Atomo branduolys. Tema: Atomo branduolio sudėtis. Branduolinės jėgos Atominių branduolių sudėtis Branduolinės jėgos masės defektas

§1 Krūvis ir masė, atomo branduoliai

Svarbiausios branduolio charakteristikos yra jo krūvis ir masė. M.

Z- branduolio krūvį lemia branduolyje sukoncentruotų teigiamų elementariųjų krūvių skaičius. Teigiamo elementaraus krūvio nešėjas R= 1,6021 10 -19 C branduolyje yra protonas. Atomas kaip visuma yra neutralus, o branduolio krūvis kartu lemia elektronų skaičių atome. Elektronų pasiskirstymas atome energetiniuose apvalkaluose ir subapvaliuose iš esmės priklauso nuo bendro jų skaičiaus atome. Todėl branduolio krūvis daugiausia lemia elektronų pasiskirstymą per jų būsenas atome ir elemento padėtį periodinėje Mendelejevo sistemoje. Branduolinis užtaisas yraqaš = z· e, kur z- branduolio krūvio skaičius, lygus elemento eilės skaičiui Mendelejevo sistemoje.

Atomo branduolio masė praktiškai sutampa su atomo mase, nes visų atomų, išskyrus vandenilį, elektronų masė yra maždaug 2,5 10 -4 atomų masės. Atomų masė išreiškiama atominės masės vienetais (a.m.u.). Už a.u.m. priimta 1/12 anglies atomo masės.

1 amu \u003d 1,6605655 (86) 10 -27 kg.

maš = m a -Z aš.

Izotopai yra tam tikro cheminio elemento atomų atmainos, turinčios tą patį krūvį, bet skirtingos masės.

Sveikasis skaičius arčiausiai atominės masės, išreikštas a.u. m . vadinamas masės skaičiumi m ir žymimas raide BET. Cheminio elemento žymėjimas: BET- masės skaičius, X - cheminio elemento simbolis,Z- apmokestinimo numeris - serijos numeris periodinėje lentelėje ():

Berilis; Izotopai: , ", .

Šerdies spindulys:

kur A yra masės skaičius.

§2 Šerdies sudėtis

Vandenilio atomo branduolyspaskambino protonas

mprotonas= 1,00783 amu , .

Vandenilio atomo diagrama

1932 m. buvo atrasta dalelė, vadinama neutronu, kurios masė yra artima protono masei.mneutronas= 1,00867 a.m.u.) ir neturi elektros krūvio. Tada D.D. Ivanenko suformulavo hipotezę apie branduolio protonų-neutronų struktūrą: branduolį sudaro protonai ir neutronai, o jų suma lygi masės skaičiui. BET. 3 eilinis skaičiusZnustato protonų skaičių branduolyje, neutronų skaičiųN \u003d A–Z.

Elementariosios dalelės – protonų ir neutronų patekimasį šerdį, yra bendrai žinomi kaip nukleonai. Branduolių nukleonai yra būsenose, gerokai skiriasi nuo jų laisvųjų valstybių. Tarp nukleonų yra specialus aš de r nauja sąveika. Jie sako, kad nukleonas gali būti dviejų „įkrovos būsenų“ – protonų būsenos su krūviu+ e, ir neutronas, kurio krūvis lygus 0.

§3 Branduolio surišimo energija. masės defektas. branduolines pajėgas

Branduolinės dalelės – protonai ir neutronai – tvirtai laikosi branduolio viduje, todėl tarp jų veikia labai didelės patrauklios jėgos, galinčios atlaikyti didžiules atstumiančias jėgas tarp panašiai įkrautų protonų. Šios specialiosios jėgos, atsirandančios nedideliais atstumais tarp nukleonų, vadinamos branduolinėmis jėgomis. Branduolinės jėgos nėra elektrostatinės (Coulomb).

Branduolio tyrimas parodė, kad tarp nukleonų veikiančios branduolinės jėgos turi šias savybes:

a) tai yra trumpo nuotolio jėgos, pasireiškiančios 10–15 m atstumu ir smarkiai mažėjančios net šiek tiek padidėjus atstumui;

b) branduolinės jėgos nepriklauso nuo to, ar dalelė (nukleonas) turi krūvį – krūvio nepriklausomybę nuo branduolinių jėgų. Branduolinės jėgos, veikiančios tarp neutrono ir protono, tarp dviejų neutronų, tarp dviejų protonų, yra lygios. Protonai ir neutronai branduolinių jėgų atžvilgiu yra vienodi.

Ryšio energija yra atomo branduolio stabilumo matas. Branduolio surišimo energija yra lygi darbui, kurį reikia atlikti norint padalinti branduolį į jį sudarančius nukleonus, nesuteikiant jiems kinetinės energijos

M I< Σ( m p + m n)

Aš – branduolio masė

Išmatavus branduolių mases, matyti, kad likusi branduolio masė yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų likusių masių sumą.

Vertė

tarnauja kaip surišimo energijos matas ir vadinamas masės defektu.

Einšteino lygtis specialiojoje reliatyvumo teorijoje susieja dalelės energiją ir ramybės masę.

Bendruoju atveju branduolio surišimo energiją galima apskaičiuoti pagal formulę

kur Z - krūvio skaičius (protonų skaičius branduolyje);

BET- masės skaičius (bendras nukleonų skaičius branduolyje);

m p, , m n ir M i- protono, neutrono ir branduolio masė

Masės defektas (Δ m) yra lygūs 1 a.u. m (a.m.u. – atominės masės vienetas) atitinka surišimo energiją (E St), lygią 1 a.u.e. (a.u.e. – atominis energijos vienetas) ir lygus 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Branduolinės reakcijos

Branduoliuose vykstantys pokyčiai sąveikaujant su atskiromis dalelėmis ir tarpusavyje paprastai vadinami branduolinėmis reakcijomis.

Yra šios, dažniausiai pasitaikančios branduolinės reakcijos.

1. Transformacijos reakcija . Tokiu atveju krintanti dalelė lieka branduolyje, tačiau tarpinis branduolys išskiria kokią nors kitą dalelę, todėl produkto branduolys skiriasi nuo tikslinio branduolio.

1. Radiacinė gaudymo reakcija . Įkritusi dalelė įstringa branduolyje, tačiau sužadintas branduolys išskiria energijos perteklių, išskirdamas γ-fotoną (naudojamą branduolinių reaktorių darbe)

Kadmio neutronų gaudymo reakcijos pavyzdys

arba fosforo

1. Išsibarstymas. Tarpinis branduolys išskiria dalelę, identišką

su skristi, ir tai gali būti:

Elastinis sklaidymas neutronai su anglimi (naudojami reaktoriuose iki vidutinio neutronų):

Neelastinga sklaida :

1. dalijimosi reakcija. Tai reakcija, kuri visada vyksta išleidžiant energiją. Tai yra branduolinės energijos techninės gamybos ir naudojimo pagrindas. Dalijimosi reakcijos metu tarpinio junginio branduolio sužadinimas yra toks didelis, kad išsiskiria į du, maždaug vienodus fragmentus, išsiskiriant keliems neutronams.

Jei sužadinimo energija maža, tai branduolio atsiskyrimas nevyksta, o branduolys, praradęs energijos perteklių išskirdamas γ - fotoną arba neutroną, grįš į normalią būseną (1 pav.). Bet jei neutrono įnešama energija yra didelė, tada sužadintas branduolys pradeda deformuotis, jame susidaro susiaurėjimas ir dėl to jis yra padalintas į du fragmentus, kurie didžiuliu greičiu skrenda vienas nuo kito, o išspinduliuoja du neutronai.
(2 pav.).

Grandininė reakcija- savaime besivystanti dalijimosi reakcija. Jai įgyvendinti būtina, kad iš antrinių neutronų, susidarančių vieno dalijimosi įvykio metu, bent vienas galėtų sukelti kitą dalijimosi įvykį: (kadangi kai kurie neutronai gali dalyvauti gaudymo reakcijose nesukeldami dalijimosi). Kiekybiškai grandininės reakcijos egzistavimo sąlyga išreiškia dauginimo koeficientas

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - grandininės reakcijos su pastoviu neutronų skaičiumi (branduoliniame reaktoriuje),k > 1 (m > m kr ) yra branduolinės bombos.

RADIOAKTYVUMAS

§1 Natūralus radioaktyvumas

Radioaktyvumas – tai spontaniškas vieno elemento nestabilių branduolių pavertimas kito elemento branduoliais. natūralus radioaktyvumas vadinamas radioaktyvumu, pastebėtu gamtoje egzistuojančiuose nestabiliuose izotopuose. Dirbtinis radioaktyvumas vadinamas izotopų radioaktyvumu, gautu dėl branduolinių reakcijų.

Radioaktyvumo rūšys:

1. α-skilimas.

Kai kurių α sistemos cheminių elementų išmetimas iš dviejų protonų ir dviejų tarpusavyje sujungtų neutronų (a dalelė - helio atomo branduolys)

α-skilimas būdingas sunkiems branduoliams su BET> 200 irZ > 82. Judant medžiagoje, α-dalelės savo kelyje sukelia stiprią atomų jonizaciją (jonizacija – elektronų atskyrimas nuo atomo), veikdamos juos savo elektriniu lauku. Atstumas, per kurį α-dalelė praskrenda materijoje, kol visiškai sustoja, vadinamas dalelių diapazonas arba skvarbi galia(žymimasR, [ R ] = m, cm). . Normaliomis sąlygomis susidaro α dalelė in ore 30 000 porų jonų 1 cm keliu. Specifinė jonizacija – tai jonų porų, susidariusių 1 cm kelio ilgio, skaičius. α-dalelė turi stiprų biologinį poveikį.

Alfa skilimo poslinkio taisyklė:

2. β-skilimas.

a) elektroninis (β -): branduolys skleidžia elektroną ir elektroninį antineutriną

b) pozitronas (β +): branduolys skleidžia pozitroną ir neutriną

Šie procesai vyksta paverčiant vieno tipo nukleonus į branduolį į kitą: neutroną į protoną arba protoną į neutroną.

Elektronų branduolyje nėra, jie susidaro dėl abipusės nukleonų transformacijos.

Pozitronas - dalelė, kuri nuo elektrono skiriasi tik krūvio ženklu (+e = 1,6 10 -19 C)

Iš eksperimento matyti, kad β - skilimo metu izotopai praranda tiek pat energijos. Todėl, remdamasis energijos tvermės dėsniu, W. Pauli numatė, kad išmetama dar viena šviesos dalelė, vadinama antineutrinu. Antineutrinas neturi krūvio ar masės. β-dalelių energijos nuostolius joms pereinant per medžiagą daugiausia sukelia jonizacijos procesai. Dalis energijos prarandama rentgeno spinduliams, kai absorbuojančios medžiagos branduoliai lėtėja β-dalelėmis. Kadangi β-dalelės turi mažą masę, vienetinį krūvį ir labai didelius greičius, jų jonizuojantis gebėjimas yra mažas (100 kartų mažesnis nei α-dalelių), todėl β-dalelių skvarbumo galia (rida) yra žymiai didesnė nei α-dalelės.

