1911 году Эрнест Резерфорд провел опыты по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Он обнаружил, что большинство частиц проходят сквозь фольгу, не отклоняясь, а небольшая часть рассеивается под большими углами. Это означало, что атом имеет плотное ядро размером ~10-15 м.
Я пришел к заключению, что эти частицы проходят сквозь атомы с малым отклонением или без него. А иногда, встречая внутри атома что-то массивное, резко меняют траекторию.
В 1932 году Джеймс Чедвик открыл еще одну субатомную частицу - нейтрон. Это привело Иваненко и Гейзенберга к выдвижению протонно-нейтронной модели строения ядра. Согласно ей, ядро атома состоит из двух типов частиц - протонов и нейтронов. Общее их название - "нуклоны". Тогда же была предложена формула:
A = Z + N
где A - массовое число ядра - общее число нуклонов, Z - зарядовое число (число протонов), N - число нейтронов. Так появилось само понятие "массового числа", количественно описывающего состав атомного ядра.
Например, для ядра азота-14:
- A = 14 (массовое число)
- Z = 7 (7 протонов)
- N = 14 - 7 = 7 (7 нейтронов)
А для урана-235 имеем:
- A = 235
- Z = 92
- N = 235 - 92 = 143
Физический смысл массового числа
Итак, массовое число показывает общее количество нуклонов - протонов и нейтронов - в данном атомном ядре. Чем выше это число, тем больше нуклонов в ядре и тем оно "тяжелее". Например, самые легкие ядра водорода имеют массовое число 1, 2 или 3, а самые тяжелые ядра урана - порядка 236.
Поскольку масса отдельного нуклона составляет примерно 1 атомную единицу массы (а.е.м.), то массовое число численно близко к массе ядра, выраженной в а.е.м. Это видно из формулы Эйнштейна:
E = mc2
Отсюда массу ядра можно приближенно оценить по формуле:
mядра ≈ A · mнуклона
где mнуклона ≈ 1 а.е.м. Эта формула объясняет физический смысл массового числа ядра и связь числа нуклонов с массой ядра и атома в целом.
Изменение массового числа в ядерных реакциях
Массовое число ядра может изменяться в результате ядерных реакций. Рассмотрим наиболее распространенные примеры.
При альфа-распаде ядро испускает альфа-частицу, которая представляет собой ядро гелия и имеет массовое число 4. Поэтому после альфа-распада массовое число дочернего ядра уменьшается на 4:
Aисходное → Aдочернее + 4
Например, в ряду альфа-распада урана:
23892U → 23490Th + 4He
Видно, что массовое число урана 238 уменьшилось до 234 у тория.
Практическое применение массового числа
Данные о массовых числах изотопов широко используются в радиохимии для идентификации веществ и отслеживания химических реакций с их участием. Например, меченый углерод C-14 позволяет определить возраст археологических находок.
Стабильность ядер с различным массовым числом
Соотношение числа протонов и нейтронов влияет на стабильность атомных ядер. У легких ядер число протонов и нейтронов примерно одинаково. Но в тяжелых ядрах для обеспечения стабильности требуется значительный избыток нейтронов.
Перспективы применения знаний о массовом числе
Исследования зависимости энергии связи нуклонов от массового числа открывают возможности для создания эффективных ядерных реакторов на быстрых нейтронах, использования ядерного топлива новых типов.
Открытые вопросы
Остается неясным предельно большое значение массового числа, при котором возможно существование стабильных сверхтяжелых ядер. Возможно ли практическое применение таких ядер?
Влияние массового числа на свойства химических элементов
У разных изотопов одного и того же элемента одинаковые химические свойства, определяемые зарядом ядра. Но физические свойства могут заметно различаться из-за разницы масс.
Например, легкий изотоп водорода протий H-1 образует "легкую воду". Она имеет меньшую плотность и температуру замерзания по сравнению с водой на основе H-2. Это влияет на скорость химических реакций с ее участием.
Использование данных о массовых числах в геохронологии
Соотношение стабильных и радиоактивных изотопов позволяет оценить возраст горных пород. Например, по соотношению изотопов урана U-235 и U-238 определяют возраст древних минералов.
Зависимость энерговыделения от изменения массовых чисел
При ядерных реакциях выделяется энергия, зависящая от разности масс до и после реакции. Чем сильнее изменяются массовые числа исходных ядер и продуктов реакции, тем больше энергии выделяется.
Массовое число и искусственный синтез сверхтяжелых элементов
Исследования зависимости стабильности ядер от числа нуклонов позволили теоретически предсказать существование "острова стабильности" сверхтяжелых элементов с оптимальными массовыми числами около 270. В будущем возможен их синтез.
Влияние массового числа на скорость радиоактивного распада
Скорость альфа- и бета-распада зависит от энергии распада, которая в свою очередь определяется избытком или недостатком нейтронов в ядре, то есть его массовым числом.
Например, у изотопа углерода C-14 6 нейтронов и 8 нейтронов. Это приводит к его бета-активности, в то время как основной изотоп углерода C-12 соотношение нейтронов и протонов оптимально и он не испытывает радиоактивного распада.
Использование меченых изотопов в медицине
Ввиду различия массовых чисел, меченые изотопы позволяют проследить путь вещества в организме. Например, йод-131 накапливается в щитовидной железе и помогает диагностировать ее заболевания.
Массовое число и возможность термоядерного синтеза
Перспективным источником энергии в будущем может стать термоядерный синтез легких изотопов водорода - дейтерия (массовое число 2) и трития (массовое число 3). Для запуска таких реакций требуются экстремальные условия.
Проблемы определения массовых чисел сверхтяжелых ядер
С ростом массового числа растет и неопределенность в его значении. Для короткоживущих изотопов с A > 250 погрешность может достигать 5 единиц. Это затрудняет интерпретацию данных об этих ядрах.
