atomo branduolys yra centrinė atomo dalis, sudaryta iš protonų ir neutronų (bendrai vadinama nukleonai).
Branduolį E. Rutherfordas atrado 1911 m., tyrinėdamas ištrauką α - dalelės per materiją. Paaiškėjo, kad beveik visa atomo masė (99,95%) yra sutelkta branduolyje. Atomo branduolio dydis yra 10 -1 3 -10 - 12 cm, tai yra 10 000 kartų mažesnio dydžio elektronų apvalkalas.
E. Rutherfordo pasiūlytas planetinis atomo modelis ir jo eksperimentinis vandenilio branduolių stebėjimas išmuštas α -dalelės iš kitų elementų branduolių (1919-1920), paskatino mokslininką mintis apie protonas. Terminas protonas buvo įvestas XX amžiaus XX amžiaus pradžioje.
Protonas (iš graikų k. protonų- pirma, simbolis p) yra stabili elementari dalelė, vandenilio atomo branduolys.
Protonas- teigiamai įkrauta dalelė, kurios krūvis absoliučia reikšme yra lygus elektrono krūviui e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Protono masė yra 1836 kartus didesnė už elektrono masę. Ramybės protono masė m p= 1,6726231 10–27 kg = 1,007276470 amu
Antroji branduolio dalelė yra neutronas.
Neutronas (iš lat. kastruotas- nei vienas, nei kitas, simbolis n) yra elementarioji dalelė, kuri neturi krūvio, t.y. neutrali.
Neutrono masė yra 1839 kartus didesnė už elektrono masę. Neutrono masė yra beveik lygi (šiek tiek didesnė nei) protono masė: likusi laisvojo neutrono masė m n= 1,6749286 10–27 kg = 1,0008664902 amu ir protonų masę viršija 2,5 elektronų masės. Neutronas kartu su protonu bendriniu pavadinimu nukleonas yra atomo branduolio dalis.
Neutroną 1932 m. aptiko E. Rutherfordo mokinys D. Chadwigas, bombarduodamas berilį. α - dalelės. Gauta didelės prasiskverbimo galios spinduliuotė (įveikė kliūtį iš 10–20 cm storio švino plokštės) sustiprino savo poveikį prasiskverbdama pro parafino plokštę (žr. pav.). Joliot-Curie šių dalelių energijos iš debesų kameros takelių įvertinimai ir papildomi stebėjimai leido pašalinti pradinę prielaidą, kad ši γ - kvantai. Didelė naujų dalelių, vadinamų neutronais, prasiskverbimo galia buvo paaiškinta jų elektriniu neutralumu. Juk įkrautos dalelės aktyviai sąveikauja su medžiaga ir greitai praranda energiją. Neutronų egzistavimą E. Rutherfordas numatė likus 10 metų iki D. Chadwigo eksperimentų. Pataikęs α - berilio branduoliuose esančios dalelės, įvyksta tokia reakcija:
Čia yra neutrono simbolis; jo krūvis lygus nuliui, o santykinė atominė masė apytiksliai lygi vienetui. Neutronas yra nestabili dalelė: laisvasis neutronas per ~ 15 min. skyla į protoną, elektroną ir neutriną – dalelę, neturinčią ramybės masės.
1932 m. J. Chadwickui atradus neutroną, D. Ivanenko ir W. Heisenbergas savarankiškai pasiūlė branduolio protonų-neutronų (nukleono) modelis. Pagal šį modelį branduolį sudaro protonai ir neutronai. Protonų skaičius Z sutampa su elemento serijos numeriu D. I. Mendelejevo lentelėje.
Pagrindinis mokestis K nustatoma pagal protonų skaičių Z, kurie yra branduolio dalis ir yra elektronų krūvio absoliučios vertės kartotinis e:
Q = + Ze.
Skaičius Z paskambino branduolinio krūvio numeris arba atominis skaičius.
Branduolio masės skaičius BET vadinamas bendru nukleonų, ty jame esančių protonų ir neutronų, skaičiumi. Neutronų skaičius branduolyje žymimas raide N. Taigi masės skaičius yra:
A = Z + N.
