วิธีหามวลของนิวเคลียส มวลของนิวเคลียสอะตอม

นิวเคลียสของอะตอมคือส่วนกลางของอะตอมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน (เรียกรวมกันว่า นิวคลีออน).

นิวเคลียสถูกค้นพบโดย E. Rutherford ในปี 1911 ขณะศึกษาข้อความนี้ α -อนุภาคผ่านสสาร ปรากฎว่ามวลเกือบทั้งหมดของอะตอม (99.95%) กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ขนาดของนิวเคลียสของอะตอมอยู่ที่ 10 -1 3 -10 - 12 ซม. ซึ่งเท่ากับ 10,000 เท่า ขนาดที่เล็กกว่าเปลือกอิเล็กตรอน

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมที่เสนอโดยอี. รัทเทอร์ฟอร์ดและการสังเกตการทดลองของนิวเคลียสของไฮโดรเจนถูกทำให้ล้มลง α -อนุภาคจากนิวเคลียสของธาตุอื่นๆ (พ.ศ. 2462-2563) นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่แนวคิด โปรตอน. คำว่าโปรตอนถูกนำมาใช้ในช่วงต้นทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ XX

โปรตอน (จากภาษากรีก. โปรตอน- ก่อน ตัวอักษร พี) เป็นอนุภาคมูลฐานที่เสถียร ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน

โปรตอน- อนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งมีประจุเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุของอิเล็กตรอน อี\u003d 1.6 10 -1 9 ซ.ล. มวลของโปรตอนคือ 1836 เท่าของมวลอิเล็กตรอน มวลพักของโปรตอน m p= 1.6726231 10 -27 กก. = 1.007276470 amu

อนุภาคที่สองในนิวเคลียสคือ นิวตรอน.

นิวตรอน (จาก lat. หมัน- ไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง, สัญลักษณ์ น) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีประจุ นั่นคือ เป็นกลาง

มวลของนิวตรอนคือ 1839 เท่าของมวลอิเล็กตรอน มวลของนิวตรอนเกือบเท่ากับ (ใหญ่กว่าเล็กน้อย) ของโปรตอน: มวลที่เหลือของนิวตรอนอิสระ ม น= 1.6749286 10 -27 กก. = 1.0008664902 amu และเกินมวลโปรตอน 2.5 มวลอิเล็กตรอน นิวตรอนร่วมกับโปรตอนภายใต้ชื่อสามัญ นิวคลีออนเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม

นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932 โดย D. Chadwig นักเรียนของ E. Rutherford ระหว่างการทิ้งระเบิดของเบริลเลียม α -อนุภาค รังสีที่เกิดขึ้นซึ่งมีกำลังการทะลุทะลวงสูง (สามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางที่ทำจากแผ่นตะกั่วที่มีความหนา 10–20 ซม.) ได้ทำให้ผลกระทบรุนแรงขึ้นเมื่อผ่านแผ่นพาราฟิน (ดูรูป) Joliot-Curie ประมาณการพลังงานของอนุภาคเหล่านี้จากรอยทางในห้องเมฆ และการสังเกตเพิ่มเติมทำให้สามารถขจัดข้อสันนิษฐานเบื้องต้นได้ว่าสิ่งนี้ γ -ควอนตั้ม พลังการแทรกซึมอันยิ่งใหญ่ของอนุภาคใหม่ที่เรียกว่านิวตรอน อธิบายได้จากความเป็นกลางทางไฟฟ้าของพวกมัน ท้ายที่สุดแล้ว อนุภาคที่มีประจุจะโต้ตอบกับสสารอย่างแข็งขันและสูญเสียพลังงานไปอย่างรวดเร็ว E. Rutherford ทำนายการมีอยู่ของนิวตรอน 10 ปีก่อนการทดลองของ D. Chadwig เมื่อตี α -อนุภาคในนิวเคลียสของเบริลเลียม เกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้:

นี่คือสัญลักษณ์ของนิวตรอน ประจุมีค่าเท่ากับศูนย์ และมวลอะตอมสัมพัทธ์มีค่าเท่ากับหนึ่งโดยประมาณ นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร: นิวตรอนอิสระในเวลาประมาณ 15 นาที สลายตัวเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีมวลเหลืออยู่

หลังจากการค้นพบนิวตรอนโดย J. Chadwick ในปี 1932 D. Ivanenko และ W. Heisenberg เสนออย่างอิสระ แบบจำลองโปรตอน-นิวตรอน (นิวคลีออน) ของนิวเคลียส. ตามแบบจำลองนี้ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน จำนวนโปรตอน Zตรงกับหมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบในตารางของ D. I. Mendeleev

ค่าใช้จ่ายหลัก Qกำหนดโดยจำนวนโปรตอน Zซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสและเป็นค่าทวีคูณของค่าสัมบูรณ์ของประจุอิเล็กตรอน อี:

Q = + Ze

ตัวเลข Zเรียกว่า หมายเลขประจุนิวเคลียร์หรือ เลขอะตอม.

เลขมวลของนิวเคลียส แต่เรียกว่าจำนวนนิวคลีออน ได้แก่ โปรตอนและนิวตรอน จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสแสดงด้วยตัวอักษร นู๋. ดังนั้นจำนวนมวลคือ:

A = Z + N.

นิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ถูกกำหนดให้เป็นเลขมวลเท่ากับหนึ่ง และอิเล็กตรอนจะได้รับค่าเป็นศูนย์

แนวคิดเรื่ององค์ประกอบของนิวเคลียสยังได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการค้นพบ ไอโซโทป.

ไอโซโทป (จากภาษากรีก. isosเท่ากันและ โทโปอา- สถานที่) - สิ่งเหล่านี้คืออะตอมที่หลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันซึ่งนิวเคลียสของอะตอมมี เบอร์เดียวกันโปรโต-นอฟ ( Z) และจำนวนนิวตรอนต่างกัน ( นู๋).

นิวเคลียสของอะตอมดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าไอโซโทป ไอโซโทปคือ นิวไคลด์องค์ประกอบหนึ่ง นิวไคลด์ (จาก lat. นิวเคลียส- นิวเคลียส) - นิวเคลียสของอะตอมใดๆ (ตามลำดับอะตอม) ที่มีตัวเลขที่กำหนด Zและ นู๋. การกำหนดทั่วไปของนิวไคลด์คือ……. ที่ไหน X- สัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี A=Z+N- จำนวนมวล

ไอโซโทปอยู่ในที่เดียวกันในตารางธาตุของธาตุ จึงเป็นที่มาของชื่อ ตามกฎแล้ว ไอโซโทปมีคุณสมบัติทางนิวเคลียร์แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ (เช่น ในความสามารถในการเข้าสู่ปฏิกิริยานิวเคลียร์) คุณสมบัติทางเคมี (และทางกายภาพเกือบเท่ากัน) ของไอโซโทปเหมือนกัน นี่คือคำอธิบายโดย คุณสมบัติทางเคมีองค์ประกอบถูกกำหนดโดยประจุของนิวเคลียสเนื่องจากเป็นผู้ที่ส่งผลต่อโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม

ข้อยกเว้นคือไอโซโทปของธาตุแสง ไอโซโทปของไฮโดรเจน 1 ชม — โปรเทียม, 2 ชม— ดิวเทอเรียม, 3 ชม — ไอโซโทปมวลต่างกันมากจนคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีต่างกัน ดิวเทอเรียมมีความเสถียร (กล่าวคือ ไม่มีกัมมันตภาพรังสี) และรวมอยู่ในไฮโดรเจนธรรมดาด้วยสิ่งเจือปนเล็กน้อย (1: 4500) ดิวเทอเรียมรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำหนัก เดือดที่ความดันบรรยากาศปกติที่ 101.2°C และเยือกแข็งที่ +3.8°C ทริเทียม β เป็นกัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตประมาณ 12 ปี

ทุกคนมี องค์ประกอบทางเคมีมีไอโซโทป องค์ประกอบบางอย่างมีเพียงไอโซโทป (กัมมันตภาพรังสี) ที่ไม่เสถียรเท่านั้น สำหรับองค์ประกอบทั้งหมด ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีได้รับการประดิษฐ์ขึ้น

ไอโซโทปของยูเรเนียมธาตุยูเรเนียมมีไอโซโทปสองไอโซโทป - มีเลขมวล 235 และ 238 ไอโซโทปเป็นเพียง 1/140 ของไอโซโทปทั่วไป

เมื่อหลายปีก่อน ผู้คนต่างสงสัยว่าสารทั้งหมดทำมาจากอะไร คนแรกที่พยายามตอบคำถามคือเดโมคริตุส นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ ซึ่งเชื่อว่าสารทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุล ตอนนี้เรารู้แล้วว่าโมเลกุลถูกสร้างขึ้นจากอะตอม อะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่า ที่ศูนย์กลางของอะตอมคือนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคที่เล็กที่สุด - อิเล็กตรอน - เคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียส มวลของพวกมันมีน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลของนิวเคลียส แต่จะค้นหามวลของนิวเคลียสได้อย่างไร การคำนวณและความรู้ด้านเคมีเท่านั้นที่จะช่วยได้ ในการทำเช่นนี้ คุณต้องกำหนดจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส ดูค่าตารางมวลของโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัวและหามวลรวมของพวกมัน นี่จะเป็นมวลของนิวเคลียส

บ่อยครั้งที่คุณสามารถเจอคำถามดังกล่าว วิธีหามวล รู้ความเร็ว ตามกฎของกลศาสตร์คลาสสิก มวลไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของร่างกาย ท้ายที่สุดถ้ารถเคลื่อนตัวออกไปเริ่มเร่งความเร็วก็ไม่ได้หมายความว่ามวลของมันจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีหนึ่งตามที่การพึ่งพาอาศัยกันนี้มีอยู่ ผลกระทบนี้เรียกว่าการเพิ่มขึ้นของมวลกายเชิงสัมพันธ์ และปรากฏขึ้นเมื่อความเร็วของร่างกายเข้าใกล้ความเร็วแสง เครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ทำให้สามารถเร่งโปรตอนและนิวตรอนให้เป็นเช่นนี้ได้ ความเร็วสูง. และในกรณีนี้ มวลของพวกเขาเพิ่มขึ้น

