Sastav i struktura atomskog jezgra (ukratko). Atomsko jezgro: sastav, karakteristike, modeli, nuklearne sile. Težina. Veličine kernela

Atomsko jezgro, koje se smatra klasom čestica sa određenim brojem protona i neutrona, obično se naziva nuklid.
U nekim rijetkim slučajevima mogu se formirati kratkotrajni egzotični atomi, u kojima druge čestice služe kao jezgro umjesto nukleona.

Broj protona u jezgru naziva se broj naboja Z (\displaystyle Z)- ovaj broj je jednak serijskom broju elementa kojem atom pripada u Mendeljejevoj tabeli (periodični sistem elemenata). Broj protona u jezgru određuje strukturu elektronske ljuske neutralnog atoma, a samim tim i hemijska svojstva odgovarajućeg elementa. Broj neutrona u jezgru naziva se njegovim izotopski broj N (\displaystyle N). Jezgra sa istim brojem protona i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi. Jezgra sa istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima. Termini izotop i izoton se također koriste za označavanje atoma koji sadrže ova jezgra, kao i za karakterizaciju nehemijskih varijanti jednog hemijskog elementa. Puna količina nukleona u jezgru naziva se njegov maseni broj A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) i približno je jednaka prosječnoj atomskoj masi naznačenoj u periodnom sistemu. Nuklidi sa istim masenim brojem, ali različitim protonsko-neutronskim sastavom obično se nazivaju izobare.

Kao i svaki kvantni sistem, jezgra mogu biti u metastabilnom pobuđenom stanju, au nekim slučajevima životni vijek takvog stanja može se izračunati u godinama. Takva pobuđena stanja jezgri nazivaju se nuklearni izomeri.

Enciklopedijski YouTube

1 / 5

Struktura atomskog jezgra. Nuklearne sile

Nuklearne sile Energija vezivanja čestica u jezgru Fisija jezgara uranijuma Lančana reakcija

Struktura atomskog jezgra Nuklearne sile

hemija. Atomska struktura: Atomsko jezgro. Foxford Online Learning Center

Nuklearne reakcije

Titlovi

Priča

Rasipanje naelektrisanih čestica može se objasniti pretpostavkom da se atom sastoji od centralnog električnog naboja koncentrisanog u tački i okruženog jednoličnom sfernom distribucijom suprotnog elektriciteta jednake veličine. Kod ovakvog rasporeda atoma, α- i β-čestice, kada prolaze na bliskoj udaljenosti od centra atoma, doživljavaju velika odstupanja, iako je vjerovatnoća takvog odstupanja mala.

Tako je Rutherford otkrio atomsko jezgro i od tog trenutka počela je nuklearna fizika, proučavajući strukturu i svojstva atomskih jezgara.

Nakon otkrića stabilnih izotopa elemenata, jezgru najlakšeg atoma dodijeljena je uloga strukturne čestice svih jezgara. Od 1920. godine jezgro atoma vodika ima službeni naziv - proton. Nakon srednje protonsko-elektronske teorije strukture jezgra, koja je imala mnogo očiglednih nedostataka, prije svega, bila je u suprotnosti s eksperimentalnim rezultatima mjerenja spinova i magnetnih momenata jezgara, James Chadwick je 1932. otkrio novu električki neutralnu česticu. nazvan neutron. Iste godine, Ivanenko i, nezavisno, Heisenberg, postavili su hipotezu o protonsko-neutronskoj strukturi jezgra. Kasnije, razvojem nuklearne fizike i njene primjene, ova hipoteza je u potpunosti potvrđena.

Teorije strukture atomskog jezgra

U procesu razvoja fizike, postavljane su različite hipoteze o strukturi atomskog jezgra; međutim, svaki od njih je sposoban da opiše samo ograničen skup nuklearnih svojstava. Neki modeli se mogu međusobno isključiti.

Najpoznatije su sljedeće:

• Kapljični model jezgra - koji je 1936. predložio Niels Bohr.
• Shell model jezgra - predložen 30-ih godina 20. stoljeća.
• Generalizirani Bohr-Mottelsonov model
• Model kernela klastera
• Model nukleonske asocijacije
• Model superfluidnog jezgra
• Statistički model kernela

Nuklearne fizičke karakteristike

Naboje atomskih jezgara prvi je odredio Henry Moseley 1913. Naučnik je tumačio svoja eksperimentalna zapažanja zavisnošću talasne dužine rendgenskih zraka o određenoj konstanti Z (\displaystyle Z), varira za jedan od elementa do elementa i jednako jedan za vodonik:

1 / λ = a Z − b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda))=aZ-b), Gdje

A (\displaystyle a) I b (\displaystyle b)- trajno.

Iz čega je Moseley zaključio da atomska konstanta pronađena u njegovim eksperimentima, koja određuje valnu dužinu karakterističnog rendgenskog zračenja i poklapa se s atomskim brojem elementa, može biti samo naboj atomskog jezgra, koji je postao poznat kao Moseleyjev zakon .

