Периодический закон и ядра атомов

"Мысль человека бесконечно углубляется от явления к сущности, от сущности первого, так сказать, порядка, к сущности второго порядка и т. д. без конца".^*

^* (В. И. Ленин, Соч. т. 29, стр. 227.)

В. И. Ленин

Прошло более ста лет со времени открытия Д. И. Менделеевым периодического закона и систематизации на его основе химических элементов. С тех пор наука о веществе продвинулась вперед семимильными шагами и глубоко проникла в глубь атома. И чем больше человек познавал природу атома, тем становилось очевиднее, что открытие Менделеева является лишь первым шагом в познании законов эволюции и развития веществ:

"Проблема, поставленная Менделеевым в 1869 году, еще не решена полностью... А для этого нужно развивать и усиливать атаку на атомное ядро. В глубине атома мы найдем корни того дерева, которое было посажено Дмитрием Ивановичем Менделеевым и которое принесет еще немало плодов"^*.

^* (А. Ф. Иоффе, Периодический закон Д. И. Менделеева и его философское значение, ОГИЗ, 1947, стр. 98.)

Если Менделееву удалось вкрыть периодическую зависимость свойств элементов от атомных весов - "сущность первого порядка" (первый этап), то дальнейшее развитие науки, главным образом квантовой механики атомов, связало эту зависимость со структурой электронной оболочки атомов - "сущность второго порядка" (второй этап). В настоящее время периодичность нельзя сводить только к изменению структуры электронной оболочки, необходимо рассматривать оболочку и ядро атома в их единстве. Раскрывая зависимость периодического изменения свойств от структуры ядра (третий этап), мы начинаем овладевать "сущностью третьего порядка".

Несмотря на то что основная масса атома сосредоточена в ядре и общее число электронов в атоме определяется зарядом ядра, многие ученые делили атом на две независимые части - ядро и электронную оболочку, связывая периодически изменяющиеся свойства элементов лишь с последней. Однако электроны оболочки и ядро находятся в электромагнитном взаимодействии, а потому на свойства атомов должно оказывать влияние и ядро.

Дмитрий Дмитриевич Иваненко (р. 1904)

Э. Резерфорд, создавший планетарную модель атома, представлял ядро как сложный агрегат, состоящий из протонов и внутриядерных электронов. Планетарная модель Резерфорда сыграла важную роль в последующем развитии теории атома, но принятое им строение ядра пришло в противоречие со спиновыми характеристиками ядерных частиц и ядер в целом.

Ядерная теория стала плодотворно развиваться после того, как советскими учеными Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапоном в 1932 г. и независимо от них немецким ученым Гейзенбергом была предложена протонно-нейтронная модель строения ядра. Эта модель опиралась на две основные количественные характеристики ядер: порядковый номер - Z и массовое число - А.

Основное положение ядерной теории можно сформулировать так: ядра всех атомов, кроме легкого атома водорода, состоят из протонов и нейтронов (оба вида частиц объединяют общим названием нуклоны). Протон - частица с зарядом +1 и относительной массой 1 (точное значение массы 1,007805); эту частицу обозначают ¹₁р или р. Нейтрон - частица, не имеющая электрического заряда, относительная масса его равна 1 (точное значение 1,0086654), обозначают его ¹₀n или n. Эти частицы обладают одинаковым спином, равным ± ¹/₂.

Зная заряд и округленную массу нуклонов, можно определить нуклонный состав любого ядра, пользуясь следующими соотношениями: суммарное число нуклонов в ядре равно его массовому числу A; число протонов равно порядковому номеру Z; число нейтронов в ядре (N) равно разности между массовым числом и порядковым номером N = А - Z. Например, ядро атома фосфора i5P состоит из 15 протонов и 16 нейтронов и его нуклонный состав можно записать [15р, 16n].

Взаимодействие протонов и нейтронов в ядре происходит за счет ядерных сил, природа которых до настоящего времени окончательно не выяснена. Однако, как указывал Д. Д. Иваненко:

"...Некоторые бесспорные особенности ядерного потенциала... позволяют сделать уже сейчас ряд обоснованных и, как оказывается, согласных с опытом выводов относительно строения атомных ядер".