แต่เรายังคงอยู่ในโลกของเทคโนโลยีชั้นสูง แต่ความเร็วต่ำ ดังนั้นเพื่อที่จะรู้วิธีการคำนวณมวลของสาร ไม่จำเป็นต้องเร่งร่างกายให้เร็วเท่าแสงและเรียนรู้ทฤษฎีของไอน์สไตน์เลย น้ำหนักตัวสามารถวัดได้บนมาตราส่วน จริงอยู่ไม่ใช่ว่าทุกคนจะจับตาชั่งได้ จึงมีอีกวิธีในการคำนวณมวลจากความหนาแน่นของมัน

อากาศรอบตัวเรา อากาศที่จำเป็นต่อมวลมนุษยชาติ ก็มีมวลของมันเช่นกัน และเมื่อแก้ปัญหาวิธีการกำหนดมวลอากาศ เช่น ในห้องหนึ่ง ไม่จำเป็นต้องนับจำนวนโมเลกุลของอากาศและสรุปมวลของนิวเคลียสของพวกมัน คุณสามารถกำหนดปริมาตรของห้องและคูณด้วยความหนาแน่นของอากาศ (1.9 กก. / ลบ.ม. )

ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ด้วยความแม่นยำอย่างยิ่งในการคำนวณมวลของวัตถุต่างๆ ตั้งแต่นิวเคลียสของอะตอมไปจนถึงมวลของโลกและแม้แต่ดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างจากเราหลายร้อยปีแสง มวลเหมือน ปริมาณทางกายภาพเป็นตัววัดความเฉื่อยของร่างกาย พวกเขากล่าวว่าวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นเฉื่อยมากกว่านั่นคือพวกมันเปลี่ยนความเร็วช้ากว่า ดังนั้นความเร็วและมวลจึงเชื่อมโยงถึงกัน แต่ คุณสมบัติหลักค่านี้คือร่างกายหรือสารใด ๆ มีมวล ไม่มีสิ่งใดในโลกที่ไม่มีมวล!

จากการศึกษาองค์ประกอบของสสาร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลและอะตอม เป็นเวลานาน อะตอม (แปลจากภาษากรีกว่า "แบ่งไม่ได้") ถือเป็นหน่วยโครงสร้างที่เล็กที่สุดของสสาร อย่างไรก็ตาม การศึกษาเพิ่มเติมได้แสดงให้เห็นว่าอะตอมมีโครงสร้างที่ซับซ้อน และในที่สุดก็รวมถึงอนุภาคที่เล็กกว่าด้วย

อะตอมทำมาจากอะไร?

ในปี 1911 นักวิทยาศาสตร์ Rutherford เสนอว่าอะตอมมีส่วนตรงกลางที่มีประจุบวก ดังนั้น แนวคิดของนิวเคลียสของอะตอมจึงปรากฏขึ้นเป็นครั้งแรก

ตามแบบแผนของรัทเทอร์ฟอร์ดที่เรียกว่าแบบจำลองดาวเคราะห์ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและ อนุภาคมูลฐานด้วยประจุลบ - อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์

ในปี 1932 นักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งชื่อ Chadwick ได้ค้นพบนิวตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มี ค่าไฟฟ้า.

ตามแนวคิดสมัยใหม่ นิวเคลียสสอดคล้องกับแบบจำลองดาวเคราะห์ที่รัทเธอร์ฟอร์ดเสนอ นิวเคลียสดำเนินการ ที่สุด มวลอะตอม. มีประจุบวกด้วย นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน - อนุภาคที่มีประจุบวกและนิวตรอน - อนุภาคที่ไม่มีประจุ โปรตอนและนิวตรอนเรียกว่านิวคลีออน อนุภาคที่มีประจุลบ - อิเล็กตรอน - โคจรรอบนิวเคลียส

จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับโปรตอนในวงโคจร ดังนั้นอะตอมจึงเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ ถ้าอะตอมจับอิเลคตรอนแปลกปลอมหรือสูญเสียอิเล็กตรอนไปเอง อะตอมจะกลายเป็นบวกหรือลบและเรียกว่าไอออน

อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน เรียกรวมกันว่าอนุภาคย่อย

ประจุของนิวเคลียสอะตอม

นิวเคลียสมีเลขประจุ Z ถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม การหาจำนวนเงินนี้เป็นเรื่องง่าย: เพียงแค่อ้างถึงระบบเป็นระยะของ Mendeleev เลขอะตอมของธาตุที่มีอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ดังนั้น ถ้าออกซิเจนขององค์ประกอบทางเคมีสอดคล้องกับ หมายเลขซีเรียล 8 แล้วจำนวนโปรตอนก็จะเป็นแปดด้วย เนื่องจากจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากัน จะมีแปดอิเล็กตรอนด้วย

จำนวนนิวตรอนเรียกว่าเลขไอโซโทปและเขียนแทนด้วยตัวอักษร N จำนวนของนิวตรอนอาจแตกต่างกันไปในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน

ผลรวมของโปรตอนและอิเล็กตรอนในนิวเคลียสเรียกว่าเลขมวลของอะตอมและเขียนแทนด้วยตัวอักษร A ดังนั้นสูตรการคำนวณจำนวนมวลจึงมีลักษณะดังนี้: A \u003d Z + N

ไอโซโทป

ในกรณีที่ธาตุมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน จะเรียกว่าไอโซโทปของธาตุเคมี ไอโซโทปสามารถมีได้ตั้งแต่หนึ่งไอโซโทปขึ้นไป พวกมันถูกวางไว้ในเซลล์เดียวกันของระบบธาตุ

ไอโซโทปมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านเคมีและฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปของไฮโดรเจน - ดิวเทอเรียม - ร่วมกับออกซิเจนทำให้เกิดสารใหม่อย่างสมบูรณ์ซึ่งเรียกว่าน้ำหนัก มีจุดเดือดและจุดเยือกแข็งที่แตกต่างจากปกติ และการรวมกันของดิวเทอเรียมกับไอโซโทปอื่นของไฮโดรเจน - ทริเทียมทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์แสนสาหัส และสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างพลังงานจำนวนมหาศาลได้

มวลของนิวเคลียสและอนุภาคของอะตอม

ขนาดและมวลของอะตอมนั้นเล็กน้อยในจิตใจของมนุษย์ ขนาดของนิวเคลียสจะอยู่ที่ประมาณ 10 -12 ซม. มวลของนิวเคลียสของอะตอมนั้นวัดทางฟิสิกส์ในหน่วยมวลอะตอมที่เรียกว่า - a.m.u.

เวลาตีหนึ่ง เอาหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมของคาร์บอน โดยใช้หน่วยวัดปกติ (กิโลกรัมและกรัม) มวลสามารถแสดงได้ดังนี้: 01:00 น. \u003d 1.660540 10 -24 g. แสดงในลักษณะนี้เรียกว่ามวลอะตอมสัมบูรณ์

แม้ว่านิวเคลียสของอะตอมจะเป็นองค์ประกอบที่มีมวลมากที่สุดของอะตอม แต่ขนาดของอะตอมที่สัมพันธ์กับเมฆอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบอะตอมนั้นมีขนาดเล็กมาก

กองกำลังนิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมมีความเสถียรอย่างยิ่ง ซึ่งหมายความว่าโปรตอนและนิวตรอนถูกยึดไว้ในนิวเคลียสโดยแรงบางอย่าง สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าได้ เนื่องจากโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุเหมือนกัน และเป็นที่ทราบกันดีว่าอนุภาคที่มีประจุเดียวกันจะผลักกัน แรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนเกินไปที่จะยึดนิวคลีออนไว้ด้วยกัน ด้วยเหตุนี้ อนุภาคจึงถูกกักไว้ในนิวเคลียสด้วยปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน นั่นคือ แรงนิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ถือว่าแข็งแกร่งที่สุดในธรรมชาติทั้งหมด ดังนั้นปฏิสัมพันธ์ประเภทนี้ระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมจึงเรียกว่าแรง มีอยู่ในอนุภาคมูลฐานหลายชนิดรวมถึงแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณสมบัติของแรงนิวเคลียร์

1. การกระทำสั้น ๆ แรงนิวเคลียร์ ตรงกันข้ามกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แสดงตัวเองในระยะทางที่น้อยมากที่เทียบได้กับขนาดของนิวเคลียส
2. ชาร์จความเป็นอิสระ คุณลักษณะนี้แสดงให้เห็นโดยข้อเท็จจริงที่ว่าแรงนิวเคลียร์กระทำต่อโปรตอนและนิวตรอนเท่าๆ กัน
3. ความอิ่มตัว นิวคลีออนของนิวเคลียสมีปฏิสัมพันธ์กับนิวคลีออนอื่นจำนวนหนึ่งเท่านั้น

พลังงานยึดเหนี่ยวแกน

สิ่งอื่นที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง - พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวนิวเคลียร์คือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการแยกนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ เท่ากับพลังงานที่จำเป็นในการสร้างนิวเคลียสจากอนุภาคแต่ละตัว

ในการคำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส จำเป็นต้องทราบมวลของอนุภาคย่อยของอะตอม การคำนวณแสดงว่ามวลของนิวเคลียสน้อยกว่าผลรวมของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบเสมอ ความบกพร่องของมวลคือความแตกต่างระหว่างมวลของนิวเคลียสกับผลรวมของโปรตอนและอิเล็กตรอน การใช้ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน (E \u003d mc 2) คุณสามารถคำนวณพลังงานที่สร้างขึ้นระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส

ความแข็งแรงของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสสามารถตัดสินได้จากตัวอย่างต่อไปนี้ การก่อตัวของฮีเลียมหลายกรัมจะให้พลังงานเท่ากันกับการเผาไหม้ถ่านหินหลายตัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมสามารถโต้ตอบกับนิวเคลียสของอะตอมอื่นได้ ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิกิริยามีสองประเภท

1. ปฏิกิริยาฟิชชัน เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสที่หนักกว่าแตกตัวเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์
2. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ กระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับการแยกตัว: นิวเคลียสชนกัน ทำให้เกิดองค์ประกอบที่หนักกว่า

