Mitä fysiikan ytimeen sisältyy. Ytimen rakenteen mallit. Ydinvoimat. Nukleonien sitoutumisenergia ytimessä, massavika. Ydinreaktiot Isotoopit. Jerjutkin Jevgeni Sergeevich

Luokka 9 Päivämäärä____________________

Oppitunti #___

Oppitunnin aihe: Atomiytimen koostumus. Ydinvoimat. Atomiytimien sitoutumisenergia.

Tavoitteet:

koulutuksellinen : mieti, mistä hiukkasista atomin ydin koostuu; esitellä käsitteet varaus ja massaluku, ydinvoima, massavika, sidosenergia, ominaissidosenergia; perehdyttää opiskelijat ydinvarauksen, massavian, sidosenergian, ominaissidontaenergian kaavoihin;

kehittymässä : edistää kvanttiilmiöiden horisonttien kehittymistä;

hoivaaminen: tuoda esillekiinnostusta aiheeseen, huomiosi hallinta, kurinalaisuus.

Oppitunnin tyyppi: yhdistetty.

Laitteet: multimediaesitys, PC.

Tuntien aikana

1. Organisatorinen hetki.

Tervehditään oppilaita, tarkastetaan läsnä olevia.

2. Tiedon toteuttaminen.

Etuäänestys:

Mikä on radioaktiivisuuden ilmiö?

Mitkä ovat atomimallit?

Millaisia ​​vuorovaikutusmuotoja luonnossa tiedät?

3. Motivaatio oppimistoimintaa

Rutherfordin kokeet osoittivat, että atomi koostuu pienestä positiivisesti varautuneesta ytimestä ja sen ympärillä pyörivistä elektroneista. Kävi ilmi, että verrattuna itse atomin kokoon (noin 10 -10 m) ydin on erittäin pieni (noin 10 -15 m). Eli ydin on 100 000 kertaa pienempi kuin atomi.

Voit kuvitella, mitä tämä tarkoittaa, harkitse tällaista havainnollistavaa mallia. Kuvittele, että atomiydin on laajentunut herneen kokoiseksi. Silloin atomin halkaisija on yhtä suuri kuin korkeus Ostankinon tv-torni.

4. Uuden materiaalin oppiminen

Atomiytimen koostumus

Lisätutkimukset ovat osoittaneet, että atomiytimen varaus on yhtä suuri kuin alkuaineen sarjanumeron Z tulo D.I:n jaksollisessa taulukossa. Mendelejev alkeisvarauksesta e.

q minä =Ze

Eli sarjanumero kemiallinen alkuaine määrittää atomiytimen varauksen ja siten atomin elektronien lukumäärän. Siksi numeroa Z kutsutaanlatausnumero .

Kun Rutherford löysi atomiytimen vuonna 1911, lukuisat kokeet vahvistivat, että atomiytimillä, kuten itse atomeilla, on monimutkainen rakenne. Vuonna 1913 Rutherford esitti hypoteesin, jonka mukaan vetyatomin ydin on alkuainehiukkanen - protoni, joka on osa kaikkien kemiallisten alkuaineiden ytimiä. Tuolloin tiedettiin jo, että kemiallisten alkuaineiden atomimassat ylittävät vetyatomin massan kokonaislukumäärällä (eli sen moninkertaisesti).

Ydin ei kuitenkaan voi koostua vain protoneista. Jos näin olisi, minkä tahansa kemiallisen alkuaineen ytimen massa olisi yhtä suuri kuin massaZprotonit. Mutta itse asiassa kaikkien alkuaineiden ytimien massat ovat paljon suurempia. Siksi Rutherford ehdotti vuonna 1920 sähköisesti neutraalin hiukkasen olemassaoloa, jonka massa on suunnilleen yhtä suuri kuin protonin massa. Tämä hiukkanen löydettiin myöhemmin kokeellisesti. He soittivat hänelleneutroni .

Vuonna 1932 Neuvostoliiton tiedemiehet E.N. Gapon ja D.D. Ivanenko ja saksalainen fyysikko Heisenberg ehdottivatatomiytimen protoni-neutroni malli . Tämän teorian mukaan kaikki ytimet koostuvat kahden tyyppisistä hiukkasista - protoneista ja neutroneista. Protoneja ja neutroneja kutsutaannukleonit (lat. nucleus– ydin).

Nukleonien kokonaismäärää ytimessä kutsutaanmassanumero ja sitä merkitään kirjaimella A. Massaluku A on numeerisesti yhtä suuri kuin ytimen massa ilmaistuna atomimassayksiköinä ja pyöristettynä kokonaislukuihin.

Atomimassayksikkö (1 amu) on 1/12 hiiliatomin massasta.

Protonien lukumäärä vastaa alkuaineen järjestysnumeroa (atomi). Massan ja varausluvun ero on yhtä suuri kuin neutronien lukumäärä.

Mikä tahansa jaksollisen järjestelmän kemiallinen alkuaine D.I. Mendelejev voidaan esittää kaavalla:

A - massaluku

Z- latausnumero

Massa numero on yhtä suuri kuin protonien ja neutronien summa.

latausnumero on atominumero on yhtä suuri kuin luku protoneja ytimessä.

ydinvoimat

Luonnossa on neljä vuorovaikutusta: painovoima, sähkömagneettinen, vahva ja heikko. Käsittelemme niistä vain kolmea.

1. Tämän tyyppisessä vuorovaikutuksessa kehot vetoavat aina toisiinsa. Vuorovaikutusvoima pienenee kappaleiden välisen etäisyyden kasvaessa.

2. Kahden varautuneen hiukkasen välistä vuorovaikutusta kutsutaan sähkömagneettiseksi. Sähkövarauksia on 2 tyyppiä: positiivinen (+) ja negatiivinen (-). Sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa varautuneet kappaleet voivat sekä vetää toisiaan puoleensa että hylkiä toisiaan.

Sähkömagneettiset vuorovaikutukset vaikuttavat riittävän suurilla etäisyyksillä. Vuorovaikutusvoima pienenee kappaleiden välisen etäisyyden kasvaessa.

k (Coulombin vakio) = 9*10 9

Verrataanpa gravitaatiovoimia (F e-p(rpav) ) ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset (F e-r(jalava) ), jotka toimivat protonin ja elektronin välillä:

Tästä seuraa, että gravitaatiovoima varten alkuainehiukkasia paljon pienempi kuin sähkömagneettinen voima.

Alkuainehiukkasten maailmassa voimme jättää huomioimatta painovoiman.

3. Yksittäisiä protoneja ja neutroneja yhdessä ytimessä pitäviä voimia kutsutaanydin , ja vastaava vuorovaikutus on vahva. Se ylittää monilla suuruusluokilla ytimen protonien ja neutronien välisen vetovoiman ja hallitsee ytimen sisällä olevien samalla tavalla varautuneiden protonien Coulombin hylkimisen aiheuttamia sähkömagneettisia voimia.

Ydinvoimien tärkein ominaisuus on niiden lyhyt kantama. Ne toimivat vain atomiytimen sisällä, eli femtometrien asteikolla (10 -15 m).Ydinvuorovaikutusten lait ovat lait kvanttifysiikka, ja ne ovat luonteeltaan täysin erilaisia ​​kuin meille jo tuntemat gravitaatiovuorovaikutukset.

Huomioimme kaksi ydinvoimien ominaisuutta:

Ytimen sisällä olevien nukleonien välisellä etäisyydellä, joka on luokkaa 1 fm ja enemmän, voimat ovat luonteeltaan vetovoimaisia, mutta kun protonit tai neutronit lähestyvät toisiaan alle 1 fm:n etäisyydellä, syntyy torjuvia voimia. Tämä estää ytimiä kutistumasta vielä pienemmäksi.

