Атомне ядро: будова, маса, склад. Будова атомного ядра Що таке атомне ядро ​​у фізиці

У 20-х роках XX століття сумнівів щодо складності будови відкритих Резерфордом у 1911 ядер атомів у фізиків вже не залишалося. На даний фактвказувало велику кількість різних скоєних на той час експериментів, таких як:

• відкриття явища радіоактивності,
• досвідчений доказ ядерної моделі атома,
• вимірювання відношення e m для електрона, α -частки та для H -частки, що являє собою ядро ​​атома водню,
• відкриття штучної радіоактивності та ядерних реакцій,
• вимірювання зарядів атомних ядер та багато інших.

З яких частинок складаються ядра атомів? У наш час є фактом, що ядра атомів різних елементів складаються з двох видів частинок, тобто з нейтронів і протонів. Друга з цих частинок є єдиного свого електрона атомом водню. Така частка була помічена вже у дослідах Дж. Томсона 1907 року. Вчений зміг виміряти у неї відношення e m.

Визначення 1

е.. Резерфордом в 1919 році були виявлені в продуктах розщеплення ядер атомів значної кількості елементів атомні ядра водню. Фізиком знайденої частки було дано назву протона. Він припустив, що до складу будь-якого ядер атомів входять протони.

Схема дослідів Резерфорда проілюстровано малюнку 6 . 5 . 1 .

Малюнок 6 . 5 . 1 . Схема дослідів Резерфорда щодо виявлення протонів у продуктах розщеплення ядер. К - свинцевий контейнер з радіоактивним джерелом -частинок, Ф - металева фольга, Е - екран, покритий сульфідом цинку, М являє собою мікроскоп.

Прилад Резерфорда складався з вакуумованої камери з контейнером, що в ній розташований. До, в якому знаходилося джерело α -Частинок. Металева фольга, на малюнку позначена як Ф, закрити вікно камери. Товщина фольги підбиралася таким чином, щоб запобігти проникненню через неї α -Частинок. За вікном був розташований сірчистим цинком екран, на зображенні 6 . 5 . 1 позначений буквою Е. Застосовуючи мікроскоп М, можна було спостерігати світлові спалахи або, як їх ще називають, сцинтиляції в точках, у точках екрану, в яких відбувалося влучення важких заряджених частинок.

У процесі заповнення камери азотом з низьким тиском на екрані виявляли світлові спалахи. Це явищевказувало на той факт, що в умовах експерименту існує потік невідомих частинок, що мають здатність проникати крізь практично повністю затримуючу потік α -частинок фольгу Ф. Щоразу віддаляючи від вікна камери екран Е. Резерфорд зміг виміряти середню довжину вільного пробігу часток, що спостерігаються в повітрі. Отримана величина виявилася приблизно рівною 28 м, що збігалося з оцінкою довжини пробігу спостерігалися раніше Дж. Томсоном H-частинок.

За допомогою досліджень впливу електричних і магнітних полів на частинки, що вибиваються з ядер азоту, були отримані дані про позитивність їх елементарного заряду. Також було доведено, що маса таких частинок еквівалентна масі ядер атомів водню.

Згодом досвід виконали з низкою інших газоподібних речовин. У всіх проведених подібних дослідах було виявлено, що їх ядер α -частинки вибивають H-частинки або протони.

Відповідно до сучасних вимірів, позитивний заряд протона абсолютно еквівалентний елементарному заряду e = 1 , 60217733 · 10 - 19 К л. Іншими словами, за модулем він дорівнює негативному заряду електрона. Нині рівність зарядів протона і електрона перевірено з точністю 10 – 22 . Подібний збіг зарядів двох частинок, що значно відрізняються одна від одної, викликає щире здивування і досі залишається однією з фундаментальних загадок сучасної фізики.

Визначення 2

Спираючись на сучасні виміри, можна заявити, що маса протона дорівнює mp = 1 , 67262 · 10 – 27 к г. В умовах ядерної фізики масу, що належить часткам, нерідко виражають в атомних одиницях маси (а. е. м.) , рівних маси атома вуглецю з масовим числом 12:

1а. е. м. = 1, 66057 · 10 - 27 до р.

Відповідно, m p = 1, 007276 а. е. м.

Досить часто вираз маси частки найзручніше при використанні еквівалентних значень енергії відповідно до наступної формули: E = m c 2 . Внаслідок того, що 1 е В = 1, 60218 · 10 – 19 Д ж, в енергетичних одиницях маса протона дорівнює 938 272331 М е В.

Отже, досвід Резерфорда, який відкрив явище розщеплення ядер азоту та інших елементів таблиці Менделєєва за умов ударів швидких -частинок, також показав, що склад атомних ядер входять протони.

Внаслідок відкриття протонів у деяких фізиків з'явилося припущення, що нові частки не просто входять до складу атомів атомів, а є його єдиними можливими елементами. Однак через те, що відношення заряду ядра до його маси не залишається постійним для різних ядер, як це було б, якби до складу ядер входили одні протони, це припущення було визнано неспроможним. Для більш важких ядер таке відношення виявляється меншим, ніж для легких, з чого випливає, що при переході до більш важких ядр маса ядра зростає швидше заряду.

У 1920 році Е. Резерфордом була висловлена ​​гіпотеза про присутність у складі якоїсь компактної жорстко пов'язаної пари, що складається з електрона і протона. У розумінні вченого дана зв'язка була електрично нейтральним утворенням як частинка, що має практично еквівалентну масу протона масою. Їм також було вигадано назву для даної гіпотетичної частки, Резерфорд хотів назвати її нейтроном. На жаль, наведена ідея, незважаючи на свою красу, була помилковою. Було з'ясовано, що електрон неспроможна бути частиною ядра. Квантово-механічний розрахунок на підставі співвідношення невизначеностей показує, що локалізований в ядрі, тобто області розміром R ≈ 10 - 13 с м, електрон повинен мати неймовірну кінетичну енергію, яка на багато порядків перевищує енергію зв'язку ядер у розрахунку на одну частинку.