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดมาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งต่อมาใช้ในอุตสาหกรรม ในการทหาร พลังงาน และอื่นๆ

เมื่อทำความคุ้นเคยกับองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมแล้วเราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้

1. อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอน และอิเล็กตรอนรอบๆ
2. เลขมวลของอะตอมเท่ากับผลรวมของนิวคลีออนของนิวเคลียส
3. นิวเคลียสถูกยึดไว้ด้วยพลังอันแข็งแกร่ง
4. แรงมหาศาลที่ทำให้นิวเคลียสของอะตอมมีความเสถียรเรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

ไอโซโกนี นิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน - โปรตอน (p) - เป็นนิวเคลียสที่ง่ายที่สุด ประจุบวกมีค่าเท่ากับประจุอิเล็กตรอน มวลโปรตอนคือ 1.6726-10'2 กก. โปรตอนในฐานะอนุภาคที่เป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอมถูกค้นพบโดยรัทเทอร์ฟอร์ดในปี 2462

สำหรับการทดลองหามวลของนิวเคลียสอะตอม แมสสเปกโตรมิเตอร์หลักการของแมสสเปกโตรเมตรีซึ่งเสนอครั้งแรกโดยทอมสัน (1907) คือการใช้คุณสมบัติการโฟกัสของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเทียบกับลำอนุภาคที่มีประจุ แมสสเปกโตรมิเตอร์เครื่องแรกที่มีความละเอียดสูงเพียงพอถูกสร้างขึ้นในปี 1919 โดย F.U. แอสตันและเอ. เดมป์สตรอม หลักการทำงานของแมสสเปกโตรมิเตอร์แสดงในรูปที่ 1.3.

เนื่องจากอะตอมและโมเลกุลมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงต้องมีการแตกตัวเป็นไอออนก่อน ไอออนถูกสร้างขึ้นในแหล่งกำเนิดไอออนโดยการทิ้งระเบิดไอของสารภายใต้การศึกษาด้วยอิเล็กตรอนที่รวดเร็ว จากนั้นหลังจากการเร่งความเร็วในสนามไฟฟ้า (ความต่างศักย์ วี)ออกสู่ห้องสุญญากาศ ตกลงสู่บริเวณที่เป็นเนื้อเดียวกัน สนามแม่เหล็กข. ภายใต้การกระทำของมัน ไอออนจะเริ่มเคลื่อนที่ไปตามวงกลม รัศมีนั้น จีสามารถหาได้จากความเท่าเทียมกันของแรงลอเรนซ์และแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง:

ที่ไหน ม-มวลไอออน ความเร็วไอออน v ถูกกำหนดโดยความสัมพันธ์

ข้าว. 1.3.

เร่งความต่างศักย์ มีหรือความแรงของสนามแม่เหล็ก ที่สามารถเลือกได้เพื่อให้ไอออนที่มีมวลเท่ากันตกลงไปในที่เดียวกันบนจานถ่ายภาพหรือตัวตรวจจับที่ไวต่อตำแหน่งอื่นๆ จากนั้นโดยการหาค่าสูงสุดของสัญญาณมวล-สปริง-จังหวะ และใช้สูตร (1.7) เราก็สามารถกำหนดมวลของไอออนได้ เอ็ม. 1

ไม่รวมความเร็ว วีจาก (1.5) และ (1.6) เราพบว่า

การพัฒนาเทคนิคแมสสเปกโตรเมตรีทำให้สามารถยืนยันสมมติฐานที่ทำขึ้นในปี 2453 โดยเฟรเดอริก ซอดดี้ว่ามวลอะตอมที่เป็นเศษส่วน (ในหน่วยมวลของอะตอมไฮโดรเจน) อธิบายได้จากการมีอยู่ ไอโซโทป- อะตอมที่มีประจุนิวเคลียร์เท่ากัน แต่มีมวลต่างกัน จากการวิจัยบุกเบิกของ Aston พบว่าองค์ประกอบส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนผสมของไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติตั้งแต่สองไอโซโทปขึ้นไป ข้อยกเว้นมีองค์ประกอบค่อนข้างน้อย (F, Na, Al, P, Au เป็นต้น) ที่เรียกว่าโมโนไอโซโทป จำนวนไอโซโทปธรรมชาติในองค์ประกอบเดียวสามารถเข้าถึง 10 (Sn) นอกจากนี้ตามที่ปรากฎในภายหลังองค์ประกอบทั้งหมดโดยไม่มีข้อยกเว้นมีไอโซโทปที่มีคุณสมบัติของกัมมันตภาพรังสี ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีส่วนใหญ่ไม่พบในธรรมชาติ หาได้จากการประดิษฐ์เท่านั้น องค์ประกอบที่มีเลขอะตอม 43 (Tc), 61 (Pm), 84 (Po) ขึ้นไปมีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเท่านั้น

หน่วยมวลอะตอมสากล (a.m.u.) ที่ได้รับการยอมรับในวิชาฟิสิกส์และเคมีในปัจจุบันคือ 1/12 ของมวลของไอโซโทปคาร์บอนที่พบได้บ่อยที่สุดในธรรมชาติ: 01.00 น. = 1.66053873* 10" กก. มันอยู่ใกล้กับมวลอะตอมของไฮโดรเจนแม้ว่าจะไม่เท่ากันก็ตาม มวลของอิเล็กตรอนอยู่ที่ประมาณ 1/1800 น. ในแมสสเปกโตรมิเตอร์สมัยใหม่ ความคลาดเคลื่อนสัมพัทธ์ในการวัดมวล

AMfM= 10 -10 ซึ่งทำให้สามารถวัดความแตกต่างของมวลได้ที่ระดับ 10 -10 น.

