Atom çekirdeği. Okul ansiklopedisi

Hakkında güvenilir veriler ortaya çıkmadan çok önce iç yapı Yunan düşünürler, her şeyden çok, maddenin küçük ateşli parçacıklar biçiminde olduğunu hayal ettiler. sürekli hareket. Muhtemelen dünya düzenine ilişkin bu vizyon, tamamen mantıksal sonuçlardan türetilmiştir. Biraz saflığa ve bu ifadenin mutlak kanıt eksikliğine rağmen, bunun doğru olduğu ortaya çıktı. Her ne kadar bilim adamları bu cesur tahmini ancak yirmi üç yüzyıl sonra doğrulayabildiler.

Atomik yapı

İÇİNDE XIX sonu yüzyılda içinden akımın geçtiği bir deşarj tüpünün özellikleri incelenmiştir. Gözlemler bu durumda iki parçacık akışının yayıldığını göstermiştir:

Katot ışınlarının negatif parçacıklarına elektron adı verildi. Daha sonra birçok süreçte aynı yük/kütle oranına sahip parçacıklar keşfedildi. Elektronlar, çeşitli atomların evrensel bileşenleri gibi görünüyordu; iyonlar ve atomlar tarafından bombardımana tutulduğunda oldukça kolay bir şekilde ayrılıyordu.

Pozitif yük taşıyan parçacıklar, bir veya daha fazla elektron kaybettikten sonra atom parçaları olarak temsil edildi. Aslında pozitif ışınlar, negatif parçacıklardan yoksun ve dolayısıyla pozitif yüke sahip olan atom gruplarıydı.

Thompson modeli

Deneylere dayanarak pozitif ve negatif parçacıkların atomun özünü temsil ettiği ve onun bileşenleri olduğu bulundu. İngiliz bilim adamı J. Thomson teorisini önerdi. Ona göre, atomun ve atom çekirdeğinin yapısı, tıpkı kuru üzümlerin kek haline gelmesi gibi, negatif yüklerin pozitif yüklü bir top şeklinde sıkıştırıldığı bir tür kütleydi. Şarj dengelemesi "kek"i elektriksel olarak nötr hale getirdi.

Rutherford modeli

Alfa parçacıklarının geride bıraktığı izleri analiz eden genç Amerikalı bilim adamı Rutherford, Thompson'ın modelinin kusurlu olduğu sonucuna vardı. Bazı alfa parçacıkları küçük açılarda - 5-10 o - saptırıldı. Nadir durumlarda, alfa parçacıkları 60-80 o'luk geniş açılarla saptırıldı ve istisnai durumlarda açılar çok büyüktü - 120-150 o. Thompson'ın atom modeli aradaki farkı açıklayamadı.

Rutherford'un önerdiği yeni model Atomun yapısını ve atom çekirdeğini açıklıyor. Sürecin fiziği, bir atomun %99'unun boş olması gerektiğini, küçük bir çekirdeğin ve onun etrafında dönen, yörüngelerde hareket eden elektronların olması gerektiğini belirtir.

Çarpma sırasındaki sapmaları, atom parçacıklarının kendi elektrik yüklerine sahip olmasıyla açıklıyor. Yüklü parçacıkların bombardımanının etkisi altında, atomik elementler makrokozmosta sıradan yüklü cisimler gibi davranır: aynı yüke sahip parçacıklar birbirini iter ve zıt yüklere sahip olanlar çeker.

Atomların durumu

Geçen yüzyılın başında, ilk parçacık hızlandırıcılar piyasaya sürüldüğünde, atom çekirdeğinin ve atomun yapısını açıklayan tüm teoriler deneysel olarak doğrulanmayı bekliyordu. O zamana kadar alfa ve beta ışınlarının atomlarla etkileşimleri zaten kapsamlı bir şekilde araştırılmıştı. 1917 yılına kadar atomların ya kararlı ya da radyoaktif olduğuna inanılıyordu. Kararlı atomlar bölünemez ve radyoaktif çekirdeklerin bozunması kontrol edilemez. Ancak Rutherford bu görüşü çürütmeyi başardı.

İlk proton

1911'de E. Rutherford, tüm çekirdeklerin aynı elementlerden oluştuğu ve bunun temeli hidrojen atomu olduğu fikrini ortaya attı. Bilim adamı, maddenin yapısına ilişkin önceki çalışmalardan elde edilen önemli bir sonuçla bu fikre yöneldi: tüm kimyasal elementlerin kütleleri, hidrojen kütlesine kalan olmadan bölünür. Yeni varsayım, benzeri görülmemiş olasılıkların önünü açarak atom çekirdeğinin yapısını yeni bir şekilde görmemize olanak sağladı. Nükleer reaksiyonlar yeni hipotezi doğrulamalı veya çürütmeliydi.

1919'da nitrojen atomlarıyla deneyler yapıldı. Rutherford onları alfa parçacıklarıyla bombalayarak şaşırtıcı bir sonuç elde etti.

N atomu bir alfa parçacığını emdi, ardından bir oksijen atomu O 17'ye dönüştü ve bir hidrojen çekirdeği yaydı. Bu, bir elementin atomunun diğerine ilk yapay dönüşümüydü. Böyle bir deneyim, atom çekirdeğinin yapısının ve mevcut süreçlerin fiziğinin başka nükleer dönüşümlerin gerçekleştirilmesini mümkün kılacağı umudunu verdi.

