Branduolio masė ir masės skaičius. Atomo branduolių masės Kokia yra atomo branduolio masė

Prieš daugelį metų žmonės domėjosi, iš ko pagamintos visos medžiagos. Pirmasis į tai bandė atsakyti senovės graikų mokslininkas Demokritas, manęs, kad visos medžiagos yra sudarytos iš molekulių. Dabar žinome, kad molekulės yra sudarytos iš atomų. Atomai susideda iš dar mažesnių dalelių. Atomo centre yra branduolys, kuriame yra protonų ir neutronų. Mažiausios dalelės – elektronai – juda orbitomis aplink branduolį. Jų masė yra nereikšminga, palyginti su branduolio mase. Bet kaip rasti branduolio masę, padės tik skaičiavimai ir chemijos žinios. Norėdami tai padaryti, turite nustatyti protonų ir neutronų skaičių branduolyje. Peržiūrėkite vieno protono ir vieno neutrono masių lenteles ir raskite jų bendrą masę. Tai bus branduolio masė.

Dažnai galite susidurti su tokiu klausimu, kaip rasti masę, žinant greitį. Pagal klasikinius mechanikos dėsnius masė nepriklauso nuo kūno greičio. Galų gale, jei automobilis, toldamas, pradeda didinti greitį, tai visiškai nereiškia, kad jo masė padidės. Tačiau XX amžiaus pradžioje Einšteinas pateikė teoriją, pagal kurią ši priklausomybė egzistuoja. Šis poveikis vadinamas reliatyvistiniu kūno masės padidėjimu. Ir tai pasireiškia, kai kūnų greičiai artėja prie šviesos greičio. Šiuolaikiniai dalelių greitintuvai leidžia pagreitinti protonus ir neutronus iki tokio didelio greičio. Ir iš tikrųjų šiuo atveju buvo užfiksuotas jų masės padidėjimas.

Tačiau mes vis dar gyvename aukštųjų technologijų, bet mažo greičio pasaulyje. Todėl norint žinoti, kaip apskaičiuoti medžiagos masę, visai nebūtina pagreitinti kūno iki šviesos greičio ir mokytis Einšteino teorijos. Kūno svorį galima išmatuoti svarstyklėmis. Tiesa, ne kiekvieną kūną galima pastatyti ant svarstyklių. Todėl yra ir kitas būdas apskaičiuoti masę pagal jos tankį.

Mus supantis oras, taip reikalingas žmonijai, taip pat turi savo masę. Ir sprendžiant problemą, kaip nustatyti oro masę, pavyzdžiui, patalpoje, nebūtina skaičiuoti oro molekulių skaičiaus ir sumuoti jų branduolių masę. Galite tiesiog nustatyti kambario tūrį ir padauginti jį iš oro tankio (1,9 kg / m3).

Dabar mokslininkai labai tiksliai išmoko apskaičiuoti įvairių kūnų mases – nuo ​​atomų branduolių iki Žemės rutulio masės ir net kelių šimtų šviesmečių atstumu nuo mūsų esančių žvaigždžių. Masė, kaip fizikinis dydis, yra kūno inercijos matas. Masyvesni kūnai, anot jų, yra inertiškesni, tai yra lėčiau keičia greitį. Todėl juk greitis ir masė yra tarpusavyje susiję. Tačiau pagrindinis šio kiekio bruožas yra tas, kad bet kuris kūnas ar medžiaga turi masę. Nėra pasaulyje materijos, kuri neturėtų masės!

atomo branduolys yra centrinė atomo dalis, sudaryta iš protonų ir neutronų (bendrai vadinama nukleonai).

Branduolį E. Rutherfordas atrado 1911 m., tyrinėdamas ištrauką α - dalelės per materiją. Paaiškėjo, kad beveik visa atomo masė (99,95%) yra sutelkta branduolyje. Atomo branduolio dydis yra 10 -1 3 -10 - 12 cm, o tai yra 10 000 kartų mažesnis už elektronų apvalkalo dydį.

E. Rutherfordo pasiūlytas planetinis atomo modelis ir jo eksperimentinis vandenilio branduolių stebėjimas išmuštas α -dalelės iš kitų elementų branduolių (1919-1920), paskatino mokslininką mintis apie protonas. Terminas protonas buvo įvestas XX amžiaus XX amžiaus pradžioje.

Protonas (iš graikų k. protonų- Pirma, charakteris p) yra stabili elementari dalelė, vandenilio atomo branduolys.

Protonas- teigiamai įkrauta dalelė, kurios krūvis absoliučia reikšme yra lygus elektrono krūviui e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Protono masė yra 1836 kartus didesnė už elektrono masę. Ramybės protono masė m p= 1,6726231 10–27 kg = 1,007276470 amu

Antroji branduolio dalelė yra neutronas.

