atoma kodols ir atoma centrālā daļa, kas sastāv no protoniem un neitroniem (kopā saukti nukleoni).
Kodolu 1911. gadā atklāja E. Rezerfords, pētot fragmentu α -daļiņas caur vielu. Izrādījās, ka gandrīz visa atoma masa (99,95%) ir koncentrēta kodolā. Atomu kodola izmērs ir 10 -1 3 -10 - 12 cm, kas ir 10 000 reižu mazāks izmērs elektroniskais apvalks.
E. Rezerforda piedāvātais atoma planetārais modelis un viņa eksperimentālais ūdeņraža kodolu novērojums izsists. α -daļiņas no citu elementu kodoliem (1919-1920), noveda zinātnieku pie idejas par protonu. Termins protons tika ieviests XX gadsimta 20. gadu sākumā.
Protons (no grieķu valodas. protoni- pirmkārt, simbols lpp) ir stabila elementārdaļiņa, ūdeņraža atoma kodols.
Protons- pozitīvi lādēta daļiņa, kuras lādiņš pēc absolūtās vērtības ir vienāds ar elektrona lādiņu e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Protona masa ir 1836 reizes lielāka par elektrona masu. Protona miera masa m p= 1,6726231 10–27 kg = 1,007276470 amu
Otrā daļiņa kodolā ir neitronu.
Neitrons (no lat. kastrēts- ne viens, ne otrs, simbols n) ir elementārdaļiņa, kurai nav lādiņa, t.i., neitrāla.
Neitrona masa ir 1839 reizes lielāka par elektrona masu. Neitrona masa ir gandrīz vienāda ar (nedaudz lielāka par) protona masu: brīvā neitrona pārējā masa m n= 1,6749286 10–27 kg = 1,0008664902 amu un pārsniedz protonu masu par 2,5 elektronu masām. Neitrons kopā ar protonu ar parasto nosaukumu nukleons ir daļa no atoma kodola.
Neitronu 1932. gadā atklāja E. Rezerforda students D. Čadvigs, bombardējot ar beriliju. α - daļiņas. Iegūtais starojums ar lielu iespiešanās spēju (tas pārvarēja šķērsli, kas izgatavots no 10–20 cm biezas svina plāksnes) pastiprināja savu iedarbību, izejot cauri parafīna plāksnei (sk. attēlu). Džolio-Kirī aprēķini par šo daļiņu enerģiju no sliedēm mākoņa kamerā un papildu novērojumi ļāva novērst sākotnējo pieņēmumu, ka šis γ -kvanti. Jauno daļiņu, ko sauc par neitroniem, lielo caurlaidības spēku izskaidroja ar to elektrisko neitralitāti. Galu galā uzlādētas daļiņas aktīvi mijiedarbojas ar vielu un ātri zaudē savu enerģiju. Neitronu eksistenci paredzēja E. Rezerfords 10 gadus pirms D. Čadviga eksperimentiem. Uz sitiena α - daļiņas berilija kodolos, notiek šāda reakcija:
Šeit ir neitrona simbols; tā lādiņš ir vienāds ar nulli, un relatīvā atommasa ir aptuveni vienāda ar vienu. Neitrons ir nestabila daļiņa: brīvs neitrons ~ 15 minūšu laikā. sadalās protonā, elektronā un neitrīno – daļiņā, kurai nav miera masas.
Pēc tam, kad 1932. gadā Dž.Čadviks atklāja neitronu, D.Ivaņenko un V.Heizenbergs neatkarīgi ierosināja kodola protonu-neitronu (nukleonu) modelis. Saskaņā ar šo modeli kodols sastāv no protoniem un neitroniem. Protonu skaits Z sakrīt ar elementa kārtas numuru D. I. Mendeļejeva tabulā.
Pamatmaksa J nosaka protonu skaits Z, kas ir daļa no kodola un ir elektronu lādiņa absolūtās vērtības reizinājums e:
Q = + Ze.
Numurs Z sauca kodollādiņa numurs vai atomskaitlis.
Kodola masas skaitlis A sauc par kopējo tajā esošo nukleonu, t.i., protonu un neitronu skaitu. Neitronu skaitu kodolā apzīmē ar burtu N. Tātad masas skaitlis ir:
A = Z + N.