Težina

Zbog razlike u broju neutrona A − Z (\displaystyle A-Z) izotopi elementa imaju različite mase M (A, Z) (\displaystyle M(A,Z)), koji je važna karakteristika jezgra. IN nuklearna fizika Masa jezgara se obično mjeri u jedinicama atomske mase ( A. jesti.), za jedan a. npr. uzeti 1/12 mase 12 C nuklida. Treba napomenuti da je standardna masa koja se obično daje za nuklid masa neutralnog atoma. Da bi se odredila masa jezgra, potrebno je od mase atoma oduzeti zbir masa svih elektrona (više tačna vrijednost ispašće ako uzmemo u obzir i energiju vezivanja elektrona sa jezgrom).

Osim toga, energetski ekvivalent mase često se koristi u nuklearnoj fizici. Prema Ajnštajnovoj relaciji, svaka vrednost mase M (\displaystyle M) odgovara ukupnoj energiji:

E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), Gdje c (\displaystyle c)- brzina svjetlosti u vakuumu.

Odnos između a. e.m. i njegov energetski ekvivalent u džulima:

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1.660539\c(997925 ⋅ 10 8) cdot 10^(8))^(2)=1.492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

Radijus

Analiza raspada teških jezgara prečistila je Rutherfordovu procjenu i povezala polumjer jezgra s masenim brojem jednostavnom relacijom:

R = r 0 A 1 / 3 (\displaystyle R=r_(0)A^(1/3)),

gdje je konstanta.

Budući da radijus jezgre nije čisto geometrijska karakteristika a povezuje se prvenstveno s rasponom djelovanja nuklearnih sila, zatim vrijednošću r 0 (\displaystyle r_(0)) zavisi od procesa tokom čije analize je dobijena vrednost R (\displaystyle R), prosječna vrijednost r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1.23\cdot 10^(-15)) m, dakle radijus jezgra u metrima:

R = 1, 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 (\displaystyle R=1,23\cdot 10^(-15)A^(1/3)).

Kernel moments

Poput nukleona koji ga čine, jezgro ima svoje momente.

Spin

Budući da nukleoni imaju svoj mehanički moment, ili spin, jednak 1 / 2 (\displaystyle 1/2), tada i jezgra moraju imati mehaničke momente. Osim toga, nukleoni sudjeluju u jezgru u orbitalnom kretanju, koje je također karakterizirano određenim kutnim momentom svakog nukleona. Orbitalni momenti imaju samo cjelobrojne vrijednosti ℏ (\displaystyle \hbar )(Dirakova konstanta). Svi mehanički momenti nukleona, i spin i orbitalni, sumirani su algebarski i čine spin jezgra.

Unatoč činjenici da broj nukleona u jezgri može biti vrlo velik, nuklearni spinovi su obično mali i ne iznose više od nekoliko ℏ (\displaystyle \hbar ), što se objašnjava posebnošću interakcije istoimenih nukleona. Svi upareni protoni i neutroni međusobno djeluju samo na način da se njihovi spinovi međusobno poništavaju, odnosno parovi uvijek djeluju s antiparalelnim spinovima. Ukupni orbitalni moment para je također uvijek nula. Kao rezultat toga, jezgre koje se sastoje od parnog broja protona i parnog broja neutrona nemaju mehanički moment. Spinovi različiti od nule postoje samo za jezgre koje sadrže nesparene nukleone; spin takvog nukleona se zbraja sa njegovim orbitalnim momentom i ima neku polucijelu vrijednost: 1/2, 3/2, 5/2. Neparno-neparna jezgra imaju cjelobrojne spinove: 1, 2, 3, itd.

Magnetski trenutak

Mjerenje spinova omogućeno je prisustvom magnetnih momenata koji su direktno povezani s njima. One se mjere u magnetonima i za različite jezgre jednake su -2 do +5 nuklearnih magnetona. Zbog relativno velika masa nukleona, magnetni momenti jezgara su veoma mali u poređenju sa magnetnim momentima elektrona, pa je njihovo merenje mnogo teže. Kao i spinovi, magnetni momenti se mjere spektroskopskim metodama, a najpreciznija je metoda nuklearne magnetne rezonancije.

Magnetski moment par-parova, poput spina, je nula. Magnetski momenti jezgara sa nesparenim nukleonima formiraju se unutrašnjim momentima ovih nukleona i momentom povezanim sa orbitalnim kretanjem nesparenog protona.

