Atomkerne. Skoleleksikon

Længe før pålidelige data dukkede op om indre struktur af alle ting forestillede græske tænkere sig stof i form af bittesmå brændende partikler, der var i konstant bevægelse. Sandsynligvis er denne vision om tingenes verdensorden afledt af rent logiske konklusioner. På trods af en vis naivitet og den absolutte mangel på beviser for denne erklæring, viste det sig at være sandt. Selvom videnskabsmænd kun var i stand til at bekræfte dette dristige gæt treogtyve århundreder senere.

Atomstruktur

I slutningen af ​​XIXårhundrede undersøgte man egenskaberne af et udledningsrør, hvorigennem strøm blev ført. Observationer har vist, at der i dette tilfælde udsendes to strømme af partikler:

De negative partikler af katodestråler blev kaldt elektroner. Efterfølgende blev partikler med samme ladning-til-masse-forhold opdaget i mange processer. Elektroner så ud til at være universelle komponenter af forskellige atomer, der ret let adskilles, når de blev bombarderet af ioner og atomer.

Partikler, der bærer en positiv ladning, blev repræsenteret som fragmenter af atomer, efter at de havde mistet en eller flere elektroner. Faktisk var de positive stråler grupper af atomer, der var blottet for negative partikler og som et resultat havde en positiv ladning.

Thompson model

Baseret på eksperimenter blev det fundet, at positive og negative partikler repræsenterede essensen af ​​atomet og var dets komponenter. Den engelske videnskabsmand J. Thomson foreslog sin teori. Efter hans mening var strukturen af ​​atomet og atomkernen en slags masse, hvor negative ladninger blev presset ind i en positivt ladet kugle, som rosiner i en cupcake. Ladningskompensation gjorde "cupcaken" elektrisk neutral.

Rutherford model

Den unge amerikanske videnskabsmand Rutherford, der analyserede sporene efterladt af alfapartikler, kom til den konklusion, at Thompsons model var ufuldkommen. Nogle alfapartikler blev afbøjet i små vinkler - 5-10 o. I sjældne tilfælde blev alfapartikler afbøjet i store vinkler på 60-80 o, og i undtagelsestilfælde var vinklerne meget store - 120-150 o. Thompsons model af atomet kunne ikke forklare forskellen.

Rutherford foreslår ny model, der forklarer atomets og atomkernens struktur. Processens fysik siger, at et atom skal være 99% tomt, med en lille kerne og elektroner, der roterer rundt om det og bevæger sig i baner.

Han forklarer afvigelser under påvirkninger med, at et atoms partikler har deres egne elektriske ladninger. Under påvirkning af at bombardere ladede partikler opfører atomare grundstoffer sig som almindelige ladede legemer i makrokosmos: partikler med de samme ladninger frastøder hinanden, og dem med modsatte ladninger tiltrækker.

Atomernes tilstand

I begyndelsen af ​​forrige århundrede, da de første partikelacceleratorer blev lanceret, afventede alle teorier, der forklarede strukturen af ​​atomkernen og selve atomet, på eksperimentel verifikation. På det tidspunkt var alfa- og beta-strålernes interaktioner med atomer allerede blevet grundigt undersøgt. Indtil 1917 troede man, at atomer enten var stabile eller radioaktive. Stabile atomer kan ikke spaltes, og nedbrydningen af ​​radioaktive kerner kan ikke kontrolleres. Men Rutherford formåede at tilbagevise denne opfattelse.

Første proton

I 1911 fremsatte E. Rutherford ideen om, at alle kerner består af identiske grundstoffer, hvis grundlag er brintatomet. Videnskabsmanden blev tilskyndet til denne idé af en vigtig konklusion fra tidligere undersøgelser af stoffets struktur: masserne af alle kemiske elementer er opdelt uden en rest af massen af ​​brint. Den nye antagelse åbnede for hidtil usete muligheder, og gjorde det muligt for os at se strukturen af ​​atomkernen på en ny måde. Nukleare reaktioner skulle have bekræftet eller afkræftet den nye hypotese.

Eksperimenter blev udført i 1919 med nitrogenatomer. Ved at bombardere dem med alfapartikler opnåede Rutherford et fantastisk resultat.

N-atomet absorberede en alfapartikel, blev derefter til et oxygenatom O 17 og udsendte en brintkerne. Dette var den første kunstige transformation af et atom af et grundstof til et andet. En sådan oplevelse gav håb om, at strukturen af ​​atomkernen og fysikken i eksisterende processer gør det muligt at udføre andre nukleare transformationer.

