Atommag. Iskolai enciklopédia

Jóval azelőtt, hogy megbízható adatok jelentek meg kb belső szerkezet Mindenekelőtt a görög gondolkodók az anyagot apró, tüzes részecskék formájában képzelték el, amelyek benne voltak állandó mozgás. Valószínűleg a dolgok világrendjének ez a víziója pusztán logikai következtetésekből származott. Némi naivitás és a bizonyítékok teljes hiánya ellenére ez az állítás igaznak bizonyult. Bár a tudósok csak huszonhárom évszázaddal később tudták megerősíteni ezt a merész feltételezést.

Atomszerkezet

BAN BEN késő XIX században egy olyan kisülési cső tulajdonságait vizsgálták, amelyen keresztül áramot vezettek. A megfigyelések azt mutatták, hogy ebben az esetben két részecskeáramot bocsátanak ki:

A katódsugarak negatív részecskéit elektronoknak nevezték. Ezt követően számos folyamatban fedeztek fel azonos töltés/tömeg arányú részecskéket. Az elektronok különféle atomok univerzális összetevőinek tűntek, amelyek meglehetősen könnyen elválaszthatók egymástól, amikor ionok és atomok bombázzák őket.

A pozitív töltésű részecskéket atomtöredékekként ábrázolták, miután elveszítettek egy vagy több elektront. Valójában a pozitív sugarak olyan atomcsoportok voltak, amelyek mentesek a negatív részecskéktől, és ennek eredményeként pozitív töltéssel rendelkeznek.

Thompson modell

Kísérletek alapján kiderült, hogy a pozitív és negatív részecskék képviselik az atom lényegét és alkotóelemei. J. Thomson angol tudós javasolta elméletét. Véleménye szerint az atom és az atommag szerkezete egyfajta tömeg volt, amelyben a negatív töltések pozitív töltésű golyóba préselődnek, mint a mazsola egy cupcake-ba. A töltéskompenzáció elektromosan semlegessé tette a „cukorkát”.

Rutherford modell

A fiatal amerikai tudós, Rutherford az alfa-részecskék által hagyott nyomokat elemezve arra a következtetésre jutott, hogy Thompson modellje tökéletlen. Egyes alfa-részecskék kis szögben - 5-10 o - eltérültek. Ritka esetekben az alfa-részecskék nagy, 60-80 o-os szögben elhajlottak, kivételes esetekben pedig nagyon nagyok voltak - 120-150 o. A Thompson-féle atommodell nem tudta megmagyarázni a különbséget.

Rutherford azt javasolja új modell, elmagyarázza az atom és az atommag szerkezetét. A folyamat fizikája kimondja, hogy egy atomnak 99%-ban üresnek kell lennie, egy apró atommaggal és körülötte forgó elektronokkal, amelyek pályán mozognak.

Az ütközések során bekövetkező eltéréseket azzal magyarázza, hogy az atom részecskéi saját elektromos töltésekkel rendelkeznek. A töltött részecskék bombázása hatására az atomi elemek a makrokozmoszban közönséges töltött testekként viselkednek: az azonos töltésű részecskék taszítják egymást, az ellentétes töltésűek pedig vonzanak.

Az atomok állapota

A múlt század elején, amikor az első részecskegyorsítók elindultak, minden elmélet, amely az atommag szerkezetét és magát az atomot magyarázta, kísérleti igazolásra várt. Ekkor már alaposan tanulmányozták az alfa- és béta-sugarak kölcsönhatásait az atomokkal. 1917-ig azt hitték, hogy az atomok vagy stabilak, vagy radioaktívak. A stabil atomok nem oszthatók fel, és a radioaktív atommagok bomlása nem szabályozható. De Rutherfordnak sikerült megcáfolnia ezt a véleményt.

Első proton

1911-ben E. Rutherford felvetette azt az elképzelést, hogy minden atommag azonos elemekből áll, aminek az alapja a hidrogénatom. A tudóst az anyag szerkezetére vonatkozó korábbi tanulmányok egy fontos következtetése késztette erre a gondolatra: az összes kémiai elem tömegét maradék nélkül elosztjuk a hidrogén tömegével. Az új feltevés soha nem látott lehetőségeket nyitott meg, lehetővé téve, hogy új módon lássuk az atommag szerkezetét. Nukleáris reakciók meg kellett volna erősítenie vagy cáfolnia az új hipotézist.

1919-ben kísérleteket végeztek nitrogénatomokkal. Alfa-részecskékkel bombázva Rutherford elképesztő eredményt ért el.

A nitrogénatom elnyelt egy alfa-részecskét, majd O 17 oxigénatommá alakult, és hidrogénatomot bocsátott ki. Ez volt az egyik elem atomjának első mesterséges átalakulása a másikba. Egy ilyen tapasztalat reményt adott arra, hogy az atommag szerkezete és a meglévő folyamatok fizikája lehetővé teszi más magátalakítások végrehajtását is.