On kokeellisesti todistettu, että ydinvoimat kahden protonin, kahden neutronin sekä protonin ja neutronin välillä ovat käytännössä samat. Tätä ominaisuutta kutsutaanydinvoimien riippumattomuutta .

NOIN
protonin löytö:

Muinaisista ajoista lähtien alkemistit ovat yrittäneet saada kultaa eri alkuaineista. Mutta kukaan ei ole kyennyt muuttamaan yhtä elementtiä toiseksi. Ja vasta vuonna 1919 Rutherford suoritti kokeita, joissa elementtien muunnos suoritettiin ensimmäistä kertaa.

Rutherfordin kokoonpano koostui α-hiukkasten lähteestä ja näiden hiukkasten detektorista - fluoresoivasta näytöstä. Kaikki tämä laite asetettiin astiaan, jossa oli puhdasta ilmaa. Näytössä näkyi heikkoja välähdyksiä. Myöhemmin tutkijat havaitsivat, että ilmassa tapahtuu ydinreaktio, jossa α-hiukkaset törmäävät typpiytimiin. Tämän seurauksena muodostuu happiydin ja vetyydin, joita Rutherford kutsuiprotoni .

Atomiytimien sitoutumisenergia

Tiedät, että atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista, jotka ovat yhteydessä toisiinsa ytimessä ydinvoimilla. Voidaan olettaa, että kunkin ytimen massan tulee olla yhtä suuri kuin sen sisältämien protonien ja neutronien massojen summa.

Tarkastetaan tämä oletus. Protonin ja neutronin massa atomimassayksiköissä on vastaavastim R = 1,0073 amu Jam n = 1,0087 amu

Kun protonien ja neutronien massat lasketaan yhteen, saadaan heliumin ytimen massaM minä = 4,032 amu Kuitenkin kokeellisesti havaittiin, että heliumin ytimen massa onM minä = 4,0026 amu Toisin sanoen ytimen massa on pienempi kuin sen muodostavien nukleonien massojen summa. Erotusta yksittäisten nukleonien massojen summan ja ytimen massan välillä kutsutaanmassavika .

Heliumytimen massavika on∆m= (2 1,0073 amu + 2 1,0087 amu) - 4,0026 amu = 0,0294 amu

Ytimen hajottamiseksi erillisiksi nukleoneiksi, jotka eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, on tehtävä työtä ydinvoimien voittamiseksi, eli ytimeen energian siirtämiseksi. Energian säilymisen laista seuraa, että tämä energia on yhtä suuri kuin energia, joka vapautuu ytimen muodostumisen aikana yksittäisistä hiukkasista.

Vähimmäisenergiaa, joka täytyy käyttää ytimen hajottamiseksi kokonaan yksittäisiksi hiukkasiksi, kutsutaanydinvoimaa sitova energia .

Minkä tahansa ytimen sitoutumisenergia voidaan määrittää käyttämällä Einsteinin kaavaa, joka määrittää massan ja energian välisen suhteen:

E St. = ∆mKanssa 2 = (
) Kanssa 2 , Missä∆mon massavika, c on valon nopeus tyhjiössä.

Lasketaan heliumytimen sitoutumisenergia.

Jotta sidosenergia saadaan jouleina, massavika on ilmaistava kilogrammoina.

Ottaen huomioon, että klo 1.00 = 1,6605 10 -27 kg, saamme

∆m= 0,0294 amu = 0,0488 10 -27 kg

E St. = 0,0488 10 -27 kg (2,9979 10 8 ) 2 = 0,4388 10 -11 J

Tämä on valtava määrä. Vain 1 g heliumia muodostuu, kun energiaa vapautuu luokkaa 10 12 J. Suunnilleen saman verran energiaa vapautuu poltettaessa lähes koko vaunukuorma hiiltä.

klo
ytimien stabiilisuutta luonnehtii fysikaalinen suure, nsspesifinen sitoutumisenergia . Se on yhtä suuri kuin sitoutumisenergia, joka putoaa vain yhteen ydinhiukkaseen (protoni tai neutroni): E oud = E St. / A. Ominaissidosenergian riippuvuuden alkuaineiden massamäärästä kuvaajasta voidaan nähdä, että kevyillä ytimillä sitoutumisenergia on hyvin pieni. Spesifisellä sitoutumisenergialla on korkein arvo atomiytimille, jotka sijaitsevat jaksollisen alkuaineiden järjestelmän keskiosassa, joiden massaluvut ovat 28 - 138. Kun massaluku kasvaa edelleen, sitoutumisenergia pienenee.

5. Taitojen ja kykyjen muodostuminen

Määritä alumiiniatomin ytimen varaus, massavika ja sitoutumisenergia (Z = 13, A= 27, M minä = 26,9815).

6. Oppitunnin yhteenveto

Heijastus:

Mitkä hiukkaset muodostavat atomiytimen?

Mikä on atomin massaluku?

Millä nimellä kutsutaan voimia, jotka pitävät protoneja ja neutroneja ytimessä?

Mikä on massavika?

Mikä on ydinvoimaa sitova energia?

7. Kotitehtävät

§1 Varaus ja massa, atomiytimet

Ytimen tärkeimmät ominaisuudet ovat sen varaus ja massa. M.

Z- ytimen varaus määräytyy ytimeen keskittyneiden positiivisten alkuainevarausten lukumäärän mukaan. Positiivisen alkuvarauksen kantaja R= 1,6021 10 -19 C ytimessä on protoni. Atomi kokonaisuutena on neutraali ja ytimen varaus määrittää samanaikaisesti elektronien lukumäärän atomissa. Elektronien jakautuminen atomissa energiakuorille ja alikuorille riippuu olennaisesti niiden kokonaismäärästä atomissa. Siksi ydinvaraus määrää suurelta osin elektronien jakautumisen niiden tiloihin atomissa ja alkuaineen sijainnin jaksollinen järjestelmä Mendelejev. Ydinpanos onqminä = z· e, Missä z- ytimen varausnumero, joka on yhtä suuri kuin elementin järjestysnumero Mendelejevin järjestelmässä.

Atomiytimen massa on käytännössä sama kuin atomin massa, koska kaikkien atomien, paitsi vedyn, elektronien massa on noin 2,5 10 -4 atomimassaa. Atomien massa ilmaistaan ​​atomimassayksiköissä (a.m.u.). A.u.m. hyväksytty 1/12 massaa hiiliatomia.

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

mminä = m a - Z minä.

Isotoopit ovat tietyn kemiallisen alkuaineen atomien lajikkeita, joilla on sama varaus, mutta jotka eroavat massaltaan.

Atomimassaa lähinnä oleva kokonaisluku ilmaistuna a.u. m . kutsutaan massaluvuksi m ja merkitty kirjaimella A. Kemiallisen alkuaineen nimitys: A- massaluku, X - kemiallisen alkuaineen symboli,Z-latausnumero - sarjanumero jaksollisessa taulukossa ():

beryllium; Isotoopit: , ", .

Ytimen säde:

missä A on massaluku.

§2 Ytimen koostumus

Vetyatomin ydinnimeltään protoni

mprotoni= 1,00783 amu , .

Vetyatomikaavio

Vuonna 1932 löydettiin hiukkanen nimeltä neutroni, jonka massa on lähellä protonin massaa.mneutroni= 1,00867 a.m.u.) eikä siinä ole sähkövarausta. Sitten D.D. Ivanenko muotoili hypoteesin ytimen protoni-neutronirakenteesta: ydin koostuu protoneista ja neutroneista ja niiden summa on yhtä suuri kuin massaluku A. 3 järjestysnumeroZmäärittää protonien määrän ytimessä, neutronien lukumääränN \u003d A–Z.

