Tokom 1920-ih, fizičari više nisu sumnjali u složenost strukture atomskih jezgri koje je otkrio Rutherford 1911. Na ovu činjenicu ukazao je veliki broj različitih eksperimenata izvedenih u to vrijeme, kao što su:

• otkriće fenomena radioaktivnosti,
• eksperimentalni dokaz nuklearnog modela atoma,
• mjerenje omjera e m za elektron, α-česticu i za H-česticu, koja je jezgro atoma vodika,
• otkriće umjetne radioaktivnosti i nuklearnih reakcija,
• mjerenje naboja atomskih jezgara i mnoge druge.

Koje čestice čine jezgra atoma? U naše vrijeme je činjenica da se jezgra atoma različitih elemenata sastoje od dvije vrste čestica, odnosno neutrona i protona. Druga od ovih čestica je atom vodika koji je izgubio svoj jedini elektron. Takva čestica je već uočena u eksperimentima J. Thomsona 1907. godine. Naučnik je mogao da izmeri njen e m odnos.

Definicija 1

E. Rutherford je 1919. godine otkrio atomska jezgra vodika u produktima fisije atomskih jezgara značajnog broja elemenata. Fizičar je dao ime pronađenoj čestici proton. On je sugerirao da sastav bilo kojeg jezgra atoma uključuje protone.

Šema Rutherfordovih eksperimenata je ilustrovana na slici 6. 5 . jedan .

Slika 6. 5 . jedan . Shema Rutherfordovih eksperimenata na detekciji protona u produktima nuklearne fisije. K je olovni kontejner sa radioaktivnim izvorom α-čestica, F je metalna folija, E je ekran presvučen cink sulfidom, M je mikroskop.

Rutherfordov uređaj se sastojao od evakuirane komore sa kontejnerom To gde je bio izvor α -čestice. Metalna folija, prikazana kao F, preklopio prozor kamere. Debljina folije je odabrana na način da se spriječi prodor kroz nju α -čestice. Izvan prozora je bio paravan obložen cink sulfidom, na slici 6. 5 . 1 označen slovom E. Uz pomoć mikroskopa M, bilo je moguće uočiti svjetlosne bljeskove ili, kako ih još zovu, scintilacije na tačkama, na tačkama ekrana, u koje udaraju teške nabijene čestice.

U procesu punjenja komore dušikom pod niskim pritiskom, na ekranu su otkriveni bljeskovi svjetlosti. Ovaj fenomen je ukazao na činjenicu da u eksperimentalnim uslovima postoji tok nepoznatih čestica koje imaju sposobnost da prodiru kroz skoro potpuno blokirajući tok α -folija od čestica F. S vremena na vrijeme, uklanjajući ekran sa prozora kamere, E. Rutherford je mogao mjeriti prosečna dužina slobodni put posmatranih čestica u vazduhu. Dobijena vrijednost se pokazala približno jednakom 28 cm, što se poklopilo sa procjenom dužine putanje H-čestica koju je ranije uočio J. Thomson.

Uz pomoć proučavanja uticaja električnog i magnetnog polja na čestice izbijene iz jezgri dušika, dobijeni su podaci o pozitivnosti njihovog elementarnog naboja. Također je dokazano da je masa takvih čestica ekvivalentna masi jezgara atoma vodika.

Nakon toga, eksperiment je izveden sa nizom drugih gasovitih supstanci. U svim takvim provedenim eksperimentima, ustanovljeno je da iz njihovih jezgara α -čestice nokautiraju H-čestice ili protone.

Prema savremenim merenjima, pozitivno naelektrisanje protona je apsolutno ekvivalentno elementarnom naelektrisanju e = 1,60217733 10 - 19 K l. Drugim riječima, po modulu je jednak negativnom naboju elektrona. U naše vrijeme, jednakost naboja protona i elektrona je provjerena s tačnošću od 10 - 22. Takva podudarnost naboja dviju značajno različitih čestica izaziva iskrenu zbunjenost i do danas ostaje jedna od temeljnih misterija moderne fizike.

Definicija 2

Na osnovu savremenih merenja, može se reći da je masa protona jednaka m p = 1, 67262 10 - 27 kg.U uslovima nuklearne fizike, masa koja pripada česticama često se izražava u jedinicama atomske mase (a.m.u.), jednaka masi atoma ugljika s masenim brojem 12:

1 a. e.m. = 1,66057 10 - 27 kg

Prema tome, m p = 1, 007276 a. jesti.

Često je izraz za masu čestice najpogodniji kada se koriste ekvivalentne vrijednosti energije u skladu sa sljedeća formula: E = m c 2 . Zbog činjenice da je 1 e V \u003d 1,60218 10 - 19 J, u energetskim jedinicama masa protona je 938,272331 M e V.

