Atom yadrosining tarkibi va tuzilishi (qisqacha). Atom yadrosi: tarkibi, xususiyatlari, modellari, yadro kuchlari. Og'irligi. Yadro o'lchamlari

Ma'lum miqdordagi proton va neytronlarga ega bo'lgan zarralar sinfi sifatida qaraladigan atom yadrosi odatda deyiladi. nuklid.
Ba'zi kamdan-kam hollarda qisqa muddatli ekzotik atomlar hosil bo'lishi mumkin, ularda nuklon o'rniga boshqa zarralar yadro vazifasini bajaradi.

Yadrodagi protonlar soni uning zaryad soni deb ataladi Z (\displaystyle Z)- bu raqam Mendeleyev jadvalidagi atom tegishli bo'lgan elementning seriya raqamiga teng (Elementlarning davriy jadvali). Yadrodagi protonlar soni neytral atomning elektron qobig'ining tuzilishini va shuning uchun tegishli elementning kimyoviy xususiyatlarini aniqlaydi. Yadrodagi neytronlar soni uning deyiladi izotopik raqam N (\displaystyle N). Protonlar soni bir xil va neytronlari turlicha bo'lgan yadrolar izotoplar deyiladi. Neytronlar soni bir xil, lekin protonlar soni har xil bo'lgan yadrolarga izotonlar deyiladi. Izotop va izoton atamalari ushbu yadrolarni o'z ichiga olgan atomlarga nisbatan, shuningdek, bitta kimyoviy elementning kimyoviy bo'lmagan navlarini tavsiflash uchun ham qo'llaniladi. To'liq miqdor yadrodagi nuklonlar uning massa soni deb ataladi A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) va davriy jadvalda ko'rsatilgan o'rtacha atom massasiga taxminan teng. Massa soni bir xil, ammo proton-neytron tarkibi har xil bo'lgan nuklidlar odatda izobarlar deb ataladi.

Har qanday kvant tizimi singari, yadrolar ham metastabil qo'zg'aluvchan holatda bo'lishi mumkin va ba'zi hollarda bunday holatning umrini yillar bilan hisoblash mumkin. Yadrolarning bunday qo'zg'aluvchan holatlari yadro izomerlari deyiladi.

Entsiklopedik YouTube

1 / 5

Atom yadrosining tuzilishi. Yadro kuchlari

Yadro kuchlari Yadrodagi zarrachalarning bog'lanish energiyasi Uran yadrolarining bo'linishi Zanjirli reaksiya

Atom yadrosining tuzilishi Yadro kuchlari

Kimyo. Atom tuzilishi: Atom yadrosi. Foxford Onlayn o'quv markazi

Yadro reaksiyalari

Subtitrlar

Hikoya

Zaryadlangan zarrachalarning tarqalishini bir nuqtada to'plangan va teng kattalikdagi qarama-qarshi elektrning bir xil sferik taqsimoti bilan o'ralgan markaziy elektr zaryadidan tashkil topgan atomni faraz qilish bilan izohlash mumkin. Atomning bunday joylashishi bilan a- va b-zarralar atom markazidan yaqin masofada o'tganda, bunday og'ish ehtimoli kichik bo'lsa-da, katta og'ishlarni boshdan kechiradi.

Shunday qilib, Rezerford atom yadrosini kashf etdi va shu paytdan boshlab yadro fizikasi atom yadrolarining tuzilishi va xususiyatlarini o'rgana boshladi.

Elementlarning barqaror izotoplari kashf etilgandan so'ng, eng engil atomning yadrosiga barcha yadrolarning strukturaviy zarrasi roli berildi. 1920 yildan beri vodorod atomining yadrosi rasmiy nomga ega - proton. Ko'pgina aniq kamchiliklarga ega bo'lgan yadro tuzilishining oraliq proton-elektron nazariyasi, birinchi navbatda, yadrolarning spinlari va magnit momentlarini o'lchashning eksperimental natijalariga zid bo'lganidan so'ng, 1932 yilda Jeyms Chedvik yangi elektr neytral zarrachani kashf etdi. neytron deb ataladi. Xuddi shu yili Ivanenko va mustaqil ravishda Geyzenberg yadroning proton-neytron tuzilishi haqida faraz qildilar. Keyinchalik, yadro fizikasi va uning qo'llanilishining rivojlanishi bilan bu faraz to'liq tasdiqlandi.

Atom yadrosining tuzilishi haqidagi nazariyalar

Fizikaning rivojlanish jarayonida atom yadrosining tuzilishiga oid turli farazlar ilgari surildi; ammo ularning har biri faqat cheklangan yadroviy xossalarni tavsiflashga qodir. Ba'zi modellar bir-birini istisno qilishi mumkin.

Eng mashhurlari quyidagilardir:

• Yadroning tomchi modeli - 1936 yilda Nils Bor tomonidan taklif qilingan.
• Yadroning qobiq modeli - 20-asrning 30-yillarida taklif qilingan.
• Bor-Mottelsonning umumlashtirilgan modeli
• Klaster yadrosi modeli
• Nuklon assotsiatsiyasi modeli
• Superfluid yadro modeli
• Yadroning statistik modeli

Yadro fizik xususiyatlari

Atom yadrolarining zaryadlarini birinchi marta 1913 yilda Genri Mozili aniqlagan. Olim o'zining eksperimental kuzatishlarini rentgen to'lqin uzunligining ma'lum bir konstantaga bog'liqligi bilan izohladi. Z (\displaystyle Z), elementdan elementga bir xil va vodorod uchun birga teng:

1 / l = a Z - b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda ))=aZ-b), Qayerda

A (\displaystyle a) Va b (\displaystyle b)- doimiy.

Mozilining xulosasiga ko'ra, o'z tajribalarida topilgan, xarakterli rentgen nurlanishining to'lqin uzunligini aniqlaydigan va elementning atom raqamiga to'g'ri keladigan atom konstantasi faqat atom yadrosining zaryadi bo'lishi mumkin, bu atom yadrosining zaryadi bo'lishi mumkin. Moseley qonuni .

