Atomkern: Struktur, Masse, Zusammensetzung. Die Struktur des Atomkerns Was ist der Atomkern in der Physik
In den 1920er Jahren zweifelten Physiker nicht mehr an der Komplexität der Struktur der 1911 von Rutherford entdeckten Atomkerne. Auf der gegebene Tatsache wies auf eine große Anzahl verschiedener Experimente hin, die zu dieser Zeit abgeschlossen wurden, wie zum Beispiel:
- Entdeckung des Phänomens der Radioaktivität,
- experimenteller Nachweis des Kernmodells des Atoms,
- Messung des Verhältnisses e m für ein Elektron, ein α-Teilchen und für ein H-Teilchen, das der Kern eines Wasserstoffatoms ist,
- Entdeckung künstlicher Radioaktivität und Kernreaktionen,
- Messung der Ladungen von Atomkernen und viele andere.
Welche Teilchen bilden die Atomkerne? Heutzutage bestehen die Kerne von Atomen verschiedener Elemente aus zwei Arten von Teilchen, nämlich Neutronen und Protonen. Das zweite dieser Teilchen ist ein Wasserstoffatom, das sein einziges Elektron verloren hat. Ein solches Teilchen wurde bereits 1907 in den Experimenten von J. Thomson bemerkt. Die Wissenschaftlerin konnte ihr em-Verhältnis messen.
Bestimmung 1
E. Rutherford entdeckte 1919 Atomkerne von Wasserstoff in den Spaltprodukten von Atomkernen einer beträchtlichen Anzahl von Elementen. Der Physiker benannte das gefundene Teilchen Proton. Er schlug vor, dass die Zusammensetzung aller Atomkerne Protonen enthält.
Das Schema von Rutherfords Experimenten ist in Abbildung 6 dargestellt. fünf . ein .
Abbildung 6. fünf . ein . Schema von Rutherfords Experimenten zum Nachweis von Protonen in Kernspaltungsprodukten. K ist ein Bleibehälter mit einer radioaktiven Quelle von α-Teilchen, F ist eine Metallfolie, E ist ein mit Zinksulfid beschichteter Schirm, M ist ein Mikroskop.
Rutherfords Gerät bestand aus einer evakuierten Kammer mit einem Behälter ZU wo die Quelle war α -Partikel. Metallfolie, dargestellt als F, überlappte das Kamerafenster. Die Dicke der Folie wurde so gewählt, dass ein Durchdringen verhindert wird α -Partikel. Außerhalb des Fensters befand sich ein mit Zinksulfid beschichteter Bildschirm, in Bild 6. fünf . 1 mit dem Buchstaben E gekennzeichnet. Unter Verwendung eines Mikroskops m, konnten Lichtblitze oder, wie sie auch genannt werden, Szintillationen an Punkten beobachtet werden, an den Punkten des Schirms, auf die schwere geladene Teilchen auftreffen.
Beim Füllen der Kammer mit Stickstoff bei niedrigem Druck wurden Lichtblitze auf dem Bildschirm erkannt. Dieses Phänomen wies darauf hin, dass es unter den Versuchsbedingungen einen Fluss unbekannter Teilchen gibt, die die Fähigkeit haben, durchzudringen und den Fluss fast vollständig zu blockieren α -Partikelfolie F. Immer wieder konnte E. Rutherford, indem er den Bildschirm vom Kamerafenster entfernte, die mittlere freie Weglänge der beobachteten Partikel in der Luft messen. Es stellte sich heraus, dass der erhaltene Wert ungefähr gleich 28 cm war, was mit der früher von J. Thomson beobachteten Schätzung der Weglänge von H-Teilchen übereinstimmte.
Mit Hilfe von Studien zur Wirkung elektrischer und magnetischer Felder auf aus Stickstoffkernen herausgeschlagene Teilchen wurden Daten zur Positivität ihrer Elementarladung erhalten. Es wurde auch bewiesen, dass die Masse solcher Teilchen der Masse der Kerne von Wasserstoffatomen entspricht.
Anschließend wurde der Versuch mit einer Reihe weiterer gasförmiger Stoffe durchgeführt. Bei allen derartigen durchgeführten Experimenten wurde festgestellt, dass sie aus ihren Kernen stammen α -Teilchen schlagen H-Teilchen oder Protonen aus.
Nach modernen Messungen entspricht die positive Ladung des Protons absolut der Elementarladung e = 1,60217733 · 10 - 19 K · l. Mit anderen Worten, Modulo ist gleich der negativen Ladung des Elektrons. In unserer Zeit wurde die Ladungsgleichheit von Proton und Elektron mit einer Genauigkeit von 10 - 22 nachgewiesen. Ein solches Zusammentreffen der Ladungen zweier deutlich unterschiedlicher Teilchen verursacht aufrichtige Verwirrung und bleibt bis heute eines der grundlegenden Rätsel der modernen Physik.
Bestimmung 2
Aufgrund moderner Messungen können wir feststellen, dass die Masse eines Protons gleich mp = 1,67262 10 - 27 kg ist Unter den Bedingungen der Kernphysik wird die Masse von Teilchen oft in atomaren Masseneinheiten (amu) ausgedrückt. gleich der Masse eines Kohlenstoffatoms mit der Massenzahl 12:
1 ein. EM = 1,66057 10 - 27 kg
Dementsprechend m p \u003d 1, 007276 a. Essen.
Oft ist der Ausdruck für die Masse eines Teilchens am bequemsten, wenn äquivalente Energiewerte gemäß der folgenden Formel verwendet werden: E = m c 2 . Aufgrund der Tatsache, dass 1 e V \u003d 1,60218 · 10 - 19 J beträgt, beträgt die Protonenmasse in Energieeinheiten 938,272331 M e V.
Folglich zeigte auch das Experiment von Rutherford, der das Phänomen der Spaltung von Stickstoffkernen und anderen Elementen des Periodensystems unter den Bedingungen des Aufpralls schneller α-Teilchen entdeckte, dass Protonen Teil von Atomkernen sind.
Als Folge der Entdeckung der Protonen kamen einige Physiker zu der Annahme, dass neue Teilchen nicht nur Teil der Kerne von Atomen sind, sondern deren einzig mögliche Elemente. Aufgrund der Tatsache, dass das Verhältnis der Ladung des Kerns zu seiner Masse für verschiedene Kerne nicht konstant bleibt, wie es der Fall wäre, wenn die Kerne nur Protonen enthalten würden, wurde diese Annahme als unhaltbar erkannt. Für schwerere Kerne fällt dieses Verhältnis kleiner aus als für leichte, woraus folgt, dass beim Übergang zu schwereren Kernen die Masse des Kerns schneller zunimmt als die Ladung.
1920 stellte E. Rutherford eine Hypothese über das Vorhandensein eines bestimmten kompakten, starr gebundenen Paares, bestehend aus einem Elektron und einem Proton, in der Zusammensetzung der Kerne auf. Nach dem Verständnis des Wissenschaftlers war dieses Bündel ein elektrisch neutrales Gebilde als Teilchen mit einer Masse, die praktisch der Masse eines Protons entsprach. Er hatte auch einen Namen für dieses hypothetische Teilchen, Rutherford wollte es Neutron nennen. Leider war diese Idee trotz ihrer Schönheit falsch. Es wurde festgestellt, dass ein Elektron nicht Teil eines Kerns sein kann. Eine quantenmechanische Rechnung auf Basis der Unschärferelation zeigt, dass ein im Kern lokalisiertes Elektron, also ein Bereich der Größe R ≈ 10–13 cm, eine unglaubliche kinetische Energie haben muss, die um viele Größenordnungen größer ist als die Bindungsenergie von Kerne pro Teilchen.