มวลอะตอมของไอโซโทปแสดงเป็น amu คือ เกือบแน่นอนจำนวนเต็ม. ดังนั้นแต่ละนิวเคลียสของอะตอมจึงสามารถกำหนดได้ มวล A(ทั้งหมด) เช่น H-1, H-2, H-3, C-12, 0-16, Cl-35, C1-37 เป็นต้น สถานการณ์หลังฟื้นขึ้นมาบนพื้นฐานใหม่ ความสนใจในสมมติฐานของ W. Prout (1816) ตามที่องค์ประกอบทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากไฮโดรเจน

ค่าใช้จ่ายหลัก

นิวเคลียสของอะตอมใดๆ มีประจุบวก ตัวพาประจุบวกคือโปรตอน เนื่องจากประจุของโปรตอนมีค่าเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน $e$ จึงเขียนได้ว่าประจุของนิวเคลียสเท่ากับ $+Ze$ ($Z$ เป็นจำนวนเต็มที่ระบุหมายเลขซีเรียลของ องค์ประกอบทางเคมีในระบบธาตุขององค์ประกอบทางเคมีของ D. I. Mendeleev) จำนวน $Z$ ยังกำหนดจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสและจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมด้วย ดังนั้นจึงเรียกว่าเลขอะตอมของนิวเคลียส ประจุไฟฟ้าเป็นหนึ่งในคุณสมบัติหลักของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งคุณสมบัติทางแสง เคมี และคุณสมบัติอื่นๆ ของอะตอมขึ้นอยู่กับ

มวลแกน

ลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งของนิวเคลียสคือมวลของมัน มวลของอะตอมและนิวเคลียสมักจะแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอม (amu) $1/12$ ของมวลคาร์บอนนิวไคลด์ $^(12)_6C$ ถือเป็นหน่วยมวลอะตอม:

โดยที่ $N_A=6.022\cdot 10^(23)\ mol^-1$ คือหมายเลขของ Avogadro

ตามความสัมพันธ์ของไอน์สไตน์ $E=mc^2$ มวลของอะตอมก็แสดงเป็นหน่วยของพลังงานเช่นกัน เพราะว่า:

• มวลโปรตอน $m_p=1.00728\ a.m.u.=938.28\ MeV$,
• มวลนิวตรอน $m_n=1.00866\ a.m.u.=939.57\ MeV$,
• มวลอิเล็กตรอน $m_e=5.49\cdot 10^(-4)\ a.m.u.=0.511\ MeV$,

อย่างที่คุณเห็น มวลของอิเล็กตรอนนั้นเล็กมากเมื่อเทียบกับมวลของนิวเคลียส จากนั้นมวลของนิวเคลียสก็เกือบจะเกิดขึ้นพร้อมกับมวลของอะตอม

มวลแตกต่างจากจำนวนเต็ม มวลของนิวเคลียส แสดงเป็น a.m.u. และปัดเศษขึ้นเป็นจำนวนเต็มเรียกว่าเลขมวล แทนด้วยตัวอักษร $A$ และกำหนดจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียส จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสคือ $N=A-Z$

สัญลักษณ์ $^A_ZX$ ใช้เพื่อกำหนดนิวเคลียส โดยที่ $X$ เป็นสัญลักษณ์ทางเคมีขององค์ประกอบที่กำหนด นิวเคลียสของอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากันแต่เลขมวลต่างกันเรียกว่าไอโซโทป ในบางองค์ประกอบ จำนวนไอโซโทปที่เสถียรและไม่เสถียรมีจำนวนถึงสิบ ตัวอย่างเช่น ยูเรเนียมมีไอโซโทป $14$: จาก $^(227)_(92)U\ $ถึง $^(240)_(92)U$

องค์ประกอบทางเคมีส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทปหลายชนิด การมีอยู่ของไอโซโทปที่อธิบายความจริงที่ว่าองค์ประกอบตามธรรมชาติบางอย่างมีมวลที่แตกต่างจากจำนวนเต็ม ตัวอย่างเช่น คลอรีนธรรมชาติประกอบด้วย $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ และ $24\%$ $^(37)_(17)Cl$ และมวลอะตอมของมันคือ $35.5$ a.u. .m ในอะตอมส่วนใหญ่ ยกเว้นไฮโดรเจน ไอโซโทปมีคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีเกือบเหมือนกัน แต่เบื้องหลังคุณสมบัติทางนิวเคลียร์เพียงอย่างเดียวของพวกมัน ไอโซโทปแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ บางส่วนอาจมีความเสถียรและบางชนิดมีกัมมันตภาพรังสี

