Nukleus atom. Ensiklopedia sekolah

Lama sebelum data yang boleh dipercayai muncul tentang struktur dalaman daripada semua perkara, pemikir Yunani membayangkan jirim dalam bentuk zarah api kecil yang ada di dalamnya pergerakan berterusan. Mungkin visi tentang susunan dunia ini diperoleh daripada kesimpulan yang logik semata-mata. Walaupun ada sedikit kenaifan dan kekurangan mutlak bukti kenyataan ini, ia ternyata benar. Walaupun saintis dapat mengesahkan tekaan berani ini hanya dua puluh tiga abad kemudian.

Struktur atom

DALAM lewat XIX abad, sifat-sifat tiub nyahcas yang melaluinya arus telah dikaji. Pemerhatian telah menunjukkan bahawa dalam kes ini dua aliran zarah dipancarkan:

Zarah negatif sinar katod dipanggil elektron. Selepas itu, zarah dengan nisbah cas-ke-jisim yang sama ditemui dalam banyak proses. Elektron seolah-olah komponen universal pelbagai atom, agak mudah dipisahkan apabila dibombardir oleh ion dan atom.

Zarah yang membawa cas positif diwakili sebagai serpihan atom selepas ia kehilangan satu atau lebih elektron. Malah, sinar positif adalah kumpulan atom tanpa zarah negatif dan, sebagai hasilnya, mempunyai cas positif.

model Thompson

Berdasarkan eksperimen, didapati bahawa zarah positif dan negatif mewakili intipati atom dan merupakan komponennya. Saintis Inggeris J. Thomson mencadangkan teorinya. Pada pendapat beliau, struktur atom dan nukleus atom adalah sejenis jisim di mana cas negatif dihimpit ke dalam bola bercas positif, seperti kismis ke dalam kek cawan. Pampasan caj menjadikan "cupcake" neutral secara elektrik.

model Rutherford

Saintis muda Amerika Rutherford, menganalisis jejak yang ditinggalkan oleh zarah alfa, membuat kesimpulan bahawa model Thompson tidak sempurna. Beberapa zarah alfa terpesong pada sudut kecil - 5-10 o. Dalam kes yang jarang berlaku, zarah alfa dipesongkan pada sudut besar 60-80 o, dan dalam kes luar biasa sudutnya sangat besar - 120-150 o. Model atom Thompson tidak dapat menjelaskan perbezaannya.

Rutherford mencadangkan model baru, menerangkan struktur atom dan nukleus atom. Fizik proses menyatakan bahawa atom harus 99% kosong, dengan nukleus kecil dan elektron berputar di sekelilingnya, bergerak dalam orbit.

Beliau menerangkan sisihan semasa hentaman oleh fakta bahawa zarah atom mempunyai cas elektriknya sendiri. Di bawah pengaruh pengeboman zarah bercas, unsur atom berkelakuan seperti jasad bercas biasa dalam makrokosmos: zarah dengan cas yang sama menolak antara satu sama lain, dan zarah yang mempunyai cas bertentangan menarik.

Keadaan atom

Pada awal abad yang lalu, apabila pemecut zarah pertama dilancarkan, semua teori yang menerangkan struktur nukleus atom dan atom itu sendiri sedang menunggu pengesahan eksperimen. Pada masa itu, interaksi sinar alfa dan beta dengan atom telah pun dikaji dengan teliti. Sehingga tahun 1917, dipercayai bahawa atom sama ada stabil atau radioaktif. Atom yang stabil tidak boleh dipecah, dan pereputan nukleus radioaktif tidak dapat dikawal. Tetapi Rutherford berjaya menyangkal pendapat ini.

proton pertama

Pada tahun 1911, E. Rutherford mengemukakan idea bahawa semua nukleus terdiri daripada unsur-unsur yang sama, asasnya ialah atom hidrogen. Ahli sains telah didorong kepada idea ini oleh kesimpulan penting dari kajian terdahulu tentang struktur jirim: jisim semua unsur kimia dibahagikan tanpa baki oleh jisim hidrogen. Andaian baharu itu membuka kemungkinan yang belum pernah berlaku sebelum ini, membolehkan kita melihat struktur nukleus atom dengan cara yang baharu. Tindak balas nuklear sepatutnya mengesahkan atau menyangkal hipotesis baru.

Eksperimen telah dijalankan pada tahun 1919 dengan atom nitrogen. Dengan mengebom mereka dengan zarah alfa, Rutherford mencapai hasil yang menakjubkan.

Atom N menyerap zarah alfa, kemudian bertukar menjadi atom oksigen O 17 dan mengeluarkan nukleus hidrogen. Ini adalah transformasi buatan pertama bagi atom satu unsur kepada unsur lain. Pengalaman sedemikian memberi harapan bahawa struktur nukleus atom dan fizik proses sedia ada memungkinkan untuk melakukan transformasi nuklear yang lain.

Saintis itu menggunakan kaedah kilat kilauan dalam eksperimennya. Berdasarkan kekerapan nyalaan, beliau membuat kesimpulan tentang komposisi dan struktur nukleus atom, ciri-ciri zarah yang dihasilkan, jisim atom dan nombor atomnya. Zarah yang tidak diketahui itu dinamakan proton oleh Rutherford. Ia mempunyai semua ciri atom hidrogen yang dilucutkan daripada elektron tunggalnya - satu cas positif dan jisim yang sepadan. Oleh itu, terbukti bahawa proton dan nukleus hidrogen adalah zarah yang sama.

