Физиканың өзегіне не кіреді. Ядро құрылысының модельдері. Ядролық күштер. Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы, массалық ақау. Ядролық реакциялар Изотоптар. Ерюткин Евгений Сергеевич

9-сынып Күні____________________

Сабақ №___

Сабақтың тақырыбы: Атом ядросының құрамы. Ядролық күштер. Атом ядроларының байланыс энергиясы.

Мақсаттар:

тәрбиелік : атом ядросының қандай бөлшектерден тұратынын қарастыру; заряд және массалық сан, ядролық күш, массалық ақау, байланыс энергиясы, меншікті байланыс энергиясы ұғымдарымен таныстыру; студенттерді ядро ​​зарядының, массалық ақаудың, байланыс энергиясының, меншікті байланыс энергиясының формулаларымен таныстыру;

дамуда : кванттық құбылыстардың көкжиектерінің дамуына ықпал ету;

тәрбиелеу: тәрбиелеупәнге деген қызығушылық, зейініңізді басқару, тәртіп.

Сабақтың түрі: біріктірілген.

Жабдық: мультимедиялық презентация, ДК.

Сабақтар кезінде

1. Ұйымдастыру кезеңі.

Оқушылармен амандасу, қатысқандарын тексеру.

2. Білімнің өзектілігі.

Алдыңғы сауалнама:

Радиоактивтілік құбылысы дегеніміз не?

Атомдардың модельдері қандай?

Табиғаттағы өзара әрекеттестіктің қандай түрлерін білесіңдер?

3. Мотивация оқу іс-әрекеттері

Резерфорд тәжірибелері атомның шағын оң зарядты ядродан және оның айналасында айналатын электрондардан тұратынын дәлелдеді. Атомның өлшемімен салыстырғанда (шамамен 10 -10 м) өзегі өте кішкентай (шамамен 10 -15 м). Яғни, ядро ​​атомнан 100 000 есе кіші.

Бұл нені білдіретінін елестету үшін осындай иллюстрациялық үлгіні қарастырыңыз. Атом ядросы бұршақ өлшеміне дейін ұлғайғанын елестетіңіз. Сонда атомның диаметрі болады биіктігіне теңОстанкино телемұнарасы.

4. Жаңа материалды меңгеру

Атом ядросының құрамы

Кейінгі зерттеулер атом ядросының заряды D.I.периодтық жүйедегі элементтің сериялық нөмірі Z көбейтіндісіне тең екенін көрсетті. Менделеев элементар заряд бойынша e.

q I =З

Сонымен сериялық нөмір химиялық элементатом ядросының зарядын, демек, атомдағы электрондардың санын анықтайды. Сондықтан Z саны шақырыладытөлем нөмірі .

1911 жылы Резерфорд атом ядросын ашқаннан кейін көптеген тәжірибелер атом ядроларының атомдардың өздері сияқты күрделі құрылымға ие екендігін растады. 1913 жылы Резерфорд гипотезаны алға тартты, оған сәйкес сутегі атомының ядросы элементар бөлшек - протон, ол барлық химиялық элементтердің ядроларының бөлігі болып табылады. Ол кезде химиялық элементтер атомдарының массалары сутегі атомының массасынан бүтін санға (яғни оның еселіктерінен) асатыны белгілі болды.

Алайда ядро ​​тек протондардан тұруы мүмкін емес. Егер солай болса, кез келген химиялық элементтің ядросының массасы массасына тең болар едіЗпротондар. Бірақ шын мәнінде барлық элементтердің ядроларының массалары әлдеқайда үлкен. Сондықтан 1920 жылы Резерфорд массасы шамамен протонның массасына тең электрлік бейтарап бөлшектің болуын ұсынды. Бұл бөлшек кейін эксперименталды түрде ашылды. Олар оны шақырдынейтрон .

1932 жылы кеңес ғалымдары Е.Н. Гапон және Д.Д. Иваненко мен неміс физигі Гейзенберг ұсындыатом ядросының протон-нейтрондық моделі . Бұл теория бойынша барлық ядролар бөлшектердің екі түрінен – протондар мен нейтрондардан тұрады. Протондар мен нейтрондар деп аталадынуклондар (лат. ядродан– негізгі).

Ядродағы нуклондардың жалпы саны деп аталадымассалық сан және А әрпімен белгіленеді. А массалық саны ядроның массасына сан жағынан тең, атомдық массалық бірліктермен өрнектеледі және бүтін сандарға дейін дөңгелектенеді.

Атомдық масса бірлігі (1 аму) көміртегі атомы массасының 1/12 бөлігіне тең.

Протондар саны элементтің реттік (атомдық) санына сәйкес келеді. Масса мен заряд санының айырмашылығы нейтрондар санына тең.

Периодтық жүйенің кез келген химиялық элементі Д.И. Менделеевті мына формуламен көрсетуге болады:

A - массалық сан

З- төлем нөмірі

Масс саны протондар мен нейтрондардың қосындысына тең.

төлем нөмірі атомдық нөмір болып табылады санына теңядродағы протондар.

ядролық күштер

Табиғатта өзара әсерлесудің төрт түрі бар: гравитация, электромагниттік, күшті және әлсіз. Біз олардың үшеуін ғана қарастырамыз.

1. Бұл әрекеттесу түрімен денелер әрқашан бір-біріне тартылады. Денелер арасындағы қашықтық артқан сайын әрекеттесу күші азаяды.

2. Екі зарядталған бөлшектердің өзара әрекеттесуін электромагниттік деп атайды. Электр зарядтарының 2 түрі бар: оң (+) және теріс (-). Электромагниттік әрекеттесуде зарядталған денелер бір-бірін тарта алады және бір-бірін тебеді.

Электромагниттік әсерлесулер жеткілікті үлкен қашықтықта әрекет етеді. Денелер арасындағы қашықтық артқан сайын әрекеттесу күші азаяды.

к (Кулон тұрақтысы) = 9*10 9

Тартылыс күштерін салыстырайық (Ф e-p(rpav) ) және электромагниттік әсерлесулер (Ф e-r(қарағаш) ) протон мен электрон арасында әрекет ететін:

Бұл үшін тартылыс күші шығады элементар бөлшектерэлектромагниттік күштен әлдеқайда аз.

Элементар бөлшектер әлемінде біз тартылыс күшін елемеуге болады.

3. Ядродағы жеке протондар мен нейтрондарды бірге ұстап тұратын күштер деп аталадыядролық , және сәйкес өзара әрекеттесу күшті. Ол ядродағы протондар мен нейтрондар арасындағы гравитациялық тартылыс күшін көптеген шамалардан асып түседі және ядроның ішіндегі ұқсас зарядталған протондардың кулондық тебілуінің электромагниттік күштерінен басым болады.

Ядролық күштердің ең маңызды ерекшелігі – олардың қысқа қашықтығы. Олар тек атом ядросының ішінде, яғни фемтометрлер шкаласы бойынша жұмыс істейді (10 -15 м).Ядролық өзара әрекеттесу заңдары заңдар болып табылады кванттық физика, және олар бізге бұрыннан белгілі гравитациялық әсерлесулерден мүлдем басқа сипатта.

Ядролық күштердің екі қасиетін атап өтеміз:

Ядроның ішіндегі нуклондар арасындағы 1 фм және одан да көп ретті нуклондар арасындағы қашықтықта күштер тартылу сипатында болады, бірақ протондар немесе нейтрондар бір-біріне 1 фм-ден аз қашықтықта жақындағанда, итеруші күштер пайда болады. Бұл ядролардың тіпті кішірек өлшемдерге дейін кішіреюіне жол бермейді.

Екі протон, екі нейтрон және протон мен нейтрон арасындағы ядролық күштердің іс жүзінде бірдей екендігі тәжірибе жүзінде дәлелденді. Бұл қасиет деп аталадыядролық күштердің тәуелсіздігі .