Neutronas (iš lat. kastruotas- nei vienas, nei kitas, simbolis n) yra elementarioji dalelė, neturinti krūvio, t.y. neutrali.

Neutrono masė yra 1839 kartus didesnė už elektrono masę. Neutrono masė yra beveik lygi (šiek tiek didesnė nei) protono masė: likusi laisvojo neutrono masė m n= 1,6749286 10–27 kg = 1,0008664902 amu ir protonų masę viršija 2,5 elektronų masės. Neutronas kartu su protonu bendriniu pavadinimu nukleonas yra atomo branduolio dalis.

Neutroną 1932 m. aptiko E. Rutherfordo mokinys D. Chadwigas, bombarduodamas berilį. α - dalelės. Gauta didelės prasiskverbimo galios spinduliuotė (įveikė 10–20 cm storio švino plokštės kliūtį) sustiprino savo poveikį prasiskverbdama pro parafino plokštę (žr. pav.). Joliot-Curies atliktas šių dalelių energijos iš debesų kameros takelių įvertinimas ir papildomi stebėjimai leido atmesti pradinę prielaidą, kad γ - kvantai. Didelė naujų dalelių, vadinamų neutronais, prasiskverbimo galia buvo paaiškinta jų elektriniu neutralumu. Juk įkrautos dalelės aktyviai sąveikauja su medžiaga ir greitai praranda energiją. Neutronų egzistavimą E. Rutherfordas numatė likus 10 metų iki D. Chadwigo eksperimentų. Pataikęs α - berilio branduoliuose esančios dalelės, įvyksta tokia reakcija:

Čia yra neutrono simbolis; jo krūvis lygus nuliui, o santykinė atominė masė apytiksliai lygi vienetui. Neutronas yra nestabili dalelė: laisvas neutronas per ~ 15 min. skyla į protoną, elektroną ir neutriną – dalelę, neturinčią ramybės masės.

1932 m. J. Chadwickui atradus neutroną, D. Ivanenko ir W. Heisenbergas savarankiškai pasiūlė branduolio protonų-neutronų (nukleono) modelis. Pagal šį modelį branduolį sudaro protonai ir neutronai. Protonų skaičius Z sutampa su elemento serijos numeriu D. I. Mendelejevo lentelėje.

Pagrindinis mokestis K nustatoma pagal protonų skaičių Z, kurie yra branduolio dalis ir yra elektronų krūvio absoliučios vertės kartotinis e:

Q = + Ze.

Skaičius Z paskambino branduolinio krūvio numeris arba atominis skaičius.

Branduolio masės skaičius BET vadinamas bendru nukleonų, ty jame esančių protonų ir neutronų, skaičiumi. Neutronų skaičius branduolyje žymimas raide N. Taigi masės skaičius yra:

A = Z + N.

Nukleonams (protonams ir neutronams) priskiriamas masės skaičius, lygus vienetui, o elektronui – nulinė reikšmė.

Branduolio sudėties idėją taip pat palengvino atradimas izotopų.

Izotopai (iš graikų k. isos lygus, toks pat ir topoa- vieta) - tai to paties cheminio elemento atomų atmainos, kurių atomų branduoliai turi tą patį protonų skaičių ( Z) ir skirtingas neutronų skaičius ( N).

Tokių atomų branduoliai dar vadinami izotopais. Izotopai yra nuklidai vienas elementas. Nuklidas (iš lot. branduolys- branduolys) - bet koks atomo branduolys (atitinkamai atomas) su nurodytais skaičiais Z ir N. Bendras nuklidų pavadinimas yra ……. kur X- cheminio elemento simbolis, A=Z+N- masės skaičius.

Izotopai periodinėje elementų lentelėje užima tą pačią vietą, taigi ir jų pavadinimas. Paprastai izotopai labai skiriasi savo branduolinėmis savybėmis (pavyzdžiui, gebėjimu įsitraukti į branduolines reakcijas). Izotopų cheminės (ir beveik vienodai fizinės) savybės yra vienodos. Tai paaiškinama tuo, kad chemines elemento savybes lemia branduolio krūvis, nes būtent šis krūvis turi įtakos atomo elektroninio apvalkalo struktūrai.

Išimtis yra lengvųjų elementų izotopai. Vandenilio izotopai 1 H — protium, 2 H— deuterio, 3 H — tričio jų masė tiek skiriasi, kad skiriasi jų fizinės ir cheminės savybės. Deuteris yra stabilus (ty neradioaktyvus) ir yra įtrauktas į paprastą vandenilį kaip maža priemaiša (1:4500). Deuteris jungiasi su deguonimi ir sudaro sunkųjį vandenį. Užverda esant normaliam atmosferos slėgiui 101,2°C temperatūroje, o užšąla +3,8°C temperatūroje. Tritis β yra radioaktyvus, jo pusinės eliminacijos laikas yra apie 12 metų.

