Sastav i građa atomske jezgre (ukratko). Atomska jezgra: sastav, karakteristike, modeli, nuklearne sile. Težina. Veličine jezgre

Atomska jezgra, koja se smatra klasom čestica s 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 jezgra umjesto nukleona.

Broj protona u jezgri naziva se njezinim nabojnim brojem Z (\displaystyle Z)- ovaj broj je jednak rednom broju elementa kojem atom pripada u Mendeljejevom sustavu (periodni sustav elemenata). Broj protona u jezgri određuje strukturu elektronske ljuske neutralnog atoma, a time i kemijska svojstva odgovarajućeg elementa. Broj neutrona u jezgri naziva se njezin izotopski broj N (\displaystyle N). Jezgre s istim brojem protona i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi. Jezgre s istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima. Izrazi izotop i izoton također se koriste za označavanje atoma koji sadrže te jezgre, kao i za karakterizaciju nekemijskih varijanti jednog kemijskog elementa. Puna količina nukleona u jezgri naziva se njezin maseni broj A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) i približno je jednaka prosječnoj atomskoj masi navedenoj u periodnom sustavu. Nuklidi s istim masenim brojem, ali različitog protonsko-neutronskog sastava obično se nazivaju izobare.

Kao i svaki kvantni sustav, jezgre 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

Građa atomske jezgre. Nuklearne sile

Nuklearne sile Energija vezanja čestica u jezgri Fisija jezgri urana Lančana reakcija

Građa atomske jezgre Nuklearne sile

Kemija. Struktura atoma: Atomska jezgra. Foxfordov centar za online učenje

Nuklearne reakcije

titlovi

Priča

Raspršenje nabijenih čestica može se objasniti pretpostavkom atoma koji se sastoji od središnjeg električnog naboja koncentriranog u točki i okruženog jednolikom sfernom raspodjelom suprotnog elektriciteta jednake veličine. S ovakvim rasporedom atoma, α- i β-čestice, kada prolaze na maloj udaljenosti od središta atoma, doživljavaju velika odstupanja, iako je vjerojatnost takvog odstupanja mala.

Tako je Rutherford otkrio atomsku jezgru i od tog trenutka započela je nuklearna fizika koja proučava strukturu i svojstva atomskih jezgri.

Nakon otkrića stabilnih izotopa elemenata, jezgri najlakšeg atoma dodijeljena je uloga strukturne čestice svih jezgri. Od 1920. jezgra atoma vodika ima službeni naziv - proton. Nakon intermedijarne proton-elektronske teorije strukture jezgre, koja je imala mnogo očitih nedostataka, prije svega, proturječila je eksperimentalnim rezultatima mjerenja spinova i magnetskih momenata jezgri, 1932. James Chadwick otkrio je novu električki neutralnu česticu. nazvan neutron. Iste su godine Ivanenko i neovisno Heisenberg postavili hipotezu o protonsko-neutronskoj strukturi jezgre. Naknadno, razvojem nuklearne fizike i njezinih primjena, ova je hipoteza u potpunosti potvrđena.

Teorije o građi atomske jezgre

U procesu razvoja fizike, postavljane su različite hipoteze o strukturi atomske jezgre; međutim, svaki od njih je sposoban opisati samo ograničen skup nuklearnih svojstava. Neki modeli mogu se međusobno isključivati.

Najpoznatiji su sljedeći:

• Kapljični model jezgre – predložio 1936. Niels Bohr.
• Ljuskasti model jezgre – predložen 30-ih godina 20. stoljeća.
• Generalizirani Bohr-Mottelsonov model
• Model jezgre klastera
• Model asocijacije nukleona
• Model superfluidne jezgre
• Statistički model jezgre

Nuklearne fizičke karakteristike

Naboje atomskih jezgri prvi je odredio Henry Moseley 1913. godine. Znanstvenik je protumačio svoja eksperimentalna opažanja ovisnošću valne duljine x-zraka o određenoj konstanti Z (\displaystyle Z), varirajući za jedan od elementa do elementa i jednaki jedan za vodik:

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 duljinu karakterističnog rendgenskog zračenja i podudara se s atomskim brojem elementa, može biti samo naboj atomske jezgre, koji je postao poznat kao Moseleyev 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 jezgre. U nuklearna fizika Masa jezgri obično se mjeri u jedinicama atomske mase ( A. jesti.), za jedan a. e.m. uzeti 1/12 mase nuklida 12 C. Treba napomenuti da je standardna masa koja se obično daje za nuklid masa neutralnog atoma. Za određivanje mase jezgre potrebno je od mase atoma oduzeti zbroj masa svih elektrona (više točna vrijednost to će uspjeti ako uzmemo u obzir i energiju vezanja elektrona s jezgrom).