ТУРАЛЫ
протонның ашылуы:

Ежелгі заманнан бері алхимиктер әртүрлі элементтерден алтын алуға тырысты. Бірақ ешкім бір элементті екіншісіне айналдыра алмады. Ал 1919 жылы ғана Резерфорд элементтерді түрлендіру алғаш рет жүргізілген эксперименттер жүргізді.

Резерфорд қондырғысы α-бөлшектердің көзі мен осы бөлшектердің детекторы – флуоресцентті экраннан тұрды. Бұл құрылғының барлығы таза ауасы бар ыдысқа орналастырылды. Экранда әлсіз жыпылықтаулар болды. Кейінірек ғалымдар ауада α-бөлшектердің азот ядроларымен соқтығысатын ядролық реакция жүретінін анықтады. Нәтижесінде оттегі ядросы мен сутегі ядросы пайда болады, оны Резерфорд атады.протон .

Атом ядроларының байланыс энергиясы

Атом ядросы протондар мен нейтрондардан тұратынын білесіздер, олар ядрода бір-бірімен ядролық күштер арқылы байланысқан. Әрбір ядроның массасы оның құрамындағы протондар мен нейтрондардың массаларының қосындысына тең болуы керек деп болжауға болады.

Осы болжамды тексеріп көрейік. Атомдық масса бірліктеріндегі протон мен нейтронның массасы, сәйкесінше,м Р = 1,0073 аму Жәнем n = 1,0087 аму

Протондар мен нейтрондардың массасын қосқанда, гелий ядросының массасы мынаған тең болады.М I = 4,032 аму Дегенмен, гелий ядросының массасы эксперименталды түрде анықталдыМ I = 4,0026 аму Басқаша айтқанда, ядроның массасы оны құрайтын нуклондардың массаларының қосындысынан аз. Жеке нуклондардың массаларының қосындысы мен ядроның массасының айырмасы деп аталадымассалық ақау .

Гелий ядросының массалық ақауы болып табылады∆м= (2 1,0073 аму + 2 1,0087 аму) - 4,0026 аму = 0,0294 аму

Ядроны бір-бірімен әрекеттеспейтін жеке нуклондарға ыдырату үшін ядролық күштерді жеңу жұмысы, яғни ядроға энергия беру қажет. Энергияның сақталу заңынан бұл энергияның жеке бөлшектерден ядро ​​түзілген кезде бөлінетін энергияға тең екендігі шығады.

Ядроның жеке бөлшектерге толық бөлінуіне жұмсалатын ең аз энергия деп аталадыядролық байланыс энергиясы .

Кез келген ядроның байланыс энергиясын Эйнштейн формуласы арқылы анықтауға болады, ол масса мен энергия арасындағы байланысты белгілейді:

Е St. = ∆мбірге 2 = (
) бірге 2 , Қайда∆ммассалық ақау, с – вакуумдегі жарық жылдамдығы.

Гелий ядросының байланыс энергиясын есептейік.

Байланыс энергиясын джоульмен алу үшін массалық ақауды килограмммен көрсету керек.

Соны ескерсек, түнгі 1.00. = 1,6605 10 -27 кг, аламыз

∆м= 0,0294 аму = 0,0488 10 -27 кг

Е St. = 0,0488 10 -27 кг (2,9979 10 8 ) 2 = 0,4388 10 -11 Дж

Бұл үлкен сома. Тек 1 г гелийдің түзілуі 10 реттік энергияның бөлінуімен бірге жүреді. 12 J. Шамамен бірдей энергия бүкіл вагонға жуық көмірді жағу кезінде бөлінеді.

Сағат
ядролардың тұрақтылығы деп аталатын физикалық шамамен сипатталадыменшікті байланыс энергиясы . Ол тек бір ядролық бөлшекке (протонға немесе нейтронға) түсетін байланыс энергиясына тең: E. уд = Е St. / A. Меншікті байланыс энергиясының элементтердің массалық санына тәуелділік графигі бойынша жеңіл ядролар үшін байланыс энергиясы өте аз екенін көруге болады. Меншікті байланыс энергиясы бар ең жоғары мәнмассалық сандары 28-ден 138-ге дейінгі элементтердің периодтық жүйесінің ортаңғы бөлігінде орналасқан атомдардың ядролары үшін. Массалық санның одан әрі өсуімен байланыс энергиясы азаяды.

5. Дағдылар мен дағдыларды қалыптастыру

Алюминий атомының ядросының зарядын, массалық кемшілігін және байланыс энергиясын анықтаңыз (З = 13, А= 27, М I = 26,9815).

6. Сабақты қорытындылау

Рефлексия:

Атом ядросын қандай бөлшектер құрайды?

Атомның массалық саны неге тең?

Ядрода протондар мен нейтрондарды ұстап тұратын күштер қалай аталады?

Жаппай ақау дегеніміз не?

Ядроның байланыс энергиясы дегеніміз не?

7. Үйге тапсырма

§1 Заряд және масса, атом ядролары

Ядроның ең маңызды сипаттамалары оның заряды мен массасы болып табылады. М.

З- ядро ​​заряды ядрода шоғырланған оң элементар зарядтардың санымен анықталады. Оң элементар зарядты тасымалдаушы Р= 1,6021 10 -19 С ядродағы протон. Атом тұтастай бейтарап және ядро ​​заряды бір мезгілде атомдағы электрондардың санын анықтайды. Атомдағы электрондардың энергетикалық қабаттар мен ішкі қабаттарға таралуы негізінен олардың атомдағы жалпы санына байланысты. Демек, ядро ​​заряды көбінесе атомдағы электрондардың күйлері бойынша таралуын және элементтің орнын анықтайды. периодтық жүйеМенделеев. Ядро зарядыqI = z· e, Қайда z- Менделеев жүйесіндегі элементтің реттік нөміріне тең ядроның заряд саны.

Атом ядросының массасы іс жүзінде атомның массасына сәйкес келеді, өйткені сутегінен басқа барлық атомдардың электрондарының массасы шамамен атомдардың 2,5 10 -4 массасын құрайды. Атомдардың массасы атомдық масса бірліктерімен (a.m.u) көрсетіледі. a.u.m. үшін көміртегі атомының 1/12 массасын қабылдады.

1 аму \u003d 1,6605655 (86) 10 -27 кг.

мI = м а - З мен.

Изотоптар - зарядтары бірдей, бірақ массасы бойынша әр түрлі химиялық элемент атомдарының сорттары.

Атомдық массаға ең жақын бүтін сан, a.u.м . массалық сан деп аталадым және әріппен белгіленеді А. Химиялық элементтің белгіленуі: А- массалық сан, Х - химиялық элементтің таңбасы,З- зарядтау нөмірі - мерзімді кестедегі сериялық нөмір ():

бериллий; Изотоптар: , ", .

Негізгі радиусы:

мұндағы А – массалық сан.

§2 Ядроның құрамы

Сутегі атомының ядросышақырды протон

мпротон= 1,00783 аму , .

Сутегі атомының диаграммасы

1932 жылы нейтрон деп аталатын бөлшек табылды, оның массасы протонның массасына жақын (мнейтрон= 1,00867 а.м.у.) және электр заряды жоқ. Содан кейін Д.Д. Иваненко ядроның протон-нейтрондық құрылымы туралы гипотезаны тұжырымдады: ядро ​​протондар мен нейтрондардан тұрады және олардың қосындысы массалық санға тең. А. 3 реттік санЗядродағы протондардың санын, нейтрондардың санын анықтайдыН \u003d A - Z.

