Ce este inclus în nucleul fizicii. Modele ale structurii nucleului. Forțele nucleare. Energia de legare a nucleonilor din nucleu, defect de masă. Reacții nucleare Izotopi. Yeryutkin Evgheni Sergheevici

Clasa a 9-a Data____________________

Lecția #___

Subiectul lecției: Compoziția nucleului atomic. Forțele nucleare. Energia de legare a nucleelor ​​atomice.

Obiective:

educational : luați în considerare din ce particule este format nucleul unui atom; introduceți conceptele de sarcină și număr de masă, forță nucleară, defect de masă, energie de legare, energie de legare specifică; să familiarizeze elevii cu formulele pentru sarcina nucleară, defectul de masă, energia de legătură, energia de legătură specifică;

în curs de dezvoltare : să promoveze dezvoltarea orizonturilor fenomenelor cuantice;

hrănire: a menționainteres pentru subiect, managementul atentiei tale, disciplina.

Tip de lecție: combinate.

Echipament: prezentare multimedia, PC.

În timpul orelor

1. Moment organizatoric.

Salutare cu elevii, verificarea celor prezenți.

2. Actualizarea cunoștințelor.

Sondaj frontal:

Care este fenomenul de radioactivitate?

Care sunt modelele atomilor?

Ce tipuri de interacțiuni în natură cunoașteți?

3. Motivația activități de învățare

Experimentele lui Rutherford au demonstrat că atomul constă dintr-un mic nucleu încărcat pozitiv și electroni care se rotesc în jurul lui. S-a dovedit că, în comparație cu dimensiunea atomului în sine (aproximativ 10 -10 m) miezul este extrem de mic (aproximativ 10 -15 m). Adică, nucleul este de 100.000 de ori mai mic decât un atom.

Pentru a vă imagina ce înseamnă acest lucru, luați în considerare un astfel de model ilustrativ. Imaginează-ți că nucleul atomic este mărit la dimensiunea unui bob de mazăre. Atunci diametrul atomului va fi egală cu înălțimea Turnul TV Ostankino.

4. Învățarea de materiale noi

Compoziția nucleului atomic

Studii ulterioare au arătat că sarcina nucleului atomic este egală cu produsul numărului de serie Z al elementului din tabelul periodic al lui D.I. Mendeleev despre sarcina elementară e.

q eu =Ze

Deci numărul de serie element chimic determină sarcina nucleului atomic și, în consecință, numărul de electroni din atom. Prin urmare, se numește numărul Znumărul de taxare .

După descoperirea de către Rutherford a nucleului atomic în 1911, numeroase experimente au confirmat că nucleele atomice, ca și atomii înșiși, au o structură complexă. În 1913, Rutherford a prezentat o ipoteză conform căreia nucleul atomului de hidrogen este o particulă elementară - protonul, care face parte din nucleele tuturor elementelor chimice. La acea vreme, se știa deja că masele atomilor elementelor chimice depășesc masa unui atom de hidrogen de un număr întreg de ori (adică multipli ai acestuia).

Cu toate acestea, nucleul nu poate consta doar din protoni. Dacă ar fi așa, atunci masa nucleului oricărui element chimic ar fi egală cu masaZprotoni. Dar, de fapt, masele nucleelor ​​tuturor elementelor sunt mult mai mari. Prin urmare, în 1920, Rutherford a sugerat existența unei particule neutre din punct de vedere electric cu o masă aproximativ egală cu cea a unui proton. Această particulă a fost descoperită ulterior experimental. Au sunat-oneutroni .

În 1932, oamenii de știință sovietici E.N. Gapon și D.D. Ivanenko și fizicianul german Heisenberg au propusmodelul proton-neutron al nucleului atomic . Conform acestei teorii, toate nucleele constau din două tipuri de particule - protoni și neutroni. Se numesc protoni și neutroninucleonii (din lat. nucleu– miez).

Numărul total de nucleoni dintr-un nucleu se numeștenumar de masa și se notează cu litera A. Numărul de masă A este numeric egal cu masa nucleului, exprimată în unități de masă atomică și rotunjită la numere întregi.

Unitatea de masă atomică (1 amu) este egală cu 1/12 din masa unui atom de carbon.

Numărul de protoni corespunde numărului ordinal (atomic) al elementului. Diferența dintre masa și numărul de sarcină este egală cu numărul de neutroni.

Orice element chimic al tabelului periodic D.I. Mendeleev poate fi reprezentat prin formula:

A - numărul de masă

Z- numărul de taxare

Numar de masa este egală cu suma protonilor și neutronilor.

numărul de taxare este numărul atomic este egal cu numărul protoni din nucleu.

forte nucleare

Există patru tipuri de interacțiuni în natură: gravitaționale, electromagnetice, puternice și slabe. Vom lua în considerare doar trei dintre ele.

1. Cu acest tip de interacțiune, corpurile sunt întotdeauna atrase unele de altele. Forța de interacțiune scade odată cu creșterea distanței dintre corpuri.

2. Interacțiunea dintre două particule încărcate se numește electromagnetică. Există 2 tipuri de sarcini electrice: pozitive (+) și negative (-). În interacțiunile electromagnetice, corpurile încărcate se pot atrage și respinge reciproc.

Interacțiunile electromagnetice acționează la distanțe suficient de mari. Forța de interacțiune scade odată cu creșterea distanței dintre corpuri.

k (constanta lui Coulomb) = 9*10 9

Să comparăm forțele gravitaționale (F e-p(rpav) ) și interacțiuni electromagnetice (F e-r (ulm) ) care actioneaza intre proton si electron:

Rezultă că forța gravitațională pentru particule elementare mult mai mică decât forța electromagnetică.

În lumea particulelor elementare, putem neglija gravitația.

3. Forțele care țin împreună protonii și neutronii individuali într-un nucleu se numescnuclear , iar interacțiunea corespunzătoare este puternică. Depășește cu multe ordine de mărime atracția gravitațională dintre protoni și neutroni din nucleu și domină asupra forțelor electromagnetice ale respingerii coulombiane a protonilor încărcați similar din interiorul nucleului.

Cea mai importantă caracteristică a forțelor nucleare este raza lor scurtă de acțiune. Ele operează numai în interiorul nucleului atomic, adică la scara femtometrelor (10 -15 m).Legile interacțiunilor nucleare sunt legile fizică cuanticăși sunt de o natură complet diferită de interacțiunile gravitaționale deja cunoscute nouă.

Observăm două proprietăți ale forțelor nucleare:

La o distanță între nucleoni din interiorul nucleului de ordinul a 1 fm și mai mult, forțele sunt de natura atracției, dar atunci când protonii sau neutronii se apropie unul de celălalt la o distanță mai mică de 1 fm, apar forțe de respingere. Acest lucru împiedică nucleele să se micșoreze la dimensiuni și mai mici.