นิวเคลียสที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่ ค่านิยมที่แตกต่างกัน$Z$ เรียกว่า isobars ตัวอย่างเช่น $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$ นิวเคลียสที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากันเรียกว่าไอโซโทน ในบรรดานิวเคลียสแสงมีสิ่งที่เรียกว่านิวเคลียสคู่ที่เรียกว่า "กระจก" เหล่านี้เป็นคู่ของนิวเคลียสซึ่งมีการแลกเปลี่ยนตัวเลข $Z$ และ $A-Z$ ตัวอย่างของเมล็ดดังกล่าว ได้แก่ $^(13)_6C\ $และ $^(13_7)N$ หรือ $^3_1H$ และ $^3_2He$

ขนาดนิวเคลียสของอะตอม

สมมติว่านิวเคลียสของอะตอมเป็นทรงกลมโดยประมาณ เราสามารถแนะนำแนวคิดของรัศมี $R$ ได้ โปรดทราบว่าในนิวเคลียสบางส่วนมีความเบี่ยงเบนเล็กน้อยจากสมมาตรในการกระจายประจุไฟฟ้า นอกจากนี้ นิวเคลียสของอะตอมไม่คงที่ แต่เป็นระบบไดนามิก และแนวคิดของรัศมีของนิวเคลียสไม่สามารถแสดงเป็นรัศมีของลูกบอลได้ ด้วยเหตุผลนี้ สำหรับขนาดของนิวเคลียส จึงจำเป็นต้องใช้พื้นที่ที่มีการแสดงพลังนิวเคลียร์

เมื่อสร้างทฤษฎีเชิงปริมาณของการกระเจิงของอนุภาค $\alpha $ -- E. Rutherford ดำเนินการจากสมมติฐานที่ว่านิวเคลียสของอะตอมและ $\alpha $ -- โต้ตอบตามกฎของคูลอมบ์ นั่นคือ ว่าสนามไฟฟ้ารอบนิวเคลียสมีความสมมาตรเป็นทรงกลม การกระเจิงของ $\alpha $ -- อนุภาคเกิดขึ้นตามสูตรของ Rutherford ทั้งหมด:

นี่เป็นกรณีของ $\alpha $ -- อนุภาคที่มีพลังงาน $E$ น้อยพอสมควร ในกรณีนี้ อนุภาคไม่สามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นของคูลอมบ์ได้ และต่อมาก็ไปไม่ถึงบริเวณการกระทำของกองกำลังนิวเคลียร์ เมื่อพลังงานของอนุภาคเพิ่มขึ้นจนถึงค่าขอบเขต $E_(gr)$ $\alpha $ -- อนุภาคจะไปถึงขอบเขตนี้ จากนั้นในการกระเจิงของ $\alpha $ -- อนุภาค จะมีค่าเบี่ยงเบนไปจากสูตรของรัทเทอร์ฟอร์ด จากความสัมพันธ์

การทดลองแสดงให้เห็นว่ารัศมี $R$ ของนิวเคลียสขึ้นอยู่กับจำนวนของนิวเคลียสที่เข้ามาก่อนองค์ประกอบของนิวเคลียส การพึ่งพาอาศัยกันนี้สามารถแสดงได้ด้วยสูตรเชิงประจักษ์:

โดยที่ $R_0$ เป็นค่าคงที่ $A$ เป็นเลขมวล

ขนาดของนิวเคลียสถูกกำหนดโดยการทดลองโดยการกระเจิงของโปรตอน นิวตรอนเร็ว หรืออิเล็กตรอนพลังงานสูง มีวิธีการทางอ้อมอื่นๆ อีกหลายวิธีในการกำหนดขนาดของนิวเคลียส พวกมันได้รับการยืนยันจากความสัมพันธ์ระหว่างอายุของ $\alpha $ -- นิวเคลียสกัมมันตภาพรังสีกับพลังงานของ $\alpha $ -- อนุภาคที่ปล่อยออกมา เกี่ยวกับคุณสมบัติทางแสงของ mesoatoms ที่เรียกว่าซึ่งอิเล็กตรอนตัวหนึ่งถูกจับโดยมิวออนชั่วคราว ในการเปรียบเทียบพลังงานยึดเหนี่ยวของอะตอมกระจกคู่หนึ่ง วิธีการเหล่านี้ยืนยันการพึ่งพาเชิงประจักษ์ $R=R_0A^(1/3)$ และด้วยความช่วยเหลือของการวัดเหล่านี้ ค่าคงที่ $R_0=\left(1,2-1,5\right)\cdot 10 ^(-15) จัดตั้งขึ้น \ m$

นอกจากนี้เรายังทราบด้วยว่าหน่วยของระยะทางในฟิสิกส์อะตอมและฟิสิกส์อนุภาคมูลฐานถูกนำมาเป็นหน่วย “Fermi” ซึ่งเท่ากับ $(10)^(-15)\ m$ (1 f=$(10)^ (-15)\ ม. )$.