Pada tahun 1930, apabila pemecut besar pertama dibina dan dilancarkan, model atom Rutherford telah diuji dan terbukti: setiap atom hidrogen terdiri daripada elektron tunggal, yang kedudukannya tidak dapat ditentukan, dan atom longgar dengan proton positif tunggal di dalamnya. . Memandangkan proton, elektron dan zarah alfa boleh terbang keluar dari atom semasa pengeboman, saintis berpendapat bahawa ini adalah komponen mana-mana nukleus atom. Tetapi model atom nukleus sedemikian kelihatan tidak stabil - elektron terlalu besar untuk dimuatkan dalam nukleus, di samping itu, terdapat kesukaran serius yang berkaitan dengan pelanggaran undang-undang momentum dan pemuliharaan tenaga. Kedua-dua undang-undang ini, seperti akauntan yang ketat, mengatakan bahawa momentum dan jisim semasa pengeboman hilang ke arah yang tidak diketahui. Memandangkan undang-undang ini diterima umum, adalah perlu untuk mencari penjelasan untuk kebocoran sedemikian.

Neutron

Para saintis di seluruh dunia menjalankan eksperimen bertujuan untuk menemui komponen baru nukleus atom. Pada tahun 1930-an, ahli fizik Jerman Becker dan Bothe membedil atom berilium dengan zarah alfa. Pada masa yang sama, sinaran yang tidak diketahui telah direkodkan, yang diputuskan untuk memanggil G-ray. Kajian terperinci mendedahkan beberapa ciri sinar baru: mereka boleh merambat dengan ketat dalam garis lurus, tidak berinteraksi dengan elektrik dan medan magnet, mempunyai keupayaan penembusan yang tinggi. Kemudian, zarah yang membentuk sinaran jenis ini ditemui semasa interaksi zarah alfa dengan unsur lain - boron, kromium dan lain-lain.

Dugaan Chadwick

Kemudian James Chadwick, rakan sekerja dan pelajar Rutherford, memberikan pesanan ringkas dalam jurnal Nature, yang kemudiannya dikenali umum. Chadwick menarik perhatian kepada fakta bahawa percanggahan dalam undang-undang pemuliharaan boleh diselesaikan dengan mudah jika kita menganggap bahawa sinaran baru adalah aliran zarah neutral, yang setiap satunya mempunyai jisim lebih kurang sama dengan jisim proton. Memandangkan andaian ini, ahli fizik meluaskan hipotesis yang menerangkan struktur nukleus atom dengan ketara. Secara ringkas, intipati penambahan telah dikurangkan kepada zarah baru dan peranannya dalam struktur atom.

Sifat neutron

Zarah yang ditemui itu diberi nama "neutron". Zarah-zarah yang baru ditemui tidak membentuk medan elektromagnet di sekeliling mereka dan mudah melalui jirim tanpa kehilangan tenaga. Dalam perlanggaran yang jarang berlaku dengan nukleus atom ringan, neutron dapat mengetuk nukleus keluar daripada atom, kehilangan sebahagian besar tenaganya. Struktur nukleus atom mengandaikan kehadiran bilangan neutron yang berbeza dalam setiap bahan. Atom dengan cas nuklear yang sama tetapi bilangan neutron yang berbeza dipanggil isotop.

Neutron berfungsi sebagai pengganti yang sangat baik untuk zarah alfa. Pada masa ini, ia digunakan untuk mengkaji struktur nukleus atom. Adalah mustahil untuk menerangkan secara ringkas kepentingan mereka untuk sains, tetapi berkat pengeboman nukleus atom oleh neutron, ahli fizik dapat memperoleh isotop bagi hampir semua unsur yang diketahui.

Komposisi nukleus atom

Pada masa ini, struktur nukleus atom ialah himpunan proton dan neutron yang disatukan oleh daya nuklear. Contohnya, nukleus helium ialah ketulan dua neutron dan dua proton. Unsur ringan mempunyai bilangan proton dan neutron yang hampir sama, manakala unsur berat mempunyai bilangan neutron yang lebih besar.

Gambaran struktur nukleus ini disahkan oleh eksperimen pada pemecut besar moden dengan proton pantas. Daya elektrik Tolakan proton diimbangi oleh daya nuklear, yang bertindak hanya dalam nukleus itu sendiri. Walaupun sifat daya nuklear belum lagi dikaji sepenuhnya, kewujudannya terbukti secara praktikal dan menerangkan sepenuhnya struktur nukleus atom.

Hubungan antara jisim dan tenaga

Pada tahun 1932, kamera Wilson merakam gambar menakjubkan yang membuktikan kewujudan zarah bercas positif dengan jisim elektron.

Sebelum ini, elektron positif telah diramalkan secara teori oleh P. Dirac. Elektron positif sebenar juga telah ditemui dalam sinar kosmik. Zarah baru itu dipanggil positron. Apabila berlanggar dengan gandaannya - elektron, penghapusan berlaku - pemusnahan bersama dua zarah. Ini membebaskan sejumlah tenaga.

