Az 1920-as években a fizikusoknak már nem voltak kétségei a Rutherford által 1911-ben felfedezett atommagok szerkezetének összetettségével kapcsolatban. Ezt a tényt az akkoriban elvégzett nagyszámú különböző kísérlet jelezte, mint pl.

• a radioaktivitás jelenségének felfedezése,
• az atom magmodelljének kísérleti bizonyítása,
• az e m arány mérése egy elektron, egy α-részecske és egy H-részecske esetében, amely a hidrogénatom magja,
• mesterséges radioaktivitás és nukleáris reakciók felfedezése,
• atommagok töltésének mérése és sok más.

Milyen részecskék alkotják az atommagokat? Korunkban tény, hogy a különböző elemek atommagjai kétféle részecskéből, azaz neutronokból és protonokból állnak. A második részecske egy hidrogénatom, amely elvesztette egyetlen elektronját. Egy ilyen részecskét már J. Thomson 1907-es kísérletei során is felfigyeltek. A tudós meg tudta mérni az e m arányát.

1. definíció

E. Rutherford 1919-ben fedezte fel a hidrogén atommagjait jelentős számú elem atommagjainak hasadási termékeiben. A fizikus elnevezte a talált részecskét proton. Azt javasolta, hogy az atommagok bármelyikének összetétele tartalmazzon protonokat.

Rutherford kísérleteinek sémáját a 6. ábra szemlélteti. öt . egy .

6. ábra. öt . egy . Rutherford kísérleteinek vázlata protonok kimutatására maghasadási termékekben. A K egy ólomtartály α-részecskék radioaktív forrásával, F egy fémfólia, E egy cink-szulfiddal bevont képernyő, M egy mikroszkóp.

Rutherford készüléke egy kiürített kamrából állt, egy edénnyel NAK NEK hol volt a forrás α -részecskék. Fémfólia, a képen F, átfedte a kamera ablakát. A fólia vastagságát úgy választottuk meg, hogy megakadályozzuk az áthatolást α -részecskék. Az ablakon kívül egy cink-szulfiddal bevont képernyő volt, a 6. képen. öt . 1 E betűvel jelölve. Mikroszkóp segítségével M, olyan pontokon, a képernyő azon pontjain lehetett megfigyelni a fényvillanásokat vagy más néven szcintillációkat, amelyeknél nehéz töltésű részecskék ütköznek.

A kamra alacsony nyomású nitrogénnel való feltöltése során fényvillanásokat észleltek a képernyőn. Ez a jelenség arra mutatott rá, hogy a kísérleti körülmények között ismeretlen részecskék áramlanak, amelyek képesek áthatolni egy szinte teljesen blokkolt áramláson. α -részecske fólia F. E. Rutherford időről időre eltávolította a képernyőt a kamera ablakából átlagos hossz a megfigyelt részecskék szabad útja a levegőben. A kapott érték körülbelül 28 cm-nek bizonyult, ami egybeesett a H-részecskék úthosszának korábban J. Thomson által megfigyelt becslésével.

Az elektromos és mágneses terek nitrogénmagokból kiütött részecskékre gyakorolt ​​hatásának vizsgálatával adatokat nyertünk elemi töltésük pozitivitására. Azt is bebizonyították, hogy az ilyen részecskék tömege megegyezik a hidrogénatomok atommagjainak tömegével.

Ezt követően a kísérletet számos egyéb gáznemű anyaggal is elvégezték. Minden ilyen végzett kísérletben azt találták, hogy a magjukból α -a részecskék kiütik a H-részecskéket vagy a protonokat.

A modern mérések szerint a proton pozitív töltése abszolút ekvivalens az elemi töltéssel e = 1,60217733 10 - 19 K l. Más szavakkal, a modulo egyenlő az elektron negatív töltésével. Korunkban a proton és az elektron töltéseinek egyenlőségét 10-22 pontossággal igazolták. Két egymástól jelentősen eltérő részecske töltésének ilyen egybeesése őszinte megdöbbenést okoz, és a mai napig a modern fizika egyik alapvető rejtélye.

2. definíció

A modern mérések alapján kijelenthetjük, hogy a proton tömege egyenlő mp = 1, 67262 10 - 27 kg. A magfizika körülményei között a részecskékhez tartozó tömeget gyakran atomtömeg-egységben (amu) fejezik ki, egyenlő a 12-es tömegszámú szénatom tömegével:

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

Ennek megfelelően m p \u003d 1, 007276 a. eszik.

Elég gyakran a részecske tömegének kifejezése a legkényelmesebb, ha egyenértékű energiaértékeket használunk a következő képlet: E = m c 2 . Tekintettel arra, hogy 1 e V \u003d 1,60218 10 - 19 J, a proton tömege energiaegységekben 938,272331 M e V.