รัศมีของนิวเคลียสอะตอมขึ้นอยู่กับเลขมวลและช่วงตั้งแต่ $2\cdot 10^(-15)\ m\ to\ 10^(-14)\ m$ ถ้า $R_0$ แสดงจากสูตร $R=R_0A^(1/3)$ และเขียนเป็น $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$ เราก็ทำได้ เห็นว่าแต่ละนิวคลีออนมีปริมาตรใกล้เคียงกัน ซึ่งหมายความว่าความหนาแน่นของสสารนิวเคลียร์สำหรับนิวเคลียสทั้งหมดนั้นใกล้เคียงกัน ออกจากข้อความที่มีอยู่เกี่ยวกับขนาดของนิวเคลียสของอะตอม เราจะพบค่าเฉลี่ยของความหนาแน่นของสารของนิวเคลียส:

อย่างที่คุณเห็น ความหนาแน่นของสสารนิวเคลียร์สูงมาก นี่เป็นเพราะการกระทำของกองกำลังนิวเคลียร์

พลังงานการสื่อสาร ข้อบกพร่องของมวลนิวเคลียร์

เมื่อเปรียบเทียบผลรวมของมวลส่วนที่เหลือของนิวคลีออนที่สร้างนิวเคลียสกับมวลของนิวเคลียส พบว่าองค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดมีความไม่เท่าเทียมกัน

โดยที่ $m_p$ คือมวลของโปรตอน $m_n$ คือมวลของนิวตรอน $m_n$ คือมวลของนิวเคลียส ค่า $\triangle m$ ซึ่งแสดงความแตกต่างของมวลระหว่างมวลของนิวคลีออนที่สร้างนิวเคลียสกับมวลของนิวเคลียส เรียกว่า ข้อบกพร่องของมวลนิวเคลียร์

สามารถรับข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับคุณสมบัติของนิวเคลียสได้โดยไม่ต้องเจาะลึกรายละเอียดของปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวคลีออนของนิวเคลียส บนพื้นฐานของกฎการอนุรักษ์พลังงานและกฎสัดส่วนของมวลและพลังงาน เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงใดๆ ของมวล $\triangle m$ จะมีการเปลี่ยนแปลงพลังงาน $\triangle E$ ($\triangle E=\triangle mc^2$) ที่สอดคล้องกัน ดังนั้นพลังงานจำนวนหนึ่งจึงถูกปลดปล่อยออกมา ระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานจำนวนเท่ากันเป็นสิ่งจำเป็นในการแบ่งนิวเคลียสออกเป็นอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ กล่าวคือ ย้ายนิวคลีออนหนึ่งอันจากที่หนึ่งในระยะเดียวกับที่ไม่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน พลังงานนี้เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

ถ้านิวเคลียสมีโปรตอน $Z$ และเลขมวล $A$ แสดงว่าพลังงานยึดเหนี่ยวคือ:

หมายเหตุ 1

โปรดทราบว่าสูตรนี้ไม่สะดวกในการใช้งานเนื่องจาก ตารางไม่ได้ให้มวลของนิวเคลียส แต่มวลที่กำหนดมวลของอะตอมที่เป็นกลาง ดังนั้น เพื่อความสะดวกในการคำนวณ สูตรจึงถูกแปลงในลักษณะที่รวมมวลของอะตอมไว้ด้วย ไม่ใช่นิวเคลียส ด้วยเหตุนี้ ทางด้านขวาของสูตร เราบวกและลบมวล $Z$ ของอิเล็กตรอน $(m_e)$ แล้ว

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

$m_(()^1_1H)$ คือมวลของอะตอมไฮโดรเจน $m_a$ คือมวลของอะตอม

ในฟิสิกส์นิวเคลียร์ พลังงานมักแสดงในรูปของเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (MeV) ถ้ามันเกี่ยวกับ การใช้งานจริงพลังงานนิวเคลียร์ วัดเป็นจูล ในกรณีของการเปรียบเทียบพลังงานของสองนิวเคลียส จะใช้หน่วยมวลของพลังงาน - อัตราส่วนระหว่างมวลและพลังงาน ($E=mc^2$) หน่วยมวลของพลังงาน ($le$) เท่ากับพลังงาน ซึ่งสอดคล้องกับมวลของหนึ่ง amu เท่ากับ $931.502$ MeV

รูปที่ 1

นอกจากพลังงานแล้ว พลังงานการจับจำเพาะก็มีความสำคัญเช่นกัน นั่นคือพลังงานการจับที่ตกอยู่บนนิวเคลียสเดียว: $w=E_(sv)/A$ ปริมาณนี้เปลี่ยนแปลงค่อนข้างช้าเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนแปลงของมวล $A$ โดยมีค่าเกือบ ค่าคงที่$8.6$ MeV ในส่วนตรงกลางของระบบเป็นระยะและลดลงจนสุดขอบ

ตัวอย่างเช่น ให้เราคำนวณข้อบกพร่องของมวล พลังงานยึดเหนี่ยว และพลังงานจับจำเพาะของนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม

ข้อบกพร่องของมวล

การจับพลังงานใน MeV: $E_(b)=\triangle m\cdot 931.502=0.030359\cdot 931.502=28.3\ MeV$;

พลังงานจับจำเพาะ: $w=\frac(E_(s))(A)=\frac(28.3\ MeV)(4\around 7.1\ MeV).$