Videnskabsmanden brugte scintillationsflashmetoden i sine eksperimenter. Baseret på hyppigheden af ​​flares trak han konklusioner om sammensætningen og strukturen af ​​atomkernen, egenskaberne af de genererede partikler, deres atommasse og atomnummer. Den ukendte partikel blev kaldt proton af Rutherford. Det havde alle karakteristika for et brintatom, der var strippet for dets enkelte elektron - en enkelt positiv ladning og tilsvarende masse. Det blev således bevist, at protonen og brintkernen er de samme partikler.

I 1930, da de første store acceleratorer blev bygget og lanceret, blev Rutherfords model af atomet testet og bevist: hvert brintatom består af en enlig elektron, hvis position ikke kan bestemmes, og et løst atom med en enlig positiv proton indeni . Da protoner, elektroner og alfapartikler kan flyve ud af et atom under bombardement, troede forskerne, at disse var komponenterne i enhver atomkerne. Men en sådan model af kernens atom virkede ustabil - elektronerne var for store til at passe ind i kernen, derudover var der alvorlige vanskeligheder forbundet med overtrædelsen af ​​loven om momentum og bevarelse af energi. Disse to love sagde ligesom strenge revisorer, at momentum og masse under et bombardement forsvinder i en ukendt retning. Da disse love var generelt accepterede, var det nødvendigt at finde forklaringer på en sådan lækage.

Neutroner

Forskere over hele verden udførte eksperimenter med det formål at opdage nye komponenter i atomkerner. I 1930'erne bombarderede de tyske fysikere Becker og Bothe berylliumatomer med alfapartikler. Samtidig blev der optaget ukendt stråling, som man besluttede at kalde G-stråler. Detaljerede undersøgelser afslørede nogle af funktionerne ved de nye stråler: de kunne forplante sig strengt i en lige linje, interagerede ikke med elektriske og magnetiske felter, havde høj penetreringsevne. Senere blev de partikler, der danner denne type stråling, fundet under interaktionen af ​​alfapartikler med andre grundstoffer - bor, krom og andre.

Chadwicks formodning

Derefter gav James Chadwick, en kollega og studerende fra Rutherford, en kort besked i tidsskriftet Nature, som senere blev almindeligt kendt. Chadwick gjorde opmærksom på, at modsætninger i bevaringslove let kan løses, hvis vi antager, at den nye stråling er en strøm af neutrale partikler, som hver har en masse, der er omtrent lig med massen af ​​en proton. I betragtning af denne antagelse udvidede fysikere markant hypotesen, der forklarer strukturen af ​​atomkernen. Kort fortalt blev essensen af ​​tilføjelserne reduceret til en ny partikel og dens rolle i atomets struktur.

Neutronens egenskaber

Den opdagede partikel fik navnet "neutron". De nyopdagede partikler dannede ikke elektromagnetiske felter omkring sig og passerede let gennem stof uden at miste energi. Ved sjældne kollisioner med lette atomkerner er en neutron i stand til at slå kernen ud af atomet og mister en betydelig del af sin energi. Strukturen af ​​atomkernen antog tilstedeværelsen af ​​et forskelligt antal neutroner i hvert stof. Atomer med samme kerneladning, men forskelligt antal neutroner, kaldes isotoper.

Neutroner tjente som en fremragende erstatning for alfapartikler. I øjeblikket bruges de til at studere strukturen af ​​atomkernen. Det er umuligt kort at beskrive deres betydning for videnskaben, men det var takket være bombardementet af atomkerner med neutroner, at fysikere var i stand til at opnå isotoper af næsten alle kendte grundstoffer.

Sammensætning af kernen i et atom

I øjeblikket er strukturen af ​​atomkernen en samling af protoner og neutroner, der holdes sammen af ​​kernekræfter. For eksempel er en heliumkerne en klump af to neutroner og to protoner. Lette grundstoffer har næsten lige mange protoner og neutroner, mens tunge grundstoffer har et meget større antal neutroner.

Dette billede af kernens struktur bekræftes af eksperimenter med moderne store acceleratorer med hurtige protoner. Elektriske kræfter Frastødningen af ​​protoner afbalanceres af kernekræfter, som kun virker i selve kernen. Selvom karakteren af ​​kernekræfter endnu ikke er fuldt ud undersøgt, er deres eksistens praktisk bevist og forklarer fuldstændigt atomkernens struktur.

Forholdet mellem masse og energi

I 1932 tog Wilsons kamera et fantastisk fotografi, der beviste eksistensen af ​​positivt ladede partikler med massen af ​​en elektron.