Következésképpen Rutherford kísérlete, aki felfedezte a nitrogénmagok és a periódusos rendszer más elemeinek felhasadásának jelenségét gyors α-részecskék becsapódása során, azt is kimutatta, hogy a protonok az atommagok részei.

A protonok felfedezésének eredményeként egyes fizikusok azzal a feltételezéssel álltak elő, hogy az új részecskék nemcsak az atommagok részei, hanem annak egyetlen lehetséges elemei. Tekintettel azonban arra, hogy az atommag töltésének és tömegének aránya nem marad állandó különböző atommagok esetében, mint az lenne, ha az atommagok csak protonokat tartalmaznának, ezt a feltételezést tarthatatlannak ismerték el. A nehezebb magoknál ez az arány kisebbnek bizonyul, mint a könnyűeknél, amiből az következik, hogy a nehezebb magokhoz haladva az atommag tömege gyorsabban növekszik, mint a töltés.

1920-ban E. Rutherford hipotézist terjesztett elő egy bizonyos kompakt, mereven kötött, elektronból és protonból álló pár atommag összetételében. A tudós felfogása szerint ez a köteg elektromosan semleges képződmény volt, mint olyan részecske, amelynek tömege gyakorlatilag megegyezik a proton tömegével. Ennek a hipotetikus részecskének egy nevet is kitalált, Rutherford neutronnak akarta nevezni. Sajnos ez az elképzelés szépsége ellenére hibás volt. Kiderült, hogy az elektron nem lehet része az atommagnak. A bizonytalansági reláción alapuló kvantummechanikai számítás azt mutatja, hogy az atommagban lokalizált elektronnak, azaz egy R ≈ 10-13 cm méretű régiónak hihetetlennek kell lennie. kinetikus energia, ami sok nagyságrenddel nagyobb, mint az atommagok részecskénkénti kötési energiája.

Rutherford számára rendkívül vonzó volt az a gondolat, hogy az atommagban létezik valamilyen nehéz, semleges töltésű részecske. A tudós azonnal diákjainak egy csoportjához fordult J. Chadwick vezetésével azzal a javaslattal, hogy keressék meg. 12 év után, 1932-ben Chadwick töltött kísérleti tanulmány a berillium α-részecskékkel történő besugárzásának körülményei között keletkező sugárzás. A folyamat során felfedezte, hogy ez a sugárzás semleges részecskék áramlása, amelyek tömege majdnem megegyezik a proton tömegével. Így fedezték fel a neutront. 6. ábra. öt . A 2. ábra a neutronok detektálására szolgáló elrendezés egyszerűsített diagramját mutatja.

6. ábra. öt . 2. Beépítési séma neutronok detektálására.

A berillium radioaktív polónium által kibocsátott α-részecskékkel történő bombázása során erőteljes behatoló sugárzás jelenik meg, amely 10-20 cm-es ólomréteg formájában képes áthaladni egy akadályon. Ezt a sugárzást szinte egy időben fedezték fel Chadwickkel, Marie és Pierre Curie, Irene és Frederic Joliot-Curie lányával, de azt sugallták, hogy ezek nagy energiájú γ-sugarak. Észrevették, hogy ha a berillium sugárzás útjába paraffinlemezt helyeznek, akkor ennek a sugárzásnak az ionizáló képessége hirtelen megnő. A pár bebizonyította, hogy a berillium sugárzás kiüti a paraffint nagy számban az adott hidrogéntartalmú anyagban jelenlévő protonok. A levegőben lévő protonok átlagos szabad útjának értékét felhasználva a tudósok megbecsülték a γ-kvantumok energiáját, amelyek képesek a kívánt sebességet átadni a protonoknak ütközési körülmények között. A kiértékelés eredményeként kapott energiaérték hatalmasnak bizonyult - körülbelül 50 MeV.

1932-ben J. Chadwick kísérletek egész sorát hajtotta végre a berillium α-részecskékkel történő besugárzásakor keletkező sugárzás tulajdonságainak átfogó tanulmányozására. Chadwick kísérleteiben különféle módszereket alkalmazott az ionizáló sugárzás tanulmányozására.

3. definíció

6. ábra. öt . 2 illusztrált Geiger számlálócső, a töltött részecskék kimutatására szolgáló műszer.

Ez az eszköz egy belül fémréteggel (katód) bevont üvegcsőből és a cső tengelye mentén futó vékony menetből (anód) áll. A csövet inert gázzal, általában argonnal töltik meg alacsony nyomáson. Egy töltött részecske a gázban való mozgás során a molekulák ionizációját okozza.

4. definíció

Az ionizációból származó szabad elektronok felgyorsulnak elektromos mező az anód és a katód között olyan energiákra, amelyeknél az ütközési ionizációs jelenség elkezdődik. Megjelenik az ionok lavina, és egy rövid kisülési áramimpulzus halad át a számlálón.

5. definíció

A részecskék tanulmányozásában egy másik rendkívül fontos eszköz a felhőkamra, amelyben egy gyorsan töltött részecske hagy nyomot vagy más néven nyomot.

