Изучавайки състава на материята, учените стигнаха до заключението, че цялата материя се състои от молекули и атоми. Дълго време атомът (в превод от гръцки като "неделим") се смяташе за най-малката структурна единица на материята. По-нататъшни изследвания обаче показват, че атомът има сложна структура и от своя страна включва по-малки частици.
От какво е направен атомът?
През 1911 г. ученият Ръдърфорд предполага, че атомът има централна част, която има положителен заряд. Така за първи път се появява концепцията за атомното ядро.
Според схемата на Ръдърфорд, наречена планетарен модел, атомът се състои от ядро и елементарни частици с отрицателен заряд – електрони, движещи се около ядрото, точно както планетите обикалят около Слънцето.
През 1932 г. друг учен, Чадуик, открива неутрона, частица, която няма електрически заряд.
Според съвременните концепции структурата на атомното ядро съответства на планетарния модел, предложен от Ръдърфорд. Ядрото носи по-голямата част от атомната маса. Има и положителен заряд. Атомното ядро съдържа протони - положително заредени частици и неутрони - частици, които не носят заряд. Протоните и неутроните се наричат нуклони. Отрицателно заредени частици – електрони – орбитират около ядрото.
Броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в орбита. Следователно самият атом е частица, която не носи заряд. Ако един атом улови чужди електрони или загуби своите, тогава той става положителен или отрицателен и се нарича йон.
Електроните, протоните и неутроните общо се наричат субатомни частици.
Зарядът на атомното ядро
Ядрото има зарядно число Z. То се определя от броя на протоните, които изграждат атомното ядро. Откриването на тази сума е просто: просто се обърнете към периодичната система на Менделеев. Атомният номер на елемента, към който принадлежи атомът, е равен на броя на протоните в ядрото. По този начин, ако химическият елемент кислород съответства на поредния номер 8, тогава броят на протоните също ще бъде равен на осем. Тъй като броят на протоните и електроните в един атом е еднакъв, ще има и осем електрона.
Броят на неутроните се нарича изотопно число и се обозначава с буквата N. Техният брой може да варира в атом от един и същ химичен елемент.
Сумата от протони и електрони в ядрото се нарича масов номер на атома и се обозначава с буквата A. По този начин формулата за изчисляване на масовото число изглежда така: A \u003d Z + N.
изотопи
В случай, че елементите имат еднакъв брой протони и електрони, но различен брой неутрони, те се наричат изотопи на химичен елемент. Може да има един или повече изотопи. Те са поставени в една и съща клетка на периодичната система.
Изотопите са от голямо значение в химията и физиката. Например, изотоп на водорода - деутерий - в комбинация с кислород дава напълно ново вещество, което се нарича тежка вода. Има различна точка на кипене и замръзване от обикновено. А комбинацията на деутерий с друг изотоп на водорода - тритий води до термоядрен синтез и може да се използва за генериране на огромно количество енергия.
Маса на ядрото и субатомните частици
Размерът и масата на атомите са незначителни в съзнанието на човека. Размерът на ядрата е приблизително 10 -12 см. Масата на атомното ядро се измерва във физиката в т. нар. атомни единици за маса - a.m.u.
За една сутрин вземете една дванадесета от масата на въглеродния атом. Използвайки обичайните мерни единици (килограми и грамове), масата може да бъде изразена по следния начин: 1 a.m.u. \u003d 1,660540 10 -24 г. Изразено по този начин, се нарича абсолютна атомна маса.
Въпреки факта, че атомното ядро е най-масивният компонент на атома, неговите размери спрямо електронния облак около него са изключително малки.
ядрени сили
Атомните ядра са изключително стабилни. Това означава, че протоните и неутроните се задържат в ядрото от някои сили. Това не могат да бъдат електромагнитни сили, тъй като протоните са еднакво заредени частици и е известно, че частиците с еднакъв заряд се отблъскват. Гравитационните сили са твърде слаби, за да задържат нуклоните заедно. Следователно, частиците се задържат в ядрото чрез различно взаимодействие - ядрени сили.
Ядреното взаимодействие се счита за най-силното от всички съществуващи в природата. Следователно този тип взаимодействие между елементите на атомното ядро се нарича силно. Той присъства в много елементарни частици, както и в електромагнитните сили.
Характеристики на ядрените сили
- Кратко действие. Ядрените сили, за разлика от електромагнитните сили, се проявяват само на много малки разстояния, сравними с размера на ядрото.
- Заредете независимост. Тази особеност се проявява във факта, че ядрените сили действат еднакво върху протоните и неутроните.
- Насищане. Нуклоните на ядрото взаимодействат само с определен брой други нуклони.
Основна свързваща енергия
Нещо друго е тясно свързано с концепцията за силно взаимодействие – енергията на свързване на ядрата. Ядрената енергия на свързване е количеството енергия, необходимо за разделяне на атомно ядро на съставните му нуклони. Тя е равна на енергията, необходима за образуване на ядро от отделни частици.
За да се изчисли енергията на свързване на ядрото, е необходимо да се знае масата на субатомните частици. Изчисленията показват, че масата на едно ядро винаги е по-малка от сумата на съставните му нуклони. Дефектът на масата е разликата между масата на ядрото и сумата от неговите протони и електрони. Използвайки връзката между масата и енергията (E \u003d mc 2), можете да изчислите енергията, генерирана по време на образуването на ядрото.
За силата на енергията на свързване на ядрото може да се съди по следния пример: образуването на няколко грама хелий произвежда същото количество енергия, както изгарянето на няколко тона въглища.
Ядрени реакции
Ядрата на атомите могат да взаимодействат с ядрата на други атоми. Такива взаимодействия се наричат ядрени реакции. Реакциите са два вида.
- Реакции на делене. Те възникват, когато по-тежките ядра се разпадат на по-леки в резултат на взаимодействието.
- Реакции на синтез. Процесът е обратен на деленето: ядрата се сблъскват, като по този начин образуват по-тежки елементи.
Всички ядрени реакции са придружени от освобождаване на енергия, която впоследствие се използва в промишлеността, в армията, в енергетиката и т.н.
След като се запознахме със състава на атомното ядро, можем да направим следните изводи.
- Атомът се състои от ядро, съдържащо протони и неутрони, и електрони около него.
- Масовото число на атома е равно на сумата от нуклоните на неговото ядро.
- Нуклоните се държат заедно от силната сила.
- Огромните сили, които придават стабилност на атомното ядро, се наричат енергии на свързване на ядрото.
Ядрото на атома се състои от нуклони, които се разделят на протони и неутрони.
Символично обозначение на ядрото на атома:
A е броят на нуклоните, т.е. протони + неутрони (или атомна маса)
Z е броят на протоните (равен на броя на електроните)
N е броят на неутроните (или атомното число)
ЯДРЕНИ СИЛИ
Те действат между всички нуклони в ядрото;
- сили на привличане;
- къс обхват
Нуклоните се привличат един към друг от ядрени сили, които са напълно различни от гравитационните или електростатичните сили. . Ядрените сили падат много бързо с разстоянието. Радиусът на тяхното действие е около 0,000 000 000 000 001 метра.