A tudós kísérletei során a szcintillációs flash módszert alkalmazta. A fáklyák gyakorisága alapján következtetéseket vont le az atommag összetételére, szerkezetére, a keletkezett részecskék jellemzőire, atomtömegére és rendszámára vonatkozóan. Az ismeretlen részecskét Rutherford protonnak nevezte el. Egyetlen elektronjától megfosztott hidrogénatom összes tulajdonságával rendelkezett – egyetlen pozitív töltéssel és ennek megfelelő tömeggel. Így bebizonyosodott, hogy a proton és a hidrogénmag ugyanaz a részecske.

1930-ban, amikor az első nagy gyorsítókat megépítették és elindították, Rutherford atommodelljét tesztelték és igazolták: minden hidrogénatom egy magányos elektronból áll, amelynek helyzete nem határozható meg, és egy laza atomból, amelyben magányos pozitív proton található. . Mivel a bombázás során protonok, elektronok és alfa-részecskék kirepülhetnek az atomból, a tudósok úgy gondolták, hogy ezek bármely atommag alkotóelemei. De az atommag ilyen modellje instabilnak tűnt - az elektronok túl nagyok voltak ahhoz, hogy elférjenek az atommagban, emellett komoly nehézségek merültek fel a lendület és az energiamegmaradás törvényének megsértésével kapcsolatban. Ez a két törvény, mint a szigorú könyvelők, azt mondta, hogy a lendület és a tömeg a bombázás során ismeretlen irányba tűnik el. Mivel ezek a törvények általánosan elfogadottak voltak, magyarázatot kellett találni egy ilyen kiszivárogtatásra.

Neutronok

A tudósok világszerte kísérleteket végeztek az atommagok új összetevőinek felfedezésére. Az 1930-as években Becker és Bothe német fizikusok alfa-részecskékkel bombázták a berillium atomokat. Ezzel egy időben ismeretlen sugárzást is rögzítettek, amelyet úgy döntöttek, hogy G-sugaraknak neveznek el. A részletes vizsgálatok feltárták az új sugarak néhány jellemzőjét: szigorúan egyenes vonalban tudtak terjedni, nem léptek kölcsönhatásba az elektromos ill. mágneses mezők, nagy áthatoló képességgel rendelkezett. Később az ilyen típusú sugárzást alkotó részecskéket az alfa részecskék más elemekkel - bórral, krómmal és más elemekkel - való kölcsönhatása során találták meg.

Chadwick sejtése

Ezután James Chadwick, Rutherford kollégája és tanítványa rövid üzenetet adott a Nature folyóiratban, amely később általánosan ismertté vált. Chadwick felhívta a figyelmet arra, hogy a megmaradási törvények ellentmondásai könnyen feloldhatók, ha feltételezzük, hogy az új sugárzás semleges részecskék áramlása, amelyek tömege megközelítőleg egy proton tömegével egyenlő. Ezt a feltételezést figyelembe véve a fizikusok jelentősen kibővítették az atommag szerkezetét magyarázó hipotézist. Röviden, az adalékok lényege egy új részecskére és az atom szerkezetében betöltött szerepére redukálódott.

A neutron tulajdonságai

A felfedezett részecske a „neutron” nevet kapta. Az újonnan felfedezett részecskék nem alkottak elektromágneses teret maguk körül, és könnyen átjutottak az anyagon anélkül, hogy energiát veszítettek volna. A könnyű atommagokkal való ritka ütközések során egy neutron képes kiütni az atommagot az atomból, energiájának jelentős részét elvesztve. Az atommag szerkezete az egyes anyagokban eltérő számú neutron jelenlétét feltételezte. Az azonos nukleáris töltésű, de eltérő számú neutronnal rendelkező atomokat izotópoknak nevezzük.

A neutronok kiválóan helyettesítették az alfa-részecskéket. Jelenleg az atommag szerkezetének tanulmányozására használják őket. Lehetetlen röviden leírni ezek jelentőségét a tudomány számára, de az atommagok neutronokkal történő bombázásának köszönhetően a fizikusok szinte az összes ismert elem izotópját tudták előállítani.

Az atommag összetétele

Jelenleg az atommag szerkezete a nukleáris erők által összetartott protonok és neutronok gyűjteménye. Például a hélium atommag két neutronból és két protonból álló csomó. A könnyű elemekben közel azonos számú proton és neutron, míg a nehéz elemekben sokkal több a neutronszám.

Az atommag szerkezetének ezt a képét a modern nagy gyorsítókkal, gyors protonokkal végzett kísérletek is megerősítik. Elektromos erők A protonok taszítását nukleáris erők ellensúlyozzák, amelyek csak magában az atommagban hatnak. Bár a nukleáris erők természetét még nem vizsgálták teljesen, létezésük gyakorlatilag bizonyított, és teljes mértékben megmagyarázza az atommag szerkezetét.

A tömeg és az energia kapcsolata

1932-ben a Wilson kamerája elképesztő fényképet készített, amely bizonyította az elektron tömegével rendelkező, pozitív töltésű részecskék létezését.