Bilim adamı deneylerinde sintilasyon flaş yöntemini kullandı. Parlamaların sıklığına dayanarak atom çekirdeğinin bileşimi ve yapısı, üretilen parçacıkların özellikleri, atom kütleleri ve atom numaraları hakkında sonuçlar çıkardı. Bilinmeyen parçacığa Rutherford tarafından proton adı verildi. Tek elektronundan (tek bir pozitif yük ve buna karşılık gelen kütle) sıyrılmış bir hidrojen atomunun tüm özelliklerine sahipti. Böylece proton ve hidrojen çekirdeğinin aynı parçacıklar olduğu kanıtlandı.

1930'da, ilk büyük hızlandırıcılar üretilip piyasaya sürüldüğünde, Rutherford'un atom modeli test edildi ve kanıtlandı: her hidrojen atomu, konumu belirlenemeyen yalnız bir elektron ve içinde yalnız bir pozitif proton bulunan gevşek bir atomdan oluşur. . Protonlar, elektronlar ve alfa parçacıkları bombardıman sırasında atomun dışına uçabildiği için bilim insanları bunların herhangi bir atom çekirdeğinin bileşenleri olduğunu düşündüler. Ancak çekirdeğin atomunun böyle bir modeli kararsız görünüyordu - elektronlar çekirdeğe sığamayacak kadar büyüktü, ayrıca momentum yasasının ihlali ve enerjinin korunumuyla ilgili ciddi zorluklar vardı. Bu iki yasa, katı muhasebeciler gibi, bombardıman sırasında momentum ve kütlenin bilinmeyen bir yönde kaybolduğunu söylüyordu. Bu yasalar genel kabul gördüğü için böyle bir sızıntıya açıklama bulmak gerekiyordu.

Nötronlar

Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, atom çekirdeğinin yeni bileşenlerini keşfetmeyi amaçlayan deneyler yaptılar. 1930'larda Alman fizikçiler Becker ve Bothe berilyum atomlarını alfa parçacıklarıyla bombaladılar. Aynı zamanda, G-ışınları olarak adlandırılmasına karar verilen bilinmeyen radyasyon da kaydedildi. Ayrıntılı çalışmalar yeni ışınların bazı özelliklerini ortaya çıkardı: Kesinlikle düz bir çizgide yayılıyorlardı, elektrikle etkileşime girmiyorlardı ve manyetik alanlar, yüksek nüfuz etme kabiliyetine sahipti. Daha sonra, bu tür radyasyonu oluşturan parçacıklar, alfa parçacıklarının diğer elementlerle (bor, krom ve diğerleri) etkileşimi sırasında bulundu.

Chadwick'in varsayımı

Daha sonra Rutherford'un meslektaşı ve öğrencisi James Chadwick, Nature dergisinde daha sonra genel olarak tanınan kısa bir mesaj verdi. Chadwick, yeni radyasyonun, her birinin kütlesi yaklaşık olarak bir protonun kütlesine eşit olan nötr parçacıklardan oluşan bir akım olduğunu varsayarsak, korunum yasalarındaki çelişkilerin kolayca çözülebileceğine dikkat çekti. Bu varsayımı dikkate alan fizikçiler, atom çekirdeğinin yapısını açıklayan hipotezi önemli ölçüde genişlettiler. Kısaca, eklemelerin özü yeni bir parçacığa ve onun atomun yapısındaki rolüne indirgenmiştir.

Nötronun özellikleri

Keşfedilen parçacığa “nötron” adı verildi. Yeni keşfedilen parçacıklar kendi etraflarında elektromanyetik alan oluşturmuyorlardı ve enerji kaybetmeden maddenin içinden kolaylıkla geçiyorlardı. Hafif atom çekirdekleriyle nadir çarpışmalarda, bir nötron, enerjisinin önemli bir bölümünü kaybederek çekirdeği atomun dışına çıkarabilir. Atom çekirdeğinin yapısı, her maddede farklı sayıda nötronun varlığını varsayıyordu. Çekirdek yükü aynı fakat nötron sayıları farklı olan atomlara izotop denir.

Nötronlar, alfa parçacıklarının yerini mükemmel bir şekilde aldı. Şu anda atom çekirdeğinin yapısını incelemek için kullanılıyorlar. Bunların bilim açısından önemini kısaca anlatmak imkansızdır, ancak atom çekirdeklerinin nötronlar tarafından bombardımanı sayesinde fizikçiler bilinen hemen hemen tüm elementlerin izotoplarını elde edebildiler.

Bir atom çekirdeğinin bileşimi

Şu anda atom çekirdeğinin yapısı, nükleer kuvvetler tarafından bir arada tutulan proton ve nötronların bir koleksiyonudur. Örneğin, bir helyum çekirdeği iki nötron ve iki protondan oluşan bir yığındır. Hafif elementler neredeyse eşit sayıda proton ve nötron içerirken, ağır elementler çok daha fazla sayıda nötron içerir.

Çekirdeğin yapısına ilişkin bu tablo, hızlı protonlara sahip modern büyük hızlandırıcılarda yapılan deneylerle doğrulanmaktadır. Elektrik kuvvetleri Protonların itilmesi, yalnızca çekirdeğin kendisinde etkili olan nükleer kuvvetlerle dengelenir. Nükleer kuvvetlerin doğası henüz tam olarak araştırılmamış olsa da, bunların varlığı pratik olarak kanıtlanmıştır ve atom çekirdeğinin yapısını tamamen açıklamaktadır.

Kütle ve enerji arasındaki ilişki

1932'de Wilson'ın kamerası, elektron kütlesine sahip pozitif yüklü parçacıkların varlığını kanıtlayan muhteşem bir fotoğraf yakaladı.