S-a dovedit experimental că forțele nucleare dintre doi protoni, doi neutroni și un proton și un neutron sunt practic aceleași. Această proprietate se numeșteindependența încărcării forțelor nucleare .

DESPRE
descoperirea protonului:

Din cele mai vechi timpuri, alchimiștii au încercat să obțină aur din diverse elemente. Dar nimeni nu a reușit să transforme un element în altul. Și abia în 1919, Rutherford a efectuat experimente în care transformarea elementelor a fost efectuată pentru prima dată.

Configurația lui Rutherford a constat dintr-o sursă de particule α și un detector al acestor particule - un ecran fluorescent. Tot acest dispozitiv a fost pus într-un vas cu aer curat. Pe ecran se auzeau fulgerări slabe. Mai târziu, oamenii de știință au descoperit că în aer are loc o reacție nucleară, în care particulele α se ciocnesc cu nucleele de azot. Ca urmare, se formează un nucleu de oxigen și un nucleu de hidrogen, pe care Rutherford le-a numitproton .

Energia de legare a nucleelor ​​atomice

Știți că nucleul atomic este format din protoni și neutroni, care sunt conectați între ei în nucleu prin forțe nucleare. Se poate presupune că masa fiecărui nucleu ar trebui să fie egală cu suma maselor protonilor și neutronilor conținute în acesta.

Să verificăm această presupunere. Masa protonului și neutronului în unități de masă atomică este, respectiv,m R = 1,0073 amu Șim n = 1,0087 amu

Adăugând masele de protoni și neutroni, obținem că masa nucleului de heliu este egală cuM eu = 4,032 amu Cu toate acestea, s-a constatat experimental că masa nucleului de heliu esteM eu = 4,0026 amu Cu alte cuvinte, masa unui nucleu este mai mică decât suma maselor nucleonilor săi constitutivi. Se numește diferența dintre suma maselor nucleonilor individuali și masa nucleuluidefect de masă .

Defectul de masă al nucleului de heliu este∆m= (2 1,0073 amu + 2 1,0087 amu) - 4,0026 amu = 0,0294 amu

Pentru a rupe nucleul în nucleoni separați care nu interacționează unul cu celălalt, este necesar să se lucreze pentru a depăși forțele nucleare, adică pentru a da energie nucleului. Din legea conservării energiei rezultă că această energie este egală cu energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din particule individuale.

Se numește energia minimă care trebuie cheltuită pentru a împărți complet nucleul în particule individualeenergie nucleară de legare .

Energia de legare a oricărui nucleu poate fi determinată folosind formula lui Einstein, care stabilește relația dintre masă și energie:

E Sf. = ∆mCu 2 = (
) Cu 2 , Unde∆meste defectul de masă, c este viteza luminii în vid.

Să calculăm energia de legare a nucleului de heliu.

Pentru a obține energia de legare în jouli, defectul de masă trebuie exprimat în kilograme.

Având în vedere că ora 1 a.m.u. = 1,6605 10 -27 kg, primim

∆m= 0,0294 amu = 0,0488 10 -27 kg

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

Aceasta este o sumă uriașă. Formarea a doar 1 g de heliu este însoțită de eliberarea de energie de ordinul a 10 12 J. Aproximativ aceeași energie este eliberată în timpul arderii aproape a unui întreg vagon de cărbune.

La
stabilitatea nucleelor ​​se caracterizează printr-o mărime fizică numităenergie de legare specifică . Este egală cu energia de legare care cade pe o singură particulă nucleară (proton sau neutron): E oud = E Sf. / A. Conform graficului dependenței energiei specifice de legare de numărul de masă al elementelor, se poate observa că pentru nucleele ușoare energia de legare este foarte mică. Energia specifică de legare are cea mai mare valoare pentru nucleele de atomi situate în partea de mijloc a sistemului periodic de elemente cu numere de masă de la 28 la 138. Odată cu o creștere suplimentară a numărului de masă, energia de legare scade.

5. Formarea deprinderilor și abilităților

Determinați sarcina, defectul de masă și energia de legare a nucleului unui atom de aluminiu (Z = 13, A= 27, M eu = 26,9815).

6. Rezumatul lecției

Reflecţie:

Ce particule alcătuiesc un nucleu atomic?

Care este numărul de masă al unui atom?

Cum se numesc forțele care rețin protonii și neutronii în nucleu?

Ce este un defect de masă?

Care este energia de legare nucleară?

7. Tema pentru acasă

§1 Sarcina si masa, nucleele atomice

Cele mai importante caracteristici ale unui nucleu sunt sarcina și masa acestuia. M.

Z- sarcina nucleului este determinata de numarul de sarcini elementare pozitive concentrate in nucleu. Un purtător al unei sarcini elementare pozitive R= 1,6021 10 -19 C în nucleu este un proton. Atomul în ansamblu este neutru, iar sarcina nucleului determină simultan numărul de electroni din atom. Distribuția electronilor într-un atom peste învelișuri și subînvelișuri energetice depinde în esență de numărul lor total în atom. Prin urmare, sarcina nucleară determină în mare măsură distribuția electronilor în stările lor în atom și poziția elementului în sistem periodic Mendeleev. Sarcina nucleară esteqeu = z· e, Unde z- numărul de sarcină al nucleului, egal cu numărul ordinal al elementului din sistemul Mendeleev.

Masa nucleului atomic coincide practic cu masa atomului, deoarece masa electronilor tuturor atomilor, cu exceptia hidrogenului, este de aproximativ 2,5 10 -4 mase de atomi. Masa atomilor este exprimată în unități de masă atomică (a.m.u.). Pentru a.u.m. acceptat 1/12 masa atomului de carbon.

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

meu = m a - Z pe mine.

Izotopii sunt varietăți de atomi ai unui element chimic dat care au aceeași sarcină, dar diferă ca masă.

Numărul întreg cel mai apropiat de masa atomică, exprimat în a.u. m . numit număr de masă m și notat cu litera A. Denumirea unui element chimic: A- numărul de masă, X - simbolul unui element chimic,Z-numar de incarcare -numar de serie in tabelul periodic ():

Beriliu; Izotopi: , ", .

Raza miezului:

unde A este numărul de masă.

§2 Compunerea miezului

Nucleul unui atom de hidrogennumit proton

mproton= 1,00783 amu , .

Diagrama atomului de hidrogen

În 1932, a fost descoperită o particulă numită neutron, care are o masă apropiată de cea a unui proton (mneutroni= 1,00867 a.m.u.) și nu are sarcină electrică. Apoi D.D. Ivanenko a formulat o ipoteză despre structura proton-neutron a nucleului: nucleul este format din protoni și neutroni, iar suma lor este egală cu numărul de masă A. 3 număr ordinalZdetermină numărul de protoni din nucleu, numărul de neutroniN \u003d A - Z.

