Skład i budowa jądra atomowego (w skrócie). Jądro atomowe: skład, charakterystyka, modele, siły jądrowe. Waga. Rozmiary rdzeni

Jądro atomowe, uważane za klasę cząstek o określonej liczbie protonów i neutronów, jest powszechnie nazywane nuklid.
W niektórych rzadkich przypadkach mogą powstawać krótko żyjące atomy egzotyczne, w których inne cząstki służą jako jądro zamiast nukleonu.

Liczba protonów w jądrze nazywana jest liczbą ładunku Z (\ Displaystyle Z)- liczba ta jest równa liczbie porządkowej pierwiastka, do którego należy atom, w tablicy  (Układ okresowy pierwiastków) Mendelejewa. Liczba protonów w jądrze determinuje strukturę powłoki elektronowej obojętnego atomu, a tym samym właściwości chemiczne odpowiedniego pierwiastka. Liczba neutronów w jądrze nazywana jest its liczba izotopowa N (\styl wyświetlania N). Jądra o tej samej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów nazywane są izotopami. Jądra o tej samej liczbie neutronów, ale różnej liczbie protonów nazywane są izotonami. Pojęcia izotop i izoton są również używane w odniesieniu do atomów zawierających wskazane jądra, a także do charakteryzowania niechemicznych odmian jednego pierwiastka chemicznego. Całkowita ilość nukleony w jądrze nazywamy jego liczbą masową A (\styl wyświetlania A) (A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) i jest w przybliżeniu równa średniej masie atomu wskazanej w układzie okresowym. Nuklidy o tej samej liczbie masowej, ale różnym składzie protonowo-neutronowym, nazywane są izobarami.

Jak każdy układ kwantowy, jądra mogą znajdować się w metastabilnym stanie wzbudzonym, a w niektórych przypadkach czas życia takiego stanu liczony jest w latach. Takie stany wzbudzone jąder nazywane są izomerami jądrowymi.

Encyklopedyczny YouTube

1 / 5

Struktura jądra atomowego. siły nuklearne

Siły jądrowe Energia wiązania cząstek w jądrze Rozszczepienie jąder uranu Reakcja łańcuchowa

Struktura jądra atomowego Siły jądrowe

Chemia. Budowa atomu: jądro atomowe. Internetowe centrum edukacyjne Foxford

Reakcje jądrowe

Napisy na filmie obcojęzycznym

Fabuła

Rozpraszanie naładowanych cząstek można wyjaśnić zakładając atom, który składa się z centralnego ładunku elektrycznego skoncentrowanego w punkcie i otoczonego równomiernym sferycznym rozkładem przeciwnych elektryczności o równej wielkości. Przy takiej budowie atomu cząstki α- i β, gdy przechodzą w bliskiej odległości od środka atomu, doświadczają dużych odchyleń, chociaż prawdopodobieństwo takiego odchylenia jest niewielkie.

W ten sposób Rutherford odkrył jądro atomowe, od tego momentu rozpoczęła się fizyka jądrowa, badająca strukturę i właściwości jąder atomowych.

Po odkryciu stabilnych izotopów pierwiastków, jądru najlżejszego atomu przypisano rolę cząstki strukturalnej wszystkich jąder. Od 1920 r. jądro atomu wodoru ma oficjalny termin - proton. Po pośredniej teorii budowy jądra protonowo-elektronowego, która miała wiele oczywistych niedociągnięć, przede wszystkim była sprzeczna z eksperymentalnymi wynikami pomiarów spinów i momentów magnetycznych jąder, w 1932 r. James Chadwick odkrył nową cząstkę elektrycznie obojętną , zwany neutronem. W tym samym roku Iwanenko i niezależnie Heisenberg wysunęli hipotezę dotyczącą struktury protonowo-neutronowej jądra. Później, wraz z rozwojem fizyki jądrowej i jej zastosowań, hipoteza ta została w pełni potwierdzona.

Teorie budowy jądra atomowego

W procesie rozwoju fizyki stawiano różne hipotezy dotyczące budowy jądra atomowego; jednak każda z nich jest w stanie opisać tylko ograniczony zestaw właściwości jądrowych. Niektóre modele mogą się wzajemnie wykluczać.

Najbardziej znane to:

• Drop model nucleus - zaproponowany w 1936 r. przez Niels Bohra.
• Muszla model jądro - zaproponowane w latach 30. XX wieku.
• Uogólniony model Bohra-Mottelsona
• Model jądra klastra
• Model asocjacji nukleonów
• Model rdzenia nadciekłego
• Statystyczny model jądra

Fizyka nuklearna

Ładunki jąder atomowych po raz pierwszy określił Henry Moseley w 1913 roku. Naukowiec zinterpretował swoje obserwacje eksperymentalne przez zależność długości fali promieniowania rentgenowskiego od pewnej stałej Z (\ Displaystyle Z), zmieniając się o jeden z pierwiastka na pierwiastek i równy jeden dla wodoru:

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

A (\styl wyświetlania a) oraz b (\styl wyświetlania b)- stały.

