Номер 4, страница 292 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Параграф 60. Открытие протона и нейтрона. Ответь на вопросы - номер 4, страница 292.

Условие.

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

Решение.

Решение 2.

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

Заряд ядра определяется количеством протонов в нём. Если число протонов равно $Z$ (зарядовое число или атомный номер), то заряд ядра равен $+Z \cdot e$, где $e$ — элементарный заряд. Это определяет, какому химическому элементу принадлежит атом.

Масса ядра, в свою очередь, в рамках этой гипотезы должна быть примерно равна сумме масс протонов, то есть $M_{ядра} \approx Z \cdot m_p$, где $m_p$ — масса протона.

Однако экспериментально измеренные массы атомных ядер (за исключением ядра водорода $^1\text{H}$) значительно больше, чем масса $Z$ протонов. Масса ядра приблизительно равна $A \cdot m_p$, где $A$ — массовое число, и для всех элементов, кроме водорода, $A > Z$.

Пояснение на примере:

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

• Его порядковый номер в таблице Менделеева равен 2. Это означает, что заряд его ядра равен $+2e$. Согласно протонной гипотезе, в ядре должно быть 2 протона, чтобы обеспечить этот заряд.
• Массовое число гелия равно 4. Это означает, что его масса примерно в 4 раза больше массы одного протона.

Возникает противоречие:

• Если ядро состоит из 2 протонов, то его масса должна быть около 2 атомных единиц массы (а.е.м.), а реальная масса — около 4 а.е.м. Масса оказывается в два раза меньше необходимой.
• Если же предположить, что в ядре 4 протона, чтобы объяснить массу в 4 а.е.м., то его заряд стал бы равен $+4e$. Но это уже будет ядро не гелия, а бериллия ($^{4}_{4}\text{Be}$), который является совершенно другим химическим элементом.

Таким образом, гипотеза о том, что ядра состоят только из протонов, не может одновременно объяснить и заряд, и массу ядра ни для одного элемента, кроме протия (изотопа водорода $^1\text{H}$).

Ответ: Предположение о том, что ядра атомов состоят только из протонов, приводит к противоречию: невозможно одновременно объяснить наблюдаемые значения заряда и массы ядра. Если количество протонов соответствует заряду ядра ($Z$), то масса ядра оказывается значительно меньше измеренной ($Z \cdot m_p < A \cdot m_p$). Если же количество протонов соответствует массе ($A$), то заряд ядра оказывается неверным ($A > Z$).

5. Отсутствие электрического заряда у нейтрона было доказано в ходе экспериментов, в первую очередь в опытах Джеймса Чедвика в 1932 году. Доказательство основывалось на наблюдении за поведением нового вида излучения (потока нейтронов) при его взаимодействии с веществом и электромагнитными полями.

Основные экспериментальные факты, доказывающие нейтральность нейтрона:

1. Отсутствие отклонения в электрическом и магнитном полях. Заряженные частицы (например, протоны, электроны, альфа-частицы) при движении в электрическом или магнитном поле отклоняются от своей прямолинейной траектории под действием силы Лоренца. Эксперименты показали, что излучение, возникающее при бомбардировке бериллия альфа-частицами (которое и оказалось потоком нейтронов), не меняло направления своего движения при прохождении через сильные электрические и магнитные поля. Это являлось прямым и убедительным доказательством того, что частицы этого излучения не имеют электрического заряда.

2. Слабая ионизирующая способность. Заряженные частицы, пролетая через вещество (например, газ в камере Вильсона), активно взаимодействуют с электронными оболочками атомов за счёт кулоновских сил, выбивая из них электроны и создавая ионы. Этот процесс оставляет видимый след (трек) из капелек жидкости в камере Вильсона. В отличие от них, нейтроны почти не вызывали прямой ионизации газа. Их треки в камерах Вильсона были невидимы. Они обнаруживались лишь косвенно: когда нейтрон сталкивался с ядром атома (например, водорода или азота), он передавал ему свою энергию, и уже это ядро, получив скорость и обладая зарядом, начинало интенсивно ионизировать газ, оставляя жирный, короткий трек. Такое поведение характерно для нейтральной частицы, которая взаимодействует в основном с ядрами, а не с электронами.

Именно совокупность этих наблюдений — отсутствие отклонения в полях и низкая прямая ионизирующая способность — позволила сделать однозначный вывод о том, что нейтрон является электрически нейтральной частицей.

Ответ: Отсутствие электрического заряда у нейтрона было доказано тем, что поток нейтронов не отклонялся в электрических и магнитных полях, в отличие от заряженных частиц. Кроме того, нейтроны обладали очень слабой ионизирующей способностью, что также характерно для нейтральных частиц.