Nukleonams (protonams ir neutronams) priskiriamas masės skaičius, lygus vienetui, o elektronui – nulinė reikšmė.
Branduolio sudėties idėją taip pat palengvino atradimas izotopų.
Izotopai (iš graikų k. isos lygus, toks pat ir topoa- vieta) - tai to paties cheminio elemento atomų atmainos, kurių atominiai branduoliai turi tas pats numeris proto-nov ( Z) ir skirtingas neutronų skaičius ( N).
Tokių atomų branduoliai dar vadinami izotopais. Izotopai yra nuklidai vienas elementas. Nuklidas (iš lot. branduolys- branduolys) - bet koks atomo branduolys (atitinkamai atomas) su nurodytais skaičiais Z ir N. Bendras nuklidų pavadinimas yra ……. kur X- cheminio elemento simbolis, A=Z+N- masės skaičius.
Izotopai periodinėje elementų lentelėje užima tą pačią vietą, taigi ir jų pavadinimas. Paprastai izotopai labai skiriasi savo branduolinėmis savybėmis (pavyzdžiui, gebėjimu įsitraukti į branduolines reakcijas). Izotopų cheminės (ir beveik vienodai fizinės) savybės yra vienodos. Tai paaiškinama Cheminės savybės elementą lemia branduolio krūvis, nes būtent jis daro įtaką atomo elektroninio apvalkalo struktūrai.
Išimtis yra lengvųjų elementų izotopai. Vandenilio izotopai 1 H — protium, 2 H— deuterio, 3 H — tričio jų masė tiek skiriasi, kad skiriasi jų fizinės ir cheminės savybės. Deuteris yra stabilus (t. y. neradioaktyvus) ir yra įtrauktas į paprastą vandenilį kaip maža priemaiša (1:4500). Deuteris jungiasi su deguonimi ir sudaro sunkųjį vandenį. Užverda esant normaliam atmosferos slėgiui 101,2°C temperatūroje, o užšąla +3,8°C temperatūroje. Tritis β yra radioaktyvus, jo pusinės eliminacijos laikas yra apie 12 metų.
Kiekvienas turi cheminiai elementai yra izotopų. Kai kurie elementai turi tik nestabilius (radioaktyvius) izotopus. Visiems elementams radioaktyvieji izotopai buvo gauti dirbtinai.
Urano izotopai. Elementas uranas turi du izotopus – kurių masės skaičiai 235 ir 238. Izotopas yra tik 1/140 dažnesnio.
Prieš daugelį metų žmonės domėjosi, iš ko pagamintos visos medžiagos. Pirmasis į tai bandė atsakyti senovės graikų mokslininkas Demokritas, manęs, kad visos medžiagos yra sudarytos iš molekulių. Dabar žinome, kad molekulės yra sudarytos iš atomų. Atomai susideda iš dar mažesnių dalelių. Atomo centre yra branduolys, kuriame yra protonų ir neutronų. Mažiausios dalelės – elektronai – juda orbitomis aplink branduolį. Jų masė yra nereikšminga, palyginti su branduolio mase. Bet kaip rasti branduolio masę, padės tik skaičiavimai ir chemijos žinios. Norėdami tai padaryti, turite nustatyti protonų ir neutronų skaičių branduolyje. Peržiūrėkite vieno protono ir vieno neutrono masių lenteles ir raskite jų bendrą masę. Tai bus branduolio masė.
Dažnai galite susidurti su tokiu klausimu, kaip rasti masę, žinant greitį. Pagal klasikinius mechanikos dėsnius masė nepriklauso nuo kūno greičio. Galų gale, jei automobilis, toldamas, pradeda didinti greitį, tai visiškai nereiškia, kad jo masė padidės. Tačiau XX amžiaus pradžioje Einšteinas pateikė teoriją, pagal kurią ši priklausomybė egzistuoja. Šis poveikis vadinamas reliatyvistiniu kūno masės padidėjimu. Ir tai pasireiškia tada, kai kūnų greičiai artėja prie šviesos greičio. Šiuolaikiniai dalelių greitintuvai leidžia iki tokių pagreitinti protonus ir neutronus dideliu greičiu. Ir iš tikrųjų šiuo atveju buvo užfiksuotas jų masės padidėjimas.
