Atomo branduolys. Mokyklinė enciklopedija

Dar gerokai anksčiau, nei pasirodė patikimi duomenys apie vidinė struktūra Iš visų dalykų graikų mąstytojai įsivaizdavo materiją mažų ugningų dalelių pavidalu nuolatinis judėjimas. Tikriausiai ši pasaulio daiktų tvarkos vizija buvo kilusi iš grynai logiškų išvadų. Nepaisant šio teiginio naivumo ir visiško įrodymų trūkumo, jis pasirodė esąs tiesa. Nors mokslininkams šį drąsų spėjimą pavyko patvirtinti tik po dvidešimt trijų šimtmečių.

Atominė struktūra

IN pabaigos XIX amžiuje buvo tiriamos išlydžio vamzdžio, per kurį buvo leidžiama srovė, savybės. Stebėjimai parodė, kad šiuo atveju išsiskiria du dalelių srautai:

Neigiamos katodinių spindulių dalelės buvo vadinamos elektronais. Vėliau daugelyje procesų buvo aptiktos dalelės, turinčios tą patį krūvio ir masės santykį. Atrodė, kad elektronai yra universalūs įvairių atomų komponentai, gana lengvai atskiriami, kai juos bombarduoja jonai ir atomai.

Dalelės, turinčios teigiamą krūvį, buvo vaizduojamos kaip atomų fragmentai, kai jos prarado vieną ar daugiau elektronų. Tiesą sakant, teigiami spinduliai buvo atomų grupės, neturinčios neigiamų dalelių ir dėl to turinčios teigiamą krūvį.

Thompsono modelis

Remiantis eksperimentais, buvo nustatyta, kad teigiamos ir neigiamos dalelės reprezentavo atomo esmę ir buvo jo komponentai. Anglų mokslininkas J. Thomsonas pasiūlė savo teoriją. Jo nuomone, atomo sandara ir atomo branduolys buvo tam tikra masė, kurioje neigiami krūviai buvo suspausti į teigiamo krūvio kamuoliuką, kaip razinos į keksiuką. Įkrovimo kompensacija padarė „keksinį“ elektrai neutralų.

Rutherfordo modelis

Jaunas amerikiečių mokslininkas Rutherfordas, analizuodamas alfa dalelių paliktus pėdsakus, priėjo prie išvados, kad Thompsono modelis buvo netobulas. Kai kurios alfa dalelės buvo nukreiptos mažais kampais – 5-10 o. Retais atvejais alfa dalelės buvo nukreiptos dideliais 60-80 o kampais, o išskirtiniais atvejais kampai buvo labai dideli - 120-150 o. Thompsono atomo modelis negalėjo paaiškinti skirtumo.

Rutherfordas siūlo naujas modelis, paaiškinantis atomo ir atomo branduolio sandarą. Proceso fizika teigia, kad atomas turi būti 99% tuščias, o aplink jį sukasi mažytis branduolys ir elektronai, judantys orbitomis.

Smūgių metu nukrypimus jis aiškina tuo, kad atomo dalelės turi savo elektrinius krūvius. Bombarduojant įkrautas daleles, atominiai elementai makrokosme elgiasi kaip įprasti įkrauti kūnai: vienodų krūvių dalelės viena kitą atstumia, o priešingų krūvių traukia.

Atomų būsena

Praėjusio amžiaus pradžioje, kai buvo paleisti pirmieji dalelių greitintuvai, visos teorijos, aiškinusios atomo branduolio sandarą ir patį atomą, laukė eksperimentinio patikrinimo. Tuo metu alfa ir beta spindulių sąveika su atomais jau buvo nuodugniai ištirta. Iki 1917 m. buvo manoma, kad atomai yra stabilūs arba radioaktyvūs. Stabilių atomų negalima suskaidyti, o radioaktyviųjų branduolių skilimo kontroliuoti negalima. Tačiau Rutherfordui pavyko paneigti šią nuomonę.

Pirmasis protonas

1911 metais E. Rutherfordas iškėlė mintį, kad visi branduoliai susideda iš identiškų elementų, kurių pagrindas – vandenilio atomas. Šiai idėjai mokslininką paskatino svarbi ankstesnių materijos sandaros tyrimų išvada: visų cheminių elementų masės dalijamos be liekanos iš vandenilio masės. Nauja prielaida atvėrė precedento neturinčias galimybes, leido naujai pamatyti atomo branduolio struktūrą. Branduolinės reakcijos turėjo patvirtinti arba paneigti naują hipotezę.

1919 metais buvo atlikti eksperimentai su azoto atomais. Bombarduodamas juos alfa dalelėmis, Rutherfordas pasiekė nuostabų rezultatą.

N atomas sugėrė alfa dalelę, tada virto deguonies atomu O 17 ir išspinduliavo vandenilio branduolį. Tai buvo pirmasis dirbtinis vieno elemento atomo pavertimas kitu. Tokia patirtis suteikė vilties, kad atomo branduolio sandara ir esamų procesų fizika leidžia atlikti ir kitokias branduolines transformacijas.