Forud for dette blev positive elektroner forudsagt teoretisk af P. Dirac. En rigtig positiv elektron er også blevet opdaget i kosmiske stråler. Den nye partikel blev kaldt en positron. Når den kolliderer med sin dobbelt - en elektron, sker der udslettelse - den gensidige ødelæggelse af to partikler. Dette frigiver en vis mængde energi.

Således var teorien udviklet for makrokosmos fuldt ud egnet til at beskrive adfærden af ​​de mindste elementer af stof.

Et atom består af en positivt ladet kerne og elektroner omkring den. Atomkerner har dimensioner på cirka 10 -14 ... 10 -15 m (de lineære dimensioner af et atom er 10 -10 m).

Atomkerne består af elementarpartikler - protoner og neutroner. Proton-neutron-modellen af ​​kernen blev foreslået af den russiske fysiker D. D. Ivanenko, og efterfølgende udviklet af W. Heisenberg.

Proton ( R) har en positiv ladning svarende til elektronladningen og en hvilemasse T s = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, Hvor m eelektronmasse. Neutron ( n) – neutral partikel med hvilemasse m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Massen af ​​protoner og neutroner udtrykkes ofte i en anden enhed - atomare masseenheder (amu, en masseenhed svarende til 1/12 af et carbonatoms masse
). Masserne af en proton og en neutron er cirka en atommasseenhed. Protoner og neutroner kaldes nukleoner(fra lat. kernekerne). Samlet antal nukleoner i en atomkerne kaldes massetallet EN).

Radius af kerner stiger med stigende masseantal i overensstemmelse med relationen R= 1,4EN 1/3 10 -13 cm.

Eksperimenter viser, at kerner ikke har skarpe grænser. I midten af ​​kernen er der en vis tæthed af nukleart stof, og den falder gradvist til nul med stigende afstand fra centrum. På grund af manglen på en klart defineret grænse for kernen, er dens "radius" defineret som afstanden fra centrum, hvor tætheden af ​​nukleart stof er halveret. Den gennemsnitlige stoftæthedsfordeling for de fleste kerner viser sig at være mere end blot sfærisk. De fleste af kernerne er deformerede. Ofte har kernerne form af aflange eller fladtrykte ellipsoider

Atomkernen er karakteriseret opladeZe, Hvor Zopkrævningsnummer kerne, lig med antallet af protoner i kernen og faldende sammen med atomnummeret kemisk element i Mendeleevs periodiske system af grundstoffer.

Kernen er betegnet med det samme symbol som det neutrale atom:
, Hvor x- symbol på et kemisk grundstof, Zatomnummer (antal protoner i kernen), ENmassetal (antal nukleoner i kernen). Massenummer EN omtrent lig med massen af ​​kernen i atomare masseenheder.

Da atomet er neutralt, ladningen på kernen Z bestemmer antallet af elektroner i et atom. Deres fordeling mellem tilstande i et atom afhænger af antallet af elektroner. Den nukleare ladning bestemmer detaljerne for et givet kemisk element, det vil sige, det bestemmer antallet af elektroner i et atom, konfigurationen af ​​deres elektronskaller, størrelsen og arten af ​​det intraatomare elektriske felt.

Kerner med samme ladningstal Z, men med forskellige massetal EN(dvs. med forskellige tal neutroner N = A – Z), kaldes isotoper, og kerner med samme EN, men anderledes Z – isobarer. For eksempel brint ( Z= l) har tre isotoper: N – protium ( Z= l, N= 0), N – deuterium ( Z= l, N= 1), N – tritium ( Z= l, N= 2), tin - ti isotoper osv. I langt de fleste tilfælde har isotoper af samme kemiske grundstof de samme kemiske og næsten identiske fysiske egenskaber.

E, MeV

Energiniveauer

og observerede overgange for bor-atomkernen

Kvanteteorien begrænser strengt de energier, som de bestanddele af kerner kan besidde. Samlinger af protoner og neutroner i kerner kan kun være i visse diskrete energitilstande, der er karakteristiske for en given isotop.

Når en elektron går fra en højere til en lavere energitilstand, udsendes energiforskellen som en foton. Energien af ​​disse fotoner er i størrelsesordenen adskillige elektronvolt. For kerner ligger niveauenergierne i området fra ca. 1 til 10 MeV. Under overgange mellem disse niveauer udsendes fotoner med meget høje energier (γ-kvanter). For at illustrere sådanne overgange i fig. 6.1 viser de første fem niveauer af kerneenergi
.Lodrette linjer angiver observerede overgange. For eksempel udsendes et γ-kvante med en energi på 1,43 MeV, når en kerne går fra en tilstand med en energi på 3,58 MeV til en tilstand med en energi på 2,15 MeV.