Tačiau mes vis dar gyvename aukštųjų technologijų, bet mažo greičio pasaulyje. Todėl norint žinoti, kaip apskaičiuoti medžiagos masę, visai nebūtina pagreitinti kūno iki šviesos greičio ir mokytis Einšteino teorijos. Kūno svorį galima išmatuoti svarstyklėmis. Tiesa, ne kiekvieną kūną galima pastatyti ant svarstyklių. Todėl yra ir kitas būdas apskaičiuoti masę pagal jos tankį.
Mus supantis oras, taip reikalingas žmonijai, taip pat turi savo masę. Ir sprendžiant problemą, kaip nustatyti oro masę, pavyzdžiui, patalpoje, nebūtina skaičiuoti oro molekulių skaičiaus ir sumuoti jų branduolių masę. Galite tiesiog nustatyti kambario tūrį ir padauginti jį iš oro tankio (1,9 kg / m3).
Dabar mokslininkai labai tiksliai išmoko apskaičiuoti įvairių kūnų mases – nuo atomų branduolių iki Žemės rutulio ir net kelių šimtų šviesmečių atstumu nuo mūsų esančių žvaigždžių masės. Mišios kaip fizinis kiekis, yra kūno inercijos matas. Masyvesni kūnai, anot jų, yra inertiškesni, tai yra lėčiau keičia greitį. Todėl juk greitis ir masė yra tarpusavyje susiję. Bet Pagrindinis bruožasŠi vertė yra ta, kad bet kuris kūnas ar medžiaga turi masę. Nėra pasaulyje materijos, kuri neturėtų masės!
Tyrinėdami medžiagos sudėtį, mokslininkai padarė išvadą, kad visa medžiaga susideda iš molekulių ir atomų. Ilgą laiką atomas (iš graikų kalbos išvertus kaip „nedalomas“) buvo laikomas mažiausiu struktūriniu materijos vienetu. Tačiau tolesni tyrimai parodė, kad atomas turi sudėtingą struktūrą ir savo ruožtu apima mažesnes daleles.
Iš ko sudarytas atomas?
1911 m. mokslininkas Rutherfordas pasiūlė, kad atomas turi centrinę dalį, turinčią teigiamą krūvį. Taip pirmą kartą atsirado atomo branduolio sąvoka.
Pagal Rutherfordo schemą, vadinamą planetiniu modeliu, atomas susideda iš branduolio ir elementariosios dalelės su neigiamu krūviu – elektronai juda aplink branduolį, lygiai taip pat, kaip planetos skrieja aplink saulę.
1932 m. kitas mokslininkas Chadwickas atrado neutroną, dalelę, kuri neturi elektros krūvis.
Pagal šiuolaikines koncepcijas branduolys atitinka Rutherfordo pasiūlytą planetos modelį. Branduolys neša dauguma atominė masė. Jis taip pat turi teigiamą krūvį. Atomo branduolyje yra protonų – teigiamai įkrautų dalelių ir neutronų – dalelių, kurios neturi krūvio. Protonai ir neutronai vadinami nukleonais. Aplink branduolį skrieja neigiamo krūvio dalelės – elektronai.
Protonų skaičius branduolyje yra lygus judančių orbita. Todėl pats atomas yra dalelė, kuri neturi krūvio. Jei atomas paima svetimus elektronus arba praranda savuosius, tada jis tampa teigiamas arba neigiamas ir vadinamas jonu.
Elektronai, protonai ir neutronai bendrai vadinami subatominėmis dalelėmis.
Atomo branduolio krūvis
Branduolys turi krūvio skaičių Z. Jis nustatomas pagal protonų, sudarančių atomo branduolį, skaičių. Sužinoti šią sumą paprasta: tiesiog remkitės Mendelejevo periodine sistema. Elemento, kuriam priklauso atomas, atominis skaičius yra lygus protonų skaičiui branduolyje. Taigi, jei cheminis elementas deguonis atitinka serijos numeris 8, tada protonų skaičius taip pat bus aštuoni. Kadangi protonų ir elektronų skaičius atome yra vienodas, elektronai taip pat bus aštuoni.