Die Idee der Existenz eines schweren neutral geladenen Teilchens im Kern war für Rutherford äußerst attraktiv. Der Wissenschaftler wandte sich sofort an eine Gruppe seiner Studenten, angeführt von J. Chadwick, mit dem Vorschlag, nach ihr zu suchen. Nach 12 Jahren im Jahr 1932 verbrachte Chadwick Pilotstudie Strahlung, die unter Bedingungen der Bestrahlung von Beryllium mit α-Teilchen entsteht. Dabei entdeckte er, dass es sich bei dieser Strahlung um einen Strom neutraler Teilchen handelt, deren Masse fast der eines Protons entspricht. So wurde das Neutron entdeckt. Abbildung 6. fünf . 2 veranschaulicht ein vereinfachtes Diagramm eines Aufbaus zum Detektieren von Neutronen.
Abbildung 6. fünf . 2. Installationsschema zum Nachweis von Neutronen.
Beim Beschuss von Beryllium mit α-Partikeln, die von radioaktivem Polonium emittiert werden, tritt eine starke durchdringende Strahlung auf, die ein Hindernis in Form einer 10-20 cm dicken Bleischicht durchdringen kann. Diese Strahlung wurde fast zur gleichen Zeit entdeckt wie Chadwick, die Tochter von Marie und Pierre Curie, Irene und Frederic Joliot-Curie, aber sie schlugen vor, dass es sich um hochenergetische γ-Strahlen handelt. Sie stellten fest, dass, wenn eine Paraffinplatte in den Weg der Berylliumstrahlung eingebaut wird, die Ionisierungsfähigkeit dieser Strahlung sprunghaft ansteigt. Das Ehepaar bewies, dass die Strahlung von Beryllium die in der gegebenen wasserstoffhaltigen Substanz vorhandenen Protonen in großen Mengen aus dem Paraffin herausschlägt. Anhand des Werts der mittleren freien Weglänge von Protonen in Luft haben Wissenschaftler die Energie von γ-Quanten abgeschätzt, die in der Lage sind, Protonen unter Kollisionsbedingungen die gewünschte Geschwindigkeit zu verleihen. Der als Ergebnis der Bewertung erhaltene Energiewert erwies sich als enorm - etwa 50 MeV.
1932 führte J. Chadwick eine ganze Reihe von Experimenten durch, die auf eine umfassende Untersuchung der Eigenschaften der Strahlung abzielten, die entsteht, wenn Beryllium mit α-Teilchen bestrahlt wird. In seinen Experimenten verwendete Chadwick verschiedene Methoden zur Untersuchung ionisierender Strahlung.
Bestimmung 3
Abbildung 6. fünf . 2 dargestellt Geigerzähler, ein Instrument zum Nachweis geladener Teilchen.
Dieses Gerät besteht aus einem innen mit einer Metallschicht beschichteten Glasrohr (Kathode) und einem dünnen Faden, der entlang der Rohrachse verläuft (Anode). Das Rohr ist mit einem Inertgas, normalerweise Argon, bei niedrigem Druck gefüllt. Ein geladenes Teilchen, das sich in einem Gas bewegt, verursacht eine Ionisierung von Molekülen.
Bestimmung 4
Die durch Ionisation entstehenden freien Elektronen werden durch das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode auf Energien beschleunigt, bei denen das Phänomen der Stoßionisation einsetzt. Eine Ionenlawine tritt auf und ein kurzer Entladungsstromimpuls durchläuft den Zähler.
Bestimmung 5
Ein weiteres Instrument von großer Bedeutung für die Untersuchung von Teilchen ist die Nebelkammer, bei dem ein schnelles geladenes Teilchen eine Spur oder, wie es auch genannt wird, eine Spur hinterlässt.
Die Teilchenbahn kann fotografiert oder direkt beobachtet werden. Die Grundlage für den Betrieb der 1912 geschaffenen Nebelkammer ist das Phänomen der Kondensation von übersättigtem Dampf an Ionen, die sich im Arbeitsvolumen der Kammer entlang der Flugbahn eines geladenen Teilchens bilden. Mit einer Nebelkammer wird es möglich, die Krümmung der Flugbahn eines geladenen Teilchens in elektrischen und magnetischen Feldern zu beobachten.
Beweis 1
Bei seinen Experimenten beobachtete J. Chadwick Spuren von Stickstoffkernen, die in einer Nebelkammer mit Berylliumstrahlung kollidiert waren. Basierend auf diesen Experimenten schätzte der Wissenschaftler die Energie des γ-Quants, die in der Lage ist, die Stickstoffkerne über die im Experiment beobachtete Geschwindigkeit zu informieren. Der erhaltene Wert war gleich 100 - 150 M e V. Von Beryllium emittierte γ-Quanten konnten keine so große Energie haben. Ausgehend von dieser Tatsache schloss Chadwick, dass aus Beryllium unter dem Einfluss von α-Teilchen nicht masselose γ-Quanten ausfliegen, sondern schwere Teilchen. Diese Teilchen besaßen eine beträchtliche Durchschlagskraft und ionisierten das Gas im Geigerzähler nicht direkt, sie waren dementsprechend elektrisch neutral. Damit war die Existenz des Neutrons bewiesen, des Teilchens, das Rutherford mehr als 10 Jahre vor Chadwicks Experimenten vorhergesagt hatte.
Bestimmung 6
Neutron ist ein Elementarteilchen. Es ist falsch, es als kompaktes Proton-Elektron-Paar darzustellen, wie Rutherford ursprünglich annahm.
Basierend auf den Ergebnissen moderner Messungen können wir sagen, dass die Masse des Neutrons m n = 1,67493 10 - 27 kg g = 1,008665 AU ist. Essen.
In Energieeinheiten entspricht die Masse eines Neutrons 939,56563 MeV. Die Masse eines Neutrons ist ungefähr zwei Elektronenmassen größer als die Masse eines Protons.
Unmittelbar nach der Entdeckung des Neutrons stellte der russische Wissenschaftler D. D. Ivanenko zusammen mit dem deutschen Physiker W. Heisenberg eine Hypothese über die Proton-Neutron-Struktur von Atomkernen auf, die durch nachfolgende Studien vollständig bestätigt wurde.
Bestimmung 7
Protonen und Neutronen genannt werden Nukleonen.
Zur Charakterisierung von Atomkernen wird eine Reihe von Bezeichnungen eingeführt.
Bestimmung 8
Die Anzahl der Protonen, aus denen der Atomkern besteht, wird mit dem Symbol Z bezeichnet und heißt Gebührennummer oder Ordnungszahl(Dies ist die Seriennummer im Periodensystem von Mendeleev).
Die Kernladung ist Z e , wobei e die Elementarladung ist. Die Anzahl der Neutronen wird mit dem Symbol N bezeichnet.