Kerneladning

Kernen i ethvert atom er positivt ladet. Bæreren af ​​positiv ladning er protonen. Da ladningen af ​​en proton numerisk er lig med ladningen af ​​en elektron $e$, kan vi skrive, at ladningen af ​​kernen er lig med $+Ze$ ($Z$ er et heltal, der angiver serienummer kemisk grundstof i det periodiske system af kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev). Tallet $Z$ bestemmer også antallet af protoner i kernen og antallet af elektroner i atomet. Derfor kaldes det kernens atomnummer. Elektrisk ladning er en af ​​atomkernens hovedkarakteristika, som atomernes optiske, kemiske og andre egenskaber afhænger af.

Kernemasse

En anden vigtig egenskab kernen er dens masse. Massen af ​​atomer og kerner er normalt udtrykt i atomare masseenheder (amu). Det er sædvanligt at betragte $1/12$ af massen af ​​et carbonnuklid $^(12)_6C$ som en atommasseenhed:

hvor $N_A=6.022\cdot 10^(23)\ mol^-1$ er Avogadros tal.

Ifølge Einsteins forhold $E=mc^2$ udtrykkes massen af ​​atomer også i energienheder. Fordi:

• protonmasse $m_p=1.00728\ amu=938.28\ MeV$,
• neutronmasse $m_n=1.00866\ amu=939.57\ MeV$,
• elektronmasse $m_e=5.49\cdot 10^(-4)\ amu=0.511\ MeV$,

Som du kan se, er elektronens masse ubetydeligt lille i forhold til kernens masse, så falder kernens masse næsten sammen med atomets masse.

Masse er forskellig fra hele tal. Nuklear masse, udtrykt i amu. og afrundet til et helt tal kaldes massetallet, betegnet med bogstavet $A$ og bestemmer antallet af nukleoner i kernen. Antallet af neutroner i kernen er $N=A-Z$.

For at betegne kerner bruges symbolet $^A_ZX$, hvor $X$ betyder det kemiske symbol for et givet grundstof. Atomkerner med det samme antal protoner, men forskellige massetal kaldes isotoper. I nogle grundstoffer når antallet af stabile og ustabile isotoper ti, for eksempel har uran $14$ isotoper: fra $^(227)_(92)U\ $ til $^(240)_(92)U$.

De fleste kemiske grundstoffer, der findes i naturen, er en blanding af flere isotoper. Det er tilstedeværelsen af ​​isotoper, der forklarer, at nogle naturlige elementer har en masse, der afviger fra de hele tal. For eksempel består naturligt klor af $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ og $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, og dets atommasse er $35,5$ a.u. .m. i de fleste atomer, undtagen brint, har isotoperne næsten samme fysiske og Kemiske egenskaber. Men bag deres udelukkende nukleare egenskaber adskiller isotoper sig væsentligt. Nogle af dem kan være stabile, andre - radioaktive.

Kerner med samme massetal, men forskellige betydninger$Z$ kaldes isobarer, for eksempel $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Kerner med det samme antal neutroner kaldes isotoner. Blandt lette kerner er der såkaldte "spejl"-kernepar. Disse er par af kerner, hvor tallene $Z$ og $A-Z$ er byttet om. Eksempler på sådanne kerner kunne være $^(13)_6C\ $ og $^(13_7)N$ eller $^3_1H$ og $^3_2He$.

Atomkernens størrelse

Hvis vi antager, at atomkernen er tilnærmelsesvis sfærisk, kan vi introducere begrebet dens radius $R$. Bemærk, at der i nogle kerner er en lille afvigelse fra symmetri i fordelingen af ​​elektrisk ladning. Derudover er atomkerner ikke statiske, men dynamiske systemer, og begrebet kerneradius kan ikke repræsenteres som en kugles radius. Af denne grund skal kernens størrelse tages som det område, hvori kernekræfter manifesterer sig.

Ved oprettelsen af ​​den kvantitative teori om spredning af $\alpha $ - partikler gik E. Rutherford ud fra de antagelser, at atomkernen og $\alpha $ - partikel interagerer efter Coulombs lov, dvs. Hvad elektrisk felt rundt om kernen har sfærisk symmetri. Spredningen af ​​en $\alpha $-partikel sker i fuld overensstemmelse med Rutherfords formel:

Dette sker for $\alpha $ - partikler, hvis energi $E$ er ret lille. I dette tilfælde er partiklen ikke i stand til at overvinde Coulomb-potentialebarrieren og når efterfølgende ikke atomkræfternes aktionsområde. Når partikelenergien stiger til en vis grænseværdi $E_(gr)$ $\alpha $ -- når partiklen denne grænse. Så i spredningen af ​​$\alpha $ - partikler er der en afvigelse fra Rutherford-formlen. Fra forholdet

Eksperimenter viser, at kernens radius $R$ afhænger af antallet af nukleoner, der kommer ind i kernen. Denne afhængighed kan udtrykkes med den empiriske formel:

hvor $R_0$ er en konstant, er $A$ et massetal.

