Атомно ядро: структура, маса, състав. Структурата на атомното ядро ​​Какво е атомно ядро ​​във физиката

През 20-те години на миналия век физиците вече нямаха съмнения относно сложността на структурата на атомните ядра, открита от Ръдърфорд през 1911 г. На даден фактпосочи голям брой различни експерименти, извършени по това време, като:

• откриване на явлението радиоактивност,
• експериментално доказателство за ядрения модел на атома,
• измерване на съотношението e m за електрон, α-частица и за H-частица, която е ядрото на водороден атом,
• откриване на изкуствена радиоактивност и ядрени реакции,
• измерване на зарядите на атомните ядра и много други.

От какви частици се състоят ядрата на атомите? В наше време е факт, че ядрата на атомите на различни елементи се състоят от два вида частици, тоест от неутрони и протони. Втората от тези частици е водороден атом, който е загубил единствения си електрон. Такава частица е забелязана още в експериментите на Дж. Томсън през 1907г. Ученият успя да измери нейното съотношение e m.

Определение 1

Е. Ръдърфорд през 1919 г. открива атомни ядра на водорода в продуктите на делене на атомни ядра на значителен брой елементи. Физикът даде име на намерената частица протон... Той предположи, че протоните са част от всяко от атомните ядра.

Схемата на експериментите на Ръдърфорд е илюстрирана на фигура 6. 5 . един .

Фигура 6. 5 . един . Схема на експериментите на Ръдърфорд за откриване на протони в продукти на ядрено делене. K е оловен контейнер с радиоактивен източник на α-частици, F е метално фолио, E е екран, покрит с цинков сулфид, M е микроскоп.

Устройството на Ръдърфорд се състоеше от евакуирана камера с разположен в нея контейнер ДА СЕкъдето се намира източникът α -частици. Метално фолио, показано на фигурата като Фприпокриваше прозореца на камерата. Дебелината на фолиото е избрана по такъв начин, че да предотврати проникването през него α -частици. Отвън прозореца имаше екран, покрит с цинков сулфид, на изображение 6. 5 . 1, обозначен с буквата Е. С помощта на микроскоп М, беше възможно да се наблюдават светлинни проблясъци или, както още ги наричат, сцинтилации в точки, в точки на екрана, където се удрят тежки заредени частици.

Тъй като камерата беше пълна с азот под ниско налягане, на екрана бяха открити проблясъци на светлина. Това явлениепосочи факта, че при експерименталните условия има поток от неизвестни частици, които имат способността да проникват през почти напълно задържащия поток α - фолио за частици Ф... Многократно премахвайки екрана от прозореца на камерата, Е. Ръдърфорд успя да измери средния свободен път на наблюдаваните частици във въздуха. Получената стойност се оказва приблизително равна на 28 cm, което съвпада с оценката на дължината на пътя на H-частиците, наблюдавана преди това от J. Thomson.

С помощта на изследвания на ефекта на електрическите и магнитните полета върху частици, избити от азотни ядра, бяха получени данни за положителност на елементарния им заряд. Също така е доказано, че масата на такива частици е еквивалентна на масата на ядрата на водородните атоми.

Впоследствие експериментът е проведен с редица други газообразни вещества. При всички подобни експерименти беше установено, че от техните ядра α -частиците избиват H -частици или протони.

Според съвременните измервания положителният заряд на протона е абсолютно еквивалентен на елементарния заряд e = 1,60217733 · 10 - 19 K. С други думи, по абсолютна стойност той е равен на отрицателния заряд на електрона. В наше време равенството на зарядите на протон и електрон е проверено с точност от 10 - 22. Такова съвпадение на зарядите на две частици, значително различни една от друга, предизвиква истинско недоумение и до ден днешен остава една от основните загадки на съвременната физика.

Определение 2

Въз основа на съвременни измервания можем да кажем, че масата на протона е равна на mp = 1,67262 10 - 27 k g. В ядрената физика масата, принадлежаща на частиците, често се изразява в атомни единици за маса (amu), равна на масата на въглероден атом с масово число 12:

1 а. е. м. = 1, 66057 10 - 27 до града.

Съответно, m p = 1, 007276 a. Яжте.

Доста често изразът за масата на частица е най-удобен, когато се използват еквивалентни стойности на енергията в съответствие със следната формула: E = m c 2. Поради факта, че 1 e V = 1,60 218 10 - 19 J, в енергийни единици масата на протона е 938, 272 331 M e V.

Следователно експериментът на Ръдърфорд, който открива феномена на разделяне на азотни ядра и други елементи от периодичната таблица в условията на удари на бързи α-частици, също показа, че протоните са част от атомните ядра.

В резултат на откриването на протоните някои физици стигнаха до предположението, че новите частици не са просто част от ядрата на атомите, а са единствените възможни елементи. Въпреки това, поради факта, че съотношението на ядрения заряд към неговата маса не остава постоянно за различните ядра, както би било, ако в ядрата бяха включени само протони, това предположение беше признато за несъстоятелно. За по-тежки ядра това съотношение се оказва по-малко, отколкото за леките, от което следва, че при преминаване към по-тежки ядра масата на ядрото нараства по-бързо от заряда.

През 1920 г. Е. Ръдърфорд излага хипотеза за наличието в състава на ядра на определена компактна твърдо свързана двойка, състояща се от електрон и протон. В разбирането на учения този сноп е бил електрически неутрално образувание като частица с почти еквивалентна маса на протон. Той също така измисли име за тази хипотетична частица, Ръдърфорд искаше да я нарече неутрон. За съжаление, горната идея, въпреки красотата си, беше погрешна. Установено е, че електронът не може да бъде част от ядрото. Квантово механично изчисление, базирано на съотношението на неопределеността, показва, че електрон, локализиран в ядро, т.е. област с размер R ≈ 10 - 13 cm, трябва да има невероятна кинетична енергия, която е с много порядки по-висока от свързващата енергия на ядрата на частица.