Oleh itu, teori yang dibangunkan untuk makrokosmos adalah sesuai sepenuhnya untuk menerangkan tingkah laku unsur terkecil jirim.

Atom terdiri daripada nukleus bercas positif dan elektron yang mengelilinginya. Nukleus atom mempunyai dimensi kira-kira 10 -14 ... 10 -15 m (dimensi linear atom ialah 10 -10 m).

Nukleus atom terdiri daripada zarah asas - proton dan neutron. Model proton-neutron nukleus telah dicadangkan oleh ahli fizik Rusia D. D. Ivanenko, dan seterusnya dibangunkan oleh W. Heisenberg.

Proton ( R) mempunyai cas positif sama dengan cas elektron dan jisim rehat T hlm = 1.6726∙10 -27 kg 1836 m e, Di mana m ejisim elektron. Neutron ( n) – zarah neutral dengan jisim rehat m n= 1.6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Jisim proton dan neutron sering dinyatakan dalam unit lain - unit jisim atom (amu, unit jisim sama dengan 1/12 jisim atom karbon
). Jisim proton dan neutron adalah lebih kurang satu unit jisim atom. Proton dan neutron dipanggil nukleon(dari lat. nukleusteras). Jumlah nombor nukleon dalam nukleus atom dipanggil nombor jisim A).

Jejari nukleus bertambah dengan peningkatan nombor jisim mengikut hubungan R= 1,4A 1/3 10 -13 cm.

Eksperimen menunjukkan bahawa nukleus tidak mempunyai sempadan yang tajam. Di tengah-tengah nukleus terdapat ketumpatan tertentu bahan nuklear, dan ia secara beransur-ansur berkurangan kepada sifar dengan peningkatan jarak dari pusat. Disebabkan kekurangan sempadan nukleus yang jelas, "jejari"nya ditakrifkan sebagai jarak dari pusat di mana ketumpatan bahan nuklear dibelah dua. Taburan ketumpatan jirim purata bagi kebanyakan nukleus ternyata lebih daripada sekadar sfera. Kebanyakan nukleus berubah bentuk. Selalunya nukleus mempunyai bentuk ellipsoid memanjang atau leper

Nukleus atom dicirikan cajZe, di mana Znombor caj nukleus, sama dengan bilangan proton dalam nukleus dan bertepatan dengan nombor atom unsur kimia dalam Jadual Berkala Unsur Mendeleev.

Nukleus dilambangkan dengan simbol yang sama dengan atom neutral:
, Di mana X- simbol unsur kimia, Znombor atom (bilangan proton dalam nukleus), Anombor jisim (bilangan nukleon dalam nukleus). Nombor jisim A lebih kurang sama dengan jisim nukleus dalam unit jisim atom.

Oleh kerana atom adalah neutral, cas pada nukleus Z menentukan bilangan elektron dalam atom. Taburan mereka di antara keadaan dalam atom bergantung pada bilangan elektron. Caj nuklear menentukan spesifik unsur kimia tertentu, iaitu, ia menentukan bilangan elektron dalam atom, konfigurasi kulit elektronnya, magnitud dan sifat medan elektrik intra-atom.

Nukleus dengan nombor cas yang sama Z, tetapi dengan nombor jisim yang berbeza A(iaitu dengan nombor yang berbeza neutron N = A – Z), dipanggil isotop, dan nukleus dengan yang sama A, tetapi berbeza Z – isobar. Contohnya, hidrogen ( Z= l) mempunyai tiga isotop: N – protium ( Z= l, N= 0), N – deuterium ( Z= l, N= 1), N – tritium ( Z= l, N= 2), timah - sepuluh isotop, dsb. Dalam kebanyakan kes, isotop unsur kimia yang sama mempunyai kimia yang sama dan sifat fizikal yang hampir serupa.

E, MeV

Tahap tenaga

dan peralihan diperhatikan untuk nukleus atom boron

Teori kuantum dengan tegas mengehadkan tenaga yang boleh dimiliki oleh bahagian konstituen nukleus. Pengumpulan proton dan neutron dalam nukleus hanya boleh berada dalam keadaan tenaga diskret tertentu ciri-ciri isotop tertentu.

Apabila elektron pergi dari keadaan tenaga yang lebih tinggi ke keadaan tenaga yang lebih rendah, perbezaan tenaga dipancarkan sebagai foton. Tenaga foton ini adalah mengikut susunan beberapa volt elektron. Untuk nukleus, tahap tenaga terletak dalam julat dari kira-kira 1 hingga 10 MeV. Semasa peralihan antara tahap ini, foton tenaga yang sangat tinggi (γ quanta) dipancarkan. Untuk menggambarkan peralihan tersebut dalam Rajah. 6.1 menunjukkan lima tahap pertama tenaga nuklear
.Garis menegak menunjukkan peralihan yang diperhatikan. Sebagai contoh, γ-kuantum dengan tenaga 1.43 MeV dipancarkan apabila nukleus beralih daripada keadaan dengan tenaga 3.58 MeV kepada keadaan dengan tenaga 2.15 MeV.