Rβ oras = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - skilimas vyksta natūraliuose ir dirbtiniuose radioaktyviuose branduoliuose. β + - tik su dirbtiniu radioaktyvumu.

Poslinkio taisyklė β - - skilimui:

c) K - gaudymas (elektroninis gaudymas) - branduolys sugeria vieną iš elektronų, esančių ant apvalkalo K (rečiauLarba M) jo atomo, dėl kurio vienas iš protonų virsta neutronu, išskirdamas neutriną

K schema – fiksavimas:

Elektronų apvalkalo erdvė, kurią atlaisvina užfiksuotas elektronas, užpildoma elektronais iš viršutinių sluoksnių, todėl susidaro rentgeno spinduliai.

• γ spinduliai.

Paprastai visus radioaktyvumo tipus lydi γ spindulių emisija. γ spinduliai yra elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo vienos iki šimtųjų angstromo λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. γ spindulių energija siekia milijonus eV.

W γ ~ MeV

1eV = 1,6 10 -19 J

Branduolys, kuriame vyksta radioaktyvus skilimas, kaip taisyklė, pasirodo, yra sužadintas, o jo perėjimą į pagrindinę būseną lydi γ - fotono emisija. Šiuo atveju γ-fotono energiją lemia sąlyga

kur E 2 ir E 1 yra branduolio energija.

E 2 - energija sužadintoje būsenoje;

E 1 – energija pagrindinėje būsenoje.

Medžiaga γ spindulius sugeria dėl trijų pagrindinių procesų:

• fotoelektrinis efektas (su hv < l MэB);
• elektronų-pozitronų porų susidarymas;

arba

• sklaida (Compton efektas) -

γ spindulių sugertis vyksta pagal Bouguer dėsnį:

čia μ – tiesinis slopinimo koeficientas, priklausantis nuo γ spindulių energijos ir terpės savybių;

І 0 yra krintančio lygiagretaus pluošto intensyvumas;

ašyra pluošto intensyvumas, praeinantis per storio medžiagą X cm.

γ spinduliai yra viena iš labiausiai prasiskverbiančių spindulių. Stipriausiems spinduliams (hvmax) pusiau sugeriančio sluoksnio storis yra 1,6 cm švino, 2,4 cm geležies, 12 cm aliuminio ir 15 cm žemėje.

§2 Pagrindinis radioaktyvaus skilimo dėsnis.

Suirusių branduolių skaičiusdN proporcingas pradiniam branduolių skaičiui N ir skilimo laikasdt, dN~ N dt. Pagrindinis radioaktyvaus skilimo diferencialiniu pavidalu dėsnis:

Koeficientas λ vadinamas tam tikro tipo branduolio skilimo konstanta. „-“ ženklas tai reiškiadNturi būti neigiamas, nes galutinis nesuirusių branduolių skaičius yra mažesnis nei pradinis.

todėl λ apibūdina per laiko vienetą suyrančių branduolių dalį, t.y., nustato radioaktyvaus skilimo greitį. λ nepriklauso nuo išorinių sąlygų, o yra nulemtas tik branduolių vidinių savybių. [λ]=s -1 .

Pagrindinis radioaktyvaus skilimo vientiso pavidalo dėsnis

kur N 0 – pradinis radioaktyviųjų branduolių skaičius tiest=0;

N- nesuirusių branduolių skaičius vienu metut;

λ yra radioaktyvaus skilimo konstanta.

Praktikoje skilimo greitis vertinamas naudojant ne λ, o T 1/2 – pusinės eliminacijos periodą – laiką, per kurį suyra pusė pradinio branduolių skaičiaus. Ryšys T 1/2 ir λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 metai, T 1/2 Ra = 1590 metų, T 1/2 Rn = 3,825 dienos Skilimų skaičius per laiko vienetą A \u003d -dN/ dtvadinamas tam tikros radioaktyviosios medžiagos aktyvumu.

Iš

seka,

[A] \u003d 1 Bekerelis \u003d 1 skilimas / 1 s;

[A] \u003d 1Ci \u003d 1 Curie \u003d 3,7 10 10 Bq.

Veiklos kitimo dėsnis

kur A 0 = λ N 0 - pradinė veikla tuo metut= 0;

A – veikla vienu metut.

Neutrono atradimas davė impulsą suprasti, kaip išsidėstę atomų branduoliai.

Tais pačiais 1932 m., kai buvo atrastas neutronas, sovietų fizikas Dmitrijus Dmitrijevičius Ivanenko ir vokiečių fizikas Werneris Heisenbergas pasiūlė branduolių struktūros protonų-neutronų modelį, kurio pagrįstumas vėliau buvo patvirtintas eksperimentiškai.

Protonai ir neutronai vadinami nukleonais (iš lotynų kalbos branduolys – branduolys). Vartodami šį terminą galime pasakyti, kad atomų branduoliai susideda iš nukleonų.

• Bendras nukleonų skaičius branduolyje vadinamas masės skaičiumi ir žymimas raide A

Taigi, pavyzdžiui, azoto masės skaičius yra A = 14, geležies A = 56, urano A = 235.

Aišku, kad masės skaičius A yra skaitine prasme lygus branduolio m masei, išreikštai atominės masės vienetais ir suapvalintai iki sveikųjų skaičių (nes kiekvieno nukleono masė apytiksliai lygi 1 AU). Pavyzdžiui, azoto atveju m ≈ 14 a.u. e.m., geležies m ≈ 56 a.u. e.m. ir kt.

• Protonų skaičius branduolyje vadinamas krūvio skaičiumi ir žymimas Z

Pavyzdžiui, azoto įkrovos skaičius yra Z = 7, geležies, Z = 26, urano, Z = 92 ir kt.

Kiekvieno protono krūvis lygus elementariajam elektros krūviui. Todėl krūvio skaičius Z yra lygus branduolio krūviui, išreikštam elementariais elektros krūviais. Kiekvieno cheminio elemento krūvio numeris yra lygus D. I. Mendelejevo lentelėje pateiktam atominiam (serijos) numeriui.

Bet kurio cheminio elemento branduolys paprastai žymimas taip: (po X reiškia cheminio elemento simbolį).

Neutronų skaičius branduolyje paprastai žymimas raide N. Kadangi masės skaičius A yra bendras protonų ir neutronų skaičius branduolyje, galime rašyti: A \u003d Z + N.

Remiantis protonų ir neutronų atomų branduolių struktūros modeliu, buvo paaiškinti kai kurie eksperimentiniai faktai, atrasti per pirmuosius du XX amžiaus dešimtmečius.

Taigi, tiriant radioaktyviųjų elementų savybes, buvo nustatyta, kad tas pats cheminis elementas turi atomus su skirtingos masės branduoliais.

Tas pats branduolių krūvis rodo, kad jie turi tą patį eilės numerį D. I. Mendelejevo lentelėje, tai yra, jie užima tą pačią lentelės langelį, tą pačią vietą. Iš čia kilo visų vieno cheminio elemento atmainų pavadinimas: izotopai (iš graikų kalbos žodžių isos – tas pats ir topos – vieta).

• Izotopai yra tam tikro cheminio elemento atmainos, kurios skiriasi atomų branduolių mase.

Sukūrus branduolio protonų-neutronų modelį (tai yra, praėjus maždaug dviem dešimtmečiams po izotopų atradimo), buvo galima paaiškinti, kodėl vienodo krūvio atomų branduoliai turi skirtingą masę. Akivaizdu, kad izotopų branduoliuose yra tiek pat protonų, bet skirtingą neutronų skaičių.

Taigi, pavyzdžiui, yra trys vandenilio izotopai: (protium), . (deuteris) ir (tritis). Izotopo branduolys iš viso neturi neutronų – tai vienas protonas. Deuterio branduolys susideda iš dviejų dalelių: protono ir neutrono. Tričio branduolį sudaro trys dalelės: vienas protonas ir du neutronai.

Hipotezė, kad atomo branduoliai susideda iš protonų ir neutronų, buvo patvirtinta daugybe eksperimentinių faktų.

Tačiau iškilo klausimas: kodėl branduoliai nesuyra į atskirus nukleonus, veikiant elektrostatinėms atstūmimo jėgoms tarp teigiamai įkrautų protonų?

Skaičiavimai rodo, kad nukleonai negali būti laikomi kartu dėl gravitacinio ar magnetinio pobūdžio patrauklių jėgų, nes šios jėgos yra daug mažesnės nei elektrostatinės.

Ieškodami atsakymo į klausimą apie atomų branduolių stabilumą, mokslininkai pasiūlė, kad tarp visų branduoliuose esančių nukleonų veiktų kažkokios specialios traukos jėgos, kurios gerokai viršija elektrostatines atstumiančias jėgas tarp protonų. Šios jėgos buvo vadinamos branduolinėmis.

Branduolinių jėgų egzistavimo hipotezė pasirodė teisinga. Taip pat paaiškėjo, kad branduolinės jėgos yra trumpo nuotolio: 10 -15 m atstumu jos yra maždaug 100 kartų didesnės už elektrostatinės sąveikos jėgas, tačiau jau 10 -14 m atstumu jos pasirodo nereikšmingos. Kitaip tariant, branduolinės jėgos veikia atstumais, panašiais į pačių branduolių dydį.

Klausimai

1. Kaip protonai ir neutronai vadinami kartu?
2. Kas yra masės skaičius? Ką galima pasakyti apie atomo masės skaitinę reikšmę (amu) ir jo masės skaičių?
3. Ką galima pasakyti apie bet kurio cheminio elemento krūvio numerį, branduolio krūvį (išreikštą elementariais elektros krūviais) ir eilės numerį D. I. Mendelejevo lentelėje?
4. Kaip yra susiję masės skaičius, krūvio skaičius ir neutronų skaičius branduolyje?
5. Kaip paaiškinti vienodus krūvius ir skirtingą masę turinčių branduolių egzistavimą pagal branduolio protonų-neutronų modelį?
6. Koks klausimas iškilo dėl hipotezės, kad atomų branduoliai susideda iš protonų ir neutronų? Kokią prielaidą turėjo daryti mokslininkai, atsakydami į šį klausimą?
7. Kaip vadinamos traukos jėgos tarp branduolyje esančių nukleonų ir kokios joms būdingos savybės?