Alkuainehiukkaset - protonit ja neutronit tulevat sisään ytimeen, tunnetaan yhteisesti nukleoneina. Ytimen nukleonit ovat tilassa, huomattavasti erilainen kuin heidän vapaavaltionsa. Nukleonien välillä on erityinen minä de r uutta vuorovaikutusta. He sanovat, että nukleoni voi olla kahdessa "varaustilassa" - protonitilassa, jossa on varaus+ e, Ja neutroni, jonka varaus on 0.

§3 Ytimen sitoutumisenergia. massavika. ydinvoimat

Ydinhiukkaset - protonit ja neutronit - pysyvät tiukasti ytimen sisällä, joten niiden välillä vaikuttavat erittäin suuret vetovoimat, jotka pystyvät vastustamaan samalla tavalla varautuneiden protonien välisiä valtavia hylkimisvoimia. Näitä erikoisjoukkoja, jotka syntyvät pienillä etäisyyksillä nukleonien välillä, kutsutaan ydinvoimiksi. Ydinvoimat eivät ole sähköstaattisia (Coulomb).

Ytimen tutkimus osoitti, että nukleonien välillä vaikuttavilla ydinvoimilla on seuraavat ominaisuudet:

a) nämä ovat lyhyen kantaman voimia - ilmenevät 10-15 m etäisyyksillä ja pienenevät jyrkästi jopa hieman etäisyyden kasvaessa;

b) ydinvoimat eivät riipu siitä, onko hiukkasella (nukleonilla) varaus-varaus riippumattomuus ydinvoimista. Neutronin ja protonin, kahden neutronin ja kahden protonin välillä vaikuttavat ydinvoimat ovat yhtä suuret. Protoni ja neutroni suhteessa ydinvoimiin ovat samat.

Sitoutumisenergia on atomiytimen stabiilisuuden mitta. Ytimen sitoutumisenergia on yhtä suuri kuin työ, joka on tehtävä ytimen jakamiseksi sen muodostaviksi nukleoneiksi välittämättä niille kineettistä energiaa

M I< Σ( m p + m n)

Minä - ytimen massa

Ytimen massojen mittaus osoittaa, että ytimen lepomassa on pienempi kuin sen muodostavien nukleonien lepomassan summa.

Arvo

toimii sitoutumisenergian mittana ja sitä kutsutaan massavikaksi.

Einsteinin yhtälö erityisessä suhteellisuusteoriassa suhteuttaa hiukkasen energian ja lepomassan.

Yleisessä tapauksessa ytimen sitoutumisenergia voidaan laskea kaavalla

Missä Z - varausnumero (protonien lukumäärä ytimessä);

A- massanumero ( kokonaismäärä nukleonit ytimessä);

m p, , m n Ja M i- protonin, neutronin ja ytimen massa

Massavika (Δ m) ovat yhtä suuria kuin 1 a.u. m (a.m.u. - atomimassayksikkö) vastaa sitoutumisenergiaa (E St), joka on yhtä suuri kuin 1 a.u.e. (a.u.e. - atomienergian yksikkö) ja yhtä suuri kuin 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Ydinreaktiot

Muutoksia ytimissä niiden vuorovaikutuksessa yksittäisten hiukkasten kanssa ja toistensa kanssa kutsutaan yleensä ydinreaktioksi.

Seuraavat ovat yleisimmät ydinreaktiot.

1. Transformaatioreaktio . Tällöin tuleva hiukkanen jää ytimeen, mutta väliydin emittoi jotain muuta hiukkasta, joten tuoteydin eroaa kohdeytimestä.

1. Säteilytysreaktio . Tuleva hiukkanen juuttuu ytimeen, mutta virittynyt ydin lähettää ylimääräistä energiaa ja lähettää γ-fotonin (käytetään ydinreaktorien toiminnassa)

Esimerkki kadmiumin neutronien sieppausreaktiosta

tai fosforia

1. Sironta. Väliydin lähettää hiukkasen, joka on identtinen

lentäneen kanssa, ja se voi olla:

Elastinen sironta neutronit hiilen kanssa (käytetään reaktoreissa neutronien lieventämiseen):

Joustamaton sironta :

1. fissioreaktio. Tämä on reaktio, joka etenee aina energian vapautuessa. Se on ydinenergian teknisen tuotannon ja käytön perusta. Fissioreaktion aikana välituoteyhdisteytimen viritys on niin suuri, että se jakautuu kahteen, suunnilleen yhtä suureen osaan, jolloin vapautuu useita neutroneja.

Jos viritysenergia on alhainen, ytimen erotusta ei tapahdu ja ydin, joka on menettänyt ylimääräistä energiaa emittoimalla γ - fotonin tai neutronin, palaa normaalitilaansa (kuva 1). Mutta jos neutronin tuoma energia on suuri, viritetty ydin alkaa muotoutua, siihen muodostuu supistuminen ja sen seurauksena se jakautuu kahdeksi fragmentiksi, jotka lentävät erilleen valtavilla nopeuksilla, kun taas kaksi neutronia vapautuu.
(Kuva 2).

Ketjureaktio- itsestään kehittyvä fissioreaktio. Sen toteuttamiseksi on välttämätöntä, että yhden fissiotapahtuman aikana syntyvistä sekundaarisista neutroneista ainakin yksi voi aiheuttaa seuraavan fissiotapahtuman: (koska jotkut neutronit voivat osallistua sieppausreaktioihin aiheuttamatta fissiota). Kvantitatiivisesti ketjureaktion olemassaolon ehto ilmaisee kerroin

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - ketjureaktiot vakiomäärällä neutroneja (ydinreaktorissa),k > 1 (m > m kr ) ovat ydinpommeja.

RADIOAKTIIVISUUS

§1 Luonnon radioaktiivisuus

Radioaktiivisuus on yhden alkuaineen epästabiilien ytimien spontaani muuttuminen toisen alkuaineen ytimiksi. luonnollinen radioaktiivisuus kutsutaan radioaktiivisuudeksi, joka havaitaan luonnossa esiintyvissä epävakaissa isotoopeissa. Keinotekoista radioaktiivisuutta kutsutaan ydinreaktioiden tuloksena saatujen isotooppien radioaktiivisuudeksi.

Radioaktiivisuuden tyypit:

1. α-hajoaminen.

Kahden protonin ja kahden toisiinsa yhteydessä olevan neutronin (a-hiukkanen - heliumatomin ydin) α-järjestelmän joidenkin kemiallisten alkuaineiden ytimien emissio)

α-hajoaminen on luontaista raskaille ytimille A> 200 jaZ > 82. Aineessa liikkuessaan α-hiukkaset tuottavat matkallaan voimakasta atomien ionisaatiota (ionisaatio on elektronien irtoamista atomista) vaikuttaen niihin sähkökenttä. Kutsutaan etäisyyttä, jonka α-hiukkanen lentää aineessa, kunnes se pysähtyy kokonaan hiukkasalue tai läpäisevä voima(merkittyR, [R] = m, cm). . klo normaaleissa olosuhteissaα-hiukkasten muotoja V ilmassa 30 000 paria ioneja per 1 cm polku. Spesifinen ionisaatio on ioniparien lukumäärä, joka muodostuu 1 cm:ä kohti polun pituutta. α-hiukkasella on voimakas biologinen vaikutus.

Alfa-hajoamisen siirtosääntö:

2. β-hajoaminen.

a) elektroninen (β -): ydin emittoi elektronin ja elektronin antineutrinon

b) positroni (β +): ydin emittoi positronia ja neutriinon

Nämä prosessit tapahtuvat muuntamalla yhden tyyppinen nukleoni ytimeksi toiseksi: neutroni protoniksi tai protoni neutroniksi.

Ytimessä ei ole elektroneja, ne muodostuvat nukleonien keskinäisen muuntumisen seurauksena.