Ezt megelőzően P. Dirac elméletileg megjósolta a pozitív elektronokat. Valódi pozitív elektront is felfedeztek a kozmikus sugarakban. Az új részecskét pozitronnak nevezték. A kettős elektronjával való ütközéskor megsemmisülés következik be - két részecske kölcsönös megsemmisülése. Ez bizonyos mennyiségű energiát szabadít fel.

Így a makrokozmoszra kidolgozott elmélet teljes mértékben alkalmas volt az anyag legkisebb elemeinek viselkedésének leírására.

Az atom egy pozitív töltésű magból és az azt körülvevő elektronokból áll. Az atommagok mérete körülbelül 10-14...10-15 m (egy atom lineáris mérete 10-10 m).

Atommag elemi részecskékből áll - protonok és neutronok. Az atommag proton-neutron modelljét D. D. Ivanenko orosz fizikus javasolta, majd W. Heisenberg fejlesztette ki.

proton ( R) pozitív töltése megegyezik az elektron töltésével és nyugalmi tömegével T p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, Ahol m eelektron tömeg. Neutron ( n) – semleges részecske nyugalmi tömeggel m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. A protonok és neutronok tömegét gyakran más egységekben fejezik ki - atomtömeg-egységekben (amu, a szénatom tömegének 1/12-ével egyenlő tömegegység
). A proton és a neutron tömege megközelítőleg egy atomtömeg egység. Protonokat és neutronokat nevezünk nukleonok(a lat. atommagmag). Teljes szám Az atommagban lévő nukleonokat tömegszámnak nevezzük A).

A magok sugara a tömegszám növekedésével az összefüggésnek megfelelően nő R= 1,4A 1/3 10 -13 cm.

A kísérletek azt mutatják, hogy a magoknak nincs éles határa. Az atommag középpontjában van egy bizonyos sűrűségű nukleáris anyag, amely a középponttól való távolság növekedésével fokozatosan nullára csökken. Az atommag egyértelműen meghatározott határának hiánya miatt a "sugár" a középponttól való távolság, amelynél a maganyag sűrűsége felére csökken. A legtöbb atommag átlagos anyagsűrűség-eloszlása ​​több, mint gömb alakú. A legtöbb mag deformálódott. A magok gyakran megnyúlt vagy lapított ellipszoidok alakúak

Az atommag jellemzett díjZe, Ahol Zdíjszám mag, egyenlő a magban lévő protonok számával, és egybeesik a rendszámmal kémiai elem Mengyelejev elemi periódusos rendszerében.

Az atommagot ugyanaz a szimbólum jelöli, mint a semleges atomot:
, Ahol x- kémiai elem szimbóluma, Zatomszám (a protonok száma az atommagban), Atömegszám (a nukleonok száma a sejtmagban). Tömegszám A megközelítőleg megegyezik az atommag tömegével atomtömeg egységekben.

Mivel az atom semleges, az atommag töltése Z meghatározza az elektronok számát egy atomban. Eloszlásuk az atomok állapotai között az elektronok számától függ. A magtöltés meghatározza egy adott kémiai elem sajátosságait, azaz meghatározza az atomban lévő elektronok számát, elektronhéjaik konfigurációját, az atomon belüli elektromos tér nagyságát és jellegét.

Azonos töltésszámú atommagok Z, de különböző tömegszámokkal A(azaz azzal különböző számok neutronok N = A – Z), izotópoknak és az azonos atommagoknak nevezzük A, hanem más Z – izobárok. Például a hidrogén ( Z= l) három izotópja van: N – protium ( Z= l, N= 0), N – deutérium ( Z= l, N= 1), N – trícium ( Z= l, N= 2), ón - tíz izotóp, stb. Az esetek túlnyomó többségében ugyanazon kémiai elem izotópjai azonos kémiai és közel azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

E, MeV

Energiaszintek

és megfigyelt átmeneteket a bór atommag esetében

A kvantumelmélet szigorúan korlátozza azokat az energiákat, amelyekkel az atommagok alkotórészei rendelkezhetnek. Az atommagokban lévő protonok és neutronok gyűjteményei csak bizonyos, egy adott izotópra jellemző diszkrét energiaállapotban lehetnek.

Amikor egy elektron magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiájú állapotba megy, az energiakülönbség fotonként bocsátódik ki. Ezeknek a fotonoknak az energiája több elektronvolt nagyságrendű. A magok esetében a szintenergiák körülbelül 1 és 10 MeV közötti tartományba esnek. A szintek közötti átmenetek során nagyon nagy energiájú fotonok (γ-kvantumok) bocsátódnak ki. Az ilyen átmenetek szemléltetésére az ábrán. A 6.1 az atomenergia első öt szintjét mutatja
.A függőleges vonalak a megfigyelt átmeneteket jelzik. Például egy 1,43 MeV energiájú γ-kvantum emittálódik, amikor egy atommag 3,58 MeV energiájú állapotból 2,15 MeV energiájú állapotba megy át.