Nukleoniem (protoniem un neitroniem) tiek piešķirts masas skaitlis, kas vienāds ar vienu, un elektronam tiek piešķirta nulles vērtība.
Ideju par kodola sastāvu veicināja arī atklājums izotopi.
Izotopi (no grieķu valodas. isos vienāds, vienāds un topoa- vieta) - tās ir viena un tā paša ķīmiskā elementa atomu šķirnes, kuru atomu kodoliem ir tas pats numurs proto-nov ( Z) un atšķirīgs neitronu skaits ( N).
Šādu atomu kodolus sauc arī par izotopiem. Izotopi ir nuklīdus viens elements. Nuklīds (no lat. kodols- kodols) - jebkurš atoma kodols (attiecīgi atoms) ar norādītajiem skaitļiem Z Un N. Nuklīdu vispārējais apzīmējums ir ……. Kur X- ķīmiskā elementa simbols, A=Z+N- masas skaitlis.
Izotopi elementu periodiskajā tabulā ieņem vienu un to pašu vietu, tāpēc arī to nosaukums. Parasti izotopi būtiski atšķiras pēc to kodolīpašībām (piemēram, pēc spējas iesaistīties kodolreakcijās). Izotopu ķīmiskās (un gandrīz tikpat fizikālās) īpašības ir vienādas. Tas tiek skaidrots ar Ķīmiskās īpašības elementu nosaka kodola lādiņš, jo tieši viņš ietekmē atoma elektronu apvalka struktūru.
Izņēmums ir vieglo elementu izotopi. Ūdeņraža izotopi 1 H — protium, 2 H— deitērijs, 3 H — tritijs tie tik ļoti atšķiras pēc masas, ka atšķiras to fizikālās un ķīmiskās īpašības. Deitērijs ir stabils (t.i., nav radioaktīvs) un ir iekļauts kā neliels piemaisījums (1:4500) parastajā ūdeņradi. Deitērijs savienojas ar skābekli, veidojot smagu ūdeni. Tas vārās normālā atmosfēras spiedienā 101,2°C un sasalst pie +3,8°C. Tritijs β ir radioaktīvs ar pussabrukšanas periodu aptuveni 12 gadi.
Ikvienam ir ķīmiskie elementi ir izotopi. Dažiem elementiem ir tikai nestabili (radioaktīvi) izotopi. Visiem elementiem mākslīgi iegūti radioaktīvie izotopi.
Urāna izotopi. Elementam urānam ir divi izotopi – ar masas skaitļiem 235 un 238. Izotopam ir tikai 1/140 no biežāk sastopamā.
Pirms daudziem gadiem cilvēki domāja, no kā sastāv visas vielas. Pirmais, kurš mēģināja uz to atbildēt, bija sengrieķu zinātnieks Demokrits, kurš uzskatīja, ka visas vielas sastāv no molekulām. Tagad mēs zinām, ka molekulas ir veidotas no atomiem. Atomi sastāv no vēl mazākām daļiņām. Atoma centrā atrodas kodols, kas satur protonus un neitronus. Mazākās daļiņas - elektroni - pārvietojas orbītās ap kodolu. To masa ir niecīga salīdzinājumā ar kodola masu. Bet kā atrast kodola masu, palīdzēs tikai aprēķini un ķīmijas zināšanas. Lai to izdarītu, jums jānosaka protonu un neitronu skaits kodolā. Apskatiet viena protona un viena neitrona masu tabulas vērtības un atrodiet to kopējo masu. Tā būs kodola masa.
Bieži var saskarties ar šādu jautājumu, kā atrast masu, zinot ātrumu. Saskaņā ar klasiskajiem mehānikas likumiem masa nav atkarīga no ķermeņa ātruma. Galu galā, ja automašīna, attālinoties, sāk uzņemt ātrumu, tas nebūt nenozīmē, ka tās masa palielināsies. Tomēr divdesmitā gadsimta sākumā Einšteins iepazīstināja ar teoriju, saskaņā ar kuru šī atkarība pastāv. Šo efektu sauc par relativistisku ķermeņa masas pieaugumu. Un tas izpaužas, kad ķermeņu ātrumi tuvojas gaismas ātrumam. Mūsdienu daļiņu paātrinātāji ļauj paātrināt protonus un neitronus līdz tādiem lieli ātrumi. Un patiesībā šajā gadījumā tika reģistrēts to masas pieaugums.