За тази свръхмалка дължина, която характеризира размера на атомните ядра, е въведено специално обозначение - 1 Fm (в чест на италианския физик Е. Ферми, 1901-1954). Всички ядра са с размери няколко ферми. Радиусът на ядрените сили е равен на размера на нуклон, следователно ядрата са съсиреци от много плътна материя. Може би най-гъстото в земни условия.
Ядрените сили са силни взаимодействия. Те са многократно по-големи от кулоновата сила (на същото разстояние). Малкият обсег ограничава действието на ядрените сили. С увеличаване на броя на нуклоните ядрата стават нестабилни и следователно повечето тежки ядра са радиоактивни, а много тежките изобщо не могат да съществуват.
Крайният брой елементи в природата е следствие от малкия обхват на ядрените сили.
Структурата на атома - Готино! Физика
Знаеше ли?
В средата на 20-ти век ядрената теория предсказва съществуването на стабилни елементи с поредни номера Z = 110 -114.
В Дубна е получен 114-ият елемент с атомна маса А = 289, който "живее" само 30 секунди, което е невероятно дълго за атом с ядро с такъв размер.
Днес теоретиците вече обсъждат свойствата на свръхтежките ядра с маса от 300 и дори 500.
Атомите с еднакъв атомен номер се наричат изотопи: в периодичната таблица
те са разположени в една клетка (на гръцки isos - равен, topos - място).
Химичните свойства на изотопите са почти идентични.
Ако в природата има около 100 елемента, то изотопа има повече от 2000. Много от тях са нестабилни, тоест радиоактивни и се разпадат, излъчвайки различни видове радиация.
Изотопите на един и същи елемент се различават по състав само по броя на неутроните в ядрото.
Изотопи на водорода.
Ако премахнете пространството от всички атоми на човешкото тяло, тогава това, което остава, може да се побере в ушите на иглата.
любознателен
"Плъзгащи" автомобили
Ако, докато шофирате кола по мокър път с висока скорост, спрете рязко, тогава колата ще се държи като планер; гумите му ще започнат да се плъзгат върху тънък филм от вода, практически без да докосват пътя. Защо се случва това? Защо колата не винаги се плъзга по мокри пътища, дори когато спирачките са изключени? Има ли шарка на протектора, която намалява този ефект?
Оказа се...
Предложени са няколко шарка на протектора, за да се намали вероятността от „хидропланинг“. Например, каналът може да доведе вода до задната контактна точка на протектора с пътя, откъдето водата ще бъде изхвърлена. По други, по-малки канали, водата може да се изпуска отстрани. И накрая, малки канали на протектора могат да "намокрят" водния слой на пътя, докосвайки го точно преди основната контактна зона на протектора с пътната настилка. Във всички случаи целта е да се отстрани водата от контактната зона възможно най-скоро и да се предотврати аквапланирането.
Академик А. Ф. Йофе. „Наука и живот” No1, 1934г
Статията "Ядрото на атома" на академик Абрам Федорович Йофе отваря първия брой на новосъздаденото през 1934 г. списание "Наука и живот".
Е. Ръдърфорд.
Ф. У. Астън.
ВЪЛНА ПРИРОДА НА МАТЕРИЯТА
В началото на 20-ти век атомистичната структура на материята престана да бъде хипотеза, а атомът стана същата реалност, тъй като общите за нас факти и явления са реални.
Оказа се, че атомът е много сложно образувание, което несъмнено включва електрически заряди, а може би само електрически заряди. Следователно, естествено, възникна въпросът за структурата на атома.
Първият модел на атома е моделиран след Слънчевата система. Тази идея за структурата на атома обаче скоро се оказа несъстоятелна. И е естествено. Идеята за атома като слънчева система беше чисто механично пренасяне на картината, свързана с астрономически мащаби, в областта на атома, където мащабите са само стоти милионни от сантиметъра. Такава рязка количествена промяна не може да не доведе до много значителна промяна в качествените свойства на същите явления. Тази разлика се отразява преди всичко във факта, че атомът, за разлика от Слънчевата система, трябва да бъде изграден по много по-строги правила от онези закони, които определят орбитите на планетите от Слънчевата система.
Имаше две трудности. Първо, всички атоми от даден вид, на даден елемент са абсолютно еднакви по своите физически свойства и следователно орбитите на електроните в тези атоми трябва да са абсолютно еднакви. Междувременно законите на механиката, които управляват движението на небесните тела, не дават абсолютно никакви основания за това. В зависимост от началната скорост, орбитата на планетата може да бъде, според тези закони, напълно произволна, планетата може да се върти всеки път със съответната скорост в произволна орбита, на произволно разстояние от Слънцето. Ако едни и същи произволни орбити съществуват в атомите, тогава атомите на едно и също вещество не биха могли да бъдат толкова идентични по своите свойства, например, те не биха могли да дадат строго идентичен спектър на луминесценция. Това е едно противоречие.
Другият беше, че движението на електрон около атомно ядро, ако към него се прилагат закони, добре проучени от нас в голям мащаб от лабораторни експерименти или дори астрономически явления, би трябвало да бъде придружено от непрекъснато излъчване на енергия. Следователно енергията на атома ще трябва непрекъснато да се изчерпва и отново атомът не може да запази същите и непроменени свойства в течение на векове и хилядолетия, а целият свят и всички атоми ще трябва да изпитват непрекъснато затихване, непрекъсната загуба на съдържащата се в тях енергия. Това също по никакъв начин не е несъвместимо с основните свойства на атомите.
Последната трудност беше особено остра. Изглежда, че заведе цялата наука в неразрешим задънена улица.
Изключителният физик Лоренц завърши нашия разговор по тази тема: „Съжалявам, че не умрях преди пет години, когато това противоречие все още не съществуваше. Тогава щях да умра с убеждението, че съм разкрил част от истината в природен феномен."
В същото време през пролетта на 1924 г. дьо Бройл, млад ученик на Ланжевен, изразява в дисертацията си идея, която в по-нататъшното си развитие води до нов синтез.
Идеята на Де Бройл, която тогава беше доста значително променена, но все още до голяма степен запазена, беше, че движението на електрон, въртящ се около ядрото в атома, не е просто движение на определена топка, както се предполагаше по-рано, че това движение е придружено от някаква вълна, която се движи с движещия се електрон. Електронът не е топка, а някакво замъглено в пространството електрическо вещество, чието движение е едновременно и разпространение на вълна.
Тази идея, след това разширена не само до електроните, но и до движението на всяко тяло - и електрон, и атом, и цяла колекция от атоми - твърди, че всяко движение на тяло съдържа две страни, от които можем да видим особено в отделни случаи ясно едната страна, докато другата не се забелязва. В единия случай ние виждаме сякаш разпространяващи се вълни и не забелязваме движението на частиците, в другия случай, напротив, самите движещи се частици излизат на преден план и вълната убягва от нашето наблюдение.
Но всъщност и двете страни винаги присъстват и по-специално в движението на електроните има не само движението на самите заряди, но и разпространението на вълната.