Og'irligi

Neytronlar sonidagi farq tufayli A - Z (\displaystyle A-Z) Elementning izotoplari har xil massaga ega M (A , Z) (\displaystyle M(A,Z)), bu muhim xususiyat yadrolari. IN yadro fizikasi Yadrolarning massasi odatda atom-massa birliklarida o'lchanadi ( A. yemoq.), biri uchun a. e.m. 12 C nuklid massasining 1/12 qismini oling. Shuni ta'kidlash kerakki, odatda nuklid uchun berilgan standart massa neytral atomning massasi hisoblanadi. Yadroning massasini aniqlash uchun atom massasidan barcha elektronlarning massalari yig'indisini ayirish kerak (ko'proq). aniq qiymat agar biz elektronlarning yadro bilan bog'lanish energiyasini ham hisobga olsak, u ishlaydi).

Bundan tashqari, massaning energiya ekvivalenti ko'pincha yadro fizikasida qo'llaniladi. Eynshteyn munosabatlariga ko'ra, har bir massa qiymati M (\displaystyle M) umumiy energiyaga to'g'ri keladi:

E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), Qayerda c (\displaystyle c)- vakuumdagi yorug'lik tezligi.

o'rtasidagi munosabatlar a. e.m va uning jouldagi energiya ekvivalenti:

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1.66059.\t^29) 25\ cdot 10^(8))^(2)=1,492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

Radius

Og'ir yadrolarning parchalanishini tahlil qilish Rezerfordning taxminini aniqladi va yadro radiusini massa soniga oddiy munosabat bilan bog'ladi:

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

konstanta qayerda.

Chunki yadro radiusi sof emas geometrik xarakteristikasi va birinchi navbatda yadro kuchlarining ta'sir doirasi, keyin qiymati bilan bog'liq r 0 (\displaystyle r_(0)) tahlili davomida qiymat olingan jarayonga bog'liq R (\displaystyle R), o'rtacha qiymat r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1,23\cdot 10^(-15)) m, shuning uchun yadro radiusi metrda:

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

Yadro lahzalari

Uni tashkil etuvchi nuklonlar singari, yadroning ham o'z momentlari bor.

Spin

Chunki nuklonlarning o'z mexanik momenti yoki spini ga teng 1/2 (\displaystyle 1/2), keyin yadrolar ham mexanik momentlarga ega bo'lishi kerak. Bundan tashqari, nuklonlar orbital harakatda yadroda ishtirok etadilar, bu ham har bir nuklonning ma'lum bir burchak impulsi bilan tavsiflanadi. Orbital momentlar faqat butun son qiymatlarni oladi ℏ (\displaystyle \hbar)(Dirak doimiysi). Nuklonlarning spin va orbital barcha mexanik momentlari algebraik jihatdan umumlashtiriladi va yadro spinini tashkil qiladi.

Yadrodagi nuklonlar soni juda ko'p bo'lishiga qaramay, yadro spinlari odatda kichik bo'lib, bir nechtadan ko'p bo'lmaydi. ℏ (\displaystyle \hbar), bu xuddi shu nomdagi nuklonlarning o'zaro ta'sirining o'ziga xosligi bilan izohlanadi. Barcha juftlashgan proton va neytronlar o'zaro ta'sir qiladi, ularning spinlari bir-birini bekor qiladi, ya'ni juftlar doimo antiparallel spinlar bilan o'zaro ta'sir qiladi. Juftlikning umumiy orbital momentumi ham har doim nolga teng. Natijada, juft sonli proton va juft sonli neytronlardan tashkil topgan yadrolar mexanik momentga ega emas. Nolga teng bo'lmagan spinlar faqat juftlanmagan nuklonlarni o'z ichiga olgan yadrolar uchun mavjud bo'lib, bunday nuklonning spini uning orbital impulsi bilan yig'iladi va qandaydir yarim butun qiymatga ega: 1/2, 3/2, 5/2; Toq-toq yadrolarning butun spinlari bor: 1, 2, 3 va boshqalar.

Magnit moment

Spinlarni o'lchash ular bilan bevosita bog'liq bo'lgan magnit momentlarning mavjudligi bilan mumkin bo'ladi. Ular magnetonlarda o'lchanadi va turli yadrolar uchun ular -2 dan +5 yadro magnetonlariga teng. Nisbatan tufayli katta massa nuklonlar, yadrolarning magnit momentlari elektronlarning magnit momentlariga nisbatan juda kichik, shuning uchun ularni o'lchash ancha qiyin. Spinlar singari, magnit momentlar spektroskopik usullar yordamida o'lchanadi, eng aniqi yadro magnit-rezonans usulidir.

Spin kabi juft-juft juftlarning magnit momenti nolga teng. Juftlanmagan nuklonli yadrolarning magnit momentlari bu nuklonlarning ichki momentlari va juftlanmagan protonning orbital harakati bilan bog'liq bo'lgan moment orqali hosil bo'ladi.

Elektr to'rt kutupli moment

Spin birlikdan katta yoki teng bo'lgan atom yadrolari nolga teng bo'lmagan to'rt kutupli momentlarga ega bo'lib, bu ularning aniq sharsimon emasligini ko'rsatadi. Agar yadro spin o'qi bo'ylab cho'zilgan bo'lsa (fusiform tana) to'rt kutupli moment plyus belgisiga ega, agar yadro spin o'qiga perpendikulyar tekislikda cho'zilsa (lentikulyar jism). Ijobiy va manfiy kvadrupol momentli yadrolar ma'lum. Nolga teng bo'lmagan kvadrupol momentga ega yadro tomonidan yaratilgan elektr maydonida sferik simmetriyaning yo'qligi atom elektronlarining qo'shimcha energiya darajalarining paydo bo'lishiga va atomlarning spektrlarida juda nozik tuzilishga ega chiziqlarning paydo bo'lishiga olib keladi, ular orasidagi masofalar bog'liq. to'rt qutbli momentda.

