Sastav jezgra atoma

Godine 1932 nakon otkrića protona i neutrona od strane naučnika D.D. Ivanenko (SSSR) i W. Heisenberg (Njemačka) su predložili proton-neutronmodel atomsko jezgro .
Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) se naziva maseni broj A: A = Z + N . Jezgra hemijski elementi označeno simbolom:
X – hemijski simbol element.

Na primjer, vodonik

Uveden je niz oznaka za karakterizaciju atomskih jezgara. Broj protona koji čine atomsko jezgro označen je simbolom Z i nazovi broj naplate (ovo je redni broj u periodnom sistemu Mendeljejeva). Nuklearni naboj je Ze , Gdje e– elementarni naboj. Broj neutrona je označen simbolom N .

Nuklearne sile

Da bi atomska jezgra bila stabilna, protoni i neutroni moraju biti sadržani unutar jezgara. ogromne snage, mnogo puta veće od sila Kulonove odbijanja protona. Zovu se sile koje drže nukleone u jezgru nuklearna . One predstavljaju manifestaciju najintenzivnijeg tipa interakcije poznatog u fizici - takozvane jake interakcije. Nuklearne sile su otprilike 100 puta veće od elektrostatičkih sila i desetine redova veličine veće od sila gravitacijske interakcije između nukleona.

Nuklearne sile imaju sledeća svojstva:

• imaju moć privlačnosti;
• je sile kratkog djelovanja(manifestiraju se na malim udaljenostima između nukleona);
• nuklearne sile ne zavise od prisutnosti ili odsustva električnog naboja na česticama.

Defekt mase i energija vezivanja atomskog jezgra

Najvažniju ulogu u nuklearnoj fizici ima koncept nuklearna energija vezivanja .

Energija vezivanja jezgra jednaka je minimalnoj energiji za koju se mora potrošiti potpuno razdvajanje jezgra u pojedinačne čestice. Iz zakona održanja energije proizilazi da je energija veze jednaka energiji koja se oslobađa prilikom formiranja jezgra iz pojedinih čestica.

Energija vezivanja bilo kojeg jezgra može se odrediti preciznim mjerenjem njegove mase. Trenutno su fizičari naučili da mjere mase čestica - elektrona, protona, neutrona, jezgara itd. - sa vrlo visokom preciznošću. Ova mjerenja to pokazuju masa bilo kog jezgra M I je uvijek manji od zbira masa njegovih sastavnih protona i neutrona:

Masovna razlika se zove defekt mase. Defektom mase koristeći Einsteinovu formulu E = mc 2, možete odrediti energiju oslobođenu tokom formiranja datog jezgra, tj. energiju vezivanja jezgra E St:

Ova energija se oslobađa tokom formiranja jezgra u obliku γ-kvanta zračenja.

Nuklearna energija

Prva nuklearna elektrana na svijetu izgrađena je u našoj zemlji i puštena u rad 1954. godine u SSSR-u, u gradu Obninsku. Razvija se izgradnja moćnih nuklearnih elektrana. Trenutno u Rusiji radi 10 nuklearnih elektrana. Nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, poduzete su dodatne mjere kako bi se osigurala sigurnost nuklearnih reaktora.

Atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona. Broj protona određuje naboj jezgra (redni broj u periodnom sistemu).

Masa jezgra proizvoljnog elementa određena je vrijednošću bliskom zbroju masa protona i neutrona uključenih u njegov sastav. Dakle, maseni broj jezgra, označen slovom A i izraženo u jedinicama atomske mase, zaokruženo je na A = N + Z. Z– nuklearni naboj, određuje broj protona u jezgri i broj elektrona u elektronskoj ljusci neutralnog atoma. N– broj neutrona u jezgru. Proton i neutron imaju zajednički naziv - nukleon. Simbol se koristi za označavanje jezgra, gdje X je simbol hemijskog elementa. Na primjer, šta to znači Z = 82, N = 126, A = 208.

Različite kombinacije broja protona i neutrona odgovaraju različitim jezgrama. U ovom slučaju mogu se razlikovati sljedeće grupe atoma.

