Атомная проблема
Шрифт:
В каждой клетке периодической системы Менделеева могут стоять несколько разновидностей одного и того же элемента, называемых изотопами. Так, в клетке № 1, кроме обычного (легкого) водорода, можно обнаружить еще два его изотопа: дейтерий и тритий, а в клетке № 92 находятся 11 изотопов урана.
Каждый элемент обозначается определенным символом, например, кислород — О, водород — Н, уран — U. У этого символа в виде индексов указываются:
а) атомный номер, обозначаемый буквой Z. Атомный номер соответствует номеру клетки, которую занимает данный элемент в таблице Менделеева. Например,
б) массовое число А, представляющее собой округленный до целых единиц атомный вес того или иного элемента. Так, массовое число водорода будет равно 1, а урана — 238.
Поэтому в ядерной физике каждый элемент обозначается следующим образом: zXA.
В ядерной физике встречается также понятие грамм-атома. Грамм-атом какого-либо элемента — это число граммов этого элемента, соответствующее его атомному весу. Таким образом, 1 грамм-атом водорода равен 1,008 г, а 1 грамм-атом урана — 238,07 г. Необходимо отметить, что в грамм-атоме любого элемента содержится всегда одно и то же количество атомов. Это количество, называемое числом Авогадро, равно примерно 6 .1023 (то есть 6 с 23 нулями).
Теперь необходимо хотя бы коротко остановиться на строении атома.
II. Строение атома
Каждое химическое вещество состоит из однородных частиц, называемых молекулами. Если разложить молекулу на более элементарные составные части, мы получим атомы.
Атом принято схематически изображать в виде ядра с вращающимися вокруг него электронами. Ядро состоит из двух видов элементарных частиц (нуклонов): протонов, несущих положительный электрический заряд, и нейтронов, не имеющих никакого электрического заряда. Вокруг ядра вращается целый рой отрицательно заряженных электронов, расположенных в несколько слоев.
Количество протонов, содержащихся в ядре того или иного элемента, равно атомному номеру Z этого элемента. Например, в ядре водорода и его изотопов содержится всего один протон, а в ядре урана — 92 протона. Поэтому водород имеет атомный номер 1, а уран — 92.
Атом электрически нейтрален. Поскольку величина электрического заряда протона равна величине заряда электрона, который называется элементарным зарядом, можно сделать вывод, что число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Следовательно, атомный номер элемента дает возможность судить как о количестве протонов, так и о количестве электронов, содержащихся в атоме этого элемента.
Массовое число А соответствует количеству нуклонов или общему числу протонов и нейтронов в ядре того или иного элемента.
В ядре легкого водорода содержится всего один протон, вокруг которого вращается один электрон. В ядре дейтерия, кроме протона, имеется 1 нейтрон, что в сумме составляет 2 частицы, а в ядре трития — 2 нейтрона, то есть всего 3 частицы. Поэтому мы обозначаем эти изотопы так: легкий водород — iH1, дейтерий — iH2, тритий — iH3.
Из 11 изотопов урана 3 изотопа (с атомным весом 234, 235 и 238) являются естественными.
Содержание урана 235 в природном уране составляет 1/140, а урана 238 — 139/140. Это означает, что на каждые 140 ядер природного урана приходится всего одно ядро урана 235, а остальную массу его составляет уран 238. Что касается урана 234, то в природном уране можно обнаружить лишь его следы.
В ядре урана 235 насчитывается 235 нуклонов. Поскольку число протонов в ядре урана равно 92, простым вычитанием можно определить количество нейтронов, которое в ядре урана 235 будет равно 143. Уран 238 отличается от урана 235 тем, что в его ядре на 3 нейтрона больше. Эти 3 естественных изотопа урана можно обозначить следующим образом: 92U234, 92U235, 92U238.
Плутоний, который в таблице Менделеева стоит в 94-й клетке, имеет массовое число 239. Это означает, что ядро плутония содержит 94 протона и 145 нейтронов.
Следовательно, количество нейтронов любого элемента равно разности А — Z.
Число нейтронов в ядрах легких элементов, как правило, примерно равно числу протонов. Что касается тяжелых элементов, то в их ядрах нейтронов больше, чем протонов.
Радиус атома выражается числом порядка 10– 8 см, что соответствует десяти тысячным микрона (микрон равен тысячной доле миллиметра), радиус ядра равен примерно 10– 13 см, или одной миллиардной доле микрона. Иными словами, атом в 100 тыс. раз больше его ядра. Из этих цифр можно сделать вывод, что между ядром и электронной оболочкой ничего нет — «вещество заполнено пустотой» [1] .
1
Положительно заряженное ядро и электроны связаны между собой силами электрического притяжения. — Прим. ред.
Необходимо сделать еще одно важное замечание: почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Чтобы проиллюстрировать необычайную плотность ядра, скажем, что 1 см3 ядер урана весит более 100 млн. т!
Конечно, представить себе такую громадную плотность очень трудно.
Схема атома, которую мы дали выше, очень упрощена. На самом же деле, кроме тех частиц, о которых мы уже говорили, существуют еще положительно заряженные электроны, называемые позитронами, а также отрицательно заряженные протоны, или антипротоны. Сейчас ученые говорят даже об антинейтронах. Действительно, в некоторых случаях протоны передают свой заряд нейтронам. Следовательно, эти две частицы могут в определенных условиях превращаться из одной в другую. Кроме того, они связаны между собой особыми силами, носящими название ядерных сил, природа которых мало изучена. Не подлежит сомнению, что все эти понятия со временем будут уточнены и, может быть, ученым удастся обнаружить новые частицы, более элементарные, чем известные нам сегодня.
Все так называемые «классические» свойства элементов (химические, электрические, магнитные) обусловливаются числом электронов и структурой электронной оболочки. Лишь явления радиоактивности и превращения элементов связаны с изменениями внутри ядра. Электроны должны рассматриваться одновременно и как материальные частицы, и как волны; эта их двойственная природа легла в основу квантовой механики, принципы которой были сформулированы в 1924 году Луи де Бройлем.