A részecskepályát közvetlenül lehet fényképezni vagy megfigyelni. Az 1912-ben létrehozott felhőkamra működésének alapja a túltelített gőz lecsapódásának jelensége az ionokon, amelyek a kamra munkatérfogatában egy töltött részecske pályája mentén képződnek. Felhőkamra segítségével lehetővé válik egy töltött részecske görbületének megfigyelése elektromos és mágneses térben.

1. bizonyíték

Kísérleteiben J. Chadwick nitrogénmagok nyomait figyelte meg, amelyek berilliumsugárzással ütköztek egy felhőkamrában. E kísérletek alapján a tudós megbecsülte a γ-kvantum energiáját, amely képes tájékoztatni a nitrogénatommagokat a kísérletben megfigyelt sebességről. A kapott érték 100-150 MeV volt, a berillium által kibocsátott γ-kvantumok nem rendelkezhettek ekkora energiával. Ebből a tényből kiindulva Chadwick arra a következtetésre jutott, hogy a berilliumból α-részecskék hatására nem tömeg nélküli γ-kvantumok repülnek ki, hanem inkább nehéz részecskék. Ezek a részecskék jelentős áthatolóerővel rendelkeztek, és nem ionizálták közvetlenül a Geiger-számlálóban lévő gázt, ennek megfelelően elektromosan semlegesek voltak. Így bebizonyosodott a neutron, a Rutherford által több mint 10 évvel Chadwick kísérletei előtt megjósolt részecske létezése.

6. definíció

Neutron elemi részecske. Amint azt Rutherford kezdetben feltételezte, kompakt proton-elektron párként való ábrázolása hibás lesz.

A modern mérések eredményei alapján elmondhatjuk, hogy a neutron tömege m n = 1,67493 10 - 27 kg g = 1,008665 a.u. eszik.

Energiaegységekben a neutron tömege 939,56563 MeV. A neutron tömege körülbelül két elektrontömeggel nagyobb, mint a proton tömege.

Közvetlenül a neutron felfedezése után D. D. Ivanenko orosz tudós W. Heisenberg német fizikussal együtt hipotézist terjesztett elő az atommagok proton-neutron szerkezetéről, amelyet a későbbi vizsgálatok teljes mértékben megerősítettek.

7. definíció

Protonokat és neutronokat nevezünk nukleonok.

Számos jelölést vezetnek be az atommagok jellemzésére.

8. definíció

Az atommagot alkotó protonok számát Z szimbólummal jelöljük és ún díjszám vagy atomszám(ez a sorozatszám benne periódusos táblázat Mengyelejev).

A magtöltés Z e , ahol e az elemi töltés. A neutronok számát az N jellel jelöljük.

9. definíció

A nukleonok (azaz protonok és neutronok) teljes számát A nukleáris tömegszámnak nevezzük:

Az izotóp fogalmának meghatározása

A kémiai elemek magjait X Z A jellel jelöljük, ahol X az elem vegyjele. Például,
H 1 1 - hidrogén, He 2 4 - hélium, C 6 12 - szén, O 8 16 - oxigén, U 92 238 - urán.

10. definíció

A neutronok száma az atommagokban ugyanaz kémiai elem eltérő lehet. Az ilyen magokat ún izotópok.

A legtöbb kémiai elemnek több izotópja van. Például a hidrogénnek három közülük van: H 1 1 - közönséges hidrogén, H 1 2 - deutérium és H 1 3 - trícium. A szénnek 6 izotópja van, az oxigénnek 3.

Kémiai elemek benne természeti viszonyok leggyakrabban izotópok keverékei. Az izotópok megléte határozza meg egy természetes elem atomtömegének értékét Mengyelejev periodikus rendszerében. Tehát például relatív atomtömeg természetes szén egyenlő 12,011.

Ha hibát észlel a szövegben, jelölje ki, és nyomja meg a Ctrl+Enter billentyűkombinációt

Az atommag osztható? És ha igen, milyen részecskékből áll? Sok fizikus próbált válaszolni erre a kérdésre.

1909-ben Ernest Rutherford brit fizikus Hans Geiger német fizikussal és Ernst Marsden új-zélandi fizikussal együtt végezte el híres kísérletét az α-részecskék szórásával kapcsolatban, amely arra a következtetésre jutott, hogy az atom nem oszthatatlan részecske. minden. Egy pozitív töltésű atommagból és a körülötte keringő elektronokból áll. Ráadásul annak ellenére, hogy az atommag mérete körülbelül 10 000-szer kisebb, mint maga az atom, az atom tömegének 99,9% -a koncentrálódik benne.