Alaptöltés

Bármely atom magja pozitív töltésű. A pozitív töltés hordozója a proton. Mivel a proton töltése numerikusan egyenlő egy $e$ elektron töltésével, felírhatjuk, hogy az atommag töltése egyenlő $+Ze$ (a $Z$ egy egész szám, sorozatszám kémiai elem a kémiai elemek periódusos rendszerében D. I. Mengyelejev). A $Z$ szám határozza meg a protonok számát is az atommagban és az elektronok számát az atomban. Ezért ezt az atommag rendszámának nevezik. Az elektromos töltés az atommag egyik fő jellemzője, amelytől az atomok optikai, kémiai és egyéb tulajdonságai függenek.

Magtömeg

Egy másik fontos jellemzője az atommag a tömege. Az atomok és atommagok tömegét általában atomtömeg-egységben (amu) fejezik ki. A $^(12)_6C$ szén-nuklid tömegének $1/12$-át szokásos atomtömeg-egységnek tekinteni:

ahol $N_A=6.022\cdot 10^(23)\ mol^-1$ Avogadro száma.

Einstein $E=mc^2$ összefüggése szerint az atomok tömegét is energiaegységekben fejezzük ki. Mert a:

• proton tömeg $m_p=1,00728\ amu=938,28\ MeV$,
• neutron tömeg $m_n=1,00866\ amu=939,57\ MeV$,
• elektrontömeg $m_e=5,49\cdot 10^(-4)\ amu=0,511\ MeV$,

Mint látható, az elektron tömege elhanyagolhatóan kicsi az atommag tömegéhez képest, akkor az atommag tömege majdnem egybeesik az atom tömegével.

A tömeg különbözik az egész számoktól. Atomtömeg, amu-ban kifejezve. és egész számra kerekítve tömegszámnak nevezzük, amelyet $A$ betűvel jelölünk, és meghatározza a nukleonok számát az atommagban. Az atommagban a neutronok száma $N=A-Z$.

Az atommagok jelölésére a $^A_ZX$ szimbólumot használjuk, ahol a $X$ egy adott elem vegyjele. Az azonos számú protonnal rendelkező, de eltérő tömegű atommagokat izotópoknak nevezzük. Egyes elemekben a stabil és instabil izotópok száma eléri a tízet, például az uránnak $14$ izotópja van: $^(227)_(92)U\ $-tól $^(240)_(92)U$-ig.

A természetben létező legtöbb kémiai elem több izotóp keveréke. Az izotópok jelenléte magyarázza azt a tényt, hogy egyesek természetes elemek tömege eltér az egész számoktól. Például a természetes klór $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ és $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, atomtömege pedig 35,5$ a.u. .m. a legtöbb atomban a hidrogén kivételével az izotópok közel azonos fizikai és Kémiai tulajdonságok. De kizárólag nukleáris tulajdonságaik mögött az izotópok jelentősen eltérnek egymástól. Némelyikük stabil lehet, mások radioaktívak.

Azonos tömegszámú magok, de különböző jelentések A $Z$-t izobároknak nevezzük, például $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Az azonos számú neutronnal rendelkező atommagokat izotóniáknak nevezzük. A könnyű atommagok között vannak úgynevezett „tükör” magpárok. Ezek olyan magpárok, amelyekben a $Z$ és $A-Z$ számok felcserélődnek. Ilyen magok lehetnek például $^(13)_6C\ $ és $^(13_7)N$ vagy $^3_1H$ és $^3_2He$.

Az atommag mérete

Feltételezve, hogy az atommag megközelítőleg gömb alakú, bevezethetjük a sugarának $R$ fogalmát. Megjegyzendő, hogy egyes atommagokban az elektromos töltés eloszlásában enyhe eltérés van a szimmetriától. Ráadásul az atommagok nem statikusak, hanem dinamikus rendszerek, és a magsugár fogalma nem ábrázolható egy golyó sugaraként. Emiatt az atommag méretét kell annak a területnek tekinteni, amelyben a nukleáris erők megnyilvánulnak.

A $\alpha $ - részecskék szórásának kvantitatív elméletének megalkotásakor E. Rutherford abból a feltevésből indult ki, hogy az atommag és a $\alpha $ - részecske a Coulomb-törvény szerint kölcsönhatásba lép, azaz. Mit elektromos mező a mag körül gömbszimmetria van. A $\alpha $ részecske szóródása teljes összhangban Rutherford képletével történik:

Ez a $\alpha $ - részecskék esetében fordul elő, amelyeknek $E$ energiája meglehetősen kicsi. Ebben az esetben a részecske nem képes leküzdeni a Coulomb potenciálgátat, és ezt követően nem éri el a nukleáris erők hatásterületét. Ahogy a részecske energiája egy bizonyos határértékre nő, $E_(gr)$ $\alpha $ -- a részecske eléri ezt a határt. Ekkor a $\alpha $ - részecskék szórásakor eltérés mutatkozik a Rutherford képlettől. A kapcsolatból

A kísérletek azt mutatják, hogy az atommag sugara $R$ a magba belépő nukleonok számától függ. Ez a függőség a következő empirikus képlettel fejezhető ki:

ahol $R_0$ egy állandó, $A$ egy tömegszám.