Bestimmung 9
Die Gesamtzahl der Nukleonen (d. h. Protonen und Neutronen) wird Kernmassenzahl A genannt:
Definition des Isotopenkonzepts
Kerne chemische Elemente bezeichnet durch das Symbol X Z A , wobei X das chemische Symbol des Elements ist. Zum Beispiel,
H 1 1 - Wasserstoff, He 2 4 - Helium, C 6 12 - Kohlenstoff, O 8 16 - Sauerstoff, U 92 238 - Uran.
Bestimmung 10
Die Anzahl der Neutronen in den Kernen desselben chemischen Elements kann unterschiedlich sein. Solche Kerne werden genannt Isotope.
Die meisten chemischen Elemente haben mehrere Isotope. Zum Beispiel hat Wasserstoff drei davon: H 1 1 - gewöhnlicher Wasserstoff, H 1 2 - Deuterium und H 1 3 - Tritium. Kohlenstoff hat 6 Isotope, Sauerstoff hat 3.
Chemische Elemente drin natürliche Bedingungen Meistens sind sie eine Mischung von Isotopen. Die Existenz von Isotopen bestimmt den Wert der Atommasse eines natürlichen Elements in Periodensystem Mendelejew. So beträgt beispielsweise die relative Atommasse von natürlichem Kohlenstoff 12,011.
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Zusammensetzung und Eigenschaften des Atomkerns.
Der Kern des einfachsten Atoms – des Wasserstoffatoms – besteht aus einem Elementarteilchen, dem Proton. Die Kerne aller anderen Atome bestehen aus zwei Arten von Elementarteilchen - Protonen und Neutronen. Diese Teilchen werden Nukleonen genannt.
Proton . Protono (p) hat Ladung +e und Masse
mp = 938,28 MeV
Zum Vergleich geben wir an, dass die Masse eines Elektrons gleich ist
me = 0,511 MeV
Aus dem Vergleich folgt, dass m p = 1836m e
Das Proton hat einen halben Spin (s= ) und ein eigenes magnetisches Moment
Eine Einheit des magnetischen Moments, die Kernmagneton genannt wird. Aus einem Vergleich der Protonen- und Elektronenmassen folgt, dass μ i 1836-mal kleiner ist als das Bohr-Magneton μ b . Folglich ist das intrinsische magnetische Moment des Protons etwa 660-mal kleiner als das magnetische Moment des Elektrons.
Neutron . Das Neutron (n) wurde 1932 von einem englischen Physiker entdeckt
D. Chadwick. Die elektrische Ladung dieses Teilchens ist Null, und die Masse
mn = 939,57 MeV
sehr nahe an der Masse des Protons. Neutronen- und Protonenmassendifferenz (m n –m p)
beträgt 1,3 MeV, d.h. 2,5 ich.
Das Neutron hat einen halben Spin (s= ) und (trotz fehlender elektrischer Ladung) ein eigenes magnetisches Moment
μ n = - 1,91 μ ich
(das Minuszeichen zeigt an, dass die Richtungen der intrinsischen mechanischen und magnetischen Momente entgegengesetzt sind). Erklärung dazu erstaunliche Tatsache wird nachgereicht.
Beachten Sie, dass das Verhältnis der experimentellen Werte von μ p und μ n mit einem hohen Genauigkeitsgrad gleich - 3/2 ist. Dies wurde erst bemerkt, nachdem ein solcher Wert theoretisch erhalten worden war.
Im freien Zustand ist das Neutron instabil (radioaktiv) - es zerfällt spontan, verwandelt sich in ein Proton und emittiert ein Elektron (e -) und ein weiteres Teilchen, das als Antineutrino bezeichnet wird 
. Die Halbwertszeit (d. h. die Zeit, die es dauert, bis die Hälfte der ursprünglichen Anzahl von Neutronen zerfallen ist) beträgt ungefähr 12 Minuten. Das Zerfallsschema kann wie folgt geschrieben werden:
Die Ruhemasse des Antineutrinos ist Null. Die Masse eines Neutrons ist um 2,5 m e größer als die Masse eines Protons. Folglich übersteigt die Masse des Neutrons die Gesamtmasse der auf der rechten Seite der Gleichung erscheinenden Teilchen um 1,5m e , d.h. um 0,77 MeV. Diese Energie wird beim Zerfall eines Neutrons in Form der kinetischen Energie der entstehenden Teilchen freigesetzt.
Eigenschaften des Atomkerns . Eine der wichtigsten Eigenschaften des Atomkerns ist die Ladungszahl Z. Sie ist gleich der Anzahl der Protonen, aus denen der Kern besteht, und bestimmt seine Ladung, die gleich + Z e ist. Die Zahl Z bestimmt die Ordnungszahl eines chemischen Elements im Periodensystem von Mendelejew. Daher wird sie auch als Ordnungszahl des Kerns bezeichnet.
Die Anzahl der Nukleonen (dh die Gesamtzahl der Protonen und Neutronen) im Kern wird mit dem Buchstaben A bezeichnet und heißt Massenzahl des Kerns. Die Anzahl der Neutronen im Atomkern ist N=A–Z.
Das Symbol zur Bezeichnung von Kernen
wobei X das chemische Symbol des Elements ist. Oben links steht die Massenzahl, unten links die Ordnungszahl (das letzte Symbol wird oft weggelassen). Manchmal wird die Massenzahl nicht links, sondern rechts vom chemischen Elementsymbol geschrieben 
Kerne mit gleichem Z, aber unterschiedlichem A werden genannt Isotope. Die meisten chemischen Elemente haben mehrere stabile Isotope. Zum Beispiel hat Sauerstoff drei stabile Isotope:
, Zinn hat zehn und so weiter.
Wasserstoff hat drei Isotope:
- gewöhnlicher Wasserstoff oder Protium (Z=1, N=0),
- schwerer Wasserstoff oder Deuterium (Z=1, N=1),
– Tritium (Z=1, N=2).
Protium und Deuterium sind stabil, Tritium ist radioaktiv.
Kerne mit der gleichen Massenzahl A werden genannt Isobaren. Ein Beispiel ist 
Und 
. Kerne mit gleicher Neutronenzahl N = A – Z werden genannt Isotonen
(
,
Schließlich gibt es radioaktive Kerne mit gleichem Z und A, die sich in der Halbwertszeit unterscheiden. Sie werden gerufen Isomere. Zum Beispiel gibt es zwei Isomere des Kerns 
, einer von ihnen hat eine Halbwertszeit von 18 Minuten, der andere - 4,4 Stunden.
Es sind etwa 1500 Kerne bekannt, die sich entweder in Z oder A oder in beiden unterscheiden. Etwa 1/5 dieser Kerne sind stabil, der Rest ist radioaktiv. Viele Kerne wurden künstlich durch Kernreaktionen gewonnen.
Elemente mit der Ordnungszahl Z von 1 bis 92 kommen in der Natur vor, ausgenommen Technetium (Tc, Z = 43) und Promethium (Pm, Z = 61). Plutonium (Pu, Z = 94) wurde, nachdem es künstlich gewonnen wurde, in vernachlässigbaren Mengen in einer natürlichen Mineral-Harz-Mischung gefunden. Der Rest der Transurane (d.h. Transurane) Elemente (cZ von 93 bis 107) wurden künstlich durch verschiedene Kernreaktionen erhalten.