Izotopi– atomi čija jezgra imaju isti broj protona Z i drugačiji broj neutroni N. Takvi elementi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu. Na primjer, grupa izotopa vodonika uobičajena u prirodi: – laki vodonik, – deuterijum i – tricijum. Jezgra vodonikovih izotopa također imaju vlastita imena: proton, deuteron, triton.

Izobare– atomi čija jezgra imaju isti broj A ().

Zajedno sa terminom atomsko jezgro termin koji se koristi nuklid

Približne veličine atoma i njihovih komponenti:

veličina jezgra ~ 10–14 m, veličina neutrona i protona ~ 10–15 m, atom ~ 10–10 m, elektron< 10 –18 м.

Veličina jezgra karakterizira radijus jezgra, što ima konvencionalno značenje, budući da su granice jezgra zamagljene, kao i svaki kvantni sistem. Eksperimentalno je utvrđeno da svako jezgro ima unutrašnju oblast u kojoj je gustina materije konstantna. Ovo područje okružuje površinski sloj, gdje gustina supstance pada na nulu. Empirijska formula za polumjer jezgra

1 fm (femtometar) =10 –15 m (1)

Ovaj izraz se može tumačiti kao proporcionalnost zapremine jezgra sa brojem nukleona u njemu V ~ A. (1) znači da je prosečna gustina jezgra nezavisna od masenog broja.

Nuklearna masa je izražena u jedinicama atomske mase ili MeV/ With 2 .

1a.u.m =1/12 mase atoma ugljika s atomska masa 12.000. 1a.u.m = 1,66×10 –27 kg » 931,5 MeV/ With 2 .

Kada se jezgro formira od nukleona, njegova masa se smanjuje za iznos D m, što se naziva defekt mase.

Dm se izražava u jedinicama atomske mase ili MeV/ With 2 .

Važna karakteristika jezgra je energija vezivanja jezgra W(A,Z) je energija koja se mora potrošiti da bi se jezgro podijelilo na njegove pojedinačne sastavne protone i neutrone, a da im se ne prenese kinetička energija.

W(A,Z) = Δ ts 2 = [Zm p +(A–Z)m n – M i(A,Z)]· With 2 , (3)

Specifična energija vezivanja je prosječna energija po 1 nukleonu: . (4)

Za većinu jezgara, specifična energija vezivanja je skoro ista i iznosi ~8 MeV. Dakle, ukupna energija vezivanja je približno proporcionalna masenom broju, tj. broj nukleona u jezgru. Ovo govori o svojstvu nuklearnih sila tzv saturation. Ona leži u činjenici da svaki nukleon stupa u interakciju samo sa ograničenim brojem susjednih nukleona.

Nukleone u jezgri drže zajedno specifične nuklearne sile, koje su manifestacija snažne interakcije. Nuklearne sile imaju sledeća svojstva:

– su kratkog dometa, domet im je 10–14 m;

– najintenzivnije, one su 2-3 reda veličine jače od elektromagnetnih sila. Nuklearne sile osiguravaju postojanje jezgara sa specifičnom energijom vezivanja od oko 8 MeV.

– Imaju svojstvo zasićenja. To se očituje u činjenici da u jezgri proton može formirati vezano stanje s najviše dva neutrona. Iz tog razloga tricij izotop vodika više nije stabilan.

– Imaju neovisnost o naboju, odnosno sile koje djeluju između protona i neutrona, protona i protona, neutrona i neutrona su iste. Ovo svojstvo ne znači potpuni identitet sistema p – p, p – p, p – p, pošto su protoni i neutroni fermioni i sistemi r - r, p - str sastoje se od identičnih čestica i sistema p – p – od različitih.

– Imaju karakter razmene. Kada su u interakciji, nukleoni mogu razmijeniti svoje koordinate, naboje i projekcije spina.

– Zavisi od spina nukleona. Na ovu zavisnost ukazuje činjenica da ne postoji stanje deuterona sa spinom 0. Tj. Spinovi protona i neutrona u ovom stanju su samo paralelni.

– Oni su necentralni, odnosno zavise od orijentacije spinova nukleona u odnosu na pravu liniju koja povezuje nukleone.