Neutronų skaičius vadinamas izotopiniu skaičiumi ir žymimas raide N. Jų skaičius gali skirtis to paties cheminio elemento atome.
Protonų ir elektronų suma branduolyje vadinama atomo masės skaičiumi ir žymima raide A. Taigi masės skaičiaus apskaičiavimo formulė atrodo taip: A \u003d Z + N.
izotopų
Tuo atveju, kai elementai turi vienodą protonų ir elektronų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, jie vadinami cheminio elemento izotopais. Gali būti vienas ar daugiau izotopų. Jie dedami į tą pačią periodinės sistemos ląstelę.
Izotopai turi didelę reikšmę chemijoje ir fizikoje. Pavyzdžiui, vandenilio izotopas – deuteris – kartu su deguonimi suteikia visiškai naują medžiagą, vadinamą sunkiuoju vandeniu. Jo virimo ir užšalimo temperatūra skiriasi nuo įprastų. O deuterio derinys su kitu vandenilio izotopu – tričiu sukelia termobranduolinės sintezės reakciją ir gali būti panaudotas didžiuliam energijos kiekiui generuoti.
Branduolio ir subatominių dalelių masė
Atomų dydis ir masė žmogaus sąmonėje yra nereikšmingi. Branduolių dydis apytiksliai 10 -12 cm.Atomo branduolio masė fizikoje matuojama vadinamaisiais atominės masės vienetais – a.m.u.
Vienam rytui paimkite vieną dvyliktąją anglies atomo masės. Naudojant įprastus matavimo vienetus (kilogramus ir gramus), masę galima išreikšti taip: 1 a.m.u. \u003d 1,660540 10 -24 g. Taip išreiškus, ji vadinama absoliučia atomine mase.
Nepaisant to, kad atomo branduolys yra masyviausias atomo komponentas, jo matmenys, palyginti su jį supančiu elektronų debesiu, yra labai maži.
branduolines pajėgas
Atomo branduoliai yra labai stabilūs. Tai reiškia, kad protonus ir neutronus branduolyje laiko tam tikros jėgos. Tai negali būti elektromagnetinės jėgos, nes protonai yra panašiai įkrautos dalelės, ir yra žinoma, kad dalelės, turinčios tą patį krūvį, atstumia viena kitą. Gravitacinės jėgos yra per silpnos, kad išlaikytų nukleonus kartu. Vadinasi, daleles branduolyje laiko kitokia sąveika – branduolinės jėgos.
Branduolinė sąveika laikoma stipriausia iš visų gamtoje egzistuojančių. Todėl tokio tipo sąveika tarp atomo branduolio elementų vadinama stipria. Jo yra daugelyje elementariųjų dalelių, taip pat elektromagnetinių jėgų.
Branduolinių jėgų ypatybės
- Trumpas veiksmas. Branduolinės jėgos, priešingai nei elektromagnetinės jėgos, pasireiškia tik labai mažais atstumais, panašiais į branduolio dydį.
- Apmokestinimo nepriklausomybė. Ši savybė pasireiškia tuo, kad branduolinės jėgos vienodai veikia protonus ir neutronus.
- Sodrumas. Branduolio nukleonai sąveikauja tik su tam tikru skaičiumi kitų nukleonų.
Šerdies surišimo energija
Su stiprios sąveikos samprata yra glaudžiai susiję dar kažkas – branduolių rišimo energija. Branduolio surišimo energija yra energijos kiekis, reikalingas atomo branduoliui suskaidyti į jį sudarančius nukleonus. Ji lygi energijai, reikalingai iš atskirų dalelių suformuoti branduolį.