Osim toga, energetski ekvivalent mase često se koristi u nuklearnoj fizici. Prema Einsteinovoj relaciji svaka masovna vrijednost 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 \ cdot 10^(-27) \ cdot (2.997925 \ cdot 10^(8))^(2)=1,492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

Radius

Analiza raspada teških jezgri pročistila je Rutherfordovu procjenu i povezala radijus jezgre 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 dometom djelovanja nuklearnih sila, zatim vrijed r 0 (\displaystyle r_(0)) ovisi o procesu tijekom čije analize je dobivena vrijednost R (\displaystyle R), Prosječna vrijednost r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1,23\cdot 10^(-15)) m, dakle radijus jezgre u metrima:

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

Trenuci kernela

Kao i nukleoni koji je čine, jezgra ima svoje momente.

Spin

Budući da nukleoni imaju svoj mehanički moment ili spin jednak 1 / 2 (\displaystyle 1/2), tada i jezgre moraju imati mehaničke momente. Osim toga, nukleoni sudjeluju u jezgri u orbitalnom gibanju, koje također karakterizira određena kutna količina gibanja svakog nukleona. Orbitalni momenti imaju samo cjelobrojne vrijednosti ℏ (\displaystyle \hbar )(Diracova konstanta). Svi mehanički momenti nukleona, spinski i orbitalni, algebarski se zbrajaju i čine spin jezgre.

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 osobitošću međudjelovanja istoimenih nukleona. Svi upareni protoni i neutroni međusobno djeluju samo na način da se njihovi spinovi međusobno poništavaju, odnosno parovi uvijek međusobno djeluju s antiparalelnim spinovima. Ukupni orbitalni moment para također je uvijek nula. Zbog 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 zbraja se s njegovim orbitalnim momentom i ima neku polucijelu vrijednost: 1/2, 3/2, 5/2. Neparne-neparne jezgre imaju cijeli broj spinova: 1, 2, 3 itd.

Magnetski moment

Mjerenja spinova omogućena su prisutnošću magnetskih momenata izravno povezanih s njima. Mjere se u magnetonima i za različite jezgre jednaki su od −2 do +5 nuklearnih magnetona. Zbog relativno velika masa nukleona, magnetski momenti jezgri vrlo su mali u usporedbi s magnetskim momentima elektrona, pa je njihovo mjerenje mnogo teže. Kao i spinovi, magnetski se momenti mjere spektroskopskim metodama, a najtočnija je metoda nuklearne magnetske rezonancije.

Magnetski moment parnih parnih parova, poput spina, jednak je nuli. Magnetski momenti jezgri s nesparenim nukleonima formirani su od vlastitih momenata tih nukleona i momenta povezanog s orbitalnim gibanjem nesparenog protona.

Električni kvadrupolni moment

Atomske jezgre čiji je spin veći ili jednak jedinici imaju kvadrupolne momente različite od nule, što ukazuje da nisu točno sfernog oblika. Kvadrupolni moment ima predznak plus ako je jezgra izdužena duž osi vrtnje (fusiformno tijelo), a predznak minus ako je jezgra izdužena u ravnini okomitoj na os vrtnje (lentikularno tijelo). Poznate su jezgre s pozitivnim i negativnim kvadrupolnim momentima. Nedostatak sferne simetrije u električnom polju koje stvara jezgra s kvadrupolnim momentom različitim od nule dovodi do stvaranja dodatnih energetskih razina atomskih elektrona i pojave u spektru atoma linija hiperfine strukture, udaljenosti između kojih ovise na kvadrupolni moment.

Komunikacijska energija

Stabilnost jezgri

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

Detaljna istraživanja su pokazala da stabilnost jezgri također značajno ovisi o parametru N/Z (\displaystyle N/Z)- omjer broja neutrona i protona. U prosjeku za najstabilnije jezgre N / Z ≈ 1 + 0,015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\približno 1+0,015 A^(2/3)), stoga su jezgre lakih nuklida najstabilnije na N ≈ Z (\displaystyle N\približno Z), a s povećanjem masenog broja elektrostatsko odbijanje između protona postaje sve uočljivije, a područje stabilnosti se pomiče prema N>Z (\displaystyle N>Z)(pogledajte sliku objašnjenja).