Не може да се каже, че няма движение на електрони по орбити, а има само пулсация, само вълни, тоест нещо друго. Не, по-правилно би било да кажем това: ние изобщо не отричаме движението на електродите, което оприличихме на движението на планетите около Слънцето, но самото това движение има характера на пулсация, а не на характер на движението на земното кълбо около Слънцето.
Тук няма да описвам структурата на атома, структурата на неговата електронна обвивка, която определя всички основни физични свойства – кохезия, еластичност, капилярност, химични свойства и т. н. Всичко това е резултат от движението на електронната обвивка, или, както сега казваме, пулсационен атом.
ПРОБЛЕМЪТ НА ЯДРЕТО
Ядрото играе най-важната роля в атома. Това е центърът, около който се въртят всички електрони и чиито свойства в крайна сметка определят всичко останало.
Първото нещо, което можехме да научим за ядрото, беше неговият заряд. Знаем, че един атом съдържа определен брой отрицателно заредени електрони, но атомът като цяло няма електрически заряд. Това означава, че някъде трябва да има съответните положителни заряди. Тези положителни заряди са концентрирани в ядрото. Ядрото е положително заредена частица, около която пулсира електронната атмосфера, заобикаляща ядрото. Зарядът на ядрото определя броя на електроните.
Електроните на желязото и медта, стъклото и дървото са абсолютно еднакви. Не е вредно за атома да загуби няколко от своите електрони или дори да загуби всичките си електрони. Докато остане положително заредено ядро, това ядро ще привлече толкова електрони от други околни тела, колкото му е необходимо, и атомът ще бъде запазен. Атомът на желязото остава желязо, докато ядрото му е непокътнато. Ако загуби няколко електрона, тогава положителният заряд на ядрото ще бъде по-голям от съвкупността от останалите отрицателни заряди и целият атом като цяло ще придобие излишък положителен заряд. Тогава ние го наричаме не атом, а положителен железен йон. В друг случай, атомът може, напротив, да привлече повече отрицателни електрони към себе си, отколкото да има положителни заряди – тогава той ще бъде отрицателно зареден и ние го наричаме отрицателен йон; това ще бъде отрицателният йон на същия елемент. Следователно индивидуалността на елемента, всички негови свойства съществуват и се определят от ядрото, преди всичко от заряда на това ядро.
Освен това - масата на атома в преобладаващата му част се определя точно от ядрото, а не от електроните, - масата на електроните е по-малка от една хилядна от масата на целия атом; повече от 0,999 от общата маса е масата на ядрото. Това е още по-важно, защото смятаме, че масата е мярка за енергийния резерв, който притежава дадено вещество; масата е същата мярка за енергия като ерг, киловат час или калория.
Сложността на ядрото се разкрива във феномена радиоактивност, открит малко след рентгеновите лъчи, на прага на нашия век. Известно е, че радиоактивните елементи непрекъснато излъчват енергия под формата на алфа, бета и гама лъчи. Но такова непрекъснато излъчване на енергия трябва да има някакъв източник. През 1902 г. Ръдърфорд показа, че единственият източник на тази енергия трябва да бъде атомът, с други думи, ядрената енергия. Другата страна на радиоактивността е, че излъчването на тези лъчи прехвърля един елемент, разположен на едно място от периодичната система, в друг елемент с различни химични свойства. С други думи, радиоактивните процеси извършват трансформация на елементи. Ако е вярно, че ядрото на един атом определя неговата индивидуалност и че докато ядрото е непокътнато, докато атомът остава атом на даден елемент, а не на друг, тогава преминаването на един елемент в друго означава промяна в самото ядро на атома.
Лъчите, изхвърлени от радиоактивни вещества, осигуряват първия подход за получаване на обща представа за това какво се съдържа в ядрото.
Алфа лъчите са хелиеви ядра, а хелият е вторият елемент в периодичната таблица. Следователно може да се мисли, че съставът на ядрото включва хелиеви ядра. Но измерването на скоростите, с които излитат алфа лъчите, веднага води до много сериозни затруднения.
ТЕОРИЯТА НА ГАМОВ ЗА РАДИОАКТИВНОСТ
Ядрото е положително заредено. Когато се приближи до него, всяка заредена частица изпитва сила на привличане или отблъскване. В голям мащаб в лабораториите взаимодействията на електрическите заряди се определят от закона на Кулон: два заряда взаимодействат един с друг със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях и право пропорционална на величината на единия и другия заряд. Изучавайки законите на привличането или отблъскването, които изпитват частиците, когато се приближават до ядрото, Ръдърфорд открива, че до разстояния, много близки до ядрото, от порядъка на 10 -12 cm, все още е валиден същият закон на Кулон. Ако случаят е такъв, тогава можем лесно да изчислим колко работа трябва да извърши ядрото, като изтласкаме положителния заряд от себе си, докато излиза от ядрото и се изхвърля. Алфа-частиците и заредените хелиеви ядра, излитащи от ядрото, се движат под отблъскващото действие на неговия заряд; и сега съответното изчисление показва, че само под действието на отблъскване алфа-частиците е трябвало да са натрупали кинетична енергия, съответстваща на поне 10 или 20 милиона електрон волта, т.е. енергията, която се получава при преминаване през заряд, равен на заряд на електрон, потенциална разлика от 20 милиона волта. Но всъщност, когато напуснат атома, те излизат с много по-малко енергия, само 1-5 милиона електрон волта. Но освен това,
естествено беше да се очаква, че ядрото, изхвърляйки алфа-частица, й дава още нещо в допълнение. В момента на изхвърляне в ядрото се случва нещо като експлозия и самата тази експлозия придава някакъв вид енергия; към това се добавя и работата на отблъскващите сили и се оказва, че сумата от тези енергии е по-малка от това, което едно отблъскване трябва да даде. Това противоречие се премахва веднага щом се откажем от механичното прехвърляне към тази област на възгледи, разработени в опита на изучаване на големи тела, където не вземаме предвид вълновата природа на движението. Г. А. Гъмов пръв дава правилна интерпретация на това противоречие и създава вълновата теория на ядрото и радиоактивните процеси.
Известно е, че на достатъчно големи разстояния (повече от 10 -12 cm) ядрото отблъсква положителен заряд от себе си. От друга страна, няма съмнение, че вътре в самото ядро, в което има много положителни заряди, по някаква причина те не се отблъскват взаимно. Самото съществуване на ядрото показва, че положителните заряди вътре в ядрото се привличат взаимно, а извън ядрото се отблъскват.
Как може да се опише енергийните условия в самото ядро и около него? Гамов създаде следното представление. Ще изобразим на диаграмата (фиг. 5) стойността на енергията на положителен заряд на дадено място от разстоянието от хоризонталната линия А.
Когато се приближаваме до ядрото, енергията на заряда ще се увеличава, защото ще се извършва работа срещу силата на отблъскване. Вътре в ядрото, напротив, енергията трябва да намалее отново, защото тук има не взаимно отблъскване, а взаимно привличане. На границите на ядрото настъпва рязко намаляване на енергийната стойност. Нашата рисунка е изобразена на равнина; всъщност човек трябва, разбира се, да си го представи в пространството със същото разпределение на енергията и във всички други посоки. Тогава получаваме, че около ядрото има сферичен слой с висока енергия, сякаш някаква енергийна бариера, която предпазва ядрото от проникване на положителни заряди, така наречената "бариера на Гамов".