Элементар бөлшектер – протондар мен нейтрондар енедіөзегіне, жалпы нуклондар деп аталады. Ядролардың нуклондары күйде болады, олардың еркін күйлерінен айтарлықтай ерекшеленеді. Нуклондар арасында ерекшелік бармен де р жаңа өзара әрекеттесу. Олар нуклон екі «зарядтық күйде» - заряды бар протондық күйде болуы мүмкін дейді+ e, Және заряды 0 болатын нейтрон.

§3 Ядроның байланыс энергиясы. массалық ақау. ядролық күштер

Ядролық бөлшектер - протондар мен нейтрондар - ядроның ішінде мықтап ұсталады, сондықтан олардың арасында өте үлкен тартымды күштер әрекет етеді, олар зарядталған протондар арасындағы үлкен итеруші күштерге қарсы тұруға қабілетті. Нуклондар арасындағы аз қашықтықта пайда болатын бұл ерекше күштер ядролық күштер деп аталады. Ядролық күштер электростатикалық емес (Кулон).

Ядроны зерттеу нуклондар арасында әрекет ететін ядролық күштердің мынадай ерекшеліктері бар екенін көрсетті:

а) бұл қысқа қашықтықтағы күштер - 10 -15 м тәртіптегі қашықтықта көрінеді және қашықтықты шамалы ұлғайту кезінде де күрт төмендейді;

б) ядролық күштер бөлшектің (нуклонның) заряды бар-жоғына байланысты емес, ядролық күштердің зарядтық тәуелсіздігі. Нейтрон мен протон арасында, екі нейтрон арасында, екі протон арасында әрекет ететін ядролық күштер тең. Ядролық күштерге қатысты протон мен нейтрон бірдей.

Байланыс энергиясы атом ядросының тұрақтылығының өлшемі болып табылады. Ядроның байланыс энергиясы ядроны құрайтын нуклондарға кинетикалық энергия бермей бөлу үшін атқарылатын жұмысқа тең.

М И< Σ( м б + м н)

Мен – ядроның массасы

Ядролардың массаларын өлшеу ядроның тыныштық массасы оның құрамдас нуклондарының қалған массаларының қосындысынан аз екенін көрсетеді.

Мән

байланыс энергиясының өлшемі ретінде қызмет етеді және массалық ақау деп аталады.

Арнайы салыстырмалылықтағы Эйнштейн теңдеуі бөлшектің энергиясы мен тыныштық массасын байланыстырады.

Жалпы жағдайда ядроның байланыс энергиясын формула бойынша есептеуге болады

Қайда З - заряд саны (ядродағы протондар саны);

А- массалық сан ( жалпы саныядродағы нуклондар);

м б, , м н Және М и- протонның, нейтронның және ядроның массасы

Масса ақауы (Δ м) 1 a.u. тең. м.(a.m.u. - атомдық масса бірлігі) 1 а.у.е.-ге тең байланыс энергиясына (E St) сәйкес (a.u.e. - энергияның атомдық бірлігі) және 1а.у.м. с 2 = 931 МэВ тең.

§ 4 Ядролық реакциялар

Жеке бөлшектермен және бір-бірімен әрекеттесу кезіндегі ядролардың өзгеруі әдетте ядролық реакциялар деп аталады.

Келесі, ең көп тараған ядролық реакциялар бар.

1. Трансформация реакциясы . Бұл жағдайда түскен бөлшек ядрода қалады, бірақ аралық ядро ​​қандай да бір басқа бөлшекті шығарады, сондықтан өнім ядросы нысана ядродан ерекшеленеді.

1. Радиациялық түсіру реакциясы . Түскен бөлшек ядроға кептеліп қалады, бірақ қозған ядро ​​артық энергия бөліп, γ-фотонды (ядролық реакторлардың жұмысында қолданылады) шығарады.

Кадмийдің нейтронды ұстау реакциясының мысалы

немесе фосфор

1. Шашырау. Аралық ядро ​​ұқсас бөлшекті шығарады

ұшқанмен және ол келесідей болуы мүмкін:

Серпімді шашырау көміртегі бар нейтрондар (орташа нейтрондарға дейінгі реакторларда қолданылады):

Серпімсіз шашырау :

1. бөліну реакциясы. Бұл әрқашан энергияның бөлінуімен жүретін реакция. Ол атом энергиясын техникалық өндіру мен пайдаланудың негізі болып табылады. Бөліну реакциясы кезінде аралық қосылыс ядросының қозуы соншалық, ол бірнеше нейтрондар бөлініп, екі, шамамен бірдей фрагменттерге бөлінеді.

Егер қозу энергиясы аз болса, онда ядроның бөлінуі болмайды және γ - фотон немесе нейтрон шығару арқылы артық энергияны жоғалтқан ядро ​​өзінің қалыпты жағдайына оралады (1-сурет). Бірақ егер нейтронның энергиясы үлкен болса, онда қозған ядро ​​деформациялана бастайды, онда тарылу пайда болады және нәтижесінде ол орасан зор жылдамдықпен ұшатын екі фрагментке бөлінеді, ал екі нейтрон шығарылады.
(Cурет 2).

Тізбекті реакция- өздігінен дамитын бөліну реакциясы. Оны жүзеге асыру үшін бір бөліну оқиғасы кезінде пайда болған екінші реттік нейтрондардың кем дегенде біреуі келесі бөліну оқиғасын тудыруы керек: (өйткені кейбір нейтрондар бөліну тудырмай-ақ басып алу реакцияларына қатыса алады). Сандық түрде тізбекті реакцияның болуы шартын білдіреді көбейту коэффициенті

к < 1 - цепная реакция невозможна, к = 1 (м = мкр ) - нейтрондардың тұрақты саны бар тізбекті реакциялар (ядролық реакторда),к > 1 (м > мкр ) ядролық бомбалар.

РАДИОАКТИВДІЛІК

§1 Табиғи радиоактивтілік

Радиоактивтілік – бір элементтің тұрақсыз ядроларының екінші элементтің ядросына өздігінен өзгеруі. табиғи радиоактивтіліктабиғатта бар тұрақсыз изотоптарда байқалатын радиоактивтілік деп аталады. Жасанды радиоактивтілік ядролық реакциялар нәтижесінде алынған изотоптардың радиоактивтілігі деп аталады.

Радиоактивтіліктің түрлері:

1. α-ыдырау.

Екі протон мен екі нейтронның бір-бірімен байланысқан α-жүйесінің кейбір химиялық элементтерінің ядроларының сәуле шығаруы (а-бөлшек – гелий атомының ядросы))

α-ыдырау ауыр ядроларға тән А> 200 жәнеЗ > 82. Заттың ішінде қозғалған кезде α-бөлшектер өз жолында атомдардың күшті иондануын тудырады (иондану – атомнан электрондардың ажырауы), оларға өз күшімен әсер етеді. электр өрісі. α-бөлшек толығымен тоқтағанға дейін затта ұшатын қашықтық деп аталады бөлшектер диапазонынемесе ену күші(белгіленгенР, [ R ] = м, см). . Сағат қалыпты жағдайларα-бөлшектердің формаларыВ 1 см жолға ауа 30 000 жұп иондар. Спецификалық иондану – жол ұзындығының 1 см-де түзілетін иондар жұптарының саны. α-бөлшек күшті биологиялық әсерге ие.

Альфа ыдырауы үшін ауысу ережесі:

2. β-ыдырау.

а) электрондық (β -): ядро ​​электрон және электрон антинейтрино шығарады

б) позитрон (β +): ядро ​​позитрон мен нейтрино шығарады

Бұл процестер нуклонның бір түрін басқасына: нейтронды протонға немесе протонды нейтронға айналдыру арқылы жүреді.

Ядрода электрондар болмайды, олар нуклондардың өзара түрленуі нәтижесінде түзіледі.

