Negli anni '20 i fisici non avevano più dubbi sulla complessità della struttura dei nuclei atomici scoperti da Rutherford nel 1911. Questo fatto è stato indicato da un gran numero di diversi esperimenti eseguiti a quel tempo, come ad esempio:

• scoperta del fenomeno della radioattività,
• prova sperimentale del modello nucleare dell'atomo,
• misura del rapporto e m per un elettrone, una particella α e per una particella H, che è il nucleo di un atomo di idrogeno,
• scoperta di radioattività artificiale e reazioni nucleari,
• misura delle cariche dei nuclei atomici e molti altri.

Quali particelle costituiscono i nuclei degli atomi? Ai nostri giorni, è un fatto che i nuclei degli atomi dei vari elementi sono costituiti da due tipi di particelle, cioè neutroni e protoni. La seconda di queste particelle è un atomo di idrogeno che ha perso il suo unico elettrone. Una tale particella fu già notata negli esperimenti di J. Thomson nel 1907. Lo scienziato è stato in grado di misurare il suo rapporto em.

Definizione 1

E. Rutherford nel 1919 scoprì nuclei atomici di idrogeno nei prodotti della fissione dei nuclei atomici di un numero significativo di elementi. Il fisico ha chiamato la particella trovata protone. Ha suggerito che la composizione di uno qualsiasi dei nuclei degli atomi include protoni.

Lo schema degli esperimenti di Rutherford è illustrato nella Figura 6. 5. uno .

Figura 6. 5. uno . Schema degli esperimenti di Rutherford sulla rivelazione di protoni nei prodotti di fissione nucleare. K è un contenitore di piombo con una sorgente radioattiva di particelle α, F è una lamina metallica, E è uno schermo rivestito con solfuro di zinco, M è un microscopio.

Il dispositivo di Rutherford consisteva in una camera evacuata con un contenitore A dov'era la fonte α -particelle. Lamina di metallo, mostrato come F, si sovrapponeva alla finestra della fotocamera. Lo spessore della lamina è stato scelto in modo tale da impedire la penetrazione attraverso di essa α -particelle. Fuori dalla finestra c'era uno schermo rivestito di solfuro di zinco, nell'immagine 6. 5. 1 contrassegnato dalla lettera E. Utilizzo di un microscopio M, è stato possibile osservare lampi di luce o, come vengono anche chiamati, scintillazioni nei punti, nei punti dello schermo, in cui colpiscono particelle cariche pesanti.

Durante il riempimento della camera con azoto a bassa pressione, sono stati rilevati lampi di luce sullo schermo. Questo fenomeno ha indicato il fatto che nelle condizioni sperimentali esiste un flusso di particelle sconosciute che hanno la capacità di penetrare attraverso un flusso quasi completamente bloccante α -foglio di particelle F. Di volta in volta, rimuovendo lo schermo dalla finestra della fotocamera, E. Rutherford è stato in grado di misurare lunghezza media percorso libero delle particelle osservate nell'aria. Il valore ottenuto è risultato essere approssimativamente uguale a 28 cm, che coincideva con la stima della lunghezza del percorso delle particelle H osservata in precedenza da J. Thomson.

Con l'aiuto di studi sull'effetto dei campi elettrici e magnetici sulle particelle espulse dai nuclei di azoto, sono stati ottenuti dati sulla positività della loro carica elementare. È stato anche dimostrato che la massa di tali particelle è equivalente alla massa dei nuclei degli atomi di idrogeno.

Successivamente, l'esperimento è stato eseguito con una serie di altre sostanze gassose. In tutti questi esperimenti effettuati, è stato riscontrato che dai loro nuclei α -le particelle eliminano le particelle H oi protoni.

Secondo le moderne misurazioni, la carica positiva del protone è assolutamente equivalente alla carica elementare e = 1.60217733 10 - 19 K l. In altre parole, modulo è uguale alla carica negativa dell'elettrone. Ai nostri giorni, l'uguaglianza delle cariche del protone e dell'elettrone è stata verificata con una precisione di 10 - 22. Tale coincidenza delle cariche di due particelle significativamente diverse provoca un sincero sconcerto e fino ad oggi rimane uno dei misteri fondamentali della fisica moderna.