Shodno tome, eksperiment Rutherforda, koji je otkrio fenomen cijepanja jezgara dušika i drugih elemenata periodnog sistema u uvjetima udara brzih α-čestica, također je pokazao da su protoni dio atomskih jezgara.

Kao rezultat otkrića protona, neki su fizičari došli do pretpostavke da nove čestice nisu samo dio jezgra atoma, već su i njegovi jedini mogući elementi. Međutim, zbog činjenice da omjer naboja jezgra i njegove mase ne ostaje konstantan za različite jezgre, kao što bi bio da jezgra sadrže samo protone, ova pretpostavka je prepoznata kao neodrživa. Za teža jezgra ovaj omjer se ispostavlja manjim nego za laka, iz čega slijedi da odlaskom do težih jezgara masa jezgra raste brže od naboja.

E. Rutherford je 1920. godine iznio hipotezu o prisutnosti u sastavu jezgara određenog kompaktnog kruto vezanog para koji se sastoji od elektrona i protona. U shvaćanju naučnika, ovaj snop je bio električno neutralna formacija kao čestica čija je masa praktički ekvivalentna masi protona. Također je smislio ime za ovu hipotetičku česticu, Rutherford je želio da je nazove neutronom. Nažalost, ova ideja je, uprkos svojoj lepoti, bila pogrešna. Utvrđeno je da elektron ne može biti dio jezgra. Kvantnomehanički proračun zasnovan na odnosu nesigurnosti pokazuje da elektron lokalizovan u jezgru, tj. oblast veličine R ≈ 10 - 13 cm, mora imati neverovatnu kinetička energija, što je mnogo redova veličine veće od energije vezivanja jezgara po čestici.

Ideja o postojanju neke teške neutralno nabijene čestice u jezgri bila je izuzetno privlačna Rutherfordu. Naučnik se odmah obratio grupi svojih učenika, predvođenih J. Chadwickom, s prijedlogom da je potraže. Nakon 12 godina, 1932. Chadwick je proveo pilot studija zračenje koje nastaje u uslovima zračenja berilija α-česticama. U procesu je otkrio da je ovo zračenje tok neutralnih čestica čija je masa skoro jednaka masi protona. Tako je otkriven neutron. Slika 6. 5 . 2 ilustruje pojednostavljeni dijagram instalacije za detekciju neutrona.

Slika 6. 5 . 2. Šema instalacije za detekciju neutrona.

U procesu bombardiranja berilija α-česticama koje emituje radioaktivni polonij, pojavljuje se snažno prodorno zračenje, sposobno da prođe kroz prepreku u obliku sloja olova od 10-20 cm. Ovo zračenje je otkriveno gotovo u isto vrijeme kada i Chadwick, kćer Marie i Pierre Curie, Irene i Frederic Joliot-Curie, ali su sugerirali da su to γ-zraci visoke energije. Primijetili su da ako se parafinska ploča ugradi na put berilijumskog zračenja, tada se jonizujuća sposobnost ovog zračenja naglo povećava. Par je dokazao da berilijumsko zračenje uništava parafin u velikom broju protoni prisutni u datoj supstanci koja sadrži vodonik. Koristeći vrijednost srednjeg slobodnog puta protona u zraku, naučnici su procijenili energiju γ-kvanta, koji imaju sposobnost da prenesu željenu brzinu protonima u uslovima sudara. Energetska vrijednost dobivena kao rezultat procjene pokazala se ogromnom - oko 50 MeV.

Godine 1932. J. Chadwick je izveo čitav niz eksperimenata koji su imali za cilj sveobuhvatno proučavanje svojstava zračenja koje nastaje kada se berilij ozrači α česticama. U svojim eksperimentima, Chadwick je koristio različite metode za proučavanje jonizujućeg zračenja.

Definicija 3

Slika 6. 5 . 2 ilustrovano Geigerov brojač, instrument koji se koristi za detekciju nabijenih čestica.

Ovaj uređaj se sastoji od staklene cijevi obložene s unutarnje strane metalnim slojem (katoda) i tankog navoja koji ide duž ose cijevi (anode). Cev je napunjena inertnim gasom, obično argonom, pod niskim pritiskom. Nabijena čestica u procesu kretanja u plinu uzrokuje jonizaciju molekula.

Definicija 4

Slobodni elektroni nastali jonizacijom se ubrzavaju električno polje između anode i katode do energija pri kojima počinje fenomen udarne jonizacije. Pojavljuje se lavina jona, a kratki impuls struje pražnjenja prolazi kroz brojač.