De mi is az atommag? Milyen részecskék vannak benne? Most már tudjuk, hogy minden elem magja a következőkből áll protonokÉs neutronok, melynek közönséges neve nukleonok. És a 20. század elején, az atom bolygó- vagy nukleáris modelljének megjelenése után ez sok tudós számára rejtély volt. Különböző hipotéziseket állítottak fel, és különböző modelleket javasoltak. De a helyes választ erre a kérdésre ismét Rutherford adta meg.

A proton felfedezése

Rutherford tapasztalata

A hidrogénatom magja olyan hidrogénatom, amelyből az egyetlen elektronja eltávolítva van.

1913-ra kiszámolták a hidrogénatom atommagjának tömegét és töltését. Ezenkívül ismertté vált, hogy bármely kémiai elem atomjának tömegét mindig maradék nélkül osztják a hidrogénatom tömegével. Ez a tény vezette Rutherfordot arra a gondolatra, hogy a hidrogénatomok magjai bármely atommagba belépnek. És ezt 1919-ben sikerült kísérletileg bebizonyítania.

Kísérletében Rutherford α-részecskék forrását helyezte el egy kamrában, amelyben vákuumot hoztak létre. A kamra ablakát fedő fólia vastagsága olyan volt, hogy az α-részecskék nem tudtak kiszabadulni. A kamra ablakán kívül egy cink-szulfiddal bevont szita volt.

Amikor a kamra megtelt nitrogénnel, fényvillanásokat rögzítettek a képernyőn. Ez azt jelentette, hogy az α-részecskék hatására a nitrogénből néhány új részecske kiütött, amelyek könnyen áthatoltak az α-részecskék számára áthatolhatatlan fólián. Kiderült, hogy az ismeretlen részecskék pozitív töltése egyenlő nagyságú egy elektron töltésével, tömegük pedig megegyezik a hidrogénatom atommagjának tömegével. Rutherford ezeket a részecskéknek nevezte protonok.

De hamar kiderült, hogy az atommagok nem csak protonokból állnak. Hiszen ha ez így lenne, akkor egy atom tömege egyenlő lenne az atommagban lévő protonok tömegének összegével, és az atommag töltésének a tömeghez viszonyított aránya állandó érték lenne. Valójában ez csak a legegyszerűbb hidrogénatomra igaz. Más elemek atomjaiban minden más. Például egy berillium atom magjában a protonok tömegének összege 4 egység, magának az atommagnak a tömege pedig 9 egység. Ez azt jelenti, hogy ebben az atommagban vannak más részecskék, amelyek tömege 5 egység, de nincs töltésük.

A neutron felfedezése

1930-ban Walter Bothe Bothe német fizikus és Hans Becker egy kísérlet során felfedezték, hogy a berillium atomok α-részecskékkel történő bombázásából származó sugárzásnak óriási áthatoló ereje van. James Chadwick angol fizikus, Rutherford tanítványa 2 év után rájött, hogy ennek az ismeretlen sugárzásnak az útjába helyezett 20 cm vastag ólomlemez sem gyengíti, nem erősíti azt. Kiderült, hogy az elektromágneses térnek nincs hatása a kibocsátott részecskékre. Ez azt jelentette, hogy nincs díjuk. Így egy másik részecskét fedeztek fel, amely a mag része. Felhívták neutron. Kiderült, hogy a neutron tömege egyenlő a tömeggel proton.

Az atommag proton-neutron elmélete

A neutron kísérleti felfedezése után D. D. Ivanenko orosz tudós és W. Heisenberg német fizikus egymástól függetlenül javasolta az atommag proton-neutron elméletét, amely tudományos indoklás a mag összetétele. Ezen elmélet szerint bármely kémiai elem magja protonokból és neutronokból áll. Közös nevük az nukleonok.

A magban lévő nukleonok teljes számát betűvel jelöljük A. Ha az atommagban lévő protonok számát betűvel jelöljük Z, és a neutronok számát betűvel N, akkor a következő kifejezést kapjuk:

A=Z+N

Ezt az egyenletet ún Ivanenko-Heisenberg egyenlet.

Mivel az atommag töltése megegyezik a benne lévő protonok számával, akkor Z más néven díjszám. A töltésszám vagy atomszám egybeesik a Mengyelejev-féle periodikus elemrendszerben szereplő sorszámmal.

A természetben vannak elemek Kémiai tulajdonságok amelyek pontosan megegyeznek, de a tömegszámok eltérőek. Az ilyen elemeket ún izotópok. Az izotópoknak ugyanannyi proton és különböző mennyiségben neutronok.

Például a hidrogénnek három izotópja van. Mindegyiknek 1-gyel egyenlő a sorszáma, és eltérő a neutronok száma az atommagban. Tehát a hidrogén legegyszerűbb izotópjának, a protiumnak a tömegszáma 1, az atommagban 1 proton van, és egyetlen neutron sem. Ez a legegyszerűbb kémiai elem.

A radioaktív szennyeződés sajátossága, ellentétben a többi szennyezőanyaggal, hogy nem maga a radionuklid (szennyezőanyag) van káros hatással az emberre és a környezeti tárgyakra, hanem a sugárzás, amelynek forrása.