Električni kvadrupolni moment

Atomska jezgra čiji je spin veći ili jednak jedinici imaju kvadrupolne momente različite od nule, što ukazuje da nisu baš sfernog oblika. Kvadrupolni moment ima predznak plus ako je jezgro izduženo duž ose spina (fusiformno tijelo), a znak minus ako je jezgro produženo u ravni okomitoj na os spina (lentikularno tijelo). Poznate su jezgre sa pozitivnim i negativnim kvadrupolnim momentima. Nedostatak sferne simetrije u električnom polju koje stvara jezgro sa kvadrupolnim momentom različitom od nule dovodi do stvaranja dodatnih energetskih nivoa atomskih elektrona i pojave u spektrima atoma linija hiperfine strukture, razmaci između kojih zavise. na kvadrupolni moment.

Energija komunikacije

Stabilnost jezgara

Iz činjenice da se prosječna energija vezivanja smanjuje za nuklide s masenim brojem većim ili manjim od 50-60, slijedi da za jezgra sa malim A (\displaystyle A) proces fuzije je energetski povoljan - termonuklearna fuzija, što dovodi do povećanja maseni broj, a za jezgra sa velikim A (\displaystyle A)- proces podjele. Trenutno se odvijaju oba ova procesa koji dovode do oslobađanja energije, pri čemu je ovaj drugi temelj moderne nuklearne energije, a prvi je u razvoju.

Detaljne studije su pokazale da stabilnost jezgara takođe značajno zavisi od parametra N/Z (\displaystyle N/Z)- odnos broja neutrona i protona. U prosjeku za najstabilnija jezgra N / Z ≈ 1 + 0,015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\približno 1+0,015A^(2/3)), stoga su jezgra lakih nuklida najstabilnija na N ≈ Z (\displaystyle N\približno Z), a sa povećanjem masenog broja, elektrostatičko odbijanje između protona postaje sve primjetnije, a područje stabilnosti se pomiče prema N>Z (\displaystyle N>Z)(pogledajte sliku sa objašnjenjem).

Ako pogledate tabelu stabilnih nuklida pronađenih u prirodi, možete obratiti pažnju na njihovu distribuciju po parnim i neparnim vrijednostima Z (\displaystyle Z) I N (\displaystyle N). Sva jezgra sa neparnim vrijednostima ovih veličina su jezgra lakih nuklida 1 2 H (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))), 3 6 Li (\displaystyle ()_(3)^(6)(\textrm (Li))), 5 10 B (\displaystyle ()_(5)^(10)(\textrm (B))), 7 14 N (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))). Među izobarama sa neparnim A, po pravilu je samo jedna stabilna. U slučaju čak A (\displaystyle A)često postoje dvije, tri ili više stabilnih izobara, pa su parne i parne najstabilnije, a neparne najmanje stabilne. Ovaj fenomen ukazuje na to da i neutroni i protoni teže grupiranju u parove sa antiparalelnim spinovima, što dovodi do narušavanja glatkoće gore opisane zavisnosti energije vezivanja od A (\displaystyle A) .

Dakle, paritet broja protona ili neutrona stvara određenu granicu stabilnosti, što dovodi do mogućnosti postojanja nekoliko stabilnih nuklida, koji se razlikuju po broju neutrona za izotope i broju protona za izotone. . Takođe, paritet broja neutrona u sastavu teških jezgara određuje njihovu sposobnost fisije pod uticajem neutrona.

Nuklearne sile

Nuklearne sile su sile koje drže nukleone u jezgru, predstavljaju velike sile atrakcije koje djeluju samo na kratkim udaljenostima. Imaju svojstva zasićenja, pa se nuklearnim silama pripisuje razmjenski karakter (uz pomoć pi-mezona). Nuklearne sile zavise od spina, nezavisne su od električnog naboja i nisu centralne sile.

Nivoi kernela

Za razliku od slobodnih čestica, za koje energija može poprimiti bilo koju vrijednost (tzv. kontinuirani spektar), vezane čestice (tj. čestice kinetička energija kojih je manje apsolutna vrijednost potencijal), prema kvantnoj mehanici, može biti samo u stanjima sa određenim diskretnim energetskim vrijednostima, takozvanim diskretnim spektrom. Pošto je jezgro sistem vezanih nukleona, ono ima diskretni energetski spektar. Obično se nalazi u svom najnižem energetskom stanju, tzv main. Ako prenesete energiju na jezgro, ono će ući uzbuđeno stanje.

Lokacija energetskih nivoa jezgra kao prva aproksimacija:

D = a e − b E∗ (\displaystyle D=ae^(-b(\sqrt (E^(*))))), Gdje:

D (\displaystyle D)- prosječna udaljenost između nivoa,

Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona koji ga okružuju. Atomska jezgra imaju dimenzije približno 10 -14 ... 10 -15 m ( linearne dimenzije atom – 10 -10 m).

Atomsko jezgro se sastoji od elementarnih čestica - protona i neutrona. Proton-neutronski model jezgra predložio je ruski fizičar D. D. Ivanenko, a kasnije ga je razvio W. Heisenberg.

proton ( R) ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i masu mirovanja T str = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, Gdje m emasa elektrona. neutron ( n) – neutralna čestica sa masom mirovanja m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Masa protona i neutrona se često izražava u drugoj jedinici - jedinicama atomske mase (amu, jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika
). Mase protona i neutrona su otprilike jedna jedinica atomske mase. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni(od lat. jezgrojezgro). Ukupan broj nukleona u atomskom jezgru naziva se maseni broj A).