Størrelsen af ​​kerner bestemmes eksperimentelt ved spredning af protoner, hurtige neutroner eller højenergielektroner. Der er en række andre indirekte metoder til at bestemme størrelsen af ​​kerner. De er baseret på sammenhængen mellem levetiden af ​​$\alpha $ -- radioaktive kerner og energien af ​​$\alpha $ -- partikler frigivet af dem; om de optiske egenskaber af såkaldte mesoatomer, hvor én elektron midlertidigt fanges af en myon; ved at sammenligne bindingsenergien for et par spejlatomer. Disse metoder bekræfter den empiriske afhængighed $R=R_0A^(1/3)$, og ved hjælp af disse målinger blev værdien af ​​konstanten $R_0=\left(1.2-1.5\right)\cdot 10^(-15) etableret \ m$.

Bemærk også, at afstandsenheden i atomfysik og partikelfysik tages som "Fermi" måleenhed, som er lig med $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^( -15)\ m )$.

Atomkernernes radier afhænger af deres massetal og ligger i området fra $2\cdot 10^(-15)\ m\ til\\ 10^(-14)\ m$. hvis vi udtrykker $R_0$ fra formlen $R=R_0A^(1/3)$ og skriver det på formen $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, så kan vi se, at hver nukleon indeholder omtrent det samme volumen. Det betyder, at tætheden af ​​nukleart stof er omtrent den samme for alle kerner. Baseret på de eksisterende data om størrelsen af ​​atomkerner finder vi den gennemsnitlige værdi af tætheden af ​​nukleart stof:

Som vi kan se, er tætheden af ​​nukleart stof meget høj. Dette skyldes virkningen af ​​atomkræfter.

Kommunikationsenergi. Nuklear massedefekt

Når man sammenlignede summen af ​​hvilemasserne af de nukleoner, der danner kernen, med kernens masse, blev det bemærket, at for alle kemiske grundstoffer er følgende ulighed sand:

hvor $m_p$ er protonens masse, $m_n$ er neutronens masse, $m_я$ er kernens masse. Værdien $\trekant m$, som udtrykker masseforskellen mellem massen af ​​nukleoner, der danner kernen og kernens masse, kaldes kernemassedefekten

Vigtig information om kernens egenskaber kan opnås uden at dykke ned i detaljerne i samspillet mellem kernens nukleoner, baseret på loven om energibevarelse og loven om proportionalitet mellem masse og energi. Afhængigt af hvor meget som et resultat af enhver ændring i massen $\trekant m$ er der en tilsvarende ændring i energi $\trekant E$ ($\trekant E=\trekant mc^2$), derefter under dannelsen af ​​en kerne en vis mængde energi frigives. Ifølge loven om energibevarelse skal den samme mængde energi til for at opdele kernen i dens bestanddele, dvs. flytte nukleoner fra hinanden i de samme afstande, hvor der ikke er nogen interaktion mellem dem. Denne energi kaldes kernens bindingsenergi.

Hvis kernen har $Z$ protoner og massetal $A$, så er bindingsenergien lig med:

Note 1

Bemærk, at denne formel ikke er helt praktisk at bruge, fordi Tabellerne angiver ikke masserne af kerner, men de masser, der bestemmer masserne af neutrale atomer. Derfor transformeres formlen af ​​hensyn til beregningerne på en sådan måde, at den inkluderer masserne af atomer, ikke kerner. Til dette formål tilføjer og subtraherer vi på højre side af formlen massen $Z$ af elektroner $(m_e)$. Derefter

\c^2==\venstrec^2.\]

$m_(()^1_1H)$ er massen af ​​hydrogenatomet, $m_a$ er massen af ​​atomet.

I kernefysik udtrykkes energi ofte i megaelektronvolt (MeV). Hvis vi taler om O praktisk ansøgning kerneenergi, den måles i joule. I tilfælde af at sammenligne energien af ​​to kerner, bruges masseenheden for energi - forholdet mellem masse og energi ($E=mc^2$). En masseenhed af energi ($le$) er lig med energi, hvilket svarer til en masse på én amu. Det er lig med $931.502 $ MeV.

Billede 1.

Udover energien vigtig har en specifik bindingsenergi - den bindingsenergi, der falder på én nukleon: $w=E_(st)/A$. Denne værdi ændrer sig relativt langsomt sammenlignet med ændringen i massetallet $A$, idet den har en næsten konstant værdi på $8,6$ MeV i den midterste del af det periodiske system og falder til dets kanter.