Aloqa energiyasi

Yadrolarning barqarorligi

Massa sonlari 50-60 dan katta yoki kichik boʻlgan nuklidlar uchun oʻrtacha bogʻlanish energiyasi kamayib borishidan shunday xulosa kelib chiqadiki, kichik yadrolar uchun. A (\displaystyle A) termoyadroviy sintez energetik jihatdan qulay - termoyadroviy sintez, o'sishga olib keladi massa raqami, va katta bo'lgan yadrolar uchun A (\displaystyle A)- bo'linish jarayoni. Hozirgi vaqtda energiya chiqishiga olib keladigan bu ikkala jarayon ham amalga oshirildi, ikkinchisi zamonaviy atom energiyasining asosi bo'lib, birinchisi ishlab chiqilmoqda.

Batafsil tadqiqotlar shuni ko'rsatdiki, yadrolarning barqarorligi ham sezilarli darajada parametrga bog'liq N/Z (\displaystyle N/Z)- neytron va protonlar sonining nisbati. Eng barqaror yadrolar uchun o'rtacha N / Z ≈ 1 + 0,015 A 2/3 (\displaystyle N/Z\taxminan 1+0,015A^(2/3)), shuning uchun engil nuklidlarning yadrolari eng barqarordir N ≈ Z (\displaystyle N\taxminan Z), va massa soni ortishi bilan protonlar orasidagi elektrostatik itarilish tobora sezilarli bo'ladi va barqarorlik mintaqasi tomon siljiydi. N>Z (\displaystyle N>Z)(tushuntirish rasmiga qarang).

Tabiatda topilgan barqaror nuklidlar jadvalini ko'rib chiqsangiz, ularning juft va toq qiymatlar bo'yicha taqsimlanishiga e'tibor berishingiz mumkin. Z (\displaystyle Z) Va N (\displaystyle N). Ushbu miqdorlarning g'alati qiymatlari bo'lgan barcha yadrolar engil nuklidlarning yadrolaridir 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))). Toq A bo'lgan izobarlar orasida, qoida tariqasida, faqat bittasi barqaror. Hatto holatda A (\displaystyle A) ko'pincha ikki, uch yoki undan ko'p barqaror izobarlar mavjud, shuning uchun juft-juftlar eng barqaror, toq-toq esa eng kam barqarordir. Bu hodisa shuni ko'rsatadiki, neytronlar ham, protonlar ham antiparallel spinlar bilan juft bo'lib guruhlanishga moyildirlar, bu esa yuqorida tavsiflangan bog'lanish energiyasiga bog'liqligi silliqligini buzilishiga olib keladi. A (\displaystyle A) .

Shunday qilib, protonlar yoki neytronlar sonining pariteti ma'lum bir barqarorlik chegarasini yaratadi, bu esa mos ravishda izotoplar uchun neytronlar soni va izotonlar uchun protonlar soni bo'yicha farq qiluvchi bir nechta barqaror nuklidlarning mavjudligiga olib keladi. . Shuningdek, og'ir yadrolar tarkibidagi neytronlar sonining pariteti ularning neytronlar ta'sirida bo'linish qobiliyatini belgilaydi.

Yadro kuchlari

Yadro kuchlari - yadroda nuklonlarni ushlab turuvchi kuchlar, ifodalaydi buyuk kuchlar faqat qisqa masofalarda harakat qiladigan diqqatga sazovor joylar. Ular to'yinganlik xususiyatiga ega va shuning uchun yadro kuchlari almashinuv xarakteriga ega (pi mezonlari yordamida). Yadro kuchlari spinga bog'liq, elektr zaryadiga bog'liq emas va markaziy kuchlar emas.

Yadro darajalari

Erkin zarralardan farqli o'laroq, ular uchun energiya har qanday qiymatni (uzluksiz spektr deb ataladi), bog'langan zarralar (ya'ni zarralar) kinetik energiya ulardan kamroq mutlaq qiymat potentsial), kvant mexanikasiga ko'ra, faqat diskret spektr deb ataladigan ma'lum diskret energiya qiymatlariga ega bo'lgan holatlarda bo'lishi mumkin. Yadro bog'langan nuklonlar sistemasi bo'lgani uchun u diskret energiya spektriga ega. Odatda eng past energiya holatida topiladi, deyiladi asosiy. Agar siz energiyani yadroga o'tkazsangiz, u ichiga kiradi hayajonlangan holat.

Yadroning energiya darajalarining joylashuvi birinchi taxminiy ko'rinish sifatida:

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

D (\displaystyle D)- darajalar orasidagi o'rtacha masofa,

Atom musbat zaryadlangan yadro va uni o'rab turgan elektronlardan iborat. Atom yadrolarining o'lchamlari taxminan 10 -14 ... 10 -15 m ( chiziqli o'lchamlar atom - 10 -10 m).

Atom yadrosi elementar zarralardan iborat - protonlar va neytronlar. Yadroning proton-neytron modeli rus fizigi D. D. Ivanenko tomonidan taklif qilingan, keyinchalik V. Geyzenberg tomonidan ishlab chiqilgan.

proton ( R) elektron zaryadga teng musbat zaryad va tinch massaga ega T p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, Qayerda m eelektron massasi. Neytron ( n) – tinch massaga ega neytral zarracha m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. Proton va neytronlarning massasi ko'pincha boshqa birlik - atom massa birliklarida (amu, uglerod atomi massasining 1/12 ga teng massa birligi) ifodalanadi.
). Proton va neytronning massalari taxminan bir atom massa birligidir. Protonlar va neytronlar deyiladi nuklonlar(latdan. yadroyadro). Umumiy soni atom yadrosidagi nuklonlar massa soni deb ataladi A).