Savo eksperimentuose mokslininkas naudojo scintiliacijos blykstės metodą. Remdamasis pliūpsnių dažniu, jis padarė išvadas apie atomo branduolio sudėtį ir struktūrą, susidariusių dalelių charakteristikas, jų atominę masę ir atominį skaičių. Nežinomą dalelę Rutherfordas pavadino protonu. Jis turėjo visas vandenilio atomo charakteristikas, atimtas nuo vienintelio elektrono – vieną teigiamą krūvį ir atitinkamą masę. Taigi buvo įrodyta, kad protonas ir vandenilio branduolys yra tos pačios dalelės.

1930 m., kai buvo pastatyti ir paleisti pirmieji dideli greitintuvai, Rutherfordo atomo modelis buvo išbandytas ir įrodytas: kiekvienas vandenilio atomas susideda iš vienišo elektrono, kurio padėties nustatyti neįmanoma, ir laisvo atomo, kurio viduje yra vienas teigiamas protonas. . Kadangi bombardavimo metu protonai, elektronai ir alfa dalelės gali išskristi iš atomo, mokslininkai manė, kad tai yra bet kurio atomo branduolio komponentai. Tačiau toks branduolio atomo modelis atrodė nestabilus – elektronai buvo per dideli, kad tilptų į branduolį, be to, iškilo rimtų sunkumų, susijusių su impulso ir energijos tvermės dėsnio pažeidimu. Šie du įstatymai, kaip ir griežti buhalteriai, sakė, kad impulsas ir masė bombardavimo metu išnyksta nežinoma kryptimi. Kadangi šie įstatymai buvo visuotinai pripažinti, teko ieškoti tokio nutekėjimo paaiškinimų.

Neutronai

Viso pasaulio mokslininkai atliko eksperimentus, kurių tikslas buvo atrasti naujus atomų branduolių komponentus. 1930-aisiais vokiečių fizikai Beckeris ir Bothe bombardavo berilio atomus alfa dalelėmis. Kartu buvo užfiksuota nežinoma spinduliuotė, kurią nuspręsta pavadinti G-spinduliais. Išsamūs tyrimai atskleidė kai kurias naujųjų spindulių ypatybes: jie galėjo sklisti griežtai tiesia linija, nesąveikavo su elektros ir magnetiniai laukai, pasižymėjo dideliu skvarbumu. Vėliau dalelės, sudarančios tokio tipo spinduliuotę, buvo aptiktos alfa dalelėms sąveikaujant su kitais elementais – boru, chromu ir kt.

Chadwicko spėjimas

Tada Jamesas Chadwickas, kolega ir Rutherfordo mokinys, žurnale „Nature“, kuris vėliau tapo plačiai žinomas, perdavė trumpą pranešimą. Chadwickas atkreipė dėmesį į tai, kad prieštaravimus išsaugojimo dėsniuose galima lengvai išspręsti, jei manysime, kad naujoji spinduliuotė yra neutralių dalelių srautas, kurių kiekvienos masė yra maždaug lygi protono masei. Atsižvelgdami į šią prielaidą, fizikai žymiai išplėtė hipotezę, paaiškinančią atomo branduolio struktūrą. Trumpai tariant, priedų esmė buvo sumažinta iki naujos dalelės ir jos vaidmens atomo struktūroje.

Neutronų savybės

Atrastoji dalelė buvo pavadinta „neutronu“. Naujai atrastos dalelės nesudarė aplink save elektromagnetinių laukų ir lengvai prasiskverbė per materiją neprarasdamos energijos. Retais susidūrimais su lengvaisiais atominiais branduoliais neutronas gali išmušti branduolį iš atomo, prarasdamas didelę dalį savo energijos. Atomo branduolio struktūra numatė, kad kiekvienoje medžiagoje yra skirtingas neutronų skaičius. Atomai, turintys tą patį branduolinį krūvį, bet skirtingą neutronų skaičių, vadinami izotopais.

Neutronai buvo puikus alfa dalelių pakaitalas. Šiuo metu jie naudojami tiriant atomo branduolio struktūrą. Neįmanoma trumpai apibūdinti jų reikšmės mokslui, tačiau neutronais bombarduojant atomų branduolius fizikai sugebėjo gauti beveik visų žinomų elementų izotopų.

Atomo branduolio sudėtis

Šiuo metu atomo branduolio struktūra yra protonų ir neutronų rinkinys, kurį kartu laiko branduolinės jėgos. Pavyzdžiui, helio branduolys yra dviejų neutronų ir dviejų protonų gabalas. Lengvieji elementai turi beveik vienodą protonų ir neutronų skaičių, o sunkieji – daug didesnį neutronų skaičių.