Bet mēs joprojām dzīvojam augsto tehnoloģiju pasaulē, bet mazā ātrumā. Tāpēc, lai zinātu, kā aprēķināt vielas masu, nemaz nav nepieciešams paātrināt ķermeni līdz gaismas ātrumam un apgūt Einšteina teoriju. Ķermeņa svaru var izmērīt uz svariem. Tiesa, ne katru ķermeni var nolikt uz svariem. Tāpēc ir vēl viens veids, kā aprēķināt masu no tā blīvuma.
Arī apkārtējam gaisam, cilvēcei tik nepieciešamajam gaisam ir sava masa. Un, risinot problēmu, kā noteikt gaisa masu, piemēram, telpā, nav nepieciešams skaitīt gaisa molekulu skaitu un summēt to kodolu masu. Jūs varat vienkārši noteikt telpas tilpumu un reizināt to ar gaisa blīvumu (1,9 kg / m3).
Zinātnieki tagad ir iemācījušies ar lielu precizitāti aprēķināt dažādu ķermeņu masas, sākot no atomu kodoliem līdz masai globuss un pat zvaigznes, kas atrodas vairāku simtu gaismas gadu attālumā no mums. Masai patīk fiziskais daudzums, ir ķermeņa inerces mērs. Viņi saka, ka masīvāki ķermeņi ir inertāki, tas ir, tie maina ātrumu lēnāk. Tāpēc galu galā ātrums un masa ir savstarpēji saistīti. Bet galvenā iezīmeŠī vērtība ir tāda, ka jebkuram ķermenim vai vielai ir masa. Pasaulē nav matērijas, kam nebūtu masas!
Pētot vielas sastāvu, zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka visa matērija sastāv no molekulām un atomiem. Ilgu laiku atoms (tulkojumā no grieķu valodas kā "nedalāms") tika uzskatīts par mazāko matērijas struktūrvienību. Tomēr turpmākie pētījumi ir parādījuši, ka atomam ir sarežģīta struktūra un, savukārt, tas ietver mazākas daļiņas.
No kā sastāv atoms?
1911. gadā zinātnieks Rezerfords ierosināja, ka atomam ir centrālā daļa, kurai ir pozitīvs lādiņš. Tādējādi pirmo reizi parādījās atoma kodola jēdziens.
Saskaņā ar Rezerforda shēmu, ko sauc par planētu modeli, atoms sastāv no kodola un elementārdaļiņas ar negatīvu lādiņu - elektroni pārvietojas ap kodolu, tāpat kā planētas riņķo ap sauli.
1932. gadā cits zinātnieks Čedviks atklāja neitronu, daļiņu, kurai nav elektriskais lādiņš.
Saskaņā ar mūsdienu koncepcijām kodols atbilst planētu modelis ieteica Rezerfords. Kodols nes lielākā daļa atomu masa. Tam ir arī pozitīvs lādiņš. Atomu kodols satur protonus – pozitīvi lādētas daļiņas un neitronus – daļiņas, kurām nav lādiņa. Protonus un neitronus sauc par nukleoniem. Negatīvi lādētas daļiņas – elektroni – riņķo ap kodolu.
Protonu skaits kodolā ir vienāds ar protonu skaitu, kas pārvietojas orbītā. Tāpēc pats atoms ir daļiņa, kas nenes lādiņu. Ja atoms uztver svešus elektronus vai zaudē savus, tad tas kļūst pozitīvs vai negatīvs un tiek saukts par jonu.
Elektronus, protonus un neitronus kopā sauc par subatomiskām daļiņām.
Atomu kodola lādiņš
Kodolam ir lādiņa skaitlis Z. To nosaka protonu skaits, kas veido atoma kodolu. Noskaidrot šo summu ir vienkārši: vienkārši skatiet Mendeļejeva periodisko sistēmu. Elementa, kuram pieder atoms, atomu skaits ir vienāds ar protonu skaitu kodolā. Tādējādi, ja ķīmiskais elements skābeklis atbilst sērijas numurs 8, tad arī protonu skaits būs astoņi. Tā kā protonu un elektronu skaits atomā ir vienāds, tad būs arī astoņi elektroni.