Japanski fizičar H. Yukawa je 1935. godine postavio hipotezu da je nuklearna interakcija rezultat zamjene nukleona virtuelnom česticom. Te čestice moraju imati masu veću od mase elektrona, ali manju od mase protona, zbog čega su nazvane mezoni. (Iz grčkog . mesos– srednji, srednji). Mezoni su počeli da se traže eksperimentalno. Godine 1947. otkriveni su u kosmičkom zračenju. Ove čestice su nazvane pi-mezoni (od engleskog. primarni– primarni). Sada se ove čestice kraće nazivaju - pioni. Pion postoji u obliku p 0 , p – , p + .

Pi mezoni igraju važnu ulogu u interakciji nukleon-nukleon na udaljenostima od 1,5-2 fm. Suština mezonske teorije nuklearnih sila je sljedeća. Dva nukleona, na udaljenostima r£ h/2 m str c, razmjena piona, što je uzrok nuklearne interakcije. Moguće su 4 vrste zamjene:

str « str+ p 0 , (5)

n « n+ p 0 , (6)

str « n+ p + , n « str+ p – , (7)

u kojoj se nukleoni nalaze okruženi oblakom virtualnih piona, formirajući polje nuklearnih sila. Apsorpcija mezona drugim nukleonom dovodi do jake interakcije između nukleona.

Na udaljenostima manjim od 1,5 fm, nukleoni razmjenjuju teže mezone: h (549 MeV), r (770 MeV), w (782 MeV), koji određuju odbijanje nukleona.

Predavanje 18. Elementi fizike atomskog jezgra

Pregled predavanja

Atomsko jezgro. Defekt mase, nuklearna energija vezivanja.

Radioaktivno zračenje i njegove vrste. Zakon radioaktivnog raspada.

Zakoni očuvanja radioaktivnih raspada i nuklearnih reakcija.

1.Atomsko jezgro. Defekt mase, nuklearna energija vezivanja.

Sastav atomskog jezgra

Nuklearna fizika- nauka o strukturi, svojstvima i transformacijama atomskih jezgara. Godine 1911. E. Rutherford je u eksperimentima s rasipanjem α-čestica dok prolaze kroz materiju ustanovio da se neutralni atom sastoji od kompaktnog pozitivno nabijenog jezgra i oblaka negativnih elektrona. W. Heisenberg i D.D. Ivanenko je (nezavisno) pretpostavio da se jezgro sastoji od protona i neutrona.

Atomsko jezgro- centralni masivni dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona, koji se zajednički nazivaju nukleoni. Gotovo cijela masa atoma koncentrisana je u jezgru (više od 99,95%). Dimenzije jezgara su reda veličine 10 -13 - 10 -12 cm i zavise od broja nukleona u jezgru. Gustina nuklearne materije i za laka i za teška jezgra je skoro ista i iznosi oko 10 17 kg/m 3, tj. 1 cm 3 nuklearne materije bio bi težak 100 miliona tona Jezgra imaju pozitivan električni naboj jednak apsolutnoj vrijednosti ukupnog naboja elektrona u atomu.

Proton (simbol p) je elementarna čestica, jezgro atoma vodika. Proton ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona. Masa protona m p = 1,6726 10 -27 kg = 1836 m e, gdje je m e masa elektrona.

U nuklearnoj fizici je uobičajeno da se mase izražavaju u jedinicama atomske mase:

1 amu = 1,65976 10 -27 kg.

Stoga je masa protona, izražena u amu, jednaka

m p = 1,0075957 a.m.u.

Broj protona u jezgru se naziva broj naplate Z. On je jednak atomskom broju datog elementa i, prema tome, određuje mjesto elementa u Mendeljejevom periodnom sistemu elemenata.

Neutron (simbol n) je elementarna čestica koja nema električni naboj, čija je masa nešto veća od mase protona.

Masa neutrona m n = 1,675 10 -27 kg = 1,008982 amu Broj neutrona u jezgru označava se N.

Ukupan broj protona i neutrona u jezgru (broj nukleona) se naziva maseni broj i označen je slovom A,

Za označavanje jezgara koristi se simbol, gdje je X hemijski simbol elementa.

Izotopi- vrste atoma istog hemijskog elementa, čija atomska jezgra imaju isti broj protona (Z) i drugačiji broj neutroni (N). Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata. Kao primjer, evo izotopa vodika:

Koncept nuklearnih sila.