Naudodamiesi šia vaizdo pamoka, kiekvienas galės savarankiškai studijuoti temą „Atomo branduolio sudėtis. Masinis numeris. Mokesčio numeris. Branduolinės pajėgos. Pamokos metu mokytojas kalbės apie atomo sandarą, taip pat atliks visų ankstesnių pamokų tarpinę sumą apie atomo sandarą.

Fizika 9 klasė

Tema: Atomo sandara ir atomo branduolys. Atominių branduolių energijos panaudojimas

56 pamoka Masinis numeris. Apmokestinti

numerį. branduolines pajėgas

Jeriutkinas Jevgenijus Sergejevičius

aukščiausios kategorijos GOU vidurinės mokyklos Nr.1360 fizikos mokytojas

Maskva

Sveiki! Šios dienos pamoka bus skirta klausimui, susijusiam su atomo branduolio sandaros, krūvio skaičiaus, masės skaičiaus aptarimu, taip pat kalbėsime apie tai, kas yra branduolinės jėgos. Mūsų pamoka yra kai kurių tarpinių rezultatų apibendrinimas visais anksčiau išnagrinėtais klausimais. Norėčiau pasakyti, kad nagrinėjome klausimus, susijusius su atomo sandara ir branduolio sandara. Todėl šiandien apie tai kalbėsime. Kai kurios ankstesnių temų santraukos, ankstesni klausimai. Prieš pereidami prie pirmojo klausimo, pakalbėsime apie tai. Ankstesnėje pamokoje sakėme, kad Rutherfordas savo eksperimentais nustatė, kad yra tokia dalelė kaip protonas. Po kurio laiko, 1932 m., Chadwickas nustatė, kad yra dar viena dalelė, vadinama neutronu. Po šio atradimo, nepriklausomai vienas nuo kito, du žmonės – rusų mokslininkas Ivanenko ir vokiečių mokslininkas Heisenbergas – pasiūlė atomo branduolio sandaros protonų-neutronų modelį. Pagal šią Ivanenko-Heisenbergo teoriją bet kurio atomo branduolyje yra protonų ir neutronų. Šiuos protonus ir neutronus kartu, tuos, kurie yra atomo branduolyje, buvo nuspręsta vadinti nukleonais. Taigi, "nukleonas" (iš lot. "branduolys") - bendras protonų ir neutronų pavadinimas. Tos dalelės, kurios turi krūvį, ir tos dalelės, kurios neturi krūvio, neutronai, visos šios dalelės kartu vadinamos nukleonais. Pakalbėkime apie ką nors kita. Branduolinio užtaiso idėją 1913 metais pirmą kartą iškėlė anglų mokslininkas Henry Moseley. Jis pasiūlė, kad atomas yra elektriškai neutralus, todėl elementų skaičius, padaugintas iš elementariojo elektros krūvio, yra branduolio krūvis. Kaip Moseley padarė tokią išvadą? Faktas yra tas, kad elektronų skaičius atome atitinka serijos numerį. Tai reiškia, kad visų elektronų krūvis yra serijos numerio ir vieno elektrono krūvio sandauga. Kadangi teigiamas krūvis yra sutelktas branduolyje, tai reiškia, kad tą patį galima pasakyti ir apie branduolį. Pažiūrėkime, kaip tai atėjo Moseley būtent į tai, ką vadiname apmokestinimo numeriu. Žiūrėk:

qaš = Z . | e|

qaš- branduolinis užtaisas

e – elektronų krūvis

Z- protonų skaičius branduolyje, krūvio skaičius

Pagal šį teiginį skaičiaus krūvis apibrėžiamas kaip serijos numerio ir elementaraus elektros krūvio sandauga. Tokiu atveju e - tai elektrono krūvis, jis vadinamas elementariuoju elektros krūviu ir imamas modulo, nes aišku, kad branduolio krūvis yra teigiamas. Šiuo atveju serijos numeris buvo pradėtas vadinti įkrovos numeriu, serijos numeris yra skaičius, atitinkantis protonų skaičių branduolyje. Taigi, kai kalbame apie serijos numerį, galime kalbėti apie protonų skaičių branduolyje. Kitas skaičius, apie kurį reikia kalbėti, yra masės skaičius. Jis, šis skaičius, žymimas raide A, o tas pats skaičius paimtas iš periodinės lentelės ir suapvalintas iki sveikųjų skaičių. Tada galime kalbėti apie lygtį, kuri visame pasaulyje vadinama Ivanenko-Heizenbergo lygtimi. Ši lygtis susideda iš trijų skaičių: masės skaičiaus, krūvio skaičiaus ir neutronų skaičiaus. Pažiūrėkime, kaip tai parašyta ir kaip šie dydžiai žymimi.

Ivanenko-Heizenbergo lygtis

A =Z + N

A yra masės skaičius

Z- elemento serijos numeris,

N- neutronų skaičius branduolyje

Pažiūrėkite: masės skaičius A nurodo, kiek nukleonai patenka į šerdį. Paaiškėjo, kad pagal periodinę lentelę, nustatydami cheminio elemento masės skaičių, nustatome nukleonų skaičių atomo branduolyje.

Z, kaip minėjome, bus serijos numeris ir protonų skaičius branduolyje. N šiuo atveju yra neutronų skaičius. Taigi iš šios lygties galime nustatyti neutronų skaičių, protonų skaičių, žinodami masės skaičių ir eilės numerį. Čia būtina atkreipti dėmesį į svarbų dalyką. Faktas yra tas, kad 1913 m. kitas mokslininkas Soddy (pamenate, kad šis žmogus dirbo su Rutherfordu) nustatė įdomų dalyką. Nustatyta, kad yra cheminių elementų, kurių cheminės savybės yra visiškai vienodos, tačiau skiriasi masės skaičiai. Elementai, kurių cheminės savybės yra vienodos, bet skiriasi masės skaičiais, vadinami izotopais. Izotopai - Tai yra cheminiai elementai, turintys tas pačias chemines savybes, tačiau turintys skirtingą atomų branduolių masę.

Taip pat reikėtų pridurti, kad izotopai turi skirtingą radioaktyvumą. Visa tai kartu paskatino šios problemos tyrimą. Tai rodo lengvųjų ir sunkiųjų cheminių elementų izotopus. Pažiūrėkime. Mes pasirinkome specialiai skirtingas periodinės lentelės sritis, kad parodytume, jog beveik visi cheminiai elementai turi izotopų.

Izotopai:

H – protiumU

H – deuterisU

H – tritis

Vandenilis turi tris iš šių izotopų. Pirmasis izotopas H vadinamas protiumu. Atkreipkite dėmesį, kad serijos numeris yra žemiau, tai yra skaičius Z, o masės skaičius yra parašytas viršuje - tai yra skaičius A. Virš A, žemiau Z, o jei suprantame, tai reiškia, kad branduolyje Protiumo atomas yra paprasčiausias cheminis elementas, labiausiai paplitęs visatoje. Protonas yra tik 1, o neutronų šiame branduolyje iš viso nėra. Yra ir antras vandenilio tipas – tai deuteris. Tikriausiai daugelis yra girdėję šį žodį. Atkreipkite dėmesį: serijos numeris yra 1, o masės skaičius yra 2. Taigi deuterio branduolys jau susideda iš 1 protono ir vieno neutrono. Ir yra dar vienas vandenilio izotopas. Jis vadinamas tričiu. Tritis yra tiesiog (eilės numeris vienas), o masės skaičius rodo, kad šio izotopo branduolyje yra 2 neutronai. Ir dar vienas elementas yra uranas. Visai kita periodinės lentelės pusė. Tai jau sunkūs elementai. Uranas turi 2 bendrus izotopus. Tai uranas 235. Eilės numeris yra 92, o masės skaičius 235. Iš karto galima kalbėti apie tai, kuo vieno elemento branduolys skiriasi nuo kito. Antrasis izotopas: taip pat serijos numeris yra 92, o masės skaičius yra 238. Labai dažnai, kai kalbama apie izotopus, ypač uraną, jie niekada nepasako eilės numerio. Jie tiesiog pasako „uranas“, įvardija cheminį elementą ir pasako jo masės skaičių – 238. Arba uranas 235. Mes diskutuojame šiuo klausimu dėl tos paprastos priežasties, kad žinome, koks svarbus šis cheminis elementas šiandien yra mūsų šalies ir Lietuvos energetikai. bendras visos pasaulio energetikos aspektas.

Kitas klausimas, kurį turime paliesti, išplaukia iš to, kas buvo pasakyta. Kaip šios dalelės, šie nukleonai laikomi branduolio viduje? Įvardijome skirtingus cheminius elementus, skirtingus izotopus, ypač sunkiuosius elementus, kur nukleonai, t.y. protonų ir neutronų, daug. Kaip, kaip jie laikomi branduolio viduje? Žinome, kad nedidelio atstumo branduolyje branduolio dydis yra labai labai mažas, galima surinkti daug nukleono dalelių. Kaip šie nukleonai ten taip tankiai, glaudžiai laikomi, kokių jėgų? Išties, dėl elektrostatinės atstūmimo šios dalelės turi labai greitai suirti, išsisklaidyti. Žinome, kad traukia tik priešingi krūviai, o priešingais krūviais įkrautos dalelės. Jei dalelės įkraunamos tuo pačiu pavadinimu, aišku, kad jos turi atstumti. Branduolio viduje yra protonai. Jie yra teigiamai įkrauti. Branduolio dydis yra labai mažas. Tame pačiame branduolyje yra ir neutronų, o tai reiškia, kad turi būti jėgos, laikančios kartu tas ir kitas daleles. Šios jėgos vadinamos branduolinėmis jėgomis. Branduolinės jėgos yra traukos jėgos, veikiančios tarp nukleonų. Galime pasakyti, kad šios jėgos turi savo ypatingų savybių.

Pirmas turtas, apie kurį turime kalbėti, yra tai branduolinės jėgos turi viršyti elektrostatinės atstūmimo jėgas. Ir taip yra, kai buvo įmanoma juos nustatyti, paaiškėjo, kad jie yra 100 kartų didesni už elektrostatinės atstūmimo jėgas. Kita labai svarbi pastaba yra ta branduolinės pajėgos veikia nedideliu atstumu. Pavyzdžiui, 10–15 m - tai yra šerdies skersmuo, šios jėgos veikia. Tačiau kai tik branduolio dydis padidėja iki 10–14, o tai atrodė gana mažai, tai lemia, kad branduolys būtinai suirs. Šiuo atstumu branduolinės jėgos nebėra aktyvios. O elektrostatinės atstūmimo jėgos veikia ir toliau, ir būtent jos yra atsakingos už tai, kad branduolys irsta.