Šį branduolio struktūros vaizdą patvirtina eksperimentai su šiuolaikiniais dideliais greitintuvais su greitais protonais. Elektrinės jėgos Protonų atstūmimą balansuoja branduolinės jėgos, kurios veikia tik pačiame branduolyje. Nors branduolinių jėgų prigimtis dar nėra iki galo ištirta, jų egzistavimas praktiškai įrodytas ir visiškai paaiškina atomo branduolio sandarą.

Masės ir energijos santykis

1932 metais Wilsono fotoaparatas užfiksavo nuostabią nuotrauką, įrodančią, kad egzistuoja teigiamai įkrautos dalelės, turinčios elektrono masę.

Prieš tai teigiamus elektronus teoriškai numatė P. Dirakas. Tikras teigiamas elektronas buvo atrastas ir kosminiuose spinduliuose. Naujoji dalelė buvo vadinama pozitronu. Susidūrus su jo dvigubu – elektronu, įvyksta anihiliacija – abipusis dviejų dalelių sunaikinimas. Taip išsiskiria tam tikras energijos kiekis.

Taigi makrokosmui sukurta teorija visiškai tiko smulkiausių materijos elementų elgsenai apibūdinti.

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

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

protonas ( R) turi teigiamą krūvį, lygų elektrono krūviui ir ramybės masei T p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m m e, Kur m eelektronų masė. Neutronas ( n) – neutrali dalelė su ramybės mase m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Protonų ir neutronų masė dažnai išreiškiama kitu vienetu – atominės masės vienetais (amu, masės vienetas, lygus 1/12 anglies atomo masės
). Protono ir neutrono masės yra maždaug vienas atominės masės vienetas. Protonai ir neutronai vadinami nukleonai(iš lat. branduolysšerdis). Iš viso nukleonai atomo branduolyje vadinami masės skaičiumi A).

Branduolių spinduliai didėja didėjant masės skaičiui pagal ryšį R= 1,4A 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 aiškiai 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 turi pailgų arba plokščių elipsoidų formą

Atominis branduolys yra charakterizuojamas mokestisZe, Kur Zįkrovimo numeris branduolys, lygus protonų skaičiui branduolyje ir sutampantis su atominiu skaičiumi cheminis elementas Mendelejevo periodinėje elementų lentelėje.

Branduolys žymimas tuo pačiu simboliu kaip ir neutralus atomas:
, Kur X- cheminio elemento simbolis, Zatominis skaičius (protonų skaičius branduolyje), Amasės skaičius (nukleonų skaičius branduolyje). Masinis skaičius A maždaug lygus branduolio masei atominės masės vienetais.

Kadangi atomas yra neutralus, branduolio krūvis Z nustato elektronų skaičių atome. Jų pasiskirstymas tarp atomo būsenų priklauso nuo elektronų skaičiaus. Branduolinis krūvis lemia tam tikro cheminio elemento specifiką, tai yra, jis nustato elektronų skaičių atome, jų elektronų apvalkalo konfigūraciją, atominio elektrinio lauko dydį ir pobūdį.

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

E, MeV

Energijos lygiai

ir pastebėti boro atomo branduolio perėjimai

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

Kai elektronas pereina iš aukštesnės į žemesnės energijos būseną, energijos skirtumas išspinduliuojamas kaip fotonas. Šių fotonų energija yra maždaug kelių elektronų voltų. 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 branduolinės energijos lygius
.Vertikalios linijos rodo pastebėtus perėjimus. Pavyzdžiui, branduoliui pereinant iš 3,58 MeV energijos būsenos į būseną, kurios energija yra 2,15 MeV, išsiskiria γ-kvantas, kurio energija yra 1,43 MeV.

Pagrindinis mokestis

Bet kurio atomo branduolys yra teigiamai įkrautas. Teigiamo krūvio nešėjas yra protonas. Kadangi protono krūvis skaitine prasme lygus elektrono $e$ krūviui, galime parašyti, kad branduolio krūvis lygus $+Ze$ ($Z$ yra sveikasis skaičius, rodantis serijos numeris cheminis elementas periodinėje cheminių elementų lentelėje D. I. Mendelejevas). Skaičius $Z$ taip pat lemia protonų skaičių branduolyje ir elektronų skaičių atome. Todėl jis vadinamas branduolio atominiu skaičiumi. Elektros krūvis yra viena iš pagrindinių atomo branduolio charakteristikų, nuo kurios priklauso optinės, cheminės ir kitos atomų savybės.

Šerdies masė

Kitas svarbi savybė branduolys yra jo masė. Atomų ir branduolių masė paprastai išreiškiama atominės masės vienetais (amu). Įprasta atominės masės vienetu laikyti $1/12$ anglies nuklido $^(12)_6C$ masės:

kur $N_A=6.022\cdot 10^(23)\ mol^-1$ yra Avogadro skaičius.