Bundan önce pozitif elektronlar teorik olarak P. Dirac tarafından tahmin ediliyordu. Kozmik ışınlarda da gerçek bir pozitif elektron keşfedildi. Yeni parçacığa pozitron adı verildi. Çifti olan bir elektronla çarpıştığında, yok olma meydana gelir - iki parçacığın karşılıklı yok edilmesi. Bu belli miktarda enerji açığa çıkarır.

Böylece makrokozmos için geliştirilen teori, maddenin en küçük elementlerinin davranışlarını açıklamaya tamamen uygundu.

Bir atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve onu çevreleyen elektronlardan oluşur. Atom çekirdeğinin boyutları yaklaşık 10 -14 ... 10 -15 m'dir (bir atomun doğrusal boyutları 10 -10 m'dir).

Atom çekirdeği temel parçacıklardan oluşur - protonlar ve nötronlar.Çekirdeğin proton-nötron modeli Rus fizikçi D. D. Ivanenko tarafından önerildi ve daha sonra W. Heisenberg tarafından geliştirildi.

Proton ( R) elektron yüküne eşit pozitif yüke ve dinlenme kütlesine sahiptir T P = 1,6726∙10 -27 kg 1836 M e, Nerede M e-elektron kütlesi. Nötron ( N) – dinlenme kütlesine sahip nötr parçacık M N= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Proton ve nötronların kütlesi genellikle başka bir birimle ifade edilir - atomik kütle birimleri (amu, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine eşit bir kütle birimi)
). Bir proton ve bir nötronun kütleleri yaklaşık olarak bir atomik kütle birimidir. Proton ve nötronlara denir nükleonlar(lat. çekirdekçekirdek). Toplam sayısı Atom çekirdeğindeki nükleonlara kütle numarası denir A).

İlişkiye uygun olarak kütle numarasının artmasıyla çekirdeklerin yarıçapları artar. R= 1,4A 1/3 10 -13 cm.

Deneyler çekirdeklerin keskin sınırlarının olmadığını göstermektedir. Çekirdeğin merkezinde belirli bir nükleer madde yoğunluğu vardır ve merkezden uzaklaştıkça bu yoğunluk giderek sıfıra düşer. Çekirdeğin açıkça tanımlanmış bir sınırının olmaması nedeniyle "yarıçapı", nükleer madde yoğunluğunun yarıya düştüğü merkezden uzaklık olarak tanımlanır. Çoğu çekirdek için ortalama madde yoğunluğu dağılımının küresel olmaktan çok daha fazlası olduğu ortaya çıktı. Çekirdeklerin çoğu deforme olmuştur. Çoğunlukla çekirdekler uzatılmış veya düzleştirilmiş elipsoidlerin şekline sahiptir.

Atom çekirdeği karakterize edilir şarjZe, Nerede ZGörev numarasıçekirdek, çekirdekteki proton sayısına eşit ve atom numarasına denk gelen kimyasal element Mendeleev'in Periyodik Element Tablosunda.

Çekirdek, nötr atomla aynı sembolle gösterilir:
, Nerede X- bir kimyasal elementin sembolü, Zatom numarası (çekirdekteki proton sayısı), Akütle numarası (çekirdekteki nükleonların sayısı). Kütle Numarası A Atomik kütle birimleri cinsinden çekirdeğin kütlesine yaklaşık olarak eşittir.

Atom nötr olduğundan çekirdeğin yükü Z atomdaki elektron sayısını belirler. Bir atomdaki durumlar arasındaki dağılımları elektron sayısına bağlıdır. Nükleer yük, belirli bir kimyasal elementin özelliklerini belirler, yani bir atomdaki elektron sayısını, elektron kabuklarının konfigürasyonunu, atom içi elektrik alanının büyüklüğünü ve doğasını belirler.

Aynı yük numarasına sahip çekirdekler Z, ancak farklı kütle sayılarıyla A(yani ile farklı sayılar nötronlar N = A – Z), izotoplar olarak adlandırılır ve çekirdekler aynı A, ama farklı Z – izobarlar. Örneğin hidrojen ( Z= l)'nin üç izotopu vardır: N - protiyum ( Z= ben, N= 0), N - döteryum ( Z= ben, N= 1), N - trityum ( Z= ben, N= 2), kalay - on izotop vb. Vakaların büyük çoğunluğunda, aynı kimyasal elementin izotopları aynı kimyasal ve neredeyse aynı fiziksel özelliklere sahiptir.

e, MeV

Enerji seviyeleri

ve bor atom çekirdeği için gözlemlenen geçişler

Kuantum teorisi, çekirdeği oluşturan parçaların sahip olabileceği enerjileri katı bir şekilde sınırlar. Çekirdeklerdeki proton ve nötronların toplanması, yalnızca belirli bir izotopun karakteristik özelliği olan belirli ayrık enerji durumlarında olabilir.

Elektron yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçtiğinde aradaki enerji farkı foton olarak yayılır. Bu fotonların enerjisi birkaç elektron volt mertebesindedir. Çekirdekler için seviye enerjileri yaklaşık 1 ila 10 MeV aralığındadır. Bu seviyeler arasındaki geçişler sırasında çok yüksek enerjili (γ kuantum) fotonlar yayılır. Bu tür geçişleri Şekil 2'de göstermek için. 6.1 nükleer enerjinin ilk beş seviyesini gösterir
.Dikey çizgiler gözlemlenen geçişleri gösterir. Örneğin, bir çekirdek 3,58 MeV enerjili bir durumdan 2,15 MeV enerjili bir duruma geçtiğinde 1,43 MeV enerjili bir γ-kuantum yayılır.