Vannak azonban olyan esetek, amikor a radionuklid toxikus elem. Például a csernobili atomerőmű balesete után környezet A plutónium 239, 242 Pu nukleáris üzemanyag részecskékkel került ki. Amellett, hogy a plutónium alfa-kibocsátó, és a szervezetbe kerülve jelentős veszélyt jelent, maga a plutónium mérgező elem.

Emiatt a mennyiségi mutatók két csoportját használják: 1) a radionuklid-tartalom felmérésére és 2) a sugárzás tárgyra gyakorolt ​​hatásának felmérésére.
Tevékenység- az elemzett objektum radionuklid-tartalmának mennyiségi mérése. Az aktivitást az atomok időegység alatti radioaktív bomlásának száma határozza meg. Az aktivitás SI mértékegysége a Becquerel (Bq), amely másodpercenként egy széteséssel egyenlő (1Bq = 1 bomlás/s). Néha rendszeren kívüli tevékenység mérési egységet használnak - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Sugárdózis a sugárzás tárgyra gyakorolt ​​hatásának mennyiségi mértéke.
Annak a ténynek köszönhetően, hogy a sugárzás hatása egy tárgyra különböző szinteken értékelhető: fizikai, kémiai, biológiai; az egyes molekulák, sejtek, szövetek vagy organizmusok stb. szintjén többféle dózist alkalmaznak: abszorbeált, effektív ekvivalens, expozíció.

A sugárzás dózisának időbeli változásának értékeléséhez a "dózissebesség" mutatót használják. Adagolási sebesség az adag és az idő aránya. Például Oroszországban a természetes sugárforrásokból származó külső expozíció dózisteljesítménye 4-20 μR/h.

Az emberre vonatkozó fő szabvány - a fő dózishatár (1 mSv / év) - az effektív egyenérték dózis egységeiben kerül bevezetésre. Vannak szabványok tevékenységi egységekre, talajszennyezési szintekre, VDU-ra, GWP-re, SanPiN-re stb.

Az atommag szerkezete.

Az atom egy kémiai elem legkisebb részecskéje, amely megőrzi minden tulajdonságát. Az atom szerkezete az összetett rendszer, amely az atom közepén elhelyezkedő, igen kis méretű (10 -13 cm) pozitív töltésű magból és az atommag körül különböző pályákon keringő negatív töltésű elektronokból áll. Az elektronok negatív töltése megegyezik az atommag pozitív töltésével, míg általában elektromosan semlegesnek bizonyul.

Az atommagok abból állnak nukleonok - nukleáris protonok ( Z- protonok száma) és nukleáris neutronok (N a neutronok száma). A "nukleáris" protonok és neutronok különböznek a szabad állapotú részecskéktől. Például egy szabad neutron, ellentétben az atommagban lévő kötött neutronokkal, instabil, és protonná és elektronná alakul.

A nukleonok száma Am (tömegszám) a protonok és neutronok számának összege: Am = Z + N.

Proton - bármely atom elemi részecskéjének pozitív töltése egyenlő egy elektron töltésével. Az atom héjában lévő elektronok számát az atommagban lévő protonok száma határozza meg.

Neutron - másfajta nukleáris részecskék minden elemből. Csak a könnyű hidrogén atommagjában hiányzik, amely egy protonból áll. Nincs töltése, elektromosan semleges. Az atommagban a neutronok stabilak, míg a szabad állapotban instabilok. Ugyanazon elem atommagjaiban a neutronok száma ingadozhat, így az atommagban lévő neutronok száma nem jellemzi az elemet.

A nukleonokat (protonok + neutronok) a magvonzási erők tartják az atommag belsejében. A nukleáris erők 100-szor erősebbek, mint az elektromágneses erők, ezért a hasonló töltésű protonokat az atommag belsejében tartják. A nukleáris erők csak nagyon kis távolságokon (10-13 cm) nyilvánulnak meg helyzeti energia az egyes átalakulások során részben felszabaduló mag kötése mozgási energiává megy át.

Az atommag összetételében eltérő atomok esetében a "nuklidok" elnevezést, a radioaktív atomok esetében pedig a "radionuklidok" nevet használják.

Nuklidok adott számú nukleonnal és az atommag adott töltésével rendelkező atomokat vagy magokat nevezzük (nuklidjelölés A X).

Az azonos számú nukleonnal rendelkező nuklidokat (Am = const) nevezzük izobárok. Például a 96 Sr, 96 Y, 96 Zr nuklidok az Am = 96 nukleonszámú izobárok sorozatához tartoznak.

Azonos számú protonnal rendelkező nuklidok (Z= const) nevezzük izotópok. Csak a neutronok számában különböznek egymástól, ezért egy elemhez tartoznak: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

izotópok- azonos számú neutronnal rendelkező nuklidok (N = Am -Z = const). Nuklidok: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca a 20 neutronos izotópsorozatba tartoznak.