Die Transurane Curium (96 Cm), Einsteinium (99 Es), Fermium (100 Fm) und Mendelevium (101 Md) wurden zu Ehren prominenter Wissenschaftler II benannt. und M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi und D.I. Mendelejew. Lawrencium (103 Lw) ist nach dem Erfinder des Zyklotrons, E. Lawrence, benannt. Kurchatovy (104 Ku) erhielt seinen Namen zu Ehren des herausragenden Physikers I.V. Kurtschatow.
Einige Transurane, darunter Kurchatovium und die Elemente 106 und 107, wurden im Nuclear Reactions Laboratory des Joint Institute erhalten Kernforschung Wissenschaftler in Dubna
N.N. Flerov und seine Mitarbeiter.
Kerngrößen . In erster Näherung kann der Kern als Kugel betrachtet werden, deren Radius durch die Formel ziemlich genau bestimmt wird
(Fermi ist der Name der in der Kernphysik verwendeten Längeneinheit, gleich
10-13 cm). Aus der Formel folgt, dass das Volumen des Kerns proportional zur Anzahl der Nukleonen im Kern ist. Somit ist die Materiedichte in allen Kernen ungefähr gleich.
Spin des Kerns . Die Spins der Nukleonen addieren sich zum resultierenden Spin des Kerns. Der Spin des Nukleons ist 1/2. Daher wird die Quantenzahl des Kernspins halbzahlig sein ungerade Zahl Nukleonen A und eine ganze Zahl oder Null für gerades A. Die Spins der Kerne überschreiten wenige Einheiten nicht. Dies deutet darauf hin, dass sich die Spins der meisten Nukleonen im Kern gegenseitig aufheben, da sie antiparallel sind. Alle gerade-gerade Kerne (d. h. ein Kern mit einer geraden Anzahl an Protonen und einer geraden Anzahl an Neutronen) haben einen Nullspin.
Das mechanische Moment des Kerns M J addiert sich zum Moment der Elektronenhülle 
im Gesamtdrehimpuls des Atoms M F , der durch die Quantenzahl F bestimmt wird.
Die Wechselwirkung der magnetischen Momente der Elektronen und des Kerns führt dazu, dass die Zustände des Atoms unterschiedlichen gegenseitigen Orientierungen M J entsprechen und 
(d.h. unterschiedliche F) haben leicht unterschiedliche Energien. Die Wechselwirkung der Momente μ L und μ S bestimmt die Feinstruktur der Spektren. Interaktionμ J und 
die Hyperfeinstruktur von Atomspektren wird bestimmt. Die der Hyperfeinstruktur entsprechende Aufspaltung der Spektrallinien ist so gering (in der Größenordnung von wenigen Hundertstel Angstrom), dass sie nur mit Instrumenten des höchsten Auflösungsvermögens beobachtet werden kann.
Die radioaktive Kontamination zeichnet sich im Gegensatz zur Kontamination durch andere Schadstoffe dadurch aus, dass nicht das Radionuklid (Schadstoff) selbst schädlich auf Menschen und Umweltobjekte wirkt, sondern die Strahlung, deren Quelle sie ist.
Es gibt jedoch Fälle, in denen ein Radionuklid ein toxisches Element ist. Zum Beispiel nach einem Unfall Kernkraftwerk Tschernobyl in Umgebung Plutonium 239, 242 Pu wurden mit Kernbrennstoffpartikeln herausgeschleudert. Abgesehen davon, dass Plutonium ein Alphastrahler ist und eine erhebliche Gefahr darstellt, wenn es in den Körper gelangt, ist Plutonium selbst ein toxisches Element.
Aus diesem Grund werden zwei Gruppen quantitativer Indikatoren verwendet: 1) zur Beurteilung des Gehalts an Radionukliden und 2) zur Beurteilung der Wirkung von Strahlung auf ein Objekt.
Aktivität- ein quantitatives Maß für den Gehalt an Radionukliden im analysierten Objekt. Die Aktivität wird durch die Anzahl der radioaktiven Zerfälle von Atomen pro Zeiteinheit bestimmt. Die SI-Einheit der Aktivität ist das Becquerel (Bq) gleich einem Zerfall pro Sekunde (1 Bq = 1 Zerfall/s). Manchmal wird eine systemexterne Aktivitätsmesseinheit verwendet - Curie (Ci); 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq.
Strahlendosis ist ein quantitatives Maß für die Wirkung von Strahlung auf ein Objekt.
Aufgrund der Tatsache, dass die Wirkung von Strahlung auf ein Objekt auf verschiedenen Ebenen bewertet werden kann: physikalisch, chemisch, biologisch; Auf der Ebene einzelner Moleküle, Zellen, Gewebe oder Organismen usw. werden verschiedene Arten von Dosen verwendet: absorbiert, effektives Äquivalent, Exposition.
Zur Beurteilung der zeitlichen Veränderung der Strahlendosis wird der Indikator „Dosisleistung“ verwendet. Dosisleistung ist das Verhältnis von Dosis zu Zeit. Beispielsweise beträgt die Dosisleistung der externen Exposition durch natürliche Strahlungsquellen in Russland 4-20 μR/h.
Die Hauptnorm für den Menschen – der Hauptdosisgrenzwert (1 mSv / Jahr) – wird in Einheiten der effektiven Äquivalentdosis eingeführt. Es gibt Standards in Aktivitätseinheiten, Grad der Bodenverschmutzung, VDU, GWP, SanPiN usw.
Die Struktur des Atomkerns.
Ein Atom ist das kleinste Teilchen eines chemischen Elements, das alle seine Eigenschaften behält. In seiner Struktur ist ein Atom ein komplexes System, das aus einem positiv geladenen Kern von sehr kleiner Größe (10 -13 cm) besteht, der sich im Zentrum des Atoms befindet, und negativ geladenen Elektronen, die sich auf verschiedenen Bahnen um den Kern drehen. Die negative Ladung der Elektronen ist gleich der positiven Ladung des Kerns, während sie sich im Allgemeinen als elektrisch neutral herausstellt.
Atomkerne bestehen aus Nukleonen - Kernprotonen ( Z- Anzahl der Protonen) und Kernneutronen (N ist die Anzahl der Neutronen). "Nukleare" Protonen und Neutronen unterscheiden sich von Teilchen im freien Zustand. Beispielsweise ist ein freies Neutron im Gegensatz zu einem im Kern gebundenen instabil und verwandelt sich in ein Proton und ein Elektron.
Die Anzahl der Nukleonen Am (Massenzahl) ist die Summe der Anzahl der Protonen und Neutronen: Am = Z+N.
Proton - Elementarteilchen eines Atoms, hat es eine positive Ladung, die der Ladung eines Elektrons entspricht. Die Anzahl der Elektronen in der Hülle eines Atoms wird durch die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt.
Neutron - eine andere Art von Kernteilchen aller Elemente. Es fehlt nur im Kern des leichten Wasserstoffs, der aus einem Proton besteht. Es hat keine Ladung und ist elektrisch neutral. Im Atomkern sind Neutronen stabil, während sie im freien Zustand instabil sind. Die Anzahl der Neutronen in den Kernen von Atomen desselben Elements kann schwanken, sodass die Anzahl der Neutronen im Kern das Element nicht charakterisiert.
