Открытие протона и нейтрона. Состав атомного ядра. Ядерные силы

Опыт Резерфорда и открытие радиоактивности свидетельствуют о сложном строении атома.
Резерфорд обладал научной интуицией, и в 1913 году он предположил, что одна из частиц, входящих в состав каждого атома, есть ни что иное, как ядро атома водорода. 
На какие же факты опирался ученый, когда сделал это гениальное предположение? 
Оказывается, масса ядра любого химического элемента отличается от массы ядра водорода в целое число раз.
Убедится в истинности гипотезы, что одной из частиц атома является ядро водорода, удалось, когда с помощью камеры Вильсона сфотографировали треки (следы) альфа-частиц, которые взаимодействовали с атомами азота.На картинке, которую наблюдали ученые, видны следы альфа-частиц, которые, в большинстве своем, никак не изменяют своего движения. И только в одном месте наблюдается разветвление. Оно означает, что в этом месте альфа-частица «встретилась» с ядром атома азота. В результате такого столкновения образовались ядра атомов водорода и кислорода (в этом можно убедиться, если изучить траектории искривления треков, поместив всю систему в магнитное поле).
Атом водорода, то есть частица, которая, как мы уже убедились на опыте, входит в состав атома, Резерфорд назвал протоном. В переводе с греческого слово «протон» означает первый.
Запишем реакцию взаимодействия между атомами азота и альфа-частицами.
При взаимодействии азот с альфа частицей, а альфа частица есть ядро гелия, происходит преобразование в кислород и водород.
Протон обозначают символом «пэ», с массовым и зарядовым числами, равными единице. Величина заряда протона по модулю равна величине заряда электрона.
Ученые также обстреливали альфа частицами такие вещества, как бор, алюминий, натрий и многие другие. Во всех случаях в результате взаимодействия ядер выбивались протоны (ядра водорода). Это дало основание предположить, что протоны входят в состав всех химических элементов.
Чтобы упростить процесс понимания строения ядра, Резерфорд предложил следующую модель: ядро состоит из упругих сфер, похожих на бильярдные шары. Используя этот простой образ, ученый мог построить все элементы, поскольку все они состоят из одного базового компонента – протона. Водород состоит из одного такого элемента. Все остальные элементы образованы путем добавления протона в ядро. Гелий, второй элемент, так же очень легкий, состоит из двух протонов.  У лития три протона, и так далее. Получалось, что каждый элемент определялся числом протонов в ядре.
После того, как ученым удалось взвесить атом, оказалось, что все ядра, кроме водорода, весили больше, чем должны были быть. Например, гелий, с двумя протонами, должен был весить как два ядра водорода, а весил в два раза больше. Значит, в ядре есть еще какие-то частицы. Тогда Резерфорд предположил, что существует нейтральная частица, то есть частица, у которой нет заряда. Эта частица входит в состав ядра. Она получила название нейтрон. А масса этой частицы, приблизительно равна массе протона. Частицу обозначили буквой «эн». Как вы видите, зарядовое число частицы равно нулю. Зарегистрировать нейтрон было гораздо сложнее, так как он не имеет заряда, и это удалось сделать лишь в 1932 году Джеймсу Чедвику. Наличие в ядре нейтрона, сразу решило проблему веса атома. Гелий в четыре раза тяжелее водорода, так как кроме двух протонов он содержит два нейтрона. Литий в шесть раз тяжелее водорода, так как он содержит три протона и три нейтрона и так далее. Такая модель атома, получила название протонно-нейтронная модель строения ядра. Частицы, из которых состоит ядро, протоны и нейтроны, можно назвать одним словом - нуклоны. Общее число нуклонов обозначают буквой А, это массовое число. Например, в атоме лития число нуклонов равно шести. В азоте - четырнадцати. Число протонов в ядре обозначается буквой Z - это зарядовое число.  Например, в литии, число протонов равно трем, значит и зарядовое число равно трем. Зарядовое число в азоте равно семи. Протонно-нейтронная модель атома так же объяснила существование изотопов, то есть разновидности одного и того же химического элемента, которые отличаются только массами атомных ядер. Оказывается, ядра изотопов содержат то же самое количество протонов, что и сам элемент, но разное число нейтронов. Например, в состав изотопа водорода дейтерия входят две частицы протон и нейтрон. Тогда, как сам водород,- это есть только один протон. Силы, благодаря которым нуклоны удерживаются в ядре, получили название ядерные силы. Это особый вид взаимодействия, который не встретишь в нашем макромире. Эти силы действуют только на очень малом расстоянии, но они очень велики.