Pagal Einšteino santykį $E=mc^2$ atomų masė taip pat išreiškiama energijos vienetais. Nes:

• protonų masė $m_p=1,00728\ amu=938,28\ MeV$,
• neutronų masė $m_n=1,00866\ amu=939,57\ MeV$,
• elektronų masė $m_e=5,49\cdot 10^(-4)\ amu=0,511\MeV$,

Kaip matote, elektrono masė yra nežymiai maža, palyginti su branduolio mase, tada branduolio masė beveik sutampa su atomo mase.

Masė skiriasi nuo sveikųjų skaičių. Branduolinė masė, išreikšta amu. o suapvalintas iki sveikojo skaičiaus vadinamas masės skaičiumi, žymimas raide $A$ ir nulemia nukleonų skaičių branduolyje. Neutronų skaičius branduolyje yra $N=A-Z$.

Branduoliams žymėti naudojamas simbolis $^A_ZX$, kur $X$ reiškia tam tikro elemento cheminį simbolį. Atomo branduoliai, turintys vienodą protonų skaičių, bet skirtingą masės skaičių, vadinami izotopais. Kai kuriuose elementuose stabilių ir nestabilių izotopų skaičius siekia dešimtis, pavyzdžiui, uranas turi $14$ izotopų: nuo $^(227)_(92)U\ $ iki $^(240)_(92)U$.

Dauguma gamtoje egzistuojančių cheminių elementų yra kelių izotopų mišinys. Būtent izotopų buvimas paaiškina tai, kad kai kurie natūralių elementų turi masę, kuri skiriasi nuo sveikųjų skaičių. Pavyzdžiui, natūralų chlorą sudaro $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ ir $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, o jo atominė masė yra $35,5 $ a.u. .m. daugumoje atomų, išskyrus vandenilį, izotopai turi beveik vienodus fizinius ir Cheminės savybės. Tačiau dėl savo išskirtinai branduolinių savybių izotopai labai skiriasi. Vieni jų gali būti stabilūs, kiti – radioaktyvūs.

Branduoliai su vienodais masės skaičiais, bet skirtingos reikšmės$Z$ vadinami izobarais, pavyzdžiui, $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Branduoliai, turintys tą patį neutronų skaičių, vadinami izotonais. Tarp lengvųjų branduolių yra vadinamųjų „veidrodinių“ branduolių porų. Tai yra branduolių poros, kuriose sukeisti skaičiai $Z$ ir $A-Z$. Tokių branduolių pavyzdžiai galėtų būti $^(13)_6C\$ ir $^(13_7)N$ arba $^3_1H$ ir $^3_2He$.

Atomo branduolio dydis

Darant prielaidą, kad atomo branduolys yra maždaug sferinis, galime įvesti jo spindulio $R$ sąvoką. Atkreipkite dėmesį, kad kai kuriuose branduoliuose elektros krūvio pasiskirstymas šiek tiek nukrypsta nuo simetrijos. Be to, atomų branduoliai yra ne statiški, o dinamines sistemas, o šerdies spindulio sąvoka negali būti vaizduojama kaip rutulio spindulys. Dėl šios priežasties branduolio dydis turi būti laikomas sritimi, kurioje pasireiškia branduolinės jėgos.

Kurdamas kiekybinę $\alpha $ - dalelių sklaidos teoriją, E. Rutherfordas rėmėsi prielaidomis, kad atomo branduolys ir $\alpha $ - dalelė sąveikauja pagal Kulono dėsnį, t.y. Ką elektrinis laukas aplink šerdį turi sferinę simetriją. Dalelės $\alpha $ išsibarstymas vyksta visiškai pagal Rutherfordo formulę:

Taip atsitinka $\alpha $ – dalelėms, kurių energija $E$ yra gana maža. Tokiu atveju dalelė negali įveikti Kulono potencialo barjero ir vėliau nepasiekia branduolinių jėgų veikimo srities. Dalelės energijai padidėjus iki tam tikros ribinės vertės $E_(gr)$ $\alpha $ – dalelė pasiekia šią ribą. Tada dalelių $\alpha $ - sklaidoje yra nukrypimas nuo Rutherfordo formulės. Iš santykio

Eksperimentai rodo, kad branduolio spindulys $R$ priklauso nuo į branduolį patenkančių nukleonų skaičiaus. Šią priklausomybę galima išreikšti empirine formule:

kur $R_0$ yra konstanta, $A$ yra masės skaičius.

Branduolių dydžiai eksperimentiškai nustatomi protonų, greitųjų neutronų ar didelės energijos elektronų sklaida. Yra keletas kitų netiesioginių branduolių dydžio nustatymo metodų. Jie pagrįsti ryšiu tarp $\alpha $ -- radioaktyvių branduolių gyvavimo trukmės ir $\alpha $ -- jų išskiriamų dalelių energijos; apie optines vadinamųjų mezoatomų savybes, kai vieną elektroną laikinai pagauna miuonas; lyginant veidrodinių atomų poros surišimo energiją. Šie metodai patvirtina empirinę priklausomybę $R=R_0A^(1/3)$, o naudojant šiuos matavimus buvo nustatyta konstantos $R_0=\left(1.2-1.5\right)\cdot 10^(-15) reikšmė \ m$.