Nukleonen (Protonen + Neutronen) werden durch nukleare Anziehungskräfte im Atomkern gehalten. nukleare Kräfte 100-mal stärker als elektromagnetische Kräfte und hält daher gleich geladene Protonen im Kern. Kernkräfte manifestieren sich nur in sehr kleinen Abständen (10 -13 cm), sie stellen die potenzielle Bindungsenergie des Kerns dar, die bei einigen Umwandlungen teilweise freigesetzt wird und in kinetische Energie übergeht.
Für Atome, die sich in der Zusammensetzung des Kerns unterscheiden, wird der Name "Nuklide" verwendet und für radioaktive Atome - "Radionuklide".
Nuklide nennen Atome oder Kerne mit einer bestimmten Anzahl von Nukleonen und einer bestimmten Ladung des Kerns (Nuklidbezeichnung A X).
Man nennt Nuklide mit gleicher Nukleonenzahl (Am = const). Isobaren. Beispielsweise gehören die Nuklide 96 Sr, 96 Y, 96 Zr zu einer Reihe von Isobaren mit der Nukleonenzahl Am = 96.
Nuklide, die die gleiche Anzahl von Protonen haben (Z= const) aufgerufen werden Isotope. Sie unterscheiden sich nur in der Anzahl der Neutronen, gehören also zum selben Element: 234 U , 235U, 236U , 238 u .
Isotope- Nuklide mit gleicher Neutronenzahl (N = Am -Z = const). Nuklide: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca gehören zur Isotopenreihe mit 20 Neutronen.
Isotope werden normalerweise als Z X M bezeichnet, wobei X das Symbol eines chemischen Elements ist; M ist die Massenzahl gleich der Summe der Anzahl von Protonen und Neutronen im Kern; Z ist die Ordnungszahl oder Ladung des Kerns, gleich der Anzahl der Protonen im Kern. Da jedes chemische Element seine eigene konstante Ordnungszahl hat, wird es normalerweise weggelassen und darauf beschränkt, nur die Massenzahl zu schreiben, zum Beispiel: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr usw.
Atome des Kerns, die die gleichen Massenzahlen, aber unterschiedliche Ladungen und folglich unterschiedliche Eigenschaften haben, werden als "Isobaren" bezeichnet, beispielsweise hat eines der Phosphorisotope eine Massenzahl von 32 - 15 Р 32, eines der Schwefelisotope hat die gleiche Massenzahl - 16 S 32 .
Nuklide können stabil sein (wenn ihre Kerne stabil sind und nicht zerfallen) oder instabil (wenn ihre Kerne instabil sind und Veränderungen unterliegen, die schließlich die Stabilität des Kerns erhöhen). Instabile Atomkerne, die spontan zerfallen können, werden genannt Radionuklide. Das Phänomen des spontanen Zerfalls des Atomkerns, begleitet von der Emission von Teilchen und (oder) elektromagnetische Strahlung, wird genannt Radioaktivität.
Durch radioaktiven Zerfall kann sowohl ein stabiles als auch ein radioaktives Isotop entstehen, das wiederum spontan zerfällt. Solche Ketten radioaktiver Elemente, die durch eine Reihe von Kernumwandlungen verbunden sind, werden genannt radioaktive Familien.
Derzeit hat die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 109 chemische Elemente offiziell benannt. Von diesen haben nur 81 stabile Isotope, von denen das schwerste Wismut ist. (Z= 83). Nur für die restlichen 28 Elemente radioaktive Isotope, und Uran (u~ 92) ist das schwerste in der Natur vorkommende Element. Das größte der natürlichen Nuklide hat 238 Nukleonen. Insgesamt wurde nun die Existenz von etwa 1700 Nukliden dieser 109 Elemente nachgewiesen, wobei die Anzahl der bekannten Isotope für einzelne Elemente von 3 (für Wasserstoff) bis 29 (für Platin) reicht.
.
In einigen seltenen Fällen können kurzlebige exotische Atome entstehen, bei denen anstelle eines Nukleons andere Teilchen als Kern dienen.
Die Anzahl der Protonen in einem Kern wird als Ladungszahl bezeichnet Z (\displaystyle Z)- Diese Zahl ist gleich der Ordnungszahl des Elements, zu dem das Atom gehört, in der Tabelle (Periodensystem der Elemente) von Mendeleev. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Struktur der Elektronenhülle eines neutralen Atoms und damit die chemischen Eigenschaften des entsprechenden Elements. Die Anzahl der Neutronen in einem Kern wird als seine bezeichnet Isotopenzahl N (\ displaystyle N). Kerne mit gleicher Protonenzahl und unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotope. Kerne mit gleicher Neutronenzahl, aber unterschiedlicher Protonenzahl nennt man Isotone. Die Begriffe Isotop und Isoton werden auch in Bezug auf Atome verwendet, die die angegebenen Kerne enthalten, sowie um nicht-chemische Varianten eines chemischen Elements zu charakterisieren. Die Gesamtzahl der Nukleonen in einem Kern wird als Massenzahl bezeichnet A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) und entspricht ungefähr der durchschnittlichen Masse eines Atoms, die im Periodensystem angegeben ist. Nuklide mit gleicher Massenzahl, aber unterschiedlicher Proton-Neutron-Zusammensetzung werden Isobaren genannt.
Wie jedes Quantensystem können sich Kerne in einem metastabilen angeregten Zustand befinden, und in einigen Fällen wird die Lebensdauer eines solchen Zustands in Jahren berechnet. Solche angeregten Kernzustände werden als Kernisomere bezeichnet.
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✪ Die Struktur des Atomkerns. nukleare Kräfte
✪ Kernkräfte Bindungsenergie von Teilchen im Kern Spaltung von Urankernen Kettenreaktion
✪ Kernreaktionen
✪ Kernphysik - Die Struktur des Kerns eines Atoms v1
✪ WIE DIE ATOMBOMBE „FETT“ FUNKTIONIERT
Untertitel
Geschichte
Die Streuung geladener Teilchen kann durch die Annahme eines Atoms erklärt werden, das aus einer zentralen elektrischen Ladung besteht, die an einem Punkt konzentriert ist und von einer gleichmäßigen kugelförmigen Verteilung entgegengesetzter Elektrizität gleicher Größe umgeben ist. Bei einer solchen Struktur des Atoms erfahren α- und β-Teilchen, wenn sie in geringem Abstand vom Zentrum des Atoms vorbeifliegen, große Abweichungen, obwohl die Wahrscheinlichkeit einer solchen Abweichung gering ist.
So entdeckte Rutherford den Atomkern, von diesem Moment an begann die Kernphysik mit dem Studium der Struktur und Eigenschaften von Atomkernen.