Caj teras

Nukleus mana-mana atom bercas positif. Pembawa cas positif ialah proton. Oleh kerana cas proton secara berangka sama dengan cas elektron $e$, kita boleh menulis bahawa cas nukleus adalah sama dengan $+Ze$ ($Z$ ialah integer yang menunjukkan nombor siri unsur kimia dalam jadual berkala unsur kimia oleh D. I. Mendeleev). Nombor $Z$ juga menentukan bilangan proton dalam nukleus dan bilangan elektron dalam atom. Oleh itu ia dipanggil nombor atom nukleus. Caj elektrik adalah salah satu ciri utama nukleus atom, di mana sifat optik, kimia dan lain-lain atom bergantung.

Jisim teras

Satu lagi ciri penting nukleus ialah jisimnya. Jisim atom dan nukleus biasanya dinyatakan dalam unit jisim atom (amu). Adalah lazim untuk menganggap $1/12$ daripada jisim nuklida karbon $^(12)_6C$ sebagai unit jisim atom:

di mana $N_A=6.022\cdot 10^(23)\ mol^-1$ ialah nombor Avogadro.

Menurut hubungan Einstein $E=mc^2$, jisim atom juga dinyatakan dalam unit tenaga. Kerana ia:

• jisim proton $m_p=1.00728\ amu=938.28\ MeV$,
• jisim neutron $m_n=1.00866\ amu=939.57\ MeV$,
• jisim elektron $m_e=5.49\cdot 10^(-4)\ amu=0.511\ MeV$,

Seperti yang anda lihat, jisim elektron adalah sangat kecil berbanding dengan jisim nukleus, maka jisim nukleus hampir bertepatan dengan jisim atom.

Jisim berbeza dengan nombor bulat. Jisim nuklear, dinyatakan dalam amu. dan dibundarkan kepada nombor bulat dipanggil nombor jisim, dilambangkan dengan huruf $A$ dan menentukan bilangan nukleon dalam nukleus. Bilangan neutron dalam nukleus ialah $N=A-Z$.

Untuk menentukan nukleus, simbol $^A_ZX$ digunakan, di mana $X$ bermaksud simbol kimia bagi unsur tertentu. Nukleus atom dengan bilangan proton yang sama tetapi nombor jisim yang berbeza dipanggil isotop. Dalam sesetengah unsur, bilangan isotop stabil dan tidak stabil mencecah puluhan, contohnya, uranium mempunyai $14$ isotop: daripada $^(227)_(92)U\ $ hingga $^(240)_(92)U$.

Kebanyakan unsur kimia yang wujud di alam adalah campuran beberapa isotop. Ia adalah kehadiran isotop yang menjelaskan fakta bahawa beberapa unsur semula jadi mempunyai jisim yang berbeza daripada nombor bulat. Sebagai contoh, klorin semula jadi terdiri daripada $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ dan $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, dan jisim atomnya ialah $35.5$ a.u. .m. dalam kebanyakan atom, kecuali hidrogen, isotop mempunyai fizikal yang hampir sama dan Sifat kimia. Tetapi di sebalik sifat nuklearnya secara eksklusif, isotop berbeza dengan ketara. Sebahagian daripada mereka boleh menjadi stabil, yang lain - radioaktif.

Nukleus dengan nombor jisim yang sama, tetapi makna yang berbeza$Z$ dipanggil isobar, contohnya, $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Nukleus dengan bilangan neutron yang sama dipanggil isoton. Di antara nukleus ringan terdapat pasangan nukleus yang dipanggil "cermin". Ini adalah pasangan nukleus di mana nombor $Z$ dan $A-Z$ ditukar. Contoh nukleus tersebut boleh menjadi $^(13)_6C\ $ dan $^(13_7)N$ atau $^3_1H$ dan $^3_2He$.

Saiz nukleus atom

Dengan mengandaikan nukleus atom adalah lebih kurang sfera, kita boleh memperkenalkan konsep jejarinya $R$. Perhatikan bahawa dalam sesetengah nukleus terdapat sedikit sisihan daripada simetri dalam pengagihan cas elektrik. Di samping itu, nukleus atom tidak statik, tetapi sistem dinamik, dan konsep jejari teras tidak boleh diwakili sebagai jejari bola. Atas sebab ini, saiz nukleus mesti diambil sebagai kawasan di mana daya nuklear menampakkan diri.

Apabila mencipta teori kuantitatif penyerakan $\alpha $ - zarah, E. Rutherford meneruskan dari andaian bahawa nukleus atom dan $\alpha $ - zarah berinteraksi mengikut hukum Coulomb, i.e. Apa medan elektrik sekeliling teras mempunyai simetri sfera. Penyerakan zarah $\alpha $ berlaku mengikut sepenuhnya formula Rutherford:

Ini berlaku untuk $\alpha $ - zarah yang tenaganya $E$ agak kecil. Dalam kes ini, zarah tidak dapat mengatasi halangan potensi Coulomb dan seterusnya tidak mencapai kawasan tindakan daya nuklear. Apabila tenaga zarah meningkat kepada nilai sempadan tertentu $E_(gr)$ $\alfa $ -- zarah mencapai sempadan ini. Kemudian dalam penyerakan zarah $\alpha $ - terdapat sisihan daripada formula Rutherford. Daripada perhubungan

Eksperimen menunjukkan bahawa jejari $R$ nukleus bergantung kepada bilangan nukleon yang memasuki nukleus. Kebergantungan ini boleh dinyatakan dengan formula empirikal:

di mana $R_0$ ialah pemalar, $A$ ialah nombor jisim.