Visi cheminiai elementai turi izotopus. Kai kurie elementai turi tik nestabilius (radioaktyvius) izotopus. Visiems elementams radioaktyvieji izotopai buvo gauti dirbtinai.

Urano izotopai. Elementas uranas turi du izotopus – kurių masės skaičiai 235 ir 238. Izotopas yra tik 1/140 dažnesnio.

§1 Krūvis ir masė, atomo branduoliai

Svarbiausios branduolio charakteristikos yra jo krūvis ir masė. M.

Z- branduolio krūvį lemia branduolyje sukoncentruotų teigiamų elementariųjų krūvių skaičius. Teigiamo elementaraus krūvio nešėjas R= 1,6021 10 -19 C branduolyje yra protonas. Atomas kaip visuma yra neutralus, o branduolio krūvis kartu lemia elektronų skaičių atome. Elektronų pasiskirstymas atome energetiniuose apvalkaluose ir subapvaliuose iš esmės priklauso nuo bendro jų skaičiaus atome. Todėl branduolio krūvis daugiausia lemia elektronų pasiskirstymą per jų būsenas atome ir elemento padėtį periodinėje Mendelejevo sistemoje. Branduolinis užtaisas yraqaš = z· e, kur z- branduolio krūvio skaičius, lygus elemento eilės skaičiui Mendelejevo sistemoje.

Atomo branduolio masė praktiškai sutampa su atomo mase, nes visų atomų, išskyrus vandenilį, elektronų masė yra maždaug 2,5 10 -4 atomų masės. Atomų masė išreiškiama atominės masės vienetais (a.m.u.). Už a.u.m. priimta 1/12 anglies atomo masės.

1 amu \u003d 1,6605655 (86) 10 -27 kg.

maš = m a – Z aš.

Izotopai yra tam tikro cheminio elemento atomų atmainos, turinčios tą patį krūvį, bet skirtingos masės.

Sveikasis skaičius arčiausiai atominės masės, išreikštas a.u. m . vadinamas masės skaičiumi m ir žymimas raide BET. Cheminio elemento žymėjimas: BET- masės skaičius, X - cheminio elemento simbolis,Z- apmokestinimo numeris - serijos numeris periodinėje lentelėje ():

Berilis; Izotopai: , ", .

Šerdies spindulys:

kur A yra masės skaičius.

§2 Šerdies sudėtis

Vandenilio atomo branduolyspaskambino protonas

mprotonas= 1,00783 amu , .

Vandenilio atomo diagrama

1932 m. buvo atrasta dalelė, vadinama neutronu, kurios masė yra artima protono masei.mneutronas= 1,00867 a.m.u.) ir neturi elektros krūvio. Tada D.D. Ivanenko suformulavo hipotezę apie branduolio protonų-neutronų struktūrą: branduolį sudaro protonai ir neutronai, o jų suma lygi masės skaičiui. BET. 3 eilinis skaičiusZnustato protonų skaičių branduolyje, neutronų skaičiųN \u003d A–Z.

Elementariosios dalelės – protonų ir neutronų patekimasį šerdį, yra bendrai žinomi kaip nukleonai. Branduolių nukleonai yra būsenose, gerokai skiriasi nuo jų laisvųjų valstybių. Tarp nukleonų yra specialus aš de r nauja sąveika. Jie sako, kad nukleonas gali būti dviejų „įkrovos būsenų“ – protonų būsenos su krūviu+ e, ir neutronas, kurio krūvis lygus 0.

§3 Branduolio surišimo energija. masės defektas. branduolines pajėgas

Branduolinės dalelės – protonai ir neutronai – tvirtai laikosi branduolio viduje, todėl tarp jų veikia labai didelės patrauklios jėgos, galinčios atlaikyti didžiules atstumiančias jėgas tarp panašiai įkrautų protonų. Šios specialiosios jėgos, atsirandančios nedideliais atstumais tarp nukleonų, vadinamos branduolinėmis jėgomis. Branduolinės jėgos nėra elektrostatinės (Coulomb).

Branduolio tyrimas parodė, kad tarp nukleonų veikiančios branduolinės jėgos turi šias savybes:

a) tai trumpo nuotolio jėgos, pasireiškiančios 10–15 m atstumu ir staigiai mažėjančios net šiek tiek padidėjus atstumui;

b) branduolinės jėgos nepriklauso nuo to, ar dalelė (nukleonas) turi krūvį – krūvio nepriklausomybę nuo branduolinių jėgų. Branduolinės jėgos, veikiančios tarp neutrono ir protono, tarp dviejų neutronų, tarp dviejų protonų, yra lygios. Protonai ir neutronai branduolinių jėgų atžvilgiu yra vienodi.