Particule elementare - protoni și neutroni care intrăîn miez, sunt cunoscuți colectiv ca nucleoni. Nucleonii nucleilor sunt în stări, semnificativ diferite de stările lor libere. Între nucleoni există o specială i de r interacțiune nouă. Ei spun că un nucleon poate fi în două „stări de încărcare” - o stare de proton cu o sarcină+ e, Și neutron cu sarcina 0.

§3 Energia de legare a nucleului. defect de masă. forte nucleare

Particulele nucleare - protoni și neutroni - sunt ținute ferm în interiorul nucleului, prin urmare, între ele acționează forțe atractive foarte mari, capabile să reziste forțelor de respingere uriașe dintre protonii încărcați similar. Aceste forțe speciale care apar la distanțe mici între nucleoni se numesc forțe nucleare. Forțele nucleare nu sunt electrostatice (Coulomb).

Studiul nucleului a arătat că forțele nucleare care acționează între nucleoni au următoarele caracteristici:

a) acestea sunt forțe cu rază scurtă de acțiune - manifestate la distanțe de ordinul 10 -15 m și în scădere bruscă chiar și cu o ușoară creștere a distanței;

b) forțele nucleare nu depind de faptul dacă particula (nucleonul) are o sarcină - independență de sarcină a forțelor nucleare. Forțele nucleare care acționează între un neutron și un proton, între doi neutroni, între doi protoni sunt egale. Protonii și neutronii în raport cu forțele nucleare sunt aceleași.

Energia de legare este o măsură a stabilității unui nucleu atomic. Energia de legare a nucleului este egală cu munca care trebuie făcută pentru a împărți nucleul în nucleonii săi constituenți fără a le conferi energie cinetică.

M I< Σ( m p + m n)

Eu - masa nucleului

Măsurarea maselor de nuclee arată că masa de repaus a nucleului este mai mică decât suma maselor de repaus ale nucleonilor săi constitutivi.

Valoare

servește ca măsură a energiei de legare și se numește defect de masă.

Ecuația lui Einstein în relativitatea specială raportează energia și masa în repaus a unei particule.

În cazul general, energia de legare a nucleului poate fi calculată prin formula

Unde Z - numărul de sarcină (numărul de protoni din nucleu);

A- numar de masa ( numărul total nucleoni din nucleu);

m p, , m n Și M i- masa de proton, neutron și nucleu

Defect de masă (Δ m) sunt egale cu 1 a.u. m. (a.m.u. - unitate de masă atomică) corespunde energiei de legare (E St) egală cu 1 a.u.e. (a.u.e. - unitate atomică de energie) și egal cu 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Reacții nucleare

Modificările nucleelor ​​în timpul interacțiunii lor cu particulele individuale și între ele sunt de obicei numite reacții nucleare.

Există următoarele, cele mai frecvente reacții nucleare.

1. Reacția de transformare . În acest caz, particula incidentă rămâne în nucleu, dar nucleul intermediar emite o altă particule, astfel încât nucleul produs diferă de nucleul țintă.

1. Reacție de captare radiativă . Particula incidentă rămâne blocată în nucleu, dar nucleul excitat emite energie în exces, emițând un foton γ (utilizat în funcționarea reactoarelor nucleare)

Un exemplu de reacție de captare a neutronilor de către cadmiu

sau fosfor

1. Risipirea. Nucleul intermediar emite o particulă identică cu

cu cel zburat și poate fi:

Imprăștire elastică neutroni cu carbon (utilizați în reactoare pentru a modera neutroni):

Imprăștire inelastică :

1. reacție de fisiune. Aceasta este o reacție care continuă întotdeauna cu eliberarea de energie. Este baza pentru producția tehnică și utilizarea energiei nucleare. În timpul reacției de fisiune, excitația nucleului compus intermediar este atât de mare încât este împărțit în două fragmente, aproximativ egale, cu eliberarea mai multor neutroni.

Dacă energia de excitație este scăzută, atunci separarea nucleului nu are loc, iar nucleul, după ce a pierdut excesul de energie prin emiterea unui γ - foton sau neutron, va reveni la starea sa normală (Fig. 1). Dar dacă energia introdusă de neutron este mare, atunci nucleul excitat începe să se deformeze, în el se formează o constricție și, ca urmare, este împărțit în două fragmente care zboară separat cu viteze extraordinare, în timp ce doi neutroni sunt emiși.
(Fig. 2).

Reacție în lanț- reacție de fisiune de auto-dezvoltare. Pentru a o implementa, este necesar ca dintre neutronii secundari produși în timpul unui eveniment de fisiune, cel puțin unul poate provoca următorul eveniment de fisiune: (deoarece unii neutroni pot participa la reacții de captare fără a provoca fisiune). Cantitativ, condiția existenței unei reacții în lanț exprimă factor de multiplicare

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - reacții în lanț cu un număr constant de neutroni (într-un reactor nuclear),k > 1 (m > m kr ) sunt bombe nucleare.

RADIOACTIVITATE

§1 Radioactivitatea naturală

Radioactivitatea este transformarea spontană a nucleelor ​​instabile ale unui element în nuclee ale altui element. radioactivitate naturală numită radioactivitate observată în izotopii instabili care există în natură. Radioactivitatea artificială se numește radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare.

Tipuri de radioactivitate:

1. α-degradare.

Emiterea de către nuclee a unor elemente chimice ale sistemului α a doi protoni și doi neutroni conectați între ele (particulă a - nucleul unui atom de heliu)

Dezintegrarea α este inerentă nucleelor ​​grele cu A> 200 șiZ > 82. Când se deplasează într-o substanță, particulele α produc ionizare puternică a atomilor pe drumul lor (ionizarea este desprinderea electronilor dintr-un atom), acționând asupra lor cu câmp electric. Se numește distanța pe care o particulă α zboară în materie până când se oprește complet gama de particule sau putere de pătrundere(notatR, [R] = m, cm). . La conditii normale forme de particule α V aer 30.000 de perechi de ioni pe cale de 1 cm. Ionizarea specifică este numărul de perechi de ioni formate pe 1 cm din lungimea căii. Particula α are un efect biologic puternic.

Regula de schimbare pentru dezintegrarea alfa:

2. β-degradare.

a) electronic (β -): nucleul emite un electron și un electron antineutrin

b) pozitron (β +): nucleul emite un pozitron și un neutrin

Aceste procese apar prin conversia unui tip de nucleon într-un nucleu în altul: un neutron într-un proton sau un proton într-un neutron.

Nu există electroni în nucleu, ei se formează ca urmare a transformării reciproce a nucleonilor.