Az izotópokat általában Z X M-ként jelölik, ahol X egy kémiai elem szimbóluma; M a tömegszám, amely megegyezik az atommagban lévő protonok és neutronok számának összegével; Z az atommag rendszáma vagy töltése, egyenlő a számmal protonok az atommagban. Mivel minden kémiai elemnek megvan a maga állandó rendszáma, ezt általában elhagyják, és csak a tömegszámot írják le, például: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr stb.

Az atommag azonos tömegszámú, de eltérő töltésű és ebből következően eltérő tulajdonságú atomjait "izobároknak" nevezik, például a foszfor egyik izotópjának tömegszáma 32-15 Р 32, az egyik kén izotóp. azonos tömegszámmal rendelkezik - 16 S 32 .

A nuklidok lehetnek stabilak (ha a magjuk stabil és nem bomlik el) vagy instabilak (ha a magjuk instabil, és olyan változásokon mennek keresztül, amelyek végül növelik a mag stabilitását). Az instabil atommagokat, amelyek spontán módon bomlanak le, nevezzük radionuklidok. Az atommag spontán bomlásának jelenségét, amely részecskék kibocsátásával és (vagy) elektromágneses sugárzással jár együtt, ún. radioaktivitás.

A radioaktív bomlás eredményeként stabil és radioaktív izotóp is képződhet, amelyek spontán bomlanak. Az ilyen nukleáris átalakulások sorozatával összekapcsolt radioaktív elemek láncait nevezzük radioaktív családok.

Jelenleg az IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) hivatalosan 109 kémiai elemet nevez meg. Ezek közül csak 81 rendelkezik stabil izotópokkal, amelyek közül a legnehezebb a bizmut. (Z= 83). A fennmaradó 28 elem esetében csak radioaktív izotópok ismertek, az uránnal (u~ 92) a természetben található legnehezebb elem. A természetes nuklidok közül a legnagyobb 238 nukleont tartalmaz. Összességében a 109 elemből mintegy 1700 nuklid létezése bizonyított, az egyes elemekre ismert izotópok száma 3-tól (hidrogén esetében) 29-ig (platina) terjed.

Az atommag összetétele és jellemzői.

A legegyszerűbb atom - a hidrogénatom - magja egy protonnak nevezett elemi részecske. Az összes többi atom magja kétféle elemi részecskéből áll - protonokból és neutronokból. Ezeket a részecskéket nukleonoknak nevezzük.

Proton . A protonnak (p) van töltése +e és tömege

mp = 938,28 MeV

Összehasonlításképpen jelezzük, hogy egy elektron tömege egyenlő

m e = 0,511 MeV

Az összehasonlításból az következik, hogy m p = 1836m e

A protonnak felével (s= ) egyenlő spinje és saját mágneses momentuma van

A mágneses momentum egysége, az úgynevezett magmagneton. A proton és az elektron tömegének összehasonlításából az következik, hogy μ i 1836-szor kisebb, mint a Bohr magneton μ b. Következésképpen a proton belső mágneses momentuma körülbelül 660-szor kisebb, mint az elektron mágneses momentuma.

Neutron . A neutront (n) 1932-ben fedezte fel egy angol fizikus

D. Chadwick. Ennek a részecske elektromos töltése nulla, és a tömege

mn = 939,57 MeV

nagyon közel van a proton tömegéhez. Neutron és proton tömegkülönbség (m n – m p)

1,3 MeV, azaz. 2,5 én.

A neutron spinje fele (s= ) és (elektromos töltés hiánya ellenére) saját mágneses momentuma

μ n = - 1,91 μ i

(a mínusz jel azt jelzi, hogy a belső mechanikai és mágneses nyomatékok iránya ellentétes). Ennek a csodálatos ténynek a magyarázatát később adjuk meg.

Vegye figyelembe, hogy a μ p és μ n kísérleti értékeinek aránya nagy pontossággal egyenlő - 3/2. Ezt csak azután vették észre, hogy elméletileg ilyen értéket kaptak.

Szabad állapotban a neutron instabil (radioaktív) - spontán lebomlik, protonná alakul, és elektront (e -) és egy másik részecskét bocsát ki, amelyet antineutrínónak neveznek.
. A felezési idő (azaz az az idő, amely alatt az eredeti neutronszám fele lebomlik) körülbelül 12 perc. A bomlási séma a következőképpen írható fel:

Az antineutrínó nyugalmi tömege nulla. A neutron tömege 2,5 m e-vel nagyobb, mint a proton tömege. Következésképpen a neutron tömege 1,5 m e -vel meghaladja az egyenlet jobb oldalán megjelenő részecskék össztömegét, azaz. 0,77 MeV-tal. Ez az energia a neutron bomlása során szabadul fel a keletkező részecskék mozgási energiája formájában.