Ako pogledate tablicu stabilnih nuklida pronađenih u prirodi, možete obratiti pozornost na njihovu raspodjelu na parne i neparne vrijednosti Z (\displaystyle Z) I N (\displaystyle N). Sve jezgre s neparnim vrijednostima ovih veličina su jezgre 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 s neparnim A, u pravilu je samo jedna stabilna. U slučaju čak A (\displaystyle A)često postoje dvije, tri ili više stabilnih izobara, dakle, par-par su najstabilnije, nepar-nepar najmanje stabilne. Ovaj fenomen ukazuje na to da se i neutroni i protoni teže grupirati u parove s antiparalelnim spinovima, što dovodi do narušavanja glatkoće gore opisane ovisnosti energije vezanja na 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 po broju protona za izotone. . Također, paritet broja neutrona u sastavu teških jezgri određuje njihovu sposobnost fisije pod utjecajem neutrona.

Nuklearne sile

Nuklearne sile su sile koje drže nukleone u jezgri, predstavljajući velike sile atrakcije koje djeluju samo na malim udaljenostima. Imaju svojstva zasićenja, pa se nuklearnim silama pripisuje izmjenski karakter (pomoću pi-mezona). Nuklearne sile ovise o spinu, neovisne su o električnom naboju i nisu središnje sile.

Razine kernela

Za razliku od slobodnih čestica, kod kojih 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 s određenim diskretnim vrijednostima energije, tzv. diskretni spektar. Budući da je jezgra sustav vezanih nukleona, ona ima diskretan energetski spektar. Obično se nalazi u najnižem energetskom stanju, tzv glavni. Ako prenesete energiju u jezgru, ona će otići u uzbuđeno stanje.

Položaj energetskih razina jezgre kao prva aproksimacija:

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

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

Atom se sastoji od pozitivno nabijene jezgre i elektrona koji je okružuju. Atomske jezgre imaju dimenzije od približno 10 -14 ... 10 -15 m ( linearne dimenzije atom – 10 -10 m).

Atomska jezgra sastoji se od elementarnih čestica - protona i neutrona. Protonsko-neutronski model jezgre 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 s masom mirovanja m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Masa protona i neutrona često se izražava drugom jedinicom - jedinicama atomske mase (amu, jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika
). Mase protona i neutrona su približno jednoj jedinici atomske mase. Protoni i neutroni nazivaju se nukleoni(od lat. jezgrajezgra). Ukupni broj nukleona u atomskoj jezgri naziva se maseni broj A).

Polumjeri jezgri rastu s povećanjem masenog broja u skladu s relacijom R= 1,4A 1/3 10 -13 cm.

Eksperimenti pokazuju da jezgre nemaju oštre granice. U središtu jezgre nalazi se određena gustoća nuklearne tvari, a ona postupno opada do nule s povećanjem udaljenosti od središta. Zbog nepostojanja jasno definirane granice jezgre, njezin se "radijus" definira kao udaljenost od središta na kojoj je gustoća nuklearne tvari prepolovljena. Ispostavilo se da je prosječna distribucija gustoće materije za većinu jezgri više nego samo sferična. Većina jezgri je deformirana. Često jezgre imaju oblik izduženih ili spljoštenih elipsoida

Karakterizirana je atomska jezgra naplatitiZe, Gdje Zbroj naplate jezgre, jednak broju protona u jezgri i podudara se s rednim brojem kemijskog elementa u Mendeljejevljevom periodnom sustavu elemenata.

Jezgra je označena istim simbolom kao neutralni atom:
, Gdje x- simbol kemijskog elementa, Zatomski broj (broj protona u jezgri), Amaseni broj (broj nukleona u jezgri). Maseni broj A približno jednaka masi jezgre u jedinicama atomske mase.

Budući da je atom neutralan, naboj na jezgri Z određuje broj elektrona u atomu. Njihova raspodjela među stanjima u atomu ovisi o broju elektrona. Naboj jezgre određuje specifičnosti pojedinog kemijskog elementa, odnosno određuje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih ljuski, veličinu i prirodu unutaratomskog električnog polja.