Neitronu skaitu sauc par izotopu skaitu un apzīmē ar burtu N. To skaits var atšķirties viena un tā paša ķīmiskā elementa atomā.
Protonu un elektronu summu kodolā sauc par atoma masas skaitli un apzīmē ar burtu A. Tādējādi masas skaitļa aprēķināšanas formula izskatās šādi: A \u003d Z + N.
izotopi
Gadījumā, ja elementiem ir vienāds protonu un elektronu skaits, bet atšķirīgs neitronu skaits, tos sauc par ķīmiskā elementa izotopiem. Var būt viens vai vairāki izotopi. Tie ir ievietoti vienā un tajā pašā periodiskās sistēmas šūnā.
Izotopiem ir liela nozīme ķīmijā un fizikā. Piemēram, ūdeņraža izotops - deitērijs - savienojumā ar skābekli dod pilnīgi jaunu vielu, ko sauc par smago ūdeni. Tam ir atšķirīgs viršanas un sasalšanas punkts nekā parasti. Un deitērija kombinācija ar citu ūdeņraža izotopu - tritiju izraisa kodolsintēzes reakciju, un to var izmantot, lai radītu milzīgu enerģijas daudzumu.
Kodola un subatomisko daļiņu masa
Atomu lielums un masa cilvēka apziņā ir niecīgi. Kodolu izmērs ir aptuveni 10 -12 cm.Atomu kodola masu fizikā mēra tā sauktajās atommasas vienībās - a.m.u.
Par vienu a.m.u. ņem vienu divpadsmito daļu no oglekļa atoma masas. Izmantojot parastās mērvienības (kilogrami un grami), masu var izteikt šādi: 1 a.m.u. \u003d 1,660540 10 -24 g. Šādā veidā to sauc par absolūto atommasu.
Neskatoties uz to, ka atoma kodols ir masīvākā atoma sastāvdaļa, tā izmēri attiecībā pret apkārtējo elektronu mākoni ir ārkārtīgi mazi.
kodolspēki
Atomu kodoli ir ārkārtīgi stabili. Tas nozīmē, ka protonus un neitronus kodolā notur daži spēki. Tie nevar būt elektromagnētiskie spēki, jo protoni ir līdzīgas lādētas daļiņas, un ir zināms, ka daļiņas ar vienādu lādiņu viena otru atgrūž. Gravitācijas spēki ir pārāk vāji, lai noturētu nukleonus kopā. Līdz ar to daļiņas kodolā notur cita mijiedarbība – kodolspēki.
Kodolieroču mijiedarbība tiek uzskatīta par spēcīgāko no visiem dabā esošajiem. Tāpēc šāda veida mijiedarbību starp atomu kodola elementiem sauc par spēcīgu. Tas atrodas daudzās elementārdaļiņās, kā arī elektromagnētiskajos spēkos.
Kodolspēku iezīmes
- Īsa darbība. Kodolspēki, atšķirībā no elektromagnētiskajiem spēkiem, izpaužas tikai ļoti mazos attālumos, kas ir salīdzināmi ar kodola izmēru.
- Maksas neatkarība. Šī iezīme izpaužas faktā, ka kodolspēki vienādi iedarbojas uz protoniem un neitroniem.
- Piesātinājums. Kodola nukleoni mijiedarbojas tikai ar noteiktu skaitu citu nukleonu.
Kodola saistošā enerģija
Kas cits ir cieši saistīts ar spēcīgas mijiedarbības jēdzienu - kodolu saistīšanas enerģiju. Kodolenerģija ir enerģijas daudzums, kas nepieciešams, lai sadalītu atoma kodolu tā sastāvā esošajos nukleonos. Tas ir vienāds ar enerģiju, kas nepieciešama, lai no atsevišķām daļiņām izveidotu kodolu.
Lai aprēķinātu kodola saistīšanas enerģiju, ir jāzina subatomisko daļiņu masa. Aprēķini liecina, ka kodola masa vienmēr ir mazāka par to veidojošo nukleonu summu. Masas defekts ir starpība starp kodola masu un tā protonu un elektronu summu. Izmantojot attiecības starp masu un enerģiju (E \u003d mc 2), varat aprēķināt enerģiju, kas rodas kodola veidošanās laikā.