Az atommagok méretét kísérleti úton protonok, gyorsneutronok vagy nagyenergiájú elektronok szórásával határozzák meg. Számos más közvetett módszer is létezik a magok méretének meghatározására. A $\alpha $ -- radioaktív atommagok élettartama és az általuk kibocsátott $\alpha $ -- részecskék energiája közötti kapcsolaton alapulnak; az úgynevezett mezoatomok optikai tulajdonságairól, amelyekben egy elektront átmenetileg befog egy müon; tüköratompár kötési energiájának összehasonlításával. Ezek a módszerek megerősítik a $R=R_0A^(1/3)$ empirikus függést, és ezekkel a mérésekkel megállapítottuk a $R_0=\left(1.2-1.5\right)\cdot 10^(-15) konstans értékét \ m$.

Vegye figyelembe azt is, hogy az atomfizikában és a részecskefizikában a távolság mértékegysége a „Fermi” mértékegység, amely egyenlő: $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^( -15)\ m )$.

Az atommagok sugara tömegszámuktól függ, és a $2\cdot 10^(-15)\ m\ és\\ 10^(-14)\ m$ tartományba esik. ha a $R_0$-t a $R=R_0A^(1/3)$ képletből fejezzük ki és $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$ alakban írjuk, akkor láthatjuk, hogy minden nukleon megközelítőleg azonos térfogatot tartalmaz. Ez azt jelenti, hogy a nukleáris anyag sűrűsége minden atommag esetében megközelítőleg azonos. Az atommagok méretére vonatkozó meglévő adatok alapján megkapjuk a maganyag sűrűségének átlagos értékét:

Amint látjuk, a nukleáris anyag sűrűsége nagyon magas. Ez a nukleáris erők fellépésének köszönhető.

A kommunikáció energiája. Nukleáris tömeg hiba

Az atommagot alkotó nukleonok nyugalmi tömegének összegét az atommag tömegével összehasonlítva észrevettük, hogy minden kémiai elemre igaz a következő egyenlőtlenség:

ahol $m_p$ a proton tömege, $m_n$ a neutron tömege, $m_я$ az atommag tömege. A $\háromszög m$ értéket, amely az atommagot alkotó nukleonok tömege és az atommag tömege közötti tömegkülönbséget fejezi ki, nukleáris tömeghibának nevezzük.

Az atommag tulajdonságairól fontos információkhoz juthatunk anélkül, hogy belemélyednénk az atommag nukleonjai közötti kölcsönhatás részleteibe, az energiamegmaradás törvénye, valamint a tömeg-energia arányosság törvénye alapján. Attól függően, hogy a $\háromszög m$ bármilyen tömegváltozás hatására mekkora változás következik be az $\háromszög E$ ($\háromszög E=\háromszög mc^2$), akkor az atommag kialakulása során bizonyos mennyiségű energia szabadul fel. Az energiamegmaradás törvénye szerint ugyanannyi energiára van szükség ahhoz, hogy az atommagot alkotó részecskéire bontsa, i.e. olyan távolságra mozgatják a nukleonokat egymástól, amelyek között nincs kölcsönhatás. Ezt az energiát az atommag kötési energiájának nevezzük.

Ha az atommag $Z$ protonokkal és $A$ tömegszámmal rendelkezik, akkor a kötési energia egyenlő:

1. megjegyzés

Vegye figyelembe, hogy ez a képlet nem teljesen kényelmes használni, mert A táblázatok nem az atommagok tömegét sorolják fel, hanem a semleges atomok tömegét meghatározó tömegeket. Ezért a számítások megkönnyítése érdekében a képletet úgy alakítjuk át, hogy az atomok tömegét tartalmazza, nem az atommagokat. Ebből a célból a képlet jobb oldalán összeadjuk és kivonjuk a $(m_e)$ elektronok $Z$ tömegét. Akkor

\c^2==\leftc^2.\]

$m_(()^1_1H)$ a hidrogénatom tömege, $m_a$ az atom tömege.

A magfizikában az energiát gyakran megaelektronvoltban (MeV) fejezik ki. Ha arról beszélünk O praktikus alkalmazás atomenergiát, ezt joule-ban mérik. Két atommag energiájának összehasonlítása esetén az energia tömegegységét használjuk - a tömeg és az energia arányát ($E=mc^2$). Az energia tömegegysége ($le$) egyenlő energiával, ami egy amu tömegének felel meg. Ez egyenlő 931 502 $ MeV-vel.