Jezgre s istim brojevima naboja Z, ali s različitim masenim brojevima A(tj. sa različite brojeve neutroni N = A – Z), nazivaju se izotopi, a jezgre s istim A, ali drugačije Z – izobare. Na primjer, vodik ( Z= l) ima tri izotopa: N – protij ( Z= l, N= 0), N – deuterij ( Z= l, N= 1), N – tricij ( Z= l, N= 2), kositar - deset izotopa, itd. U velikoj većini slučajeva izotopi istog kemijskog elementa imaju isti kemijski i gotovo identični fizička svojstva.

E, MeV

Razine energije

i promatrane prijelaze za atomsku jezgru bora

Kvantna teorija strogo ograničava energije koje mogu posjedovati sastavni dijelovi jezgre. Zbirke protona i neutrona u jezgri mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima karakterističnim za određeni izotop.

Kada elektron prijeđe iz višeg u niže energetsko stanje, razlika energije se emitira kao foton. Energija tih fotona je reda veličine nekoliko elektron volti. Za jezgre, energije razine leže u rasponu od približno 1 do 10 MeV. Tijekom prijelaza između ovih razina emitiraju se fotoni vrlo visokih energija (γ kvanti). Za ilustraciju takvih prijelaza na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet razina nuklearne energije
.Okomite crte označavaju uočene prijelaze. Na primjer, γ-kvant s energijom od 1,43 MeV emitira se kada jezgra prijeđe iz stanja s energijom od 3,58 MeV u stanje s energijom od 2,15 MeV.

Veličine planeta, pa čak i samog Sunca male su u usporedbi s veličinom Sunčevog sustava. Tako je, primjerice, udaljenost od Zemlje do Sunca otprilike 100 puta veća od promjera Sunca, a udaljenost od Sunca do najudaljenijeg planeta Plutona 4000 puta veća od promjera Sunca. Volumen Sunca je samo

■iwuoiuoʹoJ - Volumen kugle polumjera jednakog udaljenosti od Sunca do Plutona. Ista situacija događa se u atomu, unatoč činjenici da je gotovo sva težina atoma koncentrirana u njegovoj jezgri, 10 dimenzije jezgre su vrlo male u usporedbi s dimenzijama atoma.

Promjeri jezgri atoma različitih elemenata međusobno se malo razlikuju, ali općenito je promjer jezgre približno 100 000 puta manji od promjera atoma. Tako

Dakle, jezgra zauzima samo "T" u atomu

Dio njegovog volumena (podsjećamo vas da je volumen proporcionalan

Ispunjena kockom promjera). Jezgra u atomu zauzima 2000 puta manje prostora nego Sunce u Sunčevom sustavu.

Povećate li jezgru na veličinu glave pribadače, atom bi jedva stao u golemu stometarsku dvoranu. Kad bismo jezgru povećali na veličinu vijka džepnog sata, tada bi atom bio veći od ogromnog oceanskog parobroda (slika 3).

Pretpostavimo sada da je bilo moguće stisnuti materiju do te mjere da se jezgre atoma međusobno dodiruju. Tada bi golemi bojni brod deplasmana 45.000 tona stao u glavu pribadače!

Naš zadatak je govoriti o atomskoj jezgri i njezinoj energiji. Ovdje nećemo detaljno govoriti o atomu i njegovoj strukturi, a ako smo gore morali kratko ostati na ovome

Pitanje je samo zato što je jezgra dio atoma. Bez poznavanja strukture atoma nemoguće je proučavati svojstva jezgre. Stoga su fizičari prvi energetski proučavali atom. Proučavanje jezgre došlo je u središte pozornosti tek prije 15-ak godina, kada je struktura atoma postala dobro poznata. Trenutno je proučavanje svojstava i strukture atomske jezgre upravo glavno pitanje koje proučavaju mnogi fizičari.

Znamo da je jezgra središte atoma, već znamo njen naboj, težinu i dimenzije.

Ali kako je kernel strukturiran? Sastoji li se jezgra od drugih jednostavnijih čestica ili je i sama jednostavna čestica? Je li moguće uništiti jezgru i kako to učiniti? Sva ta pitanja sada se postavljaju pred nas i na njih treba odgovoriti.

Primjena nuklearna energija je prilično novo područje Znanost i tehnologija. Stoga je ovdje mnogo toga još nepoznato. Nećemo maštati o ovoj temi. Upotreba nuklearne energije o kojoj smo govorili...