Kitas dalykas, kurį reikia pasakyti apie branduolines pajėgas, yra tai jie nėra centriniai, t.y. jie neveikia išilgai tiesia linija, jungiančia šias daleles. Ir tai, kad branduolinės jėgos nepriklauso nuo to, ar dalelė turi krūvį, ar ne, nes į branduolį patenka ir protonai, ir neutronai. Šios dalelės yra kartu. Taigi išvada tokia: šios dalelės, nukleonai, dėl branduolinių jėgų laikosi branduolyje, o šios jėgos veikia tik branduolyje. Taip pat galima pastebėti, kad branduolinės jėgos yra svarbios branduolinio stabilumo požiūriu. Atsakingas už šio elemento egzistavimo ilgaamžiškumą. Apibendrinant galima pastebėti dar vieną dalyką: kai kalbame apie energetiką, būtent čia branduolinės pajėgos atliks pagrindinį vaidmenį. Apie tai kalbėsime kitose pamokose. Viso gero.

Užduotis pamokai.

1. Nustatykite geležies branduolių nukleonų sudėtį (nukleonų, protonų, neutronų skaičius).

2. Cheminio elemento atomo branduolyje yra 22 protonai ir 26 neutronai. Pavadinkite šį cheminį elementą.

3. Įvertinkite dviejų branduolyje esančių neutronų gravitacinės sąveikos stiprumą. Neutrono masė yra maždaug 1,7 * 10 -27 kg, paimkite atstumą tarp neutronų, lygų 10 -15 m, gravitacinės konstantos reikšmė yra 6,67 * 10-11 (N * m 2) / kg 2.

Atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio ir aplinkinių elektronų. Atomo branduolių matmenys yra maždaug 10 -14 ... 10 -15 m (tiesiniai atomo matmenys yra 10 -10 m).

Atomo branduolys sudarytas iš elementariųjų dalelių protonai ir neutronai. Branduolio protonų-neutronų modelį pasiūlė rusų fizikas D. D. Ivanenko, o vėliau jį sukūrė V. Heisenbergas.

protonas ( R) turi teigiamą krūvį, lygų elektrono ir ramybės masės krūviui t p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m m e, kur m e yra elektrono masė. Neutronas ( n)-neutrali dalelė su ramybės mase m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839 m t e ,. Protonų ir neutronų masė dažnai išreiškiama kitais vienetais – atominės masės vienetais (a.m.u., masės vienetas, lygus 1/12 anglies atomo masės

). Protono ir neutrono masės yra maždaug lygios vienam atominės masės vienetui. Protonai ir neutronai vadinami nukleonai(nuo lat. branduolys- branduolys). Bendras nukleonų skaičius atomo branduolyje vadinamas masės skaičiumi BET).

Branduolių spinduliai didėja didėjant masės skaičiui pagal ryšį R= 1,4BET 1/3 10 -13 cm.

Eksperimentai rodo, kad branduoliai neturi aštrių ribų. Branduolio centre yra tam tikras branduolinės medžiagos tankis, kuris palaipsniui mažėja iki nulio, didėjant atstumui nuo centro. Dėl to, kad nėra tiksliai apibrėžtos branduolio ribos, jo „spindulys“ apibrėžiamas kaip atstumas nuo centro, kuriame branduolinės medžiagos tankis sumažėja perpus. Pasirodo, kad daugumos branduolių vidutinis medžiagos tankio pasiskirstymas yra ne tik sferinis. Dauguma branduolių yra deformuoti. Dažnai branduoliai būna pailgų arba suplotų elipsoidų pavidalo.

Atominis branduolys yra charakterizuojamas mokestisZe, kur Zįkrovimo numeris branduolys, lygus protonų skaičiui branduolyje ir sutampantis su cheminio elemento eilės numeriu Mendelejevo periodinėje elementų sistemoje.

Branduolys žymimas tuo pačiu simboliu kaip ir neutralus atomas:

, kur X- cheminio elemento simbolis, Z atominis skaičius (protonų skaičius branduolyje), BET- masės skaičius (nukleonų skaičius branduolyje). Masinis skaičius BET maždaug lygus branduolio masei atominės masės vienetais.

Kadangi atomas yra neutralus, branduolio krūvis Z nustato elektronų skaičių atome. Elektronų skaičius priklauso nuo pasiskirstymo atomo būsenose. Branduolio krūvis lemia tam tikro cheminio elemento specifiką, t.y., nustato elektronų skaičių atome, jų elektronų apvalkalų konfigūraciją, intraatominio elektrinio lauko dydį ir pobūdį.

Branduoliai su vienodais krūvio skaičiais Z, bet su skirtingais masės skaičiais BET(t. y. su skirtingu neutronų skaičiumi N = A-Z) vadinami izotopais, o branduoliai su tuo pačiu BET, bet kitoks Z- izobarai. Pavyzdžiui, vandenilis ( Z= l) turi tris izotopus: H - protium ( Z=l, N= 0), H - deuteris ( Z=l, N= 1), H - tritis ( Z=l, N\u003d 2), alavas - dešimt izotopų ir tt Daugeliu atvejų to paties cheminio elemento izotopai turi tas pačias chemines ir beveik tas pačias fizines savybes.

E, MeV

Energijos lygiai

ir pastebėti boro atomo branduolio perėjimai

Kvantinė teorija griežtai riboja energijos vertes, kurias gali turėti branduolių sudedamosios dalys. Protonų ir neutronų rinkiniai branduoliuose gali būti tik tam tikros atskiros energijos būsenos, būdingos tam tikram izotopui.

Kai elektronas keičiasi iš aukštesnės į žemesnės energijos būseną, energijos skirtumas išspinduliuojamas fotono pavidalu. Šių fotonų energija yra kelių elektronų voltų eilės. Branduoliams lygių energijos yra maždaug nuo 1 iki 10 MeV. Perėjimų tarp šių lygių metu išspinduliuojami labai didelės energijos fotonai (γ-kvantai). Norėdami iliustruoti tokius perėjimus Fig. 6.1 rodo pirmuosius penkis branduolio energijos lygius

.Vertikalios linijos rodo pastebėtus perėjimus. Pavyzdžiui, branduoliui pereinant iš 3,58 MeV energijos į būseną, kurios energija yra 2,15 MeV, išspinduliuojamas γ-kvantas, kurio energija yra 1,43 MeV.

Atomas yra mažiausia cheminio elemento dalelė, kuri išlaiko visas savo chemines savybes. Atomas susideda iš teigiamai įkrauto branduolio ir neigiamo krūvio elektronų. Bet kurio cheminio elemento branduolio krūvis lygus Z ir e sandaugai, kur Z – šio elemento eilės numeris periodinėje cheminių elementų sistemoje, e – elementariojo elektros krūvio reikšmė.

Elektronas- tai mažiausia medžiagos dalelė su neigiamu elektros krūviu e=1,6·10 -19 kulonų, paimta kaip elementarus elektros krūvis. Elektronai, besisukantys aplink branduolį, yra ant elektronų apvalkalų K, L, M ir kt. K yra arčiausiai branduolio esantis apvalkalas. Atomo dydį lemia jo elektroninio apvalkalo dydis. Atomas gali prarasti elektronus ir tapti teigiamu jonu arba įgyti elektronų ir tapti neigiamu jonu. Jono krūvis lemia prarastų arba įgytų elektronų skaičių. Neutralaus atomo pavertimo įkrautu jonu procesas vadinamas jonizacija.

atomo branduolys(centrinė atomo dalis) susideda iš elementariųjų branduolinių dalelių – protonų ir neutronų. Branduolio spindulys yra maždaug šimtą tūkstančių kartų mažesnis už atomo spindulį. Atomo branduolio tankis itin didelis. Protonai- Tai stabilios elementarios dalelės, turinčios vienetinį teigiamą elektros krūvį ir masę, 1836 kartus didesnę už elektrono masę. Protonas yra lengviausio elemento – vandenilio – branduolys. Protonų skaičius branduolyje yra Z. Neutronas yra neutrali (neturinti elektros krūvio) elementarioji dalelė, kurios masė labai artima protono masei. Kadangi branduolio masę sudaro protonų ir neutronų masė, neutronų skaičius atomo branduolyje yra A - Z, kur A yra tam tikro izotopo masės skaičius (žr.). Protonai ir neutronai, sudarantys branduolį, vadinami nukleonais. Branduolys nukleonai yra surišti specialiomis branduolinėmis jėgomis.

Atominis branduolys turi didžiulę energijos atsargą, kuri išsiskiria branduolinių reakcijų metu. Branduolinės reakcijos atsiranda, kai atomo branduoliai sąveikauja su elementariosiomis dalelėmis arba su kitų elementų branduoliais. Dėl branduolinių reakcijų susidaro nauji branduoliai. Pavyzdžiui, neutronas gali virsti protonu. Šiuo atveju iš branduolio išmetama beta dalelė, t.y., elektronas.

Protono branduolyje perėjimas į neutroną gali būti atliekamas dviem būdais: arba dalelė, kurios masė lygi elektrono masei, bet turi teigiamą krūvį, vadinama pozitronu (pozitronų skilimas), branduolys, arba branduolys pagauna vieną iš elektronų iš artimiausio K apvalkalo (K -pagavimas).

Kartais susidaręs branduolys turi energijos perteklių (jis yra sužadintos būsenos) ir, pereidamas į normalią būseną, išskiria energijos perteklių labai trumpo bangos ilgio elektromagnetinės spinduliuotės pavidalu. Branduolinių reakcijų metu išsiskirianti energija praktiškai naudojama įvairiose pramonės šakose.