Pozitron - o particulă care diferă de un electron doar prin semnul sarcinii (+e = 1,6 10 -19 C)

Din experiment rezultă că în timpul dezintegrarii β, izotopii pierd aceeași cantitate de energie. Prin urmare, pe baza legii conservării energiei, W. Pauli a prezis că o altă particulă de lumină, numită antineutrino, este ejectată. Un antineutrino nu are sarcină sau masă. Pierderile de energie de către particulele β în timpul trecerii lor prin materie sunt cauzate în principal de procesele de ionizare. O parte din energie este pierdută în raze X în timpul decelerării particulelor β de către nucleii substanței absorbante. Deoarece particulele β au o masă mică, o sarcină unitară și viteze foarte mari, capacitatea lor de ionizare este mică (de 100 de ori mai mică decât cea a particulelor α), prin urmare, puterea de penetrare (kilometrajul) a particulelor β este semnificativ mai mare decât particule α.

Rβ aer = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - dezintegrarea are loc în nucleele radioactive naturale și artificiale. β + - numai cu radioactivitate artificială.

Regula deplasării pentru dezintegrarea β - -:

c) K - captare (captură electronică) - nucleul absoarbe unul dintre electronii aflați pe învelișul K (mai rarLsau M) atomului său, în urma căruia unul dintre protoni se transformă într-un neutron, în timp ce emite un neutrin

Schema K - captare:

Spațiul din învelișul de electroni eliberat de electronul capturat este umplut cu electroni din straturile de deasupra, rezultând raze X.

• razele γ.

De obicei, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de raze γ. Razele γ sunt radiații electromagnetice cu lungimi de undă de la una la sutimi de angstrom λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. Energia razelor γ atinge milioane de eV.

W γ ~ MeV

1eV=1,6 10 -19 J

Un nucleu care suferă dezintegrare radioactivă, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția lui la starea fundamentală este însoțită de emisia unui foton γ. În acest caz, energia fotonului γ este determinată de condiție

unde E 2 și E 1 este energia nucleului.

E 2 - energie în stare excitată;

E 1 - energie în starea fundamentală.

Absorbția razelor γ de către materie se datorează a trei procese principale:

• efect fotoelectric (cu hv < l MэB);
• formarea perechilor electron-pozitron;

sau

• împrăștiere (efect Compton) -

Absorbția razelor γ are loc conform legii lui Bouguer:

unde μ este un coeficient de atenuare liniar, în funcție de energiile razelor γ și de proprietățile mediului;

І 0 este intensitatea fasciculului paralel incident;

eueste intensitatea fasciculului după trecerea printr-o substanță de grosime X cm.

Razele γ sunt una dintre cele mai penetrante radiații. Pentru cele mai dure raze (hvmax) grosimea stratului de semiabsorbție este de 1,6 cm în plumb, 2,4 cm în fier, 12 cm în aluminiu și 15 cm în pământ.

§2 Legea fundamentală a dezintegrarii radioactive.

Numărul de nuclee degradatedN proporțional cu numărul inițial de nuclee Nși timpul de decăderedt, dN~ N dt. Legea de bază a dezintegrarii radioactive în formă diferențială:

Coeficientul λ se numește constantă de dezintegrare pentru un anumit tip de nuclee. Semnul „-” înseamnă cădNtrebuie să fie negativ, deoarece numărul final de nuclee nedezintegrate este mai mic decât cel inițial.

prin urmare, λ caracterizează fracția de nuclee care se descompun pe unitatea de timp, adică determină rata dezintegrarii radioactive. λ nu depinde de condițiile externe, ci este determinat doar de proprietățile interne ale nucleelor. [λ]=s -1.

Legea de bază a dezintegrarii radioactive în formă integrală

Unde N 0 - numărul inițial de nuclee radioactive lat=0;

N- numărul de nuclee nedegradate la un moment datt;

λ este constanta dezintegrarii radioactive.

Rata de dezintegrare în practică este apreciată folosind nu λ, ci T 1/2 - timpul de înjumătățire - timpul în care jumătate din numărul inițial de nuclee se descompune. Relația T 1/2 și λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 ani, T 1/2 Ra = 1590 ani, T 1/2 Rn = 3,825 zile Numărul de dezintegrari pe unitatea de timp A \u003d -dN/ dtse numește activitatea unei substanțe radioactive date.

Din

urmează,

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

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

Legea schimbarii activitatii

unde A 0 = λ N 0 - activitatea iniţială la timpt= 0;

A - activitate la un moment datt.

Modele ale structurii nucleului.

Cum se prezintă un nucleu? Aceasta nu este o întrebare ușoară și au fost propuse mai multe modele de nucleu. Cele mai populare și utilizate în prezent sunt două modele: drip și shell.

Conform modelului de picătură, nucleul este comparat cu o picătură lichidă, deoarece există multe în comun între o picătură de lichid și un nucleu. Principala caracteristică comună este că interacțiunea dintre moleculele unei picături lichide, precum și între nucleonii nucleului, are proprietatea de saturație: fiecare moleculă este înconjurată doar de un număr destul de definit de vecini. Forțele de interacțiune dintre molecule dintr-o picătură sunt de scurtă durată. Volumul picăturii crește, ca și cel al nucleului, proporțional cu numărul de molecule. Compararea unui nucleu cu o picătură duce la o idee mai importantă: o picătură de lichid are o tensiune superficială. Există motive să credem că și nucleul de picătură are această proprietate. Tensiunea superficială trage picătura împreună și o face sferică. Prin urmare, nucleul, s-ar putea spune, are o formă sferică. Există, de asemenea, diferențe între o picătură de lichid și nucleul unui atom. Nucleul este încărcat (protoni!), în timp ce picătura este de obicei neutră (deși poate fi încărcată special). Principala diferență este că scăderea - sistem clasic iar în ea energia este o cantitate continuă, iar nucleul este un sistem cuantic tipic, iar energia sa are un spectru discret.

În modelul de înveliș, nucleul este comparat cu un atom care are o structură de înveliș: centrul atomului, în care este concentrat nucleul, este înconjurat de straturi ale învelișului de electroni. La prima vedere, se pare că nucleul nu ar trebui să aibă nimic în comun cu atomul, deoarece nu există un centru izolat fizic în nucleu, în jurul căruia ar putea fi amplasate straturi de nucleoni. Cu toate acestea, trebuie luată în considerare structura cuantică atât a nucleului, cât și a atomului. La urma urmei, straturile învelișului electronic al unui atom sunt create datorită faptului că spectrul energetic discret al atomilor este următorul: nivelurile sale de energie se încadrează într-un număr de grupuri relativ apropiate, a căror umplere a nivelurilor. alcătuiește straturile de învelișuri de electroni. S-a dovedit că spectrele energetice ale nucleelor ​​în această privință seamănă cu spectrele atomilor: formează, de asemenea, grupuri de niveluri apropiate. Prin urmare, umplerea treptată a acestor grupuri de niveluri cu nucleoni seamănă cu straturile de electroni ale atomilor. Așa este construit modelul de înveliș al nucleelor.

