Всем известно, что тела состоят из молекул, а молекулы из атомов, атом же имеет центральное ядро и электронную оболочку. При этом размер ядра почти в миллион раз меньше размера атома. Электроны заряжены отрицательно и отталкиваются друг от друга, для удержания их в атоме ядро несет положительный заряд и состоит из положительно заряженных частиц – протонов. Заряд протона – по модулю – равен заряду электрона: сколько в атоме электронов, столько и протонов в ядре, так что суммарный заряд атома равен нулю.
Атом – электрически нейтральная частица.
Функционал нейтрона
Пока все красиво и логично, но возникает закономерный вопрос: а протоны в ядре отталкиваются друг от друга? Разумеется, отталкиваются, да еще как – ядро маленькое, частицы находятся очень близко друг к другу, следовательно, действуют гигантские кулоновские силы. После такого рассуждения становится понятным существование еще одной частицы, вернее – частиц, присутствующих в атомном ядре, а именно нейтронов.
Нейтрон – микрочастица по массе очень близкая к протону, но есть два существенных отличия: у нейтрона отсутствует электрический заряд и, кроме того, нейтрон – частица нестабильная, уединенный нейтрон распадается на протон и электрон, среднее время жизни «отдельно стоящего» нейтрона около 15 мин.
Однако в ядре нейтрон становится подобно протону долгожителем и может существовать сколь угодно долго. Между протонами и нейтронами (и тот, и другой называются также нуклонами) в ядре возникают так называемые ядерные силы, многократно превосходящие силы кулоновского отталкивания, или, как еще говорят, устанавливается сильное взаимодействие, за счет чего и ядро, и соответственно, атом становятся стабильными кирпичиками для построения материи. Однако особенностью ядерных сил является их короткодействие, фактически взаимодействуют соседние частицы, и для крупных ядер, содержащих много нуклонов, возникает опасность «феодальной раздробленности» или «распада на фракции»: формируются группы частиц, слабосвязанных с отдаленными соседями. Такая обособленность приводит порой к самопроизвольному разрушению, распаду ядра: оно делится на две или больше частиц разных масс.
Распад и его уравнение
Одним из весьма вероятных сценариев распада является испускание ядром альфа-частицы: группы из двух протонов и двух нейтронов, которая является очень устойчивой с точки зрения действия ядерных сил – протоны и нейтроны представлены в ней в равных количествах. Альфа-частица, кстати, является ядром атома гелия; испуская альфу-частицу, ядро уменьшает свой заряд на две единицы, а массу – на четыре, атом превращается в двукратно отрицательно заряженный ион элемента, стоящего в таблице Менделеева на две клетки левее исходного; ион быстро избавляется от лишних электронов и превращается в изотоп соответствующего элемента.
А вот уравнение распада ядра изотопа урана, при котором образуется изотоп тория и альфа-частица:
Сила слабого взаимодействия
Однако нуклоны так непросто устроены, что помимо электрического и сильного, они открыты еще одному типу взаимодействия, называемому слабым, которое многократно меньше двух названных. Тем не менее обусловленные этим взаимодействием процессы способны разрушать нуклон: нейтрон превращается в протон и электрон (при этом выделяется еще одна частица – нейтрино, но этот момент мы не будем принимать во внимание). Причем это явление может происходить как в ядре, так и с отдельным нейтроном. Напротив, протон – и только в ядре! – может превращаться в нейтрон, испуская частицу – анти-электрон, которая называется позитрон (и нейтрино, конечно, о котором мы не говорим…).
Такие процессы, сопровождающиеся вылетом электрона (позитрона) из ядра, называются бета-распадом
Бета-минус-распадом, если вылетает электрон и заряд ядра увеличивается на единицу, или бета-плюс-распадом, если вылетает позитрон, и заряд ядра уменьшается на единицу. Естественно, новое ядро становится изотопом правого соседа исходного элемента по таблице Менделеева (бета-минус-распад), или левого, если произошел бета-плюс-распад.
Уравнение для записи распада нейтрона под действием слабого взаимодействия имеет такой вид:
Интересно отменить, что при бета-минус-распаде вылетевшей из ядра электрон не всегда покидает атом: если его энергия невелика, он может (после перестройки электронной оболочки и излучения фотонов, уносящих «лишнюю» энергию) быть инкорпорирован в нее, заряд оболочки будет соответствовать новому заряду ядра. Со стороны это будет выглядеть, что один элемент «по-тихому», без внешних проявлений распада, с фотонной «иллюминацией», превращается в правого соседа по таблице Менделеева.
Заказать статью по физике у экспертов биржи Студворк!
Комментарии