Номер 5, страница 295 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

Глава 4. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер. Параграф 61. Состав атомного ядра. Ядерные силы. Ответь на вопросы - номер 5, страница 295.

Условие.

5. Как на основе протонно-нейтронной модели ядра объяснить существование ядер с одинаковыми электрическими зарядами и различными массами?

Решение.

Решение 2.

Как на основе протонно-нейтронной модели ядра объяснить существование ядер с одинаковыми электрическими зарядами и различными массами?

Согласно протонно-нейтронной модели, атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Совокупное название этих частиц — нуклоны.

Электрический заряд ядра определяется исключительно количеством протонов в нем. Это количество называется зарядовым числом и обозначается буквой $Z$. Поскольку заряд одного протона равен элементарному заряду $e$, то заряд всего ядра равен $q_{ядра} = Z \cdot e$. Следовательно, если ядра имеют одинаковые электрические заряды, это означает, что в них содержится одинаковое число протонов.

Масса ядра, в свою очередь, складывается из масс всех содержащихся в нем протонов и нейтронов. Общее число нуклонов в ядре (сумма протонов и нейтронов) называется массовым числом и обозначается буквой $A$, где $A = Z + N$ ($N$ — число нейтронов). Так как массы протона и нейтрона близки друг к другу и значительно превышают массу электрона, масса ядра приблизительно пропорциональна его массовому числу $A$.

Таким образом, существование ядер с одинаковыми электрическими зарядами (одинаковым $Z$) и различными массами (разным $A$) объясняется тем, что они содержат разное количество нейтронов ($N$). Такие разновидности ядер одного и того же химического элемента (поскольку $Z$ определяет элемент) называются изотопами. Например, изотопы водорода — протий ($^{1}_{1}\text{H}$), дейтерий ($^{2}_{1}\text{H}$) и тритий ($^{3}_{1}\text{H}$) — все имеют по одному протону ($Z=1$), но содержат 0, 1 и 2 нейтрона соответственно, что и обуславливает их различные массы.

Ответ: Существование ядер с одинаковыми электрическими зарядами, но разными массами объясняется явлением изотопии. Согласно протонно-нейтронной модели, такие ядра (изотопы) содержат одинаковое число протонов, что определяет их идентичный электрический заряд и принадлежность к одному химическому элементу, но разное число нейтронов, что приводит к различию в их массах.

6. Как объяснить устойчивость атомного ядра? Какое предположение...

Устойчивость атомного ядра является следствием существования особого вида фундаментального взаимодействия — сильного ядерного взаимодействия. Проблема заключается в том, что ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, сгруппированных в очень малом объеме. Согласно закону Кулона, между протонами действуют мощные силы электростатического отталкивания, которые должны были бы мгновенно разрушить ядро. Гравитационные силы притяжения между нуклонами ничтожно малы и не могут скомпенсировать это отталкивание.

Для объяснения того, почему ядро не распадается, было сделано предположение о существовании нового типа сил — ядерных сил, которые являются проявлением сильного взаимодействия. Эти силы действуют между всеми нуклонами (протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон) и обладают следующими ключевыми свойствами:

1. Силы притяжения: на расстояниях порядка размера ядра (около $10^{-15}$ м) ядерные силы являются силами притяжения и примерно в 100 раз превосходят силы кулоновского отталкивания.

2. Короткодействие: ядерные силы проявляются только на очень малых расстояниях. С увеличением расстояния между нуклонами они очень быстро убывают до нуля.

3. Зарядовая независимость: сила ядерного взаимодействия не зависит от электрического заряда нуклонов. Она одинакова для пар протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон.

Таким образом, именно мощные короткодействующие ядерные силы удерживают нуклоны вместе, обеспечивая стабильность ядра и преодолевая электростатическое отталкивание протонов. Предположение о существовании этого нового вида взаимодействия, а позже и гипотеза о его обменном характере (предложенная Хидэки Юкавой), стали основой для объяснения устойчивости атомных ядер.

Ответ: Устойчивость атомного ядра объясняется действием сильных ядерных сил притяжения между нуклонами (протонами и нейтронами). Эти силы на малых расстояниях внутри ядра значительно превосходят силы электростатического отталкивания между протонами. Для объяснения этого было сделано фундаментальное предположение о существовании особого, сильного взаимодействия, которое характеризуется короткодействием и зарядовой независимостью.