Идеята за съществуването на определена тежка неутрално заредена частица в състава на ядрото беше изключително привлекателна за Ръдърфорд. Ученият веднага се обърна към група свои ученици, водени от Дж. Чадуик с предложение да започнат да я търсят. След 12 години, през 1932 г., Чадуик прекарва експериментално изследванелъчение, възникващо при условия на облъчване на берилий с α -частици. В процеса той открива, че това излъчване е поток от неутрални частици с маса, почти еквивалентна на тази на протон. Така неутронът беше открит. Фигура 6. 5 . 2 илюстрира опростена диаграма на съоръжение за откриване на неутрони.

Фигура 6. 5 . 2. Схема на настройка за откриване на неутрони.

В процеса на бомбардиране на берилий от алфа-частици, излъчвани от радиоактивен полоний, се появява мощно проникващо лъчение, способно да премине през препятствие под формата на 10 - 20 сантиметров слой олово. Това излъчване практически едновременно със съпругата на Чадуик, дъщерята на Мария и Пиер Кюри, Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, обаче изтъкна предположението, че това са γ-лъчи с висока енергия. Те забелязали, че ако парафинова плоча се монтира по пътя на берилиевата радиация, тогава йонизиращата способност на това излъчване се увеличава рязко. Двойката доказа, че радиацията на берилия избива протони в големи количества от парафина. Използвайки стойността на средния свободен път на протоните във въздуха, учените са изчислили енергията на γ-квантите, които имат способността да придават необходимата скорост на протоните при условия на сблъсък. Получената в резултат на оценката енергийна стойност се оказа огромна - около 50 MeV.

През 1932 г. Дж. Чадуик провежда цяла поредица от експерименти, насочени към цялостно изследване на свойствата на излъчването, което възниква при облъчване на берилия от α частици. В своите експерименти Чадуик използва различни методи за изследване на йонизиращо лъчение.

Определение 3

Фигура 6. 5 . 2 илюстрирани Брояч на Гайгер, устройство, използвано за регистриране на заредени частици.

Това устройство се състои от стъклена тръба, покрита с метален слой от вътрешната страна (катод), и тънка нишка, минаваща по оста на тръбата (анод). Тръбата е пълна с инертен газ, обикновено аргон, при ниско налягане. Заредена частица в процеса на движение в газ причинява йонизация на молекулите.

Определение 4

Свободните електрони, възникващи в резултат на йонизацията, се ускоряват от електрическото поле между анода и катода до енергии, при които започва явлението йонизация на удара. Появява се лавина от йони и кратък импулс на разряден ток преминава през брояча.

Определение 5

Друг инструмент от изключително значение за изследване на частиците е Уилсън камера, в който бързо заредена частица оставя следа или, както още се нарича, следа.

Траекторията на частиците може да бъде снимана или наблюдавана директно. Основата за работата на камерата на Уилсън, създадена през 1912 г., е явлението кондензация на пренаситени пари върху йони, които се образуват в работния обем на камерата по траекторията на заредена частица. С помощта на камерата на Wilson става възможно да се наблюдава кривината на траекторията на заредена частица в електрически и магнитни полета.

Доказателство 1

В своите експерименти Дж. Чадуик наблюдава в камерата на Уилсън следите от азотни ядра, които се сблъскват с берилиевата радиация. Въз основа на тези експерименти ученият изчисли енергията на γ-кванта, способен да придаде скоростта, наблюдавана в експеримента, на азотните ядра. Получената стойност е равна на 100 - 150 MeV Излъчваните от берилия γ-кванти не могат да притежават такава огромна енергия. Въз основа на този факт Чадуик заключи, че когато берилият е изложен на α-частици, от берилия се излъчват не безмасови γ-кванти, а по-скоро тежки частици. Тези частици имаха значителна проникваща способност и не йонизираха директно газа в брояча на Гайгер; съответно те бяха електрически неутрални. Така е доказано съществуването на неутрон – частица, която Ръдърфорд е предсказал повече от 10 години преди експериментите на Чадуик.

Определение 6

Неутроне елементарна частица. Би било погрешно да го представим под формата на компактна двойка протон-електрон, както първоначално предложи Ръдърфорд.

Въз основа на резултатите от съвременните измервания можем да кажем, че неутронната маса m n = 1,67493 · 10 - 27 kr = 1,008665 amu. Яжте.

В енергийни единици неутронната маса е еквивалентна на 939,56563 MeV. Масата на неутрона е приблизително с две електронни маси по-голяма от масата на протона.

Веднага след откриването на неутрона руският учен Д. Д. Иваненко, заедно с немския физик В. Хайзенберг, излагат хипотеза за протонно-неутронната структура на атомните ядра, която е напълно потвърдена от последващи изследвания.

Определение 7

Обикновено се наричат ​​протони и неутрони нуклони.

Въведени са редица обозначения за характеризиране на атомните ядра.

Определение 8

Броят на протоните, които изграждат атомното ядро, се обозначава със символа Z и се нарича номер на такса или атомен номер(това е пореден номер в периодичната таблица).

Зарядът на ядрото е равен на Z e, където e е елементарният заряд. Броят на неутроните се обозначава със символа N.

Определение 9

Общият брой на нуклоните (т.е. протони и неутрони) се нарича масов номер на ядрото A:

Определение на понятието изотоп

Ядра химични елементиобозначава се със символа X Z A, където X е химическият символ на елемента. Например,
H 1 1 - водород, He 2 4 - хелий, C 6 12 - въглерод, O 8 16 - кислород, U 92 238 - уран.

Определение 10

Броят на неутроните в ядрата на един и същ химичен елемент може да бъде различен. Такива ядра се наричат изотопи.