Ако застанем на гледната точка на обичайните възгледи за движението на тялото и забравим за неговата вълнова природа, тогава трябва да очакваме, че само такъв положителен заряд може да проникне в ядрото, чиято енергия е не по-малка от височина на преградата. Напротив, за да напусне ядрото, зарядът първо трябва да достигне върха на бариерата, след което кинетичната му енергия ще започне да нараства, когато се отдалечи от ядрото. Ако в горната част на бариерата енергията е била равна на нула, тогава когато се отстрани от атома, той ще получи онези 20 милиона електрон волта, които никога не се наблюдават. Новото разбиране за ядрото, което беше въведено от Гамов, е както следва. Движението на частица трябва да се разглежда като вълна. Следователно това движение се влияе от енергията не само в точката, заета от частицата, но и в цялата замъглена вълна на частицата, която покрива доста голямо пространство. Въз основа на концепциите на вълновата механика можем да кажем, че дори ако енергията в дадена точка не е достигнала границата, която съответства на върха на бариерата, частицата може да бъде от другата си страна, където вече не се изтегля в ядрото от силите на привличане, действащи там.
Нещо подобно е следният експеримент. Представете си, че зад стената на стаята има буре с вода. От тази цев се изтегля тръба, която минава високо отгоре през дупка в стената и доставя вода; на дъното се излива вода. Това е добре познато устройство, наречено сифон. Ако цевта от тази страна е поставена по-високо от края на тръбата, тогава водата непрекъснато ще тече през нея със скорост, определена от разликата между нивото на водата в цевта и края на тръбата. Тук няма нищо изненадващо. Но ако не знаехте за съществуването на цевта от другата страна на стената и виждате само тръба, през която тече вода от голяма височина, тогава този факт би ви се сторил непреодолимо противоречие. Водата тече от голяма височина и в същото време не натрупва енергията, която съответства на височината на тръбата. Обяснението в този случай обаче е очевидно.
Имаме подобно явление в ядрото. Заредете от нормалното си положение Асе издига до състояние на по-голяма енергия V, но изобщо не достига върха на преградата С(фиг. 6).
Извън държавата Vалфа частица, преминавайки през бариерата, започва да се отблъсква от ядрото, а не от самия връх С, и от по-ниска енергийна височина B1. Следователно, когато излизате навън, енергията, натрупана от частицата, няма да зависи от височината С, но от по-малка височина равна на B1(фиг. 7).
На това качествено разсъждение може да се даде и количествена форма и може да се даде закон, който определя вероятността алфа частица да премине през бариерата като функция на тази енергия V, която има в ядрото, и следователно от енергията, която ще получи, когато напусне атома.
С помощта на поредица от експерименти е установен много прост закон, който свързва броя на алфа-частиците, излъчвани от радиоактивните вещества, с тяхната енергия или скорост. Но смисълът на този закон беше напълно неразбираем.
Първият успех на Гамов се състоеше във факта, че този количествен закон за излъчването на алфа частици следваше от неговата теория доста точно и естествено. Сега "енергийната бариера на Гамов" и нейната вълнова интерпретация са в основата на всички наши представи за ядрото.
Свойствата на алфа лъчите са качествено и количествено добре обяснени от теорията на Гамов, но е известно, че радиоактивните вещества излъчват и бета лъчи – потоци от бързи електрони. Моделът на електронна емисия не е в състояние да обясни. Това е едно от най-сериозните противоречия в теорията на атомното ядро, което доскоро оставаше неразрешено, но решението на което сега очевидно е очертано.
СТРУКТУРА НА ЯДРОТО
Сега ще разгледаме това, което знаем за структурата на ядрото.
Преди повече от 100 години Праут изрази идеята, че може би елементите на периодичната система изобщо не са отделни, несвързани форми на материя, а са само различни комбинации от водородния атом. Ако това беше така, тогава можеше да се очаква, че не само зарядите на всички ядра ще бъдат цели кратни на заряда на водорода, но също така масите на всички ядра ще бъдат изразени като цели кратни на масата на водородното ядро, т.е. атомните тегла трябва да бъдат изразени с цели числа. И наистина, ако погледнете таблицата с атомните тегла, можете да видите голям брой цели числа. Например въглеродът е точно 12, азотът е точно 14, кислородът е точно 16, флуорът е точно 19. Това, разбира се, не е случайно. Но все още има атомни тегла, които са далеч от цели числа. Например, неонът има атомно тегло 20,2, хлорът има атомно тегло 35,46. Следователно хипотезата на Праут остава частична предположение и не може да се превърне в теория за структурата на атома. Чрез изучаване на поведението на заредените йони е особено лесно да се изследват свойствата на ядрото на атома, като се въздейства върху тях, например, с електрическо и магнитно поле.
Методът, основан на това, доведен до изключително висока точност от Aston, позволи да се установи, че всички елементи, чиито атомни тегла не са изразени в цели числа, всъщност не са хомогенно вещество, а смес от две или повече - 3 , 4, 9 - различни видове атоми. Така например атомното тегло на хлора, равно на 35,46, се обяснява с факта, че всъщност има няколко вида хлорни атоми. Има атоми на хлор с атомни тегла 35 и 37 и тези два вида хлор се смесват заедно в такава пропорция, че средното им атомно тегло е 35,46. Оказа се, че не само в този конкретен случай, но и във всички случаи, без изключение, където атомните тегла не са изразени като цели числа, имаме смес от изотопи, тоест атоми с еднакъв заряд, следователно, представляващи един и същ елемент , но с различни маси. Всеки отделен вид атом винаги има цяло число атомно тегло.
Така предположението на Проут веднага получи значително подсилване и въпросът можеше да се счита за решен, ако не и едно изключение, а именно самия водород. Факт е, че нашата система от атомни тегла се основава не на водород, взет като единица, а на атомното тегло на кислорода, което условно се приема равно на 16. По отношение на това тегло атомните тегла се изразяват в почти точни цели числа . Но самият водород в тази система има атомно тегло не едно, а малко повече, а именно 1,0078. Това число се различава от единица доста значително - с 3/4%, което далеч надхвърля всички възможни грешки при определяне на атомното тегло.
Оказа се, че кислородът има и 3 изотопа: освен преобладаващия с атомно тегло 16, друг с атомно тегло 17 и трети с атомно тегло 18. Ако отнесем всички атомни тегла към изотоп 16, тогава атомното тегло на водорода все още ще бъде малко по-голямо от единица. Тогава е открит вторият изотоп на водорода – водород с атомно тегло 2 – деутерий, както го откриват американците, или диплоген, както го наричат британците. Само около 1/6000 част от този деутерий се смесва и следователно присъствието на този примес има много малък ефект върху атомното тегло на водорода.
Освен водорода, хелият има атомно тегло 4,002. Ако се състои от 4 водорода, тогава атомното му тегло очевидно би трябвало да бъде 4,031. Следователно в този случай имаме известна загуба на атомно тегло, а именно: 4,031 - 4,002 = 0,029. Възможно ли е? Докато не разглеждахме масата като мярка за материята, разбира се, това беше невъзможно: това би означавало, че част от материята е изчезнала.