Çekirdek şarjı

Herhangi bir atomun çekirdeği pozitif yüklüdür. Pozitif yükün taşıyıcısı protondur. Proton yükü sayısal olarak $e$ elektron yüküne eşit olduğundan, nükleer yükün $+Ze$'a eşit olduğunu yazabiliriz ($Z$ şunu belirten bir tam sayıdır: seri numarası D. I. Mendeleev tarafından kimyasal elementlerin periyodik tablosundaki kimyasal element). $Z$ sayısı aynı zamanda çekirdekteki proton sayısını ve atomdaki elektron sayısını da belirler. Bu nedenle çekirdeğin atom numarası denir. Elektrik yükü, atomların optik, kimyasal ve diğer özelliklerinin bağlı olduğu atom çekirdeğinin temel özelliklerinden biridir.

Çekirdek kütlesi

Bir diğer önemli karakteristikçekirdek onun kütlesidir. Atomların ve çekirdeklerin kütlesi genellikle atomik kütle birimleri (amu) cinsinden ifade edilir. Bir karbon çekirdeği $^(12)_6C$'nın kütlesinin 1/12$'sını atomik kütle birimi olarak düşünmek gelenekseldir:

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

Einstein'ın $E=mc^2$ ilişkisine göre atomların kütlesi de enerji birimleriyle ifade edilir. Çünkü:

• proton kütlesi $m_p=1.00728\ amu=938.28\ MeV$,
• nötron kütlesi $m_n=1.00866\ amu=939.57\ MeV$,
• elektron kütlesi $m_e=5,49\cdot 10^(-4)\ amu=0,511\ MeV$,

Gördüğünüz gibi elektronun kütlesi, çekirdeğin kütlesine kıyasla ihmal edilebilecek kadar küçüktür, bu durumda çekirdeğin kütlesi neredeyse atomun kütlesine denk gelir.

Kütle tam sayılardan farklıdır. Amu cinsinden ifade edilen nükleer kütle. ve tam sayıya yuvarlanan kütle numarası denir, $A$ harfiyle gösterilir ve çekirdekteki nükleonların sayısını belirler. Çekirdekteki nötronların sayısı $N=A-Z$'dır.

Çekirdekleri belirtmek için $^A_ZX$ sembolü kullanılır; burada $X$, belirli bir elementin kimyasal sembolü anlamına gelir. Proton sayıları aynı fakat kütle numaraları farklı olan atom çekirdeklerine izotop denir. Bazı elementlerde kararlı ve kararsız izotopların sayısı onlarcaya ulaşır; örneğin, uranyumun 14$ izotopu vardır: $^(227)_(92)U\ $'dan $^(240)_(92)U$'a kadar.

Doğada bulunan kimyasal elementlerin çoğu çeşitli izotopların karışımıdır. Bazılarının olduğu gerçeğini açıklayan izotopların varlığıdır. doğal unsurlar tam sayılardan farklı bir kütleye sahiptir. Örneğin, doğal klor $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ ve $24\%$ $^(37)_(17)Cl$'dan oluşur ve atom kütlesi $35,5$ a.u. .m.'dir. Hidrojen hariç çoğu atomda izotoplar hemen hemen aynı fiziksel ve Kimyasal özellikler. Ancak yalnızca nükleer özelliklerinin ardında izotoplar önemli ölçüde farklılık gösterir. Bazıları kararlı olabilir, bazıları ise radyoaktif olabilir.

Kütle sayıları aynı olan çekirdekler Farklı anlamlar$Z$ izobar olarak adlandırılır, örneğin $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Nötron sayısı aynı olan çekirdeklere izoton denir. Hafif çekirdekler arasında “ayna” çekirdek çiftleri adı verilen çekirdekler vardır. Bunlar $Z$ ve $A-Z$ sayılarının yer değiştirdiği çekirdek çiftleridir. Bu tür çekirdeklerin örnekleri $^(13)_6C\ $ ve $^(13_7)N$ veya $^3_1H$ ve $^3_2He$ olabilir.

Atom çekirdeği boyutu

Atom çekirdeğinin yaklaşık olarak küresel olduğunu varsayarak, yarıçapı $R$ kavramını ortaya koyabiliriz. Bazı çekirdeklerde elektrik yükünün dağılımında simetriden hafif bir sapma olduğuna dikkat edin. Ayrıca atom çekirdekleri statik değil, dinamik sistemler ve çekirdek yarıçapı kavramı bir topun yarıçapı olarak temsil edilemez. Bu nedenle çekirdeğin büyüklüğü nükleer kuvvetlerin kendini gösterdiği alan olarak alınmalıdır.

$\alpha $ - parçacıklarının saçılımına ilişkin niceliksel teoriyi oluştururken, E. Rutherford, atom çekirdeğinin ve $\alpha $ - parçacığının Coulomb yasasına göre etkileşime girdiği varsayımlarından yola çıktı; Ne Elektrik alanıçekirdeğin etrafında küresel simetri vardır. Bir $\alpha $ parçacığının saçılması, Rutherford formülüne tamamen uygun olarak gerçekleşir:

Bu, enerjisi $E$ oldukça küçük olan $\alpha $ parçacıkları için meydana gelir. Bu durumda parçacık Coulomb potansiyel bariyerini aşamaz ve daha sonra nükleer kuvvetlerin etki alanına ulaşamaz. Parçacık enerjisi belirli bir sınır değerine yükseldikçe $E_(gr)$ $\alpha $ -- parçacık bu sınıra ulaşır. Daha sonra $\alpha $ - parçacıklarının saçılmasında Rutherford formülünden bir sapma vardır. ilişkiden

Deneyler, çekirdeğin $R$ yarıçapının çekirdeğe giren nükleon sayısına bağlı olduğunu göstermektedir. Bu bağımlılık ampirik formülle ifade edilebilir:

burada $R_0$ bir sabittir, $A$ bir kütle numarasıdır.