1. kép

Az energia mellett fontos specifikus kötési energiával rendelkezik - az egy nukleonra eső kötési energia: $w=E_(st)/A$. Ez az érték viszonylag lassan változik a $A$ tömegszám változásához képest, amely a periódusos rendszer középső részében szinte állandó 8,6 $ MeV értékkel, és a széleiig csökken.

Példaként számítsuk ki a hélium atom magjának tömeghibáját, kötési energiáját és fajlagos kötési energiáját.

Tömeghiba

Kötési energia MeV-ben: $E_(bv)=\háromszög m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;

Fajlagos kötési energia: $w=\frac(E_(st))(A)=\frac(28,3\ MeV)(4\kb. 7,1\ MeV).$

Valószínűleg mindenki emlékszik az iskolából, hogy az atomok, és még inkább az atommagok olyan kicsik, hogy nem lehet látni, megérinteni. Ebből az a benyomás alakulhat ki, hogy mivel ezek a méretek a mikrokozmoszra vonatkoznak, csak nagyon összetett fizikai kísérletek segítségével határozhatók meg. De ez egyáltalán nem igaz. Vannak egészen makroszkopikus, sőt hétköznapi jelenségek, amelyek lehetővé teszik e méretek legalább nagyságrendileg megbecsülését. Az egyik feladatnál már kitaláltuk, hogyan becsüljük meg egy atom méretét egy anyag ismert termodinamikai jellemzői alapján. Térjünk most az atommagra.

Az atommagokat természetesen nehezebb tanulmányozni, mint magukat az atomokat. Az anyag tulajdonságainak kialakításában meglehetősen csekély szerepet játszanak. Masszívumot adnak az anyagnak, az elektronokat a közelükben tartják, de maguk az atommagok nem lépnek közvetlen kölcsönhatásba egymással. Ez azért történik, mert nagyon kicsik, sokkal kisebbek, mint maguk az atomok (1. ábra). Emiatt a méretüket nehezebb meghatározni, mint az atomok méretét.

Ebben a problémában azonban az atommag méretének becsléséhez egy olyan támpontot fogunk használni, amelyet a természet nyújt számunkra: a radioaktivitás jelenségét.

Ismeretes, hogy egyes nukleáris átalakulások során neutronok bocsátanak ki magokból. A protonoktól és elektronoktól eltérően a neutronok nem elektromosan töltöttek. Az anyagon keresztüli repülésük során gyakorlatilag nincs érzésük elektronikus héjak atomok. Egyik atomon a másik után repülnek át anélkül, hogy letérnének a pályájukról, mígnem frontálisan ütköznek valamilyen anyagmaggal. Az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy minden egyes gyors neutron, amely az atommagba ütközik, jelentős kölcsönhatást okoz: ez lehet abszorpció, rugalmas szórás vagy valamilyen változás az atommag belsejében.

A neutronoknak az elektromágneses kölcsönhatásokhoz való „nem adva” hozzáállása ahhoz a tényhez vezet, hogy a neutronfluxus nagy áthatoló képességgel rendelkezik (2. ábra). A neutronok átlagos szabad útja (azaz az egyes ütközések közötti távolság) meglehetősen nagy lehet, sokkal hosszabb, mint az elektronok vagy a röntgensugarak esetében. Számunkra itt a legfontosabb, hogy ez a hosszúság közvetlenül mérni egy egyszerű laboratóriumi kísérletben a neutronfluxus lemezekkel történő árnyékolásáról különböző vastagságok. Az eredmények a következők: az 1 MeV nagyságrendű energiájú gyors neutronok esetében az átlagos szabad út szilárd anyagban, például alumíniumban körülbelül 10 cm - ez teljesen makroszkopikus méret.

Feladat

A fenti számok és érvelések alapján mérték nagyságrendben az alumínium atommagjának mérete.

1. tipp

Rajzoljon sematikus diagramot több atomról, amelyek az elektronhéjukkal szorosan egymáshoz vannak nyomva. Jelölje meg bennük az atommagokat, ne feledje, hogy nagyon kicsik. A neutronok nem figyelnek az elektronhéjakra, számukra a szilárd anyag olyan, mint egy nagyon ritka és szinte mozdulatlan atommag „gáz”. Ezt szem előtt tartva rajzolja meg a neutron egyenes útját, és próbálja megérteni, hogy az átlagos szabad út hogyan viszonyul az atommag méretéhez.

2. tipp

Valójában már találkoztunk egy képlettel, amely az átlagos szabad utat a közeg paramétereihez köti a Photon Collision feladatban. Ott a fotonok egymásra szóródásának keresztmetszetéről beszéltünk, és ez egy elég absztrakt mennyiség volt. Most minden egyszerűbb: úgy gondoljuk, hogy a neutron-nukleáris ütközés szórási keresztmetszete egyszerűen egybeesik az „atommag + neutron” rendszer geometriai keresztmetszetével.