Positron - hiukkanen, joka eroaa elektronista vain varauksen merkillä (+e = 1,6 10 -19 C)

Kokeesta seuraa, että β-hajoamisen aikana isotoopit menettävät saman määrän energiaa. Siksi W. Pauli ennusti energian säilymislain perusteella, että toinen kevyt hiukkanen, nimeltään antineutrino, sinkoutuu ulos. Antineutrinolla ei ole varausta tai massaa. β-hiukkasten energiahäviöt niiden kulkiessa aineen läpi johtuvat pääasiassa ionisaatioprosesseista. Osa energiasta menetetään röntgensäteille, kun absorboivan aineen ytimet hidastavat β-hiukkasia. Koska β-hiukkasilla on pieni massa, yksikkövaraus ja erittäin suuret nopeudet, niiden ionisointikyky on pieni (100 kertaa pienempi kuin α-hiukkasten), joten β-hiukkasten tunkeutumisteho (kilometrimatka) on huomattavasti suurempi kuin α-hiukkasia.

Rβ ilma = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - hajoaminen tapahtuu luonnollisissa ja keinotekoisissa radioaktiivisissa ytimissä. β + - vain keinotekoisella radioaktiivisuudella.

Siirtymäsääntö β - - vaimenemiselle:

c) K - sieppaus (elektroninen sieppaus) - ydin absorboi yhden kuoressa K olevista elektroneista (harvemminLtai M) sen atomista, jonka seurauksena yksi protoneista muuttuu neutroniksi ja samalla emittoi neutrinon

Kaavio K - sieppaus:

Siepatun elektronin vapauttama tila elektronikuoressa täyttyy elektroneilla, jotka ovat peräisin olevista kerroksista, mikä johtaa röntgensäteisiin.

• γ-säteet.

Yleensä kaikentyyppiseen radioaktiivisuuteen liittyy γ-säteiden emissio. γ-säteet ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituudet ovat yhdestä sadasosaan angströmistä λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. γ-säteiden energia saavuttaa miljoonia eV.

W γ ~ MeV

1eV = 1,6 10 -19 J

Ydin, jossa tapahtuu radioaktiivista hajoamista, osoittautuu pääsääntöisesti kiihtyneeksi, ja sen siirtymistä perustilaan seuraa γ - fotonin emissio. Tässä tapauksessa γ-fotonin energia määräytyy ehdon mukaan

jossa E 2 ja E 1 on ytimen energia.

E 2 - energia virittyneessä tilassa;

E 1 - energia perustilassa.

γ-säteiden absorptio aineeseen johtuu kolmesta pääprosessista:

• valosähköinen efekti (kanssa hv < l MэB);
• elektroni-positroniparien muodostuminen;

tai

• sironta (Compton-efekti) -

γ-säteiden absorptio tapahtuu Bouguerin lain mukaan:

jossa μ on lineaarinen vaimennuskerroin, joka riippuu γ-säteiden energioista ja väliaineen ominaisuuksista;

І 0 on tulevan yhdensuuntaisen säteen intensiteetti;

minäon säteen intensiteetti sen jälkeen, kun se on kulkenut paksuisen aineen läpi X cm.

γ-säteet ovat yksi läpäisevimmistä säteilyistä. Kovimmille säteille (hvmax) puoliabsorptiokerroksen paksuus on 1,6 cm lyijyssä, 2,4 cm raudassa, 12 cm alumiinissa ja 15 cm maassa.

§2 Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki.

Hajoneiden ytimien lukumäärädN verrannollinen alkuperäiseen ytimien lukumäärään N ja hajoamisaikadt, dN~ N dt. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki differentiaalisessa muodossa:

Kerrointa λ kutsutaan tietyn tyyppisten ytimien vaimenemisvakioksi. "-"-merkki tarkoittaa sitädNon oltava negatiivinen, koska hajoamattomien ytimien lopullinen lukumäärä on pienempi kuin alkuperäinen.

siksi λ luonnehtii ytimien osuutta, joka hajoaa aikayksikköä kohti, eli määrittää radioaktiivisen hajoamisen nopeuden. λ ei riipu ulkoisista olosuhteista, vaan sen määräävät vain ytimien sisäiset ominaisuudet. [λ]=s -1.

Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki integraalisessa muodossa

Missä N 0 - radioaktiivisten ytimien alkumäärät=0;

N- hajoamattomien ytimien lukumäärä kerrallaant;

λ on radioaktiivisen hajoamisvakio.

Hajoamisnopeutta käytännössä ei arvioida käyttämällä λ:ta, vaan T 1/2 - puoliintumisaikaa - aikaa, jonka aikana puolet alkuperäisestä ytimien lukumäärästä hajoaa. Suhde T 1/2 ja λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 vuotta, T 1/2 Ra = 1 590 vuotta, T 1/2 Rn = 3,825 päivää Vaimenemien määrä aikayksikköä kohti A \u003d -dN/ dtkutsutaan tietyn radioaktiivisen aineen aktiivisuudeksi.

From

seuraa,

[A] \u003d 1 Becquerel \u003d 1 hajoaminen / 1 s;

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

Toiminnan muutoksen laki

missä A 0 = λ N 0 - alkutoiminta ajankohdassat= 0;

A - toimintaa kerrallaant.

Ytimen rakenteen mallit.

Kuinka esitellä ydin? Tämä ei ole helppo kysymys, ja useita ydinmalleja on ehdotettu. Suosituimmat ja tällä hetkellä käytetyt ovat kaksi mallia: tippa ja kuori.

Pisaramallin mukaan ydintä verrataan nestepisaraan, koska nestepisaralla ja ytimellä on paljon yhteistä. Suurin yhteinen piirre on, että nestepisaran molekyylien sekä ytimen nukleonien välisellä vuorovaikutuksella on kyllästymisominaisuus: jokaista molekyyliä ympäröi vain melko määrätty määrä naapureita. Vuorovaikutusvoimat pisarassa olevien molekyylien välillä ovat lyhyen kantaman. Pisaran tilavuus kasvaa, kuten ytimen, suhteessa molekyylien määrään. Ytimen vertailu pisaran kanssa johtaa yhdelle tärkeälle ajatukselle: nestepisaralla on pintajännitys. On syytä uskoa, että myös pisaraytimellä on tämä ominaisuus. Pintajännitys vetää pisaran yhteen ja tekee siitä pallomaisen. Siksi ytimellä, voitaisiin sanoa, on pallomainen muoto. Nestepisaran ja atomin ytimen välillä on myös eroja. Ydin on varautunut (protonit!), kun taas pisara on yleensä neutraali (vaikka se voi olla erityisesti varautunut). Suurin ero on, että pudotus - klassinen järjestelmä ja siinä energia on jatkuva määrä, ja ydin on tyypillinen kvanttijärjestelmä ja sen energialla on diskreetti spektri.

Kuorimallissa ydintä verrataan atomiin, jolla on kuorirakenne: atomin keskustaa, johon ydin on keskittynyt, ympäröivät elektronikuoren kerrokset. Ensi silmäyksellä näyttää siltä, ​​​​että ytimellä ei pitäisi olla mitään yhteistä atomin kanssa, koska ytimessä ei ole fyysisesti eristettyä keskustaa, jonka ympärille nukleonikerrokset voisivat sijaita. On kuitenkin otettava huomioon sekä ytimen että atomin kvanttirakenne. Loppujen lopuksi atomin elektronikuoren kerrokset syntyvät siitä syystä, että atomien erillinen energiaspektri on seuraava: sen energiatasot jakautuvat useisiin suhteellisen lähellä sijaitseviin ryhmiin, joiden tasojen täyttö muodostaa elektronien kuorikerrokset. Kävi ilmi, että ytimien energiaspektrit muistuttavat tässä suhteessa atomien spektrejä: ne muodostavat myös lähekkäin sijaitsevia tasoja. Siksi näiden tasoryhmien asteittainen täyttyminen nukleoneilla muistuttaa atomien elektronikerroksia. Näin rakennetaan ytimien kuorimalli.