Par kodola saistīšanas enerģijas stiprumu var spriest pēc šāda piemēra: veidojoties vairākiem gramiem hēlija, rodas tāds pats enerģijas daudzums kā sadegot vairākām tonnām ogļu.
Kodolreakcijas
Atomu kodoli var mijiedarboties ar citu atomu kodoliem. Šādas mijiedarbības sauc par kodolreakcijām. Reakcijas ir divu veidu.
- Sadalīšanās reakcijas. Tās rodas, kad smagāki kodoli mijiedarbības rezultātā sadalās vieglākos.
- Sintēzes reakcijas. Process ir pretējs dalīšanās procesam: kodoli saduras, tādējādi veidojot smagākus elementus.
Visas kodolreakcijas pavada enerģijas izdalīšanās, ko pēc tam izmanto rūpniecībā, militārajā jomā, enerģētikā utt.
Iepazīstoties ar atoma kodola sastāvu, mēs varam izdarīt šādus secinājumus.
- Atoms sastāv no kodola, kas satur protonus un neitronus, un elektronus ap to.
- Atoma masas skaitlis ir vienāds ar tā kodola nukleonu summu.
- Nukleonus satur kopā spēcīgais spēks.
- Milzīgos spēkus, kas nodrošina atoma kodola stabilitāti, sauc par kodola saistīšanas enerģijām.
Izogonija. Ūdeņraža atoma kodols - protons (p) - ir vienkāršākais kodols. Tā pozitīvais lādiņš pēc absolūtās vērtības ir vienāds ar elektronu lādiņu. Protonu masa ir 1,6726-10'2 kg. Protonu kā daļiņu, kas ir daļa no atomu kodoliem, Rezerfords atklāja 1919. gadā.
Lai eksperimentāli noteiktu atomu kodolu masas, masas spektrometri. Masu spektrometrijas princips, ko pirmo reizi ierosināja Tomsons (1907), ir izmantot elektrisko un magnētisko lauku fokusēšanas īpašības attiecībā uz lādētu daļiņu stariem. Pirmos masu spektrometrus ar pietiekami augstu izšķirtspēju 1919. gadā uzbūvēja F.U. Astons un A. Dempstroms. Masspektrometra darbības princips ir parādīts attēlā. 1.3.
Tā kā atomi un molekulas ir elektriski neitrālas, tās vispirms ir jājonizē. Joni rodas jonu avotā, bombardējot pētāmās vielas tvaikus ar ātriem elektroniem un pēc tam pēc paātrinājuma elektriskā laukā (potenciāla atšķirība v) iziet vakuuma kamerā, nonākot viendabīgā apgabalā magnētiskais lauks B. Tā iedarbībā joni sāk kustēties pa apli, kura rādiuss G var atrast no Lorenca spēka un centrbēdzes spēka vienādības:
Kur M- jonu masa. Jonu ātrumu v nosaka sakarība
Rīsi. 1.3.
Paātrinoša potenciāla atšķirība Ir vai magnētiskā lauka stiprums IN var izvēlēties tā, lai joni ar vienādām masām iekristu vienā un tajā pašā vietā uz fotoplates vai cita pozīcijajutīga detektora. Tad, atrodot masas-atsperes gājiena signāla maksimumu un izmantojot formulu (1.7), varam noteikt arī jona masu M. 1
Izņemot ātrumu v no (1.5) un (1.6), mēs to atklājam
Masu spektrometrijas metožu attīstība ļāva apstiprināt 1910. gadā Frederika Sodija izteikto pieņēmumu, ka ķīmisko elementu daļējās (ūdeņraža atoma masas vienībās) atomu masas ir izskaidrojamas ar to esamību. izotopi- atomi ar vienādu kodollādiņu, bet atšķirīgu masu. Pateicoties Aston novatoriskajam pētījumam, tika atklāts, ka lielākā daļa elementu patiešām sastāv no divu vai vairāku dabā sastopamu izotopu maisījuma. Izņēmums ir salīdzinoši maz elementu (F, Na, Al, P, Au utt.), ko sauc par monoizotopu. Dabisko izotopu skaits vienā elementā var sasniegt 10 (Sn). Turklāt, kā vēlāk izrādījās, visiem elementiem bez izņēmuma ir izotopi, kuriem piemīt radioaktivitātes īpašība. Lielākā daļa radioaktīvo izotopu dabā nav sastopami, tos var iegūt tikai mākslīgi. Elementiem ar atomu skaitu 43 (Tc), 61 (Pm), 84 (Po) un vairāk ir tikai radioaktīvie izotopi.