Az atommag jellemzői . Az atommag egyik legfontosabb jellemzője a Z töltésszám. Ez egyenlő az atommagot alkotó protonok számával, és meghatározza a töltését, amely egyenlő + Z e -vel. A Z szám határozza meg egy kémiai elem sorszámát Mengyelejev periódusos rendszerében. Ezért az atommag rendszámának is nevezik.

Az atommagban lévő nukleonok számát (vagyis a protonok és neutronok teljes számát) A betűvel jelöljük, és az atommag tömegszámának nevezzük. A neutronok száma az atommagban N=A–Z.

Az atommagok jelölésére használt szimbólum

ahol X az elem vegyjele. A bal felső sarokban a tömegszám, a bal alsó sarokban az atomszám látható (az utolsó ikon gyakran kimarad). Néha a tömegszámot nem a kémiai elem szimbólumától balra, hanem jobbra írják

Az azonos Z-vel, de eltérő A-val rendelkező atommagokat nevezzük izotópok. A legtöbb kémiai elemnek több stabil izotópja van. Például az oxigénnek három stabil izotópja van:

, az ónnak tíz van, és így tovább.

A hidrogénnek három izotópja van:

- közönséges hidrogén vagy protium (Z=1, N=0),

- nehézhidrogén vagy deutérium (Z=1, N=1),

– trícium (Z=1, N=2).

A protium és a deutérium stabil, a trícium radioaktív.

Az azonos A tömegszámú magokat nevezzük izobárok. Egy példa az
És
. Az N = A – Z azonos számú neutronnal rendelkező atommagokat nevezzük izotóniák (
,
Végül vannak olyan radioaktív magok, amelyeknek azonos a Z és A, amelyek felezési ideje különbözik. Úgy hívják izomerek. Például az atommagnak két izomerje van
, az egyik felezési ideje 18 perc, a másik - 4,4 óra.

Körülbelül 1500 mag ismert, amelyek vagy Z-ben, vagy A-ban, vagy mindkettőben különböznek. Ezeknek a magoknak körülbelül 1/5-e stabil, a többi radioaktív. Sok atommagot mesterségesen, nukleáris reakciók segítségével nyertek.

Z 1-től 92-ig terjedő atomszámú elemek megtalálhatók a természetben, kivéve a technéciumot (Tc, Z = 43) és a prométiumot (Pm, Z = 61). A plutóniumot (Pu, Z = 94), miután mesterségesen nyerték, elhanyagolható mennyiségben találták egy természetes ásvány-gyanta keverékben. A többi transzurán (azaz transzurán) elemet (cZ 93-tól 107-ig) mesterségesen nyerték különféle nukleáris reakciók során.

A transzurán elemek curium (96 cm), einsteinium (99 Es), fermium (100 Fm) és mendelevium (101 Md) neves tudósok tiszteletére nevezték el II. és M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi és D.I. Mengyelejev. A Lawrencium (103 Lw) a ciklotron feltalálójáról, E. Lawrence-ről kapta a nevét. Kurchatovy (104 Ku) nevét a kiváló fizikus, I. V. tiszteletére kapta. Kurcsatov.

Néhány transzurán elemet, köztük a kurchatoviumot és a 106-os és 107-es számú elemeket a dubnai Atommagkutató Közös Intézet Nukleáris Reakciók Laboratóriumában szerezte be a tudós.

N.N. Flerov és munkatársai.

Magméretek . Az első közelítésben az atommagot gömbnek tekinthetjük, amelynek sugarát a képlet elég pontosan meghatározza

(a fermi a magfizikában használt hosszegység neve, egyenlő

10-13 cm). A képletből az következik, hogy az atommag térfogata arányos a magban lévő nukleonok számával. Így az anyag sűrűsége minden atommagban megközelítőleg azonos.

A mag forgása . A nukleonok spinjei összeadódnak az így létrejövő mag spinjéhez. A nukleon spinje 1/2. Ezért a magspin kvantumszáma páratlan számú A nukleon esetén fél-egész, páros A esetén pedig egész vagy nulla. A J atommag spinjei nem haladják meg a néhány egységet. Ez azt jelzi, hogy a legtöbb nukleon spinje a magban kioltja egymást, mivel antiparallel. Minden páros atommagnak (azaz a páros számú protonnal és páros számú neutronnal rendelkező magnak) nulla spinje van.

Az M J atommag mechanikai nyomatéka hozzáadódik az elektronhéj nyomatékához
az M F atom teljes impulzusimpulzusában, amelyet az F kvantumszám határoz meg.

Az elektronok és az atommag mágneses momentumainak kölcsönhatása oda vezet, hogy az atom különböző kölcsönös orientációinak megfelelő állapotai M J ill.
(azaz különböző F) kissé eltérő energiájúak. A μ L és μ S nyomatékok kölcsönhatása határozza meg a spektrumok finomszerkezetét. Kölcsönhatásμ J és meghatározzuk az atomspektrumok hiperfinom szerkezetét. A hiperfinom szerkezetnek megfelelő spektrális vonalak hasadása olyan kicsi (néhány század angström nagyságrendű), hogy csak a legnagyobb felbontóképességű műszerekkel figyelhető meg.