Atomas (gr. atomos – nedalomas) yra mažiausia cheminio elemento dalelė, turinti savo chemines savybes. Kiekvienas elementas sudarytas iš tam tikrų tipų atomų. Atomo struktūrą sudaro branduolys, turintis teigiamą elektros krūvį, ir neigiamai įkrauti elektronai (žr.), sudarantys jo elektroninius apvalkalus. Branduolio elektrinio krūvio reikšmė lygi Z-e, kur e elementarus elektros krūvis, dydžiu lygus elektrono krūviui (4,8 10 -10 e.-st. vnt.), o Z atominis skaičius šio elemento periodinėje cheminių elementų sistemoje (žr. .). Kadangi nejonizuotas atomas yra neutralus, jame esančių elektronų skaičius taip pat lygus Z. Branduolio sudėtis (žr. Atomo branduolį) apima nukleonus, elementariąsias daleles, kurių masė maždaug 1840 kartų didesnė už atomo masę. elektronas (lygus 9,1 10 - 28 g), protonai (žr.), teigiamai įkrauti ir bekraunami neutronai (žr.). Nukleonų skaičius branduolyje vadinamas masės skaičiumi ir žymimas raide A. Protonų skaičius branduolyje, lygus Z, lemia į atomą patenkančių elektronų skaičių, elektronų apvalkalų sandarą ir cheminę medžiagą. atomo savybės. Neutronų skaičius branduolyje yra A-Z. Izotopais vadinamos to paties elemento atmainos, kurių atomai vienas nuo kito skiriasi masės skaičiumi A, bet turi tą patį Z. Taigi vieno elemento skirtingų izotopų atomų branduoliuose yra skirtingas skaičius neutronų su tiek pat protonų. Žymint izotopus, elemento simbolio viršuje rašomas masės skaičius A, o apačioje – atominis skaičius; pavyzdžiui, deguonies izotopai žymimi:

Atomo matmenys nustatomi pagal elektronų apvalkalų matmenis ir visiems Z yra apie 10 -8 cm. Kadangi visų atomo elektronų masė kelis tūkstančius kartų mažesnė už branduolio masę, tai mas atomas yra proporcingas masės skaičiui. Tam tikro izotopo atomo santykinė masė nustatoma atsižvelgiant į anglies izotopo C 12 atomo masę, imama 12 vienetų, ir vadinama izotopine mase. Pasirodo, jis artimas atitinkamo izotopo masės skaičiui. Cheminio elemento atomo santykinis svoris yra vidutinė (atsižvelgiant į konkretaus elemento izotopų santykinį gausumą) izotopų masės vertė ir vadinama atominiu svoriu (mase).

Atomas yra mikroskopinė sistema, o jo sandarą ir savybes galima paaiškinti tik pasitelkus kvantinę teoriją, sukurtą daugiausia XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje ir skirtą reiškiniams apibūdinti atominiu mastu. Eksperimentai parodė, kad mikrodalelės – elektronai, protonai, atomai ir kt. – be korpuskulinių, turi banginių savybių, kurios pasireiškia difrakcija ir interferencija. Kvantinėje teorijoje mikroobjektų būklei apibūdinti naudojamas tam tikras bangos laukas, kuriam būdinga banginė funkcija (Ψ-funkcija). Ši funkcija nustato galimų mikroobjekto būsenų tikimybes, t.y., charakterizuoja potencialias vienokių ar kitokių jo savybių pasireiškimo galimybes. Funkcijos Ψ kitimo erdvėje ir laike dėsnis (Šriodingerio lygtis), leidžiantis rasti šią funkciją, kvantinėje teorijoje atlieka tą patį vaidmenį, kaip ir Niutono judėjimo dėsniai klasikinėje mechanikoje. Šriodingerio lygties sprendimas daugeliu atvejų lemia atskiras galimas sistemos būsenas. Taigi, pavyzdžiui, atomo atveju gaunama elektronų banginių funkcijų serija, atitinkanti skirtingas (kvantuotas) energijos reikšmes. Atomo energijos lygių sistema, apskaičiuota kvantinės teorijos metodais, gavo puikų spektroskopijos patvirtinimą. Atomo perėjimas iš pagrindinės būsenos, atitinkančios žemiausią energijos lygį E 0, į bet kurią iš sužadintų būsenų E i įvyksta, kai absorbuojama tam tikra energijos dalis E i - E 0. Sužadintas atomas pereina į mažiau sužadintą arba pagrindinę būseną, paprastai išspinduliuojant fotoną. Šiuo atveju fotono energija hv lygi skirtumui tarp dviejų būsenų atomo energijų: hv= E i - E k čia h Planko konstanta (6,62·10 -27 erg·sek), v dažnis šviesos.

Be atomų spektrų, kvantinė teorija leido paaiškinti ir kitas atomų savybes. Visų pirma buvo paaiškintas valentingumas, cheminio ryšio prigimtis ir molekulių struktūra, sukurta periodinės elementų sistemos teorija.

Atomo branduolys, laikomas dalelių, turinčių tam tikrą protonų ir neutronų skaičių, klase, paprastai vadinamas nuklidas.
Kai kuriais retais atvejais gali susidaryti trumpaamžiai egzotiški atomai, kuriuose vietoj nukleono branduolys yra kitos dalelės.

Protonų skaičius branduolyje vadinamas jo krūvio skaičiumi Z (\displaystyle Z) – šis skaičius lygus elemento, kuriam priklauso atomas, eilės skaičiui periodinėje elementų lentelėje. Protonų skaičius branduolyje lemia neutralaus atomo elektronų apvalkalo struktūrą, taigi ir atitinkamo elemento chemines savybes. Neutronų skaičius branduolyje vadinamas jo izotopinis skaičius N (\displaystyle N) . Branduoliai, turintys vienodą protonų skaičių ir skirtingą neutronų skaičių, vadinami izotopais. Branduoliai, turintys vienodą neutronų skaičių, bet skirtingą protonų skaičių, vadinami izotonais. Terminai izotopas ir izotonas taip pat vartojami kalbant apie atomus, turinčius nurodytus branduolius, taip pat apibūdinant nechemines vieno cheminio elemento atmainas. Bendras nukleonų skaičius branduolyje vadinamas jo masės skaičiumi A (\displaystyle A) ( A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) ir yra maždaug lygus vidutinei atomo masei, nurodytai periodinėje lentelėje. Nuklidai, turintys tą patį masės skaičių, bet skirtingą protonų ir neutronų sudėtį, vadinami izobarais.

Kaip ir bet kuri kvantinė sistema, branduoliai gali būti metastabilios sužadintos būsenos, o kai kuriais atvejais tokios būsenos gyvavimo laikas skaičiuojamas metais. Tokios sužadintos branduolių būsenos vadinamos branduoliniais izomerai.

Enciklopedinis „YouTube“.

Atomo branduolio sandara. branduolines pajėgas

Branduolinės jėgos Dalelių surišimo energija branduolyje Urano branduolių skilimas Grandininė reakcija

Atomo branduolio sandara Branduolinės jėgos

Chemija. Atomo sandara: Atomo branduolys. Foksfordo internetinis mokymosi centras

Branduolinės reakcijos

Subtitrai

Istorija

Įkrautų dalelių sklaidą galima paaiškinti darant prielaidą, kad atomas susideda iš centrinio elektros krūvio, sutelkto taške ir apsuptas vienodo vienodo dydžio priešingos elektros sferinio pasiskirstymo. Esant tokiai atomo struktūrai, α- ir β-dalelės, praeidamos artimu atstumu nuo atomo centro, patiria didelius nuokrypius, nors tokio nukrypimo tikimybė yra maža.

Taigi, Rutherfordas atrado atomo branduolį, nuo to momento prasidėjo branduolio fizika, tirianti atomų branduolių struktūrą ir savybes.

Atradus stabilius elementų izotopus, lengviausio atomo branduoliui buvo priskirtas visų branduolių struktūrinės dalelės vaidmuo. Nuo 1920 metų vandenilio atomo branduolys turi oficialų terminą – protonas. Po tarpinės protonų-elektronų branduolio sandaros teorijos, turėjusios daug akivaizdžių trūkumų, visų pirma, prieštaravusių eksperimentiniams branduolių sukinių ir magnetinių momentų matavimų rezultatams, 1932 m. Jamesas Chadwickas atrado naują elektriškai neutralią dalelę. , vadinamas neutronu. Tais pačiais metais Ivanenko ir, nepriklausomai, Heisenbergas iškėlė hipotezę apie branduolio protonų-neutronų struktūrą. Vėliau, plėtojant branduolinę fiziką ir jos taikymą, ši hipotezė visiškai pasitvirtino.

Atomo branduolio sandaros teorijos

Fizikos raidos procese buvo iškeltos įvairios hipotezės dėl atomo branduolio sandaros; tačiau kiekvienas iš jų gali apibūdinti tik ribotą branduolinių savybių rinkinį. Kai kurie modeliai gali būti nesuderinami.

Garsiausios yra šios:

• Branduolio kritimo modelį 1936 metais pasiūlė Nielsas Bohras.
• Shell modelis branduolys – pasiūlytas XX amžiaus 30-aisiais.
• Apibendrintas Bohr-Mottelson modelis
• Klasterio branduolio modelis
• Nukleonų asociacijų modelis
• Superfluid šerdies modelis
• Statistinis branduolio modelis

Branduolinė fizika

Atominių branduolių krūvius pirmą kartą nustatė Henry Moseley 1913 m. Mokslininkas savo eksperimentinius stebėjimus aiškino rentgeno bangos ilgio priklausomybe nuo tam tikros konstantos Z (\displaystyle Z), kuri keičiasi vienu elementu ir yra lygi vandeniliui:

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

A (\displaystyle a) ir b (\displaystyle b) yra konstantos.

Iš to Moseley padarė išvadą, kad jo eksperimentuose rasta atominė konstanta, kuri lemia būdingos rentgeno spinduliuotės bangos ilgį ir sutampa su elemento serijos numeriu, gali būti tik atomo branduolio, kuris tapo žinomas kaip, krūvis. įstatymas – Mosele .

Svoris

Dėl neutronų skaičiaus skirtumo A - Z (\displaystyle A-Z) Elemento izotopai turi skirtingą masę M (A, Z) (\displaystyle M(A,Z)), kuri yra svarbi branduolio savybė. Branduolinėje fizikoje branduolių masė paprastai matuojama atominiais masės vienetais ( a. valgyti.), vienam a. e. m. paimkite 1/12 12 C nuklido masės. Reikėtų pažymėti, kad standartinė masė, kuri paprastai nurodoma nuklidui, yra neutralaus atomo masė. Norint nustatyti branduolio masę, iš atomo masės reikia atimti visų elektronų masių sumą (tikslesnė vertė bus gauta, jei atsižvelgsime ir į elektronų surišimo su branduoliu energiją) .

Be to, branduolinėje fizikoje dažnai naudojama energijos ekvivalentinė masė. Pagal Einšteino santykį kiekviena masės M reikšmė (\displaystyle M) atitinka bendrą energiją:

E = M c 2 (\displaystyle E = Mc^(2)), kur c (\displaystyle c) yra šviesos greitis vakuume.

Santykis tarp a. e.m ir jo energijos ekvivalentas džauliais:

E 1 = 1 . 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 . 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 . 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1) = 1.660539 (taškas E_(1) = 1.660539 cdot 10^(8))^(2)=1,492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931 , 494 (\displaystyle E_(1) = 931 494).

Spindulys

Sunkiųjų branduolių skilimo analizė patikslino Rutherfordo įvertinimą ir susiejo branduolio spindulį su masės skaičiumi paprastu ryšiu:

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

kur yra konstanta.