Повечето от химичните елементи имат няколко изотопа. Например водородът има три от тях: H 1 1 - обикновен водород, H 1 2 - деутерий и H 1 3 - тритий. Въглеродът има 6 изотопа, кислородът има 3.

Химически елементи в природни условияса най-често смес от изотопи. Съществуването на изотопи определя стойността на атомната маса на естествен елемент в периодична системаМенделеев. Така например, относителната атомна маса на естествения въглерод е 12,011.

Ако забележите грешка в текста, моля, изберете я и натиснете Ctrl + Enter

Състав и характеристики на атомното ядро.

Ядрото на най-простия атом - водородния атом - се състои от една елементарна частица, наречена протон. Ядрата на всички останали атоми се състоят от два вида елементарни частици – протони и неутрони. Тези частици се наричат ​​нуклони.

протон ... Протонът (p) има заряд + e и маса

m p = 938,28 MeV

За сравнение нека посочим, че масата на електрона е

m e = 0,511 MeV

От сравнението следва, че m p = 1836m e

Протонът има спин, равен на половината (s =), и собствен магнитен момент

Единица за магнитен момент, наречена ядрен магнетон. От сравнението на масите на протона и електрона следва, че μ I е 1836 пъти по-малък от магнетона на Бор μ b. Следователно, присъщият магнитен момент на протона е около 660 пъти по-малък от магнитния момент на електрона.

Неутрон ... Неутрон (n) е открит през 1932 г. от английски физик

Д. Чадуик. Електрическият заряд на тази частица е нула, а масата

mn = 939,57 MeV

много близо до масата на протон. Разликата между масите на неутрон и протон (m n –m p)

е 1,3 MeV, т.е. 2,5 м д.

Неутронът има спин равен на половината (s =) и (въпреки липсата на електрически заряд) на собствен магнитен момент

μ n = - 1,91 μ i

(знакът минус показва, че посоките на присъщите механични и магнитни моменти са противоположни). Обяснение на това изненадващ фактще бъде даден по-късно.

Имайте предвид, че съотношението на експерименталните стойности μ p и μ n с висока степен на точност е равно на - 3/2. Това беше забелязано едва след като такава стойност беше получена теоретично.

В свободно състояние неутронът е нестабилен (радиоактивен) - той се разпада спонтанно, превръща се в протон и излъчва електрон (e -) и друга частица, наречена антинеутрино
... Времето на полуразпад (тоест времето, необходимо за разпадането на половината от първоначалния брой неутрони) е приблизително 12 минути. Схемата на разпадане може да бъде написана, както следва:

Масата на покой на антинеутриното е нула. Масата на неутрона е повече от масата на протона с 2,5 m e. Следователно, неутронната маса надвишава общата маса на частиците, които се появяват в дясната страна на уравнението с 1,5 m e, т.е. с 0,77 MeV. Тази енергия се освобождава по време на разпадането на неутрон под формата на кинетичната енергия на получените частици.

Характеристики на атомното ядро ... Една от най-важните характеристики на атомното ядро ​​е зарядното число Z. Той е равен на броя на протоните, които съставляват ядрото, и определя неговия заряд, който е равен на + Z e. Числото Z определя поредния номер на химичен елемент в периодичната таблица. Затова се нарича още атомен номер на ядрото.

Броят на нуклоните (т.е. общият брой на протоните и неутроните) в ядрото се обозначава с буквата А и се нарича масов номер на ядрото. Броят на неутроните в ядрото е равен на N = A – Z.

Символът се използва за обозначаване на ядра

където X е химическият символ на елемента. Горе вляво е масовото число, долу вляво е атомното число (последният знак често се пропуска). Понякога масовото число се изписва не отляво, а отдясно на символа на химичен елемент.

Ядрата със същото Z, но различно A се наричат изотопи... Повечето химични елементи имат няколко стабилни изотопа. Така например кислородът има три стабилни изотопа:

, калай има десет и т.н.

Водородът има три изотопа:

- обикновен водород или протий (Z = 1, N = 0),

- тежък водород или деутерий (Z = 1, N = 1),

- тритий (Z = 1, N = 2).

Протият и деутерият са стабилни, тритият е радиоактивен.

Наричат ​​се ядра със същото масово число А изобари... Пример е
и
... Наричат ​​се ядра с еднакъв брой неутрони N = A - Z изотони (
,
И накрая, има радиоактивни ядра със същите Z и A, които се различават по време на полуразпад. Те се наричат изомери... Например има два изомера на ядрото
, за единия периодът на полуразпад е 18 минути, за другия - 4,4 часа.

Известни са около 1500 ядра, които се различават или Z или A, или и двете. Около 1/5 от тези ядра са стабилни, останалите са радиоактивни. Много ядра са произведени изкуствено с помощта на ядрени реакции.

В природата има елементи с атомен номер Z от 1 до 92, с изключение на технеций (Tc, Z = 43) и прометий (Pm, Z = 61). Плутоний (Pu, Z = 94), след получаването му по изкуствен път, е открит в следи в естествен минерал - смолиста смес. Останалите трансуранови (т.е. сауран) елементи (cZ от 93 до 107) са получени изкуствено чрез различни ядрени реакции.

Трансурановите елементи кюрий (96 Cm), айнщайн (99 Es), фермий (100 Fm) и менделевий (101 Md) са кръстени на изтъкнати учени II. и М. Кюри, А. Айнщайн, З. Ферми и Д.И. Менделеев. Лорънс (103 Lw) е кръстен на изобретателя на циклотрона Е. Лорънс. Kurchatoviy (104 Ku) получи името си в чест на изключителния физик I.V. Курчатов.

Няколко трансуранови елемента, включително курчатовий и елементи с номера 106 и 107, бяха получени в Лабораторията по ядрени реакции на Съвместния институт ядрени изследванияв Дубна за учени

Н.Н. Флеров и неговият персонал.