Но теорията на относителността установи със сигурност, че масата не е мярка за количеството материя, а мярка за енергията, която тази материя притежава. Материята се измерва не с маса, а с броя на зарядите, които съставляват тази материя. Тези заряди могат да имат повече или по-малко енергия. Когато еднакви заряди се приближават, енергията се увеличава; когато се отдалечават, енергията намалява. Но това, разбира се, не означава, че въпросът се е променил.
Когато кажем, че 0,029 атомно тегло е изчезнало по време на образуването на хелий от 4 водорода, това означава, че енергията, съответстваща на тази стойност, е изчезнала. Знаем, че всеки грам материя има енергия, равна на 9. 10 20 ерг. С образуването на 4 g хелий се губи енергия, равна на 0,029. 9 . 10 20 ерг. Поради това намаляване на енергията, 4 водородни ядра ще се комбинират в ново ядро. Излишната енергия ще се отдели в околното пространство и ще остане връзка с малко по-ниска енергия и маса. По този начин, ако атомните тегла се измерват не точно с цели числа 4 или 1, а с 4,002 и 1,0078, тогава именно тези хилядни придобиват особено значение, защото определят енергията, освободена при образуването на ядрото.
Колкото повече енергия се освобождава по време на образуването на ядрото, т.е. колкото по-голяма е загубата на атомно тегло, толкова по-силно е ядрото. По-специално, хелиевото ядро е много силно, тъй като по време на образуването му се отделя енергия, съответстваща на загуба на атомно тегло - 0,029. Това е много голяма енергия. За да го прецените, най-добре е да запомните това просто съотношение: една хилядна от атомното тегло съответства на около 1 милион електронволта. Така че 0,029 е около 29 милиона електрон волта. За да се разруши хелиево ядро, да се разложи обратно на 4 водорода, е необходима колосална енергия. Ядрото не получава такава енергия, следователно ядрото на хелия е изключително стабилно и затова именно от радиоактивни ядра се отделят не водородни ядра, а цели хелиеви ядра, алфа частици. Тези съображения ни водят до нова оценка на атомната енергия. Вече знаем, че почти цялата енергия на атома е концентрирана в ядрото и освен това енергията е огромна. 1 g вещество има, ако се преведе на по-графичен език, толкова енергия, колкото може да се получи от изгарянето на 10 влака от 100 вагона петрол. Следователно ядрото е напълно изключителен източник на енергия. Сравнете 1 g с 10 влака - това е съотношението на концентрацията на енергия в ядрото спрямо енергията, която използваме в нашата технология.
Ако обаче се замислим върху фактите, които сега разглеждаме, можем, напротив, да стигнем до напълно противоположна гледна точка за ядрото. От тази гледна точка ядрото не е източник на енергия, а неговото гробище: ядрото е остатъкът след освобождаването на огромно количество енергия и в него имаме най-ниското енергийно състояние.
Следователно, ако можем да говорим за възможността за използване на енергията на ядрото, то само в смисъл, че може би не всички ядра са достигнали възможно най-ниската енергия: в края на краищата и водородът, и хелият съществуват в природата и, следователно, не целият водород се комбинира в хелий, въпреки че хелият има по-малко енергия. Ако можехме да слеем наличния водород в хелий, щяхме да получим определено количество енергия. Това не са 10 петролни влака, но все пак ще бъдат около 10 петролни вагона. И не е толкова лошо, ако е възможно да се получи толкова енергия от 1 g вещество, колкото от изгарянето на 10 вагона петрол.
Това са възможните запаси от енергия при пренареждането на ядрата. Но възможността, разбира се, е далеч от реалността.
Как могат да бъдат реализирани тези възможности? За да ги оценим, се обръщаме към разглеждането на състава на атомното ядро.
Вече можем да кажем, че във всички ядра има положителни водородни ядра, които се наричат протони, имат единица атомно тегло (по-точно 1,0078) и единичен положителен заряд. Но ядрото не може да се състои само от протони. Вземете например най-тежкия елемент, 92-ри в периодичната таблица, уран, с атомно тегло 238. Ако приемем, че всички тези 238 единици са изградени от протони, тогава уранът ще има 238 заряда, докато има само 92 Следователно или не всички частици са заредени там, или там, освен 238 протона, има 146 отрицателни електрона. Тогава всичко е наред: атомното тегло ще бъде 238, положителни заряди 238 и отрицателни 146, следователно общият заряд е 92. Но вече установихме, че допускането за наличието на електрони в ядрото е несъвместимо с нашите идеи: нито по размер, нито по магнитни свойства на електроните в ядрото не могат да бъдат поставени. Имаше някакво противоречие.
ОТКРИВАНЕ НА НЕУТРОНА
Това противоречие беше разрушено от нов експериментален факт, който беше открит преди около две години от Ирен Кюри и нейния съпруг Жолио (Ирен Кюри е дъщеря на Мария Кюри, открила радия). Ирен Кюри и Жолио откриха, че когато берилият (четвъртият елемент от периодичната система) е бомбардиран с алфа частици, берилият излъчва някои странни лъчи, които проникват през огромни дебелини на материята. Изглежда, че тъй като те проникват толкова лесно в материята, те не трябва да предизвикват никакви значителни ефекти там, в противен случай енергията им ще бъде изчерпана и те няма да проникнат в материята. От друга страна се оказва, че тези лъчи, сблъсквайки се с ядрото на някакъв атом, го изхвърлят с огромна сила, сякаш от удара на тежка частица. Така че, от една страна, трябва да се мисли, че тези лъчи са тежки ядра, а от друга, те са способни да преминават през огромни дебелини, без да оказват никакво влияние.
Разрешението на това противоречие се намира във факта, че тази частица не е заредена. Ако частицата няма електрически заряд, тогава нищо няма да действа върху нея и тя самата няма да действа върху нищо. Само когато по време на движението си удари някъде по сърцевината, го изхвърля.
Така се появиха нови незаредени частици – неутрони. Оказа се, че масата на тази частица е приблизително същата като масата на водородната частица - 1,0065 (една хилядна по-малко от протон, следователно енергията й е приблизително с 1 милион електрон волта по-малко). Тази частица е подобна на протон, но само лишена от положителен заряд, тя е неутрална, наречена е неутрон.
Веднага след като съществуването на неутрони стана ясно, беше предложена съвсем различна идея за структурата на ядрото. Първо е изразен от Д. Д. Иваненко, а след това разработен, особено от Хайзенберг, който получи Нобелова награда миналата година. Ядрото може да съдържа протони и неутрони. Може да се предположи, че ядрото се състои само от протони и неутрони. Тогава цялата конструкция на периодичната система е представена по съвсем различен, но доста прост начин. Как, например, трябва да си представим урана? Атомното му тегло е 238, тоест има 238 частици. Но някои от тях са протони, други са неутрони. Всеки протон има положителен заряд, неутроните изобщо нямат заряд. Ако зарядът на урана е 92, това означава, че 92 са протони, а всичко останало е неутрони. Тази идея вече доведе до редица много забележителни успехи, тя веднага изясни редица свойства на периодичната система, които преди това изглеждаха напълно мистериозни. Когато има малко протони и неутрони, тогава, според съвременните концепции на вълновата механика, трябва да се очаква, че броят на протоните и неутроните в ядрото е един и същ. Само протонът има заряд, а броят на протоните дава атомния номер. А атомното тегло на елемент е сумата от теглата на протоните и неутроните, защото и двете имат единица атомно тегло. На тази основа можем да кажем, че атомното число е половината от атомното тегло.