Çekirdeklerin boyutları deneysel olarak protonların, hızlı nötronların veya yüksek enerjili elektronların saçılmasıyla belirlenir. Çekirdeklerin boyutunu belirlemek için bir dizi başka dolaylı yöntem vardır. Bunlar, radyoaktif çekirdekler olan $\alpha $'ın ömrü ile onlar tarafından salınan $\alpha $ parçacıklarının enerjisi arasındaki bağlantıya dayanmaktadır; bir elektronun geçici olarak bir müon tarafından yakalandığı mezoatomların optik özellikleri; bir çift ayna atomunun bağlanma enerjisini karşılaştırarak. Bu yöntemler ampirik bağımlılığı $R=R_0A^(1/3)$ doğrular ve bu ölçümler kullanılarak $R_0=\left(1.2-1.5\right)\cdot 10^(-15) sabitinin değeri belirlenir \ m$.

Ayrıca atom fiziği ve parçacık fiziğinde uzaklık biriminin “Fermi” ölçü birimi olarak alındığına dikkat edin; bu da $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^( -15)\ m )$.

Atom çekirdeklerinin yarıçapları kütle numaralarına bağlıdır ve $2\cdot 10^(-15)\ m\ ila\\ 10^(-14)\ m$ aralığındadır. $R_0$'ı $R=R_0A^(1/3)$ formülünden ifade edersek ve $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$ biçiminde yazarsak, o zaman her nükleonun yaklaşık olarak aynı hacmi içerdiğini görebiliriz. Bu, nükleer maddenin yoğunluğunun tüm çekirdekler için yaklaşık olarak aynı olduğu anlamına gelir. Atom çekirdeğinin boyutlarına ilişkin mevcut verilere dayanarak, nükleer madde yoğunluğunun ortalama değerini buluyoruz:

Görüldüğü gibi nükleer maddenin yoğunluğu oldukça yüksektir. Bunun nedeni nükleer kuvvetlerin etkisidir.

İletişim enerjisi. Nükleer kütle kusuru

Çekirdeği oluşturan nükleonların geri kalan kütlelerinin toplamı çekirdeğin kütlesiyle karşılaştırıldığında, tüm kimyasal elementler için aşağıdaki eşitsizliğin doğru olduğu fark edildi:

burada $m_p$ protonun kütlesidir, $m_n$ nötronun kütlesidir, $m_я$ çekirdeğin kütlesidir. Çekirdeği oluşturan nükleonların kütlesi ile çekirdeğin kütlesi arasındaki kütle farkını ifade eden $\triangle m$ değerine nükleer kütle kusuru denir.

Çekirdeğin özellikleri hakkında önemli bilgiler, enerjinin korunumu yasasına ve kütle ve enerjinin orantılılık yasasına dayanarak çekirdeğin nükleonları arasındaki etkileşimin ayrıntılarına girmeden elde edilebilir. $\triangle m$ kütlesindeki herhangi bir değişikliğin sonucu olarak enerjide $\triangle E$ ($\triangle E=\triangle mc^2$) karşılık gelen bir değişikliğin ne kadar olduğuna bağlı olarak, o zaman bir çekirdeğin oluşumu sırasında belli bir miktar enerji açığa çıkar. Enerjinin korunumu yasasına göre, çekirdeği kendisini oluşturan parçacıklara bölmek için aynı miktarda enerjiye ihtiyaç vardır; Nükleonları, aralarında hiçbir etkileşimin olmadığı aynı mesafelerde birbirlerinden hareket ettirin. Bu enerjiye çekirdeğin bağlanma enerjisi denir.

Çekirdeğin $Z$ protonları ve kütle numarası $A$ varsa, bağlanma enerjisi şuna eşittir:

Not 1

Bu formülün kullanımının tamamen uygun olmadığını unutmayın, çünkü Tablolarda çekirdeklerin kütleleri değil, nötr atomların kütlelerini belirleyen kütleler listeleniyor. Bu nedenle hesaplamaların kolaylığı için formül, çekirdekleri değil atom kütlelerini içerecek şekilde dönüştürülür. Bu amaçla formülün sağ tarafına $Z$ elektronun $(m_e)$ kütlesini ekleyip çıkarıyoruz. Daha sonra

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

$m_(()^1_1H)$ hidrojen atomunun kütlesidir, $m_a$ atomun kütlesidir.

Nükleer fizikte enerji genellikle megaelektron volt (MeV) cinsinden ifade edilir. Eğer Hakkında konuşuyoruzÖ pratik uygulama nükleer enerji joule cinsinden ölçülür. İki çekirdeğin enerjisinin karşılaştırılması durumunda, enerjinin kütle birimi kullanılır; kütle ve enerji arasındaki oran ($E=mc^2$). Kütle enerji birimi ($le$), bir amu'luk kütleye karşılık gelen enerjiye eşittir. Bu, 931.502$ MeV'ye eşittir.

Resim 1.

Enerjinin yanı sıra önemli belirli bir bağlanma enerjisine sahiptir - bir nükleona düşen bağlanma enerjisi: $w=E_(st)/A$. Bu değer, $A$ kütle numarasındaki değişime kıyasla nispeten yavaş değişir, periyodik sistemin orta kısmında neredeyse sabit $8,6$ MeV değerine sahip olur ve kenarlarına doğru azalır.