Размери на сърцевината ... В първо приближение ядрото може да се счита за топка, чийто радиус е доста точно определен от формулата

(Ферми е името на единицата за дължина, използвана в ядрената физика, равна на

10-13 см). От формулата следва, че обемът на ядрото е пропорционален на броя на нуклоните в ядрото. По този начин плътността на материята във всички ядра е приблизително еднаква.

Завъртете ядрото ... Завъртанията на нуклоните се добавят към получения спин на ядрото. Спинът на нуклона е 1/2. Следователно, квантовото число на спина на ядрото ще бъде полуцяло при нечетно числонуклони A и цяло число или нула за четно A. Завъртанията на ядрата J не надвишават няколко единици. Това показва, че спиновете на по-голямата част от нуклоните в ядрото взаимно се компенсират взаимно, като са разположени антипаралелно. Всички четно-четни ядра (т.е. ядро ​​с четен брой протони и четен брой неутрони) имат нулев спин.

Механичният момент на ядрото M J се добавя с момента на електронната обвивка
при общия ъглов импулс на атома M F, който се определя от квантовото число F.

Взаимодействието на магнитните моменти на електроните и ядрото води до факта, че състоянията на атома, съответстващи на различни взаимни ориентации M J и
(т.е. различни F) имат малко различни енергии. Взаимодействието на моментите μ L и μ S е отговорно за фината структура на спектрите. Взаимодействие μ J и определя се свръхфината структура на атомните спектри. Разделянето на спектралните линии, съответстващи на хиперфината структура, е толкова малко (от порядъка на няколко стотни от ангстрьома), че може да се наблюдава само с инструменти с най-висока разделителна способност.

Особеност на радиоактивното замърсяване, за разлика от замърсяването с други замърсители, е, че вредното въздействие върху хората и обектите на околната среда не се причинява от самия радионуклид (замърсител), а от радиацията, на която той е източник.

Въпреки това, има моменти, когато радионуклидът е токсичен елемент. Например след катастрофа на АЕЦ Чернобил v заобикаляща средаплутоний 239, 242 Ru е изхвърлен с частици ядрено гориво. В допълнение към факта, че плутоният е алфа емитер и при поглъщане представлява значителна опасност, самият плутоний е токсичен елемент.

Поради тази причина се използват две групи количествени показатели: 1) за оценка на съдържанието на радионуклиди и 2) за оценка на въздействието на радиацията върху обект.
Дейност- количествена мярка за съдържанието на радионуклиди в анализирания обект. Активността се определя от броя на радиоактивните разпадания на атомите за единица време. Единицата за измерване на активността в SI е Бекерел (Bq), равна на едно разпадане в секунда (1Bq = 1 dec / s). Понякога се използва несистемна единица за измерване на активността - Кюри (Ki); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Радиационна доза- количествена мярка за въздействието на радиацията върху обект.
Поради факта, че въздействието на радиацията върху обект може да бъде оценено на различни нива: физическо, химично, биологично; на ниво отделни молекули, клетки, тъкани или организми и т.н. се използват няколко вида дози: абсорбирана, ефективен еквивалент, експозиция.

За оценка на промяната в дозата на радиация във времето се използва индикаторът "скорост на дозата". Скорост на дозатае съотношението доза към време. Например, мощността на дозата на външно облъчване от естествени източници на радиация е 4-20 μR / h на територията на Русия.

Основният стандарт за хората - основната граница на дозата (1 mSv / година) - се въвежда в единици на ефективната еквивалентна доза. Има стандарти в единици на дейност, нива на замърсяване на земята, VDU, GWP, SanPiN и др.

Структурата на атомното ядро.

Атомът е най-малката частица от химичен елемент, която запазва всичките си свойства. По своята структура атомът е сложна система, състояща се от много малко положително заредено ядро ​​(10 -13 cm), разположено в центъра на атома, и отрицателно заредени електрони, въртящи се около ядрото в различни орбити. Отрицателният заряд на електроните е равен на положителния заряд на ядрото, докато като цяло се оказва електрически неутрален.

Атомните ядра се състоят от нуклони -ядрени протони ( Z -брой протони) и ядрени неутрони (N е броят на неутроните). "Ядрените" протони и неутрони се различават от частиците в свободно състояние. Например, свободният неутрон, за разлика от този, свързан в ядрото, е нестабилен и се превръща в протон и електрон.

Броят на нуклоните Am (масов брой) е сумата от броя на протоните и неутроните: Am = Z + N.

протон -елементарна частица на всеки атом, тя има положителен заряд, равен на заряда на електрона. Броят на електроните в обвивката на атома се определя от броя на протоните в ядрото.

неутрон -друг вид ядрени частици от всички елементи. Отсъства само в ядрото на лекия водород, което се състои от един протон. Той няма заряд и е електрически неутрален. В атомно ядро ​​неутроните са стабилни, а в свободно състояние са нестабилни. Броят на неутроните в ядрата на атомите на един и същи елемент може да варира, следователно броят на неутроните в ядрото не характеризира елемента.

Нуклоните (протони + неутрони) се държат вътре в атомното ядро ​​от ядрени сили на привличане. Ядрени силие 100 пъти по-силен от електромагнитните сили и следователно поддържа същите заредени протони вътре в ядрото. Ядрените сили се проявяват само на много малки разстояния (10 -13 см), те съставляват потенциалната енергия на свързване на ядрото, която частично се освобождава при някои трансформации, се трансформира в кинетична енергия.

За атоми, различаващи се по състава на ядрото, се използва наименованието "нуклиди", а за радиоактивни атоми - "радионуклиди".

нуклидинаричат ​​атоми или ядра с даден брой нуклони и даден ядрен заряд (означаването на нуклида A X).

Наричат ​​се нуклиди, които имат еднакъв брой нуклони (Am = const). изобари.Например, нуклидите 96 Sr, 96 Y, 96 Zr принадлежат към серия от изобари с брой нуклони Am = 96.