Ryšio energija yra atomo branduolio stabilumo matas. Branduolio surišimo energija yra lygi darbui, kurį reikia atlikti norint padalinti branduolį į jį sudarančius nukleonus, nesuteikiant jiems kinetinės energijos

M I< Σ( m p + m n)

Aš – branduolio masė

Branduolio masės matavimas rodo, kad likusi branduolio masė yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų likusių masių sumą.

Vertė

tarnauja kaip surišimo energijos matas ir vadinamas masės defektu.

Einšteino lygtis specialiojoje reliatyvumo teorijoje susieja dalelės energiją ir ramybės masę.

Bendruoju atveju branduolio surišimo energiją galima apskaičiuoti pagal formulę

kur Z - krūvio skaičius (protonų skaičius branduolyje);

BET- masės skaičius (bendras nukleonų skaičius branduolyje);

m p, , m n ir M i- protono, neutrono ir branduolio masė

Masės defektas (Δ m) yra lygūs 1 a.u. m (a.m.u. – atominės masės vienetas) atitinka surišimo energiją (E St), lygią 1 a.u.e. (a.u.e. – atominis energijos vienetas) ir lygus 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Branduolinės reakcijos

Branduoliuose vykstantys pokyčiai sąveikaujant su atskiromis dalelėmis ir tarpusavyje paprastai vadinami branduolinėmis reakcijomis.

Yra šios, dažniausiai pasitaikančios branduolinės reakcijos.

1. Transformacijos reakcija . Tokiu atveju krintanti dalelė lieka branduolyje, tačiau tarpinis branduolys išskiria kokią nors kitą dalelę, todėl produkto branduolys skiriasi nuo tikslinio branduolio.

1. Radiacinė gaudymo reakcija . Įkritusi dalelė įstringa branduolyje, tačiau sužadintas branduolys išskiria energijos perteklių, išskirdamas γ-fotoną (naudojamą branduolinių reaktorių darbe)

Kadmio neutronų gaudymo reakcijos pavyzdys

arba fosforo

1. Išsibarstymas. Tarpinis branduolys išskiria dalelę, identišką

su skristi, ir tai gali būti:

Elastinis sklaidymas neutronai su anglimi (naudojami reaktoriuose iki vidutinio neutronų):

Neelastinga sklaida :

1. dalijimosi reakcija. Tai reakcija, kuri visada vyksta išleidžiant energiją. Tai yra branduolinės energijos techninės gamybos ir naudojimo pagrindas. Dalijimosi reakcijos metu tarpinio junginio branduolio sužadinimas yra toks didelis, kad išsiskiria į du, maždaug vienodus fragmentus, išsiskiriant keliems neutronams.

Jei sužadinimo energija maža, tai branduolio atsiskyrimas nevyksta, o branduolys, praradęs energijos perteklių išskirdamas γ - fotoną arba neutroną, grįš į normalią būseną (1 pav.). Bet jei neutrono įnešama energija yra didelė, tada sužadintas branduolys pradeda deformuotis, jame susidaro susiaurėjimas ir dėl to jis yra padalintas į du fragmentus, kurie didžiuliu greičiu skrenda vienas nuo kito, o išspinduliuoja du neutronai.
(2 pav.).

Grandininė reakcija- savaime besivystanti dalijimosi reakcija. Jai įgyvendinti būtina, kad iš antrinių neutronų, susidarančių vieno dalijimosi įvykio metu, bent vienas galėtų sukelti kitą dalijimosi įvykį: (kadangi kai kurie neutronai gali dalyvauti gaudymo reakcijose nesukeldami dalijimosi). Kiekybiškai grandininės reakcijos egzistavimo sąlyga išreiškia dauginimo koeficientas

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - grandininės reakcijos su pastoviu neutronų skaičiumi (branduoliniame reaktoriuje),k > 1 (m > m kr ) yra branduolinės bombos.

RADIOAKTYVUMAS

§1 Natūralus radioaktyvumas

Radioaktyvumas – tai spontaniškas vieno elemento nestabilių branduolių pavertimas kito elemento branduoliais. natūralus radioaktyvumas vadinamas radioaktyvumu, pastebėtu gamtoje egzistuojančiuose nestabiliuose izotopuose. Dirbtinis radioaktyvumas vadinamas izotopų radioaktyvumu, gautu dėl branduolinių reakcijų.

Radioaktyvumo rūšys:

1. α-skilimas.