Az atom egy pozitív töltésű atommagból és a környező elektronokból áll. Az atommagok mérete körülbelül 10-14...10-15 m (az atom lineáris mérete 10-10 m).

atommag elemi részecskékből áll protonok és neutronok. Az atommag proton-neutron modelljét D. D. Ivanenko orosz fizikus javasolta, majd V. Heisenberg fejlesztette ki.

proton ( R) pozitív töltése egyenlő egy elektronéval és nyugalmi tömegével T p = 1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, ahol m e az elektron tömege. Neutron ( n)-semleges részecske nyugalmi tömeggel m n= 1,6749∙10 -27 kg 1839T e ,. A protonok és neutronok tömegét gyakran más egységekben fejezik ki - atomi tömegegységekben (a.m.u., a szénatom tömegének 1/12-ével egyenlő tömegegység
). A proton és a neutron tömege megközelítőleg egy atomtömeg-egységnek felel meg. Protonokat és neutronokat nevezünk nukleonok(a lat. atommag-kernel). Az atommagban lévő nukleonok teljes számát tömegszámnak nevezzük DE).

Az összefüggésnek megfelelően a magok sugarai a tömegszám növekedésével nőnek R= 1,4DE 1/3 10 -13 cm.

A kísérletek azt mutatják, hogy a magoknak nincs éles határa. Az atommag középpontjában van egy bizonyos sűrűségű nukleáris anyag, amely a középponttól való távolság növekedésével fokozatosan nullára csökken. Az atommag jól körülhatárolható határának hiánya miatt "sugarát" a középponttól való távolságként határozzák meg, amelynél a maganyag sűrűsége felére csökken. A legtöbb atommag átlagos anyagsűrűség-eloszlása ​​nem csak gömb alakú. A legtöbb mag deformálódott. A magok gyakran megnyúlt vagy lapított ellipszoidok formájában vannak.

Az atommag jellemzett díjZe, ahol Zdíjszám mag, egyenlő a magban lévő protonok számával, és egybeesik a kémiai elem sorszámával Mengyelejev periódusos elemrendszerében.

Az atommagot ugyanaz a szimbólum jelöli, mint a semleges atomot:
, ahol x- kémiai elem szimbóluma, Z atomszám (a protonok száma az atommagban), DE- tömegszám (a nukleonok száma a sejtmagban). Tömegszám DE megközelítőleg megegyezik az atommag tömegével atomtömeg egységekben.

Mivel az atom semleges, az atommag töltése Z meghatározza az elektronok számát egy atomban. Az elektronok száma az atomban lévő állapotok közötti eloszlástól függ. A magtöltés meghatározza egy adott kémiai elem sajátosságait, azaz meghatározza az atomban lévő elektronok számát, elektronhéjaik konfigurációját, az atomon belüli elektromos tér nagyságát és jellegét.

Azonos töltésszámú atommagok Z, de különböző tömegszámokkal DE(azaz különböző számú neutronnal N=A-Z) izotópoknak nevezzük, és az azonos atommagokat DE, hanem más Z- izobárok. Például a hidrogén ( Z= l) három izotópja van: H - protium ( Z=l, N= 0), H - deutérium ( Z=l, N= 1), H - trícium ( Z=l, N\u003d 2), ón - tíz izotóp stb. Az esetek túlnyomó többségében ugyanazon kémiai elem izotópjai ugyanazokkal a kémiai és közel azonos fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

E, MeV

Energiaszintek

és megfigyelt átmeneteket a bór atommag esetében

A kvantumelmélet szigorúan korlátozza azokat az energiaértékeket, amelyekkel az atommagok alkotórészei rendelkezhetnek. Az atommagokban lévő protonok és neutronok halmazai csak bizonyos, egy adott izotópra jellemző diszkrét energiaállapotban lehetnek.

Amikor egy elektron magasabb energiájú állapotból alacsonyabb energiaállapotba vált, az energiakülönbség foton formájában bocsát ki. Ezeknek a fotonoknak az energiája több elektronvolt nagyságrendű. A magok esetében a szintenergiák körülbelül 1 és 10 MeV közötti tartományba esnek. A szintek közötti átmenetek során nagyon nagy energiájú fotonok (γ-kvantumok) bocsátódnak ki. Az ilyen átmenetek szemléltetésére az ábrán. A 6.1 az atommag első öt energiaszintjét mutatja
.A függőleges vonalak a megfigyelt átmeneteket jelzik. Például az atommag 3,58 MeV energiájú állapotból 2,15 MeV energiájú állapotba való átmenete során egy 1,43 MeV energiájú γ-kvantum bocsát ki.