Ідея існування якоїсь важкої нейтрально зарядженої частки у складі ядра була вкрай приваблива для Резерфорда. Вчений негайно звернувся до групи своїх учнів на чолі з Дж. Чедвіком із пропозицією зайнятися її пошуками. Через 12 років, у 1932 році Чедвік провів експериментальне дослідженнявипромінювання, що виникає в умовах опромінення берилію -частинами. У процесі він виявив, що це випромінювання є потоком нейтральних частинок, що мають масу, практично еквівалентну масі протона. Таким чином було відкрито нейтрон. На малюнку 6 . 5 . 2 проілюстрована спрощена схема установки виявлення нейтронів.

Малюнок 6 . 5 . 2 . Схема установки виявлення нейтронів.

У процесі бомбардування берилію радіоактивним полонієм α -частинами з'являється потужне проникаюче випромінювання, здатне пройти крізь перешкоду у вигляді 10 - 20 сантиметрового шару свинцю. Дане випромінювання практично в той же час, що і Чедвік виявили подружжя дочка Марії та П'єра Кюрі Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі, проте ними було висунуто припущення, що це γ-промені великої енергії. Вони помітили, що якщо на шляху випромінювання берилію встановити парафінову пластину, то іонізуюча здатність даного випромінювання стрибкоподібно збільшується. Подружжя довело, що випромінювання берилію вибиває з парафіну у великій кількості наявні у наведеній водневмісній речовині протони. Використовуючи значення довжини вільного пробігу протонів у повітрі, вченими оцінили енергію γ -квантів, які мають здатність за умов зіткнення повідомляти протонам потрібну швидкість. Отримане внаслідок оцінки значення енергії виявилося величезним – близько 50 М е.

У 1932 році Дж. Чедвіком була виконана ціла серія з експериментів, спрямованих на всебічне вивчення властивостей випромінювання, яке виникає при опроміненні берилію -частинами. У своїх дослідах Чедвік застосовував різні методи дослідження іонізуючих випромінювань.

Визначення 3

На малюнку 6 . 5 . 2 проілюстровано лічильник Гейгера, прилад, що використовується для реєстрації заряджених частинок

Даний пристрій складається зі скляної трубки, покритої зсередини металевим шаром (катод), тонкої нитки, що йде вздовж осі трубки (анод). Трубка заповнюється інертним газом, зазвичай у якості виступає аргон, при низькому тиску. Заряджена частка у процесі переміщення у газі викликає іонізацію молекул.

Визначення 4

Виникають у результаті іонізації вільні електрони прискорюються електричним полем між анодом і катодом до енергій, у яких починається явище ударної іонізації. З'являється лавина іонів і через лічильник проходить короткий розрядний імпульс струму.

Визначення 5

Ще одним володіючим надзвичайною важливістю для дослідження частинок приладом є камера Вільсона, В якій швидка заряджена частка залишає слід або, як його ще називають, трек.

Траєкторію частинки можна фотографувати або спостерігати безпосередньо. Фундаментом дії створеної в 1912 камери Вільсона є явище конденсації перенасиченої пари на іонах, які утворюються в робочому об'ємі камери вздовж траєкторії зарядженої частинки. За допомогою камери Вільсона з'являється можливість спостереження за викривленням траєкторії зарядженої частинки в електричному і магнітному полях.

Доказ 1

У своїх експериментах Дж. Чедвік спостерігав у камері Вільсона сліди зіткнення з берилієвим випромінюванням ядер азоту. Грунтуючись на даних дослідах, учений оцінив енергію -кванта, здатного повідомити ядра азоту спостерігається в експерименті швидкість. Отримане значення дорівнювало 100 - 150 М е В. Настільки величезною енергією не могли мати випущені бериллієм -кванти. Виходячи з цього факту, Чедвік уклав, що з берилію при впливі -частинок вилітають не безмасові -кванти, а досить важкі частки. Дані частинки мали чималу проникаючу здатність і безпосередньо не іонізували газ у лічильнику Гейгера, відповідно, вони були електронейтральні. Таким чином, було доведено існування нейтрона – частки, яку передбачив Резерфорд більш ніж за 10 років до досвідів Чедвіка.

Визначення 6

Нейтронє елементарною частинкою. Помилковим буде її подання у вигляді компактної протон-електронної пари, як спочатку передбачав Резерфорд.

З результатів сучасних вимірів, ми можемо сказати, що маса нейтрона m n = 1 , 67493 · 10 – 27 кг = 1 , 008665 а. е. м.

В енергетичних одиницях маса нейтрона еквівалентна 939, 56563 М е В. Маса нейтрона приблизно на дві електронні маси перевищує масу протона.

Відразу після відкриття нейтрона російський учений Д. Д. Іваненко на пару з німецьким фізиком В. Гейзенберг висунув гіпотезу про протонно-нейтронну будову атомних ядер, яка повністю підтвердилася подальшими дослідженнями.

Визначення 7

Протони та нейтрони прийнято називати нуклонами.

Для характеристики атомних ядер вводиться низка позначень.

Визначення 8

Число протонів, що входять до складу атомного ядра, позначають символом Z і називають зарядовим числом або атомним номером(Це порядковий номер у періодичній таблиці Менделєєва).

Заряд ядра дорівнює Z e де e - елементарний заряд. Число нейтронів позначають символом N.

