Номер 3, страница 265 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

3. Какое предположение (относительно состава ядер) позволяли сделать результаты опытов по взаимодействию $ \alpha $-частиц с ядрами атомов различных элементов?

3. Какое предположение (относительно состава ядер) позволяли сделать результаты опытов по взаимодействию α-частиц с ядрами атомов различных элементов?

Опыты по взаимодействию α-частиц с ядрами атомов, проведенные под руководством Эрнеста Резерфорда, привели к важному открытию. В 1919 году при бомбардировке α-частицами атомов азота было обнаружено испускание протонов (ядер атомов водорода). Эту первую в истории искусственную ядерную реакцию можно записать в виде:

$ _2^4He + _7^{14}N \rightarrow _8^{17}O + _1^1p $

В последующих экспериментах было установлено, что протоны могут быть выбиты из ядер и других лёгких элементов (например, бора, фтора, алюминия) при их бомбардировке α-частицами. Эти результаты позволили сделать фундаментальное предположение о том, что протоны входят в состав ядер всех химических элементов.

Это привело к созданию протон-электронной гипотезы строения ядра. Согласно этой гипотезе, ядро с массовым числом $A$ и зарядовым числом $Z$ состоит из $A$ протонов и $A-Z$ электронов. Протоны определяли массу ядра, а электроны, находящиеся внутри ядра, должны были компенсировать избыточный положительный заряд, чтобы суммарный заряд ядра был равен $+Ze$.

Ответ: Результаты опытов позволили сделать предположение, что протоны являются составными частями ядер всех атомов. Это легло в основу протон-электронной модели ядра.

4. К какому противоречию приводит... (имеется в виду протон-электронная гипотеза строения ядра)?

Протон-электронная гипотеза строения ядра, несмотря на свою первоначальную привлекательность, приводила к ряду серьезных противоречий с экспериментальными данными и фундаментальными принципами физики. Эти противоречия были разрешены только после открытия нейтрона в 1932 году и создания протон-нейтронной модели ядра.

Основные противоречия были следующими:

1. Энергетическое противоречие (нарушение принципа неопределенности). Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, для частицы, локализованной в области с размером $ \Delta x $, неопределенность ее импульса $ \Delta p $ не может быть меньше величины $ \hbar / \Delta x $. Для электрона, находящегося внутри ядра (размер $ \Delta x \approx 10^{-14} $ м – $ 10^{-15} $ м), его кинетическая энергия должна была бы составлять не менее 20 МэВ. Однако энергия электронов, испускаемых при β-распаде, составляет всего 2–3 МэВ. Невозможно объяснить, как электрон с такой колоссальной энергией мог бы удерживаться внутри ядра.

2. Противоречие со спинами ядер («азотная катастрофа»). Протон и электрон являются фермионами и обладают спином (собственным моментом импульса), равным $1/2$. Согласно правилам сложения моментов в квантовой механике, ядро, состоящее из нечетного числа фермионов, должно иметь полуцелый спин ($1/2, 3/2, 5/2, \dots$), а ядро из четного числа фермионов — целый спин ($0, 1, 2, \dots$).

   Рассмотрим ядро азота $ _7^{14}N $. По протон-электронной гипотезе оно должно состоять из 14 протонов и $14-7=7$ электронов, то есть всего из $14+7=21$ частицы. Так как число частиц нечетное, спин ядра азота-14 должен быть полуцелым. Однако экспериментально измеренный спин этого ядра равен 1 (целое число). Это явное противоречие получило название «азотная катастрофа».

3. Противоречие с магнитными моментами ядер. Магнитный момент электрона примерно в 1000 раз больше магнитного момента протона из-за их различной массы. Если бы в ядрах содержались электроны, то магнитные моменты ядер должны были бы быть порядка магнитного момента электрона (магнетона Бора). На практике же измеренные магнитные моменты ядер оказались значительно меньше и имеют порядок ядерного магнетона, что соответствует вкладу только от протонов (и нейтронов), но не электронов.

Ответ: Протон-электронная гипотеза строения ядра приводит к противоречиям с принципом неопределенности (энергия электрона в ядре должна быть аномально высокой), с экспериментально измеренными спинами ядер (например, для азота-14) и с величинами магнитных моментов ядер.