Yadrolarning radiuslari massa sonining ortishi munosabati bilan ortadi R= 1,4A 1/3 10 -13 sm.

Tajribalar shuni ko'rsatadiki, yadrolarning keskin chegaralari yo'q. Yadro markazida yadro moddasining ma'lum bir zichligi mavjud bo'lib, u markazdan masofa oshgani sayin asta-sekin nolga tushadi. Yadroning aniq belgilangan chegarasi yo'qligi sababli uning "radiusi" yadro moddasining zichligi ikki baravar kamaygan markazdan masofa sifatida belgilanadi. Ko'pgina yadrolar uchun o'rtacha materiya zichligi taqsimoti shunchaki sharsimon emas. Yadrolarning aksariyati deformatsiyalangan. Ko'pincha yadrolar cho'zilgan yoki tekislangan ellipsoidlar shakliga ega

Atom yadrosi xarakterlidir zaryadZe, Qayerda Zzaryad raqami yadro, yadrodagi protonlar soniga teng va Mendeleyevning elementlar davriy tizimidagi kimyoviy elementning seriya raqamiga to'g'ri keladi.

Yadro neytral atom bilan bir xil belgi bilan belgilanadi:
, Qayerda X- kimyoviy element belgisi, Zatom raqami (yadrodagi protonlar soni), Amassa soni (yadrodagi nuklonlar soni). Massa raqami A taxminan atom massa birliklarida yadro massasiga teng.

Atom neytral bo'lgani uchun yadroning zaryadi Z atomdagi elektronlar sonini aniqlaydi. Ularning atomdagi holatlar o'rtasida taqsimlanishi elektronlar soniga bog'liq. Yadro zaryadi berilgan kimyoviy elementning o'ziga xos xususiyatlarini belgilaydi, ya'ni atomdagi elektronlar sonini, ularning elektron qobiqlarining konfiguratsiyasini, atom ichidagi elektr maydonining kattaligi va tabiatini belgilaydi.

Zaryad raqamlari bir xil bo'lgan yadrolar Z, lekin har xil massa raqamlari bilan A(ya'ni bilan turli raqamlar neytronlar N = A - Z), izotoplar va xuddi shunday yadrolar deyiladi A, lekin boshqacha Z - izobarlar. Masalan, vodorod ( Z= l) uchta izotopga ega: N - protium ( Z= l, N= 0), N - deyteriy ( Z= l, N= 1), N - tritiy ( Z= l, N= 2), qalay - o'nta izotop va boshqalar. Aksariyat hollarda bir xil kimyoviy elementning izotoplari bir xil kimyoviy va deyarli bir xil bo'ladi. jismoniy xususiyatlar.

E, MeV

Energiya darajalari

va bor atom yadrosi uchun kuzatilgan o'tishlar

Kvant nazariyasi yadrolarning tarkibiy qismlari ega bo'lishi mumkin bo'lgan energiyani qat'iy cheklaydi. Yadrolardagi proton va neytronlarning to'planishi faqat ma'lum bir izotopga xos bo'lgan ma'lum diskret energiya holatlarida bo'lishi mumkin.

Elektron yuqori energiya holatidan pastroq energiya holatiga o'tganda, energiya farqi foton sifatida chiqariladi. Ushbu fotonlarning energiyasi bir necha elektron voltga teng. Yadrolar uchun darajali energiya taxminan 1 dan 10 MeV gacha. Bu darajalar orasidagi o'tish paytida juda yuqori energiyali fotonlar (g kvantlar) chiqariladi. Bunday o'tishlarni rasmda ko'rsatish uchun. 6.1 yadro energiyasining birinchi besh darajasini ko'rsatadi
.Vertikal chiziqlar kuzatilgan o'tishlarni bildiradi. Masalan, yadro 3,58 MeV energiyali holatdan 2,15 MeV energiyali holatga o‘tganda, energiyasi 1,43 MeV bo‘lgan g-kvant chiqariladi.

Sayyoralarning o'lchamlari va hatto Quyoshning o'zi ham quyosh tizimining o'lchamiga nisbatan kichikdir. Masalan, Yerdan Quyoshgacha bo'lgan masofa Quyosh diametridan taxminan 100 baravar, Quyoshdan eng uzoq Pluton sayyorasigacha bo'lgan masofa esa Quyosh diametridan 4000 marta katta. Quyoshning hajmi faqat

■iwuoiuoJ - radiusi Quyoshdan Plutongacha bo'lgan masofaga teng bo'lgan sharning hajmi. Xuddi shu holat atomda ham sodir bo'ladi, atomning deyarli barcha og'irligi uning yadrosida to'plangan bo'lishiga qaramay, 10 yadro o'lchamlari atom o'lchamlariga nisbatan juda kichikdir.

Turli elementlar atomlari yadrolarining diametrlari bir-biridan biroz farq qiladi, lekin umuman yadro diametri atom diametridan taxminan 100 000 marta kichikdir. Shunday qilib

Shunday qilib, yadro atomda faqat "T" ni egallaydi

Uning hajmining bir qismi (biz sizga hajmi proportsional ekanligini eslatib o'tamiz

Diametrli kub bilan to'ldirilgan). Atomdagi yadro 2000 marta joy egallaydi kamroq joy Quyosh tizimidagi Quyoshdan ko'ra.

Agar siz yadroni pin boshicha kattalashtirsangiz, atom yuz metrli ulkan zalga sig'maydi. Agar yadroni cho'ntak soati vintidek kattalashtirsak, u holda atom ulkan okean paroxodidan kattaroq bo'lar edi (3-rasm).

Endi faraz qilaylik, moddani atom yadrolari bir-biriga tegadigan darajada siqish mumkin edi. Shunda 45 000 tonna suv sig'imiga ega ulkan jangovar kema pinning boshiga sig'ardi!