Нуклиди със същия брой протони (Z = const) се наричат изотопи.Те се различават само по броя на неутроните, следователно принадлежат към един и същи елемент: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

Изотопи- нуклиди със същия брой неутрони (N = Am -Z = const). Нуклидите: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca принадлежат към серия от изотопи с 20 неутрона.

Изотопите обикновено се обозначават като Z X M, където X е символ на химичен елемент; M е масовото число, равно на сумата от броя на протоните и неутроните в ядрото; Z е атомният номер или зарядът на ядрото, равен на броя на протоните в ядрото. Тъй като всеки химичен елемент има свой собствен постоянен атомен номер, той обикновено се пропуска и се ограничава до изписването само на масовото число, например: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr и т.н.

Ядрените атоми, които имат еднакви масови числа, но различни заряди и следователно различни свойства, се наричат ​​"изобари", така че например един от фосфорните изотопи има масово число 32-15 P 32, същото масово число има едно от серните изотопи - 16 S 32.

Нуклидите могат да бъдат стабилни (ако ядрата им са стабилни и не се разпадат) и нестабилни (ако ядрата им са нестабилни и претърпяват промени, които в крайна сметка водят до повишаване на стабилността на ядрото). Наричат ​​се нестабилни атомни ядра, способни да се разпадат спонтанно радионуклиди.Феноменът на спонтанен разпад на атомно ядро, придружен от излъчване на частици и (или) електромагнитно излъчванее наречен радиоактивност.

В резултат на радиоактивния разпад може да се образува както стабилен, така и радиоактивен изотоп, който от своя страна спонтанно се разпада. Такива вериги от радиоактивни елементи, свързани чрез поредица от ядрени трансформации, се наричат радиоактивни семейства.

Понастоящем IURAC (Международният съюз по чиста и приложна химия) официално нарече 109 химични елемента. От тях само 81 имат стабилни изотопи, най-тежкият от които е бисмутът (З= 83). Само за останалите 28 елемента радиоактивни изотопис уран (U ~ 92) е най-тежкият елемент, открит в природата. Най-големият от естествените нуклиди има 238 нуклона. Общо съществуването на около 1700 нуклида от тези 109 елемента е доказано, а броят на изотопите, известни за отделните елементи, варира от 3 (за водорода) до 29 (за платината).

.
В някои редки случаи могат да се образуват краткотрайни екзотични атоми, в които други частици служат като ядра вместо нуклон.

Броят на протоните в едно ядро ​​се нарича неговото зарядно число Z (\ displaystyle Z)- това число е равно на поредния номер на елемента, към който принадлежи атомът в периодичната таблица (Периодичната таблица на елементите) на Менделеев. Броят на протоните в ядрото определя структурата на електронната обвивка на неутрален атом и по този начин химичните свойства на съответния елемент. Броят на неутроните в ядрото се нарича това изотопно число N (\ displaystyle N)... Ядра с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат ​​изотопи. Ядра с еднакъв брой неутрони, но различен брой протони се наричат ​​изотони. Термините изотоп и изотон се използват и по отношение на атоми, съдържащи посочените ядра, както и за характеризиране на нехимични видове на един химичен елемент. Общият брой нуклони в едно ядро ​​се нарича масово число A (\ displaystyle A) (A = N + Z (\ displaystyle A = N + Z)) и е приблизително равна на средната маса на атом, посочена в периодичната таблица. Нуклиди с еднакъв масов номер, но различен протон-неутронен състав обикновено се наричат ​​изобари.

Както всяка квантова система, ядрата могат да бъдат в метастабилно възбудено състояние и в някои случаи животът на такова състояние се изчислява в години. Такива възбудени състояния на ядрата се наричат ​​ядрени изомери.

Колегиален YouTube

1 / 5

✪ Структурата на атомното ядро. Ядрени сили

✪ Ядрени сили Свързваща енергия на частиците в ядрото Деление на уранови ядра Верижна реакция

✪ Ядрени реакции

✪ Ядрена физика - Структура на атомното ядро ​​v1

✪ КАК Е МАСТНАТА АТОМНА БОМБА

Субтитри

История

Разсейването на заредени частици може да се обясни, ако приемем атом, който се състои от централен електрически заряд, концентриран в точка и заобиколен от равномерно сферично разпределение на противоположно електричество с еднаква величина. При това подреждане на атома α- и β-частиците, когато преминават на близко разстояние от центъра на атома, изпитват големи отклонения, въпреки че вероятността за такова отклонение е малка.

Така Ръдърфорд открива атомното ядро ​​и от този момент започва ядрената физика, която изучава структурата и свойствата на атомните ядра.

След откриването на стабилни изотопи на елементите, на ядрото на най-лекия атом е отредена ролята на структурната частица на всички ядра. От 1920 г. ядрото на водородния атом официално се нарича протон. През 1921 г. Лиза Майтнер предлага първия протонно-електронен модел на структурата на атомното ядро, според който то се състои от протони, електрони и алфа частици: 96. През 1929 г. обаче има "азотна катастрофа" - У. Хайтлер и Г. Херцберг установяват, че ядрото на азотния атом се подчинява на статистиката на Бозе - Айнщайн, а не на статистиката на Ферми - Дирак, както е предвидено от протон-електронния модел : 374. Така този модел влезе в противоречие с експерименталните резултати от измервания на спиновете и магнитните моменти на ядрата. През 1932 г. Джеймс Чадуик открива нова електрически неутрална частица, наречена неутрон. През същата година Иваненко и независимо Хайзенберг изложиха хипотеза за протонно-неутронната структура на ядрото. По-късно, с развитието на ядрената физика и нейните приложения, тази хипотеза се потвърди напълно.

Теории за структурата на атомното ядро

В хода на развитието на физиката се излагат различни хипотези за структурата на атомното ядро; всеки от тях обаче е способен да опише само ограничен набор от ядрени свойства. Някои модели може да се изключват взаимно.

