Состав атомного ядра. Запись ядерных реакций

Открытие нейтронов позволило немецкому ученому В. Гейзенбергу и советскому физику Д. Д. Иваненко создать гипотезу строения атомных ядер, согласно которой все атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов, которые получили общее название нуклонов.

Поскольку масса нуклона, выраженная в относительных единицах, очень близка к единице (масса протона составляет 1,007276, а масса нейтрона — 1,008665), то и масса атомного ядра в относительных единицах близка к целому числу, равному числу нуклонов в ядре. Это число называют массовым числом и обозначают буквой A. Так как число протонов в ядре выражается зарядовым числом Z, то число нейтронов равно A-Z.

Поскольку почти вся масса атома сосредоточена в ядре, относительная масса атома должна быть близка к целому числу А. Однако в действительности для многих элементов наблюдаются отклонения от этого правила. Причины таких отклонений будут рассмотрены в следующем параграфе.

При записи ядерных реакций применяются удобные обозначения, указывающие состав ядра и его положение в таблице Менделеева. Для обозначения атомного ядра используется символ соответствующего химического элемента. Внизу слева от символа ставится зарядовое число Z, а вверху — массовое число A. Например, символ ⁴₂He обозначает ядро гелия, содержащее четыре нуклона, два из которых протоны, а два других — нейтроны.

Для свободного нейтрона, находящегося вне ядра, применяется символ ₀n¹ так как его заряд равен нулю, а для протона — символ p или ¹₁H. Электрон обозначается символом β^— или _-1e⁰. Нуль наверху означает, что масса электрона мала по сравнению с массой нуклона и не может изменять значения массовых чисел в ядерных реакциях.

Используя эти обозначения, радиоактивный распад урана с образованием α-частиц можно записать следующим образом:

²³⁸₉₂U → ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He.

Такая запись показывает, что при распаде урана получаются торий и гелий. Следует помнить, что в ядерных реакциях сохраняется число нуклонов и заряд; происходит только их перераспределение между ядрами. Поэтому суммы верхних индексов в левой и правой частях уравнения ядерной реакции должны быть одинаковыми. Это же относится и к нижним индексам.

Реакция образования протонов при поглощении α-частиц ядрами азота записывается так:

⁴₂He + ¹⁴₇N → ¹⁸₉F → ¹₁H + ¹⁷₈O,

т. е. ядро азота, поглощая α-частицу, превращается в нестабильное ядро фтора, которое, испуская протон, в свою очередь превращается в ядро кислорода.

Уравнение ядерной реакции, происходящей при облучении бериллия α-частицами, записывается следующим образом:

⁹₄Be + ⁴₂He → ¹³₆C → ¹²₆C + ₀n¹,

В реакции превращения актиния в торий образуются β-частицы:

²²⁷₈₉Ac → ²²⁷₉₀Th + _-1e⁰,

Возникает вопрос: как могут вылетать отрицательно заряженные электроны из ядер, содержащих только положительные и нейтральные частицы? Оказывается, электрон возникает в момент распада ядра, в результате превращения одного из внутриядерных нейтронов в протон:

₀n¹ → ¹₁H + _-1e⁰

(как мы увидим далее, это уравнение не совсем полно отражает распад нейтронов). В ядрах нерадиоактивных элементов нейтроны не подвержены такому распаду.