Все атомы одного химического элемента обладают Одинаковым Зарядом атомного Ядра. При одинаковом заряде ядра атомы обладают одинаковым строением электронных оболочек и. потому имеют одинаковый набор возможных энергетических состояний и переходов между ними. Излучение и поглощение фотонов происходит при переходах атомов из одного стационарною состоя в другое. Энергия фотона, поглощаемого атомом при переходе из нормального состояния с энергией Ej B возбужденное состояние с энергией Еп, равна энергии фотона, излучаемого атомом при обратном переходе, так как и в том и в другом случае она равна разности энергий атома в этих двух состояниях:
hv = En-Eb
Для лучшего понимания дальнейшего материала остановимся по­дробнее на атоме.
В 1913 году английский физик Генри Морли (1887-1915) по спектрам рентгеновского излучения, испускаемого атомами при облуче­нии вещества потоком электронов высокой энергии, определил за­ряды ядер атомов различных химических элементов:
q = eZ,
где е _ элементарный электрический заряд, Z — порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева. Отсюда следует, что порядко­вый номер химического элемента в таблице Менделеева определяется числом положительных элементарных зарядов в ядре любого атома хими­ческого элемента или числом электронов в оболочке нейтрального атома.
Так как ядро атома химического элемента с порядковым номером Z в таблице Менделеева содержит Z элементарных положительных зарядов, то, соответственно, ядро любого из атомов этого химического элемента долж­но быть составлено из Z одинаковых частиц, каждая из которых обладает элементарным положительным зарядом. Такой частицей мог быть про­тон — ядро самого легкого из атомов: атома водорода. Но если бы атомные ядра состояли только из протонов, то ядро атома химического элемента с порядковым номером Z должно было обладать электрическим зарядом:
q = Ze и массой
m = Zmp.
Но в действительности такого не наблюдается (к примеру, масса ядра ато­ма кислорода не в 8 раз больше массы ядра атома водорода, а в 16 раз). Проблема состава атомного ядра была решена только после открытия в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком (1891 — 1974) части­цы, не имеющей электрического заряда и обладающей массой, примерно равной массе протона. Эту частицу назвали нейтроном. После открытия нейтрона советским физиком Дмитрием Дмитриевичем Иваненко и немецким физиком Вернером Гейзенбергом была выдвинута гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой гипотезе, все ядра состоят из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева и обозначается зна­ком Z. Число нейтронов в ядре обозначается знаком N. Общее число про­тонов и нейтронов в ядре обозначается знаком А и называется массовым числом:
A = Z + N.
Атомные ядра с одинаковыми Z, но различными А называются изотопами. В среднем на каждое значение Z приходится около трех стабильных изо­топов. Кроме стабильных изотопов большинство элементов имеют и не­стабильные изотопы, для которых характерно ограниченное время жизни. Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. Из-за разного числа нейтронов ядра различных изотопов одного химиче­ского элемента обладают разными массами и могут отличаться по физиче­ским свойствам, например по способности к радиоактивному распаду. Из-за одинакового заряда ядра атомы разных изотопов одного химического элемента имеют одинаковое строение электронных оболочек и поэтому обладают одинаковыми химическими свойствами.
Обозначается изотоп символом химического элемента X с указанием сле­ва вверху массового числа А и слева внизу — числа протонов Z в атомном ядре:
AzX.
Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре, называют ядерными силами. Существует и другое название этого взаимо­действия — сильное взаимодействие.
Протон и нейтрон по способности к сильному взаимодействию не отлича­ются друг от друга, поэтому в ядерной физике их часто рассматривают как одну частицу — нуклон — в двух различных состояниях. Нуклон в состоя­нии без электрического заряда называется нейтроном, нуклон в состоя­нии с электрическим зарядом называется протоном.
Основные свойства ядерных сил объясняются тем, что нуклоны обмениваются между собой частицами, масса которых больше массы электрона примерно в 200 раз. Такие частицы были обна­ружены экспериментально в 1947 году. Они получили название пи-мезонов (или пионов).
Измерение массы атомного ядра с помощью специальных прибо­ров (так называемых масс-спектрографов) показало, что масса лю­бого ядра, содержащего Z протонов и N нейтронов, меньше суммы масс Z свободных протонов и N нейтронов. Таким образом, в со­ответствии с законом взаимосвязи массы и энергии, следует, что полная энергия свободных протонов и нейтронов должна быть больше полной энергии составленного из них ядра. Минимальная энергия АЕсв, которую нужно затратить для разделения атомного ядра на составляющие его нуклоны, называется энергией связи ядра:
АЕсв = Zmpc2 +Nmnc2 -тяс2,
где Z — число протонов, тр — масса протона, N — число нейтронов, mn— масса нейтрона, шя — масса ядра, С — скорость света. При соединении протонов и нейтронов в атомное ядро происходит осво­бождение энергии — освобождаемая энергия равна энергии связи ядра АЕсв. Эта энергия освобождается за счет работы сил ядерного притяжения между нуклонами.
Энергия связи, отнесенная к массовому числу А, называется средней энер­гией связи нуклона в атомном ядре (энергия связи на один нуклон). Энер­гия связи приблизительно постоянна для всех стабильных ядер и пример­но равна 8 МэВ. Исключением является область легких ядер, где средняя энергия связи растет от нуля (А=1) до 8 МэВ для ядра |2С. Аналогично энергии связи на один нуклон можно ввести энергию связи ядра относительно других составных его частей.
В отличие от средней энергии связи нуклонов количество энергии связи нейрона и протона изменяется от ядра к ядру.
Часто вместо энергии связи используют величину, называемую дефектом массы и равную разности масс и массового числа атомного ядра.