Lad os som et eksempel beregne massedefekten, bindingsenergien og den specifikke bindingsenergi for kernen i et heliumatom.

Massedefekt

Bindingsenergi i MeV: $E_(bv)=\trekant m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;

Specifik bindingsenergi: $w=\frac(E_(st))(A)=\frac(28.3\ MeV)(4\ca. 7.1\ MeV).$

Alle husker sikkert fra skolen, at atomer, og endnu mere atomkerner, er så små, at de ikke kan ses eller røres. Heraf kan man få det indtryk, at da disse dimensioner refererer til mikrokosmos, kan de kun bestemmes ved hjælp af meget komplekse fysiske eksperimenter. Men dette er slet ikke sandt. Der er ganske makroskopiske og endda dagligdags fænomener, der gør det muligt at estimere disse størrelser i det mindste i størrelsesorden. I et af problemerne har vi allerede fundet ud af, hvordan man estimerer størrelsen af ​​et atom baseret på et stofs kendte termodynamiske egenskaber. Lad os nu vende os til atomkernen.

Kerner er selvfølgelig sværere at studere end atomer selv. De spiller en ret mindre rolle i dannelsen af ​​stoffets egenskaber. De giver stoffet massivitet, holder elektroner i nærheden af ​​sig, men kernerne selv interagerer ikke direkte med hinanden. Dette sker, fordi de er meget små, meget mindre end selve atomerne (fig. 1). Og af denne grund er deres størrelse sværere at bestemme end størrelsen af ​​atomer.

I dette problem vil vi dog, for at vurdere størrelsen af ​​kernen, bruge et spor, som naturen giver os - fænomenet radioaktivitet.

Det er kendt, at der under nogle nukleare transformationer udsendes neutroner fra kerner. I modsætning til protoner eller elektroner er neutroner ikke elektrisk ladede. I deres flugt gennem stoffet har de stort set ingen følelse elektroniske skaller atomer. De flyver gennem det ene atom efter det andet, uden at afvige fra deres bane, indtil de støder frontalt sammen med en eller anden stofkerne. For nemheds skyld vil vi antage, at hver hurtig neutron, der styrter ind i en kerne, forårsager en væsentlig interaktion: dette kan være absorption, elastisk spredning eller en form for ændring inde i kernen.

Denne "ikke at give en pokkers" holdning af neutroner til elektromagnetiske interaktioner fører til, at neutronfluxen har en høj penetreringsevne (fig. 2). Den gennemsnitlige frie vej for en neutron (det vil sige afstanden mellem individuelle kollisioner) kan være ret stor, meget længere end for elektroner eller røntgenstråler. Det vigtigste for os her er, at denne længde målt direkte i et simpelt laboratorieeksperiment om afskærmning af en neutronflux med plader forskellige tykkelser. Resultaterne er som følger: for hurtige neutroner med en energi i størrelsesordenen 1 MeV er den gennemsnitlige frie vej i et fast stof, såsom aluminium, omkring 10 cm - en fuldstændig makroskopisk størrelse.

Opgave

Baseret på ovenstående tal og begrundelse, sats i størrelsesorden størrelsen af ​​atomkernen af ​​aluminium.

Tip 1

Tegn et skematisk diagram af flere atomer presset tæt mod hinanden med deres elektronskaller. Marker atomkernerne inde i dem, og husk at de er meget små. Neutroner er ikke opmærksomme på elektronskaller; for dem er fast stof som en meget sjælden og næsten ubevægelig "gas" af atomkerner. Med dette i tankerne skal du tegne en neutrons lige vej og prøve at forstå, hvordan den gennemsnitlige frie vej relaterer sig til kernens størrelse.

Tip 2

Faktisk har vi allerede stødt på en formel til at relatere den gennemsnitlige frie vej til parametrene for mediet i Photon Collision-problemet. Der talte vi om tværsnittet for spredning af fotoner på hinanden, og det var en ret abstrakt størrelse. Nu er alt enklere: Vi tror, ​​at spredningstværsnittet for en neutron-nuklear kollision simpelthen falder sammen med det geometriske tværsnit af "kerne + neutron" -systemet.

Løsning

I fig. 3 viser et meget forenklet billede af kontinuert stof fra synspunktet om ladede partikler eller fotoner, såvel som fra neutronens synspunkt. Neutronen "ser" praktisk talt ikke elektroner; for den eksisterer kun atomkerner. Vi betegner kernens radius med R, og den karakteristiske afstand mellem dem er igennem -en. Noter det -en- dette er en typisk interatomisk afstand, den er stor større størrelse kerner R. For de enkleste estimater vil vi betragte neutronen selv for at være en punktneutron. Hvis det ønskes, kan estimatet forfines ved at relatere neutronens størrelse til kernens størrelse og dens massetal. Denne forfining vil dog ikke ændre størrelsesordensestimatet.