Definizione 2

Sulla base di misurazioni moderne, si può affermare che la massa del protone è pari a m p = 1, 67262 10 - 27 kg Nelle condizioni della fisica nucleare, la massa appartenente alle particelle è spesso espressa in unità di massa atomica (a.m.u.), uguale alla massa di un atomo di carbonio di massa 12:

1 a. e.m. = 1.66057 10 - 27 kg

Di conseguenza, m p \u003d 1, 007276 a. mangiare.

Abbastanza spesso, l'espressione per la massa di una particella è più conveniente quando si utilizzano valori di energia equivalenti secondo la seguente formula: E = mc 2 . A causa del fatto che 1 e V \u003d 1.60218 10 - 19 J, in unità di energia la massa del protone è 938.272331 M e V.

Di conseguenza, l'esperimento di Rutherford, che scoprì il fenomeno della scissione dei nuclei di azoto e di altri elementi della tavola periodica nelle condizioni di impatto di particelle α veloci, mostrò anche che i protoni fanno parte dei nuclei atomici.

Come risultato della scoperta dei protoni, alcuni fisici hanno ipotizzato che le nuove particelle non siano solo parte dei nuclei degli atomi, ma siano i suoi unici elementi possibili. Tuttavia, poiché il rapporto tra la carica del nucleo e la sua massa non rimane costante per nuclei diversi, come sarebbe se i nuclei includessero solo protoni, questa ipotesi è stata riconosciuta come insostenibile. Per i nuclei più pesanti, questo rapporto risulta essere minore rispetto a quelli leggeri, da cui ne consegue che passando ai nuclei più pesanti, la massa del nucleo aumenta più velocemente della carica.

Nel 1920 E. Rutherford avanzò un'ipotesi sulla presenza nella composizione dei nuclei di una certa coppia compatta rigidamente legata costituita da un elettrone e un protone. Secondo lo scienziato, questo fascio era una formazione elettricamente neutra come una particella con una massa praticamente equivalente alla massa di un protone. Ha anche inventato un nome per questa ipotetica particella, Rutherford voleva chiamarla neutrone. Sfortunatamente, questa idea, nonostante la sua bellezza, era errata. Si è scoperto che un elettrone non può far parte di un nucleo. Un calcolo quantomeccanico basato sulla relazione di incertezza mostra che un elettrone localizzato nel nucleo, cioè una regione di dimensione R ≈ 10 - 13 cm, deve avere un'incredibile energia cinetica, che è molti ordini di grandezza maggiore dell'energia di legame dei nuclei per particella.

L'idea dell'esistenza di una particella pesante con carica neutra nel nucleo era estremamente attraente per Rutherford. Lo scienziato si rivolse immediatamente a un gruppo di suoi studenti, guidati da J. Chadwick, con la proposta di cercarla. Dopo 12 anni, nel 1932 Chadwick trascorse studio pilota radiazione che si forma in condizioni di irradiazione del berillio con particelle α. Nel processo, ha scoperto che questa radiazione è un flusso di particelle neutre con una massa quasi equivalente a quella di un protone. Così è stato scoperto il neutrone. Figura 6. 5. 2 illustra un diagramma semplificato di una configurazione per rilevare i neutroni.

Figura 6. 5. 2. Schema di installazione per il rilevamento di neutroni.

Nel processo di bombardamento del berillio con particelle α emesse dal polonio radioattivo, appare una potente radiazione penetrante, in grado di attraversare un ostacolo sotto forma di uno strato di piombo di 10-20 cm. Questa radiazione è stata scoperta quasi contemporaneamente a Chadwick, la figlia di Marie e Pierre Curie, Irene e Frederic Joliot-Curie, ma hanno suggerito che si trattasse di raggi γ di alta energia. Hanno notato che se una piastra di paraffina viene installata nel percorso della radiazione di berillio, la capacità ionizzante di questa radiazione aumenta bruscamente. La coppia ha dimostrato che le radiazioni al berillio eliminano la paraffina in gran numero i protoni presenti nella data sostanza contenente idrogeno. Utilizzando il valore del percorso libero medio dei protoni nell'aria, gli scienziati hanno stimato l'energia dei quanti γ, che hanno la capacità di impartire la velocità desiderata ai protoni in condizioni di collisione. Il valore energetico ottenuto a seguito della valutazione si è rivelato enorme - circa 50 MeV.