Ydinvoimat.

Jotta atomiytimet olisivat stabiileja, protonit ja neutronit on pidettävä ytimien sisällä valtavilla voimilla, jotka ovat monta kertaa suurempia kuin protonien Coulombin hylkivät voimat.

Ydinvoimat - ydinhiukkasten - nukleonien välillä vaikuttavat voimat.

Ydinvoimien ominaisuudet:

1. Nämä ovat lyhyen kantaman voimia. toimivat nukleonien välisillä etäisyyksillä, luokkaa 10–15 m, ja pienenevät jyrkästi etäisyyden kasvaessa; 1,4 ∙ 10 −15 m etäisyyksillä ne ovat melkein yhtä suuret kuin 0.

2. Nämä ovat voimakkaimmat voimat kaikesta, mitä luonnolla on käytettävissään., joten ytimessä olevien hiukkasten vuorovaikutusta kutsutaan usein vahvoiksi vuorovaikutuksiksi.

3. Ydinvoimilla on taipumus kyllästyä, nuo. Nukleoni ei ole vuorovaikutuksessa kaikkien muiden nukleonien kanssa, vaan vain joidenkin lähimpien naapuriensa kanssa.

4. Ydinvoimille on ominaista varausriippumattomuus. Tämä tarkoittaa, että sekä varautuneet että varauksettomat hiukkaset vetäytyvät toisiaan puoleensa samalla voimalla, ts. houkutteleva voima F s kahden protonin välinen vetovoima F s kahden neutronin välillä ja on yhtä suuri kuin vetovoima F rp protonin ja neutronin välillä.

5. Ydinvoimat eivät ole keskeisiä, nuo. niitä ei ole suunnattu näiden varausten keskipisteitä yhdistävää suoraa linjaa pitkin.

6. Ydinvoimat ovat ns vaihtovoimat.

Muista, että on neljä tyyppiä perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia luonnossa: vahva, sähkömagneettinen, heikko ja painovoimainen.

Vahva vuorovaikutus esiintyy atomiytimien tasolla ja edustaa niiden keskinäistä vetovoimaa ja hylkimistä osat. Se toimii noin 10 -13 cm:n etäisyydellä Tietyissä olosuhteissa vahva vuorovaikutus sitoo erittäin voimakkaasti hiukkasia, jolloin muodostuu materiaalijärjestelmiä, joilla on korkea sitoutumisenergia - atomiytimiä. Tästä syystä atomien ytimet ovat erittäin vakaita, niitä on vaikea tuhota.

Sähkömagneettinen vuorovaikutus noin tuhat kertaa heikompi kuin vahva, mutta paljon pidemmän kantaman. Tämäntyyppinen vuorovaikutus on ominaista sähköisesti varautuneille hiukkasille. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantaja on fotoni, jolla ei ole varausta - sähkön kvantti magneettikenttä. Sähkömagneettisen vuorovaikutuksen aikana elektronit ja atomiytimet yhdistetään atomeiksi, atomit - molekyyleiksi. Tietyssä mielessä tämä vuorovaikutus on perustavanlaatuista kemiassa ja biologiassa.

Heikko vuorovaikutus mahdollisesti eri hiukkasten välillä. Se ulottuu luokkaa 10 -15 - 10 -22 cm ja liittyy pääasiassa hiukkasten hajoamiseen, esimerkiksi atomin ytimessä tapahtuvaan neutronin muuttumiseen protoniksi, elektroniksi ja antineutriinoksi. . Nykyisen tietämyksen mukaan useimmat hiukkaset ovat epävakaita juuri heikon vuorovaikutuksen vuoksi.

Gravitaatiovuorovaikutus- heikoin, jota ei oteta huomioon alkuainehiukkasten teoriassa, koska niille ominaisilla etäisyyksillä luokkaa 10 -13 cm se antaa erittäin pieniä vaikutuksia. Kuitenkin ultrapienillä etäisyyksillä (luokkaa 10-33 cm) ja erittäin suurilla energioilla gravitaatiosta tulee jälleen välttämätön. Täällä alkavat ilmetä fyysisen tyhjiön epätavalliset ominaisuudet. Superraskaat virtuaalihiukkaset luovat ympärilleen huomattavan gravitaatiokentän, joka alkaa vääristää avaruuden geometriaa. Kosmisessa mittakaavassa gravitaatiovuorovaikutus on ratkaisevan tärkeää. Sen valikoimaa ei ole rajoitettu.

Kaikki neljä vuorovaikutusta tarpeellista ja riittävää rakentamaan monipuolista maailmaa.

Ilman vahvoja vuorovaikutuksia atomiytimiä ei olisi olemassa, eivätkä tähdet ja aurinko voisi tuottaa lämpöä ja valoa ydinenergian vuoksi.

Ilman sähkömagneettista vuorovaikutusta ei olisi atomeja, ei molekyylejä, ei makroskooppisia esineitä, samoin kuin lämpöä ja valoa.

Ilman heikkoja vuorovaikutuksia ydinreaktiot Auringon ja tähtien sisällä eivät olisi mahdollisia, supernovaräjähdyksiä ei tapahtuisi eivätkä elämän välttämättömät raskaat alkuaineet leviäisi universumissa. Ilman gravitaatiovuorovaikutusta ei vain olisi galakseja, tähtiä, planeettoja, vaan koko maailmankaikkeus ei voisi kehittyä, koska painovoima on yhdistävä tekijä, joka varmistaa koko maailmankaikkeuden ja sen kehityksen yhtenäisyyden.

Moderni fysiikka on tullut siihen tulokseen, että kaikki neljä perusvuorovaikutusta, jotka ovat välttämättömiä monimutkaisen ja monimuotoisen aineellisen maailman luomiseksi alkuainehiukkasista, voidaan saada yhdestä perusvuorovaikutuksesta - supervoimia. Silmiinpistävin saavutus oli todiste siitä, että erittäin korkeissa lämpötiloissa (tai energioissa) kaikki neljä vuorovaikutusta yhdistyvät yhdeksi.

Tämä oletus on puhtaasti teoreettinen, koska sitä ei voida varmistaa kokeellisesti. Epäsuorasti nämä ajatukset vahvistavat astrofysikaaliset tiedot, joita voidaan pitää universumin keräämänä kokeellisena materiaalina.

Neutronin ja protonin löytö.

1900-luvun 20-luvulla fyysikot eivät enää epäillyt, että E. Rutherfordin vuonna 1911 löytämillä atomiytimillä, kuten myös itse atomeilla, on monimutkainen rakenne. He vakuuttuivat tästä lukuisilla siihen mennessä kertyneillä kokeellisilla faktoilla: radioaktiivisuuden löydöillä, ytimen ydinmallin kokeellisella todisteella, elektronin, α-hiukkasen ja ns. kutsutaan H-hiukkaseksi - vetyatomin ytimeksi, keinotekoisen radioaktiivisuuden ja ydinreaktioiden löytämiseksi, atomiytimien varausten mittaamiseksi jne. Nyt on vakaasti todistettu, että eri alkuaineiden atomiytimet koostuvat kahdesta hiukkasesta - protoneista ja neutroneista.

Ensimmäinen näistä hiukkasista on vetyatomi, josta yksi elektroni on poistettu. Tämä hiukkanen havaittiin jo J. Thomsonin (1907) kokeissa, joka onnistui mittaamaan suhteen e/m siinä. Vuonna 1919 E. Rutherford löysi vetyatomin ytimet monien alkuaineiden atomiytimien fissiotuotteista. Rutherford kutsui tätä hiukkasta protoniksi. Hän ehdotti, että protonit ovat osa kaikkia atomiytimiä.

Kaavio Rutherfordin kokeista protonien havaitsemiseksi ydinfissiotuotteista. K - lyijysäiliö radioaktiivisella α-hiukkasten lähteellä, F - metallikalvo, E - sinkkisulfidilla päällystetty seula, M - mikroskooppi.