Kai kurių α sistemos cheminių elementų išmetimas iš dviejų protonų ir dviejų tarpusavyje sujungtų neutronų (a dalelė - helio atomo branduolys)

α-skilimas būdingas sunkiems branduoliams su BET> 200 irZ > 82. Judėdami medžiagoje, α-dalelės savo kelyje sukelia stiprią atomų jonizaciją (jonizacija – tai elektronų atsiskyrimas nuo atomo), veikdamos juos savo elektriniu lauku. Atstumas, per kurį α-dalelė praskrenda materijoje, kol visiškai sustoja, vadinamas dalelių diapazonas arba skvarbi galia(žymimasR, [ R ] = m, cm). . Normaliomis sąlygomis susidaro α dalelė in ore 30 000 porų jonų 1 cm keliu. Specifinė jonizacija – tai jonų porų, susidariusių 1 cm kelio ilgio, skaičius. α-dalelė turi stiprų biologinį poveikį.

Alfa skilimo poslinkio taisyklė:

2. β-skilimas.

a) elektroninis (β -): branduolys skleidžia elektroną ir elektroninį antineutriną

b) pozitronas (β +): branduolys skleidžia pozitroną ir neutriną

Šie procesai vyksta paverčiant vieno tipo nukleonus į branduolį į kitą: neutroną į protoną arba protoną į neutroną.

Elektronų branduolyje nėra, jie susidaro dėl abipusės nukleonų transformacijos.

Pozitronas - dalelė, kuri nuo elektrono skiriasi tik krūvio ženklu (+e = 1,6 10 -19 C)

Iš eksperimento matyti, kad β - skilimo metu izotopai praranda tiek pat energijos. Todėl, remdamasis energijos tvermės dėsniu, W. Pauli numatė, kad išmetama dar viena šviesos dalelė, vadinama antineutrinu. Antineutrinas neturi krūvio ar masės. β-dalelių energijos nuostolius joms pereinant per medžiagą daugiausia sukelia jonizacijos procesai. Dalis energijos prarandama rentgeno spinduliams, kai absorbuojančios medžiagos branduoliai lėtėja β-dalelėmis. Kadangi β-dalelės turi mažą masę, vienetinį krūvį ir labai didelius greičius, jų jonizuojantis gebėjimas yra mažas (100 kartų mažesnis nei α-dalelių), todėl β-dalelių skvarbumo galia (rida) yra žymiai didesnė nei α-dalelės.

Rβ oras = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - skilimas vyksta natūraliuose ir dirbtiniuose radioaktyviuose branduoliuose. β + - tik su dirbtiniu radioaktyvumu.

Poslinkio taisyklė β - - skilimui:

c) K - gaudymas (elektroninis gaudymas) - branduolys sugeria vieną iš elektronų, esančių ant apvalkalo K (rečiauLarba M) jo atomo, dėl kurio vienas iš protonų virsta neutronu, išskirdamas neutriną

K schema – fiksavimas:

Elektronų apvalkalo erdvė, kurią atlaisvina užfiksuotas elektronas, užpildoma elektronais iš viršutinių sluoksnių, todėl susidaro rentgeno spinduliai.

• γ spinduliai.

Paprastai visus radioaktyvumo tipus lydi γ spindulių emisija. γ spinduliai yra elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra nuo vienos iki šimtosios angstromo λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. γ spindulių energija siekia milijonus eV.

W γ ~ MeV

1eV = 1,6 10 -19 J

Branduolys, kuriame vyksta radioaktyvus skilimas, kaip taisyklė, pasirodo, yra sužadintas, o jo perėjimą į pagrindinę būseną lydi γ - fotono emisija. Šiuo atveju γ-fotono energiją lemia sąlyga

kur E 2 ir E 1 yra branduolio energija.

E 2 - energija sužadintoje būsenoje;

E 1 – energija pagrindinėje būsenoje.

Medžiaga γ spindulius sugeria dėl trijų pagrindinių procesų:

• fotoelektrinis efektas (su hv < l MэB);
• elektronų-pozitronų porų susidarymas;

arba

• sklaida (Compton efektas) -

γ spindulių sugertis vyksta pagal Bouguer dėsnį:

čia μ – tiesinis slopinimo koeficientas, priklausantis nuo γ spindulių energijos ir terpės savybių;

І 0 yra krintančio lygiagretaus pluošto intensyvumas;

ašyra pluošto intensyvumas, praeinantis per storio medžiagą X cm.

γ spinduliai yra viena iš labiausiai prasiskverbiančių spindulių. Stipriausiems spinduliams (hvmax) pusinės absorbcijos sluoksnio storis yra 1,6 cm švino, 2,4 cm geležies, 12 cm aliuminio ir 15 cm žemėje.

§2 Pagrindinis radioaktyvaus skilimo dėsnis.