Z czego Moseley wywnioskował, że znaleziona w jego eksperymentach stała atomowa, która określa długość fali charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego i pokrywa się z numerem seryjnym pierwiastka, może być jedynie ładunkiem jądra atomowego, który stał się znany jako prawo (Moseley) .

Waga

Ze względu na różnicę w liczbie neutronów A - Z (\ Displaystyle A-Z) izotopy pierwiastka mają różne masy M (A , Z) (\displaystyle M(A,Z)), który jest ważna cecha jądra. W Fizyka nuklearna masa jąder jest zwykle mierzona w atomowych jednostkach masie ( a. jeść.), dla jednego np. weź 1/12 masy nuklidu 12C. Należy zauważyć, że standardowa masa, która jest zwykle podawana dla nuklidu, jest masą neutralnego atomu. Aby określić masę jądra, konieczne jest odjęcie od masy atomu sumy mas wszystkich elektronów (więcej Dokładna wartość uzyskane, jeśli weźmiemy pod uwagę również energię wiązania elektronów z jądrem).

Ponadto w fizyce jądrowej często stosuje się masę równoważną energii. Zgodnie z zależnością Einsteina każda wartość masy M (\styl wyświetlania M) odpowiada całkowitej energii:

E = M do 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), gdzie c (\displaystyle c) to prędkość  światła w próżni.

Stosunek między e.m. i jego ekwiwalent energetyczny w dżulach:

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).

Promień

Analiza rozpadu ciężkich jąder doprecyzowała oszacowanie Rutherforda i powiązała promień jądra z liczbą masową prostą zależnością:

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

gdzie jest stała.

Ponieważ promień rdzenia nie jest czysto charakterystyka geometryczna i wiąże się przede wszystkim z promieniem działania sił jądrowych, a następnie z wartością r 0 (\displaystyle r_(0)) zależy od procesu, w analizie którego uzyskuje się wartość R (\ Displaystyle R), Średnia wartość r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1,23\cdot 10^(-15)) m, a więc promień rdzenia w metrach:

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

Chwile jądra

Podobnie jak nukleony, które go tworzą, jądro ma swoje własne momenty.

Obracać

Ponieważ nukleony mają swój własny moment mechaniczny, czyli spin, równy 1/2 (\displaystyle 1/2), to jądra muszą mieć również momenty mechaniczne. Ponadto nukleony uczestniczą w jądrze w ruchu orbitalnym, który również charakteryzuje się pewnym momentem pędu każdego nukleonu. Momenty orbitalne przyjmują tylko wartości całkowite ℏ (\displaystyle \hbar)(stała Dirac). Wszystkie momenty mechaniczne nukleonów, zarówno spinowe, jak i orbitalne, są sumowane algebraicznie i tworzą spin jądra.

Pomimo tego, że liczba nukleonów w jądrze może być bardzo duża, spiny jąder są zwykle małe i wynoszą nie więcej niż kilka ℏ (\displaystyle \hbar), co tłumaczy się specyfiką interakcji nukleonów o tej samej nazwie. Wszystkie sparowane protony i neutrony oddziałują tylko w taki sposób, że ich spiny wzajemnie się znoszą, to znaczy pary zawsze oddziałują z antyrównoległymi spinami. Całkowity moment orbitalny pary jest również zawsze zerowy. W rezultacie jądra składające się z parzystej liczby protonów i parzystej liczby neutronów nie mają pędu mechanicznego. Spiny niezerowe istnieją tylko dla jąder, które w swoim składzie mają niesparowane nukleony, spin takiego nukleonu jest dodawany do jego własnego pędu orbitalnego i ma pewną wartość połówkową: 1/2, 3/2, 5/2. Jądra o składzie nieparzystym i nieparzystym mają spiny całkowite: 1, 2, 3 itd. .

Moment magnetyczny

Pomiary spinów stały się możliwe dzięki obecności bezpośrednio z nimi związanych momentów magnetycznych. Są one mierzone w magnetonach i dla różnych jąder wynoszą od -2 do +5 magnetonów jądrowych. Ze względu na stosunkowo duża masa nukleony, momenty magnetyczne jąder są bardzo małe w porównaniu z momentami magnetycznymi elektronów, więc ich pomiar jest znacznie trudniejszy. Podobnie jak spiny, momenty magnetyczne są mierzone metodami spektroskopowymi, z których najdokładniejszą jest metoda magnetycznego rezonansu jądrowego.

Moment magnetyczny par parzysto-parzystych, podobnie jak spin, jest równy zero. Momenty magnetyczne jąder z niesparowanymi nukleonami tworzą momenty wewnętrzne tych nukleonów oraz moment związany z ruchem orbitalnym niesparowanego protonu.

Elektryczny moment kwadrupolowy

Jądra atomowe o spinie większym lub równym jedności mają niezerowe momenty kwadrupolowe, co wskazuje, że nie są one dokładnie sferyczne. Moment kwadrupolowy ma znak plus, jeśli jądro jest rozciągnięte wzdłuż osi obrotu (ciało wrzecionowate), oraz znak minus, jeśli jądro jest rozciągnięte w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu (ciało soczewkowe). Znane są jądra z dodatnimi i ujemnymi momentami kwadrupolowymi. Brak symetrii sferycznej w polu elektrycznym wytworzonym przez jądro o niezerowym momencie kwadrupolowym prowadzi do powstania dodatkowych poziomów energetycznych elektronów atomowych i pojawienia się linii nadsubtelnych struktur w widmach atomów, których odległości zależą od kwadrupolu za chwilę.