Megoldás

ábrán. A 3. ábra a folytonos anyag nagyon leegyszerűsített nézetét mutatja a töltött részecskék vagy fotonok, valamint a neutron szemszögéből. A neutron gyakorlatilag nem „lát” elektronokat, számára csak atommagok léteznek. A mag sugarát jelöljük R, és a köztük lévő jellemző távolság áthalad a. vegye figyelembe, hogy a- ez egy tipikus interatomi távolság, nagy nagyobb méretű kernelek R. A legegyszerűbb becslésekhez magát a neutront pontneutronnak tekintjük. Kívánt esetben a becslés finomítható a neutron méretének az atommag méretéhez és tömegszámához való viszonyításával. Ez a finomítás azonban nem változtatja meg a becslés nagyságrendjét.

Az átlagos szabad út közötti kapcsolat L, ütközési keresztmetszet σ és magkoncentráció n már részletesen tárgyaltuk a fotonütközések problémájának megoldása során. Egyszerűen le van írva: Lσn= 1. Esetünkben az ütközési keresztmetszet egyszerűen a mag keresztmetszete, σ = πR 2és a koncentrációt az atommagok közötti távolságban fejezzük ki, n = 1/a 3. Ezeket a kifejezéseket behelyettesítve megkapjuk a választ az atommag sugarának becslésére:

Interatomikus távolság a- szilárd anyag esetében ez egyszerűen az atomok mérete, azaz több angström. A pontosabb értékelés érdekében az atommagok koncentrációja az anyag sűrűségén és a mag tömegén keresztül számítható ki; alumíniumnál ez ad a= 2,5 Å. Fogadás L= 0,1 m, kapjuk R≈ 7·10−15 m.

A talált érték körülbelül kétszerese az alumínium mag tényleges sugarának. Ez egy ilyen egyszerű nagyságrendi becsléshez teljesen elfogadható pontosság.

Utószó

Ez a probléma bevezetőként szolgálhat különféle történetekbe arról, hogy a neutronok vagy általánosabban az egyes elemi részecskék hogyan lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Itt csak néhány nagyon általános vázlatra szorítkozunk.

Először is azonnal el kell mondanunk, hogy egy valódi kísérletben teljesen más módszerekkel mérik az atommagok méretét. A legtöbb szabványos módon a klasszikus Rutherford-kísérlet továbbfejlesztett változata: az atommag mérete meghatározható a töltött részecskék rajta való szétszóródásának módjáról. De van egy érdekes pont: kiderül, hogy a kernelnek lehet néhány különböző méretű: protonsugár, anyagsugár, töltéssugár stb. Egyes esetekben, például a neutron glóriával rendelkező atommagoknál, ezek a méretek jelentősen eltérhetnek. Ezért a modern kísérleti fizika több különböző módszert alkalmaz az atommagok méretének mérésére és szerkezetének tanulmányozására (lásd hírünkben a fizika e területére vonatkozó bevezetőt. Az optikai kutatás segít a neutronhalo atommagok tanulmányozásában).

Ebben a feladatban az egyszerűség kedvéért feltételeztük, hogy az atommag neutronszórásának keresztmetszete tisztán geometriai: ütközés következik be, ha a neutronpálya szigorúan az atommagot érinti. Valójában a mikrovilágban, amelyet kvantumtörvények írnak le, a helyzet nagyon eltérhet ettől a feltételezéstől. Ráadásul ez a különbség erősen függ a neutronenergiától (5. ábra). Így körülbelül 1 MeV energiáknál a szórási keresztmetszet általában több

És végül a neutronok számtalan lehetőséget nyitnak meg nemcsak az alapfizika, hanem az alkalmazott kutatások számára is. Anélkül, hogy az összes konkrét alkalmazási területet felsorolnánk, csupán megemlítjük a más módszerekkel nem betekinthető eszközök ipari diagnosztikáját (6. ábra), az anyagtudományt, az orvosbiológiai tudományokat a farmakológiával párosulva, valamint a geofizikát. Mindezek az alkalmazások ilyen vagy olyan módon a neutronok anyagba való nagy áthatoló képességén alapulnak.

Az atommag az atom központi része, amelyben szinte az összes tömeg és pozitív töltése koncentrálódik. Az atommag elemi részecskékből áll - protonokból és neutronokból (a proton-neutron modellt Ivanenko szovjet fizikus javasolta, később Heisenberg fejlesztette ki). Az atommagot töltés jellemzi. Az atommag töltése a mennyiség, ahol e a proton töltése, Z a kémiai elem rendszáma a periódusos rendszerben, számával egyenlő protonok az atommagban. Az atommagban lévő nukleonok számát A=N+Z tömegszámnak nevezzük, ahol N a neutronok száma az atommagban.

