Номер 5, страница 187, часть 1 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 4. Электрический заряд. Электрическое поле. Параграф 47. Исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 5, страница 187.

Условие.

• Развитие представлений об атомном ядре.

Решение.

Представления об атомном ядре прошли несколько ключевых этапов развития, начиная с его открытия и заканчивая современными моделями, основанными на квантовой хромодинамике.

1. Открытие атомного ядра (начало XX века)

До начала XX века доминировала модель атома Дж. Дж. Томсона (1904 г.), известная как «пудинг с изюмом». Согласно этой модели, атом представлял собой равномерно распределенный положительный заряд, в который были вкраплены отрицательно заряженные электроны. Понятия ядра в этой модели не существовало.

Революцию в понимании строения атома произвели опыты Ганса Гейгера и Эрнеста Марсдена, проведенные под руководством Эрнеста Резерфорда в 1909–1911 гг. В этих экспериментах тонкая золотая фольга бомбардировалась альфа-частицами (ядрами гелия). Результаты были неожиданными:

• Большинство альфа-частиц проходило сквозь фольгу, не меняя траектории.
• Некоторые частицы отклонялись на значительные углы.
• Примерно 1 из 8000 частиц отбрасывалась назад, в сторону источника.

Резерфорд объяснил эти результаты, предложив в 1911 году планетарную модель атома. Согласно этой модели:

1. Почти вся масса атома (~99.9%) и весь его положительный заряд сосредоточены в очень малом объеме в центре — ядре.
2. Размер ядра оказался чрезвычайно мал (порядка $10^{-15}$ м) по сравнению с размером атома ($10^{-10}$ м).
3. Вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются электроны.

Так было открыто атомное ядро и заложена основа ядерной физики.

2. Установление состава ядра (1919–1932 гг.)

После открытия ядра возник вопрос о его составе.

Протонно-электронная гипотеза. В 1919 году Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами ядра азота, обнаружил, что из них вылетают ядра водорода. Он назвал эту частицу протоном и предположил, что протоны являются составными частями всех ядер. Масса ядра элемента с массовым числом $\text{A}$ и зарядовым числом $\text{Z}$ примерно в $\text{A}$ раз больше массы протона, а заряд равен $+Ze$. Чтобы объяснить это, была выдвинута гипотеза, что ядро состоит из $\text{A}$ протонов и $A-Z$ электронов, которые компенсируют «лишний» положительный заряд. Однако эта модель имела серьезные противоречия с принципами квантовой механики (например, с принципом неопределенности и проблемой спинов).

Открытие нейтрона. Проблема была решена в 1932 году, когда английский физик Джеймс Чедвик открыл новую нейтральную частицу с массой, близкой к массе протона, и назвал ее нейтроном.

Протонно-нейтронная модель. Сразу после открытия нейтрона советский физик Дмитрий Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг независимо друг от друга предложили современную модель строения ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые вместе называются нуклонами.

• Число протонов ($\text{Z}$) определяет заряд ядра ($+Ze$) и, следовательно, химический элемент.
• Число нейтронов ($\text{N}$) может быть разным для одного и того же элемента (изотопы).
• Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом: $A = Z + N$.

Эта модель полностью объясняла заряд и массу ядер и не имела внутренних противоречий.

3. Модели строения ядра (1930-е – 1950-е гг.)

После того как состав ядра стал известен, физики начали создавать модели, описывающие взаимодействие нуклонов и структуру ядра.

Капельная модель. Предложена Георгием Гамовым, развита Карлом фон Вайцзеккером и Нильсом Бором в 1930-х годах. В этой модели ядро уподобляется капле несжимаемой заряженной жидкости. Нуклоны, подобно молекулам в капле, сильно взаимодействуют только с ближайшими соседями (свойство насыщения ядерных сил). Эта модель успешно объяснила удельную энергию связи ядер, а также стала теоретической основой для описания процесса деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель. Разработана в 1949 году Марией Гёпперт-Майер и Хансом Йенсеном. По аналогии с электронной оболочечной структурой атома, эта модель предполагает, что нуклоны в ядре движутся в некотором усредненном потенциальном поле и занимают дискретные энергетические уровни (оболочки). Модель блестяще объяснила существование так называемых «магических чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) протонов или нейтронов, при которых ядра обладают повышенной стабильностью. Она также позволила предсказывать спины и магнитные моменты ядер.

Обобщенная (коллективная) модель. Создана в 1950-х годах Оге Бором, Беном Моттельсоном и Джеймсом Рейнуотером. Эта модель объединяет достоинства капельной и оболочечной моделей. Она рассматривает ядро как остов из нуклонов на заполненных оболочках (как в оболочечной модели) и внешние нуклоны, которые могут двигаться коллективно, вызывая вращение и вибрацию ядра как целого (что напоминает капельную модель). Модель хорошо описывает свойства несферических ядер.

4. Современные представления

Современная физика рассматривает ядро на еще более глубоком уровне. Протоны и нейтроны не являются элементарными частицами. Они состоят из кварков, удерживаемых вместе глюонами. Силы, связывающие нуклоны в ядре (сильное взаимодействие), являются остаточным проявлением более фундаментального взаимодействия между кварками, которое описывается квантовой хромодинамикой (КХД). Исследования продолжаются в области изучения экзотических ядер, сверхтяжелых элементов и свойств ядерной материи в экстремальных условиях, например, внутри нейтронных звезд.

Ответ: Развитие представлений об атомном ядре прошло путь от его открытия в 1911 году Э. Резерфордом (планетарная модель), через установление его протонно-нейтронного состава после открытия нейтрона Дж. Чедвиком в 1932 году, к созданию моделей, описывающих его внутреннюю структуру (капельная, оболочечная, коллективная модели), и до современного понимания нуклонов как систем, состоящих из кварков и глюонов, в рамках квантовой хромодинамики.