Definicija 5

Drugi instrument od velikog značaja za proučavanje čestica je komora za oblake, u kojem brzo nabijena čestica ostavlja trag ili, kako se još naziva, trag.

Putanja čestice može se fotografisati ili direktno posmatrati. Osnova rada oblačne komore stvorene 1912. godine je fenomen kondenzacije prezasićene pare na jone koji se formiraju u radnoj zapremini komore duž putanje naelektrisane čestice. Koristeći komoru za oblake, postaje moguće promatrati zakrivljenost putanje nabijene čestice u električnim i magnetskim poljima.

Dokaz 1

U svojim eksperimentima, J. Chadwick je uočio tragove jezgara dušika koje su se sudarile s berilijumskim zračenjem u komori oblaka. Na osnovu ovih eksperimenata, naučnik je procenio energiju γ-kvanta, koji je sposoban da informiše jezgra azota o brzini uočenoj u eksperimentu. Dobijena vrijednost je bila 100 - 150 MeV. γ-kvanta koje emituje berilijum ne mogu imati tako ogromnu energiju. Polazeći od ove činjenice, Chadwick je zaključio da iz berilija, pod utjecajem α-čestica, ne izlete bezmaseni γ-kvant, već teške čestice. Ove čestice su imale značajnu moć prodiranja i nisu direktno jonizovale gas u Geigerovom brojaču; prema tome, bile su električno neutralne. Tako je dokazano postojanje neutrona, čestice koju je Rutherford predvidio više od 10 godina prije Chadwickovih eksperimenata.

Definicija 6

Neutron je elementarna čestica. Njegovo predstavljanje kao kompaktnog para proton-elektron, kao što je Rutherford u početku pretpostavio, biće pogrešno.

Na osnovu rezultata savremenih merenja, možemo reći da je masa neutrona m n = 1,67493 10 - 27 kg g = 1,008665 a.u. jesti.

U energetskim jedinicama, masa neutrona je ekvivalentna 939,56563 MeV.Masa neutrona je otprilike dvije mase elektrona veća od mase protona.

Neposredno nakon otkrića neutrona, ruski naučnik D. D. Ivanenko, zajedno sa njemačkim fizičarem W. Heisenbergom, iznio je hipotezu o protonsko-neutronskoj strukturi atomskih jezgara, što je u potpunosti potvrđeno kasnijim istraživanjima.

Definicija 7

Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni.

Uveden je niz oznaka za karakterizaciju atomskih jezgara.

Definicija 8

Broj protona koji čine atomsko jezgro označava se simbolom Z i naziva se broj naplate ili atomski broj(ovo je serijski broj u periodni sistem Mendeljejev).

Nuklearni naboj je Z e , gdje je e elementarni naboj. Broj neutrona je označen simbolom N.

Definicija 9

Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) naziva se nuklearni maseni broj A:

Definicija pojma izotopa

Jezgra hemijskih elemenata su označena simbolom X Z A , gde je X hemijski simbol elementa. Na primjer,
H 1 1 - vodonik, He 2 4 - helijum, C 6 12 - ugljenik, O 8 16 - kiseonik, U 92 238 - uranijum.

Definicija 10

Broj neutrona u jezgrima je isti hemijski element može biti drugačije. Takva jezgra se nazivaju izotopi.

Većina hemijskih elemenata ima nekoliko izotopa. Na primjer, vodonik ih ima tri: H 1 1 - obični vodonik, H 1 2 - deuterijum i H 1 3 - tricij. Ugljik ima 6 izotopa, kiseonik 3.

Hemijski elementi u prirodni uslovi najčešće su mješavina izotopa. Postojanje izotopa određuje vrijednost atomske mase prirodnog elementa u periodičnom sistemu Mendeljejeva. Tako, na primjer, relativna atomska masa prirodni ugljik je jednak 12,011.

Ako primijetite grešku u tekstu, označite je i pritisnite Ctrl+Enter

Da li je atomsko jezgro deljivo? I ako jeste, od kojih se čestica sastoji? Mnogi fizičari su pokušali da odgovore na ovo pitanje.

Godine 1909. britanski fizičar Ernest Rutherford, zajedno s njemačkim fizičarem Hansom Geigerom i novozelandskim fizičarem Ernstom Marsdenom, izveo je svoj čuveni eksperiment o raspršivanju α-čestica, koji je rezultirao zaključkom da atom nije nedjeljiva čestica pri sve. Sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona koji se okreću oko njega. Štaviše, uprkos činjenici da je veličina jezgra približno 10.000 puta manja od veličine samog atoma, u njemu je koncentrisano 99,9% mase atoma.