Energia wiązania

Stabilność rdzenia

Z faktu, że średnia energia wiązania maleje dla nuklidów o liczbach masowych większych lub mniejszych niż 50-60, wynika, że ​​dla jąder o małych A (\styl wyświetlania A) proces syntezy jest korzystny energetycznie - fuzja termojądrowa, prowadząca do wzrostu Liczba masowa, a dla jąder z dużymi A (\styl wyświetlania A)- proces podziału. Obecnie oba te procesy, prowadzące do uwolnienia energii, są realizowane, ten drugi stanowi podstawę nowoczesnej energetyki jądrowej, podczas gdy ten pierwszy jest w fazie rozwoju.

Szczegółowe badania wykazały, że stabilność jąder zależy również znacząco od parametru N/Z (\displaystyle N/Z)- stosunek liczby neutronów i protonów. Średnia dla najbardziej stabilnych jąder N / Z ≈ 1 + 0,015A 2/3 (\displaystyle N/Z\około 1+0,015A^(2/3)), dlatego jądra lekkich nuklidów są najbardziej stabilne w N ≈ Z (\displaystyle N\około Z), a wraz ze wzrostem liczby masowej odpychanie elektrostatyczne między protonami staje się coraz bardziej zauważalne, a obszar stabilności przesuwa się w kierunku N > Z (\displaystyle N>Z)(patrz rysunek objaśniający).

Jeśli rozważymy tabelę stabilnych nuklidów występujących w przyrodzie, możemy zwrócić uwagę na ich rozkład według wartości parzystych i nieparzystych. Z (\ Displaystyle Z) oraz N (\styl wyświetlania N). Wszystkie jądra o nieparzystych wartościach tych wielkości są jądrami lekkich nuklidów 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))). Wśród izobar z nieparzystym A z reguły tylko jedna jest stabilna. W przypadku parzystej A (\styl wyświetlania A) często są dwa, trzy lub więcej stabilnych izobarów, dlatego najbardziej stabilne są parzyste-parzyste, najmniej - nieparzyste-nieparzyste. Zjawisko to wskazuje, że zarówno neutrony, jak i protony mają tendencję do skupiania się w parach z antyrównoległymi spinami, co prowadzi do naruszenia gładkości powyższej zależności energii wiązania od A (\styl wyświetlania A) .

Zatem parzystość liczby protonów lub neutronów tworzy pewien margines stabilności, co prowadzi do możliwości istnienia kilku stabilnych nuklidów, różniących się odpowiednio liczbą neutronów dla izotopów i liczbą protonów dla izotonów. Również parytet liczby neutronów w składzie ciężkich jąder determinuje ich zdolność do rozszczepiania pod wpływem neutronów.

siły nuklearne

Siły jądrowe to siły utrzymujące nukleony w jądrze, które są duże siły przyciąganie, działające tylko na niewielkie odległości. Mają właściwości nasycenia, w związku z czym siłom jądrowym przypisuje się charakter wymiany (za pomocą mezonów pi). Siły jądrowe są zależne od spinu, niezależne od ładunku elektrycznego i nie są siłami centralnymi.

Poziomy jądra

W przeciwieństwie do cząstek swobodnych, dla których energia może przyjąć dowolną wartość (tzw. widmo ciągłe), cząstki związane (czyli cząstki, które energia kinetyczna które są mniej całkowita wartość potencjał), zgodnie z mechaniką kwantową, mogą znajdować się tylko w stanach o określonych dyskretnych wartościach energii, tak zwanym widmie dyskretnym. Ponieważ jądro jest układem związanych nukleonów, ma ono dyskretne widmo energetyczne. Zwykle znajduje się w najniższym stanie energetycznym, zwanym Główny. Jeśli energia zostanie przekazana do jądra, zamieni się w stan podniecenia.

Położenie poziomów energetycznych jądra w pierwszym przybliżeniu:

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

D (\displaystyle D)- średnia odległość między poziomami,

Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra i otaczających go elektronów. Jądra atomowe mają wymiary około 10 -14 ... 10 -15 m ( wymiary liniowe atom - 10 -10 m).

Jądro atomowe składa się z cząstek elementarnych protony i neutrony. Model protonowo-neutronowy jądra został zaproponowany przez rosyjskiego fizyka D. D. Ivanenko, a następnie opracowany przez V. Heisenberga.

proton ( R) ma ładunek dodatni równy elektronowi i masie spoczynkowej t p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m mi, gdzie m mi to masa elektronu. Neutron ( n)-neutralna cząstka o masie spoczynkowej m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839t mi ,. Masę protonów i neutronów często wyraża się w innych jednostkach - w jednostkach masy atomowej (a.m.u., jednostka masy równa 1/12 masy atomu węgla
). Masy protonu i neutronu są w przybliżeniu równe jednej jednostce masy atomowej. Protony i neutrony nazywają się nukleony(od łac. jądro-jądro). Łączna nukleony w jądrze atomowym nazywamy liczbą masową ALE).