Saiz nukleus ditentukan secara eksperimen melalui penyerakan proton, neutron cepat atau elektron bertenaga tinggi. Terdapat beberapa kaedah tidak langsung lain untuk menentukan saiz nukleus. Ia adalah berdasarkan hubungan antara jangka hayat $\alpha $ -- nukleus radioaktif dan tenaga $\alpha $ -- zarah yang dikeluarkan olehnya; pada sifat optik yang dipanggil mesoatom, di mana satu elektron ditangkap sementara oleh muon; dengan membandingkan tenaga ikatan sepasang atom cermin. Kaedah ini mengesahkan pergantungan empirikal $R=R_0A^(1/3)$, dan menggunakan ukuran ini nilai pemalar $R_0=\left(1.2-1.5\right)\cdot 10^(-15) telah ditubuhkan \ m$.

Perhatikan juga bahawa unit jarak dalam fizik atom dan fizik zarah diambil sebagai unit ukuran "Fermi", yang bersamaan dengan $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^( -15)\ m )$.

Jejari nukleus atom bergantung pada nombor jisimnya dan berada dalam julat dari $2\cdot 10^(-15)\ m\ hingga\\ 10^(-14)\ m$. jika kita menyatakan $R_0$ daripada formula $R=R_0A^(1/3)$ dan menulisnya dalam bentuk $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, maka kita dapat melihat bahawa setiap nukleon mengandungi lebih kurang isipadu yang sama. Ini bermakna ketumpatan bahan nuklear adalah lebih kurang sama untuk semua nukleus. Berdasarkan data sedia ada mengenai saiz nukleus atom, kita dapati nilai purata ketumpatan bahan nuklear:

Seperti yang kita dapat lihat, ketumpatan bahan nuklear adalah sangat tinggi. Ini disebabkan oleh tindakan kuasa nuklear.

Tenaga komunikasi. Kecacatan jisim nuklear

Apabila membandingkan jumlah jisim selebihnya nukleon yang membentuk nukleus dengan jisim nukleus, diperhatikan bahawa untuk semua unsur kimia ketaksamaan berikut adalah benar:

di mana $m_p$ ialah jisim proton, $m_n$ ialah jisim neutron, $m_я$ ialah jisim nukleus. Nilai $\triangle m$, yang menyatakan perbezaan jisim antara jisim nukleon yang membentuk nukleus dan jisim nukleus, dipanggil kecacatan jisim nuklear.

Maklumat penting tentang sifat-sifat nukleus boleh diperolehi tanpa menyelidiki butiran interaksi antara nukleon nukleus, berdasarkan undang-undang pemuliharaan tenaga dan undang-undang kekadaran jisim dan tenaga. Bergantung kepada berapa banyak akibat daripada sebarang perubahan jisim $\segitiga m$ terdapat perubahan yang sepadan dalam tenaga $\segitiga E$ ($\segitiga E=\segi tiga mc^2$), maka semasa pembentukan nukleus sejumlah tenaga dibebaskan. Mengikut undang-undang pemuliharaan tenaga, jumlah tenaga yang sama diperlukan untuk membahagikan nukleus kepada zarah konstituennya, i.e. gerakkan nukleon satu dari yang lain pada jarak yang sama di mana tiada interaksi antara mereka. Tenaga ini dipanggil tenaga pengikat nukleus.

Jika nukleus mempunyai $Z$ proton dan nombor jisim $A$, maka tenaga pengikat adalah sama dengan:

Nota 1

Ambil perhatian bahawa formula ini tidak sepenuhnya mudah digunakan, kerana Jadual tidak menyenaraikan jisim nukleus, tetapi jisim yang menentukan jisim atom neutral. Oleh itu, untuk kemudahan pengiraan, formula diubah sedemikian rupa sehingga ia termasuk jisim atom, bukan nukleus. Untuk tujuan ini, di sebelah kanan formula kita tambah dan tolak jisim $Z$ elektron $(m_e)$. Kemudian

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

$m_(()^1_1H)$ ialah jisim atom hidrogen, $m_a$ ialah jisim atom.

Dalam fizik nuklear, tenaga sering dinyatakan dalam volt megaelektron (MeV). Jika kita bercakap tentang O permohonan praktikal tenaga nuklear, ia diukur dalam joule. Dalam kes membandingkan tenaga dua nukleus, unit jisim tenaga digunakan - nisbah antara jisim dan tenaga ($E=mc^2$). Unit jisim tenaga ($le$) sama dengan tenaga, yang sepadan dengan jisim satu amu. Ia bersamaan dengan $931,502$ MeV.

Gambar 1.

Selain tenaga penting mempunyai tenaga pengikat tertentu - tenaga pengikat yang jatuh pada satu nukleon: $w=E_(st)/A$. Nilai ini berubah secara agak perlahan berbanding dengan perubahan dalam nombor jisim $A$, mempunyai nilai hampir malar $8.6$ MeV di bahagian tengah sistem berkala dan berkurangan ke tepinya.