Norint apskaičiuoti branduolio surišimo energiją, būtina žinoti subatominių dalelių masę. Skaičiavimai rodo, kad branduolio masė visada yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų sumą. Masės defektas yra skirtumas tarp branduolio masės ir jo protonų bei elektronų sumos. Naudodamiesi masės ir energijos santykiu (E \u003d mc 2), galite apskaičiuoti energiją, susidariusią formuojant branduolį.
Branduolio surišimo energijos stiprumą galima spręsti pagal tokį pavyzdį: susidarant keliems gramams helio susidaro tiek pat energijos, kiek sudegus kelioms tonoms anglies.
Branduolinės reakcijos
Atomų branduoliai gali sąveikauti su kitų atomų branduoliais. Tokios sąveikos vadinamos branduolinėmis reakcijomis. Reakcijos yra dviejų tipų.
- Skilimo reakcijos. Jie atsiranda, kai dėl sąveikos sunkesni branduoliai skyla į lengvesnius.
- Sintezės reakcijos. Procesas yra atvirkštinis dalijimasis: branduoliai susiduria, todėl susidaro sunkesni elementai.
Visas branduolines reakcijas lydi energijos išsiskyrimas, kuris vėliau panaudojamas pramonėje, kariuomenėje, energetikoje ir pan.
Susipažinę su atomo branduolio sudėtimi, galime padaryti tokias išvadas.
- Atomas susideda iš branduolio, kuriame yra protonų ir neutronų, ir aplink jį esančių elektronų.
- Atomo masės skaičius yra lygus jo branduolio nukleonų sumai.
- Nukleonus laiko kartu stipri jėga.
- Milžiniškos jėgos, suteikiančios atomo branduoliui stabilumą, vadinamos branduolio surišimo energijomis.
Izogonija. Vandenilio atomo branduolys – protonas (p) – yra paprasčiausias branduolys. Jo teigiamas krūvis absoliučia reikšme yra lygus elektrono krūviui. Protono masė yra 1,6726-10'2 kg. Protoną kaip dalelę, kuri yra atomo branduolių dalis, Rutherfordas atrado 1919 m.
Norint eksperimentiškai nustatyti atomų branduolių mases, masės spektrometrai. Masių spektrometrijos principas, kurį pirmą kartą pasiūlė Thomson (1907), yra panaudoti elektrinių ir magnetinių laukų fokusavimo savybes įkrautų dalelių pluoštų atžvilgiu. Pirmuosius pakankamai didelės skiriamosios gebos masės spektrometrus 1919 m. sukonstravo F.U. Astonas ir A. Dempstromas. Masės spektrometro veikimo principas parodytas fig. 1.3.
Kadangi atomai ir molekulės yra elektriškai neutralūs, pirmiausia jie turi būti jonizuoti. Jonai susidaro jonų šaltinyje bombarduojant tiriamos medžiagos garus greitais elektronais, o po to, pagreičius elektriniame lauke (potencialų skirtumas v) išėjimas į vakuuminę kamerą patenka į homogeniškumo sritį magnetinis laukas B. Veikdami jonai pradeda judėti apskritimu, kurio spindulys G galima rasti iš Lorenco jėgos ir išcentrinės jėgos lygybės:
kur M- jonų masė. Jono greitis v nustatomas pagal ryšį
Ryžiai. 1.3.
Greitėjantis potencialų skirtumas Turėti arba magnetinio lauko stiprumas AT galima pasirinkti taip, kad vienodos masės jonai patektų į tą pačią vietą ant fotografinės plokštelės ar kito padėties jautraus detektoriaus. Tada, radę masės-spyruoklinio smūgio signalo maksimumą ir naudodami (1.7) formulę, galime nustatyti ir jono masę M. 1
Neskaitant greičio v iš (1.5) ir (1.6) matome, kad
Masių spektrometrijos metodų tobulinimas leido patvirtinti dar 1910 m. Fredericko Soddy padarytą prielaidą, kad trupmeninės (vandenilio atomo masės vienetais) cheminių elementų atominės masės paaiškinamos egzistavimu. izotopų- atomai su vienodu branduolio krūviu, bet skirtingos masės. Astono novatoriškų tyrimų dėka buvo nustatyta, kad daugumą elementų iš tiesų sudaro dviejų ar daugiau natūraliai susidarančių izotopų mišinys. Išimtis yra palyginti nedaug elementų (F, Na, Al, P, Au ir kt.), vadinamų monoizotopiniais. Natūralių izotopų skaičius viename elemente gali siekti 10 (Sn). Be to, kaip vėliau paaiškėjo, visi be išimties elementai turi izotopų, turinčių radioaktyvumo savybę. Daugumos radioaktyviųjų izotopų gamtoje nėra, juos galima gauti tik dirbtiniu būdu. Elementai, kurių atominiai skaičiai yra 43 (Tc), 61 (Pm), 84 (Po) ir didesni, turi tik radioaktyvius izotopus.