Promienie jąder rosną wraz ze wzrostem liczby masowej zgodnie z zależnością R= 1,4ALE 1/3 10 -13 cm.

Eksperymenty pokazują, że jądra nie mają ostrych granic. W centrum jądra znajduje się pewna gęstość materii jądrowej, która wraz ze wzrostem odległości od centrum stopniowo spada do zera. Ze względu na brak dobrze określonej granicy jądra, jego „promień” definiuje się jako odległość od środka, w której gęstość materii jądrowej zmniejsza się o połowę. Rozkład średniej gęstości materii dla większości jąder okazuje się nie tylko kulisty. Większość jąder jest zdeformowana. Często jądra mają postać wydłużonych lub spłaszczonych elipsoid.

Jądro atomowe jest scharakteryzowane opłataZe, gdzie Znumer obciążenia jądro, równa liczbie protonów w jądrze i pokrywająca się z numerem seryjnym pierwiastka chemicznego w układzie okresowym pierwiastków Mendelejewa.

Jądro jest oznaczone tym samym symbolem co neutralny atom:
, gdzie X- symbol pierwiastka chemicznego, Z liczba atomowa (liczba protonów w jądrze), ALE- liczba masowa (liczba nukleonów w jądrze). Liczba masowa ALE w przybliżeniu równa masie jądra w jednostkach masy atomowej.

Ponieważ atom jest obojętny, ładunek jądra Z określa liczbę elektronów w atomie. Liczba elektronów zależy od rozkładu na stany w atomie. Ładunek jądra określa specyfikę danego pierwiastka chemicznego, tj. określa liczbę elektronów w atomie, konfigurację ich powłok elektronowych, wielkość i charakter wewnątrzatomowego pola elektrycznego.

Jądra o tych samych numerach ładunków Z, ale z różnymi liczbami masowymi ALE(tj. z różne liczby neutrony N=A-Z) nazywane są izotopami, a jądra o tym samym ALE, ale inny Z- izobary. Na przykład wodór ( Z= l) ma trzy izotopy: H - prot ( Z=l, N= 0), H - deuter ( Z=l, N= 1), H - tryt ( Z=l, N= 2), cyna - dziesięć izotopów itp. W przeważającej większości izotopy tego samego pierwiastka chemicznego mają ten sam związek chemiczny i prawie identyczne właściwości fizyczne.

mi, MeV

Poziomy energii

i obserwowane przejścia dla jądra atomu boru

Teoria kwantów ściśle ogranicza wartości energii, jakie mogą mieć części składowe jąder. Zbiory protonów i neutronów w jądrach mogą znajdować się tylko w pewnych dyskretnych stanach energetycznych charakterystycznych dla danego izotopu.

Kiedy elektron przechodzi z wyższego do niższego stanu energetycznego, różnica energii jest emitowana w postaci fotonu. Energia tych fotonów jest rzędu kilku elektronowoltów. W przypadku jąder poziomy energii mieszczą się w zakresie od około 1 do 10 MeV. Podczas przejść między tymi poziomami emitowane są fotony o bardzo wysokich energiach (kwanty γ). Aby zilustrować takie przejścia na ryc. 6.1 pokazuje pierwsze pięć poziomów energetycznych jądra
.Pionowe linie wskazują obserwowane przejścia. Na przykład podczas przejścia jądra ze stanu o energii 3,58 MeV do stanu o energii 2,15 MeV emitowany jest kwant γ o energii 1,43 MeV.

Planety, a nawet samo Słońce, są małe w porównaniu z wielkością Układu Słonecznego. Na przykład odległość Ziemi od Słońca jest około 100 razy większa niż średnica Słońca, a odległość od Słońca do najdalszej planety Pluton jest 4000 razy większa niż średnica Słońca. Objętość słońca jest tylko

■iwuoiuo'oJ - Objętość kuli o promieniu równym odległości od Słońca do Plutona. Ta sama sytuacja ma miejsce w atomie, mimo że prawie cały ciężar atomu jest skoncentrowany w jego jądrze 10, wymiary jądra są bardzo małe w porównaniu z wymiarami atomu.

Średnice jąder atomów różnych pierwiastków różnią się nieco od siebie, ale ogólnie średnica jądra jest około 100 000 razy mniejsza niż średnica atomu. Więc

Tak więc jądro zajmuje tylko „T” w atomie

Część jego objętości (przypomnij sobie, że objętość jest proporcjonalna do

Nalen do sześcianu o średnicy). Jądro w atomie zajmuje 2000 razy mniej miejsca niż słońce w Układzie Słonecznym.

Gdyby jądro zostało powiększone do rozmiarów główki od szpilki, atom z trudem zmieściłby się w ogromnej stumetrowej hali. Gdybyśmy powiększyli jądro do rozmiarów śruby zegarka kieszonkowego, wówczas atom byłby większy niż ogromny parowiec oceaniczny (ryc. 3).

