Номер 27, страница 22, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Квантовая физика. Глава VI. Атомное ядро и ядерная энергетика. Параграф 25. Атомное ядро - номер 27, страница 22.

Условие.

27. Почему Резерфорд предположил, что атомные ядра наряду с протонами содержат также нейтральные частицы, масса которых примерно равна массе протона?

Решение.

Предположение Эрнеста Резерфорда о существовании в атомных ядрах нейтральных частиц было основано на явном несоответствии между зарядом ядра и его массой, которое наблюдалось для всех химических элементов, кроме водорода.

К началу 1920-х годов, после открытия атомного ядра, было установлено, что его положительный заряд равен $Z \cdot e$, где $\text{Z}$ — порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а $\text{e}$ — элементарный заряд. Этот заряд создавался протонами. Таким образом, количество протонов в ядре равно $\text{Z}$. Если бы ядро состояло только из протонов, его масса была бы равна произведению числа протонов на массу одного протона ($m_{ядра} = Z \cdot m_p$).

Однако экспериментальные измерения показали, что масса атомных ядер ($M_{ядра}$) почти для всех элементов (кроме простейшего изотопа водорода) была значительно больше, чем суммарная масса составляющих их протонов. Например:

Ядро гелия ($Z=2$) имеет заряд $+2e$, что соответствует двум протонам. Суммарная масса двух протонов составляет примерно 2 атомные единицы массы (а.е.м.). В то же время измеренная масса ядра гелия оказалась равной примерно 4 а.е.м.

В общем случае для многих элементов массовое число $\text{A}$ (масса ядра, выраженная в а.е.м. и округленная до целого) было примерно вдвое больше зарядового числа $\text{Z}$ ($A \approx 2Z$).

Чтобы объяснить эту «недостающую» массу, Резерфорд в 1920 году выдвинул гипотезу о том, что в состав ядра, помимо протонов, должны входить еще какие-то частицы. Эти гипотетические частицы должны были обладать двумя ключевыми свойствами:

1. Они должны быть электрически нейтральными, чтобы их присутствие не влияло на общий положительный заряд ядра, который уже был точно определен и объяснен протонами.

2. Их масса должна быть примерно равна массе протона. Это позволяло бы объяснить, почему атомные массы являются приблизительно целыми числами и почему масса ядра значительно превышает массу одних лишь протонов.

Таким образом, гипотетическая нейтральная частица (позже названная нейтроном) с массой, близкой к массе протона, идеально решала проблему расхождения между массой и зарядом ядра. Эта гипотеза была экспериментально подтверждена Джеймсом Чедвиком в 1932 году.

Ответ: Резерфорд предположил существование нейтральных частиц в ядре, чтобы объяснить наблюдаемое расхождение между массой атомного ядра и его электрическим зарядом. Массы ядер (кроме водорода) были значительно больше, чем суммарная масса протонов, необходимых для создания заряда этого ядра. Введение в модель ядра нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона, позволяло объяснить эту «избыточную» массу, не изменяя при этом общий заряд ядра.