Ali šta je jezgro atoma? Koje su čestice u njemu? Sada znamo da se srž svakog elementa sastoji od protona i neutroni, čije je uobičajeno ime nukleoni. A početkom 20. veka, nakon pojave planetarnog, odnosno nuklearnog, modela atoma, ovo je bila misterija za mnoge naučnike. Iznesene su različite hipoteze i predloženi su različiti modeli. Ali tačan odgovor na ovo pitanje ponovo je dao Rutherford.

Otkriće protona

Rutherfordovo iskustvo

Jezgro atoma vodika je atom vodika iz kojeg je uklonjen njegov pojedinačni elektron.

Do 1913. izračunata je masa i naboj jezgra atoma vodika. Osim toga, postalo je poznato da se masa atoma bilo kojeg kemijskog elementa uvijek dijeli bez ostatka s masom atoma vodika. Ova činjenica navela je Rutherforda na ideju da jezgra atoma vodika ulaze u bilo koje jezgro. I to je uspio eksperimentalno dokazati 1919. godine.

U svom eksperimentu, Rutherford je postavio izvor α-čestica u komoru u kojoj je stvoren vakuum. Debljina folije koja je prekrivala prozor komore bila je takva da α-čestice nisu mogle izaći. Izvan prozora komore nalazio se paravan obložen cink sulfidom.

Kada se komora napuni dušikom, na ekranu su zabilježeni bljeskovi svjetlosti. To je značilo da su pod uticajem α-čestica neke nove čestice bile izbačene iz azota, koji je lako prodirao u foliju, koja je bila neprobojna za α-čestice. Pokazalo se da nepoznate čestice imaju pozitivan naboj jednak po veličini naboju elektrona, a njihova masa je jednaka masi jezgra atoma vodika. Rutherford je nazvao ove čestice protona.

Ali ubrzo je postalo jasno da se jezgra atoma ne sastoje samo od protona. Na kraju krajeva, da je tako, tada bi masa atoma bila jednaka zbroju masa protona u jezgru, a omjer naboja jezgra i mase bio bi konstantna vrijednost. Zapravo, ovo vrijedi samo za najjednostavniji atom vodika. U atomima drugih elemenata sve je drugačije. Na primjer, u jezgri atoma berilijuma, zbir masa protona je 4 jedinice, a masa samog jezgra je 9 jedinica. To znači da u ovom jezgru postoje druge čestice koje imaju masu od 5 jedinica, ali nemaju naboj.

Otkriće neutrona

Godine 1930. njemački fizičar Walter Bothe Bothe i Hans Becker otkrili su tokom eksperimenta da zračenje koje nastaje bombardiranjem atoma berilijuma α-česticama ima ogromnu prodornu moć. Nakon 2 godine, engleski fizičar James Chadwick, učenik Rutherforda, otkrio je da čak 20 cm debela olovna ploča postavljena na putu ovog nepoznatog zračenja ne slabi niti ga pojačava. Pokazalo se da elektromagnetno polje nema nikakvog uticaja na emitovane čestice. To je značilo da nisu imali nikakvu optužbu. Tako je otkrivena još jedna čestica, koja je dio jezgra. Zvali su je neutron. Ispostavilo se da je masa neutrona jednaka masi proton.

Protonsko-neutronska teorija jezgra

Nakon eksperimentalnog otkrića neutrona, ruski naučnik D. D. Ivanenko i njemački fizičar W. Heisenberg samostalno su predložili protonsko-neutronsku teoriju jezgra, koja je dala naučno obrazloženje sastav jezgra. Prema ovoj teoriji, jezgro bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od protona i neutrona. Njihov zajednički naziv je nukleoni.

Ukupan broj nukleona u jezgru je označen slovom A. Ako je broj protona u jezgru označen slovom Z, i broj neutrona po slovu N, tada dobijamo izraz:

A=Z+N

Ova jednačina se zove Ivanenko-Heisenbergova jednadžba.

Pošto je naboj jezgra atoma jednak broju protona u njemu, onda Z takođe pozvan broj naplate. Broj naboja, ili atomski broj, poklapa se sa njegovim serijskim brojem u Mendeljejevljevom periodičnom sistemu elemenata.

U prirodi postoje elementi Hemijska svojstva koji su potpuno isti, ali su maseni brojevi različiti. Takvi elementi se nazivaju izotopi. Izotopi imaju isti broj protona i različit iznos neutroni.

Na primjer, vodonik ima tri izotopa. Svi imaju serijski broj jednak 1, a broj neutrona u jezgru im je različit. Dakle, najjednostavniji izotop vodonika, protij, ima maseni broj 1, u jezgru se nalazi 1 proton i ni jedan neutron. To je najjednostavniji hemijski element.