Bizning vazifamiz atom yadrosi va uning energiyasi haqida gapirishdir. Biz bu erda atom va uning tuzilishi haqida batafsil gapirmoqchi emasmiz va agar yuqorida bu haqda qisqacha to'xtashimiz kerak edi.

Savol faqat yadro atomning bir qismi ekanligi sababli. Atomning tuzilishini bilmasdan turib, yadro xususiyatlarini o'rganish mumkin emas. Shuning uchun fiziklar birinchi navbatda atomni energetik tarzda o'rganishdi. Yadroni o'rganish faqat 15 yil oldin, atomning tuzilishi yaxshi ma'lum bo'lgan paytda paydo bo'lgan edi.

Biz yadro atomning markazi ekanligini bilamiz, biz uning zaryadini, vaznini va o'lchamlarini allaqachon bilamiz.

Ammo yadro qanday tuzilgan? Yadro boshqa oddiy zarrachalardan iboratmi yoki uning o'zi oddiy zarrachami? Yadroni yo'q qilish mumkinmi va buni qanday qilish kerak? Bu savollarning barchasi hozir oldimizda turibdi va ularga javob berish kerak.

Ilova yadro energiyasi juda yangi hudud fan va texnologiya. Shuning uchun, bu erda hali ko'p narsa noma'lum. Biz bu mavzu haqida xayol qilmaymiz. Biz gaplashgan atom energiyasidan foydalanish...

Urandan tashqari neytronlar taʼsirida protaktiniy (zaryad 91) va toriy (zaryad 90) elementlarning yadrolari ham boʻlinadi. Protaktiniydan foydalanish mutlaqo ahamiyatsiz, chunki bu element juda kam uchraydi: ...

235 grafit bilan aralashtirilgan tabiiy urandagi uran 92 yadrolarining bo'linishi, yuqoridagilardan ko'rinib turibdiki, plutoniy hosil bo'lishiga olib keladi. Shunisi e'tiborga loyiqki, plutoniy ham xuddi shunday xususiyatlarga ega ...

“Materiya nimadan iborat?”, “Materiyaning tabiati nima?” savollari. insoniyatni doimo egallab kelgan. Qadim zamonlardan beri faylasuflar va olimlar bu savollarga javob izlab, ham real, ham mutlaqo hayratlanarli va fantastik nazariya va farazlarni yaratdilar. Biroq, tom ma'noda bir asr oldin, insoniyat materiyaning atom tuzilishini kashf qilib, bu sirni echishga imkon qadar yaqinlashdi. Ammo atom yadrosining tarkibi qanday? Hamma narsa nimadan iborat?

Nazariyadan haqiqatga

Yigirmanchi asrning boshlariga kelib, atom tuzilishi shunchaki faraz emas, balki mutlaq haqiqatga aylandi. Ma'lum bo'lishicha, atom yadrosining tarkibi juda murakkab tushunchadir. Uning tarkibi o'z ichiga oladi Ammo savol tug'ildi: atomning tarkibi bu zaryadlarning turli sonlarini o'z ichiga oladimi yoki yo'qmi?

Sayyora modeli

Dastlab ular atom biznikiga juda o'xshash qurilgan deb tasavvur qilishgan quyosh sistemasi. Biroq, bu fikr mutlaqo to'g'ri emasligi tezda ma'lum bo'ldi. Rasmning astronomik masshtabini millimetrning milliondan bir qismini egallagan maydonga sof mexanik tarzda o'tkazish muammosi hodisalarning xossalari va sifatlarining sezilarli va keskin o'zgarishiga olib keldi. Asosiy farq atomni qurishda qat'iyroq qonunlar va qoidalar edi.

Sayyoraviy modelning kamchiliklari

Birinchidan, bir xil turdagi va element atomlari parametrlari va xossalari bo'yicha butunlay bir xil bo'lishi kerakligi sababli, bu atomlarning elektronlarining orbitalari ham bir xil bo'lishi kerak. Biroq astronomik jismlarning harakat qonunlari bu savollarga javob bera olmadi. Ikkinchi qarama-qarshilik shundaki, elektronning o'z orbitasidagi harakati, agar biz unga yaxshi o'rganilgan fizik qonunlarni qo'llasak, albatta energiyaning doimiy chiqishi bilan birga bo'lishi kerak. Natijada, bu jarayon elektronning kamayib ketishiga olib keladi, u oxir-oqibat parchalanadi va hatto yadroga tushadi.

Onaning to'lqin tuzilishi Va

1924 yilda yosh aristokrat Lui de Broyl ilmiy jamoatchilikning atom yadrolarining tarkibi kabi masalalarni tushunishida inqilob qilgan g'oyani ilgari surdi. G'oya elektronning yadro atrofida aylanadigan harakatlanuvchi to'p emasligi edi. Bu kosmosda to'lqinlarning tarqalishini eslatuvchi qonunlarga muvofiq harakatlanadigan loyqa modda. Juda tez, bu fikr har qanday jismning harakatiga taalluqli bo'lib, biz bu harakatning faqat bir tomonini sezamiz, lekin ikkinchisi aslida paydo bo'lmaydi, deb tushuntirdi. Biz to'lqinlarning tarqalishini ko'ra olamiz va zarrachaning harakatini sezmaymiz yoki aksincha. Darhaqiqat, harakatning bu ikkala tomoni doimo mavjud bo'lib, elektronning orbitadagi aylanishi nafaqat zaryadning o'zi, balki to'lqinlarning tarqalishidir. Ushbu yondashuv ilgari qabul qilingan sayyoraviy modeldan tubdan farq qiladi.

Elementar asos

Atomning yadrosi markazdir. Uning atrofida elektronlar aylanadi. Yadroning xususiyatlari qolgan hamma narsani belgilaydi. Atom yadrosining tarkibi kabi tushuncha haqida gapirish kerak muhim moment- zaryaddan. Atom tarkibida manfiy zaryadni olib yuruvchi ma'lum elementlar mavjud. Yadroning o'zi musbat zaryadga ega. Bundan ba'zi xulosalar chiqarishimiz mumkin:

1. Yadro musbat zaryadlangan zarrachadir.
2. Yadro atrofida zaryadlar tomonidan yaratilgan pulsatsiyalanuvchi atmosfera mavjud.
3. Atomdagi elektronlar sonini aniqlaydigan yadro va uning xususiyatlari.