Позитрон - электроннан тек заряд белгісімен ерекшеленетін бөлшек (+e = 1,6 10 -19 С)

Тәжірибеден β - ыдырау кезінде изотоптар бірдей энергияны жоғалтатыны шығады. Сондықтан энергияның сақталу заңы негізінде В.Паули антинейтрино деп аталатын тағы бір жеңіл бөлшектің лақтырылатынын болжады. Антинейтрино заряды немесе массасы жоқ. β-бөлшектердің зат арқылы өту кезіндегі энергияны жоғалтуы негізінен иондану процестерінен туындайды. Жұтатын заттың ядроларымен β-бөлшектердің тежелуі кезінде энергияның бір бөлігі рентген сәулелеріне жоғалады. β-бөлшектердің массасы, бірлік заряды және өте жоғары жылдамдығы болғандықтан, олардың иондалу қабілеті аз (α-бөлшектерге қарағанда 100 есе аз), сондықтан β-бөлшектердің ену қабілеті (миж) әлдеқайда үлкен. α-бөлшектер.

Rβ ауа =200 м, Rβ Pb ≈ 3 мм

β - - ыдырау табиғи және жасанды радиоактивті ядроларда жүреді. β + - тек жасанды радиоактивтілікпен.

β - - ыдырау үшін орын ауыстыру ережесі:

в) К – басып алу (электрондық басып алу) – ядро ​​К қабығында орналасқан электрондардың біреуін жұтады (сирек).Лнемесе М) оның атомының, нәтижесінде протондардың біреуі нейтрино шығара отырып, нейтронға айналады.

K схемасы - түсіру:

Ұсталған электрон арқылы босаған электронды қабаттағы кеңістік оның үстіне жатқан қабаттардағы электрондармен толтырылады, нәтижесінде рентген сәулелері пайда болады.

• γ-сәулелері.

Әдетте, радиоактивтiлiктiң барлық түрлерi γ-сәулеленуiмен қатар жүреді. γ-сәулелері – толқын ұзындығы ангстромның бірден жүзден бір бөлігіне дейінгі λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 м болатын электромагниттік сәулелену.γ-сәулелерінің энергиясы миллиондаған эВ-ке жетеді.

W γ ~ МэВ

1эВ=1,6 10 -19 Дж

Радиоактивті ыдырауға ұшыраған ядро, әдетте, қозған болып шығады және оның негізгі күйге өтуі γ - фотонның сәулеленуімен бірге жүреді. Бұл жағдайда γ-фотонның энергиясы шартпен анықталады

мұндағы E 2 және E 1 - ядроның энергиясы.

E 2 – қозған күйдегі энергия;

E 1 – негізгі күйдегі энергия.

Заттың γ-сәулелерін жұтуы үш негізгі процеске байланысты:

• фотоэффект (бар hv < l MэB);
• электронды-позитрондық жұптардың түзілуі;

немесе

• шашырау (Комптон эффектісі) -

γ-сәулелерінің жұтылуы Бугер заңы бойынша жүреді:

мұндағы μ – γ сәулелерінің энергияларына және ортаның қасиеттеріне байланысты сызықтық әлсіреу коэффициенті;

І 0 - түсетін параллель сәуленің қарқындылығы;

I- қалыңдықтағы зат арқылы өткеннен кейінгі сәуленің қарқындылығы Xсм.

γ-сәулелері өте енетін сәулелердің бірі болып табылады. Ең қатты сәулелер үшін (hvmax) жартылай сіңіру қабатының қалыңдығы қорғасында 1,6 см, темірде 2,4 см, алюминийде 12 см, жерде 15 см.

§2 Радиоактивті ыдыраудың негізгі заңы.

Шіріген ядролардың саныdN ядролардың бастапқы санына пропорционал Нжәне ыдырау уақытыдт, dN~ Н дт. Дифференциалдық түрдегі радиоактивті ыдыраудың негізгі заңы:

λ коэффициенті ядролардың берілген түрі үшін ыдырау тұрақтысы деп аталады. «-» белгісі соны білдіредіdNтеріс болуы керек, өйткені ыдырамаған ядролардың соңғы саны бастапқыдан аз.

сондықтан λ уақыт бірлігінде ядролардың ыдырау үлесін сипаттайды, яғни радиоактивті ыдырау жылдамдығын анықтайды. λ сыртқы жағдайларға тәуелді емес, тек ядролардың ішкі қасиеттерімен анықталады. [λ]=s -1 .

Интегралдық түрдегі радиоактивті ыдыраудың негізгі заңы

Қайда Н 0 – радиоактивті ядролардың бастапқы саныт=0;

Н- бір уақытта ыдырамаған ядролардың саныт;

λ – радиоактивті ыдырау тұрақтысы.

Тәжірибеде ыдырау жылдамдығы λ емес, T 1/2 – жартылай ыдырау периоды – ядролардың бастапқы санының жартысы ыдырайтын уақыт арқылы бағаланады. Т 1/2 және λ қатынасы

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 жыл, T 1/2 Ra = 1590 жыл, T 1/2 Rn. = 3,825 күн Уақыт бірлігіндегі ыдырау саны A \u003d -dN/ дтберілген радиоактивті заттың белсенділігі деп аталады.

бастап

мынадай,

[A] \u003d 1 Беккерель \u003d 1 ыдырау / 1 с;

[A] \u003d 1Ci \u003d 1Кюри \u003d 3,7 10 10 Бк.

Белсенділіктің өзгеру заңы

мұндағы A 0 = λ Н 0 - уақыттағы бастапқы әрекетт= 0;

A – бір уақыттағы әрекетт.

Ядро құрылысының модельдері.

Ядроны қалай көрсету керек? Бұл оңай сұрақ емес және ядроның бірнеше үлгілері ұсынылды. Ең танымал және қазіргі уақытта қолданылатын екі модель: тамшы және қабық.

Тамшы моделі бойынша ядро ​​сұйық тамшымен салыстырылады, өйткені сұйық тамшысы мен ядро ​​арасында көп ортақ нәрсе бар. Негізгі ортақ ерекшелігі сұйық тамшысының молекулалары арасындағы, сондай-ақ ядроның нуклондары арасындағы өзара әрекеттесу қанығу қасиетіне ие болады: әрбір молекула тек белгілі бір көршілес санмен қоршалған. Тамшыдағы молекулалар арасындағы әрекеттесу күштері қысқа диапазонды құрайды. Тамшы көлемі ядроның көлемі сияқты молекулалар санына пропорционалды түрде өседі. Ядроны тамшымен салыстыру тағы бір маңызды идеяға әкеледі: сұйықтық тамшысы беттік керілуге ​​ие. Тамшы ядросының да осындай қасиеті бар деуге негіз бар. Беттік керілу тамшыны бірге тартып, оны сфералық етеді. Сондықтан ядроның сфералық пішіні бар деп айтуға болады. Сұйықтық тамшысы мен атом ядросының арасында да айырмашылықтар бар. Ядро зарядталған (протондар!), ал тамшы әдетте бейтарап (бірақ оны арнайы зарядтауға болады). Негізгі айырмашылығы - құлдырау - классикалық жүйеал ондағы энергия үздіксіз шама, ал ядро ​​типтік кванттық жүйе және оның энергиясы дискретті спектрге ие.

Қабық үлгісінде ядро ​​қабық құрылымы бар атоммен салыстырылады: ядро ​​шоғырланған атомның орталығы электронды қабық қабаттарымен қоршалған. Бір қарағанда, ядроның атоммен ортақ ештеңесі болмауы керек сияқты, өйткені ядрода нуклондардың қабаттары орналасатын физикалық оқшауланған орталық жоқ. Дегенмен, ядроның да, атомның да кванттық құрылымын ескеру керек. Атомның электронды қабатының қабаттары атомдардың дискретті энергетикалық спектрінің келесідей болуына байланысты жасалады: оның энергетикалық деңгейлері салыстырмалы түрде жақын орналасқан бірқатар топтарға жатады, олардың деңгейлерінің толтырылуы электрондардың қабықшаларының қабаттарын құрайды. Ядролардың энергетикалық спектрлері осы жағынан атомдардың спектрлеріне ұқсайтыны белгілі болды: олар да бір-біріне жақын орналасқан деңгейлердің топтарын құрайды. Сондықтан бұл деңгейлер топтарының нуклондармен біртіндеп толтырылуы атомдардың электронды қабаттарына ұқсайды. Ядролардың қабықша моделі осылай құрастырылған.