Karakteristika radioaktivne kontaminacije, za razliku od onečišćenja drugim zagađivačima, jeste da sam radionuklid (zagađivač) štetno djeluje na ljude i objekte okoliša, već zračenje čiji je izvor.

Međutim, postoje slučajevi kada je radionuklid otrovan element. Na primjer, nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil u okruženje plutonijum 239, 242 Pu izbačeni su sa česticama nuklearnog goriva. Pored činjenice da je plutonijum alfa emiter i da predstavlja značajnu opasnost kada uđe u organizam, plutonijum je i sam otrovan element.

Iz tog razloga se koriste dvije grupe kvantitativnih indikatora: 1) za procjenu sadržaja radionuklida i 2) za procjenu uticaja zračenja na objekat.
Aktivnost- kvantitativna mjera sadržaja radionuklida u analiziranom objektu. Aktivnost je određena brojem radioaktivnih raspada atoma u jedinici vremena. SI jedinica aktivnosti je Bekerel (Bq) jednak jednoj dezintegraciji u sekundi (1Bq = 1 raspad/s). Ponekad se koristi jedinica za mjerenje aktivnosti van sistema - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Doza zračenja je kvantitativna mjera uticaja zračenja na objekat.
Zbog činjenice da se uticaj zračenja na objekat može proceniti na različitim nivoima: fizičkom, hemijskom, biološkom; na nivou pojedinačnih molekula, ćelija, tkiva ili organizama itd. koristi se nekoliko vrsta doza: apsorbovana, efektivna ekvivalentna, ekspozicijska.

Za procjenu promjene doze zračenja tijekom vremena koristi se indikator "brzina doze". Brzina doze je odnos doze i vremena. Na primjer, brzina doze vanjskog izlaganja prirodnim izvorima zračenja u Rusiji je 4-20 μR/h.

Glavni standard za ljude - glavna granica doze (1 mSv / godina) - uveden je u jedinicama efektivne ekvivalentne doze. Postoje standardi u jedinicama aktivnosti, stepenu zagađenosti zemljišta, VDU, GWP, SanPiN itd.

Struktura atomskog jezgra.

Atom je najmanja čestica hemijskog elementa koja zadržava sva svoja svojstva. Struktura atoma je složen sistem, koji se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra vrlo male veličine (10-13 cm) smještenog u središtu atoma i negativno nabijenih elektrona koji se vrte oko jezgra u različitim orbitama. Negativni naboj elektrona jednak je pozitivnom naboju jezgra, dok se općenito ispostavlja da je električno neutralan.

Atomska jezgra se sastoje od nukleoni - nuklearni protoni ( Z- broj protona) i nuklearnih neutrona (N je broj neutrona). "Nuklearni" protoni i neutroni razlikuju se od čestica u slobodnom stanju. Na primjer, slobodni neutron, za razliku od vezanog u jezgri, je nestabilan i pretvara se u proton i elektron.

Broj nukleona Am (maseni broj) je zbir broja protona i neutrona: Am = Z + N.

proton - elementarna čestica bilo kojeg atoma, ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona. Broj elektrona u ljusci atoma određen je brojem protona u jezgru.

neutron - druga vrsta nuklearnih čestica svih elemenata. Ne postoji samo u jezgru lakog vodonika, koje se sastoji od jednog protona. Nema naboja i električno je neutralan. U atomskom jezgru neutroni su stabilni, dok su u slobodnom stanju nestabilni. Broj neutrona u jezgrama atoma istog elementa može fluktuirati, tako da broj neutrona u jezgru ne karakteriše element.

Nukleoni (protoni + neutroni) se drže unutar atomskog jezgra nuklearnim silama privlačenja. Nuklearne sile su 100 puta jače od elektromagnetnih sila i stoga zadržavaju slično nabijene protone unutar jezgra. Nuklearne sile se manifestuju samo na vrlo malim udaljenostima (10 -13 cm), jesu potencijalna energija veza jezgra, koja se delimično oslobađa tokom nekih transformacija, prelazi u kinetičku energiju.

Za atome koji se razlikuju po sastavu jezgra koristi se naziv "nuklidi", a za radioaktivne atome - "radionuklidi".

Nuklidi nazivaju atome ili jezgra sa datim brojem nukleona i datim nabojem jezgra (oznaka nuklida A X).

Nuklidi koji imaju isti broj nukleona (Am = const) nazivaju se izobare. Na primjer, nuklidi 96 Sr, 96 Y, 96 Zr pripadaju nizu izobara sa brojem nukleona Am = 96.