Yadro xususiyatlari

Mis, shisha, temir, yog'och bir xil elektronlarga ega. Atom bir nechta elektronni yoki hatto ularning barchasini yo'qotishi mumkin. Agar yadro musbat zaryadlangan bo'lsa, u o'ziga jalb qila oladi kerakli miqdor boshqa jismlardan manfiy zaryadlangan zarralar, bu uning yashashiga imkon beradi. Agar atom ma'lum miqdordagi elektronni yo'qotsa, yadroning musbat zaryadi manfiy zaryadlarning qolgan qismidan kattaroq bo'ladi. Bunday holda, butun atom ortiqcha zaryadga ega bo'ladi va uni musbat ion deb atash mumkin. Ba'zi hollarda atom o'ziga jalb qilishi mumkin katta miqdor elektronlar, keyin esa u manfiy zaryadlanadi. Shuning uchun uni manfiy ion deb atash mumkin.

Atomning og'irligi qancha? ?

Atomning massasi asosan yadro bilan belgilanadi. Atom va atom yadrosini tashkil etuvchi elektronlar umumiy massaning mingdan biridan kamroq og'irlik qiladi. Massa moddaning energiya zaxirasining o'lchovi hisoblanganligi sababli, atom yadrosining tarkibi kabi masalani o'rganishda bu haqiqat juda muhim hisoblanadi.

Radioaktivlik

Ko'pchilik qiyin savollar Radioaktiv elementlar kashf etilgandan so'ng alfa, beta va gamma to'lqinlarini chiqaradi. Ammo bunday nurlanish manbaga ega bo'lishi kerak. Rezerford 1902 yilda bunday manba atomning o'zi, aniqrog'i, yadro ekanligini ko'rsatdi. Boshqa tomondan, radioaktivlik nafaqat nurlar chiqarish, balki bir elementning butunlay yangi kimyoviy va fizik xususiyatlarga ega bo'lgan boshqa elementga aylanishidir. Ya'ni, radioaktivlik - yadroning o'zgarishi.

Yadro tuzilishi haqida nimalarni bilamiz?

Taxminan yuz yil oldin fizik Prout elementlarning mavjudligi haqidagi g'oyani ilgari surgan edi davriy jadval ular bir-biriga bog'liq bo'lmagan shakllar emas, balki birikmalarni ifodalaydi, shuning uchun yadrolarning zaryadlari ham, massalari ham vodorodning o'zi butun va ko'p zaryadlari bilan ifodalanishini kutish mumkin. Biroq, bu mutlaqo to'g'ri emas. Fizik Aston elektromagnit maydonlardan foydalangan holda atom yadrolarining xususiyatlarini o'rganib, atom og'irliklari butun bo'lmagan va karrali bo'lgan elementlar aslida bitta modda emas, balki turli atomlarning birikmasi ekanligini aniqladi. Atom og'irligi butun son bo'lmagan barcha holatlarda biz turli izotoplar aralashmasini kuzatamiz. Bu nima? Agar atom yadrosining tarkibi haqida gapiradigan bo'lsak, izotoplar bir xil zaryadli, ammo har xil massali atomlardir.

Eynshteyn va atom yadrosi

Nisbiylik nazariyasi massa materiya miqdorini aniqlaydigan o'lchov emas, balki materiyaning energiya o'lchovidir. Shunga ko'ra, materiyani massa bilan emas, balki ushbu materiyani tashkil etuvchi zaryad va zaryadning energiyasi bilan o'lchash mumkin. Xuddi shu zaryad boshqa shunga o'xshash zaryadga yaqinlashganda, energiya ortadi, aks holda u kamayadi. Bu, albatta, moddaning o'zgarishini anglatmaydi. Shunga ko'ra, bu pozitsiyadan atomning yadrosi energiya manbai emas, balki u chiqarilgandan keyin qoldiqdir. Bu qandaydir qarama-qarshilik borligini anglatadi.

Neytronlar

Kyurilar berilliyni alfa zarralari bilan bombardimon qilganda, atom yadrosi bilan to'qnashganda uni juda katta kuch bilan qaytaradigan g'alati nurlarni topdilar. Biroq, ular katta qalinlikdagi materiyadan o'tishga qodir. Bu qarama-qarshilik, bu zarrachaning neytral elektr zaryadiga ega bo'lishi bilan hal qilindi. Shunga ko'ra, u neytron deb ataldi. Keyingi tadqiqotlar tufayli u proton bilan deyarli bir xil ekanligi ma'lum bo'ldi. Umuman olganda, neytron va proton juda o'xshash. Ushbu kashfiyotni hisobga olgan holda, atom yadrosida proton va neytronlar va teng miqdorda mavjudligini aniq aniqlash mumkin edi. Asta-sekin hammasi joyiga tushdi. Protonlar soni atom raqamidir. Atom og'irligi neytron va proton massalarining yig'indisidir. Izotopni neytronlar va protonlar soni bir-biriga teng bo'lmagan element deb atash mumkin. Yuqorida muhokama qilinganidek, bunday holatda, element deyarli bir xil bo'lib qolsa-da, uning xususiyatlari sezilarli darajada o'zgarishi mumkin.

Haqida ishonchli ma'lumotlar paydo bo'lishidan ancha oldin ichki tuzilishi Hamma narsadan yunon mutafakkirlari materiyani mayda olovli zarralar shaklida tasavvur qilganlar. doimiy harakat. Ehtimol, narsalarning dunyo tartibi to'g'risidagi bu tasavvur faqat mantiqiy xulosalardan kelib chiqqan. Ba'zi soddalik va bu bayonotning dalillari yo'qligiga qaramay, bu haqiqat bo'lib chiqdi. Olimlar bu jasur taxminni faqat yigirma uch asrdan keyin tasdiqlashga muvaffaq bo'lishdi.