Jezgra atoma su izuzetno jake formacije, uprkos činjenici da slično nabijeni protoni, koji se nalaze na vrlo malim udaljenostima u atomskom jezgru, moraju se odbijati ogromnom silom. Posljedično, unutar jezgre djeluju izuzetno jake privlačne sile između nukleona, mnogo puta veće od električnih sila odbijanja između protona. Nuklearne sile su posebna vrsta sile; one su najjača od svih poznatih interakcija u prirodi.

Istraživanja su pokazala da nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:

nuklearne privlačne sile djeluju između bilo kojeg nukleona, bez obzira na njihovo stanje naboja;

nuklearne privlačne sile su kratkog dometa: djeluju između bilo koja dva nukleona na udaljenosti između centara čestica od oko 2·10 -15 m i naglo se smanjuju s povećanjem udaljenosti (na udaljenosti većoj od 3,10 -15 m one su praktično jednako nuli);

Nuklearne sile karakteriše zasićenje, tj. svaki nukleon može komunicirati samo sa nukleonima najbližeg jezgra;

nuklearne sile nisu centralne, tj. oni ne djeluju duž linije koja povezuje centre nukleona u interakciji.

Trenutno, priroda nuklearnih sila nije u potpunosti shvaćena. Utvrđeno je da su to tzv. razmjene. Razmjenske sile su kvantne po prirodi i nemaju analogiju klasična fizika. Nukleoni su međusobno povezani trećom česticom koju neprestano razmjenjuju. Japanski fizičar H. Yukawa je 1935. godine pokazao da nukleoni razmjenjuju čestice čija je masa otprilike 250 puta veća od mase elektrona. Predviđene čestice je 1947. godine otkrio engleski naučnik S. Powell tokom proučavanja kosmičkih zraka i kasnije su nazvani -mezoni ili pioni.

Međusobne transformacije neutrona i protona potvrđene su raznim eksperimentima.

Defekt u masama atomskih jezgara. Energija vezivanja atomskog jezgra.

Nukleoni u atomskom jezgru međusobno su povezani nuklearnim silama, pa je, da bi se jezgro podijelilo na njegove pojedinačne protone i neutrone, potrebno potrošiti mnogo energije.

Minimalna energija potrebna da se jezgro odvoji na njegove sastavne nukleone naziva se nuklearna energija vezivanja. Ista količina energije se oslobađa ako se slobodni neutroni i protoni spoje i formiraju jezgro.

Precizna masena spektroskopska mjerenja nuklearnih masa pokazala su da je masa mirovanja atomskog jezgra manja od zbroja masa mirovanja slobodnih neutrona i protona od kojih je jezgro formirano. Razlika između zbira masa mirovanja slobodnih nukleona od kojih je jezgro formirano i mase jezgra naziva se defekt mase:

Ova razlika mase m odgovara energiji vezivanja jezgra E Sv., određen Einstein relacijom:

ili, zamjenom izraza za  m, dobijamo:

Energija vezivanja se obično izražava u megaelektronvoltima (MeV). Odredimo energiju veze koja odgovara jednoj jedinici atomske mase (, brzina svjetlosti u vakuumu
):

Pretvorimo rezultirajuću vrijednost u elektronvolte:

U tom smislu, u praksi je pogodnije koristiti sljedeći izraz za energiju vezivanja:

gdje je faktor m izražen u jedinicama atomske mase.

Važna karakteristika jezgra je specifična energija vezivanja jezgra, tj. energija vezivanja po nukleonu:

.

Više , to su nukleoni jače međusobno povezani.