Nuklidi koji imaju isti broj protona (Z= const) se pozivaju izotopi. Razlikuju se samo po broju neutrona, pa pripadaju istom elementu: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

izotopi- nuklidi sa istim brojem neutrona (N = Am -Z = const). Nuklidi: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca pripadaju nizu izotopa sa 20 neutrona.

Izotopi se obično označavaju kao Z X M, gdje je X simbol hemijskog elementa; M je maseni broj jednak zbiru broja protona i neutrona u jezgru; Z je atomski broj ili naboj jezgra, jednak broju protona u jezgru. Pošto svaki hemijski element ima svoj konstantni atomski broj, on se obično izostavlja i ograničava na pisanje samo masenog broja, na primer: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr, itd.

Atomi jezgra koji imaju isti maseni broj, ali različite naboje i, shodno tome, različita svojstva nazivaju se "izobare", na primjer, jedan od izotopa fosfora ima maseni broj 32 - 15 R 32, jedan od izotopa sumpora ima isti maseni broj - 16 S 32 .

Nuklidi mogu biti stabilni (ako su njihova jezgra stabilna i ne raspadaju se) ili nestabilna (ako su njihova jezgra nestabilna i prolaze kroz promjene koje na kraju povećavaju stabilnost jezgra). Nestabilna atomska jezgra koja se mogu spontano raspasti nazivaju se radionuklida. Fenomen spontanog raspada jezgra atoma, praćen emisijom čestica i (ili) elektromagnetnim zračenjem, naziva se radioaktivnost.

Kao rezultat radioaktivnog raspada, mogu se formirati i stabilni i radioaktivni izotop, koji se spontano raspada. Takvi lanci radioaktivnih elemenata povezani nizom nuklearnih transformacija nazivaju se radioaktivne porodice.

Trenutno je IUPAC (Međunarodna unija čiste i primijenjene hemije) zvanično imenovao 109 hemijskih elemenata. Od njih, samo 81 ima stabilne izotope, od kojih je najteži bizmut. (Z= 83). Za preostalih 28 elemenata poznati su samo radioaktivni izotopi, sa uranijumom (u~ 92) je najteži element koji se nalazi u prirodi. Najveći prirodni nuklid ima 238 nukleona. Ukupno je dokazano postojanje oko 1700 nuklida od ovih 109 elemenata, pri čemu se broj izotopa poznatih za pojedine elemente kreće od 3 (za vodonik) do 29 (za platinu).

Sastav i karakteristike atomskog jezgra.

Jezgro najjednostavnijeg atoma - atoma vodika - sastoji se od jedne elementarne čestice koja se zove proton. Jezgra svih ostalih atoma sastoje se od dvije vrste elementarnih čestica - protona i neutrona. Ove čestice se nazivaju nukleoni.

Proton . Proton (p) ima naboj +e i masu

m p = 938,28 MeV

Za poređenje, ukazujemo da je masa elektrona jednaka

m e = 0,511 MeV

Iz poređenja slijedi da je m p = 1836m e

Proton ima spin jednak polovini (s= ) i sopstveni magnetni moment

Jedinica magnetskog momenta koja se naziva nuklearni magneton. Iz poređenja mase protona i elektrona, proizilazi da je μ i 1836 puta manji od Borovog magnetona μ b. Shodno tome, unutrašnji magnetni moment protona je približno 660 puta manji od magnetnog momenta elektrona.

Neutron . Neutron (n) je 1932. godine otkrio engleski fizičar

D. Chadwick. Električni naboj ove čestice je nula, a masa

m n = 939,57 MeV

veoma blizu masi protona. Masovna razlika neutrona i protona (m n –m p)

iznosi 1,3 MeV, tj. 2,5 me.

Neutron ima spin jednak polovini (s= ) i (uprkos odsustvu električnog naboja) sopstveni magnetni moment

μ n = - 1,91 μ i

(znak minus označava da su pravci intrinzičnih mehaničkih i magnetnih momenata suprotni). Objašnjenje ove neverovatne činjenice biće dato kasnije.

Imajte na umu da je omjer eksperimentalnih vrijednosti μ p i μ n sa visokim stepenom tačnosti jednak - 3/2. To je uočeno tek nakon što je takva vrijednost dobijena teoretski.

U slobodnom stanju, neutron je nestabilan (radioaktivan) - spontano se raspada, pretvarajući se u proton i emitujući elektron (e-) i drugu česticu koja se zove antineutrino
. Vrijeme poluraspada (tj. vrijeme koje je potrebno da se polovina prvobitnog broja neutrona raspadne) je otprilike 12 minuta. Shema raspadanja može se napisati na sljedeći način:

Masa mirovanja antineutrina je nula. Masa neutrona je veća od mase protona za 2,5 m e. Prema tome, masa neutrona premašuje ukupnu masu čestica koje se pojavljuju na desnoj strani jednačine za 1,5m e , tj. za 0,77 MeV. Ova energija se oslobađa tokom raspada neutrona u obliku kinetičke energije nastalih čestica.

