Номер 4, страница 265 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

4. К какому противоречию приводит предположение о том, что ядра атомов состоят только из протонов? Поясните это на примере.

4. Предположение о том, что ядра атомов состоят только из протонов, приводит к фундаментальному противоречию между массой ядра и его электрическим зарядом.

Электрический заряд ядра определяется количеством протонов (зарядовое число $Z$). Каждый протон имеет положительный заряд, равный элементарному заряду $e$. Таким образом, заряд ядра равен $Z \cdot e$. Порядковый номер элемента в таблице Менделеева как раз и равен этому зарядовому числу $Z$.

Масса ядра определяется суммой масс всех составляющих его частиц и выражается через массовое число $A$, которое показывает, во сколько раз масса ядра примерно больше атомной единицы массы. Масса протона приблизительно равна 1 а.е.м.

Если бы ядро состояло только из протонов, то его массовое число $A$ должно было бы быть равно его зарядовому числу $Z$ (то есть, $A = Z$). Однако экспериментально установлено, что для всех химических элементов, кроме самого легкого изотопа водорода (протия, $_{1}^{1}\text{H}$), массовое число всегда больше зарядового ($A > Z$).

Пример: Рассмотрим атом гелия ($_{2}^{4}\text{He}$).

• Его порядковый номер $Z = 2$. Это означает, что в ядре гелия должно быть 2 протона, чтобы обеспечить заряд ядра $+2e$.
• Его массовое число $A = 4$. Это означает, что масса ядра примерно в 4 раза больше массы одного протона.

Возникает противоречие:

• Если бы ядро гелия состояло только из протонов, то для обеспечения массы $A=4$ в нем должно было бы находиться 4 протона. Но тогда заряд ядра был бы равен $+4e$, и это был бы уже не гелий, а бериллий ($_{4}\text{Be}$).
• Если же в ядре 2 протона (чтобы соответствовать заряду гелия, $Z=2$), то его масса была бы равна примерно 2 а.е.м., а не 4 а.е.м.

Это противоречие было разрешено с открытием нейтрона — нейтральной частицы с массой, близкой к массе протона. В протонно-нейтронной модели ядро гелия $_{2}^{4}\text{He}$ состоит из 2 протонов и 2 нейтронов ($N = A-Z=4-2=2$). Это полностью объясняет и его заряд ($+2e$), и его массу (около 4 а.е.м.).

Ответ: Предположение о том, что ядро состоит только из протонов, приводит к противоречию: масса ядра (определяемая массовым числом $A$) не соответствует его заряду (определяемому зарядовым числом $Z$). Для всех элементов, кроме протия, $A>Z$, что невозможно, если бы ядро состояло только из протонов, так как в этом случае было бы $A=Z$.

5. Отсутствие у нейтрона электрического заряда было доказано в экспериментах по изучению его поведения в электрическом и магнитном полях.

Основной метод доказательства заключался в следующем: пучок нейтронов пропускали через сильное электрическое поле (создаваемое, например, между обкладками заряженного конденсатора) и через сильное магнитное поле.

Наблюдения показали, что траектория движения нейтронов в этих полях никак не изменялась — они продолжали двигаться прямолинейно.

Это является прямым доказательством их электрической нейтральности. Согласно силе Лоренца ($ \vec{F} = q(\vec{E} + [\vec{v} \times \vec{B}]) $), на заряженную частицу ($q \neq 0$), движущуюся в электрическом ($ \vec{E} $) или магнитном ($ \vec{B} $) поле, действует сила, которая отклоняет ее от первоначальной траектории.

• Положительно заряженные частицы (например, протоны) отклоняются в одну сторону.
• Отрицательно заряженные частицы (например, электроны) отклоняются в противоположную сторону.

Поскольку на нейтроны ни электрическое, ни магнитное поле не оказывали никакого силового воздействия, был сделан однозначный вывод, что их электрический заряд $q$ равен нулю. Именно это свойство, наряду с высокой проникающей способностью, и стало ключевой характеристикой при открытии и идентификации нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году.

Ответ: Было экспериментально установлено, что траектория движения нейтронов не искривляется при их пролете через сильные электрические и магнитные поля. Поскольку на заряженные частицы в таких полях действует отклоняющая сила, отсутствие отклонения доказывает, что электрический заряд нейтрона равен нулю.