Šiandien fizikoje ir chemijoje priimtas tarptautinis atominės masės vienetas (a.m.u.) yra 1/12 gamtoje labiausiai paplitusio anglies izotopo masės: 1 a.m.u. = 1,66053873* 10 colių kg. Jis yra artimas vandenilio atominei masei, nors jai neprilygsta. Elektrono masė yra maždaug 1/1800 a.m.u. Šiuolaikiniuose masių spektrometruose santykinė masės matavimo paklaida
AMfM= 10 -10, todėl galima išmatuoti masės skirtumus 10 -10 a.m.u lygiu.
Izotopų atominės masės, išreikštos amu, yra beveik tiksliai sveikasis skaičius. Taigi kiekvienam atomo branduoliui galima priskirti savo masės skaičius A(visa), pvz., H-1, H-2, H-3, C-12, 0-16, Cl-35, C1-37 ir kt. Pastaroji aplinkybė naujais pagrindais atgaivino susidomėjimą W. Prout (1816 m.) hipoteze, pagal kurią visi elementai yra sukurti iš vandenilio.
Pagrindinis mokestis
Bet kurio atomo branduolys yra teigiamai įkrautas. Teigiamas krūvio nešėjas yra protonas. Kadangi protono krūvis skaitine prasme lygus elektrono $e$ krūviui, galima parašyti, kad branduolio krūvis lygus $+Ze$ ($Z$ yra sveikasis skaičius, nurodantis elektrono eilės numerį cheminis elementas periodinėje D. I. Mendelejevo cheminių elementų sistemoje). 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
Kita svarbi branduolio savybė yra jo masė. Atomų ir branduolių masė paprastai išreiškiama atominės masės vienetais (amu). $1/12$ anglies nuklido masės $^(12)_6C$ laikomas atominės masės vienetu:
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 $m_p=1,00728\ a.m.u.=938,28\ MeV$,
- neutronų masė $m_n=1,00866\ a.m.u.=939,57\ MeV$,
- elektronų masė $m_e = 5,49\cdot 10^(-4)\ a.m.u. = 0,511\ MeV$,
Kaip matote, elektrono masė yra nežymiai maža, palyginti su branduolio mase, tada branduolio masė beveik sutampa su atomo mase.
Masė skiriasi nuo sveikųjų skaičių. Branduolio masė, išreikšta a.m.u. o suapvalintas iki sveikojo skaičiaus vadinamas masės skaičiumi, žymimas raide $A$ ir nulemia nukleonų skaičių branduolyje. Neutronų skaičius branduolyje yra $N=A-Z$.
Simbolis $^A_ZX$ naudojamas branduoliams žymėti, kur $X$ yra cheminis nurodyto elemento simbolis. 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 kurių natūralių elementų masė 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.m. daugumoje atomų, išskyrus vandenilį, izotopai turi beveik tas pačias fizines ir chemines savybes. Tačiau dėl savo išskirtinai branduolinių savybių izotopai labai skiriasi. Vieni jų gali būti stabilūs, kiti radioaktyvūs.
Branduoliai su vienodais masės skaičiais, bet skirtingos vertybės$Z$ 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 yra $^(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 $R$ sąvokas. Atkreipkite dėmesį, kad kai kuriuose branduoliuose elektros krūvio pasiskirstymas šiek tiek nukrypsta nuo simetrijos. Be to, atomų branduoliai yra ne statinės, o dinaminės sistemos, o branduolio spindulio sąvoka negali būti vaizduojama kaip rutulio spindulys. Dėl šios priežasties, atsižvelgiant į branduolio dydį, reikia paimti plotą, kuriame pasireiškia branduolinės jėgos.