Rutherfordin laite koostui tyhjennetystä kammiosta, johon sijoitettiin säiliö K, jossa oli a-hiukkasten lähde. Kammion ikkuna peitettiin metallikalvolla Ф, jonka paksuus valittiin siten, että α-hiukkaset eivät pääse tunkeutumaan sen läpi. Ikkunan ulkopuolella oli sinkkisulfidilla päällystetty seula E. Mikroskoopilla M oli mahdollista havaita tuikea kohdista, joissa raskaat varautuneet hiukkaset osuivat näyttöön. Kun kammio täytettiin typellä alhaisessa paineessa, näytölle ilmestyi valon välähdyksiä, jotka osoittivat joidenkin hiukkasten virtauksen, jotka pystyivät tunkeutumaan F-kalvon läpi, mikä esti melkein kokonaan α-hiukkasten virtauksen.

Rutherford mittasi siirtämällä näyttöä E poispäin kameraikkunasta keskipituus vapaajuoksu havaittuja hiukkasia ilmassa. Se osoittautui suunnilleen yhtä suureksi kuin 28 cm, mikä osui yhteen J. Thomsonin aiemmin havaitseman H-hiukkasten reitin pituuden arvion kanssa. Sähkö- ja magneettikenttien vaikutuksesta typen ytimistä irrottamiin hiukkasiin tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että näillä hiukkasilla on positiivinen alkuainevaraus ja niiden massa on yhtä suuri kuin vetyatomin ytimen massa. Myöhemmin koe suoritettiin useilla muilla kaasumaisilla aineilla. Kaikissa tapauksissa havaittiin, että α-hiukkaset syrjäyttävät H-hiukkasia tai protoneja näiden aineiden ytimistä. Nykyaikaisten mittausten mukaan protonin positiivinen varaus on täsmälleen yhtä suuri alkeislataus e = 1,60217733 10–19 C, eli se on itseisarvoltaan yhtä suuri kuin elektronin negatiivinen varaus. Tällä hetkellä protoni- ja elektronivarausten yhtäläisyys on varmistettu 10-22 tarkkuudella. Tällainen kahden erilaisen hiukkasen varausten yhteensattuma on yllättävää ja on edelleen yksi modernin fysiikan perusmysteereistä.

protonimassa, nykyaikaisten mittausten mukaan, m p = 1,67262 10–27 kg. Ydinfysiikassa hiukkasen massa ilmaistaan ​​usein atomimassayksiköinä (a.m.u.), joka on 1/12 hiiliatomin massasta, jonka massaluku on 12:

Siksi m p \u003d 1,007276 a. e. m. Monissa tapauksissa on kätevää ilmaista hiukkasen massa ekvivalenteina energia-arvoina kaava E = mc2. Koska 1 eV = 1,60218 10 -19 J, energiayksiköissä protonimassa on 938,272331 MeV. Siten Rutherfordin kokeessa havaittiin ilmiö typen ja muiden alkuaineiden ytimien halkeamisesta nopeiden α-hiukkasten törmäyksen aikana, ja osoitettiin, että protonit ovat osa atomiytimiä. Protonin löytämisen jälkeen ehdotettiin, että atomiytimet koostuvat vain protoneista. Tämä oletus osoittautui kuitenkin kestämättömäksi, koska ytimen varauksen suhde sen massaan ei pysy vakiona eri ytimille, kuten olisi, jos ytimien koostumukseen sisällytettäisiin vain protoneja. Raskaammilla ytimillä tämä suhde osoittautuu pienemmäksi kuin kevyille, eli siirryttäessä raskaampiin ytimiin ytimen massa kasvaa nopeammin kuin varaus. Vuonna 1920 Rutherford oletti ytimien koostumuksessa jäykästi sidotun kompaktin protoni-elektroni-parin olemassaolon, joka on sähköisesti neutraali muodostuma - hiukkanen, jonka massa on suunnilleen yhtä suuri kuin protonin massa. Hän jopa keksi nimen tälle hypoteettiselle hiukkaselle - neutroni.

Se oli erittäin kaunis, mutta kuten myöhemmin kävi ilmi, virheellinen ajatus. Elektroni ei voi olla osa ydintä. Epävarmuussuhteeseen perustuva kvanttimekaaninen laskelma osoittaa, että ytimeen lokalisoidulla elektronilla, eli alueella, jonka koko on R ≈ 10–13 cm, täytyy olla valtava kineettinen energia, monta suuruusluokkaa suurempi kuin ydinvoimaa sitova energia per hiukkanen.

Ajatus raskaan neutraalin hiukkasen olemassaolosta tuntui Rutherfordille niin houkuttelevalta, että hän kutsui välittömästi J. Chadwickin johtaman ryhmän oppilaitaan etsimään tällaista hiukkasta. Kaksitoista vuotta myöhemmin, vuonna 1932, Chadwick tutki kokeellisesti säteilyä, joka syntyy, kun beryllium säteilytetään α-hiukkasilla ja havaitsi, että tämä säteily on neutraalien hiukkasten virtaa, jonka massa on suunnilleen yhtä suuri kuin protonin massa. Näin neutroni löydettiin.

Kun berylliumia pommitetaan radioaktiivisen poloniumin lähettämillä α-hiukkasilla, syntyy voimakasta tunkeutuvaa säteilyä, joka voi ylittää esteen, kuten 10–20 cm paksuisen lyijykerroksen, jota Joliot-Curien puolisot Irene ja Chadwick havaitsivat lähes samanaikaisesti Chadwickin kanssa. Frederic (Irene on Pierre Curien tytär), mutta he olettivat näiden olevan korkeaenergisiä γ-säteitä. He havaitsivat, että jos parafiinilevy asetetaan berylliumsäteilyn tielle, tämän säteilyn ionisoiva teho kasvaa jyrkästi. He osoittivat, että berylliumsäteily syrjäyttää parafiinista protonit, joita on suuria määriä tässä vetyä sisältävässä aineessa. Protonien vapaan polun perusteella ilmassa he arvioivat γ-kvanttien energian, jotka pystyvät välittämään protoneille tarvittavan nopeuden törmäyksessä.

Se osoittautui valtavaksi - noin 50 MeV. J. Chadwick suoritti vuonna 1932 sarjan kokeita kattavasta tutkimuksesta säteilyn ominaisuuksista, jotka johtuvat berylliumin säteilytyksestä α-hiukkasilla. Kokeissaan Chadwick käytti erilaisia ​​tutkimusmenetelmiä. ionisoiva säteily. Kuvassa 2 kuvassa Geiger-laskuri, suunniteltu havaitsemaan varautuneita hiukkasia. Se koostuu lasiputkesta, joka on päällystetty sisältä metallikerroksella (katodilla) ja ohuesta langasta, joka kulkee putken akselia pitkin (anodi). Putki täytetään inertillä kaasulla (yleensä argonilla) alhaisessa paineessa. Kaasun läpi lentävä varautunut hiukkanen aiheuttaa molekyylien ionisaation. Ionisaation seurauksena ilmaantuneet vapaat elektronit kiihdytetään anodin ja katodin välisen sähkökentän vaikutuksesta energioihin, joissa iskuionisaatio alkaa. Ionien lumivyöry ilmestyy ja lyhyt purkausvirtapulssi kulkee laskurin läpi. Toinen tärkeä instrumentti hiukkasten tutkimuksessa on ns. pilvikammio, johon nopeasti varautunut hiukkanen jättää jäljen (jäljen). Hiukkasten liikerata voidaan tarkkailla suoraan tai valokuvata.