Zavisnost vrijednosti  od masenog broja jezgra prikazana je na slici 1. Kao što se vidi iz grafikona, najjače su vezani nukleoni u jezgrima masenog broja reda 50-60 (Cr-Zn). Energija vezivanja ovih jezgara dostiže

Protonsko-elektronska teorija

Do početka 1932. godine bila su poznata samo tri elementarne čestice: elektron, proton i neutron. Iz tog razloga se pretpostavljalo da se jezgro atoma sastoji od protona i elektrona (proton-elektron hipoteza). Vjerovalo se da jezgro sa brojem $Z$ u periodnoj tablici elemenata D.I. Mendeljejeva i masenim brojem $A$ uključuje $A$ protone i $Z-A$ neutrone. U skladu s ovom hipotezom, elektroni koji su bili dio jezgre djelovali su kao "cementirajući" agens, uz pomoć kojeg su se pozitivno nabijeni protoni zadržavali u jezgru. Pristalice protonsko-elektronske hipoteze o sastavu atomskog jezgra vjerovale su da je $\beta ^-$ - radioaktivnost potvrda tačnosti hipoteze. Ali ova hipoteza nije mogla objasniti rezultate eksperimenta i odbačena je. Jedna od ovih poteškoća bila je nemogućnost objašnjenja činjenice da je spin jezgra azota $^(14)_7N$ jednak jedinici $(\hbar)$. Prema hipotezi proton-elektrona, jezgro azota $^(14)_7N$ trebalo bi da se sastoji od $14$ protona i $7$ elektrona. Spin protona i elektrona jednak je $1/2$. Iz tog razloga, jezgro atoma dušika, koje se prema ovoj hipotezi sastoji od $21$ čestica, treba da ima spin od $1/2,\3/2,\5/2,\dots 21/2$. Ovo neslaganje sa teorijom proton-elektrona naziva se "azotna katastrofa". Takođe je bilo neshvatljivo da u prisustvu elektrona u jezgru njegov magnetni moment ima mali magnetni moment u odnosu na magnetni moment elektrona.

U 1932 dolara, J. Chadwick je otkrio neutron. Nakon ovog otkrića, D. D. Ivanenko i E. G. Gapon iznijeli su hipotezu o protonsko-neutronskoj strukturi atomskog jezgra, koju je detaljno razvio W. Heisenberg.

Napomena 1

Protonsko-neutronski sastav jezgra potvrđen je ne samo teorijskim zaključcima, već i direktno eksperimentima o cijepanju jezgra na protone i neutrone. Danas je općeprihvaćeno da se atomsko jezgro sastoji od protona i neutrona, koji se također nazivaju nukleoni(iz latinskog jezgro- jezgro, zrno).

Struktura atomskog jezgra

Core je središnji dio atoma, u kojem su koncentrirani pozitivni električni naboj i najveći dio mase atoma. Dimenzije jezgra su, u poređenju sa orbitama elektrona, izuzetno male: $10^(-15)-10^(-14)\ m$. jezgra se sastoje od protona i neutrona, koji su gotovo jednaki po masi, ali samo proton nosi električni naboj. Ukupan broj protona naziva se atomski broj $Z$ atoma, koji se poklapa sa brojem elektrona u neutralnom atomu. Nukleone u jezgru drže jake sile; po svojoj prirodi te sile nisu ni električne ni gravitacijske, a po veličini su mnogo veće od sila koje vežu elektrone za jezgro.

Prema protonsko-neutronskom modelu strukture jezgra:

• jezgra svih hemijskih elemenata sastoje se od nukleona;
• naelektrisanje jezgra je samo zbog protona;
• broj protona u jezgru jednak je atomskom broju elementa;
• broj neutrona je jednak razlici između masenog broja i broja protona ($N=A-Z$)

Proton ($^2_1H\ ili\ p$) je pozitivno nabijena čestica: njegov naboj je jednak naboju elektrona $e=1.6\cdot 10^(-19)\ C$, a njegova masa mirovanja $m_p =1.627\cdot 10^( -27)\ kg$. Proton je jezgro najlakšeg nukleona atoma vodika.

Radi pojednostavljenja snimanja i proračuna, masa jezgra se često određuje u jedinicama atomske mase (a.m.u.) ili u energetskim jedinicama (zapisivanjem odgovarajuće energije $E=mc^2$ u elektron-voltima umjesto mase). Jedinica atomske mase je $1/12$ mase nuklida ugljenika $^(12)_6C$. U ovim jedinicama dobijamo:

Proton, kao i elektron, ima svoj ugaoni moment - spin, koji je jednak $1/2$ (u jedinicama od $\hbar$). Potonji, u vanjskom magnetskom polju, može biti orijentisan samo na takav način da njegova projekcija i smjer polja budu jednaki $+1/2$ ili $-1/2$. Proton je, kao i elektron, predmet Fermi-Diracove kvantne statistike, tj. pripada fermionima.