Sebagai contoh, mari kita mengira kecacatan jisim, tenaga pengikat dan tenaga pengikatan khusus nukleus atom helium.

Kecacatan jisim

Tenaga pengikat dalam MeV: $E_(bv)=\triangle m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;

Tenaga pengikat khusus: $w=\frac(E_(st))(A)=\frac(28.3\ MeV)(4\approx 7.1\ MeV).$

Semua orang mungkin masih ingat dari sekolah bahawa atom, dan lebih-lebih lagi nukleus atom, sangat kecil sehingga tidak dapat dilihat atau disentuh. Daripada yang ini mungkin mendapat tanggapan bahawa memandangkan dimensi ini merujuk kepada mikrokosmos, mereka hanya boleh ditentukan dengan bantuan eksperimen fizikal yang sangat kompleks. Tetapi ini tidak benar sama sekali. Terdapat fenomena yang agak makroskopik dan juga setiap hari yang memungkinkan untuk menganggarkan saiz ini sekurang-kurangnya mengikut urutan magnitud. Dalam salah satu masalah, kami telah mengetahui cara menganggarkan saiz atom berdasarkan ciri termodinamik bahan yang diketahui. Sekarang mari kita beralih kepada nukleus atom.

Nukleus, tentu saja, lebih sukar untuk dikaji daripada atom itu sendiri. Mereka memainkan peranan yang agak kecil dalam pembentukan sifat jirim. Mereka memberikan jisim bahan, mengekalkan elektron berhampiran mereka, tetapi nukleus itu sendiri tidak berinteraksi secara langsung antara satu sama lain. Ini berlaku kerana ia sangat kecil, jauh lebih kecil daripada atom itu sendiri (Rajah 1). Dan atas sebab ini, saiznya lebih sukar untuk ditentukan daripada saiz atom.

Dalam masalah ini, walau bagaimanapun, untuk menganggarkan saiz nukleus kita akan menggunakan satu petunjuk bahawa alam memberi kita - fenomena radioaktiviti.

Adalah diketahui bahawa semasa beberapa transformasi nuklear neutron dipancarkan daripada nukleus. Tidak seperti proton atau elektron, neutron tidak bercas elektrik. Dalam penerbangan mereka melalui materi, mereka hampir tidak mempunyai perasaan cengkerang elektronik atom. Mereka terbang melalui satu demi satu atom, tanpa menyimpang dari trajektori mereka, sehingga mereka bertembung dengan beberapa nukleus jirim. Untuk kesederhanaan, kami akan menganggap bahawa setiap neutron pantas yang terhempas ke dalam nukleus menyebabkan beberapa interaksi yang ketara: ini boleh menjadi penyerapan, penyerakan elastik, atau sejenis perubahan di dalam nukleus.

Sikap "tidak peduli" neutron terhadap interaksi elektromagnet ini membawa kepada fakta bahawa fluks neutron mempunyai keupayaan penembusan yang tinggi (Rajah 2). Purata laluan bebas neutron (iaitu jarak antara perlanggaran individu) boleh agak besar, lebih lama daripada elektron atau sinar-x. Perkara yang paling penting bagi kami di sini ialah panjang ini diukur secara langsung dalam eksperimen makmal mudah untuk melindungi fluks neutron dengan plat ketebalan yang berbeza. Keputusannya adalah seperti berikut: untuk neutron pantas dengan tenaga tertib 1 MeV, purata laluan bebas dalam bahan pepejal, seperti aluminium, adalah kira-kira 10 cm - saiz makroskopik sepenuhnya.

Tugasan

Berdasarkan nombor dan alasan di atas, kadar mengikut magnitud, saiz nukleus atom aluminium.

Petunjuk 1

Lukis gambarajah skematik beberapa atom yang ditekan rapat antara satu sama lain dengan petala elektronnya. Tandai nukleus atom di dalamnya, ingat bahawa ia sangat kecil. Neutron tidak memberi perhatian kepada kulit elektron; bagi mereka, bahan pepejal adalah seperti "gas" nukleus atom yang sangat jarang dan hampir tidak bergerak. Dengan ini, lukiskan laluan lurus neutron dan cuba fahami bagaimana min laluan bebas berkaitan dengan saiz nukleus.

Petunjuk 2

Malah, kami telah pun menemui formula untuk mengaitkan laluan bebas min kepada parameter medium dalam masalah Perlanggaran Foton. Di sana kami bercakap tentang keratan rentas untuk penyebaran foton antara satu sama lain, dan ia adalah kuantiti yang agak abstrak. Kini semuanya lebih mudah: kami percaya bahawa keratan rentas serakan untuk perlanggaran neutron-nuklear hanya bertepatan dengan keratan rentas geometri sistem "nukleus + neutron".