Taip pat atkreipkite dėmesį, kad atstumo vienetas atomų fizikoje ir dalelių fizikoje laikomas „Fermi“ matavimo vienetu, kuris yra lygus $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^( -15)\ m )$.

Atomų branduolių spinduliai priklauso nuo jų masės skaičiaus ir yra nuo $2\cdot 10^(-15)\ m\ iki\\ 10^(-14)\ m$. jei išreiškiame $R_0$ iš formulės $R=R_0A^(1/3)$ ir parašysime formą $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, tada pamatysime, kad kiekviename nukleone yra maždaug toks pat tūris. Tai reiškia, kad branduolinės medžiagos tankis yra maždaug vienodas visiems branduoliams. Remdamiesi turimais duomenimis apie atomų branduolių dydžius, randame vidutinę branduolinės medžiagos tankio reikšmę:

Kaip matome, branduolinės medžiagos tankis yra labai didelis. Taip yra dėl branduolinių jėgų veikimo.

Bendravimo energija. Branduolinės masės defektas

Lyginant nukleonų, sudarančių branduolį, likusių masių sumą su branduolio mase, pastebėta, kad visiems cheminiams elementams galioja tokia nelygybė:

kur $m_p$ – protono masė, $m_n$ – neutrono masė, $m_я$ – branduolio masė. Reikšmė $\trikampis m$, išreiškianti masių skirtumą tarp branduolį sudarančių nukleonų masės ir branduolio masės, vadinama branduolio masės defektu.

Svarbią informaciją apie branduolio savybes galima gauti nesigilinus į branduolio nukleonų sąveikos detales, remiantis energijos tvermės dėsniu bei masės ir energijos proporcingumo dėsniu. Priklausomai nuo to, kiek dėl bet kokio masės pokyčio $\trikampis m$ atitinkamai pasikeičia energija $\trikampis E$ ($\trikampis E=\trikampis mc^2$), tada formuojantis branduoliui išsiskiria tam tikras energijos kiekis. Pagal energijos tvermės dėsnį branduoliui padalyti į jį sudarančias daleles reikia tiek pat energijos, t.y. perkelia nukleonus vienas nuo kito tokiais pačiais atstumais, kuriais tarp jų nėra jokios sąveikos. Ši energija vadinama branduolio surišimo energija.

Jei branduolyje yra $Z$ protonų ir masės skaičius $A$, tada surišimo energija yra lygi:

1 pastaba

Atkreipkite dėmesį, kad ši formulė nėra visiškai patogi naudoti, nes Lentelėse nurodytos ne branduolių masės, o masės, kurios lemia neutralių atomų mases. Todėl skaičiavimų patogumui formulė transformuojama taip, kad į ją būtų įtrauktos ne branduolių, o atomų masės. Tam tikslui dešinėje formulės pusėje pridedame ir atimame elektronų $(m_e)$ masę $Z$. Tada

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

$m_(()^1_1H)$ – vandenilio atomo masė, $m_a$ – atomo masė.

Branduolinėje fizikoje energija dažnai išreiškiama megaelektronvoltais (MeV). Jeigu mes kalbame apie O praktinis pritaikymas branduolinės energijos, ji matuojama džauliais. Lyginant dviejų branduolių energiją, naudojamas masės energijos vienetas – masės ir energijos santykis ($E=mc^2$). Energijos masės vienetas ($le$) lygus energijai, kuri atitinka vieno amu masę. Tai lygu 931 502 USD MeV.

1 paveikslas.

Be energijos svarbu turi specifinę surišimo energiją – rišimo energiją, kuri patenka į vieną nukleoną: $w=E_(st)/A$. Ši reikšmė kinta palyginti lėtai, palyginti su masės skaičiaus $A$ pokyčiu, kurio beveik pastovi reikšmė yra $8,6$ MeV vidurinėje periodinės sistemos dalyje ir mažėja iki jos kraštų.

Kaip pavyzdį apskaičiuokime helio atomo branduolio masės defektą, surišimo energiją ir savitąją surišimo energiją.

Masinis defektas

Surišimo energija MeV: $E_(bv)=\trikampis m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;

Savitoji surišimo energija: $w=\frac(E_(st))(A)=\frac(28,3\MeV)(4\apytiksliai 7,1\ MeV).$

Tikriausiai visi iš mokyklos laikų prisimena, kad atomai, o juo labiau atomų branduoliai yra tokie maži, kad jų nematyti ir paliesti. Iš to gali susidaryti įspūdis, kad kadangi šie matmenys yra susiję su mikrokosmosu, juos galima nustatyti tik labai sudėtingų fizinių eksperimentų pagalba. Bet tai visai netiesa. Yra gana makroskopinių ir net kasdienių reiškinių, kurie leidžia įvertinti šiuos dydžius bent jau pagal dydį. Vienoje iš uždavinių mes jau supratome, kaip įvertinti atomo dydį pagal žinomas medžiagos termodinamines charakteristikas. Dabar pereikime prie atomo branduolio.