Forțele nucleare.

Pentru ca nucleele atomice să fie stabile, protonii și neutronii trebuie să fie ținuți în interiorul nucleelor ​​de forțe uriașe, de multe ori mai mari decât forțele de respingere Coulomb ale protonilor.

Forțe nucleare - forțe care acționează între particulele nucleare - nucleoni.

Proprietățile forțelor nucleare:

1. Acestea sunt forțe cu rază scurtă de acțiune. acționează la distanțe între nucleoni, de ordinul a 10 −15 m, și scad brusc odată cu creșterea distanței; la distanțe de 1,4 ∙ 10 −15 m, acestea sunt aproape egale cu 0.

2. Acestea sunt cele mai puternice forțe dintre toate pe care natura le are la dispoziție., astfel încât interacțiunea particulelor din nucleu este adesea numită interacțiuni puternice.

3. Forțele nucleare tind să se sature, acestea. Nucleonul nu interacționează cu toți ceilalți nucleoni, ci doar cu unii dintre cei mai apropiați vecini ai săi.

4. Forțele nucleare sunt caracterizate de independența sarcinii. Aceasta înseamnă că atât particulele încărcate, cât și cele neîncărcate sunt atrase unele de altele cu aceeași forță, adică. forța de atracție F ppîntre doi protoni este egală cu forța de atracție F ppîntre doi neutroni și este egală cu forța de atracție F rpîntre un proton și un neutron.

5. Forțele nucleare nu sunt centrale, acestea. ele nu sunt îndreptate de-a lungul liniei drepte care leagă centrele acestor sarcini.

6. Forțele nucleare sunt așa-numitele schimb de forţe.

Amintiți-vă că există patru tipuri interacțiuni fundamentaleîn natură: puternic, electromagnetic, slab și gravitațional.

Interacțiune puternică are loc la nivelul nucleelor ​​atomice şi reprezintă atracţia şi respingerea reciprocă a acestora părțile constitutive. Acționează la o distanță de aproximativ 10 -13 cm.În anumite condiții, interacțiunea puternică leagă foarte puternic particulele, ducând la formarea de sisteme materiale cu energie de legare mare - nuclee atomice. Din acest motiv, nucleele atomilor sunt foarte stabile, sunt greu de distrus.

Interacțiune electromagnetică de aproximativ o mie de ori mai slab decât unul puternic, dar mult mai lung. Acest tip de interacțiune este caracteristic particulelor încărcate electric. Purtătorul interacțiunii electromagnetice este un foton care nu are sarcină - un cuantum de electro camp magnetic. În procesul de interacțiune electromagnetică, electronii și nucleele atomice sunt combinate în atomi, atomi - în molecule. Într-un anumit sens, această interacțiune este fundamentală în chimie și biologie.

Interacțiune slabă eventual între diferite particule. Se întinde pe o distanță de ordinul a 10 -15 - 10 -22 cm și este asociat în principal cu dezintegrarea particulelor, de exemplu, cu transformările unui neutron într-un proton, un electron și un antineutrin care au loc în nucleul atomic. . Conform nivelului actual de cunoștințe, majoritatea particulelor sunt instabile tocmai din cauza interacțiunii slabe.

Interacțiune gravitațională- cele mai slabe, neluate în calcul în teoria particulelor elementare, deoarece la distanțe caracteristice acestora de ordinul a 10 -13 cm dă efecte extrem de mici. Cu toate acestea, la distanțe ultramice (de ordinul a 10 -33 cm) și la energii ultra-înalte, gravitația devine din nou esențială. Aici încep să apară proprietățile neobișnuite ale vidului fizic. Particulele virtuale supergrele creează în jurul lor un câmp gravitațional vizibil, care începe să distorsioneze geometria spațiului. La scară cosmică, interacțiunea gravitațională este crucială. Gama sa nu este limitată.

Toate cele patru interacțiuni necesar si suficient pentru a construi o lume diversă.

Fără interacțiuni puternice, nucleele atomice nu ar exista, iar stelele și Soarele nu ar putea genera căldură și lumină datorită energiei nucleare.

Fără interacțiuni electromagnetice, nu ar exista atomi, molecule, obiecte macroscopice, precum și căldură și lumină.

Fără interacțiuni slabe, reacțiile nucleare în interiorul Soarelui și stelelor nu ar fi posibile, exploziile de supernove nu ar avea loc, iar elementele grele necesare vieții nu s-ar putea răspândi în Univers. Fără interacțiune gravitațională, nu numai că nu ar exista galaxii, stele, planete, dar întregul Univers nu ar putea evolua, deoarece gravitația este un factor unificator care asigură unitatea Universului în ansamblu și evoluția lui.

Fizica modernă a ajuns la concluzia că toate cele patru interacțiuni fundamentale necesare pentru a crea o lume materială complexă și diversă din particule elementare pot fi obținute dintr-o interacțiune fundamentală - super puteri. Cea mai izbitoare realizare a fost dovada că la temperaturi (sau energii) foarte ridicate toate cele patru interacțiuni sunt combinate într-una singură.

Această ipoteză este pur teoretică, deoarece nu poate fi verificată experimental. Indirect, aceste idei sunt confirmate de date astrofizice, care pot fi considerate ca material experimental acumulat de Univers.

Descoperirea neutronului și a protonului.

Până în anii 20 ai secolului XX, fizicienii nu se mai îndoiau că nucleele atomice descoperite de E. Rutherford în 1911, precum și atomii înșiși, au o structură complexă. Ei au fost convinși de acest lucru de numeroasele fapte experimentale acumulate până atunci: descoperirea radioactivității, demonstrarea experimentală a modelului nuclear al nucleului, măsurarea raportului e/m pentru electron, particule α și pentru so- numită H-particulă - nucleul atomului de hidrogen, descoperirea radioactivității artificiale și a reacțiilor nucleare, măsurarea sarcinilor nucleelor ​​atomice etc. Acum este bine stabilit că nucleele atomice ale diferitelor elemente constau din două particule - protoni și neutroni.

Prima dintre aceste particule este un atom de hidrogen din care a fost îndepărtat un singur electron. Această particulă a fost deja observată în experimentele lui J. Thomson (1907), care a reușit să măsoare raportul e/m în ea. În 1919, E. Rutherford a descoperit nucleele atomului de hidrogen din produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomilor multor elemente. Rutherford a numit această particulă proton. El a sugerat că protonii fac parte din toate nucleele atomice.

Schema experimentelor lui Rutherford privind detectarea protonilor în produsele de fisiune nucleară. K - recipient de plumb cu o sursă radioactivă de particule α, F - folie metalică, E - ecran acoperit cu sulfură de zinc, M - microscop.