Kadangi šerdies spindulys nėra vien geometrinė charakteristika ir pirmiausia siejamas su branduolinių jėgų veikimo spinduliu, r 0 reikšmė (\displaystyle r_(0)) priklauso nuo proceso, kurio analizės metu R ( \displaystyle R) , vidutinė vertė r 0 = 1 , 23 ⋅ 10–15 (\displaystyle r_(0) = 1,23\cdot 10^(-15)) m, taigi šerdies spindulys metrais:

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

Branduolio akimirkos

Kaip ir jį sudarantys nukleonai, branduolys turi savo momentus.

Suk

Kadangi nukleonai turi savo mechaninį momentą arba sukimąsi, lygų 1/2 (\displaystyle 1/2), tada branduoliai turi turėti ir mechaninius momentus. Be to, nukleonai dalyvauja branduolyje orbitiniame judėjime, kuriam taip pat būdingas tam tikras kiekvieno nukleono impulso momentas. Orbitos momentai įgauna tik sveikąsias reikšmesℏ (\displaystyle \hbar ) (Dirako konstanta). Visi mechaniniai nukleonų momentai, tiek sukiniai, tiek orbitiniai, yra sumuojami algebriškai ir sudaro branduolio sukimąsi.

Nepaisant to, kad nukleonų skaičius branduolyje gali būti labai didelis, branduolių sukiniai dažniausiai yra maži ir sudaro ne daugiau kaip kelis ℏ (\displaystyle \hbar ), o tai paaiškinama nukleonų sąveikos ypatumais. to paties pavadinimo. Visi suporuoti protonai ir neutronai sąveikauja tik taip, kad jų sukiniai vienas kitą panaikina, tai yra, poros visada sąveikauja su antilygiagrečiais sukiniais. Bendras poros orbitos impulsas taip pat visada lygus nuliui. Dėl to branduoliai, susidedantys iš lyginio skaičiaus protonų ir lyginio skaičiaus neutronų, neturi mechaninio impulso. Nenuliniai sukiniai egzistuoja tik tiems branduoliams, kurių sudėtyje yra nesuporuotų nukleonų, tokio nukleono sukinys pridedamas prie jo paties orbitos impulso ir turi tam tikrą pusę sveikojo skaičiaus reikšmę: 1/2, 3/2, 5/2. Nelyginės ir nelyginės sudėties branduoliai turi sveikųjų skaičių sukinius: 1, 2, 3 ir tt.

Magnetinis momentas

Išmatuoti sukinius tapo įmanoma dėl tiesiogiai su jais susijusių magnetinių momentų. Jie matuojami magnetonais ir skirtingiems branduoliams yra nuo -2 iki +5 branduolio magnetonų. Dėl gana didelės nukleonų masės branduolių magnetiniai momentai yra labai maži, palyginti su elektronų magnetiniais momentais, todėl juos išmatuoti yra daug sunkiau. Kaip ir sukiniai, magnetiniai momentai matuojami spektroskopiniais metodais, tiksliausias yra branduolinio magnetinio rezonanso metodas.

Lyginių-lyginių porų magnetinis momentas, kaip ir sukinys, yra lygus nuliui. Branduolių su nesuporuotais nukleonais magnetinius momentus sudaro šių nukleonų vidiniai momentai ir momentas, susijęs su nesuporuoto protono judėjimu orbitoje.

Elektrinis kvadrupolio momentas

Atominiai branduoliai, kurių sukimasis yra didesnis arba lygus vienetui, turi nulinius kvadrupolio momentus, o tai rodo, kad jie nėra tiksliai sferiniai. Kvadrupolio momentas turi pliuso ženklą, jei branduolys ištiestas išilgai sukimosi ašies (fusiform body), ir minuso ženklą, jei branduolys ištemptas plokštumoje, statmenoje sukimosi ašiai (lęšinis kūnas). Yra žinomi branduoliai, turintys teigiamą ir neigiamą kvadrupolio momentą. Sferinės simetrijos nebuvimas elektriniame lauke, kurį sukuria branduolys, kurio kvadrupolio momentas nėra nulinis, lemia papildomų atominių elektronų energijos lygių susidarymą ir hipersmulkios struktūros linijų atsiradimą atomų spektruose, kurių atstumai priklauso nuo kvadrupolio. momentas.

Ryšio energija

Pagrindinis stabilumas

Iš to, kad vidutinė surišimo energija nuklidams, kurių masės skaičiai yra didesni arba mažesni nei 50-60, mažėja, išplaukia, kad branduoliams su mažu A (\displaystyle A) sintezės procesas yra energetiškai palankus - termobranduolinė sintezė, dėl kurios padidėja. masės skaičiumi, o branduoliams su dideliu A (\displaystyle A) - dalijimosi procesas. Šiuo metu abu šie procesai, lemiantys energijos išsiskyrimą, yra vykdomi, pastarasis yra šiuolaikinės branduolinės energetikos pagrindas, o pirmasis yra kuriamas.

Išsamūs tyrimai parodė, kad nuo parametro labai priklauso ir branduolių stabilumas N/Z (\displaystyle N/Z)- neutronų ir protonų skaičiaus santykis. Stabiliausių branduolių vidurkis N/Z ≈ 1 + 0,015A 2/3 (\displaystyle N/Z\apytiksliai 1+0,015A^(2/3)), todėl lengvųjų nuklidų branduoliai yra stabiliausi esant N ≈ Z (\displaystyle N\apytiksliai Z), o didėjant masės skaičiui, elektrostatinis atstūmimas tarp protonų tampa vis labiau pastebimas, o stabilumo sritis pasislenka link N > Z (\displaystyle N>Z)(žr. aiškinamąjį paveikslą).

Jei pažvelgsime į gamtoje aptinkamų stabilių nuklidų lentelę, galime atkreipti dėmesį į jų pasiskirstymą pagal lygines ir nelygines Z (\displaystyle Z) ir N (\displaystyle N) reikšmes. Visi branduoliai, turintys nelygines šių kiekių vertes, yra lengvųjų nuklidų branduoliai 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))). Tarp izobarų su nelyginiu A, kaip taisyklė, tik vienas yra stabilus. Lyginio A atveju (\displaystyle A) dažnai yra dvi, trys ar daugiau stabilių izobarų, todėl stabiliausi yra lyginiai-lyginiai, mažiausiai - nelyginiai-nelyginiai. Šis reiškinys rodo, kad tiek neutronai, tiek protonai linkę telktis poromis su antilygiagrečiais sukimais, o tai pažeidžia aukščiau aprašytą surišimo energijos lygumą, palyginti su A (\displaystyle A).

Taigi protonų arba neutronų skaičiaus paritetas sukuria tam tikrą stabilumo ribą, dėl kurios gali egzistuoti keli stabilūs nuklidai, kurie skiriasi atitinkamai izotopų neutronų skaičiumi ir izotonų protonų skaičiumi. Be to, neutronų skaičiaus paritetas sunkiųjų branduolių sudėtyje lemia jų gebėjimą dalytis veikiant neutronams.

branduolines pajėgas

Branduolinės jėgos – tai jėgos, laikančios branduolyje nukleonus, tai yra didelės patrauklios jėgos, veikiančios tik nedideliais atstumais. Jie turi prisotinimo savybes, dėl kurių branduolinėms jėgoms priskiriamas mainų pobūdis (pi-mezonų pagalba). Branduolinės jėgos priklauso nuo sukimosi, nepriklauso nuo elektros krūvio ir nėra centrinės jėgos.

Branduolio lygiai

Skirtingai nuo laisvųjų dalelių, kurių energija gali turėti bet kokią reikšmę (vadinamasis nuolatinis  spektras), surištosios dalelės (ty dalelės, kurių kinetinė energija yra mažesnė už absoliučią potencialo vertę), pagal kvantinę mechaniką, gali būti tik būsenose, turinčiose tam tikras atskiras energijos vertes, vadinamasis diskretinis spektras. Kadangi branduolys yra surištų nukleonų sistema, jis turi atskirą energijos spektrą. Paprastai jis yra žemiausios energijos būsenoje, vadinamas pagrindinis. Jei energija bus perkelta į branduolį, ji virsta susijaudinusi būsena.

Branduolio energijos lygių vieta pirmajame aproksime:

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

D (\displaystyle D) – vidutinis atstumas tarp lygių,

Atomo branduolio sudėtis ir charakteristikos.

Paprasčiausio atomo – vandenilio atomo – branduolys susideda iš vienos elementariosios dalelės, vadinamos protonu. Visų kitų atomų branduoliai susideda iš dviejų tipų elementariųjų dalelių – protonų ir neutronų. Šios dalelės vadinamos nukleonais.

Protonas . Protonas (p) turi krūvį +e ir masę

m p = 938,28 MeV

Palyginimui nurodome, kad elektrono masė yra lygi

m e = 0,511 MeV

Iš palyginimo matyti, kad m p = 1836m e

Protono sukinys yra lygus pusei (s=) ir savo magnetinį momentą

Magnetinio momento vienetas vadinamas branduolio magnetonu. Palyginus protonų ir elektronų mases, matyti, kad μ i yra 1836 kartus mažesnis už Boro magnetoną μ b. Vadinasi, vidinis protono magnetinis momentas yra maždaug 660 kartų mažesnis už elektrono magnetinį momentą.

Neutronas . Neutroną (n) 1932 m. atrado anglų fizikas

D. Chadwickas. Šios dalelės elektros krūvis lygus nuliui, o masė

m n = 939,57 MeV

labai arti protono masės. Neutronų ir protonų masių skirtumas (m n – m p)

yra 1,3 MeV, t.y. 2,5 aš.

Neutrono sukinys yra lygus pusei (s=) ir (nepaisant elektros krūvio nebuvimo) savo magnetinį momentą

μ n = - 1,91 μ i

(minuso ženklas rodo, kad vidinių mechaninių ir magnetinių momentų kryptys yra priešingos). Šio nuostabaus fakto paaiškinimas bus pateiktas vėliau.

Atkreipkite dėmesį, kad eksperimentinių μ p ir μ n verčių santykis su dideliu tikslumu yra lygus - 3/2. Tai pastebėta tik teoriškai gavus tokią vertę.

Laisvoje būsenoje neutronas yra nestabilus (radioaktyvus) – jis spontaniškai suyra, virsdamas protonu ir išskirdamas elektroną (e -) ir kitą dalelę, vadinamą antineutrinu.

. Pusinės eliminacijos laikas (t. y. laikas, per kurį suyra pusė pradinio neutronų skaičiaus) yra maždaug 12 minučių. Skilimo schemą galima parašyti taip:

Likusi antineutrino masė lygi nuliui. Neutrono masė yra 2,5 m e didesnė už protono masę. Vadinasi, neutrono masė 1,5m e viršija bendrą dalelių, atsirandančių dešinėje lygties pusėje, masę, t.y. iki 0,77 MeV. Ši energija išsiskiria neutronui irstant susidariusių dalelių kinetinės energijos pavidalu.