Toiminta pilvi kammio vuonna 1912 luotu, perustuu ylikyllästetyn höyryn kondensoitumiseen kammion työtilavuuteen muodostuneiden ionien päälle varautuneen hiukkasen liikeradalla. Pilvikammion avulla voidaan tarkkailla varautuneen hiukkasen liikeradan kaarevuutta sähkö- ja magneettikentissä. J. Chadwick havaitsi kokeissaan typpiytimien pilvikammion jälkiä, jotka kokivat törmäyksen berylliumsäteilyn kanssa. Näiden kokeiden perusteella hän teki arvion γ-kvantin energiasta, joka pystyy ilmoittamaan typpiytimille kokeessa havaitun nopeuden. Se osoittautui yhtä suureksi kuin 100–150 MeV. Tällaisella valtavalla energialla ei voisi olla berylliumin lähettämiä γ-kvantteja. Tällä perusteella Chadwick päätteli, että berylliumista α-hiukkasten vaikutuksesta massattomat γ-kvantit eivät lennä ulos, vaan raskaita hiukkasia.

Koska nämä hiukkaset olivat erittäin läpäiseviä eivätkä suoraan ionisoineet kaasua Geiger-laskimessa, ne olivat siksi sähköisesti neutraaleja. Siten neutronin, hiukkasen, jonka Rutherford ennusti yli 10 vuotta ennen Chadwickin kokeita, olemassaolo todistettiin. Neutron on alkuainehiukkanen. Sitä ei pitäisi esittää kompaktina protoni-elektroni-parina, kuten Rutherford alun perin ehdotti. Nykyaikaisten mittojen mukaan neutronin massa m n \u003d 1,67493 10–27 kg \u003d 1,008665 a. e. m. Energiayksiköissä neutronien massa on 939,56563 MeV. Neutronin massa on noin kaksi elektronimassaa suurempi kuin protonin massa. Heti neutronin löytämisen jälkeen venäläinen tiedemies D. D. Ivanenko ja saksalainen fyysikko W. Heisenberg esittivät hypoteesin protoni-neutronirakenteesta. ydin ytimiä, mikä vahvistettiin täysin myöhemmissä tutkimuksissa.

Ydin koostuu nukleoneista: protoneista ja neutroneista.

G. Moseley (Englanti) havaitsi, että atomiytimen positiivinen varaus (tavanomaisina yksikköinä) on yhtä suuri kuin Mendelejevin jaksollisen järjestelmän elementin järjestysluku. Jokaisen protonin varaus on +1, joten ydinvaraus on yhtä suuri kuin protonien lukumäärä.

Protonin massa, kuten neutronin massa, on noin 1840 kertaa elektronin massa. Protonit ja neutronit ovat ytimessä, joten atomin massa on melkein yhtä suuri kuin ytimen massa. Ytimen massa, kuten atomin massa, määräytyy protonien ja neutronien lukumäärän summalla. Tätä summaa kutsutaan atomin massaluvuksi. Atomin massaluku (A) = protonien lukumäärä (Z) + neutronien lukumäärä (N) A=Z+N

Protonit ja neutronit, jotka ovat osa mitä tahansa ydintä, eivät ole jakamattomia alkuainehiukkasia, vaan ne koostuvat kvarkeista.

Kvarkit vuorostaan ​​ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vaihtaen jatkuvasti gluoneja - todella vahvan vuorovaikutuksen kantajia (se on tuhansia kertoja vahvempi kuin se, joka toimii protonien ja neutronien välillä ytimessä). Tämän seurauksena protonit ja neutronit osoittautuvat erittäin vahvasti sidoksiksi järjestelmiksi, joita ei voida hajottaa osiin.

Nukleonien sitoutumisenergia ytimessä, massavika.

Atomiytimen stabiiliudelle on ominaista sitoutumisenergia (E St.).

Tarkimmat mittaukset osoittavat, että ytimen lepomassa M on aina pienempi kuin sen muodostavien protonien ja neutronien lepomassan summa: M i< Zm p + Nm n .

massavika - määrä, jolla kaikkien nukleonien massa pienenee, kun ne muodostavat atomiytimen. Massavika on yhtä suuri kuin nukleonien lepomassan summan ja ytimen massan M i välinen ero: ∆M= - M i,missä m p , m n ovat vastaavasti protonin ja neutronin massat.

Sidosenergia – vähimmäisenergia, joka on käytettävä ytimen täydelliseen jakautumiseen yksittäisiksi nukleoneiksi tai energia, joka vapautuu vapaiden nukleonien fuusion aikana ytimeen. Sidontaenergian laskentakaava:

E St \u003d ∆mc 2 \u003d c 2, jossa с=3·10 8 m/s on valon nopeus tyhjiössä.

Jos tässä kaavassa protonin, neutronin ja ytimen massat ilmaistaan ​​kilogrammoina ja valon nopeus metreinä sekunnissa, niin sitoutumisenergia E St mitataan jouleina. Kuitenkin atomin ja atomiytimen fysiikassa ytimien ja alkuainehiukkasten energia ilmaistaan ​​useammin megaelektronivolteina (MeV): 1 MeV \u003d 1,6 10 - 13 J.

Vastaavat tehtävät ratkaisemalla voidaan saada sidosenergia jouleina ja sitten tarvittaessa muuntaa se megaelektronivolteiksi jakamalla saatu joulemäärä 1,6·10 - 13:lla. Mutta on paljon helpompaa saada sidosenergian arvo megaelektronivoltteina, jos jätämme protonin, neutronin ja ytimen massat ilmaistuna atomimassayksiköissä ja kerromme massavika ∆M ei c 2:lla, vaan luvulla. 931 . Yksi atomimassayksikkö vastaa sitoutumisenergiaa 931MeV.E St \u003d 931 ∆M tai E St \u003d 931 (Zm p + Nm n - M I) MeV

Sitoutumisenergia muunnetaan ydinmuunnosten aikana emittoituneiden y-kvanttien energiaksi, joka on täsmälleen yhtä suuri kuin E St. , ja jonka massa: ∆M = E /s 2 .

Jos reaktion seurauksena E \u003d ∆Mc 2 > 0, vapautuu energiaa, jos E \u003d ∆M c 2< 0 - поглощается.

Ytimen lujuuden karakterisoimiseksi käytetään arvoa, jota kutsutaan ominaissidosenergiaksi ε St.

Spesifinen sitoutumisenergia - sitoutumisenergia yhtä ytimen nukleonia kohti on yhtä suuri kuin sitoutumisenergian suhde E St atomin ytimen massanumeroon A: ε St = E St / A, Spesifinen sitoutumisenergia määritetään kokeellisesti.

Ydinreaktiot - prosessit, jotka tapahtuvat ytimien tai alkuainehiukkasten törmääessä muihin ytimiin, minkä seurauksena alkuperäisen ytimen kvanttitila ja nukleonikoostumus muuttuvat ja reaktiotuotteiden joukkoon ilmaantuu uusia hiukkasia.

Samalla se on mahdollista fissioreaktiot, kun yhden atomin ydin jakautuu pommituksen seurauksena kahdeksi eri atomien ytimeksi. klo synteesireaktiot kevyiden ytimien muuttuminen raskaammiksi.

HUOMIO: Ero kemiallisten ja ydinreaktioiden välillä on se kemialliset reaktiot kunkin tietyn alkuaineen atomien kokonaismäärä sekä atomit, jotka muodostavat tiettyjä aineita, pysyvät ennallaan. Ydinreaktioissa sekä atomit että alkuaineet muuttuvat.

Isotoopit.

isotoopit - nämä ovat saman kemiallisen alkuaineen atomien lajikkeita, joiden atomiytimissä on sama määrä protoneja Z ja eri määrä neutroneja n. Isotoopit ovat saman paikan alkuaineiden jaksollisessa taulukossa, mistä johtuu niiden nimi. Isotoopit eroavat yleensä merkittävästi ydinominaisuuksiltaan. Isotooppien kemialliset (ja lähes yhtä lailla fysikaaliset) ominaisuudet ovat samat. Tämä johtuu siitä, että elementin kemialliset ominaisuudet määräytyvät ytimen varauksen mukaan, koska se vaikuttaa rakenteeseen elektronikuori atomi.