Dispozitivul lui Rutherford a constat dintr-o cameră evacuată în care a fost plasat un container K cu o sursă de particule α. Fereastra camerei a fost acoperită cu folie metalică Ф, a cărei grosime a fost aleasă astfel încât particulele α să nu poată pătrunde prin ea. În afara ferestrei era paravanul E, acoperit cu sulfură de zinc. Folosind microscopul M, a fost posibil să se observe scintilații în punctele în care particulele încărcate grele lovesc ecranul. Când camera a fost umplută cu azot la presiune scăzută, pe ecran au apărut fulgerări ușoare, indicând apariția unui flux de particule capabile să pătrundă prin folia F, care a blocat aproape complet fluxul de particule α.

Îndepărtând ecranul E de fereastra camerei, a măsurat Rutherford lungime medie alergare liberă particulele observate în aer. S-a dovedit a fi aproximativ egală cu 28 cm, ceea ce a coincis cu estimarea lungimii drumului particulelor de H observată mai devreme de J. Thomson. Studiile privind efectul asupra particulelor scoase din nucleele de azot de câmpurile electrice și magnetice au arătat că aceste particule au o sarcină elementară pozitivă și masa lor este egală cu masa nucleului unui atom de hidrogen. Ulterior, experimentul a fost efectuat cu o serie de alte substanțe gazoase. În toate cazurile, s-a constatat că particulele α elimină particulele H sau protonii din nucleele acestor substanțe. Conform măsurătorilor moderne, sarcina pozitivă a protonului este exact egală cu sarcina elementara e = 1,60217733 10–19 C, adică este egală în valoare absolută cu sarcina negativă a electronului. În prezent, egalitatea sarcinilor protonilor și electronilor a fost verificată cu o precizie de 10-22. O astfel de coincidență a sarcinilor a două particule diferite este surprinzătoare și rămâne unul dintre misterele fundamentale ale fizicii moderne.

masa de protoni, conform măsurătorilor moderne, este egal cu m p = 1,67262 10–27 kg. În fizica nucleară, masa unei particule este adesea exprimată în unități de masă atomică (a.m.u.) egale cu 1/12 din masa unui atom de carbon cu un număr de masă de 12:

Prin urmare, m p \u003d 1,007276 a. e. m. În multe cazuri, este convenabil să se exprime masa unei particule în valori echivalente de energie în conformitate cu formulă E = mc 2 . Deoarece 1 eV = 1,60218 10 -19 J, în unități de energie masa protonului este de 938,272331 MeV. Astfel, în experimentul lui Rutherford, a fost descoperit fenomenul de scindare a nucleelor ​​de azot și a altor elemente în timpul impactului particulelor α rapide și s-a demonstrat că protonii fac parte din nucleele atomilor. După descoperirea protonului, s-a sugerat că nucleele atomilor constau numai din protoni. Cu toate acestea, această presupunere s-a dovedit a fi insuportabilă, deoarece raportul dintre sarcina nucleului și masa sa nu rămâne constant pentru diferite nuclee, așa cum ar fi dacă numai protonii ar fi incluși în compoziția nucleelor. Pentru nucleele mai grele, acest raport se dovedește a fi mai mic decât pentru cele ușoare, adică atunci când treceți la nuclee mai grele, masa nucleului crește mai repede decât sarcina. În 1920, Rutherford a emis ipoteza existenței unei perechi compacte proton-electron legate rigid în compoziția nucleelor, care este o formațiune neutră din punct de vedere electric - o particulă cu o masă aproximativ egală cu masa unui proton. A venit chiar și cu un nume pentru această particulă ipotetică - neutroni.

A fost o idee foarte frumoasă, dar, după cum sa dovedit mai târziu, eronată. Un electron nu poate face parte dintr-un nucleu. Calculul mecanic-cuantic bazat pe relația de incertitudine arată că un electron localizat în nucleu, adică o regiune cu dimensiunea R ≈ 10–13 cm, trebuie să aibă o energie cinetică colosală, cu multe ordine de mărime mai mare decât energie nucleară de legare pe particulă.

Ideea existenței unei particule neutre grele i s-a părut atât de atractivă pentru Rutherford, încât a invitat imediat un grup de studenți ai săi, condus de J. Chadwick, să caute o astfel de particule. Doisprezece ani mai târziu, în 1932, Chadwick a investigat experimental radiația care apare atunci când beriliul este iradiat cu particule α și a descoperit că această radiație este un flux de particule neutre cu o masă aproximativ egală cu cea a unui proton. Așa a fost descoperit neutronul.

Atunci când beriliul este bombardat cu particule α emise de poloniul radioactiv, ia naștere o radiație puternică penetrantă care poate depăși un astfel de obstacol precum un strat de plumb de 10-20 cm grosime.Această radiație a fost observată aproape simultan cu Chadwick de către soții Joliot-Curie Irene și Frederic (Irene este fiica lui și Pierre Curie), dar au presupus că acestea sunt raze γ de înaltă energie. Ei au descoperit că, dacă o placă de parafină este plasată în calea radiației de beriliu, atunci puterea de ionizare a acestei radiații crește brusc. Ei au demonstrat că radiațiile de beriliu elimină protonii din parafină, care sunt prezenți în cantități mari în această substanță care conține hidrogen. Pe baza drumului liber al protonilor în aer, ei au estimat energia γ-quantilor capabile să imprime viteza necesară protonilor într-o coliziune.

S-a dovedit a fi uriaș - aproximativ 50 MeV. J. Chadwick a efectuat în 1932 o serie de experimente privind un studiu cuprinzător al proprietăților radiațiilor rezultate din iradierea beriliului cu particule α. În experimentele sale, Chadwick a folosit diverse metode de cercetare. radiatii ionizante. Pe fig. 2 in poza contor Geiger, conceput pentru a detecta particulele încărcate. Este alcătuit dintr-un tub de sticlă acoperit la interior cu un strat de metal (catod) și un fir subțire care trece de-a lungul axei tubului (anod). Tubul este umplut cu un gaz inert (de obicei argon) la presiune scăzută. O particulă încărcată care zboară printr-un gaz provoacă ionizarea moleculelor. Electronii liberi care au apărut ca urmare a ionizării sunt accelerați de câmpul electric dintre anod și catod până la energii la care începe ionizarea de impact. Apare o avalanșă de ioni și un scurt impuls de curent de descărcare trece prin contor. Un alt instrument important pentru studierea particulelor este așa-numita cameră cu nori, în care o particulă încărcată rapid lasă o urmă (urmă). Traiectoria particulelor poate fi observată direct sau fotografiată.