Nach der Entdeckung stabiler Isotope von Elementen wurde dem Kern des leichtesten Atoms die Rolle eines Strukturteilchens aller Kerne zugewiesen. Seit 1920 hat der Kern des Wasserstoffatoms einen offiziellen Begriff - Proton. 1921 schlug Lisa Meitner das erste Proton-Elektron-Modell der Struktur des Atomkerns vor, wonach dieser aus Protonen, Elektronen und Alpha-Teilchen besteht: 96 . 1929 gab es jedoch eine "Stickstoffkatastrophe" - V. Heitler und G. Herzberg stellten fest, dass der Kern des Stickstoffatoms der Statistik von Bose - Einstein gehorcht und nicht der Statistik von Fermi - Dirac, wie vom Proton vorhergesagt - Elektronenmodell: 374. Somit geriet dieses Modell in Konflikt mit den experimentellen Ergebnissen von Messungen von Spins und magnetischen Momenten von Kernen. 1932 entdeckte James Chadwick ein neues elektrisch neutrales Teilchen namens Neutron. Im selben Jahr stellten Ivanenko und unabhängig davon Heisenberg eine Hypothese über die Proton-Neutron-Struktur des Kerns auf. Später, mit der Entwicklung der Kernphysik und ihrer Anwendungen, wurde diese Hypothese vollständig bestätigt.
Theorien über den Aufbau des Atomkerns
Im Laufe der Entwicklung der Physik wurden verschiedene Hypothesen über die Struktur des Atomkerns aufgestellt; Jede von ihnen ist jedoch in der Lage, nur eine begrenzte Menge nuklearer Eigenschaften zu beschreiben. Einige Modelle können sich gegenseitig ausschließen.
Die bekanntesten sind die folgenden:
- Tropfen Modell Kern - 1936 von Niels Bohr vorgeschlagen.
- Shell model nucleus - vorgeschlagen in den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts.
- Verallgemeinertes Bohr-Mottelson-Modell
- Cluster-Kernel-Modell
- Modell der Nukleonen-Assoziationen
- Superfluides Kernmodell
- Statistisches Modell des Kerns
Kernphysik
Die Ladungen von Atomkernen wurden erstmals 1913 von Henry Moseley bestimmt. Der Wissenschaftler interpretierte seine experimentellen Beobachtungen durch die Abhängigkeit der Röntgenwellenlänge von einer bestimmten Konstante Z (\displaystyle Z), die sich von Element zu Element um eins ändert und für Wasserstoff gleich eins ist:
1 / λ = a Z − b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda ))=aZ-b), woA (\displaystyle a) Und b (\displaystyle b)- dauerhaft.
Daraus schloss Moseley, dass die in seinen Experimenten gefundene Atomkonstante, die die Wellenlänge der charakteristischen Röntgenstrahlung bestimmt und mit der Seriennummer des Elements übereinstimmt, nur die Ladung des Atomkerns sein kann, die als bekannt wurde Gesetz Moseley .
Gewicht
Aufgrund des Unterschieds in der Anzahl der Neutronen A − Z (\displaystyle A-Z) Isotope eines Elements haben unterschiedliche Massen M (A , Z) (\displaystyle M(A,Z)), was ein wichtiges Merkmal des Kernels ist. In der Kernphysik wird die Masse von Kernen üblicherweise in atomaren Einheiten Masse ( aber. Essen.), zum einen a. e. m. nehmen 1/12 der Masse des 12 C-Nuklids. Es sollte beachtet werden, dass die Standardmasse, die normalerweise für ein Nuklid angegeben wird, die Masse eines neutralen Atoms ist. Um die Masse des Kerns zu bestimmen, muss die Summe der Massen aller Elektronen von der Masse des Atoms abgezogen werden (ein genauerer Wert wird erhalten, wenn wir auch die Bindungsenergie der Elektronen mit dem Kern berücksichtigen). .
Außerdem wird in der Kernphysik oft die Energie äquivalente Masse verwendet. Nach der Einstein-Beziehung hat jede Masse einen Wert M (\displaystyle M) entspricht der Gesamtenergie:
E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), wo c (\ displaystyle c) ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.Das Verhältnis zwischen a. em und sein Energieäquivalent in Joule:
E 1 = 1 . 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 . 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 . 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1.660539\cdot 10^(-27)\cdot ( 2.997925\ cdot 10^(8))^(2)=1,492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931 , 494 (\displaystyle E_(1)=931.494).Radius
Die Analyse des Zerfalls schwerer Kerne verfeinerte Rutherfords Schätzung und verband den Radius des Kerns mit der Massenzahl durch eine einfache Beziehung:
R = r 0 EIN 1 / 3 (\displaystyle R=r_(0)A^(1/3)),wo ist eine Konstante.
Da der Radius des Kerns keine rein geometrische Eigenschaft ist und in erster Linie mit dem Wirkungsradius von Kernkräften zusammenhängt, ist der Wert r 0 (\displaystyle r_(0)) hängt von dem Prozess ab, in dessen Analyse der Wert erhalten wird R (\displaystyle R), Durchschnittswert r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1.23\cdot 10^(-15)) m, also der Kernradius in Metern:
R = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 (\displaystyle R=1,23\cdot 10^(-15)A^(1/3)).
Kernmomente
Wie die Nukleonen, aus denen er besteht, hat der Kern seine eigenen Momente.
Drehen
Da Nukleonen ihr eigenes mechanisches Moment oder Spin haben, gleich 1 / 2 (\displaystyle 1/2), dann müssen die Kerne auch mechanische Momente haben. Darüber hinaus nehmen Nukleonen im Kern an einer Orbitalbewegung teil, die auch durch ein bestimmtes Impulsmoment jedes Nukleons gekennzeichnet ist. Umlaufmomente nehmen nur ganzzahlige Werte an ℏ (\displaystyle\hbar)(Konstante Dirac). Alle mechanischen Momente von Nukleonen, sowohl Spins als auch Orbitale, werden algebraisch summiert und bilden den Spin des Kerns.
Trotz der Tatsache, dass die Zahl der Nukleonen in einem Kern sehr groß sein kann, sind die Spins von Kernen normalerweise klein und betragen nicht mehr als einige wenige ℏ (\displaystyle\hbar), was durch die Besonderheit der Wechselwirkung gleichnamiger Nukleonen erklärt wird. Alle paarigen Protonen und Neutronen interagieren nur so, dass sich ihre Spins gegenseitig aufheben, d. h. Paare interagieren immer mit antiparallelen Spins. Auch der Gesamtbahnimpuls eines Paares ist immer Null. Folglich haben Kerne, die aus einer geraden Anzahl von Protonen und einer geraden Anzahl von Neutronen bestehen, keinen mechanischen Impuls. Spins ungleich Null existieren nur für Kerne, die ungepaarte Nukleonen in ihrer Zusammensetzung haben, der Spin eines solchen Nukleons wird zu seinem eigenen Bahnimpuls addiert und hat einen halbzahligen Wert: 1/2, 3/2, 5/2. Kerne mit ungerader Zusammensetzung haben ganzzahlige Spins: 1, 2, 3 usw. .
Magnetisches Moment
Die Messung von Spins wurde durch das Vorhandensein direkt mit ihnen verbundener magnetischer Momente möglich. Sie werden in Magnetonen gemessen und liegen für verschiedene Kerne zwischen -2 und +5 Kernmagnetonen. Aufgrund der relativ großen Masse von Nukleonen sind die magnetischen Momente von Kernen im Vergleich zu denen von Elektronen sehr klein, sodass ihre Messung viel schwieriger ist. Magnetische Momente werden wie Spins durch spektroskopische Methoden gemessen, wobei die genaueste die Kernspinresonanzmethode ist.