Poikkeuksena ovat kevyiden alkuaineiden isotoopit. Vedyn isotoopit 1 H - protium, 2 N - deuterium, 3 H - tritium eroavat massaltaan niin paljon, että niiden fyysiset ja Kemialliset ominaisuudet eri. Deuterium on stabiili (eli ei radioaktiivinen) ja pääsee pienenä epäpuhtautena (1:4500) tavalliseen vetyyn. Deuterium yhdistyy hapen kanssa muodostaen raskasta vettä. Se kiehuu 101,2 °C:ssa normaalissa ilmanpaineessa ja jäätyy 3,8 °C:ssa. Tritium on β-radioaktiivinen, ja sen puoliintumisaika on noin 12 vuotta.

Kaikilla kemiallisilla alkuaineilla on isotooppeja. Joillakin alkuaineilla on vain epästabiileja (radioaktiivisia) isotooppeja. Kaikille alkuaineille on saatu keinotekoisesti radioaktiivisia isotooppeja. Ydinteollisuudessa radioaktiiviset isotoopit ovat yhä arvokkaampia ihmiskunnalle.

Neutronien löytö antoi sysäyksen ymmärtää atomiytimien järjestystä.

Samana vuonna 1932, kun neutroni löydettiin, Neuvostoliiton fyysikko Dmitri Dmitrievich Ivanenko ja saksalainen fyysikko Werner Heisenberg ehdottivat protoni-neutronimallia ytimien rakenteesta, jonka pätevyys vahvistettiin myöhemmin kokeellisesti.

Protoneja ja neutroneja kutsutaan nukleoneiksi (latinan kielestä ydin - ydin). Tätä termiä käyttämällä voimme sanoa, että atomiytimet koostuvat nukleoneista.

• Nukleonien kokonaismäärää ytimessä kutsutaan massaluvuksi ja sitä merkitään kirjaimella A

Joten esimerkiksi typen massaluku on A = 14, raudan A = 56, uraanin A = 235.

On selvää, että massaluku A on numeerisesti yhtä suuri kuin ytimen m massa ilmaistuna atomimassayksiköinä ja pyöristettynä kokonaislukuihin (koska kunkin nukleonin massa on noin 1 AU). Esimerkiksi typelle m ≈ 14 a.u. e. m., raudalle m ≈ 56 a.u. e.m. jne.

• Protonien lukumäärää ytimessä kutsutaan varausnumeroksi ja sitä merkitään Z:lla

Esimerkiksi typelle varausluku on Z = 7, raudalle Z = 26, uraanille Z = 92 jne.

Jokaisen protonin varaus on yhtä suuri kuin sähkövaraus. Siksi varausluku Z on numeerisesti yhtä suuri kuin ytimen varaus, joka ilmaistaan ​​elementaarisissa sähkövarauksissa. Jokaisen kemiallisen alkuaineen varausnumero on yhtä suuri kuin D. I. Mendelejevin taulukon atomi (sarja) numero.

Minkä tahansa kemiallisen alkuaineen ydin yleisnäkymä on merkitty seuraavasti: (X:n alla tarkoittaa kemiallisen alkuaineen symbolia).

Ytimen neutronien lukumäärä merkitään yleensä kirjaimella N. Koska massaluku A on protonien ja neutronien kokonaismäärä ytimessä, voidaan kirjoittaa: A \u003d Z + N.

Atomiytimien rakenteen protoni-neutronimalliin perustuen selitettiin joitain 1900-luvun kahden ensimmäisen vuosikymmenen aikana löydettyjä kokeellisia tosiasioita.

Joten radioaktiivisten alkuaineiden ominaisuuksien tutkimisen aikana havaittiin, että samalla kemiallisella elementillä on atomeja, joiden ytimet ovat eri massaisia.

Ydinten sama varaus osoittaa, että niillä on sama sarjanumero D. I. Mendelejevin taulukossa, eli ne sijaitsevat taulukossa samassa solussa, samassa paikassa. Tästä syystä yhden kemiallisen alkuaineen kaikkien lajikkeiden nimi: isotoopit (kreikan sanoista isos - sama ja topos - paikka).

• Isotoopit ovat tietyn kemiallisen alkuaineen lajikkeita, jotka eroavat atomiytimien massasta.

Ytimen protoni-neutronimallin luomisen ansiosta (eli noin kaksi vuosikymmentä isotooppien löytämisen jälkeen) oli mahdollista selittää, miksi atomiytimillä, joilla on sama varaus, on erilaiset massat. Ilmeisesti isotooppien ytimet sisältävät saman määrän protoneja, mutta eri määrän neutroneja.

Joten esimerkiksi vedyllä on kolme isotooppia: (protium), . (deuterium) ja (tritium). Isotoopin ytimessä ei ole lainkaan neutroneja - se on yksi protoni. Deuteriumydin koostuu kahdesta hiukkasesta: protonista ja neutronista. Tritiumydin koostuu kolmesta hiukkasesta: yhdestä protonista ja kahdesta neutronista.

Hypoteesi, jonka mukaan atomiytimet koostuvat protoneista ja neutroneista, vahvistivat monet kokeelliset tosiasiat.

Mutta heräsi kysymys: miksi ytimet eivät hajoa yksittäisiksi nukleoneiksi positiivisesti varautuneiden protonien välisten sähköstaattisten hylkäysvoimien vaikutuksesta?

Laskelmat osoittavat, että nukleoneja ei voida pitää yhdessä gravitaatio- tai magneettisista vetovoimista johtuen, koska nämä voimat ovat paljon pienempiä kuin sähköstaattiset.

Etsiessään vastausta kysymykseen atomiytimien stabiilisuudesta tutkijat ovat ehdottaneet, että kaikkien ytimien nukleonien välillä on joitain erityisiä houkuttelevia voimia, jotka ylittävät merkittävästi protonien väliset sähköstaattiset hylkimisvoimat. Näitä voimia kutsuttiin ydinvoimaksi.

Hypoteesi ydinvoimien olemassaolosta osoittautui oikeaksi. Kävi myös ilmi, että ydinvoimat ovat lyhyen kantaman: 10 -15 m etäisyydellä ne ovat noin 100 kertaa suurempia kuin sähköstaattisen vuorovaikutuksen voimat, mutta jo 10 -14 m etäisyydellä ne osoittautuvat merkityksettömiksi. Toisin sanoen ydinvoimat toimivat etäisyyksillä, jotka ovat verrattavissa itse ytimien kokoon.

Kysymyksiä

1. Mitä protoneja ja neutroneja kutsutaan yhdessä?
2. Mikä on massaluku? Mitä voidaan sanoa atomin massan numeerisesta arvosta (amu) ja sen massaluvusta?
3. Mitä voidaan sanoa minkä tahansa kemiallisen alkuaineen varausnumerosta, ytimen varauksesta (ilmaistuna sähkövarauksina) ja sarjanumerosta D. I. Mendelejevin taulukossa?
4. Miten massaluku, varausluku ja ytimessä olevien neutronien lukumäärä liittyvät toisiinsa?
5. Kuinka selittää samojen varausten ja eri massojen omaavien ytimien olemassaolo ytimen protoni-neutronimallin puitteissa?
6. Mikä kysymys heräsi hypoteesin yhteydessä, jonka mukaan atomien ytimet koostuvat protoneista ja neutroneista? Mikä oletus tiedemiesten oli tehtävä vastatakseen tähän kysymykseen?
7. Millä nimellä kutsutaan ytimen nukleonien välisiä vetovoimia ja mitkä ovat niiden ominaispiirteet?