Nel 1932 J. Chadwick condusse tutta una serie di esperimenti volti a uno studio completo delle proprietà della radiazione che si forma quando il berillio viene irradiato con particelle α. Nei suoi esperimenti, Chadwick ha utilizzato vari metodi per studiare le radiazioni ionizzanti.

Definizione 3

Figura 6. 5. 2 illustrato contatore Geiger, uno strumento utilizzato per rilevare le particelle cariche.

Questo dispositivo è costituito da un tubo di vetro rivestito internamente da uno strato metallico (catodo) e da un filo sottile che corre lungo l'asse del tubo (anodo). Il tubo viene riempito con un gas inerte, solitamente argon, a bassa pressione. Una particella carica nel processo di movimento in un gas provoca la ionizzazione delle molecole.

Definizione 4

Gli elettroni liberi risultanti dalla ionizzazione sono accelerati campo elettrico tra anodo e catodo alle energie alle quali inizia il fenomeno della ionizzazione per impatto. Appare una valanga di ioni e un breve impulso di corrente di scarica passa attraverso il contatore.

Definizione 5

Un altro strumento di grande importanza per lo studio delle particelle è il camera a nebbia, in cui una particella a carica veloce lascia una traccia o, come viene anche chiamata, una traccia.

La traiettoria delle particelle può essere fotografata o osservata direttamente. La base del funzionamento della camera a nebbia creata nel 1912 è il fenomeno della condensazione del vapore sovrasaturato sugli ioni che si formano nel volume di lavoro della camera lungo la traiettoria di una particella carica. Utilizzando una camera a nebbia, diventa possibile osservare la curvatura della traiettoria di una particella carica nei campi elettrici e magnetici.

Prova 1

Nei suoi esperimenti, J. Chadwick ha osservato tracce di nuclei di azoto che si erano scontrati con la radiazione di berillio in una camera a nebbia. Sulla base di questi esperimenti, lo scienziato ha stimato l'energia del γ-quantum, che è in grado di informare i nuclei di azoto della velocità osservata nell'esperimento. Il valore ottenuto era 100 - 150 MeV I γ-quanta emessi dal berillio non potevano avere un'energia così grande. Procedendo da questo fatto, Chadwick ha concluso che dal berillio, sotto l'influenza di particelle α, non volano fuori quanti γ senza massa, ma particelle piuttosto pesanti. Queste particelle possedevano un notevole potere di penetrazione e non ionizzavano direttamente il gas nel contatore Geiger, di conseguenza erano elettricamente neutre. Fu così provata l'esistenza del neutrone, la particella prevista da Rutherford più di 10 anni prima degli esperimenti di Chadwick.

Definizione 6

Neutroneè una particella elementare. La sua rappresentazione come una coppia compatta protone-elettrone, come inizialmente ipotizzato da Rutherford, sarà erronea.

Sulla base dei risultati delle misurazioni moderne, possiamo dire che la massa del neutrone m n = 1,67493 10 - 27 kg g = 1,008665 a.u. mangiare.

In unità di energia, la massa di un neutrone è equivalente a 939,56563 MeV La massa di un neutrone è di circa due masse di elettroni maggiore della massa di un protone.

Subito dopo la scoperta del neutrone, lo scienziato russo D. D. Ivanenko, insieme al fisico tedesco W. Heisenberg, ha avanzato un'ipotesi sulla struttura protone-neutrone dei nuclei atomici, che è stata pienamente confermata da studi successivi.

Definizione 7

Si chiamano protoni e neutroni nucleoni.

Vengono introdotte numerose notazioni per caratterizzare i nuclei atomici.