Forholdet mellem middel fri vej L, kollisionstværsnit σ og nuklear koncentration n er allerede blevet diskuteret i detaljer for at løse problemet med fotonkollisioner. Det er enkelt skrevet: Lσn= 1. I vores tilfælde er kollisionstværsnittet simpelthen tværsnittet af kernen, σ = πR 2, og koncentrationen er udtrykt som afstanden mellem kernerne, n = 1/-en 3. Ved at erstatte disse udtryk får vi svaret til at estimere radius af kernen:

Interatomisk afstand -en- for et fast stof er dette blot størrelsen af ​​atomerne, det vil sige flere ångstrøm. For en mere nøjagtig vurdering kan koncentrationen af ​​kerner beregnes gennem stoffets tæthed og massen af ​​kernen; for aluminium vil dette give -en= 2,5 Å. Tager L= 0,1 m, får vi R≈ 7·10−15 m.

Den fundne værdi er cirka to gange den faktiske radius af aluminiumkernen. Dette er en helt acceptabel præcision for et så simpelt estimat af størrelsesorden.

Efterord

Dette problem kan tjene som en introduktion til en række historier om, hvordan neutroner, eller mere generelt individuelle elementarpartikler, interagerer med stof. Her vil vi begrænse os til kun nogle få meget generelle skitser.

For det første skal det siges med det samme, at i et rigtigt eksperiment måles kernernes størrelse ved hjælp af helt andre metoder. Mest standard måde er en forbedret version af det klassiske Rutherford-eksperiment: Størrelsen af ​​en kerne kan bestemmes af den måde ladede partikler er spredt på den. Men der er en interessant pointe: det viser sig, at kernen kan have nogle forskellige størrelser: protonradius, materialeradius, ladningsradius osv. I nogle tilfælde, for eksempel for kerner med en neutronhalo, kan disse størrelser variere betydeligt. Derfor bruger moderne eksperimentel fysik flere forskellige metoder til at måle størrelsen og studere strukturen af ​​kerner (se introduktionen til dette område af fysik i vores nyheder Optisk forskning hjælper med at studere kerner med en neutronhalo).

I dette problem antog vi for overskuelighedens skyld, at tværsnittet for neutronspredning på en kerne er rent geometrisk: der opstår en kollision, hvis neutronbanen rammer strengt kernen. Faktisk kan situationen i mikroverdenen, som er beskrevet af kvantelove, være meget anderledes end denne antagelse. Desuden afhænger denne forskel stærkt af neutronenergien (fig. 5). Ved energier på ca. 1 MeV er spredningstværsnittet således sædvanligvis flere

Og endelig åbner neutroner utallige muligheder ikke kun for grundlæggende fysik, men også for anvendt forskning. Uden selv at forsøge at liste alle de specifikke anvendelsesområder, vil vi blot nævne industriel diagnostik af enheder, der ikke kan ses inde ved andre metoder (fig. 6), materialevidenskab, biomedicinske videnskaber kombineret med farmakologi og geofysik. Alle disse applikationer er på den ene eller anden måde afhængige af neutronernes høje gennemtrængende evne i stof.

Kernen er den centrale del af et atom, hvori næsten al massen og dens positive ladning er koncentreret. Atomkernen består af elementarpartikler - protoner og neutroner (proton-neutron-modellen blev foreslået af den sovjetiske fysiker Ivanenko og senere udviklet af Heisenberg). Kernen i et atom er karakteriseret ved en ladning. Ladningen af ​​kernen er mængden, hvor e er ladningen af ​​protonen, Z er atomnummeret på det kemiske grundstof i det periodiske system, lig med tallet protoner i kernen. Antallet af nukleoner i kernen A=N+Z kaldes massetallet, hvor N er antallet af neutroner i kernen.

Kerner med samme Z men forskellig A kaldes isotoper. Kerner, der har forskellig Z for samme A, kaldes isobarer. Kerne kemi. element X er betegnet

Hvor X er det kemiske symbol. element. Størrelsen af ​​kernen er karakteriseret ved radius af kernen. Den empiriske formel for kernens radius, hvor m, kan fortolkes som proportional med kernens volumen i forhold til antallet af nukleoner i den. Tætheden for nukleart stof er af størrelsesordenen og er konstant for alle kerner. Massen af ​​kernen er mindre end summen af ​​masserne af dens konstituerende nukleoner, og denne massedefekt bestemmes af følgende formel. Den nøjagtige masse af kernen kan bestemmes ved hjælp af massespektrometre. Nukleonerne i et atom er fermioner og har spin. Kernen i et atom har sit eget vinkelmomentum - kernens spin - lig med , hvor I er det interne (samlede) spin-kvantetal.