Сега все още остава една трудност, едно противоречие. Това е противоречие, създадено от бета частици.
ОТКРИВАНЕ НА ПОЗИТРОНА
Стигнахме до заключението, че в ядрото няма нищо освен положително зареден протон. Но как тогава се изхвърлят отрицателни електрони от ядрото, ако там изобщо няма отрицателни заряди? Както виждате, ние сме в трудна позиция.
Отново, нов експериментален факт, ново откритие, ни извежда от него. Това откритие е направено може би за първи път от Д. В. Скобелцин, който след дълго изучаване на космическите лъчи установява, че сред зарядите, излъчвани от космическите лъчи, има и положителни светлинни частици. Но това откритие беше толкова в противоречие с всичко, което беше твърдо установено, че Скобелцин отначало не даде на своите наблюдения такава интерпретация.
Следващият, който открива това явление, е американският физик Андерсен в Пасадена (Калифорния), а след него в Англия, в лабораторията на Ръдърфорд, Блекет. Това са положителни електрони или, както не се наричат много добре, позитрони. Какво всъщност представляват положителните електрони може най-лесно да се види от тяхното поведение в магнитно поле. В магнитно поле електроните се отклоняват в едната посока, а позитроните в другата и посоката на тяхното отклонение определя техния знак.
Първоначално позитроните се наблюдават само при преминаване на космически лъчи. Съвсем наскоро същите Ирен Кюри и Жолио откриха ново забележително явление. Оказа се, че има нов вид радиоактивност, че ядрата на алуминия, бора, магнезия, които сами по себе си не са радиоактивни, стават радиоактивни при бомбардиране с алфа лъчи. В продължение на 2 до 14 минути те продължават да излъчват частици сами и тези частици вече не са алфа и бета лъчи, а позитрони.
Теорията за позитроните е създадена много по-рано от откриването на самия позитрон. Дирак си постави задачата да даде на уравненията на вълновата механика такава форма, че да отговарят и на теорията на относителността.
Тези уравнения на Дирак обаче доведоха до много странно следствие. Масата влиза в тях симетрично, т.е., когато знакът на масата е обърнат, уравненията не се променят. Тази симетрия на уравненията по отношение на масата позволи на Дирак да предвиди възможността за съществуване на положителни електрони.
По това време никой не е наблюдавал положителни електрони и е имало силно убеждение, че няма положителни електрони (може да се съди за това по предпазливостта, с която и Скобелцин, и Андерсен подходиха към този въпрос), така че теорията на Дирак беше отхвърлена. Две години по-късно положителните електрони действително са открити и, разбира се, те си спомнят теорията на Дирак, която предсказва появата им.
"МАТЕРИАЛИЗАЦИЯ" И "УНИЩОЖАВАНЕ"
Тази теория е свързана с редица необосновани интерпретации, които я заобикалят от всички страни. Тук бих искал да анализирам процеса на материализация, наречен така по инициатива на мадам Кюри – появата на двойка положителни и отрицателни електрони при преминаване на гама лъчи през материята. Този експериментален факт се тълкува като трансформация на електромагнитната енергия в две частици материя, които не са съществували преди. Следователно този факт се тълкува като създаване и изчезване на материята под въздействието на тези други лъчи.
Но ако се вгледаме по-отблизо в това, което всъщност наблюдаваме, е лесно да се види, че подобна интерпретация на появата на двойки няма основа. По-специално, в работата на Скобелцин е напълно ясно, че появата на двойка заряди под въздействието на гама лъчи изобщо не се случва в празно пространство, появата на двойки винаги се наблюдава само в атомите. Следователно тук имаме работа не с материализирането на енергията, не с появата на някаква нова материя, а само с разделянето на зарядите в материята, която вече съществува в атома. Къде беше тя? Трябва да се мисли, че процесът на разделяне на положителните и отрицателните заряди се случва недалеч от ядрото, вътре в атома, но не и вътре в ядрото (на относително не много голямо разстояние от 10 -10 -10 -11 cm, докато радиусът на ядрото е 10 -12 -10 -13 cm ).
Точно същото може да се каже и за обратния процес на "унищожение на материята" - свързването на отрицателен и положителен електрон с освобождаването на един милион електрон волта енергия под формата на два кванта електромагнитни гама лъчи. И този процес винаги протича в атома, очевидно близо до неговото ядро.
Тук стигаме до възможността за разрешаване на противоречието, което вече отбелязахме, което е резултат от излъчването на бета лъчи на отрицателни електрони от ядро, което, както смятаме, не съдържа електрони.
Очевидно бета-частиците не излитат от ядрото, а благодарение на ядрото; поради освобождаването на енергия вътре в ядрото, в близост до него възниква процес на разделяне на положителни и отрицателни заряди, като отрицателният заряд се изхвърля, а положителният се изтегля в ядрото и се свързва с неутрона, образувайки положителен протон. Това е предложението, което се прави напоследък.
Ето какво знаем за състава на атомното ядро.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение, нека кажем няколко думи за бъдещите перспективи.
Ако при изследването на атомите сме достигнали определени граници, отвъд които количествените изменения са преминали в нови качествени свойства, то в границите на атомното ядро престават да действат онези закони на вълновата механика, които открихме в атомната обвивка; много неясни очертания на нова, още по-обща теория, по отношение на която вълновата механика е само едната страна на явлението, другата страна на която сега започва да се отваря - и започва, както винаги, с противоречия, започват да се се усеща в сърцевината.
Работата върху атомното ядро има и друга много интересна страна, тясно преплетена с развитието на технологиите. Ядрото е много добре защитено от бариерата Гамов от външни влияния. Ако, не само да наблюдаваме разпада на ядрата в радиоактивни процеси, бихме искали да пробием в ядрото отвън, да го изградим отново, тогава това би изисквало изключително мощно въздействие.
Проблемът с ядрото спешно изисква по-нататъшно развитие на технологията, преход от онези напрежения, които вече са овладени от високоволтова технология, от напрежения от няколкостотин хиляди волта към милиони волта. Създава се и нов етап в технологиите. Тази работа по създаването на нови източници на напрежение, милиони волта, сега се извършва във всички страни - както в чужбина, така и тук, по-специално в Харковската лаборатория, която първа започна тази работа, и в Ленинградския институт по Физика и техника и на други места.