Ядролық күштер.

Атомдық ядролардың тұрақты болуы үшін протондар мен нейтрондар ядролардың ішінде протондардың кулондық тебілу күштерінен бірнеше есе көп үлкен күштермен ұсталуы керек.

Ядролық күштер – ядролық бөлшектер – нуклондар арасында әрекет ететін күштер.

Ядролық күштердің қасиеттері:

1. Бұл қысқа қашықтықтағы күштер.нуклондар арасындағы аралықта, 10 −15 м тәртіпте әрекет етеді және қашықтық ұлғайған сайын күрт төмендейді; 1,4 ∙ 10 −15 м қашықтықта олар 0-ге тең дерлік.

2. Бұл табиғаттың иелігіндегі ең күшті күштер., сондықтан ядродағы бөлшектердің әрекеттесуін көбінесе күшті әсерлесулер деп атайды.

3. Ядролық күштер қанықтыруға бейім,анау. Нуклон барлық басқа нуклондармен әрекеттеспейді, тек ең жақын көршілерінің кейбірімен ғана әрекеттеседі.

4. Ядролық күштер зарядқа тәуелсіздігімен сипатталады.Бұл зарядталған және зарядсыз бөлшектердің бір-біріне бірдей күшпен тартылғанын білдіреді, яғни. тартымды күш F бетекі протонның арасындағы тартымдылық F күшіне тең бетекі нейтрон арасында және F тарту күшіне тең rpпротон мен нейтрон арасында.

5. Ядролық күштер орталық емес,анау. олар осы зарядтардың центрлерін қосатын түзу бойымен бағытталмаған.

6. Ядролық күштер деп аталады алмасу күштері.

Еске салайық, төрт түрі бар іргелі өзара әрекеттесулертабиғатта: күшті, электромагниттік, әлсіз және гравитациялық.

Күшті өзара әрекеттесуатом ядроларының деңгейінде кездеседі және олардың өзара тартылуын және тебілуін білдіреді құрамдас бөліктер. Ол шамамен 10 -13 см қашықтықта әрекет етеді.Белгілі бір жағдайларда күшті әрекеттесу бөлшектерді өте күшті байланыстырады, нәтижесінде байланыс энергиясы жоғары материалдық жүйелер – атом ядролары пайда болады. Дәл осы себепті атомдардың ядролары өте тұрақты, оларды жою қиын.

Электромагниттік әрекеттесукүштіге қарағанда шамамен мың есе әлсіз, бірақ әлдеқайда ұзақ. Бұл әрекеттесу түрі электрлік зарядталған бөлшектерге тән. Электромагниттік әсерлесудің тасымалдаушысы заряды жоқ фотон – электро кванты болып табылады магнит өрісі. Электромагниттік әрекеттесу процесінде электрондар мен атом ядролары атомдарға, атомдар - молекулаларға біріктіріледі. Белгілі бір мағынада бұл өзара әрекеттесу химия мен биологияда іргелі болып табылады.

Әлсіз өзара әрекеттесуәртүрлі бөлшектер арасында болуы мүмкін. Ол 10 -15 - 10 -22 см қашықтыққа созылады және негізінен бөлшектердің ыдырауымен байланысты, мысалы, нейтронның протонға, электронға және атом ядросында болатын антинейтриноға айналуымен. . Қазіргі білім деңгейіне сәйкес бөлшектердің көпшілігі дәл өзара әрекеттесу әлсіз болғандықтан тұрақсыз.

Гравитациялық әрекеттесу- ең әлсіз, элементар бөлшектер теориясында ескерілмейді, өйткені оларға тән 10-13 см қашықтықта ол өте аз әсерлер береді. Дегенмен, өте кіші қашықтықта (10-33 см) және өте жоғары энергияларда гравитация қайтадан маңызды болады. Мұнда физикалық вакуумның әдеттен тыс қасиеттері пайда бола бастайды. Өте ауыр виртуалды бөлшектердің айналасында кеңістіктің геометриясын бұрмалай бастайтын айтарлықтай гравитациялық өріс жасайды. Ғарыштық масштабта гравитациялық өзара әрекеттесу өте маңызды. Оның ауқымы шектелмейді.

Барлық төрт өзара әрекеттесу қажетті және жеткіліктіалуан түрлі әлем құру.

Күшті өзара әрекеттесу болмаса, атом ядролары болмас еді, ал жұлдыздар мен Күн ядролық энергияның арқасында жылу мен жарық шығара алмайды.

Электромагниттік өзара әрекеттесулер болмаса, атомдар, молекулалар, макроскопиялық объектілер, сондай-ақ жылу мен жарық болмас еді.

Әлсіз өзара әрекеттесулер болмаса, Күн мен жұлдыздардың ішкі бөлігінде ядролық реакциялар мүмкін болмас еді, супернова жарылыстары болмайды және тіршілік үшін қажетті ауыр элементтер Ғаламға таралмас еді. Гравитациялық өзара әрекеттесусіз тек галактикалар, жұлдыздар, планеталар болмас еді, сонымен қатар бүкіл Әлем дами алмайды, өйткені гравитация бүкіл Әлемнің бірлігін және оның эволюциясын қамтамасыз ететін біріктіруші фактор болып табылады.

Қазіргі физика қарапайым бөлшектерден күрделі және алуан түрлі материалдық әлем құруға қажетті барлық төрт іргелі өзара әрекеттесулерді бір іргелі өзара әрекеттесу арқылы алуға болады деген қорытындыға келді - супер державалар.Ең таңғаларлық жетістік өте жоғары температурада (немесе энергияда) барлық төрт өзара әрекеттесу бір-біріне біріктірілетінін дәлелдеу болды.

Бұл болжам тек теориялық, өйткені оны тәжірибе жүзінде тексеру мүмкін емес. Жанама түрде бұл идеялар астрофизикалық деректермен расталады, оларды Ғалам жинақтаған тәжірибелік материал деп санауға болады.

Нейтрон мен протонның ашылуы.

20 ғасырдың 20-жылдарына қарай физиктер 1911 жылы Э.Резерфорд ашқан атом ядроларының, сондай-ақ атомдардың өздерінің күрделі құрылымға ие екендігіне күмәнданбады. Олар бұған сол кезде жинақталған көптеген тәжірибелік фактілер арқылы көз жеткізді: радиоактивтіліктің ашылуы, ядроның ядролық моделінің тәжірибелік дәлелі, электрон, α-бөлшек және басқалар үшін e/m қатынасын өлшеу. Н-бөлшегі деп аталады - сутегі атомының ядросы, жасанды радиоактивтіліктің және ядролық реакциялардың ашылуы, атом ядроларының зарядтарын өлшеу және т.б.. Қазіргі уақытта бұл нақты анықталған. әртүрлі элементтердің атом ядролары екі бөлшектен – протондар мен нейтрондардан тұрады.

Бұл бөлшектердің біріншісі - бір электрон жойылған сутегі атомы. Бұл бөлшек ондағы e/m қатынасын өлшей алған Дж. Томсонның (1907) тәжірибелерінде байқалды. 1919 жылы Э.Резерфорд көптеген элементтер атомдарының ядроларының бөліну өнімдеріндегі сутегі атомының ядроларын ашты. Резерфорд бұл бөлшекті протон деп атады. Ол протондар барлық атом ядроларының бір бөлігі болып табылады деп ұсынды.