Tallet I accepterer heltals- eller halvheltalsværdier osv. Kernepartikler har deres egne magnetiske momenter, som bestemmer det magnetiske moment for kernen som helhed. Enheden for magnetiske momenter af kerner er kernemagnetonen: , hvor e er den absolutte værdi af elektronladningen og er protonens masse. Der er en sammenhæng mellem spin af en kerne, udtrykt i , og dens magnetiske moment, hvor er det nukleare gyromagnetiske forhold. Fordelingen af ​​den elektriske ladning af protoner over kernen er generelt asymmetrisk. Et mål for afvigelsen af ​​denne fordeling fra sfærisk symmetrisk er det quadrupol elektriske moment Q i kernen. Hvis ladningstætheden antages at være den samme overalt, så bestemmes Q kun af kernens form. Så for en kerne, der har form som en omdrejningsellipsoide, , hvor b er halvaksen af ​​ellipsoiden langs spin-retningen; a – halvakse i vinkelret retning. For en kerne, der er forlænget langs spin-retningen, b>a og Q>0. For en kerne, der er fladtrykt i denne retning, b

Mellem nukleonerne, der udgør kernen, er der specielle kræfter, der er specifikke for kernen, som væsentligt overstiger Coulombs frastødende kræfter mellem protoner. De kaldes nukleare kræfter. Nukleare kræfter tilhører klassen af ​​såkaldt stærke vekselvirkninger. Grundlæggende egenskaber ved nukleare kræfter:

1. gift. kræfterne er tiltrækningskræfter;

2. gift. kræfterne er kortrækkende;

3. gift. kræfterne er karakteriseret ved ladningsuafhængighed: kernekræfterne, der virker mellem to protoner, eller en proton og en neutron, er lige store, dvs. atomkræfter har ingen elektricitet. natur;

4. gift. kræfter er karakteriseret ved mætning, dvs. hver nukleon i kernen interagerer kun med et begrænset antal nukleoner tættest på den;

5. gift. kræfterne afhænger af den gensidige orientering af spins af interagerende nukleoner;

6. gift. kræfterne er ikke centrale.

Kernel modeller.

1.Dråbekernemodellen er den første model. Det er baseret på analogien mellem adfærden af ​​nukleoner i en kerne og adfærden af ​​molekyler i en dråbe væske. I begge tilfælde er kræfterne, der virker mellem de indgående partikler - molekyler i væsken og nukleoner i kernen - således kortrækkende og har tendens til at være mættede. En dråbe væske under givne ydre forhold er karakteriseret ved en konstant tæthed af dets stof. Kerner er karakteriseret ved en næsten konstant specifik bindingsenergi og konstant tæthed, uanset antallet af nukleoner i kernen. Dråbens volumen og kernens volumen er proportionale med antallet af partikler. Den væsentlige forskel mellem kernen og en dråbe væske i denne model er følgende: er, at den behandler kernen som en dråbe elektricitet. En ladet inkompressibel væske, der adlyder kvantemekanikkens love. Dråbemodellen af ​​kernen forklarede mekanismen for nukleare fissionsreaktioner, men kunne ikke forklare den øgede stabilitet af kerner, der indeholder magiske tal af protoner og neutroner.

2. Skalmodellen af ​​kernen antager fordelingen af ​​nukleoner i kernen over diskrete en. niveauer udfyldt efter Pauli princippet, og forbinder kernernes stabilitet med udfyldningen af ​​disse niveauer. Det menes, at kerner med helt fyldte skaller er de mest stabile. Skalmodellen af ​​kernen gjorde det muligt at forklare kernernes spins og magnetiske momenter, atomkernernes forskellige stabilitet samt at beskrive lette og mellemstore kerner samt for kerner i grundtilstanden. Med den yderligere ophobning af eksperimentelle data om egenskaberne af atomkerner dukkede nye fakta op, som ikke passede ind i rammerne af de beskrevne modeller. Sådan opstod den generaliserede model af kernen, den optiske model af kernen osv.

Nukleare reaktioner.

Kernereaktioner er transformationer af atomkerner forårsaget af deres interaktion med hinanden eller med elementarpartikler.

Typisk involverer nukleare reaktioner to kerner og to partikler. Et kerne-partikel-par er det første, det andet par er det sidste.