Osim urana, pod utjecajem neutrona dijele se i jezgre elemenata protaktinija (naboj 91) i torija (naboj 90). Upotreba protaktinija nema apsolutno nikakav značaj, jer je ovaj element vrlo rijedak: u ...

235 Fisija jezgri urana 92 ​​u prirodnom uranu pomiješanom s grafitom dovodi, kao što je jasno iz gore navedenog, do stvaranja plutonija. Zanimljivo je da plutonij ima ista svojstva kao...

Pitanja “Od čega se sastoji materija?”, “Kakva je priroda materije?” oduvijek su okupirali čovječanstvo. Od davnina su filozofi i znanstvenici tražili odgovore na ova pitanja, stvarajući kako realne, tako i potpuno nevjerojatne i fantastične teorije i hipoteze. Međutim, doslovno prije jednog stoljeća, čovječanstvo se približilo rješavanju ove misterije što je više moguće, otkrivši atomsku strukturu materije. Ali kakav je sastav jezgre atoma? Od čega se sve sastoji?

Od teorije do stvarnosti

Do početka dvadesetog stoljeća struktura atoma više nije bila samo hipoteza, već apsolutna činjenica. Pokazalo se da je sastav jezgre atoma vrlo složen koncept. Njegov sastav uključuje Ali postavilo se pitanje: uključuje li sastav atoma različite brojeve tih naboja ili ne?

Planetarni model

U početku su zamišljali da je atom građen vrlo slično našem Sunčev sustav. Međutim, vrlo brzo se pokazalo da ta ideja nije u potpunosti točna. Problem čisto mehaničkog prijenosa astronomskog mjerila slike u područje koje zauzima milijunti dio milimetra povlačio je za sobom značajnu i dramatičnu promjenu u svojstvima i kvalitetama fenomena. Glavna razlika bila je u mnogo strožim zakonima i pravilima po kojima je atom izgrađen.

Nedostaci planetarnog modela

Prvo, budući da atomi iste vrste i elementa moraju biti potpuno identični u parametrima i svojstvima, tada i orbite elektrona tih atoma moraju biti iste. Međutim, zakoni gibanja astronomskih tijela nisu mogli dati odgovore na ova pitanja. Druga je kontradikcija da gibanje elektrona u njegovoj orbiti, ako na njega primijenimo dobro proučene fizikalne zakone, nužno mora biti popraćeno stalnim oslobađanjem energije. Kao rezultat, ovaj proces bi doveo do iscrpljivanja elektrona, koji bi se na kraju raspao i čak pao u jezgru.

Valna struktura majke I

Godine 1924. mladi aristokrat Louis de Broglie iznio je ideju koja je revolucionirala razumijevanje znanstvene zajednice o takvim pitanjima kao što je sastav atomskih jezgri. Ideja je bila da elektron nije samo pokretna lopta koja rotira oko jezgre. Ovo je mutna tvar koja se kreće prema zakonima koji podsjećaju na širenje valova u prostoru. Ubrzo je ta ideja proširena na kretanje bilo kojeg tijela u cjelini, uz obrazloženje da primjećujemo samo jednu stranu tog kretanja, dok se druga zapravo ne pojavljuje. Možemo vidjeti širenje valova, a ne primijetiti kretanje čestice, ili obrnuto. Zapravo, obje ove strane gibanja 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

Jezgra atoma je središte. Oko njega kruže elektroni. Svojstva jezgre određuju sve ostalo. Potrebno je govoriti o takvom konceptu kao što je sastav jezgre atoma od samog početka važan trenutak- od naplate. U sastavu atoma postoje određeni elementi koji nose negativan naboj. Sama jezgra ima pozitivan naboj. Iz ovoga možemo izvući određene zaključke:

1. Jezgra je pozitivno nabijena čestica.
2. Oko jezgre postoji pulsirajuća atmosfera koju stvaraju naboji.
3. Jezgra i njezine karakteristike određuju broj elektrona u atomu.