Най-известните са следните:

• Капков модел на ядрото - предложен през 1936 г. от Нилс Бор.
• Черупков модел на ядрото - предложен през 30-те години на XX век.
• Обобщен модел на Бор - Мотелсън
• Модел на ядрото на клъстера
• Модел на нуклонна асоциация
• Модел на суперфлуидно ядро
• Статистически модел на ядрото

Ядрени физически характеристики

За първи път зарядите на атомните ядра са определени от Хенри Мозли през 1913 г. Ученият интерпретира своите експериментални наблюдения чрез зависимостта на дължината на вълната на рентгеновото лъчение от някаква константа Z (\ displaystyle Z), променящо се с едно от елемент на елемент и равно на едно за водорода:

1 / λ = a Z - b (\ displaystyle (\ sqrt (1 / \ lambda)) = aZ-b), където

A (\ displaystyle a)и b (\ displaystyle b)- постоянен.

От което Мозли заключи, че атомната константа, открита в неговите експерименти, която определя дължината на вълната на характерното рентгеново лъчение и съвпада с поредния номер на елемента, може да бъде само зарядът на атомното ядро, който стана известен като Законът на Мозли .

Тегло

Поради разликата в броя на неутроните A - Z (\ displaystyle A-Z)изотопите на даден елемент имат различни маси M (A, Z) (\ displaystyle M (A, Z)), което е важна характеристика на ядрото. В ядрената физика масата на ядрата обикновено се измерва в атомни единици за маса ( а. Яжте.), в едно а. e. m. вземете 1/12 от масата на 12 C нуклида. Трябва да се отбележи, че стандартната маса, която обикновено се дава за нуклид, е масата на неутрален атом. За да определите масата на ядрото, трябва да извадите сумата от масите на всички електрони от масата на атома (по-точна стойност ще се получи, ако вземем предвид и енергията на свързване на електроните с ядрото).

В допълнение, енергийният еквивалент на масата често се използва в ядрената физика. Според отношението на Айнщайн всяка масова стойност M (\ displaystyle M)съответства на общата енергия:

E = M c 2 (\ displaystyle E = Mc ^ (2)), където c (\ displaystyle c)- скоростта на светлината във вакуум.

Връзката между а. e. m. и неговия енергиен еквивалент в джаули:

E 1 = 1,660539 ⋅ 10 - 27 ⋅ (2,997925 ⋅ 10 8) 2 = 1,492418 ⋅ 10 - 10 (\ displaystyle E_ (1) = 1,660539 \ cdot 10 ^ 2 (cdot 10 7) (cdot 10 ^ 2) ) ^ (2) = 1,492418 \ cdot 10 ^ (- 10)), E 1 = 931,494 (\ displaystyle E_ (1) = 931,494).

Радиус

Анализът на разпада на тежките ядра прецизира оценката на Ръдърфорд и свързва радиуса на ядрото с масовото число чрез проста връзка:

R = r 0 A 1/3 (\ displaystyle R = r_ (0) A ^ (1/3)),

където е константа.

Тъй като радиусът на ядрото не е чисто геометрична характеристика и се свързва предимно с радиуса на действие на ядрените сили, стойността r 0 (\ displaystyle r_ (0))зависи от процеса, при анализа на който е получена стойността R (\ displaystyle R), средна стойност r 0 = 1,23 ⋅ 10 - 15 (\ displaystyle r_ (0) = 1,23 \ cdot 10 ^ (- 15)) m, следователно радиусът на ядрото в метри:

R = 1,23 ⋅ 10 - 15 A 1/3 (\ displaystyle R = 1,23 \ cdot 10 ^ (- 15) A ^ (1/3)).

Основни моменти

Подобно на съставните му нуклони, ядрото има свои собствени моменти.

Завъртете

Тъй като нуклоните имат свой собствен механичен момент или спин, равен на 1/2 (\ displaystyle 1/2), то ядрата трябва да имат и механични моменти. Освен това нуклоните участват в ядрото в орбитално движение, което също се характеризира с определен ъглов импулс на всеки нуклон. Орбиталните моменти приемат само цели числа ℏ (\ displaystyle \ hbar)(константа на Дирак). Всички механични моменти на нуклони, както завъртания, така и орбитални, се сумират алгебрично и съставляват спина на ядрото.

Въпреки факта, че броят на нуклоните в едно ядро ​​може да бъде много голям, завъртанията на ядрата обикновено са малки и възлизат на не повече от няколко ℏ (\ displaystyle \ hbar), което се обяснява с особеността на взаимодействието на едноименни нуклони. Всички сдвоени протони и неутрони взаимодействат само по такъв начин, че техните завъртания са взаимно компенсирани, тоест двойките винаги взаимодействат с антипаралелни завъртания. Общият орбитален ъглов импулс на двойката също винаги е нула. В резултат на това ядрата, състоящи се от четен брой протони и четен брой неутрони, нямат механичен момент. Ненулеви завъртания съществуват само за ядра, съдържащи несдвоени нуклони, спинът на такъв нуклон се сумира с неговия орбитален импулс и има някаква полуцела стойност: 1/2, 3/2, 5/2. Нечетно-нечетните ядра имат цели числа завъртания: 1, 2, 3 и т.н.

Магнитен момент

Спинови измервания станаха възможни поради наличието на пряко свързани магнитни моменти. Те се измерват в магнетони и за различни ядра са равни от −2 до +5 ядрени магнетони. Поради относително голямата маса на нуклоните, магнитните моменти на ядрата са много малки в сравнение с магнитните моменти на електроните, поради което измерването им е много по-трудно. Подобно на завъртанията, магнитните моменти се измерват спектроскопски, като ядреният магнитен резонанс е най-точен.