Örnek olarak bir helyum atomunun çekirdeğinin kütle kusurunu, bağlanma enerjisini ve spesifik bağlanma enerjisini hesaplayalım.

Kütle kusuru

MeV cinsinden bağlanma enerjisi: $E_(bv)=\triangle m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;

Spesifik bağlanma enerjisi: $w=\frac(E_(st))(A)=\frac(28,3\ MeV)(4\approx 7,1\ MeV).$

Muhtemelen herkes okuldan atomların ve hatta atom çekirdeklerinin görülemeyecek veya dokunulamayacak kadar küçük olduğunu hatırlayacaktır. Buradan, bu boyutların mikrokozmosu ifade etmesi nedeniyle ancak çok karmaşık fiziksel deneyler yardımıyla belirlenebileceği izlenimi edinilebilir. Ancak bu kesinlikle doğru değil. Bu boyutları en azından büyüklük sırasına göre tahmin etmeyi mümkün kılan oldukça makroskobik ve hatta günlük olaylar vardır. Sorunlardan birinde, bir maddenin bilinen termodinamik özelliklerine dayanarak bir atomun boyutunun nasıl tahmin edileceğini zaten anladık. Şimdi atom çekirdeğine dönelim.

Elbette çekirdeklerin incelenmesi atomların kendisinden daha zordur. Maddenin özelliklerinin oluşumunda oldukça küçük bir rol oynarlar. Maddeye kütle verirler, elektronları yanlarında tutarlar, ancak çekirdeklerin kendisi birbirleriyle doğrudan etkileşime girmez. Bunun nedeni onların çok küçük olmaları, yani atomların kendisinden çok daha küçük olmalarıdır (Şekil 1). Bu nedenle de büyüklüklerini belirlemek atomların boyutlarını belirlemekten daha zordur.

Ancak bu problemde çekirdeğin büyüklüğünü tahmin etmek için doğanın bize sunduğu bir ipucunu kullanacağız: radyoaktivite olgusu.

Bazı nükleer dönüşümler sırasında çekirdeklerden nötronların yayıldığı bilinmektedir. Proton ve elektronlardan farklı olarak nötronlar elektrik yüklü değildir. Madde içinde uçuşları sırasında neredeyse hiçbir hisleri yoktur. elektronik kabuklar atomlar. Bir madde çekirdeğiyle kafa kafaya çarpıncaya kadar, yörüngelerinden sapmadan, birbiri ardına atomların içinden uçarlar. Basitleştirmek adına, çekirdeğe çarpan her hızlı nötronun bazı önemli etkileşimlere neden olduğunu varsayacağız: bu, soğurma, elastik saçılma veya çekirdeğin içindeki bir tür değişiklik olabilir.

Nötronların elektromanyetik etkileşimlere karşı bu "umursamama" tutumu, nötron akısının yüksek nüfuz etme kabiliyetine sahip olmasına yol açmaktadır (Şekil 2). Bir nötronun ortalama serbest yolu (yani bireysel çarpışmalar arasındaki mesafe) oldukça büyük olabilir; elektronlardan veya x-ışınlarından çok daha uzun olabilir. Burada bizim için en önemli şey bu uzunluğun doğrudan ölçüldü bir nötron akısını plakalarla korumaya yönelik basit bir laboratuvar deneyinde farklı kalınlıklar. Sonuçlar şu şekildedir: 1 MeV düzeyinde enerjiye sahip hızlı nötronlar için alüminyum gibi katı bir maddedeki ortalama serbest yol yaklaşık 10 cm'dir; bu tamamen makroskobik bir boyuttur.

Görev

Yukarıdaki rakamlara ve gerekçelere dayanarak; oran büyüklük sırasına göre alüminyumun atom çekirdeğinin boyutu.

İpucu 1

Elektron kabuklarıyla birbirine sıkıca bastırılmış birkaç atomun şematik diyagramını çizin. Çok küçük olduklarını hatırlayarak içlerindeki atom çekirdeklerini işaretleyin. Nötronlar elektron kabuklarına dikkat etmezler, onlar için katı madde atom çekirdeğinin çok nadir ve neredeyse hareketsiz bir "gazı" gibidir. Bunu akılda tutarak, bir nötronun düz yolunu çizin ve ortalama serbest yolun çekirdeğin boyutuyla nasıl ilişkili olduğunu anlamaya çalışın.

İpucu 2

Aslında, Foton Çarpışması probleminde ortalama serbest yolu ortamın parametreleriyle ilişkilendirmek için bir formülle zaten karşılaştık. Orada fotonların birbiri üzerine saçılmasının kesitinden bahsetmiştik ve bu oldukça soyut bir nicelikti. Artık her şey daha basit: Bir nötron-nükleer çarpışma için saçılma kesitinin basitçe "çekirdek + nötron" sisteminin geometrik kesitiyle örtüştüğüne inanıyoruz.

Çözüm

İncirde. Şekil 3, nötron bakış açısının yanı sıra yüklü parçacıklar veya fotonlar açısından sürekli maddenin çok basitleştirilmiş bir görünümünü göstermektedir. Nötron pratikte elektronları “görmez”; çünkü onun için yalnızca atom çekirdekleri mevcuttur. Çekirdeğin yarıçapını şu şekilde belirtiriz: R ve aralarındaki karakteristik mesafe A. dikkat A- bu tipik bir atomlar arası mesafedir, büyüktür daha büyük boyutçekirdekler R. En basit tahminler için nötronun kendisini bir nokta nötron olarak ele alacağız. İstenirse tahmin, nötronun boyutunu çekirdeğin boyutuna ve kütle numarasına bağlayarak geliştirilebilir. Ancak bu ayrıntılandırma tahminin büyüklük sırasını değiştirmeyecektir.