Karakteristike atomskog jezgra . Jedna od najvažnijih karakteristika atomskog jezgra je broj naboja Z. On je jednak broju protona koji čine jezgro i određuje njegov naboj, koji je jednak + Z e . Broj Z određuje redni broj hemijskog elementa u periodnom sistemu Mendeljejeva. Stoga se naziva i atomski broj jezgra.

Broj nukleona (to jest, ukupan broj protona i neutrona) u jezgru označava se slovom A i naziva se masenim brojem jezgra. Broj neutrona u jezgru je N=A–Z.

Simbol koji se koristi za označavanje jezgara

gdje je X hemijski simbol elementa. Gore lijevo je maseni broj, dolje lijevo atomski broj (posljednja ikona se često izostavlja). Ponekad se maseni broj piše ne lijevo, već desno od simbola hemijskog elementa

Zovu se jezgra sa istim Z, ali različitim A izotopi. Većina hemijskih elemenata ima nekoliko stabilnih izotopa. Na primjer, kisik ima tri stabilna izotopa:

, lim ima deset i tako dalje.

Vodonik ima tri izotopa:

- obični vodonik, ili protij (Z=1, N=0),

- teški vodonik, ili deuterijum (Z=1, N=1),

– tricijum (Z=1, N=2).

Procijum i deuterijum su stabilni, tricijum je radioaktivan.

Zovu se jezgra sa istim masenim brojem A izobare. Primjer je
i
. Zovu se jezgra sa istim brojem neutrona N = A – Z izotoni (
,
Konačno, postoje radioaktivna jezgra sa istim Z i A, koja se razlikuju po poluraspadu. Zovu se izomeri. Na primjer, postoje dva izomera jezgra
, jedan od njih ima poluživot od 18 minuta, drugi - 4,4 sata.

Poznato je oko 1500 jezgara, koje se razlikuju po Z, A ili oba. Otprilike 1/5 ovih jezgara je stabilno, a ostalo je radioaktivno. Mnoge jezgre su umjetno dobivene nuklearnim reakcijama.

U prirodi se nalaze elementi sa atomskim brojem Z od 1 do 92, isključujući tehnecij (Tc, Z = 43) i prometijum (Pm, Z = 61). Plutonijum (Pu, Z = 94), nakon što je veštački dobijen, pronađen je u zanemarljivim količinama u prirodnom mineralu – mešavini smole. Ostatak transuranija (tj. transuranija) elemenata (cZ od 93 do 107) dobiveni su umjetno kroz različite nuklearne reakcije.

Transuranijumski elementi kurijum (96 Cm), einsteinium (99 Es), fermijum (100 Fm) i mendelevijum (101 Md) dobili su nazive u čast istaknutih naučnika II. i M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi i D.I. Mendeljejev. Lawrencium (103 Lw) je dobio ime po pronalazaču ciklotrona, E. Lawrenceu. Kurchatovy (104 Ku) dobio je ime u čast istaknutog fizičara I.V. Kurchatov.

Neki transuranijumski elementi, uključujući kurhatovijum i elemente pod brojevima 106 i 107, dobijeni su u Laboratoriji za nuklearne reakcije Zajedničkog instituta za nuklearna istraživanja u Dubni od strane naučnika

N.N. Flerov i njegovo osoblje.

Veličine jezgra . U prvoj aproksimaciji, jezgro se može smatrati sferom, čiji je radijus prilično precizno određen formulom

(fermi je naziv jedinice dužine koja se koristi u nuklearnoj fizici, jednaka

10 -13 cm). Iz formule slijedi da je volumen jezgra proporcionalan broju nukleona u jezgru. Dakle, gustina materije u svim jezgrama je približno ista.

Spin jezgra . Spinovi nukleona se zbrajaju sa rezultujućim spinom jezgra. Spin nukleona je 1/2. Stoga će kvantni broj nuklearnog spina biti polucijeli za neparan broj nukleona A, a cijeli broj ili nula za paran A. Spinovi jezgara ne prelaze nekoliko jedinica. Ovo ukazuje da se spinovi većine nukleona u jezgru međusobno poništavaju, jer su antiparalelni. Sva parno-parna jezgra (tj. jezgra sa parnim brojem protona i parnim brojem neutrona) imaju nulti spin.

Mehanički moment jezgra M J se dodaje momentu elektronske ljuske
u ukupnom ugaonom momentu atoma M F , koji je određen kvantnim brojem F.

