Номер 2, страница 107 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 26. Строение атома. Темы докладов - номер 2, страница 107.

Условие.

2. Развитие представлений об атомном ядре.

Решение.

Представления об атомном ядре прошли долгий путь развития, от первоначальной гипотезы до современных сложных моделей. Этот путь можно разделить на несколько ключевых этапов.

1. Открытие атомного ядра. Планетарная модель Резерфорда (1911 г.)

До начала XX века доминировала модель атома Дж. Дж. Томсона («пудинг с изюмом»), согласно которой атом представлял собой равномерно распределенный по всему объему положительный заряд, в который вкраплены отрицательно заряженные электроны.

В 1909–1911 годах под руководством Эрнеста Резерфорда был проведен знаменитый эксперимент по рассеянию альфа-частиц на тонкой золотой фольге. Результаты эксперимента оказались неожиданными: большинство α-частиц проходило сквозь фольгу практически без отклонения, однако небольшая их часть (примерно 1 из 8000) отклонялась на большие углы, а некоторые даже отбрасывались назад.

Эти результаты противоречили модели Томсона. Для их объяснения Резерфорд в 1911 году предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели:

• Почти вся масса атома (более 99.9%) и весь его положительный заряд сосредоточены в очень малой центральной области, названной ядром. Размер ядра оценивался в $10^{-15} – 10^{-14}$ м, в то время как размер атома – $10^{-10}$ м.
• Вокруг ядра по орбитам, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются отрицательно заряженные электроны.

Так было совершено одно из величайших открытий в физике – открытие атомного ядра. Однако планетарная модель имела существенный недостаток: согласно классической электродинамике, движущийся по круговой орбите электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и в итоге упасть на ядро. Этого не происходит, что указывало на необходимость создания новой, квантовой теории.

2. Открытие протона и нейтрона. Протонно-нейтронная модель ядра (1932 г.)

После открытия ядра возник вопрос о его составе.

• Протон. В 1919 году Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами атомы азота, обнаружил, что из них вылетают ядра атома водорода. Он пришел к выводу, что ядро водорода является фундаментальной частицей и входит в состав ядер всех химических элементов. Эту частицу назвали протоном.
• Гипотеза о нейтроне. Массы атомных ядер оказались больше, чем суммарная масса входящих в них протонов (определяемая по заряду ядра). Например, ядро гелия имеет заряд $+2e$ (т.е. 2 протона), но его масса примерно в 4 раза больше массы протона. Это привело Резерфорда к гипотезе о существовании в ядре нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона.
• Нейтрон. В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик экспериментально обнаружил эту частицу, которую назвали нейтроном.

Сразу после открытия нейтрона советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную модель ядра, которая является общепринятой и сегодня. Согласно этой модели:

• Атомное ядро состоит из элементарных частиц двух типов: протонов ($\text{p}$) и нейтронов ($\text{n}$), которые объединяются общим названием – нуклоны.
• Число протонов в ядре ($\text{Z}$) называется зарядовым числом (или атомным номером) и определяет химический элемент.
• Суммарное число протонов и нейтронов в ядре ($\text{A}$) называется массовым числом: $A = Z + N$, где $\text{N}$ – число нейтронов.
• Атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов ($\text{Z}$), но разное число нейтронов ($\text{N}$), называются изотопами.

3. Модели строения ядра и природа ядерных сил

Протонно-нейтронная модель объяснила состав ядра, но оставался открытым вопрос о силах, удерживающих нуклоны вместе, ведь одноименно заряженные протоны должны отталкиваться с огромной силой. Было установлено, что в ядре действуют особые, очень мощные силы – сильные ядерные взаимодействия. Они являются короткодействующими (проявляются только на расстояниях порядка размера ядра) и превосходят силы электростатического отталкивания. Для описания сложных процессов внутри ядра были разработаны несколько моделей.

Капельная модель. Предложена в 1936 году Н. Бором. В этой модели ядро уподобляется капле несжимаемой заряженной жидкости. Нуклоны в ней подобны молекулам, а ядерные силы – силам поверхностного натяжения. Эта модель успешно объяснила зависимость энергии связи ядра от массового числа, а также позволила описать процесс деления тяжелых ядер.

Оболочечная модель. Разработана в 1949 году М. Гёпперт-Майер и Х. Йенсеном. По аналогии с электронной оболочечной структурой атома, эта модель предполагает, что нуклоны в ядре движутся по определенным орбитам и располагаются на энергетических уровнях (оболочках). Модель блестяще объяснила существование так называемых «магических чисел» (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126), при которых ядра с таким числом протонов или нейтронов обладают особой стабильностью.

Коллективная (обобщенная) модель. Создана О. Бором, Б. Моттельсоном и Дж. Рейнуотером. Эта модель является синтезом капельной и оболочечной моделей. Она учитывает как индивидуальное движение нуклонов по оболочкам, так и их коллективное движение (колебания и вращения ядра как целого), что позволило описать более широкий круг свойств ядер.

4. Современные представления. Кварковая модель

Дальнейшее развитие физики элементарных частиц показало, что протоны и нейтроны не являются истинно элементарными частицами. Они сами имеют сложную структуру и состоят из более фундаментальных частиц – кварков.

• Протон состоит из двух верхних (up, $\text{u}$) и одного нижнего (down, $\text{d}$) кварка ($p = uud$).
• Нейтрон состоит из одного верхнего и двух нижних кварков ($n = udd$).

Сильное взаимодействие, удерживающее нуклоны в ядре, является лишь «остаточным» проявлением еще более фундаментального сильного взаимодействия между кварками, которое осуществляется посредством обмена частицами, называемыми глюонами. Эта теория получила название квантовой хромодинамики.

Таким образом, представления об атомном ядре эволюционировали от простой точки с массой и зарядом до сложной квантовой системы, состоящей из взаимодействующих нуклонов, которые, в свою очередь, состоят из кварков и глюонов.