Radijusi jezgara rastu sa povećanjem masenog broja u skladu sa relacijom R= 1,4A 1/3 10 -13 cm.

Eksperimenti pokazuju da jezgra nemaju oštre granice. U središtu jezgre postoji određena gustoća nuklearne materije, koja se postepeno smanjuje na nulu s povećanjem udaljenosti od centra. Zbog nedostatka jasno definirane granice jezgra, njegov "radijus" se definira kao udaljenost od centra na kojoj se gustoća nuklearne materije prepolovi. Pokazalo se da je prosječna distribucija gustine materije za većinu jezgara više od sferne. Većina jezgara je deformisana. Često jezgre imaju oblik izduženih ili spljoštenih elipsoida

Karakterizirano je atomsko jezgro naplatitiZe, Gdje Zbroj naplate jezgra, jednak broju protona u jezgru i koji se poklapa sa serijskim brojem hemijskog elementa u Mendeljejevom periodnom sistemu elemenata.

Jezgro je označeno istim simbolom kao neutralni atom:
, Gdje X- simbol hemijskog elementa, Zatomski broj (broj protona u jezgru), Amaseni broj (broj nukleona u jezgru). Masovni broj A približno jednaka masi jezgra u jedinicama atomske mase.

Pošto je atom neutralan, naelektrisanje jezgra Z određuje broj elektrona u atomu. Njihova distribucija između stanja u atomu zavisi od broja elektrona. Nuklearni naboj određuje specifičnosti datog kemijskog elementa, odnosno određuje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih omotača, veličinu i prirodu unutaratomskog električnog polja.

Jezgra sa istim brojevima naboja Z, ali sa različitim masenim brojevima A(tj. sa različiti brojevi neutroni N = A – Z), nazivaju se izotopi, a jezgra sa istim A, ali drugačije Z – izobare. Na primjer, vodonik ( Z= l) ima tri izotopa: N – protij ( Z= l, N= 0), N – deuterijum ( Z= l, N= 1), N – tricijum ( Z= l, N= 2), kositar - deset izotopa, itd. U ogromnoj većini slučajeva, izotopi istog hemijskog elementa imaju istu hemikaliju i skoro identičnu fizička svojstva.

E, MeV

Nivoi energije

i uočene prelaze za atomsko jezgro bora

Kvantna teorija striktno ograničava energije koje sastavni dijelovi jezgra mogu posjedovati. Kolekcije protona i neutrona u jezgrima mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima karakterističnim za dati izotop.

Kada elektron prijeđe iz višeg u niže energetsko stanje, razlika energije se emituje kao foton. Energija ovih fotona je reda veličine nekoliko elektron volti. Za jezgra, energije nivoa leže u rasponu od približno 1 do 10 MeV. Tokom prelaza između ovih nivoa, emituju se fotoni veoma visokih energija (γ kvanti). Da bismo ilustrovali takve prelaze na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet nivoa nuklearne energije
.Okomite linije označavaju uočene prelaze. Na primjer, γ-kvant sa energijom od 1,43 MeV se emituje kada jezgro pređe iz stanja sa energijom od 3,58 MeV u stanje sa energijom od 2,15 MeV.

Veličine planeta, pa čak i samog Sunca su male u poređenju sa veličinom Sunčevog sistema. Tako je, na primjer, udaljenost od Zemlje do Sunca otprilike 100 puta veća od prečnika Sunca, a udaljenost od Sunca do najudaljenije planete Plutona je 4000 puta veća od prečnika Sunca. Volumen Sunca je samo

■iwuoiuoʹoJ - Volumen sfere poluprečnika jednak udaljenosti od Sunca do Plutona. Ista situacija se dešava i u atomu, uprkos činjenici da je skoro sva težina atoma koncentrisana u njegovom jezgru, 10 dimenzije jezgra su veoma male u poređenju sa dimenzijama atoma.

Promjeri jezgara atoma različitih elemenata se neznatno razlikuju jedni od drugih, ali općenito je prečnik jezgra približno 100 000 puta manji od promjera atoma. Dakle

Dakle, jezgro zauzima samo "T" u atomu

Dio njegovog volumena (podsjećamo da je volumen proporcionalan

Ispunjena kockom prečnika). Jezgro u atomu zauzima 2.000 puta manje prostora nego Sunce u Sunčevom sistemu.

Ako jezgro povećate do veličine glave igle, atom bi teško stao u ogromnu dvoranu od sto metara. Ako bismo jezgro povećali na veličinu zavrtnja za džepni sat, tada bi atom bio veći od ogromnog okeanskog parobroda (slika 3).