Žinoma, branduolius tirti sunkiau nei pačius atomus. Jie vaidina gana nedidelį vaidmenį formuojant materijos savybes. Jie suteikia medžiagai masyvumo, laiko šalia savęs elektronus, tačiau patys branduoliai tiesiogiai tarpusavyje nesąveikauja. Taip atsitinka todėl, kad jie yra labai maži, daug mažesni už pačius atomus (1 pav.). Ir dėl šios priežasties jų dydį nustatyti sunkiau nei atomų dydį.

Tačiau šioje užduotyje, norėdami įvertinti branduolio dydį, naudosime vieną gamtos mums suteikiamą užuominą – radioaktyvumo reiškinį.

Yra žinoma, kad kai kurių branduolinių transformacijų metu iš branduolių išsiskiria neutronai. Skirtingai nuo protonų ar elektronų, neutronai nėra elektriškai įkrauti. Skrisdami per materiją jie beveik nejaučia elektroniniai apvalkalai atomai. Jie skrenda per vieną atomą po kito, nenukrypdami nuo savo trajektorijos, kol kaktomuša susiduria su kokiu nors materijos branduoliu. Paprastumo dėlei darysime prielaidą, kad kiekvienas greitas neutronas, atsitrenkęs į branduolį, sukelia tam tikrą reikšmingą sąveiką: tai gali būti absorbcija, elastinė sklaida arba tam tikri pokyčiai branduolio viduje.

Toks neutronų požiūris į elektromagnetinę sąveiką „nesuteikia velniškai“ lemia tai, kad neutronų srautas turi didelį skvarbumą (2 pav.). Vidutinis laisvas neutrono kelias (tai yra atstumas tarp atskirų susidūrimų) gali būti gana didelis, daug ilgesnis nei elektronų ar rentgeno spindulių. Mums čia svarbiausia, kad šis ilgis matuojamas tiesiogiai atliekant paprastą laboratorinį eksperimentą, skirtą neutronų srautui apsaugoti plokštėmis skirtingų storių. Rezultatai yra tokie: greitųjų neutronų, kurių energija yra 1 MeV, vidutinis laisvas kelias kietoje medžiagoje, pavyzdžiui, aliuminiu, yra apie 10 cm – tai visiškai makroskopinis dydis.

Užduotis

Remiantis aukščiau pateiktais skaičiais ir samprotavimais, norma pagal dydį – aliuminio atomo branduolio dydį.

1 patarimas

Nubraižykite kelių atomų, stipriai prispaustų vienas prie kito elektronų apvalkalu, schemą. Pažymėkite jų viduje esančius atomų branduolius, prisimindami, kad jie labai maži. Neutronai nekreipia dėmesio į elektronų apvalkalus, jiems kieta medžiaga yra kaip labai išretėjusios ir beveik nejudančios atomų branduolių „dujos“. Turėdami tai omenyje, nubrėžkite tiesų neutrono kelią ir pabandykite suprasti, kaip vidutinis laisvas kelias yra susijęs su branduolio dydžiu.

2 patarimas

Tiesą sakant, fotonų susidūrimo uždavinyje mes jau susidūrėme su formule, kaip susieti vidutinį laisvąjį kelią su terpės parametrais. Ten kalbėjome apie skerspjūvį, skirtą fotonų sklaidai vienas ant kito, ir tai buvo gana abstraktus dydis. Dabar viskas paprasčiau: manome, kad neutronų ir branduolių susidūrimo sklaidos skerspjūvis tiesiog sutampa su geometriniu „branduolių + neutronų“ sistemos skerspjūviu.

Sprendimas

Fig. 3 parodytas labai supaprastintas ištisinės materijos vaizdas įkrautų dalelių arba fotonų, taip pat neutrono požiūriu. Neutronas praktiškai „nemato“ elektronų, jam egzistuoja tik atomų branduoliai. Šerdies spindulį žymime R, o būdingas atstumas tarp jų yra per a. Prisimink tai a– tai tipiškas tarpatominis atstumas, jis didelis didesnio dydžio branduoliai R. Norėdami atlikti paprasčiausius įvertinimus, patį neutroną laikysime taškiniu neutronu. Jei pageidaujama, įvertinimą galima patikslinti susiejant neutrono dydį su branduolio dydžiu ir jo masės skaičiumi. Tačiau šis patikslinimas nepakeis įvertinimo dydžio.