Магнитният момент на четно-четните двойки, като завъртането, е нула. Магнитните моменти на ядрата с несдвоени нуклони се формират от присъщите моменти на тези нуклони и момента, свързан с орбиталното движение на несдвоения протон.

Електрически четириполюсен момент

Атомните ядра, чийто спин е по-голям или равен на единица, имат ненулеви квадруполни моменти, което показва, че те не са точно сферични по форма. Квадруполният момент има знак плюс, ако ядрото е удължено по оста на въртене (фузиформно тяло), и знак минус, ако ядрото е разтегнато в равнина, перпендикулярна на оста на въртене (лещовидно тяло). Известни са ядра с положителни и отрицателни квадруполни моменти. Липсата на сферична симетрия в електрическото поле, създадено от ядро ​​с ненулев квадруполен момент, води до образуването на допълнителни енергийни нива на атомните електрони и появата на свръхфини структурни линии в спектрите на атомите, разстоянията между които зависят от квадрупола момент.

Комуникационна енергия

Стабилност на ядрата

От факта на намаляване на средната енергия на свързване за нуклиди с масови числа по-голямо или по-малко от 50-60 следва, че за ядра с малки A (\ displaystyle A)процесът на синтез е енергийно благоприятен - термоядрен синтез, водещ до увеличаване на масовото число, а за ядра с големи A (\ displaystyle A)- процесът на разделяне. В момента и двата процеса, водещи до освобождаване на енергия, са осъществени, като последният е в основата на съвременната ядрена енергетика, а първият е в процес на разработка.

Подробни проучвания показват, че стабилността на ядрата също зависи значително от параметъра N / Z (\ displaystyle N / Z)- съотношението на броя на неутроните и протоните. Средно за най-стабилните ядра N / Z ≈ 1 + 0,015 A 2/3 (\ displaystyle N / Z \ приблизително 1 + 0,015 A ^ (2/3)), следователно, ядрата на леките нуклиди са най-стабилни при N ≈ Z (\ displaystyle N \ приблизително Z), а с увеличаване на масовото число, електростатичното отблъскване между протоните става все по-забележимо и областта на стабилност се измества към N> Z (\ displaystyle N> Z)(вижте обяснителната фигура).

Ако разгледаме таблицата на стабилните нуклиди, открити в природата, можем да обърнем внимание на тяхното разпределение върху четни и нечетни стойности. Z (\ displaystyle Z)и N (\ displaystyle N)... Всички ядра с нечетни стойности на тези количества са ядра от леки нуклиди 1 2 H (\ displaystyle () _ (1) ^ (2) (\ textrm (H))), 3 6 Li (\ displaystyle () _ (3) ^ (6) (\ textrm (Li))), 5 10 B (\ displaystyle () _ (5) ^ (10) (\ textrm (B))), 7 14 N (\ displaystyle () _ (7) ^ (14) (\ textrm (N)))... Сред изобарите с нечетно A, като правило, само една е стабилна. В случай на дори A (\ displaystyle A)често има две, три или повече стабилни изобари, следователно най-стабилните са четно-четно, най-малкото - нечетно-нечетно. Това явление показва, че както неутроните, така и протоните са склонни да се групират по двойки с антипаралелни завъртания, което води до нарушаване на гладкостта на гореописаната зависимост на енергията на свързване от A (\ displaystyle A) .

По този начин паритетът на броя на протоните или неутроните създава определена граница на стабилност, което води до възможността за съществуване на няколко стабилни нуклида, които се различават съответно по броя на неутроните за изотопи и в броя на протоните за изотоните . Също така, паритетът на броя на неутроните в състава на тежките ядра определя способността им да се разделят под въздействието на неутроните.

Ядрени сили

Ядрените сили са сили, които държат нуклони в ядрото, които са големи сили на привличане, които действат само на къси разстояния. Те притежават свойства на насищане, във връзка с които обменният характер (с помощта на pi-мезони) се приписва на ядрените сили. Ядрените сили зависят от спина, не зависят от електрическия заряд и не са централни сили.

Нива на ядрото

За разлика от свободните частици, за които енергията може да приеме всякакви стойности (т.нар. непрекъснат спектър), свързаните частици (т.е. частици, кинетична енергиякоето е по-малко от абсолютната стойност на потенциала), според квантовата механика, може да бъде в състояния само с определени дискретни стойности на енергиите, така наречения дискретен спектър. Тъй като ядрото е система от свързани нуклони, то има дискретен енергиен спектър. Обикновено е в най-ниско енергийно състояние, наречено основното... Ако прехвърлите енергия към ядрото, тя ще влезе в възбудено състояние.

Местоположението на енергийните нива на ядрото в първо приближение:

D = a e - b E ∗ (\ displaystyle D = ae ^ (- b (\ sqrt (E ^ (*))))), където:

D (\ displaystyle D)- средно разстояние между нивата,

E∗ (\ displaystyle E ^ (*))е енергията на възбуждане на ядрото,

A (\ displaystyle a)и b (\ displaystyle b)- коефициенти, които са постоянни за дадено ядро:

A (\ displaystyle a)- средното разстояние между първите възбудени нива (за леки ядра около 1 MeV, за тежки - 0,1 MeV)

Асоциативни примери за процеса на езоосмоза, предаване и разпределение на енергия и информация

Съставът на ядрото на атома. Изчисляване на протони и неутрони

Реакционни формули, лежащи в основата на контролиран термоядрен синтез

Съставът на ядрото на атома. Изчисляване на протони и неутрони

Според съвременни идеи, атомът се състои от ядро ​​и електрони, разположени около него. Ядрото на атома от своя страна се състои от по-малки елементарни частици - от определено количество протони и неутрони(общото име за което е нуклони), свързани помежду си чрез ядрени сили.