Acțiune camera cu nori, creat în 1912, se bazează pe condensarea vaporilor suprasaturați pe ionii formați în volumul de lucru al camerei de-a lungul traiectoriei unei particule încărcate. Folosind o cameră cu nori, se poate observa curbura traiectoriei unei particule încărcate în câmpuri electrice și magnetice. J. Chadwick, în experimentele sale, a observat în camera cu nori urme ale nucleelor ​​de azot care au experimentat o coliziune cu radiația de beriliu. Pe baza acestor experimente, el a făcut o estimare a energiei cuanticei γ, care este capabilă să informeze nucleii de azot cu privire la viteza observată în experiment. S-a dovedit a fi egal cu 100–150 MeV. O astfel de energie uriașă nu ar putea avea γ-quanta emise de beriliu. Pe această bază, Chadwick a concluzionat că din beriliu, sub acțiunea particulelor α, nu zboară γ-quanta fără masă, ci mai degrabă particule grele.

Deoarece aceste particule erau foarte penetrante și nu ionizau direct gazul din contorul Geiger, ele erau prin urmare neutre din punct de vedere electric. Astfel, s-a dovedit existența neutronului, o particulă prezisă de Rutherford cu mai bine de 10 ani înainte de experimentele lui Chadwick. Neutroni este o particulă elementară. Nu ar trebui să fie reprezentat ca o pereche compactă proton-electron, așa cum a sugerat inițial de către Rutherford. Conform măsurătorilor moderne, masa neutronilor m n \u003d 1,67493 10–27 kg \u003d 1,008665 a. e. m. În unități de energie, masa neutronilor este de 939,56563 MeV. Masa unui neutron este cu aproximativ două mase de electroni mai mare decât masa unui proton. Imediat după descoperirea neutronului, omul de știință rus D. D. Ivanenko și fizicianul german W. Heisenberg au prezentat o ipoteză despre structura proton-neutron. nuclear nuclee, ceea ce a fost pe deplin confirmat de studiile ulterioare.

Nucleul este format din nucleoni: protoni și neutroni.

G. Moseley (Anglia) a constatat că sarcina pozitivă a nucleului atomic (în unități convenționale) este egală cu numărul ordinal al elementului din sistemul periodic al lui Mendeleev. Fiecare proton are o sarcină de +1, deci sarcina nucleară este egală cu numărul de protoni.

Masa protonului, ca și masa neutronului, este de aproximativ 1840 de ori masa electronului. Protonii și neutronii sunt în nucleu, deci masa unui atom este aproape egală cu masa nucleului. Masa unui nucleu, ca și masa unui atom, este determinată de suma numărului de protoni și a numărului de neutroni. Această sumă se numește numărul de masă al atomului. Numărul de masă al unui atom (A) = Numărul de protoni (Z) + Numărul de neutroni (N) A=Z+N

Protonii și neutronii, care fac parte din orice nucleu, nu sunt particule elementare indivizibile, ci constau din quarci.

Quarcii, la rândul lor, interacționează între ei, schimbând continuu gluoni - purtători ai unei interacțiuni cu adevărat puternice (este de mii de ori mai puternic decât cel care acționează între protoni și neutroni din nucleu). Ca rezultat, protonii și neutronii se dovedesc a fi sisteme foarte puternic legate, care nu pot fi descompuse în părți componente.

Energia de legare a nucleonilor din nucleu, defect de masă.

Stabilitatea nucleului atomic este caracterizată de energia de legare (E Sf.).

Cele mai precise măsurători arată că masa în repaus a nucleului M este întotdeauna mai mică decât suma maselor de rest ale protonilor și neutronilor săi constituenți: M i< Zm p + Nm n .

defect de masă - cantitatea cu care masa tuturor nucleonilor scade atunci când formează un nucleu atomic. Defectul de masă este egal cu diferența dintre suma maselor de rest de nucleoni și masa nucleului M i: ∆M= - M i,unde m p , m n sunt masele protonului și respectiv neutronului.

Energie legată – energia minimă care trebuie cheltuită pentru scindarea completă a nucleului în nucleoni individuali sau energia eliberată în timpul fuziunii nucleonilor liberi în nucleu. Formula de calcul pentru energia de legare:

E St \u003d ∆mc 2 \u003d c 2, unde с=3·10 8 m/s este viteza luminii în vid.

Dacă în această formulă masele protonului, neutronului și nucleului sunt exprimate în kilograme, iar viteza luminii este exprimată în metri pe secundă, atunci energia de legare EST se va măsura în jouli. Cu toate acestea, în fizica atomului și a nucleului atomic, energia nucleelor ​​și a particulelor elementare este mai des exprimată în megaelectronvolți (MeV): 1 MeV \u003d 1,6 10 - 13 J.

Rezolvând problemele corespunzătoare, se poate obține energia de legare în jouli și apoi, dacă este necesar, se poate converti în megaelectronvolți, împărțind numărul rezultat de jouli la 1,6·10 - 13. Dar este mult mai ușor să obținem valoarea energiei de legare în megaelectronvolți dacă lăsăm masele protonului, neutronului și nucleului exprimate în unități de masă atomică și înmulțim defectul de masă ∆M nu cu c 2, ci cu numărul 931 . O unitate de masă atomică corespunde energiei de legare 931MeV.E St \u003d 931 ∆M sau E St \u003d 931 (Zm p + Nm n - M I) MeV

Energia de legare este convertită în energia γ-quanta emisă în timpul transformărilor nucleare, care este exact egală cu E St. , iar masa căreia: ∆M = E /s 2 .

Dacă, ca urmare a reacției E \u003d ∆Mc 2 > 0, atunci energie este eliberată dacă E \u003d ∆Mc 2< 0 - поглощается.

Pentru a caracteriza rezistența miezului, se folosește o valoare, care se numește energia de legare specifică ε St.

Energie specifică de legare - energia de legare pentru un nucleon al nucleului este egală cu raportul energiei de legare E St la numărul de masă al nucleului unui atom A: ε St = E St / A, Energia specifică de legare este determinată experimental.

Reacții nucleare - procese care apar atunci când nucleele sau particulele elementare se ciocnesc cu alte nuclee, în urma cărora starea cuantică și compoziția nucleonilor din nucleul original se modifică și apar noi particule printre produșii de reacție.

În același timp, este posibil reacții de fisiune, când nucleul unui atom este împărțit în două nuclee de atomi diferiți ca urmare a bombardamentelor. La reacții de sinteză transformarea nucleelor ​​usoare in altele mai grele.

ATENŢIE: Diferența dintre reacțiile chimice și nucleare este aceea reacții chimice numărul total de atomi ai fiecărui element particular, precum și atomii care alcătuiesc anumite substanțe, rămân neschimbate. În reacțiile nucleare, atât atomii, cât și elementele se schimbă.