Визначення 9

Загальна кількість нуклонів (тобто протонів і нейтронів) називають масовим числом ядра A:

Визначення поняття ізотопу

Ядра хімічних елементівпозначають символом X Z A де X – хімічний символ елемента. Наприклад,
H 1 1 – водень, He 2 4 – гелій, C 6 12 – вуглець, O 8 16 – кисень, U 92 238 – уран.

Визначення 10

Число нейтронів в ядрах одного і того ж хімічного елемента може бути різним. Такі ядра називаються ізотопами.

Більшість хімічних елементів має кілька ізотопів. Наприклад, у водню їх три: H11 – звичайний водень, H12 – дейтерій і H13 – тритій. У вуглецю – 6 ізотопів, у кисню – 3 .

Хімічні елементи в природних умовахнайчастіше є сумішшю ізотопів. Існування ізотопів визначає значення атомної маси природного елемента в періодичної системиМенделєєва. Приміром, відносна атомна маса природного вуглецю дорівнює 12 , 011 .

Якщо ви помітили помилку в тексті, будь ласка, виділіть її та натисніть Ctrl+Enter

Склад та характеристика атомного ядра.

Ядро найпростішого атома – атома водню – складається з однієї елементарної частки, званої протоном. Ядра решти атомів складаються з двох видів елементарних частинок - протонів і нейтронів. Ці частинки звуться нуклонів.

Протон . Протоно (p) має заряд +eі масою

m p = 938,28 МеВ

Для порівняння вкажемо, що маса електрона дорівнює

m e = 0,511 МеВ

Зі порівняння і випливає, що m p = 1836m e

Протон має спін, що дорівнює половині (s= ), і власний магнітний момент

Одиниця магнітного моменту називається ядерним магнетоном. З порівняння мас протона і електрона випливає, що я у 1836 разів менше магнетона Бора μ б. Отже, власний магнітний момент протона приблизно 660 разів менше, ніж магнітний момент електрона.

Нейтрон . Нейтрон (n) було відкрито 1932 р. англійським фізиком

Д. Чедвіком. Електричний заряд цієї частки дорівнює нулю, а маса

m n = 939,57 МеВ

дуже близька до маси протону. Різниця мас нейтрону та протону (m n –m p)

становить 1,3 МеВ, тобто. 2,5 m e.

Нейтрон має спин, рівний половині (s= ) і (попри відсутність електричного заряду) власним магнітним моментом

μ n = - 1,91 я

(Знак мінус вказує на те, що напрямки власних механічного та магнітного моментів протилежні). Пояснення цього дивовижного фактубуде дано пізніше.

Зазначимо, що відношення експериментальних значень μ p і μ n з великим ступенем точності дорівнює - 3/2 . Це було відмічено лише після того, як таке значення було отримано теоретично.

У вільному стані нейтрон нестабільний (радіоактивний) - він мимоволі розпадається, перетворюючись на протон і випускаючи електрон (e -) і ще одну частинку, звану антинейтрино
. Період напіврозпаду (тобто час, за який розпадається половина первісної кількості нейтронів) дорівнює приблизно 12 хв. Схему розпаду можна написати так:

Маса спокою антинейтрино дорівнює нулю. Маса нейтрона більша за масу протона на 2,5m e . Отже, маса нейтрона перевищує сумарну масу частинок, які у правої частини рівняння на 1,5m e , тобто. на 0,77 МеВ. Ця енергія виділяється при розпаді нейтрону у вигляді кінетичної енергії частинок, що утворюються.

Характеристики атомного ядра . Однією з найважливіших показників атомного ядра є зарядове числоZ. Воно дорівнює кількості протонів, що входять до складу ядра, і визначає його заряд, що дорівнює +Z e . Число Z визначає порядковий номер хімічного елемента в періодичній таблиці Менделєєва. Тому його називають атомним номером ядра.

Число нуклонів (тобто сумарне число протонів та нейтронів) в ядрі позначається буквою А і називається масовим числом ядра. Число нейтронів у ядрі дорівнює N = A-Z.

Для позначення ядер застосовується символ

де під Xмається на увазі хімічний символ даного елемента. Ліворуч вгорі ставиться масове число, ліворуч унизу – атомний номер (останній значок часто опускають). Іноді масове число пишуть не ліворуч, а праворуч від символу хімічного елемента

Ядра з однаковим Z, але різними А називаються ізотопами. Більшість хімічних елементів має кілька стабільних ізотопів. Так, наприклад, у кисню є три стабільні ізотопи:

, Олова - десять, і т.д.

Водень має три ізотопи:

- звичайний водень, або протий (Z = 1, N = 0),

- важкий водень, або дейтерій (Z = 1, N = 1),

- Тритій (Z = 1, N = 2).

Протий та дейтерій стабільні, тритій радіоактивний.

Ядра з однаковим масовим числом А називаються ізобарами. Як приклад можна навести
і
. Ядра з однаковим числом нейтронів N = A – Z мають назву ізотонів (
,
). Нарешті, існують радіоактивні ядра з однаковими Z і A, що відрізняються періодом напіврозпаду. Вони називаються ізомерами. Наприклад, є два ізомери ядра
, В одного з них період напіврозпаду дорівнює 18 хв, в іншого - 4,4 години.

Відомо близько 1500 ядер, що відрізняються або Z, або А, або тим і іншим. Приблизно 1/5 частина цих ядер є стійкими, інші радіоактивні. Багато ядра було отримано штучним шляхом з допомогою ядерних реакцій.

У природі зустрічаються елементи з атомним номером Z от1до 92, крім технецій (Tc, Z = 43) і прометій (Pm, Z = 61). Плутоній (Pu, Z = 94) після отримання його штучним шляхом був виявлений у нікчемних кількостях у природному мінералі – смоляній обманці. Інші трансуранові (тобто зауранові) елементи (с від 93 до 107) були отримані штучним шляхом за допомогою різних ядерних реакцій.

