Образование химических элементов в космических телах 1

На рис. 2 схематически изображено строение атомов водорода, гелия и лития. Атом самого легкого элемента — водорода состоит из двух частиц. Вокруг ядра вращается один электрон. Вокруг ядра гелия вращаются уже два электрона, вокруг ядра лития — три. Чем тяжелее атом, тем сложнее его строение. Например, кислород, занимающий восьмое место в периодической системе элементов, имеет восемь электронов: два из них вращаются на K-оболочке, остальные шесть — на L-оболочке. Конечно, приведенные модели атомов отражают их строение весьма схематично. На самом деле пространственная структура атома значительно сложнее. Электроны движутся по разнообразным эллиптическим орбитам, причем сами орбиты также перемещаются в пространстве. Все химические свойства элементов зависят от строения наружной электронной оболочки.

Для познания структуры ядер атомов решающее значение имело открытие ядерных реакций. Первое искусственное ядерное превращение осуществил Э. Резерфорд в 1919 г. Ему удалось наблюдать превращение ядра азота Ν¹⁴ при бомбардировке последнего альфа-частицами, испускаемыми изотопами полония (Ро²¹⁴) со скоростью 19 200 кж/сек в ядро кислорода. Эта первая ядерная реакция может быть изображена в следующем гиде:

₇N¹⁴ + ₂Не⁴ » ₈О¹⁷ + ₁Η¹ или сокращенно ₇Ν¹⁴ (α, ρ)₈O¹⁷,

где а — ядро атома гелия ₂Не⁴;

р (протон) — ядро атома водорода ₁Η¹.

Первым крупным открытием, связанным с осуществлением ядерных реакций, было открытие в 1932 г. нейтронов (₀n¹). Английский физик Д. Чэдвик, ученик Э. Резерфорда, обнаружил их при изучении следующей ядерной реакции:

₄Ве⁹ + ₂Не⁴ » ₆C¹² + ₀n¹.

Изучение свойств нейтрона показало, что он представляет собой частицу, которая не имеет электрического заряда. Масса его равна 1,00893; эта величина несколько больше массы ионизированного атома водорода, который с 1920 г. по предложению Резерфорда стал называться протоном. Его масса равна 1,008123.

Открытие нейтрона сыграло исключительно важную роль в науке. Оно привело прежде всего к созданию протонно-нейтронной модели атомного ядра, предложенной советским физиком Д. Д. Иваненко. Она существует и в настоящее время.

Согласно этой модели, ядра атомов состоят из протонов, число которых (Z) равно порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева. Число нейтронов (N) равно разности А — Z, где А — массовое число изотопа, т. е. его атомный вес, округленный до целого числа. Ядро самого простого химического элемента— водорода состоит из одного протона (см. рис. 2), ядра атомов других элементов — из большего числа протонов и нейтронов. Например, ядро ₁₃Аl²⁷ (Ζ = 13 и А = 27) состоит из 13 протонов и 14 нейтронов. Обе составляющие части ядра называются сейчас нуклонами.

Рис. 3. Схема первой ядерной реакции, осуществленной Э. Резерфордом.

С этого времени стали считать, что атомы химических элементов состоят из трех элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. С точки зрения протонно-нейтронной модели можно было объяснить и механизм протекания ядерных реакций. Первая ядерная реакция Резерфорда, согласно этой модели, схематически изображена на рис. 3.

Протонно-нейтронная модель послужила основой для дальнейшего детального изучения свойств атомных ядер. Оказалось, что ядро заключает в себе 99,98 о всей массы атома, хотя его диаметр в среднем в 100 тысяч раз меньше диаметра атома. В общей форме радиус ядра может быть вычислен из соотношения

R = 1,45·10^-13·A^1/2 см. (3)

Расчеты показывают, что диаметр самого тяжелого и большого ядра атома урана составляет примерно 1,8 · 10^-12 см, диаметр водорода равен 2,9 · 10^-13 см, т. е. в семь раз меньше. Размеры всех других ядер атомов изменяются в этих пределах. Поскольку радиус ядра увеличивается с ростом А, можно сделать вывод, что протоны и нейтроны с одинаковой плотностью размещены во всех ядрах.

Однако исследования последних лет показали, что протоны и нейтроны располагаются в ядре не хаотично, а по определенным оболочкам, подобно тому как электроны в атоме находятся на строго определенных орбитах. Модели атомных ядер еще окончательно не построены, но имеется много данных о том, что в некоторых ядрах есть заполненные нейтронные и протонные оболочки, содержащие определенное число нуклонов, равное 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Эти числа получили название «магических». Ядра, содержащие в своем составе магическое число протонов или нейтронов, наиболее устойчивы. Об этом свидетельствуют, прежде всего, повышенные величины энергии связи нуклонов в таких ядрах.

Известно, что масса ядра всегда меньше арифметической суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Это означает, что при образовании ядер происходит потеря в массе (Δт), которая, согласно теории относительности, предложенной А. Эйнштейном в 1905 г., эквивалентна энергии (Е)

Е = Δтc², (4)