Izotopi.

izotopi - acestea sunt varietăți de atomi ai aceluiași element chimic, ale căror nuclee atomice au același număr de protoni Z și un număr diferit de neutroni n. Izotopii ocupă același loc în tabelul periodic al elementelor, de unde și numele lor. De regulă, izotopii diferă semnificativ în proprietățile lor nucleare. Proprietățile chimice (și aproape la fel de fizice) ale izotopilor sunt aceleași. Acest lucru se datorează faptului că proprietățile chimice ale unui element sunt determinate de sarcina nucleului, deoarece acesta afectează structura. învelișul de electroni atom.

Excepție fac izotopii elementelor ușoare. Izotopi de hidrogen 1 H - protium, 2 N - deuteriu, 3 H - tritiu se deosebesc atât de mult ca masă încât lor fizice şi Proprietăți chimice diferit. Deuteriul este stabil (adică nu este radioactiv) și intră ca o impuritate mică (1: 4500) în hidrogenul obișnuit. Deuteriul se combină cu oxigenul pentru a forma apă grea. Fierbe la 101,2°C la presiunea atmosferică normală și îngheață la 3,8°C. Tritiul este β-radioactiv cu un timp de înjumătățire de aproximativ 12 ani.

Toate elementele chimice au izotopi. Unele elemente au doar izotopi instabili (radioactivi). Pentru toate elementele, izotopii radioactivi au fost obținuți artificial. În industria nucleară, izotopii radioactivi au o valoare din ce în ce mai mare pentru omenire.

Descoperirea neutronului a dat un impuls înțelegerii modului în care sunt aranjate nucleele atomilor.

În același 1932, când a fost descoperit neutronul, fizicianul sovietic Dmitri Dmitrievich Ivanenko și fizicianul german Werner Heisenberg au propus un model proton-neutron al structurii nucleelor, a cărui validitate a fost ulterior confirmată experimental.

Protonii și neutronii se numesc nucleoni (din latinescul nucleus - nucleus). Folosind acest termen, putem spune că nucleele atomice sunt formate din nucleoni.

• Numărul total de nucleoni din nucleu se numește număr de masă și este notat cu litera A

Deci, de exemplu, pentru azot, numărul de masă este A = 14, pentru fier A = 56, pentru uraniu A = 235.

Este clar că numărul de masă A este numeric egal cu masa nucleului m, exprimată în unități de masă atomică și rotunjită la numere întregi (deoarece masa fiecărui nucleon este de aproximativ 1 UA). De exemplu, pentru azot, m ≈ 14 a.u. e. m., pentru fier m ≈ 56 a.u. e.m., etc.

• Numărul de protoni din nucleu se numește număr de sarcină și este notat cu Z

De exemplu, pentru azot, numărul de încărcare este Z = 7, pentru fier, Z = 26, pentru uraniu, Z = 92 etc.

Sarcina fiecărui proton este egală cu sarcina electrică elementară. Prin urmare, numărul de sarcină Z este numeric egal cu sarcina nucleului, exprimată în sarcini electrice elementare. Pentru fiecare element chimic, numărul de sarcină este egal cu numărul atomic (de serie) din tabelul lui D. I. Mendeleev.

Nucleul oricărui element chimic din vedere generala se notează astfel: (sub X înseamnă simbolul unui element chimic).

Numărul de neutroni dintr-un nucleu este de obicei notat cu litera N. Deoarece numărul de masă A este numărul total de protoni și neutroni din nucleu, putem scrie: A \u003d Z + N.

Pe baza modelului proton-neutron al structurii nucleelor ​​atomice, s-a dat o explicație pentru unele fapte experimentale descoperite în primele două decenii ale secolului XX.

Deci, în cursul studierii proprietăților elementelor radioactive, s-a constatat că același element chimic are atomi cu nuclee de mase diferite.

Aceeași sarcină a nucleelor ​​indică faptul că au același număr de serie în tabelul lui D. I. Mendeleev, adică ocupă aceeași celulă în tabel, același loc. De aici și numele tuturor varietăților unui element chimic: izotopi (din cuvintele grecești isos - același și topos - loc).

• Izotopii sunt varietăți ale unui element chimic dat care diferă în masa nucleelor ​​atomice.

Datorită creării modelului proton-neutron al nucleului (adică la aproximativ două decenii de la descoperirea izotopilor), s-a putut explica de ce nucleele atomice cu aceeași sarcină au mase diferite. Evident, nucleele izotopilor conțin același număr de protoni, dar un număr diferit de neutroni.

Deci, de exemplu, există trei izotopi ai hidrogenului: (protium), . (deuteriu) și (tritiu). Nucleul unui izotop nu are deloc neutroni - este un singur proton. Nucleul de deuteriu este format din două particule: un proton și un neutron. Nucleul de tritiu este format din trei particule: un proton și doi neutroni.

Ipoteza că nucleele atomice constau din protoni și neutroni a fost confirmată de multe fapte experimentale.

Dar a apărut întrebarea: de ce nucleele nu se descompun în nucleoni individuali sub acțiunea forțelor de repulsie electrostatică dintre protonii încărcați pozitiv?

Calculele arată că nucleonii nu pot fi ținuți împreună din cauza forțelor atractive de natură gravitațională sau magnetică, deoarece aceste forțe sunt mult mai mici decât cele electrostatice.

În căutarea unui răspuns la întrebarea privind stabilitatea nucleelor ​​atomice, oamenii de știință au sugerat că între toți nucleonii din nuclei există niște forțe atractive speciale care depășesc semnificativ forțele de repulsie electrostatice dintre protoni. Aceste forțe au fost numite nucleare.

Ipoteza existenței forțelor nucleare s-a dovedit a fi corectă. De asemenea, s-a dovedit că forțele nucleare sunt cu rază scurtă de acțiune: la o distanță de 10 -15 m sunt de aproximativ 100 de ori mai mari decât forțele de interacțiune electrostatică, dar deja la o distanță de 10 -14 m se dovedesc a fi neglijabile. Cu alte cuvinte, forțele nucleare acționează la distanțe comparabile cu dimensiunea nucleelor ​​în sine.

Întrebări

1. Cum se numesc protonii și neutronii împreună?
2. Ce este un număr de masă? Ce se poate spune despre valoarea numerică a masei unui atom (în amu) și numărul său de masă?
3. Ce se poate spune despre numărul de sarcină, sarcina nucleului (exprimată în sarcini electrice elementare) și numărul de serie din tabelul lui D. I. Mendeleev pentru orice element chimic?
4. Cum sunt legate numărul de masă, numărul de sarcină și numărul de neutroni dintr-un nucleu?
5. Cum se explică existența nucleelor ​​cu aceleași sarcini și mase diferite în cadrul modelului proton-neutron al nucleului?
6. Ce întrebare a apărut în legătură cu ipoteza că nucleele atomilor constau din protoni și neutroni? Ce presupunere au trebuit să facă oamenii de știință pentru a răspunde la această întrebare?
7. Cum se numesc forțele de atracție dintre nucleonii din nucleu și care sunt trăsăturile lor caracteristice?