Suirusių branduolių skaičiusdN proporcingas pradiniam branduolių skaičiui N ir skilimo laikasdt, dN~ N dt. Pagrindinis radioaktyvaus skilimo diferencialiniu pavidalu dėsnis:

Koeficientas λ vadinamas tam tikro tipo branduolių skilimo konstanta. „-“ ženklas tai reiškiadNturi būti neigiamas, nes galutinis nesuirusių branduolių skaičius yra mažesnis nei pradinis.

todėl λ apibūdina per laiko vienetą suyrančių branduolių dalį, t.y., nustato radioaktyvaus skilimo greitį. λ nepriklauso nuo išorinių sąlygų, o yra nulemtas tik branduolių vidinių savybių. [λ]=s -1 .

Pagrindinis radioaktyvaus skilimo vientiso pavidalo dėsnis

kur N 0 – pradinis radioaktyviųjų branduolių skaičius tiest=0;

N- nesuirusių branduolių skaičius vienu metut;

λ yra radioaktyvaus skilimo konstanta.

Praktikoje skilimo greitis vertinamas naudojant ne λ, o T 1/2 – pusinės eliminacijos periodą – laiką, per kurį suyra pusė pradinio branduolių skaičiaus. Ryšys T 1/2 ir λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 metai, T 1/2 Ra = 1590 metų, T 1/2 Rn = 3,825 dienos Skilimų skaičius per laiko vienetą A \u003d -dN/ dtvadinamas tam tikros radioaktyviosios medžiagos aktyvumu.

Iš

seka,

[A] \u003d 1 Bekerelis \u003d 1 skilimas / 1 s;

[A] \u003d 1Ci \u003d 1 Curie \u003d 3,7 10 10 Bq.

Veiklos kitimo dėsnis

kur A 0 = λ N 0 - pradinė veikla tuo metut= 0;

A – veikla vienu metut.

Tyrinėdami medžiagos sudėtį, mokslininkai padarė išvadą, kad visa medžiaga susideda iš molekulių ir atomų. Ilgą laiką atomas (iš graikų kalbos išvertus kaip „nedalomas“) buvo laikomas mažiausiu struktūriniu materijos vienetu. Tačiau tolesni tyrimai parodė, kad atomas turi sudėtingą struktūrą ir savo ruožtu apima mažesnes daleles.

Iš ko sudarytas atomas?

1911 m. mokslininkas Rutherfordas pasiūlė, kad atomas turi centrinę dalį, turinčią teigiamą krūvį. Taip pirmą kartą atsirado atomo branduolio samprata.

Pagal Rutherfordo schemą, vadinamą planetiniu modeliu, atomas susideda iš branduolio ir elementariųjų dalelių, turinčių neigiamą krūvį – elektronų, judančių aplink branduolį, lygiai taip pat, kaip planetos skrieja aplink Saulę.

1932 metais kitas mokslininkas Chadwickas atrado neutroną – dalelę, kuri neturi elektros krūvio.

Pagal šiuolaikines koncepcijas branduolys atitinka Rutherfordo pasiūlytą planetos modelį. Branduolys neša didžiąją atominės masės dalį. Jis taip pat turi teigiamą krūvį. Atomo branduolyje yra protonų – teigiamai įkrautų dalelių ir neutronų – dalelių, kurios neturi krūvio. Protonai ir neutronai vadinami nukleonais. Aplink branduolį skrieja neigiamo krūvio dalelės – elektronai.

Protonų skaičius branduolyje yra lygus judančių orbita. Todėl pats atomas yra dalelė, kuri neturi krūvio. Jei atomas paima svetimus elektronus arba praranda savuosius, tada jis tampa teigiamas arba neigiamas ir vadinamas jonu.

Elektronai, protonai ir neutronai bendrai vadinami subatominėmis dalelėmis.

Atomo branduolio krūvis

Branduolys turi krūvio skaičių Z. Jis nustatomas pagal protonų, sudarančių atomo branduolį, skaičių. Sužinoti šią sumą paprasta: tereikia remtis Mendelejevo periodine sistema. Elemento, kuriam priklauso atomas, atominis skaičius yra lygus protonų skaičiui branduolyje. Taigi, jei cheminis elementas deguonis atitinka eilės numerį 8, tada protonų skaičius taip pat bus lygus aštuoniems. Kadangi protonų ir elektronų skaičius atome yra vienodas, elektronai taip pat bus aštuoni.

Neutronų skaičius vadinamas izotopiniu skaičiumi ir žymimas raide N. Jų skaičius gali skirtis to paties cheminio elemento atome.