Penyelesaian

Dalam Rajah. 3 menunjukkan pandangan yang sangat dipermudahkan tentang jirim berterusan dari sudut zarah bercas atau foton, serta dari sudut pandangan neutron. Neutron secara praktikal tidak "melihat" elektron; kerana ia hanya nukleus atom yang wujud. Kami menandakan jejari teras dengan R, dan jarak ciri antara mereka adalah melalui a. ambil perhatian bahawa a- ini adalah jarak interatomik biasa, ia besar saiz yang lebih besar biji R. Untuk anggaran yang paling mudah, kami akan menganggap neutron itu sendiri sebagai neutron titik. Jika dikehendaki, anggaran boleh diperhalusi dengan mengaitkan saiz neutron dengan saiz nukleus dan nombor jisimnya. Walau bagaimanapun, penghalusan ini tidak akan mengubah susunan anggaran magnitud.

Hubungan antara laluan bebas min L, keratan rentas perlanggaran σ dan kepekatan nuklear n telah pun dibincangkan secara terperinci dalam menyelesaikan masalah perlanggaran foton. Ia ditulis secara ringkas: Lσn= 1. Dalam kes kami, keratan rentas perlanggaran hanyalah keratan rentas teras, σ = πR 2, dan kepekatan dinyatakan dalam sebutan jarak antara nukleus, n = 1/a 3. Menggantikan ungkapan ini, kita mendapat jawapan untuk menganggarkan jejari nukleus:

Jarak interatomik a- untuk bahan pepejal ini hanyalah saiz atom, iaitu beberapa angstrom. Untuk penilaian yang lebih tepat, kepekatan nukleus boleh dikira melalui ketumpatan bahan dan jisim nukleus; untuk aluminium ini akan memberi a= 2.5 Å. Mengambil L= 0.1 m, kita dapat R≈ 7·10−15 m.

Nilai yang ditemui adalah kira-kira dua kali jejari sebenar teras aluminium. Ini adalah ketepatan yang boleh diterima dengan sempurna untuk susunan anggaran magnitud yang begitu mudah.

Akhir kata

Masalah ini boleh berfungsi sebagai pengenalan kepada pelbagai cerita tentang bagaimana neutron, atau lebih umum zarah asas individu, berinteraksi dengan jirim. Di sini kita akan mengehadkan diri kita kepada hanya beberapa lakaran yang sangat umum.

Pertama, ia mesti dikatakan dengan segera bahawa dalam eksperimen sebenar saiz nukleus diukur menggunakan kaedah yang sama sekali berbeza. Paling cara standard ialah versi yang lebih baik bagi eksperimen Rutherford klasik: saiz nukleus boleh ditentukan dengan cara zarah bercas bertaburan di atasnya. Tetapi ada satu perkara yang menarik: ternyata kernel mungkin ada beberapa saiz yang berbeza: jejari proton, jejari bahan, jejari cas, dll. Dalam sesetengah kes, contohnya untuk nukleus dengan halo neutron, saiz ini boleh berbeza dengan ketara. Oleh itu, fizik eksperimen moden menggunakan beberapa kaedah berbeza untuk mengukur saiz dan mengkaji struktur nukleus (lihat pengenalan kepada bidang fizik ini dalam berita kami Penyelidikan optik membantu mengkaji nukleus dengan halo neutron).

Dalam masalah ini, untuk kesederhanaan, kami mengandaikan bahawa keratan rentas untuk penyerakan neutron pada nukleus adalah geometri semata-mata: perlanggaran berlaku jika trajektori neutron mengenai nukleus dengan ketat. Malah, dalam dunia mikro, yang diterangkan oleh undang-undang kuantum, keadaan mungkin sangat berbeza daripada andaian ini. Selain itu, perbezaan ini sangat bergantung kepada tenaga neutron (Rajah 5). Oleh itu, pada tenaga kira-kira 1 MeV, keratan rentas serakan biasanya beberapa

Dan akhirnya, neutron membuka banyak kemungkinan bukan sahaja untuk fizik asas, tetapi juga untuk penyelidikan gunaan. Tanpa cuba menyenaraikan semua bidang aplikasi tertentu, kami hanya akan menyebut diagnostik industri peranti yang tidak boleh dilihat ke dalam oleh kaedah lain (Rajah 6), sains bahan, sains bioperubatan ditambah dengan farmakologi dan geofizik. Semua aplikasi ini bergantung dalam satu cara atau yang lain pada keupayaan penembusan tinggi neutron dalam jirim.

Nukleus ialah bahagian tengah atom, di mana hampir semua jisim dan cas positifnya tertumpu. Nukleus atom terdiri daripada zarah asas - proton dan neutron (model proton-neutron dicadangkan oleh ahli fizik Soviet Ivanenko, dan kemudiannya dibangunkan oleh Heisenberg). Nukleus atom dicirikan oleh cas. Caj nukleus ialah kuantiti , di mana e ialah cas proton, Z ialah nombor atom unsur kimia dalam jadual berkala, sama dengan nombor proton dalam nukleus. Bilangan nukleon dalam nukleus A=N+Z dipanggil nombor jisim, di mana N ialah bilangan neutron dalam nukleus.