Трансуранові елементи кюрій (96 Cm), ейнштейний (99 Es), фермій (100 Fm) та Менделев (101 Md) отримали назву на честь видатних учених II. та М. Кюрі, А. Ейнштейна, З. Фермі та Д.І. Менделєєва. Лоуренсій (103 Lw) названий на честь винахідника циклотрона Е. Лоуренса. Курчатовий (104 Ku) отримав свою назву на честь видатного фізика І.В. Курчатова.

Деякі трансуранові елементи, у тому числі курчатовий та елементи з номерами 106 та 107, були отримані у Лабораторії ядерних реакцій Об'єднаного інституту ядерних дослідженьу Дубні вченим

Н.М. Флеровим та його співробітниками.

Розміри ядер . У першому наближенні ядро ​​можна вважати шаром, радіус якого досить точно визначається формулою

(ферми – назва застосовуваної в ядерній фізиці одиниці довжини, що дорівнює

10-13 см). З формули випливає, що обсяг ядра пропорційний числу нуклонів у ядрі. Таким чином, густина речовини у всіх ядрах приблизно однакова.

Спин ядра . Спини нуклонів складаються в результуючий спин ядра. Спин нуклону дорівнює 1/2. Тому квантове число спина ядра буде напівцілим при непарному числінуклонів А і цілим або нулем при парному А. Спини ядерJ не перевищують кількох одиниць. Це вказує на те, що спини більшості нуклонів в ядрі взаємно компенсують один одного, розташовуючись антипаралельно. У всіх парно-парних ядер (тобто ядро ​​з парним числом протонів та парним числом нейтронів) спин дорівнює нулю.

Механічний момент ядра M J складається з моментом електронної оболонки
в повний момент імпульсу атома M F, який визначається квантовим числом F.

Взаємодія магнітних моментів електронів і ядра призводить до того, що стани атома відповідають різним взаємним орієнтаціям M J і
(тобто різним F), мають енергію, що трохи відрізняється. Взаємодія моментів μ L і μ S обумовлюється тонка структура спектрів. Взаємодія μ J і визначається надтонка структура атомних спектрів. Розщеплення спектральних ліній, що відповідає надтонкій структурі, настільки мало (порядку кількох сотих ангстрему), що може спостерігатися лише за допомогою приладів найвищої роздільної здатності.

Особливістю радіоактивного забруднення на відміну забруднення іншими полютантами і те, що шкідливий вплив на людини і об'єкти довкілля надає не сам радіонуклід (поллютант), а випромінювання, джерелом якого є.

Проте трапляються випадки, коли радіонуклід - токсичний елемент. Наприклад, після аварії на Чорнобильської АЕСв навколишнє середовищез частинками ядерного палива було викинуто плутоній 239, 242 Рu. Крім того, що плутоній – альфа-випромінювач і при попаданні всередину організму становить значну небезпеку, плутоній сам по собі – токсичний елемент.

З цієї причини використовують дві групи кількісних показників: 1) для оцінки вмісту радіонуклідів та 2) для оцінки впливу випромінювання на об'єкт.
Активність- кількісна міра вмісту радіонуклідів в аналізованому об'єкті. Активність визначається кількістю радіоактивних розпадів атомів за одиницю часу. Одиницею виміру активності у системі СІ є Беккерель (Бк) рівний одному розпаду на секунду (1Бк = 1 расп/с). Іноді використовується позасистемна одиниця виміру активності – Кюрі (Кі); 1Кі = 3,7 × 1010 Бк.

Доза випромінювання- кількісна міра впливу випромінювання на об'єкт.
У зв'язку з тим, що випромінювання на об'єкт можна оцінювати на різних рівнях: фізичному, хімічному, біологічному; на рівні окремих молекул, клітин, тканин або організмів і т. д. використовують декілька видів доз: поглинену, ефективну еквівалентну, експозиційну.

Для оцінки зміни дози випромінювання у часі використовують показник потужність дози. Потужність дози- Це відношення дози до часу. Наприклад, потужність дози зовнішнього опромінення від природних джерел радіації становить біля Росії 4-20 мкР/ч.

Основний норматив для людини - основна дозова межа (1 мЗв/рік) - вводиться в одиницях, ефективної еквівалентної дози. Існують нормативи та в одиницях активності, рівні забруднення земель, ВДУ, ПГП, СанПіН та ін.

Будова атомного ядра.

Атом - це дрібна частка хімічного елемента, що зберігає всі його властивості. За структурою атом представляє складну систему, що складається з що знаходиться в центрі атома позитивно зарядженого ядра дуже малого розміру (10 -13 см) і негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра на різних орбітах. Негативний заряд електронів дорівнює позитивному заряду ядра, причому в цілому виявляється електрично нейтральним.

Атомні ядра складаються з нуклонів -ядерних протонів ( Z -число протонів) та ядерних нейтронів (N – число нейтронів). «Ядерні» протони та нейтрони відрізняються від часток у вільному стані. Наприклад, вільний нейтрон, на відміну пов'язаного в ядрі, нестабільний і перетворюється на протон і електрон.

Число нуклонів Ам (масове число) є сумою чисел протонів і нейтронів: Ам = Z+ N.

Протон -елементарна частка будь-якого атома, він має позитивний заряд, рівний заряду електрона. Число електронів в оболонці атома визначається кількістю протонів у ядрі.

Нейтрон -інший вид ядерних частинок всіх елементів. Його немає лише у ядрі легкого водню, що з одного протона. Він не має заряду, електрично нейтральний. У атомному ядрі нейтрони є стабільними, а вільному стані вони нестійкі. Число нейтронів у ядрах атомів однієї й тієї ж елемента може коливатися, тому число нейтронів у ядрі не характеризує елемент.