Das magnetische Moment von Gerade-Gerade-Paaren ist wie der Spin gleich Null. Die magnetischen Momente von Kernen mit ungepaarten Nukleonen werden durch die intrinsischen Momente dieser Nukleonen und das mit der Orbitalbewegung des ungepaarten Protons verbundene Moment gebildet.
Elektrisches Quadrupolmoment
Atomkerne mit einem Spin größer oder gleich Eins haben Quadrupolmomente ungleich Null, was darauf hinweist, dass sie nicht genau kugelförmig sind. Das Quadrupolmoment hat ein Pluszeichen, wenn der Kern entlang der Spinachse gestreckt ist (fusiformer Körper), und ein Minuszeichen, wenn der Kern in einer Ebene senkrecht zur Spinachse gestreckt ist (linsenförmiger Körper). Kerne mit positiven und negativen Quadrupolmomenten sind bekannt. Das Fehlen einer Kugelsymmetrie im elektrischen Feld, das von einem Kern mit einem Quadrupolmoment ungleich Null erzeugt wird, führt zur Bildung zusätzlicher Energieniveaus von Atomelektronen und zum Auftreten von Hyperfeinstrukturlinien in den Spektren von Atomen, deren Abstände vom Quadrupol abhängen Moment.
Bindungsenergie
Kernstabilität
Aus der Tatsache, dass die mittlere Bindungsenergie für Nuklide mit Massenzahlen größer oder kleiner als 50–60 abnimmt, folgt dies für Kerne mit kleinen A (\displaystyle A) Der Fusionsprozess ist energetisch günstig - thermonukleare Fusion, die zu einer Erhöhung der Massenzahl führt und für Kerne mit großen A (\displaystyle A)- Der Prozess der Teilung. Gegenwärtig sind beide Prozesse, die zur Freisetzung von Energie führen, durchgeführt worden, wobei letzterer die Grundlage der modernen Kernenergie darstellt, während ersterer in der Entwicklung ist.
Ausführliche Untersuchungen haben gezeigt, dass auch die Stabilität von Kernen maßgeblich von dem Parameter abhängt N/Z (\displaystyle N/Z)- das Verhältnis der Anzahl von Neutronen und Protonen. Durchschnitt für die stabilsten Kerne N / Z ≈ 1 + 0,015A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\approx 1+0,015A^(2/3)), daher sind die Kerne leichter Nuklide bei am stabilsten N ≈ Z (\displaystyle N\approx Z), und mit zunehmender Massenzahl wird die elektrostatische Abstoßung zwischen Protonen immer deutlicher, und der Stabilitätsbereich verschiebt sich in Richtung N > Z (\displaystyle N>Z)(siehe erläuternde Abbildung).
Betrachtet man die Tabelle der in der Natur vorkommenden stabilen Nuklide, so kann man auf deren Verteilung nach geraden und ungeraden Werten achten. Z (\displaystyle Z) Und N (\ displaystyle N). Alle Kerne mit ungeraden Werten dieser Größen sind Kerne leichter Nuklide 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))). Unter den Isobaren mit ungeradem A ist in der Regel nur eine stabil. Im Fall von sogar A (\displaystyle A) oft gibt es zwei, drei oder mehr stabile Isobaren, daher sind die stabilsten gerade-gerade, die am wenigsten ungerade-ungerade. Dieses Phänomen weist darauf hin, dass sowohl Neutronen als auch Protonen dazu neigen, sich paarweise mit antiparallelen Spins zu häufen, was zu einer Verletzung der Glätte der oben genannten Abhängigkeit der Bindungsenergie führt A (\displaystyle A) .
Somit schafft die Parität der Anzahl von Protonen oder Neutronen einen gewissen Stabilitätsspielraum, der zur Möglichkeit der Existenz mehrerer stabiler Nuklide führt, die sich jeweils in der Anzahl von Neutronen für Isotope und in der Anzahl von Protonen für Isotone unterscheiden. Auch die Parität der Anzahl von Neutronen in der Zusammensetzung schwerer Kerne bestimmt ihre Fähigkeit zur Spaltung unter dem Einfluss von Neutronen.
nukleare Kräfte
Kernkräfte sind Kräfte, die Nukleonen im Kern halten, die große Anziehungskräfte sind, die nur in kleinen Abständen wirken. Sie haben Sättigungseigenschaften, in deren Zusammenhang den Kernkräften (mit Hilfe von Pi-Mesonen) Austauschcharakter zugeschrieben wird. Kernkräfte sind spinabhängig, unabhängig von der elektrischen Ladung und keine Zentralkräfte.
Kernel-Ebenen
Im Gegensatz zu freien Teilchen, bei denen die Energie jeden beliebigen Wert annehmen kann (das sogenannte kontinuierliche Spektrum), sind gebundene Teilchen (d.h. Teilchen, die kinetische Energie der kleiner als der Betrag des Potentials ist), kann sich laut Quantenmechanik nur in Zuständen mit bestimmten diskreten Energiewerten befinden, dem sogenannten diskreten Spektrum. Da der Kern ein System gebundener Nukleonen ist, hat er ein diskretes Energiespektrum. Es ist normalerweise in seinem niedrigsten Energiezustand, genannt hauptsächlich. Wenn Energie auf den Kern übertragen wird, verwandelt er sich in aufgeregter Zustand.
Die Lage der Energieniveaus des Kerns in erster Näherung:
D = a e − b E ∗ (\displaystyle D=ae^(-b(\sqrt (E^(*))))), wo:D (\ displaystyle D)- durchschnittlicher Abstand zwischen den Ebenen,
E ∗ (\displaystyle E^(*)) ist die Anregungsenergie des Kerns,
A (\displaystyle a) Und b (\displaystyle b)- Koeffizienten konstant für einen gegebenen Kernel:
A (\displaystyle a)- mittlerer Abstand zwischen den ersten angeregten Niveaus (etwa 1 MeV für leichte Kerne, 0,1 MeV für schwere Kerne)
Die Zusammensetzung des Kerns eines Atoms. Berechnung von Protonen und Neutronen
Entsprechend moderne Ideen Ein Atom besteht aus einem Kern und Elektronen um ihn herum. Der Kern eines Atoms wiederum besteht aus kleineren Elementarteilchen – ab einer gewissen Menge Protonen und Neutronen(der gebräuchliche Name dafür ist Nukleonen), die durch Kernkräfte miteinander verbunden sind.
Anzahl der Protonen im Kern bestimmt die Struktur der Elektronenhülle des Atoms. Und die Elektronenhülle bestimmt die physikalisch-chemischen Eigenschaften einer Substanz. Die Anzahl der Protonen entspricht der laufenden Nummer eines Atoms in Mendelejews Periodensystem der chemischen Elemente, auch Ladungszahl, Ordnungszahl, Ordnungszahl genannt. Beispielsweise ist die Anzahl der Protonen in einem Heliumatom 2. Im Periodensystem steht es auf der Nummer 2 und wird als He 2 bezeichnet. Das Symbol für die Anzahl der Protonen ist der lateinische Buchstabe Z. Beim Schreiben von Formeln die Zahl die Angabe der Protonenzahl steht oft unter dem Symbol des Elements oder rechts oder links: He 2 / 2 He.