Załóżmy teraz, że można było ścisnąć materię do takiego stopnia, że ​​jądra atomów zetknęłyby się ze sobą. Wtedy ogromny pancernik o wyporności 45 000 ton zmieściłby się w łebku od szpilki!

Naszym zadaniem jest opowiedzenie o jądrze atomowym i jego energii. Nie będziemy tutaj szczegółowo omawiać atomu i jego budowy, a jeśli powyżej musieliśmy się nad tym krótko rozwodzić

Pytanie tylko dlatego, że jądro jest częścią atomu. Bez znajomości struktury atomu niemożliwe jest zbadanie właściwości jądra. Dlatego fizycy najpierw energetycznie zajęli się atomem. Badania jądra zaczęto koncentrować dopiero około 15 lat temu, kiedy budowa atomu stała się dobrze znana.Obecnie badanie właściwości i struktury jądra atomowego jest właśnie głównym problemem, z którym boryka się wielu fizyków.

Wiemy, że jądro jest centrum atomu, znamy już jego ładunek, wagę i wielkość.

Ale jak jest ułożone jądro? Czy jądro składa się z innych prostszych cząstek, czy też samo jest najprostszą cząsteczką? Czy można zniszczyć rdzeń i jak to zrobić? Wszystkie te pytania pojawiają się teraz przed nami i wymagają odpowiedzi.

Aplikacja energia nuklearna jest dość Nowa okolica nauka i technologia. Tyle jeszcze nie wiadomo. Nie będziemy fantazjować na ten temat. Wykorzystanie energii jądrowej, o którym rozmawialiśmy...

Oprócz uranu jądra pierwiastków protaktynu (ładunek 91) i toru (ładunek 90) również ulegają rozszczepieniu pod wpływem neutronów. Stosowanie protaktynu nie ma absolutnie żadnego znaczenia, ponieważ ten pierwiastek jest bardzo rzadki: w ...

235 Rozszczepienie jąder uranu 92 w naturalnym uranie zmieszanym z grafitem prowadzi, jak wynika z tego, co zostało powiedziane powyżej, do powstania plutonu. Godne uwagi jest to, że pluton ma takie same właściwości jak...

Pytania „Z czego zrobiona jest materia?”, „Jaka jest natura materii?” zawsze zajmowała ludzkość. Od czasów starożytnych filozofowie i naukowcy szukali odpowiedzi na te pytania, tworząc zarówno realistyczne, jak i całkowicie niesamowite i fantastyczne teorie i hipotezy. Jednak dosłownie sto lat temu ludzkość zbliżyła się do rozwikłania tej tajemnicy, odkrywając atomową strukturę materii. Ale jaki jest skład jądra atomu? Z czego wszystko się składa?

Od teorii do rzeczywistości

Na początku XX wieku struktura atomowa przestała być tylko hipotezą, ale stała się absolutnym faktem. Okazało się, że skład jądra atomu jest bardzo złożonym pojęciem. Składa się z Ale pojawiło się pytanie: skład atomu i zawierać inną liczbę tych ładunków czy nie?

model planetarny

Początkowo wyobrażali sobie, że atom zbudowany jest bardzo podobnie do naszego. Układ Słoneczny. Szybko jednak okazało się, że pogląd ten nie do końca był słuszny. Problem czysto mechanicznego przeniesienia skali astronomicznej obrazu na obszar zajmujący milionowe części milimetra doprowadził do znaczącej i dramatycznej zmiany właściwości i jakości zjawisk. Główna różnica polegała na znacznie bardziej rygorystycznych prawach i zasadach, według których zbudowany jest atom.

Wady modelu planetarnego

Po pierwsze, skoro atomy tego samego rodzaju i pierwiastka muszą być dokładnie takie same pod względem parametrów i właściwości, orbity elektronów tych atomów również muszą być takie same. Jednak prawa ruchu ciał astronomicznych nie mogły dostarczyć odpowiedzi na te pytania. Druga sprzeczność polega na tym, że ruchowi elektronu po orbicie, jeśli zastosuje się do niego dobrze zbadane prawa fizyczne, musi koniecznie towarzyszyć ciągłe uwalnianie energii. W rezultacie proces ten doprowadziłby do wyczerpania elektronu, który ostatecznie wyginąłby, a nawet wpadł do jądra.

Struktura falowa matki oraz

W 1924 roku młody arystokrata Louis de Broglie wpadł na pomysł, który zwrócił społeczność naukową wokół takich kwestii, jak skład jąder atomowych. Pomysł polegał na tym, że elektron to nie tylko poruszająca się kula, która krąży wokół jądra. To rozmyta substancja, która porusza się zgodnie z prawami, które przypominają rozchodzenie się fal w przestrzeni. Dość szybko idea ta została rozszerzona na ruch dowolnego ciała jako całości, wyjaśniając, że zauważamy tylko jedną stronę tego ruchu, ale druga nie jest tak naprawdę manifestowana. Widzimy propagację fal i nie zauważamy ruchu cząstki lub odwrotnie. W rzeczywistości obie te strony ruchu istnieją zawsze, a obrót elektronu na orbicie to nie tylko ruch samego ładunku, ale także propagacja fal. To podejście zasadniczo różni się od wcześniej przyjętego modelu planetarnego.