Pretpostavimo sada da je bilo moguće komprimirati materiju do te mjere da bi jezgra atoma dodirnula jedno drugo. Tada bi ogroman bojni brod deplasmana od 45.000 tona stao u glavu igle!

Naš zadatak je da govorimo o atomskom jezgru i njegovoj energiji. Ovdje nećemo detaljno govoriti o atomu i njegovoj strukturi, a ako smo se gore morali ukratko zadržati na ovome

Pitanje je samo zato što je jezgro dio atoma. Bez poznavanja strukture atoma, nemoguće je proučavati svojstva jezgra. Stoga su fizičari prvi energetski proučavali atom. Proučavanje jezgra dospelo je u centar pažnje tek pre 15-ak godina, kada je struktura atoma postala poznata, a trenutno je upravo proučavanje svojstava i strukture atomskog jezgra glavno pitanje kojim se bave mnogi fizičari.

Znamo da je jezgro središte atoma, već znamo njegov naboj, težinu i dimenzije.

Ali kako je kernel strukturiran? Da li se jezgro sastoji od drugih jednostavnijih čestica ili je ono samo po sebi jednostavna čestica? Da li je moguće uništiti jezgro i kako to učiniti? Sva ova pitanja se sada susreću sa nama i na njih treba odgovoriti.

Aplikacija Nuklearna energija je prilično novo područje nauke i tehnologije. Stoga je ovdje mnogo toga još uvijek nepoznato. Nećemo maštati o ovoj temi. Upotreba nuklearne energije o kojoj smo pričali...

Osim uranijuma, pod uticajem neutrona cijepaju se i jezgra elemenata protaktinija (naboj 91) i torija (naboj 90). Upotreba protaktinija nema apsolutno nikakvog značaja, jer je ovaj element vrlo rijedak: u ...

235 Fisija jezgri uranijuma 92 u prirodnom uranijumu pomiješanom s grafitom vodi, kao što je jasno iz gore navedenog, do stvaranja plutonijuma. Izvanredno je da plutonijum ima ista svojstva kao...

Pitanja "Od čega se sastoji materija?", "Koja je priroda materije?" oduvek su zaokupljale čovečanstvo. Od davnina su filozofi i naučnici tražili odgovore na ova pitanja, stvarajući kako realistične tako i potpuno nevjerovatne i fantastične teorije i hipoteze. Međutim, bukvalno prije jednog stoljeća, čovječanstvo je došlo što bliže rješavanju ove misterije, otkrivši atomsku strukturu materije. Ali kakav je sastav jezgra atoma? Od čega se sve sastoji?

Od teorije do stvarnosti

Početkom dvadesetog veka struktura atoma više nije bila samo hipoteza, već apsolutna činjenica. Pokazalo se da je sastav jezgra atoma vrlo složen koncept. Njegov sastav uključuje Ali postavilo se pitanje: uključuje li sastav atoma različite brojeve ovih naboja ili ne?

Planetarni model

U početku su zamišljali da je atom izgrađen vrlo slično našem Solarni sistem. Međutim, brzo se pokazalo da ova ideja nije u potpunosti istinita. Problem čisto mehaničkog prijenosa astronomske skale slike u područje koje zauzima milioniti dio milimetra izazvao je značajnu i dramatičnu promjenu svojstava i kvaliteta fenomena. Glavna razlika su bili mnogo stroži zakoni i pravila po kojima je atom izgrađen.

Nedostaci planetarnog modela

Prvo, pošto atomi iste vrste i elementa moraju biti potpuno identični po parametrima i svojstvima, onda i orbite elektrona ovih atoma moraju biti iste. Međutim, zakoni kretanja astronomskih tijela nisu mogli dati odgovore na ova pitanja. Druga kontradikcija je da kretanje elektrona u njegovoj orbiti, ako na njega primijenimo dobro proučene fizičke zakone, nužno mora biti praćeno trajnim oslobađanjem energije. Kao rezultat, ovaj proces bi doveo do iscrpljivanja elektrona, koji bi se na kraju raspao i čak pao u jezgro.

Majčina talasna struktura I

Godine 1924. mladi aristokrata Louis de Broglie iznio je ideju koja je revolucionirala razumijevanje naučne zajednice o pitanjima kao što je sastav atomskih jezgara. Ideja je bila da elektron nije samo pokretna lopta koja rotira oko jezgra. Ovo je mutna supstanca koja se kreće prema zakonima koji podsjećaju na širenje valova u svemiru. Vrlo brzo se ova ideja proširila na kretanje bilo kojeg tijela u cjelini, uz objašnjenje da primjećujemo samo jednu stranu samog tog kretanja, ali se druga zapravo ne pojavljuje. Možemo vidjeti širenje valova, a ne primijetiti kretanje čestice, ili obrnuto. U stvari, obje ove strane kretanja uvijek postoje, a rotacija elektrona u orbiti nije samo kretanje samog naboja, već i širenje valova. Ovaj pristup se radikalno razlikuje od prethodno prihvaćenog planetarnog modela.