Брой на протонитев ядрото определя структурата на електронната обвивка на атома. А електронната обвивка определя физичните и химичните свойства на дадено вещество. Броят на протоните съответства на поредния номер на атома в периодичната таблица на химичните елементи на Менделеев, номерът на заряда, атомният номер и атомният номер също са назовани. Например, броят на протоните в хелиевия атом е 2. В периодичната таблица той е номериран с 2 и се обозначава като He 2 Символът за броя на протоните е латинската буква Z. Когато пишете формули, често числото показва броят на протоните се намира под символа на елемента, или вдясно или отляво: He 2/2 He.

Брой неутронисъответства на специфичен изотоп на елемент. Изотопите са елементи с еднакъв атомен номер (същият брой протони и електрони), но с различно масово число. Масово число- общият брой на неутроните и протоните в ядрото на атома (означава се с латинската буква A). При писане на формули масовото число се посочва в горната част на символа на елемента от една от страните: He 4 2/4 2 He (Изотоп на хелий - хелий - 4)

По този начин, за да се намери броят на неутроните в конкретен изотоп, броят на протоните трябва да се извади от общия масов брой. Например, знаем, че един атом на хелий-4 He 4 2 съдържа 4 елементарни частици, тъй като масовото число на изотопа е 4. Знаем също, че He 4 2 има 2 протона. Изваждайки 2 (брой протони) от 4 (общ масов брой), получаваме 2 - броят на неутроните в ядрото на хелий-4.

ПРОЦЕСЪТ НА ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ ТОЧКИ В ЯДРОТО НА АТОМ. Като пример не случайно сме разгледали хелий-4 (He 4 2), чието ядро ​​се състои от два протона и два неутрона. Тъй като ядрото на хелий-4, наречено алфа частица (алфа частица), е най-ефективно в ядрените реакции, то често се използва за експерименти в тази посока. Трябва да се отбележи, че във формулите на ядрените реакции често се използва символът α вместо He 4 2.

Именно с участието на алфа-частици Е. Ръдърфорд извърши първия официална историяреакция на физиката ядрена трансформация... По време на реакцията α-частици (He 4 2) "бомбардират" ядрата на азотния изотоп (N 14 7), в резултат на което се получават изотоп на кислород (O 17 8) и един протон (p 1 1). образуван

Тази ядрена реакция изглежда така:

Нека изчислим броя на фантомните Po частици преди и след тази трансформация.

ЗА ИЗЧИСЛЕНИЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ ЧАСТИЦИ Е НЕОБХОДИМО:
Стъпка 1. Изчислете броя на неутроните и протоните във всяко ядро:
- броят на протоните е посочен в долния индикатор;
- намираме броя на неутроните, като изваждаме броя на протоните (долен индикатор) от общия масов брой (горен индикатор).

Стъпка 2. Изчислете броя на фантомните Po частици в атомното ядро:
- умножете броя на протоните по броя на фантомните Po частици, съдържащи се в 1 протон;
- умножете броя на неутроните по броя на фантомните Po частици, съдържащи се в 1 неутрон;

Стъпка 3. Добавете броя на фантомните Po частици:
- сумирайте полученото количество фантомни Po частици в протони с полученото количество в неутрони в ядрата преди реакцията;
- сумирайте полученото количество фантомни Po частици в протони с полученото количество в неутрони в ядрата след реакцията;
- сравнете броя на фантомните Po частици преди реакцията с броя на фантомните Po частици след реакцията.

ПРИМЕР ЗА ПОДРОБНО ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ ЧАСТИЦИ В АТОМНИТЕ ЯДРА.
(Ядрена реакция с участието на α-частица (He 4 2), извършена от Е. Ръдърфорд през 1919 г.)

ПРЕДИ РЕАКЦИЯ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Брой протони: 7
Брой неутрони: 14-7 = 7
в 1 протон - 12 Po, което означава в 7 протона: (12 x 7) = 84;
в 1 неутрон - 33 Po, което означава в 7 неутрона: (33 x 7) = 231;
Общият брой фантомни Po частици в ядрото: 84 + 231 = 315

Той 4 2
Брой протони - 2
Брой неутрони 4-2 = 2
Брой фантомни Po частици:
в 1 протон - 12 Po, което означава в 2 протона: (12 x 2) = 24
в 1 неутрон - 33 Po, което означава в 2 неутрона: (33 x 2) = 66
Общият брой фантомни Po частици в ядрото: 24 + 66 = 90

Общо, броят на фантомните Po частици преди реакцията

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

СЛЕД РЕАКЦИЯТА (O 17 8) и един протон (p 1 1):
О 17 8
Брой протони: 8
Брой неутрони: 17-8 = 9
Брой фантомни Po частици:
в 1 протон - 12 Po, което означава в 8 протона: (12 x 8) = 96
в 1 неутрон - 33 Po, което означава в 9 неутрона: (9 x 33) = 297
Общият брой фантомни Po частици в ядрото: 96 + 297 = 393

п 1 1
Брой протони: 1
Брой неутрони: 1-1 = 0
Брой фантомни Po частици:
В 1 протон - 12 Po
Няма неутрони.
Общият брой фантомни Po частици в ядрото: 12

Общо, броят на фантомните Po частици след реакцията
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Нека сравним броя на фантомните Po частици преди и след реакцията:

ПРИМЕР ЗА РЕДУКЦИЯТА ФОРМА НА ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ ЧАСТИЦИ ВЪВ ЯДРЕНА РЕАКЦИЯ.

Известният ядрена реакцияе реакцията на взаимодействието на α-частиците с изотопа на берилия, в която за първи път е открит неутронът, който се проявява като независима частица в резултат на ядрена трансформация. Тази реакция е проведена през 1932 г. от английския физик Джеймс Чадуик. Реакционна формула:

213 + 90 → 270 + 33 - броят на фантомните Po частици във всяко от ядрата

303 = 303 - обща сумафантомни Po частици преди и след реакцията

Количествата на фантомните Po частици преди и след реакцията са равни.