Ryšys tarp vidutinio laisvo kelio L, susidūrimo skerspjūvis σ ir branduolio koncentracija n jau buvo išsamiai aptartas sprendžiant fotonų susidūrimų problemą. Parašyta paprastai: Lσn= 1. Mūsų atveju susidūrimo skerspjūvis yra tiesiog šerdies skerspjūvis, σ = πR 2, o koncentracija išreiškiama atstumu tarp branduolių, n = 1/a 3. Pakeitę šias išraiškas, gauname atsakymą, kad įvertintume branduolio spindulį:

Tarpatominis atstumas a- kietai medžiagai tai yra tiesiog atomų dydis, tai yra keli angstremai. Norint tiksliau įvertinti, branduolių koncentracija gali būti apskaičiuojama pagal medžiagos tankį ir branduolio masę; aliuminiui tai duos a= 2,5 Å. Paėmimas L= 0,1 m, gauname R≈ 7·10−15 m.

Rasta vertė yra maždaug du kartus didesnė už tikrąjį aliuminio šerdies spindulį. Tai yra visiškai priimtinas tokio paprasto dydžio įvertinimo tikslumas.

Pokalbis

Ši problema gali būti įvadas į įvairias istorijas apie tai, kaip neutronai arba apskritai atskiros elementarios dalelės sąveikauja su medžiaga. Čia apsiribosime tik keliais labai bendrais eskizais.

Pirma, iš karto reikia pasakyti, kad realiame eksperimente branduolių dydžiai matuojami naudojant visiškai skirtingus metodus. Dauguma standartiniu būdu yra patobulinta klasikinio Rutherfordo eksperimento versija: branduolio dydį galima nustatyti pagal tai, kaip ant jo išsibarsčiusios įkrautos dalelės. Tačiau yra įdomus dalykas: pasirodo, kad branduolys gali turėti kai kurie skirtingų dydžių: protono spindulys, medžiagos spindulys, krūvio spindulys ir kt. Kai kuriais atvejais, pavyzdžiui, branduolių su neutronų aureole, šie dydžiai gali labai skirtis. Todėl šiuolaikinė eksperimentinė fizika naudoja kelis skirtingus branduolių dydžio ir struktūros tyrimo metodus (žr. šios fizikos srities įvadą mūsų naujienose Optiniai tyrimai padeda tirti branduolius su neutronų aureole).

Šioje užduotyje dėl paprastumo manėme, kad neutronų sklaidos skerspjūvis branduolyje yra grynai geometrinis: susidūrimas įvyksta, jei neutronų trajektorija griežtai patenka į branduolį. Tiesą sakant, mikropasaulyje, kurį apibūdina kvantiniai dėsniai, situacija gali labai skirtis nuo šios prielaidos. Be to, šis skirtumas labai priklauso nuo neutronų energijos (5 pav.). Taigi, esant maždaug 1 MeV energijai, sklaidos skerspjūvis paprastai yra keli

Ir galiausiai, neutronai atveria begalę galimybių ne tik fundamentinei fizikai, bet ir taikomiesiems tyrimams. Net nebandydami išvardyti visų konkrečių pritaikymo sričių, tiesiog paminėsime prietaisų, kurių viduje negalima pažvelgti kitais metodais, pramoninę diagnostiką (6 pav.), medžiagų mokslą, biomedicinos mokslus kartu su farmakologija, geofiziką. Visi šie pritaikymai vienaip ar kitaip priklauso nuo didelio neutronų prasiskverbimo į medžiagą.

Branduolys yra centrinė atomo dalis, kurioje sutelkta beveik visa masė ir jos teigiamas krūvis. Atomo branduolys susideda iš elementariųjų dalelių – protonų ir neutronų (protono-neutrono modelį pasiūlė sovietų fizikas Ivanenko, vėliau jį sukūrė Heisenbergas). Atomo branduoliui būdingas krūvis. Branduolio krūvis yra dydis , kur e yra protono krūvis, Z yra cheminio elemento atominis skaičius periodinėje lentelėje, lygus skaičiui protonų branduolyje. Nukleonų skaičius branduolyje A=N+Z vadinamas masės skaičiumi, kur N – neutronų skaičius branduolyje.

Branduoliai, turintys tą patį Z, bet skirtingą A, vadinami izotopais. Branduoliai, turintys skirtingą Z tam pačiam A, vadinami izobarais. Pagrindinė chem. pažymėtas elementas X

Kur X yra cheminis simbolis. elementas. Branduolio dydis apibūdinamas branduolio spinduliu. Empirinė branduolio spindulio formulė, kur m, gali būti aiškinama kaip proporcinga branduolio tūriui nukleonų skaičiui jame. Branduolinės medžiagos tankis yra tam tikro dydžio ir yra pastovus visiems branduoliams. Branduolio masė yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų masių sumą ir šis masės defektas nustatomas pagal šią formulę. Tikslią branduolio masę galima nustatyti naudojant masės spektrometrus. Atomo nukleonai yra fermionai ir turi sukimąsi. Atomo branduolys turi savo kampinį impulsą – branduolio sukinį – lygų , kur I yra vidinis (bendras) sukimosi kvantinis skaičius.