Podstawowa podstawa

Jądro atomu jest centrum. Elektrony krążą wokół niego. Wszystko inne zależy od właściwości rdzenia. O takim pojęciu jak skład jądra atomu trzeba mówić od samego początku. ważny punkt- za opłatą. W składzie atomu znajduje się taki, który niesie ładunek ujemny. Samo jądro ma ładunek dodatni. Z tego możemy wyciągnąć pewne wnioski:

1. Jądro jest cząstką naładowaną dodatnio.
2. Wokół jądra pulsuje atmosfera wytworzona przez ładunki.
3. To jądro i jego cechy decydują o liczbie elektronów w atomie.

Właściwości jądra

Miedź, szkło, żelazo, drewno mają te same elektrony. Atom może stracić kilka elektronów lub nawet wszystkie. Jeśli jądro pozostaje naładowane dodatnio, to jest w stanie przyciągać właściwa ilość ujemnie naładowane cząstki z innych ciał, co pozwala mu przetrwać. Jeśli atom straci pewną liczbę elektronów, to dodatni ładunek na jądrze będzie większy niż pozostała część ładunków ujemnych. W takim przypadku cały atom uzyska nadmiar ładunku i można go nazwać jonem dodatnim. W niektórych przypadkach atom może przyciągać duża ilość elektronów, a następnie staje się naładowany ujemnie. Dlatego można go nazwać jonem ujemnym.

Ile waży atom ?

Masę atomu określa głównie jądro. Elektrony tworzące atom i jądro atomowe ważą mniej niż jedną tysięczną całkowitej masy. Ponieważ masa jest uważana za miarę rezerwy energii, którą posiada substancja, fakt ten jest uważany za niezwykle ważny przy badaniu takiej kwestii, jak skład jądra atomowego.

Radioaktywność

Bardzo trudne pytania pojawiły się po odkryciu Pierwiastki promieniotwórcze emitują fale alfa, beta i gamma. Ale takie promieniowanie musi mieć źródło. Rutherford w 1902 roku wykazał, że takim źródłem jest sam atom, a raczej jądro. Z drugiej strony radioaktywność to nie tylko emisja promieni, ale także przemiana jednego pierwiastka w inny, o zupełnie nowych właściwościach chemicznych i fizycznych. Oznacza to, że radioaktywność to zmiana w jądrze.

Co wiemy o strukturze jądrowej?

Prawie sto lat temu fizyk Prout wysunął ideę, że pierwiastki układ okresowy nie są formami niespójnymi, ale są kombinacjami, dlatego można by oczekiwać, że zarówno ładunki, jak i masy jąder będą wyrażane w postaci całkowitych i wielokrotnych ładunków samego wodoru. Nie jest to jednak do końca prawdą. Badając właściwości jąder atomowych za pomocą pól elektromagnetycznych, fizyk Aston odkrył, że pierwiastki, których masy atomowe nie są liczbami całkowitymi i wielokrotnościami, są w rzeczywistości kombinacją różnych atomów, a nie jedną substancją. We wszystkich przypadkach, w których masa atomowa nie jest liczbą całkowitą, obserwujemy mieszaninę różnych izotopów. Co to jest? Jeśli mówimy o składzie jądra atomu, izotopy to atomy o tych samych ładunkach, ale o różnych masach.

Einstein i jądro atomu

Teoria względności mówi, że masa nie jest miarą, za pomocą której określa się ilość materii, ale miarą energii, jaką posiada materia. W związku z tym materię można mierzyć nie masą, ale ładunkiem, który ją tworzy, oraz energią ładunku. Kiedy ten sam ładunek zbliży się do innego takiego samego, energia wzrośnie, w przeciwnym razie zmniejszy się. To oczywiście nie oznacza zmiany w materii. W związku z tym z tej pozycji jądro atomu nie jest źródłem energii, ale raczej pozostałością po jego uwolnieniu. Jest więc pewna sprzeczność.

Neutrony

Curie, bombardowani cząsteczkami alfa berylu, odkryli niezrozumiałe promienie, które zderzając się z jądrem atomu, odpychają je z wielką siłą. Są jednak w stanie przejść przez dużą grubość materii. Sprzeczność tę rozwiązał fakt, że dana cząstka okazała się mieć obojętny ładunek elektryczny. W związku z tym nazwano go neutronem. Dzięki dalszym badaniom okazało się, że jest prawie taki sam jak protonu. Ogólnie rzecz biorąc, neutron i proton są niesamowicie podobne. Biorąc pod uwagę to odkrycie, z pewnością udało się ustalić, że zarówno protony, jak i neutrony wchodzą w skład jądra atomu i to w równych ilościach. Wszystko stopniowo układało się na swoim miejscu. Liczba protonów to liczba atomowa. Masa atomowa to suma mas neutronów i protonów. Izotop można również nazwać pierwiastkiem, w którym liczba neutronów i protonów nie będzie sobie równa. Jak wspomniano powyżej, w takim przypadku, chociaż element pozostaje zasadniczo ten sam, jego właściwości mogą ulec znacznej zmianie.