Proton karakteriše sopstveni magnetni moment, koji je za česticu sa spinom $1/2$, naelektrisanjem $e$ i masom $m$ jednaka

Za elektron je njegov vlastiti magnetni moment jednak

Da bi se opisao magnetizam nukleona i jezgara, koristi se nuklearni magneton (1836$ puta manji od Borovog magnetona):

U početku se vjerovalo da je magnetni moment protona jednak nuklearnom magnetonu, jer njegova masa je 1836$ puta veća od mase elektrona. Ali mjerenja su pokazala da je zapravo vlastiti magnetni moment protona 2,79$ puta veći od nuklearnog magnetrona i ima pozitivan predznak, tj. smjer se poklapa sa spinom.

Moderna fizika objašnjava ova neslaganja činjenicom da se protoni i neutroni međusobno pretvaraju i neko vrijeme ostaju u stanju disocijacije u $\pi ^\pm $ - mezon i još jedan nukleon odgovarajućeg predznaka:

Masa mirovanja $\pi ^\pm $ mezona je $193,63$ MeV, tako da je njegov vlastiti magnetni moment $6,6$ puta veći od nuklearnog magnetona. U mjerenjima se pojavljuje određena efektivna vrijednost magnetnog momenta protona i $\pi ^+$ okoline mezona.

Neutron ($n$) je električki neutralna čestica; njegova masa mirovanja

Iako je neutron lišen naboja, ima magnetni moment $\mu _n=-1,91\mu _I$. Znak “$-$” pokazuje da je smjer magnetskog momenta suprotan od spina protona. Magnetizam neutrona je određen efektivnom vrijednošću magnetskog momenta čestica na koje je sposoban da se disocira.

U slobodnom stanju, neutron je nestabilna čestica i raspada se nasumično (vrijeme poluraspada $12$ min): emitirajući $\beta $ česticu i antineutrino, pretvara se u proton. Shema raspada neutrona je napisana na sljedeći način:

Za razliku od intranuklearnog raspada neutrona, $\beta$ raspad pripada i unutrašnjem raspadu i fizici elementarnih čestica.

Međusobna transformacija neutrona i protona, jednakost spinova, blizina masa i svojstava daju razlog za pretpostavku da je riječ o dvije varijante iste nuklearne čestice - nukleonu. Proton-neutronska teorija se dobro slaže s eksperimentalnim podacima.

Kao sastavni dijelovi jezgara, protoni i neutroni se nalaze u brojnim reakcijama fisije i fuzije.

U proizvoljnim i pojedinačnim nuklearnim fisijama uočavaju se i tokovi elektrona, pozitrona, mezona, neutrina i antineutrina. Masa $\beta $ čestice (elektrona ili pozitrona) je $1836$ puta manja od mase nukleona. Mezoni - pozitivne, negativne i nulte čestice - zauzimaju srednje mjesto u masi između $\beta $ - čestica i nukleona; Životni vijek takvih čestica je vrlo kratak i iznosi milioniti dio sekunde. Neutrini i antineutrini su elementarne čestice čija je masa mirovanja nula. Međutim, elektroni, pozitroni i mezoni ne mogu biti komponente jezgra. Ove svjetlosne čestice se ne mogu lokalizirati u malom volumenu, koji je jezgro poluprečnika $\sim 10^(-15)\ m$.

Da bismo to dokazali, određujemo energiju električne interakcije (na primjer, elektron s pozitronom ili protonom u jezgru)

i uporedi je sa sopstvenom energijom elektrona

Budući da energija vanjske interakcije premašuje vlastitu energiju elektrona, on ne može postojati i održavati sopstvenu individualnost, u uslovima jezgra će biti uništen. Situacija sa nukleonima je drugačija; njihova sopstvena energija je više od $900$ MeV, tako da mogu zadržati svoje karakteristike u jezgru.

Svetlosne čestice se emituju iz jezgara tokom njihovog prelaska iz jednog stanja u drugo.