Mūsdienās fizikā un ķīmijā pieņemtā starptautiskā atommasas vienība (am.m.u.) ir 1/12 no dabā visbiežāk sastopamā oglekļa izotopa masas: 1 a.m.u. = 1,66053873* 10 collas kg. Tas ir tuvu ūdeņraža atomu masai, lai gan nav vienāds ar to. Elektrona masa ir aptuveni 1/1800 a.m.u. Mūsdienu masas spektrometros relatīvā kļūda masas mērīšanā
AMfM= 10 -10, kas ļauj izmērīt masas atšķirības 10 -10 am.u. līmenī.
Izotopu atomu masas, kas izteiktas amu, ir gandrīz precīzi vesels skaitlis. Tādējādi katram atoma kodolam var piešķirt savu masas skaitlis A(veseli), piemēram, H-1, H-2, H-3, C-12, 0-16, Cl-35, C1-37 utt. Pēdējais apstāklis uz jauna pamata atdzīvināja interesi par V. Prouta (1816) hipotēzi, saskaņā ar kuru visi elementi ir veidoti no ūdeņraža.
Pamatmaksa
Jebkura atoma kodols ir pozitīvi uzlādēts. Pozitīvais lādiņa nesējs ir protons. Tā kā protona lādiņš skaitliski ir vienāds ar elektrona $e$ lādiņu, tad var uzrakstīt, ka kodola lādiņš ir vienāds ar $+Ze$ ($Z$ ir vesels skaitlis, kas norāda elektrona lādiņu $e$ ķīmiskais elements D. I. Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā). Skaitlis $Z$ nosaka arī protonu skaitu kodolā un elektronu skaitu atomā. Tāpēc to sauc par kodola atomskaitli. Elektriskais lādiņš ir viens no galvenajiem atoma kodola raksturlielumiem, no kura atkarīgas atomu optiskās, ķīmiskās un citas īpašības.
Serdes masa
Vēl viena svarīga kodola īpašība ir tā masa. Atomu un kodolu masu parasti izsaka atomu masas vienībās (amu). $1/12$ no oglekļa nuklīda masas $^(12)_6C$ tiek uzskatīts par atommasas vienību:
kur $N_A=6,022\cdot 10^(23)\ mol^-1$ ir Avogadro skaitlis.
Atbilstoši Einšteina sakarībai $E=mc^2$ arī atomu masu izsaka enerģijas vienībās. Tāpēc ka:
- protonu masa $m_p=1,00728\ a.m.u.=938,28\ MeV$,
- neitronu masa $m_n=1,00866\ a.m.u.=939,57\ MeV$,
- elektronu masa $m_e=5,49\cdot 10^(-4)\ a.m.u.=0,511\ MeV$,
Kā redzat, elektrona masa ir niecīgi maza salīdzinājumā ar kodola masu, tad kodola masa gandrīz sakrīt ar atoma masu.
Masa atšķiras no veseliem skaitļiem. Kodola masa, kas izteikta a.m.u. un noapaļots līdz veselam skaitlim, sauc par masas skaitli, ko apzīmē ar burtu $A$ un nosaka nukleonu skaitu kodolā. Neitronu skaits kodolā ir $N=A-Z$.
Simbols $^A_ZX$ tiek izmantots, lai apzīmētu kodolus, kur $X$ ir dotā elementa ķīmiskais simbols. Atomu kodolus ar vienādu protonu skaitu, bet atšķirīgu masas skaitu sauc par izotopiem. Dažos elementos stabilo un nestabilo izotopu skaits sasniedz desmitus, piemēram, urānam ir $14$ izotopi: no $^(227)_(92)U\ $līdz $^(240)_(92)U$.