Az azonos Z-vel, de eltérő A-val rendelkező magokat izotópoknak nevezzük. Azokat az atommagokat, amelyeknek ugyanaz a Z értéke különböző, izobároknak nevezzük. Core chem. X elemet jelöljük

Ahol X a vegyjel. elem. A mag méretét a mag sugara jellemzi. Az atommag sugarának empirikus képlete, ahol m, az atommag térfogatával és a benne lévő nukleonok számával arányosként értelmezhető. A maganyag sűrűsége nagyságrendű, és minden atommag esetében állandó. Az atommag tömege kisebb, mint az azt alkotó nukleonok tömegének összege, és ezt a tömeghibát a következő képlet határozza meg. Az atommag pontos tömege tömegspektrométerekkel határozható meg. Az atomban lévő nukleonok fermionok és spinük van. Az atommag saját impulzusimpulzusa - az atommag spinje - egyenlő , ahol I a belső (teljes) spinkvantumszám.

Az I szám egész vagy fél egész értékeket fogad el, stb. A magrészecskéknek saját mágneses momentumaik vannak, amelyek meghatározzák az atommag egészének mágneses momentumát. Az atommagok mágneses momentumainak mértékegysége a magmagneton: , ahol e az elektrontöltés abszolút értéke, és a proton tömege. Összefüggés van az atommag -ban kifejezett spinje és mágneses momentuma között, ahol a mag giromágneses aránya. A protonok elektromos töltésének eloszlása ​​az atommagban általában aszimmetrikus. Ennek az eloszlásnak a gömbszimmetrikustól való eltérésének mértéke az atommag Q kvadrupólus elektromos nyomatéka. Ha a töltéssűrűséget mindenhol azonosnak tételezzük fel, akkor a Q-t csak az atommag alakja határozza meg. Tehát egy forgásellipszoid alakú magra, ahol b az ellipszoid forgásirány szerinti féltengelye; a – féltengely merőleges irányban. A spinirány mentén megnyúlt mag esetében b>a és Q>0. Ebben az irányban lapított magnál b

Az atommagot alkotó nukleonok között speciális, az atommagra jellemző erők vannak, amelyek jelentősen meghaladják a protonok közötti Coulomb taszító erőket. Ezeket nukleáris erőknek nevezik. Az atomerők az úgynevezett erős kölcsönhatások osztályába tartoznak. A nukleáris erők alapvető tulajdonságai:

1. méreg. az erők vonzási erők;

2. méreg. az erők rövid hatótávolságúak;

3. méreg. az erőket a töltésfüggetlenség jellemzi: a két proton, vagy egy proton és egy neutron között ható magerők nagyságrendileg egyenlőek, i.e. a nukleáris erőknek nincs áramuk. természet;

4. méreg. erőket a telítettség jellemzi, azaz. a sejtmagban minden egyes nukleon csak korlátozott számú, hozzá legközelebb eső nukleonnal lép kölcsönhatásba;

5. méreg. az erők a kölcsönható nukleonok spineinek kölcsönös orientációjától függenek;

6. méreg. az erők nem központiak.

Kernel modellek.

1. A cseppmagmodell az első modell. A magban lévő nukleonok viselkedése és a folyadékcseppekben lévő molekulák viselkedése közötti analógián alapul. Így mindkét esetben az alkotó részecskék – a folyadékban lévő molekulák és a magban lévő nukleonok – között ható erők rövid hatótávolságúak és hajlamosak telítettségre. Egy csepp folyadékot adott külső körülmények között az anyag állandó sűrűsége jellemzi. A magokat szinte állandó fajlagos kötési energia és állandó sűrűség jellemzi, függetlenül a magban lévő nukleonok számától. A csepp térfogata és az atommag térfogata arányos a részecskék számával. A szignifikáns különbség a mag és egy csepp folyadék között ebben a modellben a következő: az, hogy az atommagot elektromosságcseppként kezeli. Töltött, összenyomhatatlan folyadék, amely megfelel a kvantummechanika törvényeinek. Az atommag cseppmodellje megmagyarázta a maghasadási reakciók mechanizmusát, de nem tudta megmagyarázni a varázslatos számú protont és neutront tartalmazó atommagok megnövekedett stabilitását.

2. Az atommag héjmodellje feltételezi a nukleonok eloszlását a magban diszkrét en felett. Pauli-elv szerint kitöltött szintek, és összekapcsolja a magok stabilitását ezen szintek kitöltésével. Úgy gondolják, hogy a teljesen kitöltött héjú magok a legstabilabbak. Az atommag héjmodellje lehetővé tette az atommagok spin- és mágneses momentumainak, az atommagok eltérő stabilitásának magyarázatát, valamint a könnyű és közepes magok, valamint az alapállapotú magok leírását. Az atommagok tulajdonságaira vonatkozó kísérleti adatok további felhalmozásával új tények jelentek meg, amelyek nem illeszkedtek a leírt modellek keretei közé. Így keletkezett az általánosított magmodell, az atommag optikai modellje stb.

Nukleáris reakciók.

A magreakciók az atommagok egymással vagy elemi részecskékkel való kölcsönhatása által okozott átalakulások.

A nukleáris reakciók jellemzően két atommagot és két részecskét foglalnak magukban. Az egyik mag-részecske pár a kezdeti, a másik pár a végső.