Проблемът за ядрото е един от най-неотложните проблеми на нашето време във физиката; трябва да се работи с изключителна интензивност и постоянство и в тази работа е необходимо да има голяма смелост на мисълта. В изложението си посочих няколко случая, когато, преминавайки към нови стандарти, се убедихме, че нашите логически навици, всичките ни идеи, изградени върху ограничен опит, не са подходящи за нови явления и нови стандарти. Необходимо е да се преодолее този консерватизъм на здравия разум, присъщ на всеки от нас. Здравият разум е концентриран опит от миналото; не може да се очаква, че този опит напълно ще обхване бъдещето. В областта на ядрото, повече от всяка друга, човек трябва постоянно да има предвид възможността за нови качествени свойства и да не се страхува от тях. Струва ми се, че именно тук трябва да се усети силата на диалектическия метод, лишен от този консерватизъм на метода, който е предсказал и целия ход на развитие на съвременната физика. Разбира се, под диалектическия метод имам предвид тук не съвкупността от фрази, взети от Енгелс. Не неговите думи, а тяхното значение трябва да се пренесе в нашата работа; само един диалектически метод може да ни отведе напред в такава напълно нова и напреднала област като проблема с ядрото.
Съставът на ядрото на атома. Изчисляване на протони и неутрони
Според съвременните схващания, атомът се състои от ядро и електрони, разположени около него. Ядрото на атома от своя страна се състои от по-малки елементарни частици - от определено количество протони и неутрони(общото име за което е нуклони), свързани помежду си чрез ядрени сили.
Брой на протонитев ядрото определя структурата на електронната обвивка на атома. А електронната обвивка определя физикохимичните свойства на дадено вещество. Броят на протоните съответства на поредния номер на атом в периодичната система от химични елементи на Менделеев, наричан още номер на заряда, атомен номер, атомен номер. Например, броят на протоните в хелиевия атом е 2. В периодичната таблица той стои под номер 2 и е обозначен като He 2. Символът за броя на протоните е латинската буква Z. При писане на формули числото показващ броя на протоните често се намира под символа на елемента или вдясно или вляво: He 2 / 2 He.
Брой неутронисъответства на конкретен изотоп на елемент. Изотопите са елементи с еднакъв атомен номер (същият брой протони и електрони), но различни масови числа. Масово число- общият брой на неутроните и протоните в ядрото на атома (означава се с латинската буква A). При писане на формули масовото число се посочва в горната част на символа на елемента от една от страните: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп на хелий - хелий - 4)
По този начин, за да се установи броят на неутроните в конкретен изотоп, броят на протоните трябва да се извади от общия масов брой. Например, знаем, че атом хелий-4 He 4 2 съдържа 4 елементарни частици, тъй като масовото число на изотопа е 4. В същото време знаем, че He 4 2 има 2 протона. Изваждайки от 4 (общо масово число) 2 (брой протони) получаваме 2 - броят на неутроните в ядрото на хелий-4.
ПРОЦЕСЪТ НА ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИТЕ PO ЧАСТИЦИ В ЯДРОТО НА АТОМА. Като пример умишлено разгледахме хелий-4 (He 4 2), чието ядро се състои от два протона и два неутрона. Тъй като ядрото на хелий-4, наречено алфа частица (α частица), е най-ефективно в ядрените реакции, то често се използва за експерименти в тази посока. Трябва да се отбележи, че във формулите на ядрените реакции често се използва символът α вместо He 4 2 .
Именно с участието на алфа-частици Е. Ръдърфорд извършва първата реакция на ядрена трансформация в официалната история на физиката. По време на реакцията α-частици (He 4 2) „бомбардират“ ядрата на азотния изотоп (N 14 7), което води до образуването на кислороден изотоп (O 17 8) и един протон (p 1 1)
Тази ядрена реакция изглежда така:
Нека изчислим броя на фантомните Po частици преди и след тази трансформация.
ЗА ИЗЧИСЛЕНИЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ ЧАСТИЦИ ПО НЕГО Е НЕОБХОДИМО:
Стъпка 1. Изчислете броя на неутроните и протоните във всяко ядро:
- броят на протоните е посочен в долния индикатор;
- намираме броя на неутроните, като изваждаме броя на протоните (долен индикатор) от общия масов брой (горен индикатор).
Стъпка 2. Изчислете броя на фантомните Po частици в атомното ядро:
- умножете броя на протоните по броя на фантомните Po частици, съдържащи се в 1 протон;
- умножете броя на неутроните по броя на фантомните Po частици, съдържащи се в 1 неутрон;
Стъпка 3. Добавете броя на фантомните частици по:
- добавете полученото количество фантомни Po частици в протони с полученото количество в неутрони в ядрата преди реакцията;
- добавете полученото количество фантомни Po частици в протони с полученото количество в неутрони в ядрата след реакцията;
- сравнете броя на фантомните Po частици преди реакцията с броя на фантомните Po частици след реакцията.
ПРИМЕР ЗА ПОДРОБНО ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ РО ЧАСТИЦИ В ЯДРАТА НА АТОМИТЕ.
(Ядрена реакция, включваща α-частица (He 4 2), извършена от Е. Ръдърфорд през 1919 г.)
ПРЕДИ РЕАКЦИЯ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Брой протони: 7
Брой неутрони: 14-7 = 7
в 1 протон - 12 Po, което означава в 7 протона: (12 x 7) \u003d 84;
в 1 неутрон - 33 Po, което означава в 7 неутрона: (33 x 7) = 231;
Общ брой фантомни Po частици в ядрото: 84+231 = 315
Той 4 2
Брой протони - 2
Брой неутрони 4-2 = 2
Брой фантомни частици от:
в 1 протон - 12 Po, което означава в 2 протона: (12 x 2) \u003d 24
в 1 неутрон - 33 Po, което означава в 2 неутрона: (33 x 2) \u003d 66
Общ брой фантомни Po частици в ядрото: 24+66 = 90
Общ брой фантомни Po частици преди реакцията
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
СЛЕД РЕАКЦИЯ (O 17 8) и един протон (p 1 1):
О 17 8
Брой протони: 8
Брой неутрони: 17-8 = 9
Брой фантомни частици от:
в 1 протон - 12 Po, което означава в 8 протона: (12 x 8) \u003d 96
в 1 неутрон - 33 Po, което означава в 9 неутрона: (9 x 33) = 297
Общ брой фантомни Po частици в ядрото: 96+297 = 393
п 1 1
Брой протони: 1
Брой неутрони: 1-1=0
Брой фантомни частици от:
В 1 протон - 12 Po
Няма неутрони.
Общият брой на фантомните По частици в ядрото: 12
Общ брой фантомни частици Po след реакцията
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Нека сравним броя на фантомните Po частици преди и след реакцията:
ПРИМЕР ЗА НАМАЛЕНА ФОРМА НА ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА БРОЯ НА ФАНТОМНИ ЧАСТИЦИ PO В ЯДРЕНА РЕАКЦИЯ.
Добре известна ядрена реакция е реакцията на взаимодействие на α-частици с изотопа на берилия, при която за първи път е открит неутронът, който се проявява като независима частица в резултат на ядрена трансформация. Тази реакция е проведена през 1932 г. от английския физик Джеймс Чадуик. Реакционна формула:
213 + 90 → 270 + 33 - броят на фантомните По частици във всяко от ядрата
303 = 303 - обща сума на фантомните Po частици преди и след реакцията
Броят на фантомните Po частици преди и след реакцията е равен.