Definizione 8

Il numero di protoni che compongono il nucleo atomico è indicato dal simbolo Z ed è chiamato numero di addebito o numero atomico(questo è il numero di serie in tavola periodica Mendeleev).

La carica nucleare è Z e , dove e è la carica elementare. Il numero di neutroni è indicato dal simbolo N.

Definizione 9

Il numero totale di nucleoni (cioè protoni e neutroni) è chiamato numero di massa nucleare A:

Definizione del concetto di isotopo

I nuclei degli elementi chimici sono indicati dal simbolo X Z A , dove X è il simbolo chimico dell'elemento. Per esempio,
H 1 1 - idrogeno, He 2 4 - elio, C 6 12 - carbonio, O 8 16 - ossigeno, U 92 238 - uranio.

Definizione 10

Il numero di neutroni nei nuclei dello stesso elemento chimico potrebbe essere diverso. Tali nuclei sono chiamati isotopi.

La maggior parte degli elementi chimici ha diversi isotopi. Ad esempio, l'idrogeno ne ha tre: H 1 1 - idrogeno ordinario, H 1 2 - deuterio e H 1 3 - trizio. Il carbonio ha 6 isotopi, l'ossigeno ne ha 3.

Elementi chimici in condizioni naturali il più delle volte sono una miscela di isotopi. L'esistenza degli isotopi determina il valore della massa atomica di un elemento naturale nel sistema periodico di Mendeleev. Quindi, per esempio, relativo massa atomica carbonio naturale è uguale a 12.011.

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Il nucleo atomico è divisibile? E se sì, da quali particelle è costituito? Molti fisici hanno cercato di rispondere a questa domanda.

Nel 1909, il fisico britannico Ernest Rutherford, insieme al fisico tedesco Hans Geiger e al fisico neozelandese Ernst Marsden, condusse il suo famoso esperimento sulla dispersione delle particelle α, che portò alla conclusione che l'atomo non è una particella indivisibile a Tutto. È costituito da un nucleo caricato positivamente e da elettroni che ruotano attorno ad esso. Inoltre, nonostante la dimensione del nucleo sia circa 10.000 volte inferiore alla dimensione dell'atomo stesso, in esso è concentrato il 99,9% della massa dell'atomo.

Ma qual è il nucleo di un atomo? Quali particelle ci sono? Ora sappiamo che il nucleo di ogni elemento è costituito da protoni e neutroni, il cui nome comune è nucleoni. E all'inizio del 20° secolo, dopo la comparsa del modello planetario, o nucleare, dell'atomo, questo era un mistero per molti scienziati. Diverse ipotesi sono state avanzate e diversi modelli sono stati proposti. Ma la risposta corretta a questa domanda è stata data ancora una volta da Rutherford.

Scoperta del protone

L'esperienza di Rutherford

Il nucleo di un atomo di idrogeno è un atomo di idrogeno da cui è stato rimosso il suo singolo elettrone.

Nel 1913 erano state calcolate la massa e la carica del nucleo dell'atomo di idrogeno. Inoltre, si è saputo che la massa di un atomo di qualsiasi elemento chimico è sempre divisa senza resto per la massa di un atomo di idrogeno. Questo fatto ha portato Rutherford all'idea che i nuclei degli atomi di idrogeno entrino in qualsiasi nucleo. E riuscì a dimostrarlo sperimentalmente nel 1919.

Nel suo esperimento, Rutherford ha posizionato una sorgente di particelle α in una camera in cui è stato creato il vuoto. Lo spessore della lamina che ricopre la finestra della camera era tale che le particelle α non potevano fuoriuscire. Fuori dalla finestra della camera c'era uno schermo rivestito di solfuro di zinco.

Quando la camera è stata riempita di azoto, sullo schermo sono stati registrati lampi di luce. Ciò significava che, sotto l'influenza delle particelle α, alcune nuove particelle venivano eliminate dall'azoto, che penetrava facilmente nella lamina, che era impenetrabile per le particelle α. Si è scoperto che le particelle sconosciute hanno una carica positiva uguale in grandezza alla carica di un elettrone e la loro massa è uguale alla massa del nucleo di un atomo di idrogeno. Rutherford ha chiamato queste particelle protoni.