Ядролық бөліну өнімдеріндегі протондарды анықтау бойынша Резерфорд тәжірибелерінің схемасы. К – α-бөлшектердің радиоактивті көзі бар қорғасын ыдысы, F – металл фольга, Е – мырыш сульфидімен қапталған экран, М – микроскоп.

Резерфордтың құрылғысы эвакуацияланған камерадан тұрды, оның ішінде α-бөлшектердің көзі бар К контейнері орналастырылды. Камера терезесі металл фольгамен Ф жабылған, оның қалыңдығы α-бөлшектері ол арқылы өте алмайтындай етіп таңдалған. Терезенің сыртында мырыш сульфидімен қапталған Е экраны болды. М микроскоптың көмегімен ауыр зарядталған бөлшектер экранға соқтығысатын нүктелердегі сцинтилляцияны байқауға болады. Камера төмен қысымда азотпен толтырылған кезде экранда α-бөлшектердің ағынын толығымен дерлік жауып тастаған F фольга арқылы өтуге қабілетті кейбір бөлшектердің ағынының пайда болуын көрсететін жарық жыпылықтаулары пайда болды.

Резерфорд E экранын камера терезесінен алысқа жылжытып, өлшейді орташа ұзындықеркін жүгіруауадағы бөлшектерді байқады. Ол шамамен 28 см-ге тең болып шықты, бұл бұрын Дж. Томсон бақылаған Н-бөлшектерінің жол ұзындығын бағалаумен сәйкес келеді. Электр және магнит өрістерінің азот ядроларынан қағылған бөлшектерге әсерін зерттеу бұл бөлшектердің оң элементар зарядқа ие екендігін және олардың массасы сутегі атомының ядросының массасына тең екенін көрсетті. Кейіннен басқа да бірқатар газ тәрізді заттармен тәжірибе жүргізілді. Барлық жағдайда α-бөлшектердің осы заттардың ядроларынан Н-бөлшектерді немесе протондарды шығарып жіберетіні анықталды. Қазіргі өлшемдерге сәйкес протонның оң заряды дәл тең элементар заряд e = 1,60217733 10–19 С, яғни абсолютті мәні бойынша электронның теріс зарядына тең. Қазіргі уақытта протон мен электрон зарядтарының теңдігі 10-22 дәлдікпен тексерілді. Бір-біріне ұқсамайтын екі бөлшек зарядтарының мұндай сәйкес келуі таң қалдырады және қазіргі физиканың іргелі құпияларының бірі болып қала береді.

протон массасы, қазіргі өлшемдерге сәйкес m p = 1,67262 10–27 кг тең. Ядролық физикада бөлшектің массасы көбінесе массалық саны 12 болатын көміртегі атомының массасының 1/12 бөлігіне тең атомдық массалық бірліктермен (a.m.u.) өрнектеледі:

Сондықтан, m p \u003d 1.007276 a. е.м.Көп жағдайда бөлшектің массасын мынаған сәйкес эквивалентті энергия мәндерінде өрнектеу ыңғайлы. формуласы E = mc 2. 1 эВ = 1,60218 10 -19 Дж болғандықтан, энергетикалық бірліктерде протон массасы 938,272331 МэВ. Сонымен, Резерфорд тәжірибесінде жылдам α-бөлшектердің әсер етуі кезінде азот және басқа элементтердің ядроларының ыдырау құбылысы ашылды және ол көрсетілді. протондар атом ядроларының бөлігі болып табылады.Протон ашылғаннан кейін атомдардың ядролары тек протондардан тұрады деген болжам жасалды. Алайда, бұл болжам дәлелсіз болып шықты, өйткені ядро ​​зарядының оның массасына қатынасы әртүрлі ядролар үшін тұрақты болып қалмайды, өйткені ядролардың құрамына тек протондар кіретін болса. Ауыр ядролар үшін бұл қатынас жеңілге қарағанда кішірек болып шығады, яғни ауыр ядроларға ауысқанда ядроның массасы зарядқа қарағанда тез өседі. 1920 жылы Резерфорд ядролардың құрамында қатты байланысқан ықшам протон-электрондар жұбының болуы туралы гипотеза жасады, ол электрлік бейтарап түзіліс - массасы шамамен протонның массасына тең бөлшек. Ол тіпті осы гипотетикалық бөлшектің атауын ойлап тапты - нейтрон.

Бұл өте әдемі, бірақ кейінірек белгілі болғандай, қате ой болды. Электрон ядроның бөлігі бола алмайды. Белгісіздік қатынасына негізделген кванттық-механикалық есептеу ядрода локализацияланған электронның, яғни R ≈ 10–13 см өлшемді аймақтың орасан зор кинетикалық энергияға ие болуы керек екенін көрсетеді. ядролық байланыс энергиясыбөлшекке.

Ауыр бейтарап бөлшектің болуы туралы идея Резерфордқа соншалықты тартымды болып көрінді, ол бірден Дж.Чадвик бастаған бір топ шәкірттерін осындай бөлшекті іздеуге шақырды. 12 жылдан кейін, 1932 жылы Чадвик бериллийді α-бөлшектермен сәулелендіру кезінде пайда болатын сәулеленуді эксперименталды түрде зерттеп, бұл сәулелену массасы шамамен протонға тең бейтарап бөлшектердің ағыны екенін анықтады. Нейтрон осылай ашылды.

Бериллийді радиоактивті полоний шығаратын α-бөлшектерімен бомбалағанда, қалыңдығы 10–20 см қорғасын қабаты сияқты кедергіні жеңе алатын күшті енетін сәуле пайда болады.Бұл сәулеленуді Чадвикпен бір мезгілде дерлік Жолио-Кюридің жұбайлары Ирен мен байқаған. Фредерик (Ирен Пьер Кюридің қызы), бірақ олар бұл жоғары энергиялы γ-сәулелері деп есептеді. Олар егер бериллий сәулелену жолына парафиндік пластинка қойылса, онда бұл сәулеленудің иондаушы күші күрт өсетінін анықтады. Олар бериллий сәулеленуі құрамында сутегі бар затта көп мөлшерде болатын парафиннен протондарды шығарып тастайтынын дәлелдеді. Ауадағы протондардың еркін жүруіне сүйене отырып, олар соқтығысқанда протондарға қажетті жылдамдықты беруге қабілетті γ-кванттардың энергиясын бағалады.

Ол үлкен болды - шамамен 50 МэВ. Дж.Чэдвик 1932 жылы бериллийдің α-бөлшектермен сәулеленуінен туындайтын сәулеленудің қасиеттерін жан-жақты зерттеу бойынша бірқатар тәжірибелер жүргізді. Чадвик өз тәжірибелерінде әртүрлі зерттеу әдістерін қолданды. иондаушы сәулелену. Суретте. 2 суретте Гейгер есептегіші,зарядталған бөлшектерді анықтауға арналған. Ол ішкі жағынан металл қабатпен қапталған шыны түтіктен (катод) және түтіктің (анод) осі бойымен өтетін жіңішке жіптен тұрады. Түтік төмен қысымда инертті газбен (әдетте аргон) толтырылады. Газ арқылы ұшатын зарядталған бөлшек молекулалардың иондануын тудырады. Иондану нәтижесінде пайда болған бос электрондар анод пен катод арасындағы электр өрісінің әсерінен әсер ету ионизациясы басталатын энергияға дейін үдетіледі. Иондардың көшкіні пайда болады және санауыш арқылы қысқа разрядтық ток импульсі өтеді. Бөлшектерді зерттеуге арналған тағы бір маңызды құрал - бұл жылдам зарядталған бөлшек із (із) қалдыратын бұлтты камера деп аталады. Бөлшектердің траекториясын тікелей бақылауға немесе суретке түсіруге болады.