Atom tuzilishi

IN kech XIX asrda, oqim o'tgan deşarj trubasining xususiyatlari o'rganildi. Kuzatishlar shuni ko'rsatdiki, bu holda zarrachalarning ikkita oqimi chiqariladi:

Katod nurlarining manfiy zarralari elektronlar deb ataldi. Keyinchalik ko'plab jarayonlarda bir xil zaryad-massa nisbatiga ega bo'lgan zarralar topildi. Elektronlar ionlar va atomlar tomonidan bombardimon qilinganda juda oson ajratilgan turli atomlarning universal komponentlari bo'lib tuyuldi.

Musbat zaryadga ega bo'lgan zarralar bir yoki bir nechta elektronni yo'qotgandan so'ng atomlarning bo'laklari sifatida tasvirlangan. Aslida, musbat nurlar manfiy zarralardan mahrum bo'lgan va shuning uchun ijobiy zaryadga ega bo'lgan atomlar guruhlari edi.

Tompson modeli

Tajribalar asosida ijobiy va manfiy zarralar atomning mohiyatini ifodalashi va uning tarkibiy qismlari ekanligi aniqlandi. Ingliz olimi J.Tomson o'z nazariyasini ilgari surdi. Uning fikriga ko'ra, atom va atom yadrosining tuzilishi o'ziga xos massa bo'lib, unda manfiy zaryadlar musbat zaryadlangan to'pga siqib qo'yilgan, xuddi mayiz keki kabi. To'lov kompensatsiyasi "kupcak" ni elektr neytral qildi.

Ruterford modeli

Amerikalik yosh olim Ruterford alfa zarrachalari qoldirgan izlarni tahlil qilib, Tompson modeli nomukammal degan xulosaga keldi. Ba'zi alfa zarralari burilib ketdi kichik burchaklar- 5-10 da. Kamdan kam hollarda alfa zarrachalari 60-80 o gacha bo'lgan katta burchaklarda og'ishgan va istisno hollarda burchaklar juda katta - 120-150 o. Tompsonning atom modeli farqni tushuntirib bera olmadi.

Ruterford taklif qiladi yangi model, atom va atom yadrosining tuzilishini tushuntirish. Jarayon fizikasi shuni ko'rsatadiki, atom 99% bo'sh bo'lishi kerak, uning atrofida mayda yadro va elektronlar aylanib, orbita bo'ylab harakatlanadi.

U ta'sir paytidagi og'ishlarni atom zarralari o'zlarining elektr zaryadlariga ega ekanligi bilan izohlaydi. Zaryadlangan zarralarni bombardimon qilish ta'sirida atom elementlari makrokosmosdagi oddiy zaryadlangan jismlar kabi harakat qiladi: bir xil zaryadli zarralar bir-birini itaradi va qarama-qarshi zaryadli zarralar o'ziga tortadi.

Atomlarning holati

O'tgan asrning boshlarida, birinchi tezlatgichlar ishga tushirilganda elementar zarralar, atom yadrosining tuzilishini va atomning o'zini tushuntiruvchi barcha nazariyalar eksperimental tekshirishni kutayotgan edi. Bu vaqtga kelib, alfa va beta nurlarining atomlar bilan o'zaro ta'siri allaqachon chuqur o'rganilgan. 1917 yilgacha atomlar barqaror yoki radioaktiv deb hisoblar edi. Barqaror atomlarni parchalab bo'lmaydi va radioaktiv yadrolarning parchalanishini nazorat qilib bo'lmaydi. Ammo Ruterford bu fikrni rad etishga muvaffaq bo'ldi.

Birinchi proton

1911-yilda E.Rezerford barcha yadrolar bir xil elementlardan iborat, ularning asosini vodorod atomi tashkil etadi, degan g‘oyani ilgari surdi. Olimni bunday fikrga materiyaning tuzilishi bo'yicha ilgari olib borilgan tadqiqotlarning muhim xulosasi turtki bo'ldi: barcha massalar. kimyoviy elementlar vodorod massasiga qoldiqsiz bo'linadi. Yangi taxmin misli ko'rilmagan imkoniyatlarni ochib berdi, bu bizga atom yadrosining tuzilishini yangicha ko'rish imkonini berdi. Yadro reaktsiyalari yangi gipotezani tasdiqlashi yoki rad etishi kerak edi.

Tajribalar 1919 yilda azot atomlari bilan o'tkazilgan. Ularni alfa zarralari bilan bombardimon qilish orqali Ruterford ajoyib natijaga erishdi.

N atomi alfa zarrachasini o'ziga singdirdi, keyin kislorod atomi O 17 ga aylandi va vodorod yadrosini chiqaradi. Bu bir element atomining ikkinchisiga birinchi sun'iy o'zgarishi edi. Shunga o'xshash tajriba atom yadrosining tuzilishiga, fizikaga umid berdi mavjud jarayonlar boshqa yadroviy transformatsiyalar sodir bo'lishiga imkon beradi.

Olim o‘z tajribalarida sintillyatsion flesh usulidan foydalangan. Olovlanish chastotasiga asoslanib, u atom yadrosining tarkibi va tuzilishi, hosil bo'lgan zarrachalarning xususiyatlari, ularning xususiyatlari to'g'risida xulosalar chiqardi. atom massasi va seriya raqami. Noma'lum zarrachani Rezerford proton deb atagan. U vodorod atomining barcha xususiyatlariga ega edi, uning yagona elektroni - bitta musbat zaryad va mos keladigan massadan mahrum. Shunday qilib, proton va vodorod yadrosi bir xil zarralar ekanligi isbotlandi.