Na długo przed wiarygodnymi danymi na temat układ wewnętrzny ze wszystkich rzeczy greccy myśliciele wyobrażali sobie materię w postaci najmniejszych ognistych cząstek, które były w w ciągłym ruchu. Zapewne ta wizja światowego porządku rzeczy została wyprowadzona z czysto logicznych wniosków. Mimo pewnej naiwności i absolutnego braku dowodów na to stwierdzenie, okazało się to prawdą. Chociaż naukowcy byli w stanie potwierdzić śmiałe przypuszczenie dopiero dwadzieścia trzy wieki później.

Struktura atomów

W późny XIX Od wieków badano właściwości rury wyładowczej, przez którą przepływa prąd. Obserwacje wykazały, że emitowane są dwa strumienie cząstek:

Ujemne cząstki promieni katodowych nazwano elektronami. Następnie w wielu procesach znaleziono cząstki o tym samym stosunku ładunku do masy. Elektrony wydawały się być uniwersalnymi składnikami różnych atomów, dość łatwo oddzielonych bombardowaniem jonów i atomów.

Cząstki o ładunku dodatnim były reprezentowane przez fragmenty atomów po utracie jednego lub więcej elektronów. W rzeczywistości promienie dodatnie były grupami atomów pozbawionych cząstek ujemnych, a zatem mających ładunek dodatni.

Model Thompsona

Na podstawie eksperymentów stwierdzono, że cząstki dodatnie i ujemne reprezentują istotę atomu, są jego składnikami. Swoją teorię przedstawił angielski naukowiec J. Thomson. Jego zdaniem budowa atomu i jądra atomowego była rodzajem masy, w której ładunki ujemne zostały ściśnięte w dodatnio naładowaną kulkę, jak rodzynki w babeczce. Kompensacja ładunku spowodowała, że ​​ciasto stało się elektrycznie obojętne.

Model Rutherforda

Młody amerykański naukowiec Rutherford, analizując ślady pozostawione po cząstkach alfa, doszedł do wniosku, że model Thompsona jest niedoskonały. Niektóre cząstki alfa zostały odchylone przez małe rogi- w 5-10 o. W rzadkich przypadkach cząstki alfa były odchylane pod dużymi kątami 60-80 o , aw wyjątkowych przypadkach kąty były bardzo duże - 120-150 o . Model atomu Thompsona nie mógł wyjaśnić takiej różnicy.

Rutherford proponuje nowy model wyjaśnienie budowy atomu i jądra atomowego. Fizyka procesów mówi, że atom musi być w 99% pusty, z maleńkim jądrem i krążącymi wokół niego elektronami, które poruszają się po orbitach.

Wyjaśnia odchylenia podczas zderzeń tym, że cząsteczki atomu mają własne ładunki elektryczne. Pod wpływem bombardowania naładowanych cząstek pierwiastki atomowe zachowują się jak zwykłe naładowane ciała w makrokosmosie: cząstki o tych samych ładunkach odpychają się, a o przeciwnych ładunkach przyciągają.

Stan atomów

Na początku ubiegłego wieku, kiedy uruchomiono pierwsze akceleratory cząstki elementarne, wszystkie teorie wyjaśniające budowę jądra atomowego i samego atomu czekały na eksperymentalną weryfikację. Do tego czasu interakcje promieni alfa i beta z atomami zostały już dokładnie zbadane. Do 1917 wierzono, że atomy są stabilne lub radioaktywne. Atomów stabilnych nie można rozszczepić, nie można kontrolować rozpadu jąder promieniotwórczych. Ale Rutherford zdołał obalić tę opinię.

Pierwszy proton

W 1911 E. Rutherford wysunął ideę, że wszystkie jądra składają się z tych samych pierwiastków, których podstawą jest atom wodoru. Ten pomysł naukowca został podyktowany ważnym wnioskiem z wcześniejszych badań struktury materii: mas wszystkich pierwiastki chemiczne podzielony bez reszty przez masę wodoru. Nowe założenie otworzyło niespotykane dotąd możliwości, pozwalając na nowe spojrzenie na budowę jądra atomowego. Reakcje jądrowe musiały potwierdzić lub obalić nową hipotezę.

Eksperymenty przeprowadzono w 1919 roku z atomami azotu. Bombardując je cząsteczkami alfa Rutherford osiągnął niesamowity rezultat.

Atom N wchłonął cząsteczkę alfa, a następnie zamienił się w atom tlenu O 17 i wyemitował jądro wodoru. Była to pierwsza sztuczna transformacja atomu jednego pierwiastka w drugi. Podobne doświadczenie dał nadzieję, że struktura jądra atomowego, fizyka istniejące procesy pozwalają na inne przemiany jądrowe.