Әрекет бұлтты камера, 1912 жылы құрылған, зарядталған бөлшектің траекториясы бойынша камераның жұмыс көлемінде пайда болған иондардағы аса қаныққан будың конденсациялануына негізделген. Бұлтты камераны пайдалана отырып, электр және магнит өрістерінде зарядталған бөлшектің траекториясының қисаюын байқауға болады. Дж.Чадвик өз тәжірибелерінде бериллий сәулеленуімен соқтығысқан азот ядроларының бұлт камерасында іздерін байқады. Осы тәжірибелер негізінде ол экспериментте байқалған жылдамдықты азот ядроларына хабарлауға қабілетті γ-квант энергиясына баға берді. Ол 100–150 МэВ тең болып шықты. Мұндай үлкен энергияда бериллий шығаратын γ-кванттар болуы мүмкін емес. Осының негізінде Чедвик бериллийден α-бөлшектердің әсерінен массасы жоқ γ-кванттар емес, керісінше ауыр бөлшектер ұшып шығады деген қорытындыға келді.

Бұл бөлшектер өте жақсы еніп, Гейгер санауышындағы газды тікелей иондамағандықтан, олар электрлік бейтарап болды. Осылайша, Чедвик тәжірибелерінен 10 жылдан астам бұрын Резерфорд болжаған бөлшек нейтронның бар екендігі дәлелденді. Нейтронэлементар бөлшек болып табылады. Ол бастапқыда Резерфорд ұсынған ықшам протон-электрондық жұп ретінде ұсынылмауы керек. Қазіргі өлшемдерге сәйкес, нейтрондық масса m n \u003d 1,67493 10–27 кг \u003d 1,008665 а. е.м Энергетикалық бірліктерде нейтрондық масса 939,56563 МэВ. Нейтронның массасы протонның массасынан шамамен екі электрон массасы үлкен. Нейтрон ашылғаннан кейін бірден орыс ғалымы Д.Д.Иваненко мен неміс физигі В.Гейзенберг протон-нейтрон құрылымы туралы гипотезаны алға тартты. ядролықядролар, бұл кейінгі зерттеулермен толық расталды.

Ядро нуклондардан: протондар мен нейтрондардан тұрады.

Г.Мозели (Англия) атом ядросының оң заряды (шартты бірліктерде) Менделеевтің периодтық жүйесіндегі элементтің реттік нөміріне тең екенін анықтады. Әрбір протонның заряды +1, сондықтан ядро ​​заряды протондар санына тең.

Протонның массасы, нейтронның массасы сияқты, электронның массасынан шамамен 1840 есе көп. Протондар мен нейтрондар ядрода болады, сондықтан атомның массасы ядроның массасына тең дерлік. Ядроның массасы атомның массасы сияқты протондар мен нейтрондар санының қосындысымен анықталады. Бұл қосынды атомның массалық саны деп аталады. Атомның массалық саны (A) = Протондар саны (Z) + Нейтрондар саны (N) A=Z+N

Кез келген ядроның құрамына кіретін протондар мен нейтрондар бөлінбейтін элементар бөлшектер емес, кварктардан тұрады.

Кварктар, өз кезегінде, бір-бірімен өзара әрекеттеседі, глюондарды үздіксіз алмасады - шын мәнінде күшті әсерлесудің тасымалдаушылары (ол ядродағы протондар мен нейтрондар арасында әрекет ететіннен мыңдаған есе күшті). Нәтижесінде протондар мен нейтрондар құрамдас бөліктерге бөлінбейтін өте күшті байланысқан жүйелер болып шығады.

Ядродағы нуклондардың байланыс энергиясы, массалық ақау.

Атом ядросының тұрақтылығы байланыс энергиясымен сипатталады (Е St.).

Ең дәл өлшеулер ядроның тыныштық массасы М әрқашан оны құрайтын протондар мен нейтрондардың қалған массаларының қосындысынан аз: M i< Zm p + Nm n .

массалық ақау - атом ядросын құраған кезде барлық нуклондардың массасының азаю мөлшері. Массалық ақау нуклондардың тыныштық массаларының қосындысы мен ядроның M i массасының айырмасына тең: ∆M= - M i,мұндағы m p, m n – сәйкесінше протон мен нейтронның массалары.

Байланыс энергиясы – ядроның жеке нуклондарға толық ыдырауы үшін жұмсалатын ең аз энергия немесе бос нуклондардың ядроға қосылуы кезінде бөлінетін энергия. Байланыс энергиясын есептеу формуласы:

E St \u003d ∆mc 2 \u003d c 2, мұндағы с=3·10 8 м/с – жарықтың вакуумдегі жылдамдығы.

Егер осы формулада протонның, нейтронның және ядроның массалары килограмммен, ал жарық жылдамдығы секундына метрмен өрнектелсе, онда байланыс энергиясы Оңтүстік Америка шығыс бөлігінің стандартты уақытыджоульмен өлшенетін болады. Алайда атом және атом ядросы физикасында ядролар мен элементар бөлшектердің энергиясы мегаэлектронвольтпен (МэВ) жиі өрнектеледі: 1 МэВ \u003d 1,6 10 - 13 Дж.

Сәйкес есептерді шығара отырып, байланыс энергиясын джоульмен алуға болады, содан кейін қажет болса, алынған джоуль санын 1,6·10 - 13-ке бөлу арқылы оны мегаэлектронвольтке түрлендіруге болады. Бірақ протонның, нейтронның және ядроның атомдық массалық бірлікте көрсетілген массаларын қалдырып, ∆M массалық кемшілігін c 2-ге емес, санға көбейтсек, мегаэлектронвольттегі байланыс энергиясының мәнін алу әлдеқайда оңай болады. 931 . Бір атомдық массалық бірлік байланыс энергиясына сәйкес келеді 931МэВ.E St \u003d 931 ∆Mнемесе E St \u003d 931 (Zm p + Nm n - M I) MeV

Байланыс энергиясы ядролық түрлендірулер кезінде бөлінетін γ-кванттардың энергиясына айналады, ол E St-ке тура тең. , және оның массасы: ∆M = Е /с 2 .

Егер реакция нәтижесінде E \u003d ∆Mc 2 > 0 болса, онда E \u003d ∆M c 2 болса, энергия бөлінеді.< 0 - поглощается.

Ядроның беріктігін сипаттау үшін меншікті байланыс энергиясы ε St деп аталатын шама қолданылады.

Меншікті байланыс энергиясы - ядроның бір нуклонындағы байланыс энергиясы байланыс энергиясының қатынасына тең E St атом ядросының массалық санына A: ε St = E St / A, Меншікті байланыс энергиясы эксперименталды түрде анықталады.

Ядролық реакциялар - ядролардың немесе элементар бөлшектердің басқа ядролармен соқтығысуы нәтижесінде пайда болатын процестер, нәтижесінде бастапқы ядроның кванттық күйі мен нуклондық құрамы өзгеріп, реакция өнімдерінің арасында жаңа бөлшектер пайда болады.

Сонымен қатар, бұл мүмкін бөліну реакциялары,бомбалау нәтижесінде бір атомның ядросы әртүрлі атомдардың екі ядросына бөлінгенде. Сағат синтез реакцияларыжеңіл ядролардың ауырға айналуы.

НАЗАР АУДАРЫҢЫЗ:Химиялық және ядролық реакциялардың айырмашылығы мынада химиялық реакцияларәрбір нақты элемент атомдарының жалпы саны, сондай-ақ белгілі бір заттарды құрайтын атомдар өзгеріссіз қалады. Ядролық реакцияларда атомдар да, элементтер де өзгереді.

Изотоптар.