Atomo branduolio charakteristikos . Viena iš svarbiausių atomo branduolio charakteristikų yra krūvio skaičius Z. Jis lygus protonų, sudarančių branduolį, skaičiui ir nustato jo krūvį, kuris lygus + Z e . Skaičius Z nustato cheminio elemento eilės numerį Mendelejevo periodinėje lentelėje. Todėl jis taip pat vadinamas branduolio atominiu skaičiumi.

Nukleonų skaičius (tai yra bendras protonų ir neutronų skaičius) branduolyje žymimas raide A ir vadinamas branduolio masės skaičiumi. Neutronų skaičius branduolyje yra N=A–Z.

Simbolis, naudojamas branduoliams žymėti

kur X yra elemento cheminis simbolis. Viršuje kairėje yra masės skaičius, apačioje kairėje – atominis skaičius (paskutinė piktograma dažnai praleidžiama). Kartais masės skaičius rašomas ne kairėje, o dešinėje nuo cheminio elemento simbolio

Vadinami branduoliai, turintys tą patį Z, bet skirtingą A izotopų. Dauguma cheminių elementų turi keletą stabilių izotopų. Pavyzdžiui, deguonis turi tris stabilius izotopus:

, skarda turi dešimt ir pan.

Vandenilis turi tris izotopus:

- paprastas vandenilis arba protis (Z = 1, N = 0),

- sunkusis vandenilis arba deuteris (Z = 1, N = 1),

– tritis (Z=1, N=2).

Protis ir deuteris yra stabilūs, tritis yra radioaktyvus.

Vadinami branduoliai, kurių masės skaičius yra toks pat A izobarai. Pavyzdys yra

ir

. Vadinami branduoliai, turintys vienodą neutronų skaičių N = A – Z izotonai (

,

Galiausiai yra radioaktyvių branduolių, kurių Z ir A yra vienodi, kurių pusėjimo trukmė skiriasi. Jie vadinami izomerai. Pavyzdžiui, yra du branduolio izomerai

, vieno iš jų pusinės eliminacijos laikas yra 18 minučių, kito – 4,4 valandos.

Yra žinoma apie 1500 branduolių, kurie skiriasi arba Z, arba A, arba abiem. Maždaug 1/5 šių branduolių yra stabilūs, likusieji yra radioaktyvūs. Daugelis branduolių buvo gauti dirbtinai, naudojant branduolines reakcijas.

Gamtoje randami elementai, kurių atominis skaičius Z yra nuo 1 iki 92, išskyrus technecį (Tc, Z = 43) ir prometį (Pm, Z = 61). Plutonis (Pu, Z = 94), po to, kai buvo gautas dirbtiniu būdu, buvo rastas nedideliais kiekiais natūralaus mineralo ir dervos mišinyje. Likusieji transurano (t. y. transurano) elementai (cZ nuo 93 iki 107) buvo gauti dirbtiniu būdu per įvairias branduolines reakcijas.

Transurano elementai curium (96 cm), einsteinis (99 Es), fermis (100 Fm) ir mendeleviumas (101 Md) buvo pavadinti iškilių mokslininkų II garbei. ir M. Curie, A. Einsteinas, Z. Fermi ir D. I. Mendelejevas. Lawrencium (103 Lw) pavadintas ciklotrono išradėjo E. Lawrence vardu. Kurchatovy (104 Ku) gavo savo vardą iškilaus fiziko I. V. garbei. Kurchatovas.

Kai kuriuos transurano elementus, įskaitant kurchatovumą ir elementus 106 ir 107, mokslininkas gavo Jungtinio branduolinių tyrimų instituto Branduolinių reakcijų laboratorijoje Dubnoje.

N.N. Flerovas ir jo darbuotojai.

Šerdies dydžiai . Pirmuoju aproksimavimu branduolį galima laikyti rutuliu, kurio spindulys gana tiksliai nustatomas pagal formulę

(fermi yra branduolio fizikoje naudojamo ilgio vieneto pavadinimas, lygus

10-13 cm). Iš formulės matyti, kad branduolio tūris yra proporcingas nukleonų skaičiui branduolyje. Taigi medžiagos tankis visuose branduoliuose yra maždaug vienodas.

Branduolio sukimasis . Nukleonų sukiniai sumuojasi į gautą branduolio sukimąsi. Nukleono sukinys yra 1/2. Todėl branduolio sukinio kvantinis skaičius nelyginiam nukleonų skaičiui A bus pusiau sveikasis skaičius, o lyginiam A – sveikasis skaičius arba nulis. Branduolių J sukiniai neviršija kelių vienetų. Tai rodo, kad daugumos nukleonų sukimai branduolyje panaikina vienas kitą, būdami priešpriešiniai. Visi lyginiai lyginiai branduoliai (t. y. branduolys, turintis lyginį protonų skaičių ir lyginį skaičių neutronų) turi nulinį sukimąsi.

Prie elektroninio apvalkalo momento pridedamas mechaninis branduolio momentas M J

bendrame kampiniame atomo impulse M F , kurį lemia kvantinis skaičius F.

Elektronų ir branduolio magnetinių momentų sąveika lemia tai, kad atomo būsenos, atitinkančios skirtingas tarpusavio orientacijas M J ir

(t. y. skirtinga F) turi šiek tiek skirtingą energiją. Momentų μ L ir μ S sąveika lemia smulkiąją spektrų struktūrą. Sąveikaμ J ir nustatoma hipersmulkioji atomų spektrų struktūra. Hipersmulkią struktūrą atitinkančių spektrinių linijų skilimas yra toks mažas (kelių šimtųjų angstremo dalių), kad jį galima stebėti tik naudojant aukščiausios skiriamosios gebos instrumentus.

Radioaktyviosios taršos ypatybė, priešingai nei užterštumas kitais teršalais, yra ta, kad žmogui ir aplinkos objektams žalingą poveikį daro ne pats radionuklidas (teršalas), o spinduliuotė, kurios šaltinis ji yra.

Tačiau pasitaiko atvejų, kai radionuklidas yra toksiškas elementas. Pavyzdžiui, po avarijos Černobylio atominėje elektrinėje su branduolinio kuro dalelėmis į aplinką pateko plutonis 239, 242 Pu. Be to, kad plutonis yra alfa skleidėjas ir, patekęs į organizmą, kelia didelį pavojų, pats plutonis yra toksiškas elementas.

Dėl šios priežasties naudojamos dvi kiekybinių rodiklių grupės: 1) radionuklidų kiekiui įvertinti ir 2) radiacijos poveikiui objektui įvertinti.
Veikla- kiekybinis radionuklidų kiekio analizuojamame objekte matas. Aktyvumas nustatomas pagal atomų radioaktyviųjų skilimų skaičių per laiko vienetą. SI aktyvumo vienetas yra Bekerelis (Bq), lygus vienam skilimui per sekundę (1Bq = 1 skilimas/s). Kartais naudojamas nesisteminis aktyvumo matavimo vienetas – Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Radiacijos dozė yra kiekybinis spinduliuotės poveikio objektui matas.
Dėl to, kad spinduliuotės poveikis objektui gali būti vertinamas įvairiais lygiais: fiziniu, cheminiu, biologiniu; atskirų molekulių, ląstelių, audinių ar organizmų ir pan. lygyje naudojamos kelių tipų dozės: sugertas, efektyvus ekvivalentas, ekspozicija.

Spinduliuotės dozės pokyčiui laikui bėgant įvertinti naudojamas indikatorius „dozės galia“. Dozės greitis yra dozės ir laiko santykis. Pavyzdžiui, išorinės apšvitos iš natūralių spinduliuotės šaltinių dozės galia Rusijoje yra 4-20 μR/val.

Pagrindinis standartas žmonėms – pagrindinės dozės ribinė vertė (1 mSv per metus) – įvedamas efektyvios ekvivalentinės dozės vienetais. Yra normatyvai veiklos vienetais, žemės užterštumo lygiais, VDU, GWP, SanPiN ir kt.

Atomo branduolio sandara.

Atomas yra mažiausia cheminio elemento dalelė, kuri išlaiko visas savo savybes. Pagal savo struktūrą atomas yra sudėtinga sistema, susidedanti iš labai mažo (10–13 cm) teigiamai įkrauto branduolio, esančio atomo centre, ir neigiamo krūvio elektronų, besisukančių aplink branduolį įvairiomis orbitomis. Neigiamas elektronų krūvis yra lygus teigiamam branduolio krūviui, o apskritai jis yra elektriškai neutralus.

Atomo branduoliai sudaryti iš nukleonai - branduoliniai protonai ( Z- protonų skaičius) ir branduoliniai neutronai (N – neutronų skaičius). „Branduoliniai“ protonai ir neutronai skiriasi nuo laisvos būsenos dalelių. Pavyzdžiui, laisvasis neutronas, skirtingai nei surištasis branduolyje, yra nestabilus ir virsta protonu ir elektronu.

Nukleonų skaičius Am (masės skaičius) yra protonų ir neutronų skaičių suma: Am = Z + N.

Protonas - bet kurio atomo elementarioji dalelė, jos teigiamas krūvis lygus elektrono krūviui. Elektronų skaičių atomo apvalkale lemia protonų skaičius branduolyje.

Neutronas - kitos rūšies visų elementų branduolinės dalelės. Jo nėra tik lengvojo vandenilio branduolyje, kurį sudaro vienas protonas. Jis neturi įkrovimo ir yra elektra neutralus. Atomo branduolyje neutronai yra stabilūs, o laisvoje būsenoje – nestabilūs. Neutronų skaičius to paties elemento atomų branduoliuose gali svyruoti, todėl neutronų skaičius branduolyje elementui nebūdingas.

Nukleonus (protonus + neutronus) atomo branduolio viduje laiko branduolinės traukos jėgos. Branduolinės jėgos yra 100 kartų stipresnės už elektromagnetines jėgas, todėl branduolyje išlaiko panašaus krūvio protonus. Branduolinės jėgos pasireiškia tik labai mažais atstumais (10 -13 cm), jos sudaro potencialią branduolio surišimo energiją, kuri kai kurių transformacijų metu iš dalies išsiskiria ir pereina į kinetinę energiją.

Atomams, kurių branduolio sudėtis skiriasi, naudojamas pavadinimas „nuklidai“, o radioaktyviems atomams - „radionuklidai“.

Nuklidai vadinti atomus arba branduolius, turinčius tam tikrą nukleonų skaičių ir tam tikrą branduolio krūvį (nuklido žymėjimas A X).