Нуклони (протони + нейтрони) утримуються всередині атомного ядра ядерними силами тяжіння. Ядерні силиу 100 разів сильніший за електромагнітні сили і тому утримує всередині ядра однойменно заряджені протони. Ядерні сили виявляються лише з дуже малих відстанях (10 -13 див), вони становлять потенційну енергію зв'язку ядра, яка за деяких перетвореннях частково звільняється, перетворюється на кінетичну енергію.

Для атомів, що відрізняються складом ядра, використовується назва «нукліди», а для радіоактивних атомів - «радіонукліди».

Нуклідаминазивають атоми або ядра з даним числом нуклонів і зарядом ядра (позначення нукліду А Х).

Нукліди, що мають однакову кількість нуклонів (Ам = соnst), називаються ізобарами.Наприклад, нукліди 96 Sr, 96 Y, 96 Zr належать до ряду ізобарів із числом нуклонів Ам = 96.

Нукліди, що мають однакову кількість протонів (Z =соnst), називаються ізотопами.Вони відрізняються лише числом нейтронів, тому належать одному й тому самому елементу: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

Ізотопи- Нукліди з однаковим числом нейтронів (N = Ам-Z = const). Нукліди: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca належать до ряду ізотопів із 20 нейтронами.

Ізотопи прийнято позначати як Z Х М, де X - символ хімічного елемента; М - масове число, що дорівнює сумі числа протонів та нейтронів в ядрі; Z - атомний номер або заряд ядра, що дорівнює кількості протонів в ядрі. Оскільки кожен хімічний елемент має свій постійний атомний номер, його зазвичай опускають і обмежуються написанням тільки масового числа, наприклад: 3 Н, 14 С, 137 Сs, 90 Sr і т. д.

Атоми ядра, які мають однакові масові числа, але різні заряди і, отже, різні властивості називають «ізобарами», наприклад один з ізотопів фосфору має масове число 32 - 15 Р 32 , таке ж масове число має і один з ізотопів сірки - 16 S 32 .

Нукліди можуть бути стабільними (якщо їх ядра стійкі і не розпадаються) і нестабільними (якщо їх ядра нестійкі і зазнають змін, що призводять до збільшення стабільності ядра). Нестійкі атомні ядра, здатні мимоволі розпадатися, називають радіонуклідами.Явище мимовільного розпаду ядра атома, що супроводжується випромінюванням частинок та (або) електромагнітного випромінювання, називається радіоактивністю.

Через війну радіоактивного розпаду може утворитися як стабільний, і радіоактивний ізотоп, своєю чергою, мимовільно распадающийся. Такі ланцюжки радіоактивних елементів, пов'язані серією ядерних перетворень, називаються радіоактивними сімействами.

В даний час IUРАС (Міжнародний союз теоретичної та прикладної хімії) офіційно дав назву 109 хімічних елементів. З них тільки 81 має стабільні ізотопи, найбільш важким з яких є вісмут (Z= 83). Для решти 28 елементів відомі тільки радіоактивні ізотопи, причому уран (U ~ 92) є найважчим елементом, що зустрічається у природі. Найбільший із природних нуклідів має 238 нуклонів. У цілому нині доведено існування близько 1700 нуклідів цих 109 елементів, причому число ізотопів, відомих окремих елементів, коливається від 3 (для водню) до 29 (для платини).

.
У деяких рідкісних випадках можуть утворюватися короткоживучі екзотичні атоми, у яких замість нуклону ядром служать інші частки.

Кількість протонів в ядрі називається його зарядовим числом Z (\displaystyle Z)- Це число дорівнює порядковому номеру елемента, до якого відноситься атом, в таблиці (Періодичної системи) елементів Менделєєва. Кількість протонів в ядрі визначає структуру електронної оболонки нейтрального атома і, таким чином, хімічні властивості відповідного елемента. Кількість нейтронів у ядрі називається його ізотопічним числом N (\displaystyle N). Ядра з однаковим числом протонів та різним числом нейтронів називаються ізотопами. Ядра з однаковим числом нейтронів, але різним числом протонів - називаються ізотонами. Терміни ізотоп та ізотон використовуються також стосовно атомів, що містять зазначені ядра, а також для характеристики нехімічних різновидів одного хімічного елемента. Повна кількість нуклонів в ядрі називається його масовим числом A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A = N+Z)) і приблизно дорівнює середній масі атома, зазначеної в таблиці Менделєєва. Нукліди з однаковим масовим числом, але різним протон-нейтронним складом прийнято називати ізобарами.

Як і будь-яка квантова система, ядра можуть перебувати в метастабільному збудженому стані, причому в окремих випадках час життя такого стану обчислюється роками. Такі збуджені стани ядер називаються ядерними ізомерами.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Будова атомного ядра. Ядерні сили

✪ Ядерні сили Енергія зв'язку частинок в ядрі Поділ ядер урану Ланцюгова реакція

✪ Ядерні реакції

✪ Ядерна фізика - Будова ядра атома v1

✪ ЯК ВЛАШЕНА АТОМНА БОМБА "Товстун"

Субтитри

Історія

Розсіяння заряджених частинок може бути пояснено, якщо припустити такий атом, який складається з центрального електричного заряду, зосередженого в точці та оточеного однорідним сферичним розподілом протилежної електрики рівної величини. При такому пристрої атома - і -частки, коли вони проходять на близькій відстані від центру атома, відчувають великі відхилення, хоча ймовірність такого відхилення мала.

Таким чином Резерфорд відкрив атомне ядро, з цього моменту і веде початок ядерна фізика, що вивчає будову та властивості атомних ядер.