Svojstva jezgre

Bakar, staklo, željezo, drvo imaju iste elektrone. Atom može izgubiti nekoliko elektrona ili čak sve. Ako jezgra ostane pozitivno nabijena, tada može privlačiti potrebna količina negativno nabijene čestice s drugih tijela, što će mu omogućiti preživljavanje. Ako atom izgubi određeni broj elektrona, tada će pozitivni naboj na jezgri biti veći od ostatka negativnih naboja. U tom će slučaju cijeli atom dobiti višak naboja i može se nazvati pozitivnim ionom. U nekim slučajevima, atom može privući velika količina elektrona, a zatim će postati negativno nabijen. Stoga se može nazvati negativnim ionom.

Koliko teži atom? ?

Masa atoma je uglavnom određena jezgrom. Elektroni koji čine atom i atomsku jezgru teže manje od jedne tisućinke ukupne mase. Budući da se masa smatra mjerom rezerve energije koju tvar posjeduje, ova se činjenica smatra nevjerojatno važnom kada se proučava takvo pitanje kao što je sastav jezgre atoma.

Radioaktivnost

Najviše teška pitanja pojavio nakon otkrića Radioaktivni elementi emitiraju alfa, beta i gama valove. Ali takvo zračenje mora imati izvor. Rutherford je 1902. pokazao da je takav izvor sam atom, točnije jezgra. S druge strane, radioaktivnost nije samo emitiranje zraka, već i transformacija jednog elementa u drugi, s potpuno novim kemijskim i fizikalnim svojstvima. Odnosno, radioaktivnost je promjena u jezgri.

Što znamo o nuklearnoj strukturi?

Prije gotovo stotinu godina, fizičar Prout je iznio ideju da elementi u periodni sustav elemenata nisu nekoherentni oblici, već predstavljaju kombinacije, stoga bi se moglo očekivati ​​da će i naboji i mase jezgri biti izraženi u smislu cijelih i višestrukih naboja samog vodika. Međutim, to nije sasvim točno. Proučavajući svojstva atomskih jezgri pomoću elektromagnetskih polja, fizičar Aston otkrio je da su elementi čije atomske težine nisu cijele i višestruke zapravo kombinacija različitih atoma, a ne jedna tvar. U svim slučajevima gdje atomska težina nije cijeli broj, promatramo mješavinu različitih izotopa. Što je? Ako govorimo o sastavu jezgre atoma, izotopi su atomi s istim nabojem, ali s različitim masama.

Einstein i jezgra 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 nabojem koji čini tu materiju i energijom naboja. Kada se identični naboj približi drugom sličnom, energija će se povećati, au suprotnom će se smanjiti. To svakako ne znači promjenu materije. Sukladno tome, s ove pozicije, jezgra atoma nije izvor energije, već ostatak nakon njezina oslobađanja. To znači da postoji neka vrsta kontradikcije.

Neutroni

Curiejevi su bombardirajući berilij alfa česticama otkrili neke čudne zrake koje se pri sudaru s jezgrom atoma odbijaju golemom snagom. Međutim, oni mogu proći kroz veliku debljinu materije. Ova je kontradikcija razriješena činjenicom da se pokazalo da ta čestica ima neutralan električni naboj. Prema tome, nazvan je neutron. Zahvaljujući daljnjim istraživanjima, pokazalo se da je gotovo isti kao i kod protona. Općenito govoreći, neutron i proton su nevjerojatno slični. Uzimajući u obzir ovo otkriće, definitivno je bilo moguće utvrditi da jezgra atoma sadrži i protone i neutrone, i to u jednakim količinama. Sve je postupno došlo na svoje mjesto. Broj protona je atomski broj. Atomska težina je zbroj masa neutrona i protona. Izotopom se može nazvati element u kojem broj neutrona i protona nije jednak. Kao što je gore razmotreno, u takvom slučaju, iako element u osnovi ostaje isti, njegova se svojstva mogu značajno promijeniti.

Mnogo prije nego što su se pojavili pouzdani podaci o unutarnja struktura od svega grčki mislioci zamišljali su materiju u obliku sićušnih vatrenih čestica koje su u stalno kretanje. Vjerojatno je ova vizija svjetskog poretka stvari izvedena iz čisto logičkih zaključaka. Unatoč određenoj naivnosti i apsolutnom nedostatku dokaza ove izjave, pokazalo se da je točna. Iako su znanstvenici uspjeli potvrditi ovu hrabru pretpostavku tek dvadeset i tri stoljeća kasnije.