1930-yilda, birinchi yirik tezlatgichlar qurilib, ishga tushirilgach, Rezerfordning atom modeli sinovdan oʻtkazildi va isbotlandi: har bir vodorod atomi oʻrnini aniqlab boʻlmaydigan yolgʻiz elektrondan va ichida yolgʻiz musbat proton boʻlgan boʻsh atomdan iborat. . Bombardimon paytida protonlar, elektronlar va alfa zarralari atomdan uchib chiqishi mumkinligi sababli, olimlar bu har qanday atom yadrosining tarkibiy qismlari deb o'ylashgan. Ammo yadro atomining bunday modeli beqaror bo'lib tuyuldi - elektronlar yadroga sig'maslik uchun juda katta edi, bundan tashqari, impuls qonunining buzilishi va energiyaning saqlanishi bilan bog'liq jiddiy qiyinchiliklar mavjud edi. Bu ikki qonun, qattiq buxgalterlar singari, bombardimon paytida momentum va massa noma'lum yo'nalishda yo'qolishini aytdi. Ushbu qonunlar umumiy qabul qilinganligi sababli, bunday oqish uchun tushuntirishlarni topish kerak edi.

Neytronlar

Butun dunyo olimlari atom yadrolarining yangi komponentlarini ochishga qaratilgan tajribalar o'tkazdilar. 1930-yillarda nemis fiziklari Bekker va Bote berilliy atomlarini alfa zarralari bilan bombardimon qildilar. Shu bilan birga, noma'lum nurlanish qayd etildi, uni G-nurlari deb atashga qaror qilindi. Batafsil tadqiqotlar yangi nurlarning ba'zi xususiyatlarini ochib berdi: ular to'g'ri chiziq bo'ylab tarqala olishdi, elektr va nurlar bilan o'zaro ta'sir qilmadilar. magnit maydonlar, yuqori penetratsion qobiliyatga ega edi. Keyinchalik bu turdagi nurlanishni hosil qiluvchi zarralar alfa zarrachalarining boshqa elementlar - bor, xrom va boshqalar bilan o'zaro ta'sirida topilgan.

Chadwickning taxmini

Keyin Ruterfordning hamkasbi va shogirdi Jeyms Chadvik Nature jurnalida qisqacha xabar berdi, keyinchalik u hammaga ma'lum bo'ldi. Chadvik saqlanish qonunlaridagi qarama-qarshiliklarni osonlikcha hal qilish mumkinligiga e'tibor qaratdi, agar yangi nurlanish neytral zarralar oqimidir, ularning har biri taxminan proton massasiga teng massaga ega. Ushbu taxminni hisobga olgan holda, fiziklar atom yadrosining tuzilishini tushuntiruvchi gipotezani sezilarli darajada kengaytirdilar. Qisqacha aytganda, qo'shimchalarning mohiyati yangi zarrachaga va uning atom tuzilishidagi roliga qisqartirildi.

Neytronning xossalari

Topilgan zarrachaga "neytron" nomi berildi. Yangi kashf etilgan zarralar o'z atrofida elektromagnit maydon hosil qilmadi va energiyani yo'qotmasdan materiyadan osongina o'tdi. Yengil atom yadrolari bilan kamdan-kam uchraydigan to'qnashuvlarda neytron o'z energiyasining muhim qismini yo'qotib, yadroni atomdan chiqarib yuborishga qodir. Atom yadrosining tuzilishi har bir moddada turli xil miqdordagi neytronlarning mavjudligini taxmin qildi. Bir xil yadro zaryadiga ega bo'lgan atomlar, lekin ular bilan turli miqdorlarda neytronlarga izotoplar deyiladi.

Neytronlar alfa zarralari uchun ajoyib o'rinbosar bo'lib xizmat qildi. Hozirgi vaqtda ular atom yadrosining tuzilishini o'rganish uchun ishlatiladi. Ularning fan uchun ahamiyatini qisqacha ta'riflab bo'lmaydi, ammo atom yadrolarini neytronlar tomonidan bombardimon qilinishi tufayli fiziklar deyarli barcha ma'lum elementlarning izotoplarini olishga muvaffaq bo'lishdi.

Atom yadrosining tarkibi

Hozirgi vaqtda atom yadrosining tuzilishi yadro kuchlari tomonidan bir-biriga bog'langan proton va neytronlarning to'plamidir. Masalan, geliy yadrosi ikkita neytron va ikkita protondan iborat bo'lakdir. Yengil elementlarda proton va neytronlar soni deyarli teng, og'ir elementlar neytronlar soni ancha ko'p.

Yadro tuzilishining bu surati tez protonli zamonaviy yirik tezlatgichlarda o‘tkazilgan tajribalar bilan tasdiqlangan. Protonlarning elektr itaruvchi kuchlari yadro kuchlari bilan muvozanatlanadi, ular faqat yadroning o'zida harakat qiladi. Yadro kuchlarining tabiati hali to'liq o'rganilmagan bo'lsa-da, ularning mavjudligi amalda isbotlangan va atom yadrosining tuzilishini to'liq tushuntiradi.

Massa va energiya o'rtasidagi bog'liqlik

1932 yilda Uilson kamerasi elektron massasiga ega musbat zaryadlangan zarrachalar mavjudligini isbotlovchi ajoyib suratga oldi.

Bungacha musbat elektronlar P. Dirak tomonidan nazariy jihatdan bashorat qilingan. Kosmik nurlarda haqiqiy musbat elektron ham topilgan. Yangi zarracha pozitron deb ataldi. Uning juftligi - elektron bilan to'qnashganda, annigilyatsiya sodir bo'ladi - ikkita zarrachaning o'zaro yo'q qilinishi. Bu ma'lum miqdorda energiya chiqaradi.

Shunday qilib, makrokosmos uchun ishlab chiqilgan nazariya materiyaning eng kichik elementlarining xatti-harakatlarini tavsiflash uchun to'liq mos edi.