Після виявлення стабільних ізотопів елементів, ядру найлегшого атома було відведено роль структурної частки всіх ядер. З 1920 року ядро ​​атома водню має офіційний термін - протон. У 1921 році Ліза-Мейтнер запропонувала першу, протон-електронну, модель будови атомного ядра, згідно з якою вона складається з протонів, електронів та альфа-часток:96. Однак у 1929 році відбулася «азотна катастрофа» - В. Гайтлер і Г. Герцберг встановили, що ядро ​​атома азоту підпорядковується статистиці Бозе-Ейнштейна, а не статистиці Фермі-7-дир Таким чином, ця модель вступила в суперечність з експериментальними результатами вимірювань спинів та магнітних моментів ядер. У 1932 році Джеймсом Чедвіком була відкрита нова електрично нейтральна частка, названа нейтроном. Того ж року Іваненко та, незалежно, Гейзенберг висунули гіпотезу про протон-нейтронну структуру ядра. Надалі, з розвитком ядерної фізики та її додатків, ця гіпотеза була повністю підтверджена.

Теорії будови атомного ядра

У розвитку фізики висувалися різні гіпотези будови атомного ядра; проте кожна з них здатна описати лише обмежену сукупність ядерних властивостей. Деякі моделі можуть взаємовиключати одна одну.

Найбільш відомими є такі:

• Крапельна, модель, ядра - запропонована в 1936 році Нільсом Бором.
• Оболонкова, модель, ядра - запропонована в 30-х роках XX століття.
• Узагальнена модель Бора – Моттельсона
• Кластерна модель ядра
• Модель нуклонних асоціацій
• Надплинна модель ядра
• Статистична модель ядра

Ядерно-фізичні характеристики

Вперше заряди атомних ядер визначив Генрі-Мозлі в 1913-му році. Свої експериментальні спостереження вчений інтерпретував залежністю довжини хвилі рентгенівського випромінювання від деякої константи Z (\displaystyle Z), що змінюється на одиницю від елемента до елемента і дорівнює одиниці водню:

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

A (\displaystyle a)і b (\displaystyle b)- Постійні.

З чого Мозлі зробив висновок, що знайдена в його дослідах константа атома, що визначає довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання і збігається з порядковим номером елемента, може бути лише зарядом атомного ядра, що стало відомо під назвою закон Мозлі .

Маса

Через різницю в числі нейтронів A − Z (\displaystyle A-Z)ізотопи елемента мають різну масу M (A , Z) (\displaystyle M(A,Z))що є важливою характеристикою ядра. У ядерній фізиці масу ядер прийнято вимірювати в атомних, одиницях маси. а. е. м.), за одну а. е. м. приймають 1/12 частина маси нукліду 12 C . Слід зазначити, що стандартна маса, яка зазвичай наводиться для нукліду – це маса нейтрального атома. Для визначення маси ядра треба з маси атома відняти суму мас всіх електронів (точніше значення вийде, якщо врахувати ще й енергію зв'язку електронів з ядром).

Крім того, в ядерній фізиці часто використовується енергетичний, еквівалент маси. Відповідно до співвідношення Ейнштейна, кожному значенню маси M (\displaystyle M)відповідає повна енергія:

E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), де c (\displaystyle c)- швидкість світла у вакуумі.

Співвідношення між а. е. м. та її енергетичним еквівалентом у джоулях:

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1,6605 2,997925 \ cdot 10 ^ (8)) ^ (2) = 1,492418 \ cdot 10 ^ (-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

Радіус

Аналіз розпаду важких ядер уточнив оцінку Резерфорда та зв'язав радіус ядра з масовим числом простим співвідношенням:

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

де – константа.

Так як радіус ядра не є чисто геометричною характеристикою і пов'язаний насамперед з радіусом дії ядерних сил, то значення r 0 (\displaystyle r_(0))залежить від процесу, при аналізі якого отримано значення R (\displaystyle R), усереднене значення r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1,23\cdot 10^(-15))м, таким чином радіус ядра в метрах:

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

Моменти ядра

Як і його нуклони, ядро ​​має власні моменти.

Спін

Оскільки нуклони володіють власним механічним моментом, або спином, рівним 1/2 (\displaystyle 1/2), то ядра повинні мати механічні моменти. Крім того, нуклони беруть участь в ядрі в орбітальному русі, який також характеризується певним моментом кількості руху кожного нуклону. Орбітальні моменти набувають лише цілісних значень ℏ (\displaystyle \hbar )(Постійна Дірака). Всі механічні моменти нуклонів, як спини, так і орбітальні, підсумовуються алгебраїчно і складають спин ядра.

Незважаючи на те, що число нуклонів в ядрі може бути дуже велике, спини ядер зазвичай невеликі і становлять не більше, ніж кілька ℏ (\displaystyle \hbar )що пояснюється особливістю взаємодії однойменних нуклонів. Всі парні протони і нейтрони взаємодіють тільки так, що їхні спини взаємно компенсуються, тобто пари завжди взаємодіють із антипаралельними спинами. Сумарний орбітальний момент пари також завжди дорівнює нулю. В результаті ядра, що складаються з парного числа протонів та парного числа нейтронів, не мають механічного моменту. Відмінні від нуля спини існують тільки в ядер, що мають у своєму складі непарні нуклони, спин такого нуклону сумується з його орбітальним моментом і має яке-небудь напівціле значення: 1/2, 3/2, 5/2. Ядра непарно-непарного складу мають цілі спини: 1, 2, 3 і т. д. .