Naukowiec w swoich eksperymentach zastosował metodę scyntylacji - błysków. Na podstawie częstotliwości błysków wyciągnął wnioski na temat składu i budowy jądra atomowego, charakterystyki powstających cząstek, ich masa atomowa i numer seryjny. Nieznana cząstka została nazwana przez Rutherforda protonem. Miał wszystkie cechy atomu wodoru pozbawionego pojedynczego elektronu - pojedynczy ładunek dodatni i odpowiadającą mu masę. W ten sposób udowodniono, że proton i jądro wodoru to te same cząstki.

W 1930 roku, kiedy zbudowano i uruchomiono pierwsze duże akceleratory, przetestowano i udowodniono model atomu Rutherforda: każdy atom wodoru składa się z pojedynczego elektronu, którego położenia nie można określić, oraz luźnego atomu z samotnym dodatnim protonem w środku. . Ponieważ protony, elektrony i cząstki alfa mogą wylecieć z atomu podczas bombardowania, naukowcy sądzili, że są one składnikami jądra każdego atomu. Ale taki model atomu jądra wydawał się niestabilny - elektrony były zbyt duże, aby zmieścić się w jądrze, dodatkowo pojawiły się poważne trudności związane z naruszeniem prawa pędu i zachowania energii. Te dwie ustawy, podobnie jak surowi księgowi, mówiły, że pęd i masa podczas bombardowania znikają w nieznanym kierunku. Ponieważ te prawa były ogólnie akceptowane, konieczne było znalezienie wyjaśnień takiego wycieku.

Neutrony

Naukowcy z całego świata przeprowadzili eksperymenty mające na celu odkrycie nowych składników jąder atomów. W latach 30. niemieccy fizycy Becker i Bothe bombardowali atomy berylu cząstkami alfa. W tym przypadku zarejestrowano nieznane promieniowanie, które postanowiono nazwać promieniami G. Szczegółowe badania ujawniły pewne cechy nowych belek: mogły rozchodzić się ściśle po linii prostej, nie wchodziły w interakcje z elektrycznością i pola magnetyczne, miał dużą siłę przebicia. Później cząstki, które tworzą ten rodzaj promieniowania, zostały znalezione w interakcji cząstek alfa z innymi pierwiastkami - borem, chromem i innymi.

Hipoteza Chadwicka

Następnie James Chadwick, kolega i uczeń Rutherforda, przedstawił w magazynie Nature krótki raport, który później stał się powszechnie znany. Chadwick zwrócił uwagę na fakt, że sprzeczności w prawach zachowania można łatwo rozwiązać, jeśli założymy, że nowe promieniowanie jest strumieniem cząstek obojętnych, z których każda ma masę w przybliżeniu równą masie protonu. Biorąc pod uwagę to założenie, fizycy znacząco uzupełnili hipotezę wyjaśniającą budowę jądra atomowego. Krótko mówiąc, istota dodatków została zredukowana do nowej cząstki i jej roli w strukturze atomu.

Właściwości neutronu

Odkrytej cząstce nadano nazwę „neutron”. Nowo odkryte cząstki nie tworzyły wokół siebie pól elektromagnetycznych i łatwo przechodziły przez materię, nie tracąc energii. W rzadkich zderzeniach z lekkimi jądrami atomów neutron jest w stanie wybić jądro z atomu, tracąc znaczną część jego energii. Struktura jądra atomowego zakładała obecność w każdej substancji różnej liczby neutronów. Atomy o tym samym ładunku jądrowym, ale z inna kwota neutrony nazywane są izotopami.

Neutrony doskonale zastępują cząstki alfa. Obecnie służą do badania budowy jądra atomowego. Krótko mówiąc, ich znaczenia dla nauki nie da się opisać, ale to dzięki bombardowaniu jąder atomowych przez neutrony fizycy byli w stanie uzyskać izotopy niemal wszystkich znanych pierwiastków.

Skład jądra atomu

Obecnie struktura jądra atomowego to zbiór protonów i neutronów utrzymywanych razem przez siły jądrowe. Na przykład jądro helu to bryła dwóch neutronów i dwóch protonów. Lekkie pierwiastki mają prawie równą liczbę protonów i neutronów. ciężkie elementy liczba neutronów jest znacznie większa.

Ten obraz struktury jądra potwierdzają eksperymenty z nowoczesnymi dużymi akceleratorami z szybkimi protonami. Elektryczne siły odpychania protonów są równoważone przez energiczne siły, które działają tylko w samym jądrze. Chociaż natura sił jądrowych nie jest jeszcze w pełni poznana, ich istnienie jest praktycznie udowodnione i w pełni wyjaśnia strukturę jądra atomowego.

Związek między masą a energią

W 1932 roku w komorze mgłowej wykonano niesamowite zdjęcie dowodzące istnienia dodatnio naładowanych cząstek o masie elektronu.

Wcześniej P. Dirac przewidywał teoretycznie dodatnie elektrony. W promieniowaniu kosmicznym odkryto również prawdziwy dodatni elektron. Nową cząstkę nazwano pozytonem. W zderzeniu ze swoim bliźniakiem - elektronem dochodzi do anihilacji - wzajemnej anihilacji dwóch cząstek. To uwalnia pewną ilość energii.

Tak więc teoria opracowana dla makrokosmosu była w pełni odpowiednia do opisu zachowania najmniejszych elementów materii.