Protonų ir elektronų suma branduolyje vadinama atomo masės skaičiumi ir žymima raide A. Taigi masės skaičiaus apskaičiavimo formulė atrodo taip: A \u003d Z + N.

izotopų

Tuo atveju, kai elementai turi vienodą protonų ir elektronų skaičių, bet skirtingą neutronų skaičių, jie vadinami cheminio elemento izotopais. Gali būti vienas ar daugiau izotopų. Jie dedami į tą pačią periodinės sistemos ląstelę.

Izotopai turi didelę reikšmę chemijoje ir fizikoje. Pavyzdžiui, vandenilio izotopas – deuteris – kartu su deguonimi suteikia visiškai naują medžiagą, vadinamą sunkiuoju vandeniu. Jo virimo ir užšalimo temperatūra skiriasi nuo įprastų. O deuterio derinys su kitu vandenilio izotopu – tričiu sukelia termobranduolinės sintezės reakciją ir gali būti panaudotas didžiuliam energijos kiekiui generuoti.

Branduolio ir subatominių dalelių masė

Atomų dydis ir masė žmogaus sąmonėje yra nereikšmingi. Branduolių dydis apytiksliai 10 -12 cm.Atomo branduolio masė fizikoje matuojama vadinamaisiais atominės masės vienetais – a.m.u.

Vienam rytui paimkite vieną dvyliktąją anglies atomo masės. Naudojant įprastus matavimo vienetus (kilogramus ir gramus), masę galima išreikšti taip: 1 a.m.u. \u003d 1,660540 10 -24 g. Taip išreiškus, ji vadinama absoliučia atomine mase.

Nepaisant to, kad atomo branduolys yra masyviausias atomo komponentas, jo matmenys, palyginti su jį supančiu elektronų debesiu, yra labai maži.

branduolines pajėgas

Atomo branduoliai yra labai stabilūs. Tai reiškia, kad protonus ir neutronus branduolyje laiko tam tikros jėgos. Tai negali būti elektromagnetinės jėgos, nes protonai yra panašiai įkrautos dalelės, ir yra žinoma, kad dalelės, turinčios tą patį krūvį, atstumia viena kitą. Gravitacinės jėgos yra per silpnos, kad išlaikytų nukleonus kartu. Vadinasi, daleles branduolyje laiko kitokia sąveika – branduolinės jėgos.

Branduolinė sąveika laikoma stipriausia iš visų gamtoje egzistuojančių. Todėl tokio tipo sąveika tarp atomo branduolio elementų vadinama stipriąja. Jo yra daugelyje elementariųjų dalelių, taip pat elektromagnetinių jėgų.

Branduolinių jėgų ypatybės

1. Trumpas veiksmas. Branduolinės jėgos, priešingai nei elektromagnetinės jėgos, pasireiškia tik labai mažais atstumais, panašiais į branduolio dydį.
2. Apmokestinimo nepriklausomybė. Ši savybė pasireiškia tuo, kad branduolinės jėgos vienodai veikia protonus ir neutronus.
3. Sodrumas. Branduolio nukleonai sąveikauja tik su tam tikru skaičiumi kitų nukleonų.

Šerdies surišimo energija

Su stiprios sąveikos samprata yra glaudžiai susiję kažkas kita – branduolių surišimo energija. Branduolio surišimo energija yra energijos kiekis, reikalingas atomo branduoliui suskaidyti į jį sudarančius nukleonus. Ji lygi energijai, reikalingai iš atskirų dalelių suformuoti branduolį.

Norint apskaičiuoti branduolio surišimo energiją, būtina žinoti subatominių dalelių masę. Skaičiavimai rodo, kad branduolio masė visada yra mažesnė už jį sudarančių nukleonų sumą. Masės defektas yra skirtumas tarp branduolio masės ir jo protonų bei elektronų sumos. Naudodamiesi masės ir energijos santykiu (E \u003d mc 2), galite apskaičiuoti energiją, susidariusią formuojant branduolį.

Branduolio surišimo energijos stiprumą galima spręsti pagal tokį pavyzdį: susidarant keliems gramams helio susidaro tiek pat energijos, kiek sudegus kelioms tonoms anglies.

Branduolinės reakcijos

Atomų branduoliai gali sąveikauti su kitų atomų branduoliais. Tokios sąveikos vadinamos branduolinėmis reakcijomis. Reakcijos yra dviejų tipų.

1. Skilimo reakcijos. Jie atsiranda, kai dėl sąveikos sunkesni branduoliai skyla į lengvesnius.
2. Sintezės reakcijos. Procesas yra atvirkštinis dalijimasis: branduoliai susiduria, todėl susidaro sunkesni elementai.

Visas branduolines reakcijas lydi energijos išsiskyrimas, kuris vėliau panaudojamas pramonėje, kariuomenėje, energetikoje ir pan.

