Большая часть массы всех элементов на Земле сосредоточена в элементарных частицах, называемых протонами и нейтронами (общее название – нуклоны). Поговорим кратко о протонах и нейтронах в составе атомных ядер.
В 1930 году Д. Чедвиком был открыт нейтрон. Это еще одна элементарная частица, почти с такой же массой, как у протона, но не имеющая заряда, и входящая в состав ядер.
Ядерные Силы
Возникает вопрос – если протоны обеспечивают положительный заряд ядра, то почему существуют ядра элементов с зарядом больше единицы ? Ведь протоны, заряженные одинаково, должны отталкиваться друг от друга!
Нуклоны удерживает вместе особое Сильное (или ядерное) взаимодействие. Особенность ядерного взаимодействия в том, что его переносчики (глюоны и составленные из них пионы) – не только переносят сильное взаимодействие, но и сами в нем участвуют. Поэтому они не могут далеко удаляться друг от друга, и радиус действия ядерных сил не превышает размеры ядер. Эти силы значительно больше кулоновских сил отталкивания, и поэтому ядра, содержащие много положительных протонов стабильны.
Эти же силы определяют стабильность нейтрона в составе ядер. Свободный нейтрон – это нестабильная частица с периодом полураспада около 600 сек. Ядерные взаимодействия делают распад нейтрона в ядрах с малым их числом $N$ энергетически невыгодным.
Протонно-нейтронная модель ядра
Таким образом, в состав атомного ядра входят протоны и нейтроны, которые удерживаются вместе короткодействующим Сильным взаимодействием. Число протонов в ядре $Z$ соответствует номеру элемента в Периодической Системе Менделеева. Общее число нуклонов в ядре $A$ соответствует массовому числу элемента:
$$A=Z+N$$
Чем больше протонов в ядре – тем больше силы кулоновского отталкивания, и тем менее стабильно ядро. Наличие $N$ нейтронов в ядре стабилизирует его.
Для тяжелых элементов, содержащих в ядре много протонов, число нейтронов должно быть еще больше. Так, например, ядро наиболее распространенного в природе свинца-208 содержит 82 протона и 126 нейтронов. Однако, если число нейтронов становится слишком большим, становится энергетически выгоден распад нейтрона, а с распадом нейтрона уменьшаются ядерные силы, и ядро распадается. Именно поэтому наиболее стабильными являются ядра со средним числом нейтронов и протонов.
Что мы узнали?
Ядро атома состоит из элементарных частиц – протонов и нейтронов, которые удерживаются вместе особыми ядерными силами. Число протонов в ядре соответствует номеру элемента в Периодической системе. Общее число нуклонов – соответствует массовому числу.