Lielākā daļa ķīmisko elementu, kas pastāv dabā, ir vairāku izotopu maisījums. Tieši izotopu klātbūtne izskaidro faktu, ka dažiem dabas elementiem ir masa, kas atšķiras no veseliem skaitļiem. Piemēram, dabīgais hlors sastāv no $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ un $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, un tā atommasa ir $35,5 $ a.u. .m lielākajā daļā atomu, izņemot ūdeņradi, izotopiem ir gandrīz vienādas fizikālās un ķīmiskās īpašības. Taču izotopi ir būtiski atšķirīgi no to tikai kodola īpašībām. Daži no tiem var būt stabili, citi radioaktīvi.
Kodoli ar vienādiem masas skaitļiem, bet dažādas vērtības$Z$ sauc par izobāriem, piemēram, $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Kodolus ar vienādu neitronu skaitu sauc par izotoniem. Starp vieglajiem kodoliem ir tā sauktie "spoguļa" kodolu pāri. Tie ir kodolu pāri, kuros tiek apmainīti skaitļi $Z$ un $A-Z$. Šādu kodolu piemēri ir $^(13)_6C\ $un $^(13_7)N$ vai $^3_1H$ un $^3_2He$.
Atomu kodola izmērs
Pieņemot, ka atoma kodols ir aptuveni sfērisks, mēs varam ieviest tā rādiusa $R$ jēdzienus. Ņemiet vērā, ka dažos kodolos elektriskā lādiņa sadalījumā ir neliela novirze no simetrijas. Turklāt atomu kodoli nav statiskas, bet dinamiskas sistēmas, un kodola rādiusa jēdzienu nevar attēlot kā lodītes rādiusu. Šī iemesla dēļ kodola izmēram ir jāņem laukums, kurā izpaužas kodolspēki.
Veidojot kvantitatīvo teoriju par $\alpha $ -- daļiņu izkliedi, E. Raterfords vadījās no pieņēmuma, ka atoma kodols un $\alpha $ -- daļiņas mijiedarbojas saskaņā ar Kulona likumu, t.i. ka elektriskajam laukam ap kodolu ir sfēriska simetrija. $\alpha $ -- daļiņu izkliede notiek pilnībā saskaņā ar Rezerforda formulu:
Tas attiecas uz $\alpha $ — daļiņām, kuru enerģija $E$ ir pietiekami maza. Šajā gadījumā daļiņa nespēj pārvarēt Kulona potenciāla barjeru un pēc tam nesasniedz kodolspēku darbības reģionu. Kad daļiņas enerģija palielinās līdz noteiktai robežvērtībai $E_(gr)$ $\alpha $ -- daļiņa sasniedz šo robežu. Tad $\alpha $ -- daļiņu izkliedē ir novirze no Raterforda formulas. No attiecībām
Eksperimenti liecina, ka kodola rādiuss $R$ ir atkarīgs no nukleonu skaita, kas ienāk pirms kodola sastāva. Šo atkarību var izteikt ar empīrisko formulu:
kur $R_0$ ir konstante, $A$ ir masas skaitlis.
Kodolu izmērus eksperimentāli nosaka pēc protonu, ātro neitronu vai augstas enerģijas elektronu izkliedes. Ir vairākas citas netiešas metodes kodolu lieluma noteikšanai. Tie ir pamatoti ar saistību starp $\alpha $ -- radioaktīvo kodolu kalpošanas laiku un $\alpha $ -- to emitēto daļiņu enerģiju; par tā saukto mezoatomu optiskajām īpašībām, kuros vienu elektronu īslaicīgi uztver mions; par spoguļa atomu pāra saistīšanās enerģijas salīdzinājumu. Šīs metodes apstiprina empīrisko atkarību $R=R_0A^(1/3)$, kā arī ar šo mērījumu palīdzību konstantes $R_0=\left(1,2-1,5\right)\cdot 10 vērtību. ^(-15) ir izveidots \ m$.
Mēs arī atzīmējam, ka attāluma vienība atomu fizikā un elementārdaļiņu fizikā tiek uzskatīta par “Fermi” vienību, kas ir vienāda ar $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^ (-15)\ m )$.