Struktura atoma

U potkraj XIX stoljeća proučavana su svojstva izbojne cijevi kroz koju je prolazila struja. Promatranja su pokazala da se u ovom slučaju emitiraju dvije struje čestica:

Negativne čestice katodnih zraka zvale su se elektroni. Kasnije su u mnogim procesima otkrivene čestice s istim omjerom naboja i mase. Činilo se da su elektroni univerzalne komponente raznih atoma, vrlo lako razdvojeni kad ih bombardiraju ioni i atomi.

Čestice s pozitivnim nabojem predstavljene su kao fragmenti atoma nakon što su izgubili jedan ili više elektrona. Zapravo, pozitivne zrake bile su skupine atoma koje su bile lišene negativnih čestica i stoga su imale pozitivan naboj.

Thompson model

Na temelju pokusa utvrđeno je da pozitivne i negativne čestice predstavljaju bit atoma i da su njegove komponente. Engleski znanstvenik J. Thomson predložio je svoju teoriju. Prema njegovom mišljenju, struktura atoma i atomske jezgre bila je vrsta mase u kojoj su negativni naboji stisnuti u pozitivno nabijenu kuglu, poput grožđica u kolaču. Kompenzacija naboja učinila je "kolačić" električki neutralnim.

Rutherfordov model

Mladi američki znanstvenik Rutherford, analizirajući tragove alfa čestica, došao je do zaključka da je Thompsonov model nesavršen. Neke alfa čestice su odbijene od mali kutovi- od 5-10 sati. U rijetkim slučajevima alfa čestice su otklonjene pod velikim kutovima od 60-80 o, au iznimnim slučajevima kutovi su bili vrlo veliki - 120-150 o. Thompsonov atomski model nije mogao objasniti razliku.

Rutherford predlaže novi model, objašnjavajući građu atoma i atomske jezgre. Fizika procesa kaže da bi atom trebao biti 99% prazan, sa sićušnom jezgrom i elektronima koji rotiraju oko nje, krećući se u orbitama.

Odstupanja pri udarima objašnjava činjenicom da čestice atoma imaju vlastiti električni naboj. Pod utjecajem bombardiranja nabijenih čestica, atomski elementi se ponašaju kao obična nabijena tijela u makrokozmosu: čestice s istim nabojem se međusobno odbijaju, a one sa suprotnim nabojem privlače.

Stanje atoma

Početkom prošlog stoljeća, kada su pušteni u rad prvi akceleratori elementarne čestice, sve teorije koje su objašnjavale strukturu atomske jezgre i samog atoma čekale su eksperimentalnu provjeru. Do tada su interakcije alfa i beta zraka s atomima već bile temeljito proučene. Sve do 1917. vjerovalo se da su atomi ili stabilni ili radioaktivni. Stabilni atomi se ne mogu razdvojiti, a raspad radioaktivnih jezgri ne može se kontrolirati. Ali Rutherford je uspio opovrgnuti ovo mišljenje.

Prvi proton

Godine 1911. E. Rutherford iznio je ideju da se sve jezgre sastoje od identičnih elemenata, čija je osnova atom vodika. Znanstvenika je na ovu ideju potaknuo važan zaključak iz prethodnih istraživanja strukture materije: mase svih kemijski elementi dijele se bez ostatka s masom vodika. Nova pretpostavka otvorila je neviđene mogućnosti, omogućivši nam da vidimo strukturu atomske jezgre na novi način. Nuklearne reakcije trebale su potvrditi ili opovrgnuti novu hipotezu.

Pokusi su provedeni 1919. s atomima dušika. Bombardirajući ih alfa česticama, Rutherford je postigao nevjerojatan rezultat.

Atom N apsorbirao je alfa česticu, zatim se pretvorio u atom kisika O 17 i emitirao jezgru vodika. To je bila prva umjetna transformacija atoma jednog elementa u drugi. Slično iskustvo dao nadu da struktura atomske jezgre, fizika postojeće procese omogućuju druge nuklearne transformacije.

Znanstvenik je u svojim eksperimentima koristio metodu scintilacijskog bljeska. Na temelju učestalosti baklji izveo je zaključke o sastavu i strukturi atomske jezgre, o karakteristikama generiranih čestica, o njihovoj atomska masa i serijski broj. Rutherford je nepoznatu česticu nazvao proton. Imao je sve karakteristike atoma vodika bez svog jednog elektrona - jedan pozitivan naboj i odgovarajuću masu. Tako je dokazano da su proton i jezgra vodika iste čestice.