Susipažinę su atomo branduolio sudėtimi, galime padaryti tokias išvadas.

1. Atomas susideda iš branduolio, kuriame yra protonų ir neutronų, ir aplink jį esančių elektronų.
2. Atomo masės skaičius yra lygus jo branduolio nukleonų sumai.
3. Nukleonus laiko kartu stipri jėga.
4. Milžiniškos jėgos, suteikiančios atomo branduoliui stabilumą, vadinamos branduolio surišimo energijomis.

Izagonija. Vandenilio atomo branduolys – protonas (p) – yra paprasčiausias branduolys. Jo teigiamas krūvis absoliučia reikšme yra lygus elektrono krūviui. Protono masė yra 1,6726-10'2 kg. Protoną kaip dalelę, kuri yra atomo branduolių dalis, Rutherfordas atrado 1919 m.

Norint eksperimentiškai nustatyti atomų branduolių mases, masės spektrometrai. Masių spektrometrijos principas, kurį pirmą kartą pasiūlė Thomson (1907), yra panaudoti elektrinių ir magnetinių laukų fokusavimo savybes įkrautų dalelių pluoštų atžvilgiu. Pirmuosius pakankamai didelės skiriamosios gebos masės spektrometrus 1919 m. sukonstravo F.U. Astonas ir A. Dempstromas. Masės spektrometro veikimo principas parodytas fig. 1.3.

Kadangi atomai ir molekulės yra elektriškai neutralūs, pirmiausia jie turi būti jonizuoti. Jonai susidaro jonų šaltinyje bombarduojant tiriamos medžiagos garus greitais elektronais, o po to, pagreičius elektriniame lauke (potencialų skirtumas v) eiti į vakuuminę kamerą, patenkančią į vienodo magnetinio lauko B sritį. Veikdami jonai pradeda judėti apskritimu, kurio spindulys G galima rasti iš Lorenco jėgos ir išcentrinės jėgos lygybės:

kur M- jonų masė. Jonų greitis v nustatomas pagal ryšį

Ryžiai. 1.3.

Greitėjantis potencialų skirtumas Turėti arba magnetinio lauko stiprumas AT galima pasirinkti taip, kad vienodos masės jonai patektų į tą pačią vietą ant fotografinės plokštės ar kito padėties jautraus detektoriaus. Tada, radę masės-spyruoklinio smūgio signalo maksimumą ir naudodami (1.7) formulę, galime nustatyti ir jono masę M. 1

Neskaitant greičio v iš (1.5) ir (1.6) nustatome, kad

Masių spektrometrijos metodų tobulinimas leido patvirtinti dar 1910 m. Fredericko Soddy padarytą prielaidą, kad trupmeninės (vandenilio atomo masės vienetais) cheminių elementų atominės masės paaiškinamos tuo, kad yra. izotopų- atomai su vienodu branduolio krūviu, bet skirtingos masės. „Aston“ novatoriškų tyrimų dėka buvo nustatyta, kad daugumą elementų iš tikrųjų sudaro dviejų ar daugiau natūraliai susidarančių izotopų mišinys. Išimtis yra palyginti nedaug elementų (F, Na, Al, P, Au ir kt.), vadinamų monoizotopiniais. Natūralių izotopų skaičius viename elemente gali siekti 10 (Sn). Be to, kaip vėliau paaiškėjo, visi be išimties elementai turi izotopų, turinčių radioaktyvumo savybę. Daugumos radioaktyviųjų izotopų gamtoje nėra, juos galima gauti tik dirbtiniu būdu. Elementai, kurių atominiai skaičiai yra 43 (Tc), 61 (Pm), 84 (Po) ir didesni, turi tik radioaktyvius izotopus.

Šiandien fizikoje ir chemijoje priimtas tarptautinis atominės masės vienetas (a.m.u.) yra 1/12 gamtoje labiausiai paplitusio anglies izotopo masės: 1 a.m.u. = 1,66053873* 10 colių kg. Jis yra artimas vandenilio atominei masei, nors jai neprilygsta. Elektrono masė yra maždaug 1/1800 a.m.u. Šiuolaikiniuose masių spektrometruose santykinė masės matavimo paklaida

AMfM= 10 -10, todėl galima išmatuoti masės skirtumus 10 -10 a.m.u lygiu.

Izotopų atominės masės, išreikštos amu, yra beveik tiksliai sveikasis skaičius. Taigi kiekvienam atomo branduoliui galima priskirti savo masės skaičius A(visa), pvz., H-1, H-2, H-3, C-12, 0-16, Cl-35, C1-37 ir kt. Pastaroji aplinkybė naujais pagrindais atgaivino susidomėjimą W. Prout (1816 m.) hipoteze, pagal kurią visi elementai yra sukurti iš vandenilio.