Anzahl der Neutronen entspricht einem bestimmten Isotop eines Elements. Isotope sind Elemente mit gleicher Ordnungszahl (gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen), aber unterschiedlichen Massenzahlen. Massenzahl- die Gesamtzahl der Neutronen und Protonen im Kern eines Atoms (mit dem lateinischen Buchstaben A bezeichnet). Beim Schreiben von Formeln wird die Massenzahl oben auf dem Elementsymbol auf einer der Seiten angegeben: He 4 2 / 4 2 He (Heliumisotop - Helium - 4)
Um also die Anzahl der Neutronen in einem bestimmten Isotop herauszufinden, sollte die Anzahl der Protonen von der Gesamtmassenzahl abgezogen werden. Wir wissen zum Beispiel, dass ein Helium-4 He 4 2 Atom 4 Elementarteilchen enthält, da die Massenzahl des Isotops 4 ist. Gleichzeitig wissen wir, dass He 4 2 2 Protonen hat. Wenn wir von 4 (Gesamtmassenzahl) 2 (Anzahl der Protonen) abziehen, erhalten wir 2 - die Anzahl der Neutronen im Kern von Helium-4.
DER PROZESS DER BERECHNUNG DER ANZAHL DER PHANTOMISCHEN PO-TEILCHEN IM KERN DES ATOMS. Als Beispiel haben wir bewusst Helium-4 (He 4 2) betrachtet, dessen Kern aus zwei Protonen und zwei Neutronen besteht. Da der Helium-4-Kern, Alpha-Teilchen (α-Teilchen) genannt, die höchste Effizienz bei Kernreaktionen hat, wird er oft für Experimente in dieser Richtung verwendet. Es sollte beachtet werden, dass in den Formeln von Kernreaktionen häufig das Symbol α anstelle von He 4 2 verwendet wird.
Unter Beteiligung von Alphateilchen führte E. Rutherford die erste durch offizielle Geschichte Physik Reaktion nukleare Transformation. Während der Reaktion „beschossen“ α-Teilchen (He 4 2) die Kerne des Stickstoffisotops (N 14 7), was zur Bildung eines Sauerstoffisotops (O 17 8) und eines Protons (p 1 1) führte.
Diese Kernreaktion sieht so aus:
Berechnen wir die Anzahl der Phantom-Po-Teilchen vor und nach dieser Transformation.
ZUR BERECHNUNG DER ANZAHL DER PHANTOMTEILCHEN DAMIT IST NOTWENDIG:
Schritt 1. Berechnen Sie die Anzahl der Neutronen und Protonen in jedem Kern:
- die Anzahl der Protonen wird im unteren Indikator angezeigt;
- Wir ermitteln die Anzahl der Neutronen, indem wir die Anzahl der Protonen (unterer Indikator) von der Gesamtmassenzahl (oberer Indikator) subtrahieren.
Schritt 2. Berechnen Sie die Anzahl der Phantom-Po-Teilchen im Atomkern:
- Multiplizieren Sie die Anzahl der Protonen mit der Anzahl der Phantom-Po-Teilchen, die in 1 Proton enthalten sind;
- multiplizieren Sie die Anzahl der Neutronen mit der Anzahl der Phantom-Po-Teilchen, die in 1 Neutron enthalten sind;
Schritt 3. Addieren Sie die Anzahl der Phantompartikel By:
- die erhaltene Menge an Phantom-Po-Teilchen in Protonen mit der erhaltenen Menge an Neutronen in Kernen vor der Reaktion addieren;
- nach der Reaktion die erhaltene Menge an Phantom-Po-Teilchen in Protonen mit der erhaltenen Menge in Neutronen in Kernen addieren;
- Vergleichen Sie die Anzahl der Phantom-Po-Teilchen vor der Reaktion mit der Anzahl der Phantom-Po-Teilchen nach der Reaktion.
BEISPIEL FÜR DIE DETAILLIERTE BERECHNUNG DER ANZAHL PHANTOMISCHER PO-TEILCHEN IN DEN ATOMKERN.
(Kernreaktion mit einem α-Teilchen (He 4 2), durchgeführt von E. Rutherford 1919)
VOR DER REAKTION (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Anzahl der Protonen: 7
Anzahl der Neutronen: 14-7 = 7
in 1 Proton - 12 Po, was in 7 Protonen bedeutet: (12 x 7) \u003d 84;
in 1 Neutron - 33 Po, das heißt in 7 Neutronen: (33 x 7) = 231;
Gesamtzahl der Phantom-Po-Teilchen im Kern: 84+231 = 315
Er 4 2
Anzahl der Protonen - 2
Anzahl der Neutronen 4-2 = 2
Anzahl der Phantomteilchen Von:
in 1 Proton - 12 Po, was in 2 Protonen bedeutet: (12 x 2) \u003d 24
in 1 Neutron - 33 Po, was in 2 Neutronen bedeutet: (33 x 2) \u003d 66
Gesamtzahl der Phantom-Po-Teilchen im Kern: 24+66 = 90
Gesamtzahl der Phantom-Po-Teilchen vor der Reaktion
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
NACH REAKTION (O 17 8) und einem Proton (p 1 1):
O 17 8
Anzahl der Protonen: 8
Anzahl der Neutronen: 17-8 = 9
Anzahl der Phantomteilchen Von:
in 1 Proton - 12 Po, was in 8 Protonen bedeutet: (12 x 8) \u003d 96
in 1 Neutron - 33 Po, das heißt in 9 Neutronen: (9 x 33) = 297
Gesamtzahl der Phantom-Po-Teilchen im Kern: 96+297 = 393
S. 1 1
Anzahl der Protonen: 1
Anzahl der Neutronen: 1-1=0
Anzahl der Phantomteilchen Von:
In 1 Proton - 12 Po
Es gibt keine Neutronen.
Die Gesamtzahl der Phantom-Po-Teilchen im Kern: 12
Gesamtzahl der Phantomteilchen Po nach der Reaktion
(O 17 8 + S. 1 1):
393 + 12 = 405
Vergleichen wir die Anzahl der Phantom-Po-Teilchen vor und nach der Reaktion:
BEISPIEL FÜR EINE REDUZIERTE FORM DER BERECHNUNG DER ANZAHL PHANTOMISCHER PO-PARTIKEL IN EINER KERNREAKTION.
berühmt Kernreaktion ist die Reaktion der Wechselwirkung von α-Teilchen mit dem Isotop von Beryllium, in der das Neutron zuerst entdeckt wurde, das sich als Ergebnis einer Kernumwandlung als unabhängiges Teilchen manifestierte. Diese Reaktion wurde 1932 von dem englischen Physiker James Chadwick durchgeführt. Reaktionsformel:
213 + 90 → 270 + 33 - die Anzahl der Phantom-Po-Teilchen in jedem der Kerne
303 = 303 - Gesamtbetrag Phantom-Po-Teilchen vor und nach der Reaktion
Die Anzahl der Phantom-Po-Teilchen vor und nach der Reaktion ist gleich.