Interakcija magnetnih momenata elektrona i jezgra dovodi do činjenice da stanja atoma odgovaraju različitim međusobnim orijentacijama M J i
(tj. različite F) imaju malo različite energije. Interakcija momenata μ L i μ S određuje finu strukturu spektra. Interakcijaμ J i određena je hiperfina struktura atomskih spektra. Cepanje spektralnih linija koje odgovaraju hiperfinoj strukturi je toliko malo (reda nekoliko stotinki angstroma) da se može posmatrati samo sa instrumentima najveće moći razlučivanja.

Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i okolnih elektrona. Atomska jezgra imaju dimenzije približno 10 -14 ... 10 -15 m (linearne dimenzije atoma su 10 -10 m).

atomsko jezgro sastoji se od elementarnih čestica protona i neutrona. Proton-neutronski model jezgra predložio je ruski fizičar D. D. Ivanenko, a potom ga je razvio V. Heisenberg.

proton ( R) ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i mase mirovanja t str = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, gdje m e je masa elektrona. neutron ( n)-neutralna čestica sa masom mirovanja m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839t e ,. Masa protona i neutrona se često izražava u drugim jedinicama - u jedinicama atomske mase (a.m.u., jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika
). Mase protona i neutrona približno su jednake jednoj jedinici atomske mase. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni(od lat. jezgro-kernel). Ukupan broj nukleona u atomskom jezgru naziva se maseni broj ALI).

Polumjeri jezgara rastu sa povećanjem masenog broja u skladu sa relacijom R= 1,4ALI 1/3 10 -13 cm.

Eksperimenti pokazuju da jezgra nemaju oštre granice. U središtu jezgre postoji određena gustoća nuklearne materije, koja se postepeno smanjuje na nulu s povećanjem udaljenosti od centra. Zbog nedostatka dobro definirane granice jezgra, njegov "radijus" je definiran kao udaljenost od centra na kojoj je gustoća nuklearne materije prepolovljena. Pokazalo se da prosječna distribucija gustine materije za većinu jezgara nije samo sferna. Većina jezgara je deformisana. Često su jezgra u obliku izduženih ili spljoštenih elipsoida.

Karakterizirano je atomsko jezgro naplatitiZe, gdje Zbroj naplate jezgra, jednak broju protona u jezgru i koji se poklapa sa serijskim brojem hemijskog elementa u Periodnom sistemu elemenata Mendeljejeva.

Jezgro je označeno istim simbolom kao neutralni atom:
, gdje X- simbol hemijskog elementa, Z atomski broj (broj protona u jezgru), ALI- maseni broj (broj nukleona u jezgru). Maseni broj ALI približno jednaka masi jezgra u jedinicama atomske mase.

Pošto je atom neutralan, naelektrisanje jezgra Z određuje broj elektrona u atomu. Broj elektrona ovisi o raspodjeli po stanjima u atomu. Naboj jezgra određuje specifičnosti datog hemijskog elementa, odnosno određuje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih omotača, veličinu i prirodu unutaratomskog električnog polja.

Jezgra sa istim brojevima naboja Z, ali sa različitim masenim brojevima ALI(tj. sa različitim brojem neutrona N=A-Z) nazivaju se izotopi, a jezgra sa istim ALI, ali drugačije Z- izobare. Na primjer, vodonik ( Z= l) ima tri izotopa: H - protium ( Z=l, N= 0), H - deuterijum ( Z=l, N= 1), H - tricijum ( Z=l, N\u003d 2), kositar - deset izotopa, itd. U velikoj većini slučajeva, izotopi istog hemijskog elementa imaju iste hemijske i gotovo iste fizičke osobine.

E, MeV

Nivoi energije

i uočeni prijelazi za jezgro atoma bora

Kvantna teorija striktno ograničava energetske vrijednosti koje sastavni dijelovi jezgri mogu imati. Skupovi protona i neutrona u jezgrima mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima karakterističnim za dati izotop.

Kada elektron prelazi iz višeg u niže energetsko stanje, energetska razlika se emituje u obliku fotona. Energija ovih fotona je reda nekoliko elektron volti. Za jezgra, energije nivoa leže u rasponu od približno 1 do 10 MeV. Tokom prelaza između ovih nivoa, emituju se fotoni veoma visokih energija (γ-kvanta). Da bismo ilustrovali takve prelaze na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet energetskih nivoa jezgra
.Okomite linije označavaju uočene prelaze. Na primjer, γ-kvant sa energijom od 1,43 MeV se emituje tokom prelaska jezgra iz stanja sa energijom od 3,58 MeV u stanje sa energijom od 2,15 MeV.