Ortalama serbest yol arasındaki ilişki L, çarpışma kesiti σ ve nükleer konsantrasyon N foton çarpışmaları sorununun çözümünde zaten ayrıntılı olarak tartışılmıştı. Basitçe yazılmıştır: Lσn= 1. Bizim durumumuzda çarpışma kesiti basitçe çekirdeğin kesitidir, σ = πR2 ve konsantrasyon çekirdekler arasındaki mesafe cinsinden ifade edilir, N = 1/A 3. Bu ifadeleri değiştirerek çekirdeğin yarıçapını tahmin etme cevabını elde ederiz:

Atomlararası mesafe A- katı bir madde için bu basitçe atomların boyutudur, yani birkaç angstromdur. Daha doğru bir değerlendirme için çekirdeklerin konsantrasyonu, maddenin yoğunluğu ve çekirdeğin kütlesi aracılığıyla hesaplanabilir; alüminyum için bu verecektir A= 2,5Å. Alma L= 0,1 m, şunu elde ederiz R≈ 7·10−15 m.

Bulunan değer, alüminyum çekirdeğin gerçek yarıçapının yaklaşık iki katıdır. Bu, bu kadar basit bir büyüklük sırası tahmini için tamamen kabul edilebilir bir kesinliktir.

Sonsöz

Bu problem, nötronların veya daha genel olarak bireysel temel parçacıkların madde ile nasıl etkileşime girdiğine dair çeşitli hikayelere giriş görevi görebilir. Burada kendimizi yalnızca birkaç genel taslakla sınırlayacağız.

Öncelikle gerçek bir deneyde çekirdek boyutlarının tamamen farklı yöntemler kullanılarak ölçüldüğü hemen söylenmelidir. En standart yol klasik Rutherford deneyinin geliştirilmiş bir versiyonudur: Bir çekirdeğin boyutu, yüklü parçacıkların üzerine saçılma şekliyle belirlenebilir. Ancak ilginç bir nokta var: Görünüşe göre çekirdeğin sahip olabileceği bazı farklı boyutlar: proton yarıçapı, malzeme yarıçapı, yük yarıçapı, vb. Bazı durumlarda, örneğin nötron halesine sahip çekirdeklerde bu boyutlar önemli ölçüde değişebilir. Bu nedenle, modern deneysel fizik, çekirdeğin boyutunu ölçmek ve yapısını incelemek için birkaç farklı yöntem kullanır (haberimizde bu fizik alanına giriş bölümüne bakın. Optik araştırma, bir nötron halesi ile çekirdeklerin incelenmesine yardımcı olur).

Bu problemde, basitlik açısından, bir çekirdek üzerindeki nötron saçılımının kesitinin tamamen geometrik olduğunu varsaydık: nötronun yörüngesi tam olarak çekirdeğe çarptığında bir çarpışma meydana gelir. Aslında kuantum yasalarıyla tanımlanan mikro dünyada durum bu varsayımdan çok farklı olabilir. Üstelik bu fark büyük ölçüde nötron enerjisine bağlıdır (Şekil 5). Bu nedenle, yaklaşık 1 MeV enerjilerde saçılma kesiti genellikle birkaç MeV'dir.

Ve son olarak, nötronlar yalnızca temel fizik için değil aynı zamanda uygulamalı araştırmalar için de sayısız olasılığın önünü açıyor. Tüm spesifik uygulama alanlarını listelemeye bile çalışmadan, diğer yöntemlerle içine bakılamayan cihazların endüstriyel teşhislerinden (Şekil 6), malzeme biliminden, farmakoloji ile birlikte biyomedikal bilimlerden ve jeofizikten bahsedeceğiz. Tüm bu uygulamalar şu ya da bu şekilde nötronların maddeye yüksek nüfuz etme yeteneğine dayanmaktadır.

Çekirdek, atomun neredeyse tüm kütlesinin ve pozitif yükünün yoğunlaştığı merkezi kısmıdır. Atom çekirdeği temel parçacıklardan oluşur - protonlar ve nötronlar (proton-nötron modeli Sovyet fizikçisi Ivanenko tarafından önerildi ve daha sonra Heisenberg tarafından geliştirildi). Bir atomun çekirdeği bir yük ile karakterize edilir. Çekirdeğin yükü miktardır, burada e protonun yüküdür, Z periyodik tablodaki kimyasal elementin atom numarasıdır, sayıya eşitçekirdekteki protonlar. Çekirdekteki nükleon sayısına A=N+Z kütle numarası denir; burada N, çekirdekteki nötron sayısıdır.

Aynı Z'ye sahip ancak farklı A'ya sahip çekirdeklere izotoplar denir. Aynı A için farklı Z'ye sahip çekirdeklere izobar denir. Çekirdek kimyası. X elemanı belirlenmiş

X'in kimyasal sembol olduğu yer. eleman. Çekirdeğin boyutu çekirdeğin yarıçapı ile karakterize edilir. Çekirdeğin yarıçapına ilişkin ampirik formül, burada m, çekirdeğin hacmiyle içindeki nükleonların sayısıyla orantılı olarak yorumlanabilir. Nükleer maddenin yoğunluğu büyüklük sırasına göredir ve tüm çekirdekler için sabittir. Çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından küçüktür ve bu kütle kusuru aşağıdaki formülle belirlenir. Çekirdeğin kesin kütlesi, kütle spektrometreleri kullanılarak belirlenebilir. Bir atomdaki nükleonlar fermiyonlardır ve spinlidir. Bir atomun çekirdeğinin kendi açısal momentumu - çekirdeğin dönüşü - eşittir; burada I, iç (toplam) spin kuantum sayısıdır.