Atomu kodolu rādiusi ir atkarīgi no to masas skaita un svārstās no $2\cdot 10^(-15)\m\ līdz\10^(-14)\m$. ja $R_0$ ir izteikts no formulas $R=R_0A^(1/3)$ un rakstīts kā $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, tad mēs varam redzēt, ka katram nukleonam ir aptuveni vienāds tilpums. Tas nozīmē, ka arī kodolmateriālu blīvums visiem kodoliem ir aptuveni vienāds. Atstājot esošos apgalvojumus par atomu kodolu lielumu, mēs atrodam kodola vielas blīvuma vidējo vērtību:
Kā redzat, kodolvielas blīvums ir ļoti augsts. Tas ir saistīts ar kodolspēku darbību.
Komunikācijas enerģija. Kodolmasas defekts
Salīdzinot kodolu veidojošo nukleonu atlikušo masu summu ar kodola masu, tika atzīmēts, ka nevienlīdzība attiecas uz visiem ķīmiskajiem elementiem:
kur $m_p$ ir protona masa, $m_n$ ir neitrona masa, $m_n$ ir kodola masa. Vērtību $\trijstūris m$, kas izsaka masu starpību starp kodolu veidojošo nukleonu masu un kodola masu, sauc par kodolmasas defektu.
Svarīgu informāciju par kodola īpašībām var iegūt, neiedziļinoties kodola nukleonu mijiedarbības detaļās, pamatojoties uz enerģijas nezūdamības likumu un masas un enerģijas proporcionalitātes likumu. Tā kā jebkuras masas $\trijstūra m$ izmaiņu rezultātā notiek atbilstošas izmaiņas enerģijā $\trijstūris E$ ($\trijstūris E=\trijstūris mc^2$), tad atbrīvojas noteikts enerģijas daudzums kodola veidošanās laikā. Atbilstoši enerģijas nezūdamības likumam ir nepieciešams vienāds enerģijas daudzums, lai kodolu sadalītu tā sastāvā esošajās daļiņās, t.i. pārvietot nukleonus pa vienam no viena tādos pašos attālumos, kuros starp tiem nav mijiedarbības. Šo enerģiju sauc par kodola saistīšanas enerģiju.
Ja kodolam ir $Z$ protoni un masas skaitlis $A$, tad saistīšanas enerģija ir:
1. piezīme
Ņemiet vērā, ka šī formula nav ļoti ērti lietojama, jo tabulās nav norādītas kodolu masas, bet gan masas, kas nosaka neitrālo atomu masas. Tāpēc aprēķinu ērtībai formula tiek pārveidota tā, lai tajā būtu iekļautas atomu masas, nevis kodoli. Šim nolūkam formulas labajā pusē mēs pievienojam un atņemam elektronu masu $Z$ $(m_e)$. Tad
\c^2==\leftc^2.\]
$m_(()^1_1H)$ ir ūdeņraža atoma masa, $m_a$ ir atoma masa.
Kodolfizikā enerģiju bieži izsaka megaelektronvoltos (MeV). Ja runa ir par praktisks pielietojums kodolenerģija, to mēra džoulos. Divu kodolu enerģijas salīdzināšanas gadījumā tiek izmantota enerģijas masas vienība - masas un enerģijas attiecība ($E=mc^2$). Enerģijas masas vienība ($le$) ir vienāda ar enerģiju, kas atbilst viena amu masai. Tas ir vienāds ar $ 931,502 $ MeV.
1. attēls.
Papildus enerģijai svarīga ir specifiskā saistīšanas enerģija - saistīšanas enerģija, kas krīt uz vienu nukleonu: $w=E_(sv)/A$. Šis daudzums mainās salīdzinoši lēni, salīdzinot ar masas skaitļa $A$ izmaiņām, kam ir gandrīz nemainīga vērtība$8.6$ MeV periodiskās sistēmas vidusdaļā un samazinās līdz tās malām.
Piemēram, aprēķināsim hēlija atoma kodola masas defektu, saistīšanas enerģiju un īpatnējo saistīšanas enerģiju.
masas defekts
Saistošā enerģija MeV: $E_(b)=\trijstūris m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;
Īpatnējā saistīšanas enerģija: $w=\frac(E_(s))(A)=\frac(28,3\MeV)(4\apmēram 7,1\ MeV).$