Godine 1930., kada su izgrađeni i pušteni u rad prvi veliki akceleratori, ispitan je i dokazan Rutherfordov model atoma: 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 tijekom bombardiranja, znanstvenici su mislili da su to komponente svake atomske jezgre. Ali takav model atoma jezgre činio se nestabilnim - elektroni su bili preveliki da stanu u jezgru, osim toga, postojale su ozbiljne poteškoće povezane s kršenjem zakona količine gibanja i očuvanja energije. Ova dva zakona, poput strogih računovođa, govorila su da zamah i masa tijekom bombardiranja nestaju u nepoznatom smjeru. Budući da su ti zakoni bili općeprihvaćeni, bilo je potrebno pronaći objašnjenja za takvo curenje.

Neutroni

Znanstvenici diljem svijeta provodili su eksperimente s ciljem otkrivanja novih komponenti atomskih jezgri. Tridesetih godina prošlog stoljeća njemački fizičari Becker i Bothe bombardirali su atome berilija alfa česticama. Istodobno je zabilježeno nepoznato zračenje, koje je odlučeno nazvati G-zrakama. Detaljne studije otkrile su neke značajke novih zraka: mogle su se širiti strogo pravocrtno, nisu bile u interakciji s električnim i magnetska polja, imao je visoku sposobnost prodora. Kasnije su čestice koje tvore ovu vrstu zračenja pronađene tijekom interakcije alfa čestica s drugim elementima - borom, kromom i drugima.

Chadwickova pretpostavka

Tada je James Chadwick, kolega i Rutherfordov učenik, dao kratku poruku u časopisu Nature, koja je kasnije postala općepoznata. Chadwick je skrenuo pozornost na činjenicu da se proturječja u zakonima očuvanja mogu lako riješiti ako pretpostavimo da je novo zračenje tok neutralnih čestica, od kojih svaka ima masu približno jednaku masi protona. S obzirom na tu pretpostavku, fizičari su značajno proširili hipotezu koja objašnjava strukturu atomske jezgre. Ukratko, bit dodataka svela se na novu česticu i njezinu ulogu u strukturi atoma.

Svojstva neutrona

Otkrivena čestica dobila je naziv "neutron". Novootkrivene čestice nisu oko sebe stvarale elektromagnetska polja i lako su prolazile kroz materiju bez gubitka energije. U rijetkim sudarima s lakim atomskim jezgrama, neutron je u stanju izbaciti jezgru iz atoma, gubeći značajan dio svoje energije. Struktura atomske jezgre pretpostavljala je prisutnost različitog broja neutrona u svakoj tvari. Atomi s istim nuklearnim nabojem, ali sa različite količine neutroni se nazivaju izotopi.

Neutroni su poslužili kao izvrsna zamjena za alfa čestice. Trenutno se koriste za proučavanje strukture atomske jezgre. Nemoguće je ukratko opisati njihov značaj za znanost, ali upravo zahvaljujući bombardiranju atomskih jezgri neutronima fizičari su uspjeli dobiti izotope gotovo svih poznatih elemenata.

Sastav jezgre atoma

Trenutno je struktura atomske jezgre skup protona i neutrona koje zajedno drže nuklearne sile. Na primjer, jezgra helija je nakupina dva neutrona i dva protona. Laki elementi imaju gotovo jednak broj protona i neutrona, teški elementi broj neutrona je mnogo veći.

Ovakvu sliku strukture jezgre potvrđuju pokusi na suvremenim velikim akceleratorima s brzim protonima. Električne sile odbijanja protona uravnotežuju se nuklearnim silama, koje djeluju samo u samoj jezgri. Iako priroda nuklearnih sila još nije u potpunosti proučena, njihovo postojanje je praktično dokazano i potpuno objašnjava strukturu atomske jezgre.

Odnos mase i energije

Godine 1932. Wilsonova kamera snimila je nevjerojatnu fotografiju koja dokazuje postojanje pozitivno nabijenih čestica mase elektrona.

Prije toga, pozitivne elektrone je teorijski predvidio P. Dirac. U kozmičkim zrakama također je otkriven pravi pozitivni elektron. Nova čestica nazvana je pozitron. Prilikom sudara sa svojim dvojnikom - elektronom, dolazi do anihilacije - međusobnog uništenja dviju čestica. Time se oslobađa određena količina energije.

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