I sayısı tam sayı veya yarım tam sayı vb. değerleri kabul eder. Nükleer parçacıkların, bir bütün olarak çekirdeğin manyetik momentini belirleyen kendi manyetik momentleri vardır. Çekirdeklerin manyetik momentlerinin birimi nükleer magnetondur: burada e, elektron yükünün mutlak değeridir ve protonun kütlesidir. Bir çekirdeğin ile ifade edilen dönüşü ile manyetik momenti arasında bir ilişki vardır; burada nükleer jiromanyetik oran bulunur. Protonların elektrik yükünün çekirdek üzerindeki dağılımı genellikle asimetriktir. Bu dağılımın küresel simetriden sapmasının bir ölçüsü, çekirdeğin dört kutuplu elektrik momenti Q'dur. Yük yoğunluğunun her yerde aynı olduğu varsayılırsa Q yalnızca çekirdeğin şekliyle belirlenir. Dolayısıyla, dönüş elipsoidi şekline sahip bir çekirdek için, burada b, elipsoidin dönüş yönü boyunca yarı eksenidir; a – dik yönde yarım eksen. Dönme yönü boyunca uzanan bir çekirdek için b>a ve Q>0. Bu yönde düzleştirilmiş bir çekirdek için b

Çekirdeği oluşturan nükleonlar arasında, protonlar arasındaki Coulomb itme kuvvetlerini önemli ölçüde aşan, çekirdeğe özgü özel kuvvetler vardır. Bunlara nükleer kuvvetler denir. Nükleer kuvvetler sözde güçlü etkileşimler sınıfına aittir. Nükleer kuvvetlerin temel özellikleri:

1. zehir. kuvvetler çekim kuvvetleridir;

2. zehir. kuvvetler kısa menzillidir;

3. zehir. kuvvetler yük bağımsızlığı ile karakterize edilir: iki proton veya bir proton ve bir nötron arasında etki eden nükleer kuvvetlerin büyüklüğü eşittir, yani. Nükleer kuvvetlerde elektrik yoktur. doğa;

4. zehir. kuvvetler doyma ile karakterize edilir, yani. çekirdekteki her nükleon yalnızca kendisine en yakın olan sınırlı sayıda nükleonla etkileşime girer;

5. zehir. kuvvetler, etkileşen nükleonların dönüşlerinin karşılıklı yönelimine bağlıdır;

6. zehir. kuvvetler merkezi değildir.

Çekirdek modelleri.

1. Damlacık çekirdek modeli ilk modeldir. Çekirdekteki nükleonların davranışı ile bir sıvı damlasındaki moleküllerin davranışı arasındaki analojiye dayanmaktadır. Dolayısıyla her iki durumda da, kurucu parçacıklar (sıvıdaki moleküller ve çekirdekteki nükleonlar) arasında etki eden kuvvetler kısa menzillidir ve doymuş olma eğilimindedir. Belirli dış koşullar altında bir sıvı damlası, maddesinin sabit yoğunluğu ile karakterize edilir. Çekirdekler, çekirdekteki nükleonların sayısına bakılmaksızın neredeyse sabit bir spesifik bağlanma enerjisi ve sabit yoğunluk ile karakterize edilir. Damlanın hacmi ve çekirdeğin hacmi parçacık sayısıyla orantılıdır. Bu modelde çekirdek ile bir sıvı damlası arasındaki önemli fark şudur: çekirdeği bir elektrik damlası gibi ele almasıdır. Kuantum mekaniği yasalarına uyan, yüklü, sıkıştırılamaz bir sıvı. Çekirdeğin damlacık modeli, nükleer fisyon reaksiyonlarının mekanizmasını açıkladı, ancak sihirli sayıda proton ve nötron içeren çekirdeklerin artan stabilitesini açıklayamadı.

2. Çekirdeğin kabuk modeli, çekirdekteki nükleonların ayrık en üzerindeki dağılımını varsayar. Pauli ilkesine göre doldurulan seviyeler, çekirdeklerin kararlılığını bu seviyelerin doldurulmasına bağlar. Tamamen dolu kabuklara sahip çekirdeklerin en kararlı olduğuna inanılmaktadır. Çekirdeğin kabuk modeli, çekirdeklerin dönüşlerini ve manyetik momentlerini, atom çekirdeğinin farklı stabilitesini açıklamanın yanı sıra, hafif ve orta çekirdeklerin yanı sıra temel durumdaki çekirdekleri tanımlamayı mümkün kıldı. Atom çekirdeğinin özelliklerine ilişkin deneysel verilerin daha da birikmesiyle, açıklanan modellerin çerçevesine uymayan yeni gerçekler ortaya çıktı. Çekirdeğin genelleştirilmiş modeli, çekirdeğin optik modeli vb. Bu şekilde ortaya çıktı.

Nükleer reaksiyonlar.

Nükleer reaksiyonlar, atom çekirdeklerinin birbirleriyle veya temel parçacıklarla etkileşimlerinden kaynaklanan dönüşümlerdir.

Tipik olarak nükleer reaksiyonlar iki çekirdek ve iki parçacık içerir. Bir çekirdek-parçacık çifti ilk çift, diğer çift ise son çifttir.