Протонно-нейтронная модель атома

Эту модель предложили в 1932 г. советские физики Д. Иваненко, Е. Гапон и немецкий физик В. Гейзенберг. Согласно этой модели ядро атома состоит из протонов и нейтронов, за исключением ядра водорода, которое состоит из одного протона. В этой модели было непонятно, каким образом достигается физическое единство атома на уровне его ядра и электронных оболочек: в ядре на чрезвычайно малом расстоянии находятся одинаково заряженные протоны, которые должны взаимно отталкиваться друг от друга, но этого не наблюдается. Следовательно, этому процессу отталкивания должна препятствовать сила притяжения между протонами, поскольку протоны имеют массу, но масса их чрезвычайно мала. Предлагалось множество моделей физического единства атома, среди которых особенно привлекательной оказалась модель японского физика Юкава(1907—1961), которая была предложена им все в том же 1932 г. Но прежде чем рассматривать эту модель, раскроем физическую суть протонно-нейтронной модели атома.

Строение атома, искусственная и естественная радиация.Все материальные тела состоят из химических элементов. Химический элемент — это простое вещество, состоящее из одного и того же вида атомов. Современной науке известно более ста химических элементов, некоторые химические элементы созданы самим человеком. Атом химического элемента можно представить как сферическую пульсирующую каплю концентрации энергии. Размеры атома — приблизительно 10-8 см. Атом состоит из ядра размером в 10-13 см и вращающихся вокруг него электронов (или одного электрона в случае атома водорода). Между ядром атома и границей атома находится огромное пространство по масштабам в микромире. Ядра атомов состоят из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Плотность в ядре атома огромна, приблизительно 150 • 10бт/см3.

Заряд ядраопределяется количеством в нем протонов и обозначается символом Z Вся масса атома заключена в массе его ядра и определяется массой входящих в ядро протонов и нейтронов.

Например, 23892Ur — указывает, что уран-238

имеет в ядре 92 протона и 146 нейтронов (238 - 92 = 146). Химические элементы с

массовым числом А > 50 называются легкими, а с А > 50 — тяжелыми.

Поскольку размеры атомов всех химических элементов достаточно близки, то в ядрах тяжелых элементов довольно «тесновато», т. е. создаются энергетические предпосылки для естественного их радиактивного распада. Атомы одного и того

же химического элемента, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, называются изотопами:11H (водород-протий) — один протон, нейтронов нет, 21Н (дейтерий) — один протон и один нейтрон,

31Н(тритий) — один протон, нейтронов два. К настоящему времени известно

около 1500 ядер, из них лишь 265 являются стабильными.

Радиоактивностью называется самопроизвольное или искусственное (сознательное воздействие на ядра атомов) превращение ядер одних химических элементов в ядра других химических элементов.

Естественная и искусственная радиоактивность сопровождается, но не обязательно, тремя видами излучения: альфа-излучение, бета-излучение и гамма- излучение; последнее не является, строго говоря, самостоятельным видом излучения и всегда присутствует при альфа- и бетта-излучениях. Искусственная радиация, позитронное бета-излучение, аннигиляция, распад частиц были открыты французскими физиками Ф. Жолио-Кюри (1900—1958) и И. Жолио- Кюри (1897—1956). Законы как естественного, так и искусственного распада ядер атомов одинаковы. Период времени, за который распадается половина ядер радиоактивного химического элемента, называется периодом полураспада. Период полураспада у известных сегодня радиоактивных элементов колеблется от 3• 10-7сдо 5• 1012лет.

Например, уран-238 имеет 12 этапов превращения в другие химические элементы, которые имеют свои периоды полураспада и соответствующие альфа- и бета- излучения. Период полураспада урана-238 оценивается в 4,47 млрд лет. В конечном итоге распад урана-238 заканчивается появлением стабильного химического элемента (свинец-206). Зная, какое количество урана-238 необходимо для появления определенного количества свинца-206, можно вычислить возраст Земли, отталкиваясь от количества содержания свинца-206 в земных породах.

Наряду с реакцией ядерного деления существует реакция ядерного синтеза:

не деление ядер, а сближение, соединение ядер. Реакция синтеза ядер существует реально внутри звезд (например, она происходит во внутренних слоях нашего Солнца). Внутри Солнца температура достигает 15 млн градусов Цельсия. При такой температуре ядра теряют электроны, образуется агрегатное состояние, которое называется плазмой. Поскольку ядра имеют положительный заряд, то при их сближении электростатическая сила их отталкивания

резко увеличивается. Для того чтобы преодолеть этот барьер, необходима большая скорость движения ядер. При очень высоких температурах ядра теряют свои электроны. Плазма,с учетом бесконечного количества наблюдаемых звезд, является самым типичным агрегатным состоянием во Вселенной.

Искусственное создание плазмы в земных условиях является важнейшей энергетической проблемой для человечества. Для этого строятся различного типа установки для получения и удержания плазмы. Получение плазмы сегодня возможно, однако проблема ее удержания, «отбора» ее энергии для практических нужд (производства электроэнергии) остается пока сложной технической проблемой. Наша страна занимает одно из ведущих мест в разработке этой проблемы. Создание плазмы на основе синтеза легких химических элементов (водородоподобных атомов) позволило бы обеспечивать человечество практически неиссякаемым энергетическим ресурсом (водород —самый распространенный химический элемент во Вселенной). Например, синтез дейтерия 2Н и трития 3 Н дал бы огромное количество энергии.

1 1

Реакторы на плазме, как утверждают специалисты, являются намного

безопаснее современных, которых сегодня в мире приблизительно 600 (промышленные ядерные реакторы для производства электричества и тепла). Сегодня проводятся исследования по созданию «ядерных котлов», в которых реакция ядерного деления создает температурные условия для реакции ядерного синтеза. По мнению специалистов, в нашей стране эти исследования близки к практическим применениям.