Магнітний момент

Вимірювання спинів стали можливими завдяки наявності безпосередньо пов'язаних з ними магнітних моментів. Вони вимірюються в магнетонах і в різних ядер дорівнюють від -2 до +5 ядерних магнетонів. Через відносно велику масу нуклонів магнітні моменти ядер дуже малі в порівнянні з магнітними моментами електронів, тому їх вимір набагато складніший. Як і спини, магнітні моменти вимірюються спектроскопічними методами, найбільш точним є метод ядерного магнітного резонансу.

Магнітний момент парно-парних пар, як і спин, дорівнює нулю. Магнітні моменти ядер з непарними нуклонами утворюються власними моментами цих нуклонів і моментом, що з орбітальним рухом непарного протона .

Електричний квадрупольний момент

Атомні ядра, спин яких більше або дорівнює одиниці, мають відмінні від нуля квадрупольні моменти, що говорить про їхню не точно сферичну форму. Квадрупольний момент має знак плюс, якщо ядро ​​витягнуте вздовж осі спина (веретеноподібне тіло), і знак мінус, якщо ядро ​​розтягнуте в площині перпендикулярної осі спина (чечевицеподібне тіло). Відомі ядра з позитивними та негативними квадрупольними моментами. Відсутність сферичної симетрії у електричного поля, створюваного ядром з ненульовим квадрупольним моментом, призводить до утворення додаткових енергетичних рівнів атомних електронів і появи в спектрах атомів ліній надтонкої структури, відстані між якими залежать від квадруполь.

Енергія зв'язку

Стійкість ядер

З факту зменшення середньої енергії зв'язку для нуклідів з масовими числами більше або менше 50-60 випливає, що для ядер з малими A (\displaystyle A)енергетично вигідний процес злиття - термоядерний синтез, що призводить до збільшення масового числа, а для ядер з великими A (\displaystyle A)- процес поділу. В даний час обидва ці процеси, що призводять до виділення енергії, здійснені, причому останній лежить в основі сучасної ядерної енергетики, а перший знаходиться в стадії розробки.

Детальні дослідження показали, що стійкість ядер також залежить від параметра N/Z (\displaystyle N/Z)- Відношення чисел нейтронів та протонів. В середньому для найбільш стабільних ядер N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\approx 1+0.015A^(2/3))тому ядра легких нуклідів найбільш стійкі при N ≈ Z (\displaystyle N\approx Z), а зі зростанням масового числа дедалі помітнішим стає електростатичне відштовхування між протонами, і область стійкості зсувається убік N > Z (\displaystyle N>Z)(див. пояснювальний малюнок).

Якщо розглянути таблицю стабільних нуклідів, що зустрічаються в природі, можна звернути увагу на їх розподіл за парними та непарними значеннями Z (\displaystyle Z)і N (\displaystyle N). Усі ядра з непарними значеннями цих величин є ядрами легких нуклідів 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))). Серед ізобар із непарними A, як правило, стабільний лише один. У разі ж парних A (\displaystyle A)часто зустрічаються по два, три і більш стабільні ізобари, отже, найбільш стабільні парно-парні, найменш - непарно-непарні. Це явища свідчить про те, що як нейтрони, так і протони виявляють тенденцію групуватися парами з антипаралельними спинами, що призводить до порушення плавності вищеописаної залежності енергії зв'язку від A (\displaystyle A) .

Таким чином, парність числа протонів або нейтронів створює деякий запас стійкості, який призводить до можливості існування кількох стабільних нуклідів, що відрізняються відповідно за кількістю нейтронів для ізотопів і протонів для ізотонів. Також парність числа нейтронів у складі важких ядер визначає їх здатність ділитися під впливом нейтронів.

Ядерні сили

Ядерні сили - це сили, що утримують нуклони в ядрі, що становлять великі сили тяжіння, що діють лише на малих відстанях. Вони мають властивості насичення, у зв'язку з чим ядерним силам приписується обмінний характер (за допомогою пі-мезонів). Ядерні сили залежить від спина, не залежить від електричного заряду і є центральними силами .

Рівні ядра

На відміну від вільних частинок, для яких енергія може приймати будь-які значення (так званий безперервний, спектр), пов'язані частинки (тобто частинки, кінетична енергіяяких менше абсолютного значення потенційної), згідно з квантовою механікою, можуть перебувати в станах тільки з певними дискретними значеннями енергій, так званий дискретний спектр. Оскільки ядро ​​- система пов'язаних нуклонів, воно має дискретний спектр енергій. Зазвичай воно знаходиться в найнижчому енергетичному стані, що називається основним. Якщо передати ядру енергію, воно перейде до збуджений стан.

Розташування енергетичних рівнів ядра у першому наближенні:

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

D (\displaystyle D)- середня відстань між рівнями,

E ∗ (\displaystyle E^(*))- енергія збудження ядра,

A (\displaystyle a)і b (\displaystyle b)- Коефіцієнти, постійні для даного ядра:

A (\displaystyle a)- середня відстань між першими збудженими рівнями (для легких ядер приблизно 1 МеВ, для важких – 0,1 МеВ)

Асоціативні приклади процесу езосмосу, передачі та розподілу енергії та інформації

склад ядра атома. Розрахунок протонів та нейтронів

Формули реакцій, що лежать в основі керованого термоядерного синтезу

склад ядра атома. Розрахунок протонів та нейтронів

Згідно сучасним уявленням, Атом складається з ядра і розташованих навколо нього електронів. Ядро атома, у свою чергу, складається з більш малих елементарних частинок з певної кількості протонів та нейтронів(загальна назва для яких – нуклони), пов'язаних між собою ядерними силами.