изотоптар - бұл бір химиялық элемент атомдарының сорттары, олардың атомдық ядроларында протондардың Z саны бірдей және нейтрондардың саны n әртүрлі. Изотоптар элементтердің периодтық жүйесінде бір орынды алады, сондықтан олардың атауы. Әдетте, изотоптар ядролық қасиеттері бойынша айтарлықтай ерекшеленеді. Изотоптардың химиялық (және бірдей дерлік физикалық) қасиеттері бірдей. Бұл элементтің химиялық қасиеттері ядроның зарядымен анықталатындығына байланысты, өйткені оның құрылымына әсер етеді. электронды қабықатом.

Ерекшелік - жеңіл элементтердің изотоптары. Сутегі изотоптары 1 H - протий, 2 N - дейтерий, 3 H - тритиймассасы бойынша ерекшеленетіні сонша, олардың физикалық және Химиялық қасиеттеріәртүрлі. Дейтерий тұрақты (яғни, радиоактивті емес) және кәдімгі сутегіге аз ғана қоспа ретінде (1: 4500) енеді. Дейтерий оттегімен қосылып, ауыр су түзеді. Қалыпты атмосфералық қысымда 101,2°С қайнап, 3,8°С қатады. Тритий β-радиоактивті, жартылай шығарылу кезеңі шамамен 12 жыл.

Барлық химиялық элементтердің изотоптары бар. Кейбір элементтерде тек тұрақсыз (радиоактивті) изотоптар болады. Барлық элементтер үшін радиоактивті изотоптар жасанды түрде алынды. Атом өнеркәсібінде радиоактивті изотоптардың адамзат үшін маңызы артып келеді.

Нейтронның ашылуы атом ядроларының қалай орналасатынын түсінуге серпін берді.

Сол 1932 жылы нейтрон ашылғанда, кеңес физигі Дмитрий Дмитриевич Иваненко мен неміс физигі Вернер Гейзенберг ядролар құрылымының протонды-нейтрондық моделін ұсынды, оның жарамдылығы кейін тәжірибе жүзінде расталды.

Протондар мен нейтрондар нуклондар (латын тілінен ядро ​​– ядро) деп аталады. Бұл терминді пайдалана отырып, атом ядролары нуклондардан тұрады деп айта аламыз.

• Ядродағы нуклондардың жалпы саны массалық сан деп аталады және А әрпімен белгіленеді

Мәселен, мысалы, азот үшін массалық сан A = 14, темір үшін A = 56, уран үшін A = 235.

А массалық саны атомдық массалық бірліктермен өрнектелетін және бүтін сандарға дейін дөңгелектенетін ядроның массасына сандық жағынан тең екені анық (өйткені әрбір нуклонның массасы шамамен 1 AU). Мысалы, азот үшін m ≈ 14 a.u. е.м., темір үшін m ≈ 56 а.у. э.м. және т.б.

• Ядродағы протондар саны заряд саны деп аталады және Z деп белгіленеді

Мысалы, азот үшін заряд саны Z = 7, темір үшін Z = 26, уран үшін Z = 92, т.б.

Әрбір протонның заряды қарапайым электр зарядына тең. Демек, Z заряд саны элементар электр зарядтарымен өрнектелген ядро ​​зарядына сандық түрде тең. Әрбір химиялық элемент үшін заряд саны Д.И.Менделеев кестесіндегі атомдық (сериялық) нөмірге тең.

Кез келген химиялық элементтің ядросы жалпы көрініскелесідей белгіленеді: (X астында химиялық элементтің таңбасын білдіреді).

Ядродағы нейтрондар саны әдетте N әрпімен белгіленеді. А массалық саны ядродағы протондар мен нейтрондардың жалпы саны болғандықтан, мынаны жаза аламыз: A \u003d Z + N.

Атом ядроларының құрылымының протон-нейтрондық моделіне сүйене отырып, 20 ғасырдың алғашқы екі онжылдығында ашылған кейбір эксперименттік фактілерге түсініктеме берілді.

Сонымен, радиоактивті элементтердің қасиеттерін зерттеу барысында бір химиялық элементте ядролары әртүрлі массалық атомдар болатыны анықталды.

Ядролардың зарядының бірдей болуы олардың Д.И.Менделеев кестесіндегі реттік нөмірлерінің бірдей екенін, яғни кестеде бір ұяшықты, бір орында тұрғанын көрсетеді. Осыдан бір химиялық элементтің барлық сорттарының атауы: изотоптар (грекше isos – бірдей және topos – орын сөздерінен).

• Изотоптар - атом ядроларының массасы бойынша ерекшеленетін берілген химиялық элементтің сорттары.

Ядроның протон-нейтрондық моделін құрудың арқасында (яғни изотоптар ашылғаннан кейін шамамен жиырма жыл өткен соң) бірдей зарядты атом ядроларының неліктен массалары әртүрлі болатынын түсіндіру мүмкін болды. Әлбетте, изотоптардың ядроларында протондар саны бірдей, бірақ нейтрондар саны әртүрлі.

Мәселен, мысалы, сутегінің үш изотопы бар: (протий), . (дейтерий) және (тритий). Изотоптың ядросында нейтрондар мүлде жоқ – ол жалғыз протон. Дейтерий ядросы екі бөлшектен тұрады: протон және нейтрон. Тритий ядросы үш бөлшектен тұрады: бір протон және екі нейтрон.

Атом ядролары протондар мен нейтрондардан тұрады деген гипотеза көптеген тәжірибелік фактілермен расталды.

Бірақ сұрақ туындады: оң зарядталған протондар арасындағы электростатикалық тебілу күштерінің әсерінен ядролар неліктен жеке нуклондарға ыдырамайды?

Есептеулер көрсеткендей, нуклондарды гравитациялық немесе магниттік сипаттағы тартымды күштерге байланысты ұстау мүмкін емес, өйткені бұл күштер электростатикалық күштерден әлдеқайда аз.

Атом ядроларының тұрақтылығы туралы сұраққа жауап іздей отырып, ғалымдар ядролардағы барлық нуклондар арасында протондар арасындағы электростатикалық итеру күштерінен айтарлықтай асып түсетін кейбір ерекше тартымды күштер бар деген болжам жасады. Бұл күштер ядролық деп аталды.

Ядролық күштердің болуы туралы гипотеза дұрыс болып шықты. Сондай-ақ, ядролық күштер қысқа қашықтықтағы болып шықты: 10-15 м қашықтықта олар электростатикалық әсерлесу күштерінен шамамен 100 есе көп, бірақ қазірдің өзінде 10-14 м қашықтықта олар шамалы болып шықты. Басқаша айтқанда, ядролық күштер ядролардың өздерінің өлшемдерімен салыстырылатын қашықтықта әрекет етеді.

Сұрақтар

1. Протондар мен нейтрондар бірге қалай аталады?
2. Массалық сан дегеніміз не? Атом массасының сандық мәні (аму) және оның массалық саны туралы не айтуға болады?
3. Кез келген химиялық элемент үшін Д.И.Менделеев кестесіндегі заряд нөмірі, ядроның заряды (элементарлық электр зарядтарымен өрнектелген) және реттік нөмірі туралы не айтуға болады?
4. Ядродағы масса саны, заряд саны және нейтрондар саны қалай байланысты?
5. Ядроның протон-нейтрондық моделі шеңберінде зарядтары бірдей және массалары әртүрлі ядролардың болуын қалай түсіндіруге болады?
6. Атомдардың ядролары протондар мен нейтрондардан тұрады деген гипотезаға байланысты қандай сұрақ туындады? Бұл сұраққа жауап беру үшін ғалымдар қандай болжам жасауы керек еді?
7. Ядродағы нуклондар арасындағы тартылыс күштері қалай аталады және оларға тән белгілері қандай?