Vadinami nuklidai, turintys vienodą nukleonų skaičių (Am = const). izobarai. Pavyzdžiui, nuklidai 96 Sr, 96 Y, 96 Zr priklauso izobarų, kurių nukleonų skaičius Am = 96, serijai.

Nuklidai, turintys vienodą protonų skaičių (Z = const) yra vadinami izotopų. Jie skiriasi tik neutronų skaičiumi, todėl priklauso tam pačiam elementui: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

izotopų- nuklidai, turintys vienodą neutronų skaičių (N = Am -Z = const). Nuklidai: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca priklauso izotopų serijai su 20 neutronų.

Izotopai paprastai žymimi Z X M, kur X yra cheminio elemento simbolis; M – masės skaičius, lygus protonų ir neutronų skaičiaus branduolyje sumai; Z yra branduolio atominis skaičius arba krūvis, lygus protonų skaičiui branduolyje. Kadangi kiekvienas cheminis elementas turi savo pastovų atominį skaičių, jis dažniausiai praleidžiamas ir apsiribojama tik masės skaičiaus užrašymu, pavyzdžiui: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr ir kt.

Branduolio atomai, kurių masės skaičius yra vienodas, bet skirtingi krūviai ir dėl to skirtingos savybės, vadinami "izobarais", pavyzdžiui, vieno iš fosforo izotopų masės skaičius yra 32 - 15 Р 32, vienas iš sieros izotopų. turi tą patį masės skaičių – 16 S 32 .

Nuklidai gali būti stabilūs (jei jų branduoliai yra stabilūs ir nesuyra) arba nestabilūs (jei jų branduoliai yra nestabilūs ir vyksta pakitimų, kurie ilgainiui padidina branduolio stabilumą). Nestabilūs atomų branduoliai, kurie gali savaime irti, vadinami radionuklidai. Savaiminio atomo branduolio skilimo reiškinys, lydimas dalelių ir (ar) elektromagnetinės spinduliuotės spinduliavimo, vadinamas radioaktyvumas.

Dėl radioaktyvaus skilimo gali susidaryti ir stabilus, ir radioaktyvus izotopas, savo ruožtu, savaime suyrantis. Tokios radioaktyviųjų elementų grandinės, sujungtos branduolinių virsmų serija, vadinamos radioaktyvios šeimos.

Šiuo metu IUPAC (Tarptautinė grynosios ir taikomosios chemijos sąjunga) oficialiai pavadino 109 cheminius elementus. Iš jų tik 81 turi stabilius izotopus, iš kurių sunkiausias yra bismutas. (Z= 83). Likusiems 28 elementams žinomi tik radioaktyvūs izotopai su uranu (u~ 92) yra sunkiausias gamtoje randamas elementas. Didžiausias iš natūralių nuklidų turi 238 nukleonus. Iš viso įrodyta, kad egzistuoja apie 1700 šių 109 elementų nuklidų, o atskirų elementų izotopų skaičius svyruoja nuo 3 (vandenilio) iki 29 (platinos).

Tyrinėdami medžiagos sudėtį, mokslininkai padarė išvadą, kad visa medžiaga susideda iš molekulių ir atomų. Ilgą laiką atomas (iš graikų kalbos išvertus kaip „nedalomas“) buvo laikomas mažiausiu struktūriniu materijos vienetu. Tačiau tolesni tyrimai parodė, kad atomas turi sudėtingą struktūrą ir savo ruožtu apima mažesnes daleles.

Iš ko sudarytas atomas?

1911 m. mokslininkas Rutherfordas pasiūlė, kad atomas turi centrinę dalį, turinčią teigiamą krūvį. Taip pirmą kartą atsirado atomo branduolio samprata.

Pagal Rutherfordo schemą, vadinamą planetiniu modeliu, atomas susideda iš branduolio ir elementariųjų dalelių, turinčių neigiamą krūvį – elektronų, judančių aplink branduolį, lygiai taip pat, kaip planetos skrieja aplink Saulę.

1932 metais kitas mokslininkas Chadwickas atrado neutroną – dalelę, kuri neturi elektros krūvio.

Pagal šiuolaikines koncepcijas branduolys atitinka Rutherfordo pasiūlytą planetos modelį. Branduolys neša didžiąją atominės masės dalį. Jis taip pat turi teigiamą krūvį. Atomo branduolyje yra protonų – teigiamai įkrautų dalelių ir neutronų – dalelių, kurios neturi krūvio. Protonai ir neutronai vadinami nukleonais. Aplink branduolį skrieja neigiamo krūvio dalelės – elektronai.

Protonų skaičius branduolyje yra lygus judančių orbita. Todėl pats atomas yra dalelė, kuri neturi krūvio. Jei atomas paima svetimus elektronus arba praranda savuosius, tada jis tampa teigiamas arba neigiamas ir vadinamas jonu.

Elektronai, protonai ir neutronai bendrai vadinami subatominėmis dalelėmis.

Atomo branduolio krūvis

Branduolys turi krūvio skaičių Z. Jis nustatomas pagal protonų, sudarančių atomo branduolį, skaičių. Sužinoti šią sumą paprasta: tereikia remtis Mendelejevo periodine sistema. Elemento, kuriam priklauso atomas, atominis skaičius yra lygus protonų skaičiui branduolyje. Taigi, jei cheminis elementas deguonis atitinka eilės numerį 8, tada protonų skaičius taip pat bus lygus aštuoniems. Kadangi protonų ir elektronų skaičius atome yra vienodas, elektronai taip pat bus aštuoni.

Neutronų skaičius vadinamas izotopiniu skaičiumi ir žymimas raide N. Jų skaičius gali skirtis to paties cheminio elemento atome.

Protonų ir elektronų suma branduolyje vadinama atomo masės skaičiumi ir žymima raide A. Taigi masės skaičiaus apskaičiavimo formulė atrodo taip: A \u003d Z + N.

izotopų

Tuo atveju, kai elementai turi vienodą protonų ir elektronų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, jie vadinami cheminio elemento izotopais. Gali būti vienas ar daugiau izotopų. Jie dedami į tą pačią periodinės sistemos ląstelę.

Izotopai turi didelę reikšmę chemijoje ir fizikoje. Pavyzdžiui, vandenilio izotopas – deuteris – kartu su deguonimi suteikia visiškai naują medžiagą, vadinamą sunkiuoju vandeniu. Jo virimo ir užšalimo temperatūra skiriasi nuo įprastų. O deuterio derinys su kitu vandenilio izotopu – tričiu sukelia termobranduolinės sintezės reakciją ir gali būti panaudotas didžiuliam energijos kiekiui generuoti.

Branduolio ir subatominių dalelių masė

Atomų dydis ir masė žmogaus sąmonėje yra nereikšmingi. Branduolių dydis apytiksliai 10 -12 cm.Atomo branduolio masė fizikoje matuojama vadinamaisiais atominės masės vienetais – a.m.u.

Vienam rytui paimkite vieną dvyliktąją anglies atomo masės. Naudojant įprastus matavimo vienetus (kilogramus ir gramus), masę galima išreikšti taip: 1 a.m.u. \u003d 1,660540 10 -24 g. Taip išreiškus, ji vadinama absoliučia atomine mase.

Nepaisant to, kad atomo branduolys yra masyviausias atomo komponentas, jo matmenys, palyginti su jį supančiu elektronų debesiu, yra labai maži.

branduolines pajėgas

Atomo branduoliai yra labai stabilūs. Tai reiškia, kad protonus ir neutronus branduolyje laiko tam tikros jėgos. Tai negali būti elektromagnetinės jėgos, nes protonai yra panašiai įkrautos dalelės, ir yra žinoma, kad dalelės, turinčios tą patį krūvį, atstumia viena kitą. Gravitacinės jėgos yra per silpnos, kad išlaikytų nukleonus kartu. Vadinasi, daleles branduolyje laiko kitokia sąveika – branduolinės jėgos.

Branduolinė sąveika laikoma stipriausia iš visų gamtoje egzistuojančių. Todėl tokio tipo sąveika tarp atomo branduolio elementų vadinama stipriąja. Jo yra daugelyje elementariųjų dalelių, taip pat elektromagnetinių jėgų.

Branduolinių jėgų ypatybės

1. Trumpas veiksmas. Branduolinės jėgos, priešingai nei elektromagnetinės jėgos, pasireiškia tik labai mažais atstumais, panašiais į branduolio dydį.
2. Apmokestinimo nepriklausomybė. Ši savybė pasireiškia tuo, kad branduolinės jėgos vienodai veikia protonus ir neutronus.
3. Sodrumas. Branduolio nukleonai sąveikauja tik su tam tikru skaičiumi kitų nukleonų.

Šerdies surišimo energija

Su stiprios sąveikos samprata yra glaudžiai susiję kažkas kita – branduolių surišimo energija. Branduolio surišimo energija yra energijos kiekis, reikalingas atomo branduoliui suskaidyti į jį sudarančius nukleonus. Ji lygi energijai, reikalingai iš atskirų dalelių suformuoti branduolį.

Norint apskaičiuoti branduolio surišimo energiją, būtina žinoti subatominių dalelių masę. Skaičiavimai rodo, kad branduolio masė visada yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų sumą. Masės defektas yra skirtumas tarp branduolio masės ir jo protonų bei elektronų sumos. Naudodamiesi masės ir energijos santykiu (E \u003d mc 2), galite apskaičiuoti energiją, susidariusią formuojant branduolį.

Branduolio surišimo energijos stiprumą galima spręsti pagal tokį pavyzdį: susidarant keliems gramams helio susidaro tiek pat energijos, kiek sudegus kelioms tonoms anglies.

Branduolinės reakcijos

Atomų branduoliai gali sąveikauti su kitų atomų branduoliais. Tokios sąveikos vadinamos branduolinėmis reakcijomis. Reakcijos yra dviejų tipų.

1. Skilimo reakcijos. Jie atsiranda, kai dėl sąveikos sunkesni branduoliai skyla į lengvesnius.
2. Sintezės reakcijos. Procesas yra atvirkštinis dalijimasis: branduoliai susiduria, todėl susidaro sunkesni elementai.

Visas branduolines reakcijas lydi energijos išsiskyrimas, kuris vėliau panaudojamas pramonėje, kariuomenėje, energetikoje ir pan.

Susipažinę su atomo branduolio sudėtimi, galime padaryti tokias išvadas.

1. Atomas susideda iš branduolio, kuriame yra protonų ir neutronų, ir aplink jį esančių elektronų.
2. Atomo masės skaičius yra lygus jo branduolio nukleonų sumai.
3. Nukleonus laiko kartu stipri jėga.
4. Milžiniškos jėgos, suteikiančios atomo branduoliui stabilumą, vadinamos branduolio surišimo energijomis.