Kurdamas kiekybinę $\alpha $ -- dalelių sklaidos teoriją, E. Rutherfordas rėmėsi prielaida, kad atomo branduolys ir $\alpha $ -- dalelės sąveikauja pagal Kulono dėsnį, t.y. kad elektrinis laukas aplink branduolį turi sferinę simetriją. Dalelių $\alpha $ sklaida vyksta visiškai pagal Rutherfordo formulę:
Tai pasakytina apie $\alpha $ – daleles, kurių energija $E$ yra pakankamai 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 nukleonų, patenkančių prieš branduolio sudėtį, 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 yra pagrįsti ryšiu tarp $\alpha $ -- radioaktyviųjų branduolių gyvavimo trukmės ir $\alpha $ -- jų skleidžiamų dalelių energijos; apie optines vadinamųjų mezoatomų savybes, kai vieną elektroną laikinai pagauna miuonas; veidrodinių atomų poros surišimo energijos palyginimu. Šie metodai patvirtina empirinę priklausomybę $R=R_0A^(1/3)$, o taip pat šių matavimų pagalba konstantos $R_0=\left(1,2-1,5\right)\cdot 10 reikšmę. ^(-15) yra nustatytas \ m$.
Taip pat atkreipiame dėmesį, kad atstumo vienetas atominėje fizikoje ir elementariųjų dalelių fizikoje laikomas „Fermi“ vienetu, kuris yra lygus $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^ (-15)\ m )$.
Atomų branduolių spinduliai priklauso nuo jų masės skaičiaus ir svyruoja nuo $2\cdot 10^(-15)\m\ iki\10^(-14)\m$. jei $R_0$ išreiškiamas iš formulės $R=R_0A^(1/3)$ ir parašytas kaip $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, tada galime pamatyti, kad kiekvieno nukleono tūris yra maždaug vienodas. Tai reiškia, kad visų branduolių branduolinės medžiagos tankis taip pat yra maždaug vienodas. Palikę esamus teiginius apie atomo branduolių dydį, randame vidutinę branduolio medžiagos tankio reikšmę:
Kaip matote, 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 nelygybė galioja visiems cheminiams elementams:
kur $m_p$ – protono masė, $m_n$ – neutrono masė, $m_n$ – 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. Kadangi dėl bet kokio masės $\trikampio m$ pokyčio atitinkamai pasikeičia energija $\trikampis E$ ($\trikampis E=\trikampis mc^2$), tada išsiskiria tam tikras energijos kiekis branduolio formavimosi metu. Pagal energijos tvermės dėsnį branduoliui padalyti į jį sudarančias daleles reikia tiek pat energijos, t.y. perkelti nukleonus vieną nuo vieno 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:
1 pastaba
Atkreipkite dėmesį, kad ši formulė nėra labai patogi naudoti, nes lentelėse pateikiamos 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. Šiuo tikslu 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). Jei kalbama apie praktinis pritaikymas branduolinės energijos, ji matuojama džauliais. Lyginant dviejų branduolių energiją, naudojamas energijos masės 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, svarbi specifinė surišimo energija – rišimo energija, kuri patenka į vieną nukleoną: $w=E_(sv)/A$. Šis dydis kinta palyginti lėtai, palyginti su masės skaičiaus $A$ pokyčiu, turinčiu beveik pastovią vertę$8.6$ MeV vidurinėje periodinės sistemos dalyje ir mažėja iki jos kraštų.
Pavyzdžiui, apskaičiuokime helio atomo branduolio masės defektą, surišimo energiją ir specifinę rišimo energiją.
masės defektas
Surišimo energija MeV: $E_(b)=\trikampis m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;
Savitoji surišimo energija: $w=\frac(E_(s))(A)=\frac(28,3\MeV)(4\apytiksliai 7,1\ MeV).$