Elementarna osnova

Jezgro atoma je centar. Elektroni se okreću oko njega. Svojstva jezgra određuju sve ostalo. O takvom konceptu kao što je sastav jezgra atoma potrebno je govoriti od samog početka važan trenutak- od naplate. U sastavu atoma postoje određeni elementi koji nose negativan naboj. Samo jezgro ima pozitivan naboj. Iz ovoga možemo izvući određene zaključke:

1. Jezgro je pozitivno nabijena čestica.
2. Oko jezgre postoji pulsirajuća atmosfera koju stvaraju naelektrisanja.
3. To je jezgro i njegove karakteristike koje određuju broj elektrona u atomu.

Svojstva kernela

Bakar, staklo, gvožđe, drvo imaju iste elektrone. Atom može izgubiti nekoliko elektrona ili čak sve. Ako jezgro ostane pozitivno nabijeno, onda je u stanju da se privlači potrebna količina negativno nabijene čestice iz drugih tijela, što će mu omogućiti da preživi. Ako atom izgubi određeni broj elektrona, tada će pozitivni naboj na jezgri biti veći od ostatka negativnih naboja. U tom slučaju, cijeli atom će dobiti višak naboja i može se nazvati pozitivnim jonom. U nekim slučajevima, atom se može privući velika količina elektrona, a onda će postati negativno nabijena. Stoga se može nazvati negativnim jonom.

Koliko teži atom? ?

Masu atoma uglavnom određuje jezgro. Elektroni koji čine atom i atomsko jezgro teže manje od jedne tisućinke ukupne mase. Budući da se masa smatra mjerom energetske rezerve koju supstanca posjeduje, ova činjenica se smatra nevjerovatno važnom kada se proučava takvo pitanje kao što je sastav jezgra atoma.

Radioaktivnost

Većina teška pitanja pojavio se nakon otkrića radioaktivnih elemenata koji emituju alfa, beta i gama talase. Ali takvo zračenje mora imati izvor. Rutherford je 1902. godine pokazao da je takav izvor sam atom, tačnije, jezgro. S druge strane, radioaktivnost nije samo emisija zraka, već i transformacija jednog elementa u drugi, s potpuno novim kemijskim i fizičkim svojstvima. To jest, radioaktivnost je promjena u jezgru.

Šta znamo o nuklearnoj strukturi?

Prije skoro sto godina, fizičar Prout iznio je ideju da elementi u periodni sistem nisu nekoherentni oblici, već predstavljaju kombinacije, pa bi se moglo očekivati ​​da će i naelektrisanja i mase jezgara biti izražene u celini i višestrukim nabojima samog vodonika. Međutim, to nije sasvim tačno. Proučavajući svojstva atomskih jezgri pomoću elektromagnetnih polja, fizičar Aston je otkrio da su elementi čije atomske težine nisu cijele i višestruke zapravo kombinacija različitih atoma, a ne jedne supstance. U svim slučajevima kada atomska težina nije cijeli broj, opažamo mješavinu različitih izotopa. Šta je to? Ako govorimo o sastavu jezgra atoma, izotopi su atomi istog naboja, ali različite mase.

Einstein i jezgro atoma

Teorija relativnosti kaže da masa nije mjera kojom se određuje količina materije, već mjera energije koju materija ima. Prema tome, materija se ne može mjeriti masom, već nabojom koji čini ovu materiju i energijom naboja. Kada se identičan naboj približi drugom sličnom, energija će se povećati, inače će se smanjiti. To svakako ne znači promjenu materije. Prema tome, s ove pozicije, jezgro atoma nije izvor energije, već ostatak nakon njegovog oslobađanja. To znači da postoji neka vrsta kontradikcije.

Neutroni

Curijevi su, bombardirajući berilij alfa česticama, otkrili neke čudne zrake koje, sudarajući se s jezgrom atoma, odbijaju ga ogromnom silom. Međutim, oni su u stanju da prođu kroz veliku debljinu materije. Ova kontradikcija je razriješena činjenicom da se pokazalo da ova čestica ima neutralni električni naboj. Prema tome, nazvan je neutron. Zahvaljujući daljim istraživanjima, pokazalo se da je gotovo isti kao i kod protona. Uopšteno govoreći, neutron i proton su neverovatno slični. Uzimajući u obzir ovo otkriće, definitivno je bilo moguće utvrditi da jezgro atoma sadrži i protone i neutrone, i to u jednakim količinama. Sve je postepeno sjelo na svoje mjesto. Broj protona je atomski broj. Atomska težina je zbir masa neutrona i protona. Izotopom se može nazvati element u kojem broj neutrona i protona nije jednak jedni drugima. Kao što je gore objašnjeno, u takvom slučaju, iako element ostaje suštinski isti, njegova svojstva se mogu značajno promijeniti.