Skaičius I priima sveikųjų arba pusiau sveikųjų skaičių reikšmes ir kt. Branduolinės dalelės turi savo magnetinius momentus, kurie lemia viso branduolio magnetinį momentą. Branduolio magnetinių momentų vienetas yra branduolio magnetonas: , kur e yra absoliuti elektrono krūvio vertė ir protono masė. Yra ryšys tarp branduolio sukinio, išreikšto , ir jo magnetinio momento, kur yra branduolio giromagnetinis santykis. Protonų elektrinio krūvio pasiskirstymas branduolyje paprastai yra asimetriškas. Šio skirstinio nuokrypio nuo sferinio simetriškumo matas yra branduolio kvadrupolio elektrinis momentas Q. Jei manoma, kad krūvio tankis visur yra vienodas, tai Q lemia tik branduolio forma. Taigi branduoliui, turinčiam apsisukimo elipsoido formą, , kur b yra elipsoido pusašis išilgai sukimosi krypties; a – pusiau ašis statmena kryptimi. Branduoliui, pailgėjusiam išilgai sukimosi krypties, b>a ir Q>0. Šia kryptimi išlygintos šerdies atveju b

Tarp nukleonų, sudarančių branduolį, yra specialios branduoliui būdingos jėgos, kurios žymiai viršija Kulono atstūmimo jėgas tarp protonų. Jie vadinami branduolinėmis jėgomis. Branduolinės jėgos priklauso vadinamųjų stipriųjų sąveikų klasei. Pagrindinės branduolinių jėgų savybės:

1. nuodai. jėgos yra traukos jėgos;

2. nuodai. jėgos yra trumpo nuotolio;

3. nuodai. jėgoms būdinga krūvio nepriklausomybė: tarp dviejų protonų, arba protono ir neutrono, veikiančios branduolinės jėgos yra vienodos dydžiu, t.y. branduolinės jėgos neturi elektros. gamta;

4. nuodai. jėgoms būdingas prisotinimas, t.y. kiekvienas branduolio nukleonas sąveikauja tik su ribotu skaičiumi arčiausiai jo esančių nukleonų;

5. nuodai. jėgos priklauso nuo sąveikaujančių nukleonų sukinių tarpusavio orientacijos;

6. nuodai. jėgos nėra centrinės.

Branduolio modeliai.

1. Lašelių šerdies modelis yra pirmasis modelis. Jis pagrįstas analogija tarp nukleonų elgesio branduolyje ir molekulių elgesio skysčio laše. Taigi abiem atvejais jėgos, veikiančios tarp sudedamųjų dalelių – skysčio molekulių ir branduolyje esančių nukleonų – yra trumpo nuotolio ir linkusios būti prisotintos. Skysčio lašas tam tikromis išorinėmis sąlygomis pasižymi pastoviu jo medžiagos tankiu. Branduoliams būdinga beveik pastovi specifinė surišimo energija ir pastovus tankis, nepriklausomai nuo nukleonų skaičiaus branduolyje. Lašo tūris ir branduolio tūris yra proporcingi dalelių skaičiui. Reikšmingas skirtumas tarp branduolio ir skysčio lašo šiame modelyje yra toks: yra tai, kad jis traktuoja branduolį kaip elektros lašą. Įkrautas nesuspaudžiamas skystis, kuris paklūsta kvantinės mechanikos dėsniams. Branduolio lašelių modelis paaiškino branduolio dalijimosi reakcijų mechanizmą, tačiau negalėjo paaiškinti padidėjusio branduolių, kuriuose yra magiškas protonų ir neutronų skaičius, stabilumo.

2. Branduolio apvalkalo modelis daro prielaidą, kad nukleonai branduolyje pasiskirsto per diskrečią en. lygiai užpildyti pagal Pauli principą, ir sieja branduolių stabilumą su šių lygių užpildymu. Manoma, kad branduoliai su visiškai užpildytais apvalkalais yra stabiliausi. Branduolio apvalkalo modelis leido paaiškinti branduolių sukinius ir magnetinius momentus, skirtingą atomų branduolių stabilumą, taip pat apibūdinti lengvuosius ir vidutinius branduolius, taip pat branduolius, esančius pagrindinėje būsenoje. Toliau kaupiant eksperimentinius duomenis apie atomų branduolių savybes, atsirado naujų faktų, kurie netilpo į aprašytų modelių rėmus. Taip atsirado apibendrintas branduolio modelis, optinis branduolio modelis ir kt.

Branduolinės reakcijos.

Branduolinės reakcijos – tai atomų branduolių transformacijos, kurias sukelia jų sąveika tarpusavyje arba su elementariosiomis dalelėmis.

Paprastai branduolinės reakcijos apima du branduolius ir dvi daleles. Viena branduolio ir dalelių pora yra pradinė, kita pora yra galutinė.