§ 55 Открытие протона и нейтрона

Определения и обозначения

Протон — положительно заряженная частица, входящая в состав атомного ядра. Его заряд равен по модулю заряду электрона, но имеет противоположный знак. Именно протоны создают положительный заряд ядра, а в опытах Резерфорда появление ядер водорода помогло распознать эту частицу.

Нейтрон — электрически нейтральная частица, которая вместе с протонами находится в ядре. Его масса близка к массе протона, хотя электрического заряда у него нет. Существование нейтрона подтвердил Джеймс Чедвик: результаты опытов с бериллием и парафином удалось объяснить столкновениями нейтральных частиц с протонами.

Протонное число — число протонов в ядре; его обычно обозначают буквой Z. Оно определяет заряд ядра: чем больше протонов, тем больше положительный заряд. Это число позволяет отличать ядра разных химических элементов, поэтому при описании атома важно знать не только общую массу ядра, но и число протонов в нём.

Как это устроено

Резерфорд направлял альфа-частицы на газообразный азот и наблюдал, что из вещества вылетают быстрые ядра атомов водорода. Они проникали в чувствительный экран и вызывали вспышки, по которым можно было заметить их движение. Появление таких ядер было неожиданным: значит, взаимодействие альфа-частицы с азотом приводило к превращению ядра и испусканию частицы водорода. Это наблюдение стало экспериментальным основанием для вывода о частицах, из которых построены атомные ядра.

Ядро обычного атома водорода состоит из одной частицы, поэтому найденное ядро водорода и есть эта частица. Её назвали протоном; слово связано с греческим «первый». Если азот при ядерном превращении испускает протон, естественно предположить, что до превращения протон был частью его ядра. Так вывод из опыта позволил рассматривать протоны не только как ядра водорода, но и как составные части ядер других элементов.

Позже при облучении бериллия альфа-частицами обнаружили проникающее излучение, которое не отклонялось электрическим полем. Это говорило об отсутствии у него электрического заряда, но ещё не устанавливало, из чего оно состоит. Например, нейтральным может быть излучение, состоящее из фотонов, а не из массивных частиц. Поэтому для открытия нейтрона требовалось выяснить, как это излучение взаимодействует с известными частицами и какую энергию им передаёт.

Чедвик направил излучение от облучённого бериллия на парафин, в котором много атомов водорода. При столкновениях из парафина вылетали протоны, и учёный измерял их движение. По тому, насколько сильно нейтральное излучение разгоняет протоны, можно было судить о массе его частиц: перенос энергии оказался похож на результат столкновения частиц сравнимых масс. Расчёты показали, что частицы почти равны протону по массе, но не имеют заряда, поэтому излучение объяснили потоком нейтронов.

После открытия обе частицы включили в модель атомного ядра: в нём находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Такое устройство объясняет, почему масса ядра зависит от количества частиц обоих видов, а его электрический заряд — только от протонов. Нейтроны увеличивают массу ядра, не меняя его заряд. Это представление стало основой для описания строения атомов и различий между ядрами одного элемента.

Протон и нейтрон

Сначала сравните строки о заряде и месте в атоме: так видно, какая частица влияет на заряд ядра. Строка о массе показывает, почему обе частицы учитывают при описании массы ядра. Последняя строка связывает свойства частиц с опытами, благодаря которым учёные установили их существование.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Сравните заряд протона и нейтрона и определите, какая из частиц влияет на заряд ядра. Для ответа нужно вспомнить, какие частицы входят в состав ядра. Также следует отличать наличие массы от наличия электрического заряда.

1. У протона заряд положительный, равный +e.
2. У нейтрона заряд равен нулю, поэтому он не изменяет суммарный электрический заряд ядра.
3. Суммарный заряд создают протоны: при Z протонах заряд ядра равен +Ze.

Ответ: протон положительно заряжен, нейтрон нейтрален; на заряд ядра влияют протоны.

Задача 2

Условие. Азот облучали альфа-частицами и обнаружили ядра атомов водорода. Какой вывод о строении атомного ядра позволил сделать результат? Обратите внимание, что наблюдаемые ядра водорода появлялись в ходе ядерного взаимодействия. Нужно связать их с частицей, входящей в состав ядра.

1. Ядро обычного атома водорода состоит из одного протона.
2. Значит, обнаруженные ядра водорода были протонами, возникшими при взаимодействии с ядром азота.
3. Результат позволил предположить, что протоны входят в состав ядер атомов, а не только существуют как ядра водорода.

Ответ: опыт Резерфорда указал, что протон — составная частица атомных ядер.

Задача 3

Условие. При облучении бериллия возникало нейтральное излучение, которое выбивало протоны из парафина. Объясните, почему этот результат подтвердил существование нейтрона. Само отсутствие отклонения в электрическом поле говорит лишь о нулевом заряде излучения. Для определения природы частиц нужно учесть, как они передают движение протонам.

1. Парафин богат водородом, поэтому выбитые из него частицы можно распознать как протоны.
2. Сильный разгон протонов при столкновении указывает, что передающая им энергию частица имеет массу, близкую к протонной.
3. Поскольку излучение нейтрально, его нельзя считать потоком протонов; сочетание нейтральности и близкой массы соответствует нейтрону.

Ответ: опыты Чедвика показали, что излучение состоит из нейтральных частиц с массой, близкой к массе протона, — нейтронов.

Типичные ошибки

• Путать протон с ядром атома водорода. Иногда кажется, что это разные объекты, потому что один термин описывает частицу, а другой — часть атома. Но у обычного водорода ядро состоит из одного протона, так что это одна и та же частица. Проверьте себя: если говорится о ядре обычного водорода, речь идёт о протоне.

• Приписывать нейтрону нулевую массу. Нулевой у нейтрона является электрический заряд, а не масса. Ошибка возникает, когда слово «нейтральный» принимают за «ничего не имеющий». Проверьте ответ по двум отдельным характеристикам: заряд равен нулю, масса близка к массе протона.

• Называть излучение бериллия потоком нейтронов до объяснения опытов Чедвика. Сначала установили лишь, что излучение не имеет электрического заряда; этого недостаточно для определения его состава. Вывод о нейтронах стал возможен после исследования выбитых из парафина протонов и передачи им энергии. Проверяйте, указано ли в рассуждении это доказательство.

• Считать, что нейтроны создают положительный заряд ядра. Их часто связывают с ядром из-за того, что они входят в его состав и имеют близкую к протону массу. Однако электрически они нейтральны, поэтому заряд определяется числом протонов. Для проверки найдите в условии протонное число: именно с ним связан положительный заряд ядра.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в открытии частиц, нужно знать, что атом имеет ядро, а электрический заряд может быть положительным, отрицательным или нулевым. Протоны и нейтроны вместе образуют ядра, поэтому их число помогает объяснить массу атома. Если у ядер одного элемента одинаково число протонов, но различается число нейтронов, говорят об изотопах. Эти знания пригодятся при изучении ядерных реакций и радиоактивности: там рассматривают изменения атомных ядер и превращения частиц.

Что запомнить

• Протон имеет положительный электрический заряд.
• Нейтрон не имеет электрического заряда.
• Протон и нейтрон входят в состав атомных ядер.
• Массы протона и нейтрона близки.
• Открытие протона связано с опытами Резерфорда.
• Существование нейтрона экспериментально доказал Чедвик.