Mnogo prije nego što su se pojavili pouzdani podaci o unutrašnja struktura Od svega, grčki mislioci su zamišljali materiju u obliku sićušnih vatrenih čestica koje su bile unutra stalno kretanje. Vjerovatno je ova vizija svjetskog poretka stvari izvedena iz čisto logičkih zaključaka. Uprkos određenoj naivnosti i apsolutnom nedostatku dokaza ove izjave, ispostavilo se da je tačna. Iako su naučnici uspeli da potvrde ovu smelu pretpostavku tek dvadeset i tri veka kasnije.

Atomska struktura

IN kasno XIX vijeka proučavana su svojstva cijevi za pražnjenje kroz koju je prolazila struja. Zapažanja su pokazala da se u ovom slučaju emituju dvije struje čestica:

Negativne čestice katodnih zraka zvale su se elektroni. Nakon toga, čestice sa istim omjerom naboja i mase otkrivene su u mnogim procesima. Činilo se da su elektroni univerzalne komponente različitih atoma, koje se prilično lako odvajaju kada ih bombardiraju joni i atomi.

Čestice koje nose pozitivan naboj bile su predstavljene kao fragmenti atoma nakon što su izgubili jedan ili više elektrona. U stvari, pozitivne zrake su bile grupe atoma bez negativnih čestica i, kao rezultat, imaju pozitivan naboj.

Thompson model

Na osnovu eksperimenata je ustanovljeno da pozitivne i negativne čestice predstavljaju bit atoma i da su njegove komponente. Engleski naučnik J. Thomson predložio je svoju teoriju. Po njegovom mišljenju, struktura atoma i atomskog jezgra bila je neka vrsta mase u kojoj su negativni naboji bili stisnuti u pozitivno nabijenu kuglicu, poput grožđica u kolačić. Kompenzacija punjenja učinila je „klapčić“ električno neutralnim.

Rutherfordov model

Mladi američki naučnik Rutherford je, analizirajući tragove koje su ostavile alfa čestice, došao do zaključka da je Thompsonov model nesavršen. Neke alfa čestice su odbijene od strane mali uglovi- u 5-10 sati. U rijetkim slučajevima alfa čestice su se skretale pod velikim uglovima od 60-80 o, au izuzetnim slučajevima uglovi su bili vrlo veliki - 120-150 o. Thompsonov model atoma nije mogao objasniti razliku.

Rutherford predlaže novi model, objašnjavajući strukturu atoma i atomskog jezgra. Fizika procesa kaže da bi atom trebao biti 99% prazan, sa sićušnim jezgrom i elektronima koji rotiraju oko njega, krećući se po orbitama.

Odstupanja prilikom udara objašnjava činjenicom da čestice atoma imaju svoje električno naboje. Pod utjecajem bombardiranja nabijenih čestica, atomski elementi se ponašaju kao obična nabijena tijela u makrokosmosu: čestice s istim nabojem se međusobno odbijaju, a one sa suprotnim nabojem privlače.

Stanje atoma

Početkom prošlog veka, kada su lansirani prvi akceleratori elementarne čestice, sve teorije koje su objašnjavale strukturu atomskog jezgra i samog atoma čekale su eksperimentalnu provjeru. Do tada su interakcije alfa i beta zraka s atomima već bile temeljno proučavane. Sve do 1917. vjerovalo se da su atomi ili stabilni ili radioaktivni. Stabilni atomi se ne mogu razdvojiti, a raspad radioaktivnih jezgara se ne može kontrolisati. Ali Rutherford je uspio opovrgnuti ovo mišljenje.

Prvi proton

E. Rutherford je 1911. iznio ideju da se sva jezgra sastoje od identičnih elemenata, čija je osnova atom vodonika. Naučnika je na ovu ideju potaknuo važan zaključak iz prethodnih studija strukture materije: mase svih hemijski elementi dijele se bez ostatka masom vodonika. Nova pretpostavka je otvorila neviđene mogućnosti, omogućavajući nam da sagledamo strukturu atomskog jezgra na nov način. Nuklearne reakcije trebale su potvrditi ili opovrgnuti novu hipotezu.

Eksperimenti su izvedeni 1919. s atomima dušika. Bombardirajući ih alfa česticama, Rutherford je postigao zadivljujući rezultat.

Atom N je apsorbovao alfa česticu, zatim se pretvorio u atom kiseonika O 17 i emitovao jezgro vodika. Ovo je bila prva umjetna transformacija atoma jednog elementa u drugi. Slično iskustvo dao nadu da je struktura atomskog jezgra, fizika postojećih procesa dozvoliti da se dogode druge nuklearne transformacije.

Naučnik je u svojim eksperimentima koristio metodu scintilacionog bljeska. Na osnovu učestalosti baklji izveo je zaključke o sastavu i strukturi atomskog jezgra, o karakteristikama nastalih čestica, o njihovim atomska masa i serijski broj. Nepoznatu česticu je Rutherford nazvao proton. Imao je sve karakteristike atoma vodika bez svog jednog elektrona - jednog pozitivnog naboja i odgovarajuće mase. Tako je dokazano da su proton i jezgro vodika iste čestice.