Кількість протоніву ядрі визначає будову електронної оболонки атома. А електронна оболонка визначає фізико-хімічні властивості речовини. Число протонів відповідає порядковому номеру атома в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва, називається також зарядне число, атомний номер, атомне число. Наприклад, число протонів у атома Гелія - ​​2. У періодичній таблиці він стоїть під номером 2 і позначається як He 2 Символом для позначення кількості протонів служить латинська буква Z. При записі формул часто цифра, що вказує на кількість протонів, розташовується знизу від символу елемента або праворуч, або зліва: He 2/2 He.

Кількість нейтроніввідповідає певному ізотопу тієї чи іншої елемента. Ізотопи – це елементи з однаковим атомним номером (однаковою кількістю протонів та електронів), але з різним масовим числом. Масове число– загальна кількість нейтронів та протонів у ядрі атома (позначається латинською літерою А). При записі формул масове число вказується у верхній частині символу елемента з однієї зі сторін: He 4 2 / 4 2 He (Ізотоп Гелія – Гелій - 4)

Таким чином, щоб дізнатися кількість нейтронів у тому чи іншому ізотопі, слід від загального масового числа відібрати число протонів. Наприклад, нам відомо, що в атомі Гелія-4 He 4 2 міститься 4 елементарні частинки, так як масове число ізотопу - 4 . При цьому нам відомо, що He 4 2 має 2 протони. Відібравши від 4 (загальне масове число) 2 (у протонів) отримуємо 2 – кількість нейтронів в ядрі Гелія-4.

ПРОЦЕС РОЗРАХУНКУ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИНОК ПО В ЯДРІ АТОМА. Як приклад, ми не випадково розглянули Гелій-4 (He 4 2), ядро ​​якого складається з двох протонів і двох нейтронів. Оскільки ядро ​​Гелія-4, що називається альфа-частинкою (α-частинка) має найбільшу ефективність в ядерних реакціях, його часто використовують для експериментів у цьому напрямку. Варто зазначити, що у формулах ядерних реакцій часто замість He 4 2 використовується символ α.

Саме за участю альфа-часток була проведена Е. Резерфордом перша в офіційної історіїфізики реакція ядерного перетворення. В ході реакції α-частинками (He 4 2) «бомбардувалися» ядра ізотопу азоту (N 14 7), внаслідок чого утворився ізотоп оксигену (O 17 8) та один протон (p 1 1)

Ця ядерна реакція виглядає так:

Здійснимо розрахунок кількості фантомних частинок До і після цього перетворення.

ДЛЯ РОЗРАХУНКУ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИН НЕОБХІДНО:
Крок 1. Порахувати кількість нейтронів та протонів у кожному ядрі:
- кількість протонів вказано у нижньому показнику;
- кількість нейтронів дізнаємося, відібравши від загального масового числа (верхній показник) кількість протонів (нижній показник).

Крок 2. Порахувати кількість фантомних частинок По в атомному ядрі:
- помножити кількість протонів на кількість фантомних частинок, що містяться в 1 протоні;
- помножити кількість нейтронів на кількість фантомних частинок, що містяться в 1 нейтроні;

Крок 3. Скласти кількість фантомних частинок:
- скласти одержану кількість фантомних частинок По в протонах з одержаною кількістю в нейтронах в ядрах до реакції;
- скласти одержану кількість фантомних частинок По в протонах з одержаною кількістю в нейтронах в ядрах після реакції;
- порівняти кількість фантомних частинок до реакції з кількістю фантомних частинок після реакції.

ПРИКЛАД РОЗВЕРНУТОГО ВИЧИСЛЕННЯ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИНОК ПО В ЯДРАХ АТОМІВ.
(Ядерна реакція за участю α-частки (He 4 2), проведена Е. Резерфордом у 1919 році)

ДО РЕАКЦІЇ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Кількість протонів: 7
Кількість нейтронів: 14-7 = 7
в 1 протоні - 12 По, значить у 7 протонах: (12 х 7) = 84;
у 1 нейтроні – 33 По, отже у 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 84+231 = 315

He 4 2
Кількість протонів – 2
Кількість нейтронів 4-2 = 2
Кількість фантомних частинок:
в 1 протоні - 12 По, значить у 2 протонах: (12 х 2) = 24
у 1 нейтроні – 33 По, отже у 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 24+66 = 90

Разом, кількість фантомних частинок до реакції

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

ПІСЛЯ РЕАКЦІЇ (O 17 8) та один протон (p 1 1):
O 17 8
Кількість протонів: 8
Кількість нейтронів: 17-8 = 9
Кількість фантомних частинок:
в 1 протоні - 12 По, значить у 8 протонах: (12 х 8) = 96
у 1 нейтроні – 33 По, отже, у 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 96+297 = 393

p 1 1
Кількість протонів: 1
Кількість нейтронів: 1-1 = 0
Кількість фантомних частинок:
У 1 протоні – 12 По
Нейтрони відсутні.
Загальна кількість фантомних частинок По в ядрі: 12

Разом, кількість фантомних частинок після реакції
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Порівняємо кількість фантомних частинок По до та після реакції:

ПРИКЛАД СКОРОЧЕНОЇ ФОРМИ ВИЧИСЛЕННЯ КІЛЬКОСТІ ФАНТОМНИХ ЧАСТИНОК ПО В ЯДЕРНІЙ РЕАКЦІЇ.

Відомої ядерною реакцієює реакція взаємодії α-частинок з ізотопом берилію, на якій вперше був виявлений нейтрон, що проявив себе як самостійна частка в результаті ядерного перетворення. Ця реакція була здійснена в 1932 англійським фізиком Джеймсом Чедвіком. Формула реакції:

213 + 90 → 270 + 33 - кількість фантомних частинок По в кожному з ядер

303 = 303 - Загальна сумафантомних частинок По до та після реакції

Кількості фантомних частинок До і після реакції рівні.