Nukleus dengan Z yang sama tetapi A berbeza dipanggil isotop. Nukleus yang mempunyai Z berbeza untuk A yang sama dipanggil isobar. Kimia teras. unsur X ditetapkan

Di mana X ialah simbol kimia. unsur. Saiz nukleus dicirikan oleh jejari nukleus. Formula empirik untuk jejari nukleus, di mana m, boleh ditafsirkan sebagai berkadar dengan isipadu nukleus dengan bilangan nukleon di dalamnya. Ketumpatan untuk bahan nuklear adalah mengikut urutan magnitud dan malar untuk semua nukleus. Jisim nukleus adalah kurang daripada jumlah jisim nukleon konstituennya dan kecacatan jisim ini ditentukan oleh formula berikut. Jisim tepat nukleus boleh ditentukan menggunakan spektrometer jisim. Nukleon dalam atom adalah fermion dan mempunyai spin. Nukleus atom mempunyai momentum sudutnya sendiri - putaran nukleus - sama dengan , di mana I ialah nombor kuantum putaran dalaman (jumlah).

Nombor yang saya terima nilai integer atau separuh integer, dsb. Zarah nuklear mempunyai momen magnet mereka sendiri, yang menentukan momen magnet nukleus secara keseluruhan. Unit momen magnet nukleus ialah magneton nuklear: , dengan e ialah nilai mutlak cas elektron, dan ialah jisim proton. Terdapat hubungan antara putaran nukleus, dinyatakan dalam , dan momen magnetnya, di mana nisbah gyromagnetik nuklear. Pengagihan cas elektrik proton ke atas nukleus secara amnya tidak simetri. Ukuran sisihan taburan ini daripada simetri sfera ialah momen elektrik kuadrupol Q nukleus. Jika ketumpatan cas diandaikan sama di mana-mana, maka Q hanya ditentukan oleh bentuk nukleus. Jadi untuk nukleus yang mempunyai bentuk elipsoid revolusi, , dengan b ialah paksi separuh ellipsoid sepanjang arah putaran; a – separuh paksi dalam arah serenjang. Untuk nukleus yang memanjang sepanjang arah putaran, b>a dan Q>0. Untuk teras yang diratakan ke arah ini, b

Di antara nukleon yang membentuk nukleus terdapat daya khas khusus untuk nukleus, yang dengan ketara melebihi daya tolakan Coulomb antara proton. Mereka dipanggil kuasa nuklear. Daya nuklear tergolong dalam kelas interaksi yang dipanggil kuat. Sifat asas kuasa nuklear:

1. racun. kuasa adalah daya tarikan;

2. racun. pasukan adalah jarak dekat;

3. racun. daya dicirikan oleh kebebasan cas: daya nuklear yang bertindak antara dua proton, atau proton dan neutron, adalah sama dalam magnitud, i.e. kuasa nuklear tidak mempunyai tenaga elektrik. alam semula jadi;

4. racun. daya dicirikan oleh ketepuan, i.e. setiap nukleon dalam nukleus hanya berinteraksi dengan bilangan nukleon terhad yang paling hampir dengannya;

5. racun. daya bergantung pada orientasi bersama bagi putaran nukleon yang berinteraksi;

6. racun. pasukan bukan pusat.

Model kernel.

1. Model teras titisan ialah model pertama. Ia berdasarkan analogi antara kelakuan nukleon dalam nukleus dan kelakuan molekul dalam setitik cecair. Oleh itu, dalam kedua-dua kes, daya yang bertindak antara zarah konstituen - molekul dalam cecair dan nukleon dalam nukleus - adalah jarak dekat dan cenderung tepu. Setitik cecair di bawah keadaan luaran tertentu dicirikan oleh ketumpatan berterusan bahannya. Nukleus dicirikan oleh tenaga pengikat spesifik yang hampir malar dan ketumpatan malar, tanpa mengira bilangan nukleon dalam nukleus. Isipadu titisan dan isipadu nukleus adalah berkadar dengan bilangan zarah. Perbezaan ketara antara nukleus dan setitik cecair dalam model ini adalah seperti berikut: ialah ia menganggap nukleus sebagai titisan elektrik. Bendalir tak boleh mampat bercas yang mematuhi undang-undang mekanik kuantum. Model titisan nukleus menerangkan mekanisme tindak balas pembelahan nuklear, tetapi tidak dapat menjelaskan peningkatan kestabilan nukleus yang mengandungi nombor ajaib proton dan neutron.

2. Model cangkerang nukleus menganggap taburan nukleon dalam nukleus atas diskret en. tahap diisi mengikut prinsip Pauli, dan menghubungkan kestabilan nukleus dengan pengisian tahap ini. Adalah dipercayai bahawa nukleus dengan cengkerang terisi penuh adalah yang paling stabil. Model cangkerang nukleus memungkinkan untuk menerangkan putaran dan momen magnet nukleus, kestabilan berbeza nukleus atom, serta untuk menerangkan nukleus ringan dan sederhana, serta nukleus dalam keadaan dasar. Dengan pengumpulan selanjutnya data eksperimen mengenai sifat nukleus atom, fakta baru muncul yang tidak sesuai dengan kerangka model yang diterangkan. Ini adalah bagaimana model umum nukleus, model optik nukleus, dll. timbul.

Tindak balas nuklear.

Tindak balas nuklear adalah transformasi nukleus atom yang disebabkan oleh interaksi antara satu sama lain atau dengan zarah asas.

Lazimnya, tindak balas nuklear melibatkan dua nukleus dan dua zarah. Satu pasangan nukleus-zarah adalah yang awal, pasangan yang lain adalah yang terakhir.