1930. godine, kada su izgrađeni i lansirani prvi veliki akceleratori, Rutherfordov model atoma je testiran i dokazan: svaki atom vodika sastoji se od usamljenog elektrona, čiji se položaj ne može odrediti, i labavog atoma s usamljenim pozitivnim protonom unutar . Budući da protoni, elektroni i alfa čestice mogu izletjeti iz atoma tokom bombardiranja, naučnici su mislili da su to komponente bilo kojeg atomskog jezgra. Ali takav model atoma jezgre izgledao je nestabilan - elektroni su bili preveliki da bi stali u jezgro, osim toga, postojale su ozbiljne poteškoće povezane s kršenjem zakona količine kretanja i očuvanja energije. Ova dva zakona, poput strogih računovođa, govore da zamah i masa tokom bombardovanja nestaju u nepoznatom pravcu. Pošto su ovi zakoni bili opšteprihvaćeni, bilo je potrebno pronaći objašnjenja za takvo curenje.

Neutroni

Naučnici širom svijeta provodili su eksperimente s ciljem otkrivanja novih komponenti atomskih jezgara. 1930-ih, njemački fizičari Becker i Bothe bombardirali su atome berilijuma alfa česticama. Istovremeno je zabilježeno nepoznato zračenje koje je odlučeno nazvati G-zracima. Detaljne studije otkrile su neke od karakteristika novih zraka: mogle su se širiti striktno pravolinijski, nisu bile u interakciji s električnim i magnetna polja, imao je visoku prodornu sposobnost. Kasnije su čestice koje formiraju ovu vrstu zračenja pronađene tokom interakcije alfa čestica sa drugim elementima - borom, hromom i drugima.

Chadwickova pretpostavka

Zatim je James Chadwick, kolega i učenik Rutherforda, dao kratku poruku u časopisu Nature, koja je kasnije postala opšte poznata. Chadwick je skrenuo pažnju na činjenicu da se kontradikcije u zakonima održanja mogu lako riješiti ako pretpostavimo da je novo zračenje tok neutralnih čestica, od kojih svaka ima masu približno jednaku masi protona. Uzimajući u obzir ovu pretpostavku, fizičari su značajno proširili hipotezu koja objašnjava strukturu atomskog jezgra. Ukratko, suština dodataka je svedena na novu česticu i njenu ulogu u strukturi atoma.

Svojstva neutrona

Otkrivena čestica dobila je naziv "neutron". Novootkrivene čestice nisu formirale elektromagnetna polja oko sebe i lako su prolazile kroz materiju bez gubitka energije. U rijetkim sudarima s lakim atomskim jezgrama, neutron je u stanju da izbaci jezgro iz atoma, gubeći značajan dio svoje energije. Struktura atomskog jezgra pretpostavljala je prisustvo različitog broja neutrona u svakoj tvari. Atomi sa istim nuklearnim nabojem, ali sa različite količine neutroni se nazivaju izotopi.

Neutroni su poslužili kao odlična zamjena za alfa čestice. Trenutno se koriste za proučavanje strukture atomskog jezgra. Nemoguće je ukratko opisati njihov značaj za nauku, ali zahvaljujući bombardovanju atomskih jezgara neutronima, fizičari su uspjeli dobiti izotope gotovo svih poznatih elemenata.

Sastav jezgra atoma

Trenutno je struktura atomskog jezgra skup protona i neutrona koje zajedno drže nuklearne sile. Na primjer, jezgro helijuma je grudva od dva neutrona i dva protona. Laki elementi imaju skoro jednak broj protona i neutrona, teški elementi broj neutrona je mnogo veći.

Ovu sliku strukture jezgra potvrđuju eksperimenti na modernim velikim akceleratorima s brzim protonima. Električne odbojne sile protona uravnotežene su nuklearnim silama, koje djeluju samo u samom jezgru. Iako priroda nuklearnih sila još nije u potpunosti proučena, njihovo postojanje je praktično dokazano i u potpunosti objašnjava strukturu atomskog jezgra.

Odnos mase i energije

Godine 1932. Wilsonova kamera je snimila nevjerovatnu fotografiju koja dokazuje postojanje pozitivno nabijenih čestica s masom elektrona.

Prije toga, pozitivne elektrone je teoretski predvidio P. Dirac. Pravi pozitivni elektron je takođe otkriven u kosmičkim zracima. Nova čestica nazvana je pozitron. Prilikom sudara s njegovim dvojnikom - elektronom, dolazi do anihilacije - međusobnog uništenja dvije čestice. Time se oslobađa određena količina energije.

Stoga je teorija razvijena za makrokosmos bila potpuno prikladna za opisivanje ponašanja najmanjih elemenata materije.