СЪСТАВ НА ЯДРОТО НА АТОМА. КОМУНИКАЦИОННА ЕНЕРГИЯ
1. Съставът на атомното ядро. Малко след откриването на неутрона (1932 г.) съветският физик Д. Д. Иваненко и малко по-късно германският физик В. Хайзенберг предполагат, че атомното ядро се състои от протони и неутрони. Тези частици се наричат нуклони. Брой на протоните З, които са част от ядрото, определя неговия заряд, който е равен на +зе. номер Зсе нарича атомен номер (той определя поредния номер на химичния елемент в периодичната таблица на Менделеев) или номер на заряда на ядрото.
Броят на нуклоните A (т.е. общият брой на протоните и неутроните) в ядрото се нарича масов номер на ядрото. Броят на неутроните в ядрото е N=A-Z.
Символът, използван за обозначаване на ядрата
където X е химическият символ на елемента. Най-отгоре е масовото му число, отдолу е атомният му номер.
2. Изотопи. От 1906 г. е известно, че не всички атоми на един и същи химичен елемент имат еднаква маса. Например, сред хлорните атоми има атоми с маса близка до 35 и маса близка до 37. Сред атомите на урана има атоми с маса 234, 235, 238 и 239. Има разлики в масата за атоми на други вещества.
Всички изотопи на един и същи елемент имат много сходни химични свойства, което показва една и съща структура на техните електронни обвивки и следователно едни и същи ядрени заряди и равен брой протони в ядрата. Оттук идва и името им - от гръцката дума "isos" - същото и "topos" - място: същото място в Периодичната таблица на химичните елементи на Д. И. Менделеев.
Разликата в масата между изотопите се дължи на различния брой неутрони в тях. По този начин изотопите се наричат разновидности на даден химичен елемент, които се различават по масата на своите ядра.
Законът за радиоактивния разпад е установен от Ф. Соди. Емпирично Е. Ръдърфорд установява, че активността на радиоактивния разпад намалява с времето. За всяко радиоактивно вещество има интервал от време, през който активността намалява 2 пъти, т.е. полуживот Tна това вещество. Нека броят на радиоактивните атоми N, време t =0. Чрез t 1 = T ще остане броят на неразпадналите се ядра N 1 = N 0 / 2, след t 2 = 2T
След като изтече времето t=nT, т.е. по късно нполуживот т, радиоактивните атоми ще останат:
Дотолкова доколкото n=t/T,
Това е основният закон радиоактивенразпад.
4. Ядрени сили. Прости факти свидетелстват за силата на атомните ядра: обектите около нас съществуват дълго време, без да се разпадат на частици. Но как могат да се обяснят тези факти? В края на краищата протоните са част от атомните ядра и електростатичните отблъскващи сили е трябвало да ги „отблъснат“. Това предполага заключението, че вътре в ядрата между нуклоните има сили, които превишават силите на електростатичното отблъскване. Тези сили се наричат ядрени сили. Ядрените сили действат между всякакви нуклони (между протони, между неутрони и между протони и неутрони). Характерна особеност на ядрените сили е малкият им обхват: на разстояния от 10-15 m те са приблизително 100 пъти по-големи от силите на електростатично взаимодействие, но вече на разстояния от 10-14 m те се оказват незначителни.
5. Комуникационна енергия. За да се отстрани протон или неутрон от ядрото, трябва да се извърши работа за преодоляване на ядрените сили на къси разстояния. В резултат на това енергията на системата "оставащо ядро - отстранен нуклон" се увеличава с ∆Eравно на работата на външни сили.
Енергията, необходима за пълното разделяне на ядрото на отделни протони и неутрони, се нарича енергия на свързване на ядрото.
Според закона за връзката между масата и енергията, в този случай масата на частиците също нараства с
Следователно масата на ядрото винаги е по-малка от сбора на масите на съставните му частици, взети отделно. В ядрената физика масата на частиците се изразява в атомни единици за маса. Единицата за атомна маса е равна на 1/12 от масата на атом от изотопа въглерод-12.
1 аму = 1,6605655 10 -27 кг
Таблицата показва масите на някои стабилни ядра и елементарни частици.
маса
| Символ на ядрото | Маса, а. Яжте. | Символ на ядрото | Маса, а. Яжте. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
правило за изместване. Трансформациите на ядрата се подчиняват на така нареченото правило за изместване, формулирано за първи път от Соди: по време на a-разпад, ядрото губи своя положителен заряд 2e и масата му намалява с приблизително четири атомни масови единици. В резултат на това елементът се измества с две клетки в началото на периодичната таблица. Символично това може да се запише по следния начин:
Тук елементът се обозначава, както в химията, с конвенционални символи: ядреният заряд се записва като индекс в долния ляв ъгъл на символа, а атомната маса се записва като индекс в горния ляв ъгъл на символа. Например, водородът е представен със символа. За а- частица, която е ядрото на хелиев атом, използва се обозначението и т. н. При β - разпад от ядрото излита електрон. В резултат на това зарядът на ядрото се увеличава с едно, докато масата остава почти непроменена:
Тук означава електрон: индексът "0" в горната част означава, че неговата маса е много малка в сравнение с единицата за атомна маса. След β - разпад, елементът се придвижва с една клетка по-близо до края на периодичната таблица. Гама-лъчението не е придружено от промяна на заряда; масата на ядрото се променя пренебрежимо малко.
Правилата за изместване показват, че по време на радиоактивен разпад електрическият заряд се запазва и относителната атомна маса на ядрата е приблизително запазена.
Новите ядра, образувани по време на радиоактивен разпад, от своя страна обикновено също са радиоактивни.
Пример.Използвайки данните от тази таблица, изчисляваме енергията на свързване на ядрото на хелиевия атом:
Масата на хелиевото ядро е 4,002603 a.m.u.
Маса на отделни нуклони
Разлика в масите: ∆ m = (4,032980 - 4,002603) amu =0,030377 amu и енергията на свързване:
Тъй като: 1 amu = 1,660566 * 10 -27 kg и c = 3 * 10 8 m / s, тогава ∆ E = 0,030377 * 1,660566 * 10 -27 kg * 9 m, или ∆ E = 0,030377 * 1,660566 * 10 -27 kg * 9 m, или ∆ E = 0,030377 * 1,660566 9 10 -11 J.
В ядрената физика енергията обикновено се изразява в електронволта. Тъй като 1 eV = 1,60219 10 -19 J, тогава
Лесно е да се види, че фракцията
не зависи от състоянието на проблема. Следователно в бъдеще изчисленията в атомните реакции ще се извършват, както следва:
∆E = ∆m a.m.u. 931 MeV/a.m.u.
По този начин, енергията на свързване на ядрото на хелиевия атом:
Като се раздели общата енергия на свързване на атомното ядро на броя на нуклоните в него, може да се получи така наречената специфична енергия на свързване. За ядрото на хелиев атом, специфичната енергия на свързване е MeV на нуклон.
Отговор:специфичната енергия на свързване за ядрото на хелиевия атом е приблизително 7 MeV на нуклон.
Зареждане...