Ma divenne presto chiaro che i nuclei degli atomi non sono costituiti solo da protoni. Dopotutto, se così fosse, allora la massa di un atomo sarebbe uguale alla somma delle masse dei protoni nel nucleo e il rapporto tra la carica del nucleo e la massa sarebbe un valore costante. In effetti, questo è vero solo per l'atomo di idrogeno più semplice. Negli atomi di altri elementi, tutto è diverso. Ad esempio, nel nucleo di un atomo di berillio, la somma delle masse dei protoni è 4 unità e la massa del nucleo stesso è 9 unità. Ciò significa che in questo nucleo ci sono altre particelle che hanno una massa di 5 unità, ma non hanno carica.

Scoperta del neutrone

Nel 1930, il fisico tedesco Walter Bothe Bothe e Hans Becker scoprirono durante un esperimento che la radiazione derivante dal bombardamento di atomi di berillio con particelle α ha un enorme potere di penetrazione. Dopo 2 anni, il fisico inglese James Chadwick, uno studente di Rutherford, scoprì che anche una lastra di piombo spessa 20 cm posta nel percorso di questa radiazione sconosciuta non la indebolisce né la amplifica. Si è scoperto che il campo elettromagnetico non ha alcun effetto sulle particelle emesse. Ciò significava che non avevano alcun addebito. Così è stata scoperta un'altra particella, che fa parte del nucleo. L'hanno chiamata neutrone. La massa del neutrone si è rivelata essere uguale alla massa protone.

Teoria protone-neutrone del nucleo

Dopo la scoperta sperimentale del neutrone, lo scienziato russo D. D. Ivanenko e il fisico tedesco W. Heisenberg hanno proposto indipendentemente la teoria protone-neutrone del nucleo, che ha dato motivazione scientifica composizione del nucleo. Secondo questa teoria, il nucleo di qualsiasi elemento chimico è costituito da protoni e neutroni. Il loro nome comune è nucleoni.

Il numero totale di nucleoni nel nucleo è indicato dalla lettera UN. Se il numero di protoni nel nucleo è indicato dalla lettera Z, e il numero di neutroni per lettera N, quindi otteniamo l'espressione:

A=Z+N

Questa equazione è chiamata Equazione di Ivanenko-Heisenberg.

Poiché la carica del nucleo di un atomo è uguale al numero di protoni in esso contenuti, allora Z chiamato anche numero di addebito. Il numero di carica, o numero atomico, coincide con il suo numero di serie nel sistema periodico di elementi di Mendeleev.

In natura ci sono degli elementi Proprietà chimiche che sono esattamente gli stessi, ma i numeri di massa sono diversi. Tali elementi sono chiamati isotopi. Gli isotopi hanno lo stesso numero di protoni e importo diverso neutroni.

Ad esempio, l'idrogeno ha tre isotopi. Tutti hanno un numero di serie uguale a 1 e il numero di neutroni nel nucleo è diverso per loro. Quindi, l'isotopo più semplice dell'idrogeno, il protio, ha un numero di massa di 1, nel nucleo c'è 1 protone e non un singolo neutrone. È l'elemento chimico più semplice.

Una caratteristica della contaminazione radioattiva, in contrasto con la contaminazione da altri inquinanti, è che non è il radionuclide (inquinante) stesso ad avere un effetto dannoso sull'uomo e sugli oggetti ambientali, ma la radiazione, la cui fonte è.

Tuttavia, ci sono casi in cui un radionuclide è un elemento tossico. Ad esempio, dopo l'incidente alla centrale nucleare di Chernobyl ambiente plutonio 239, 242 Pu sono stati espulsi con particelle di combustibile nucleare. Oltre al fatto che il plutonio è un emettitore alfa e rappresenta un pericolo significativo quando entra nel corpo, il plutonio stesso è un elemento tossico.

Per questo motivo vengono utilizzati due gruppi di indicatori quantitativi: 1) per valutare il contenuto di radionuclidi e 2) per valutare l'effetto delle radiazioni su un oggetto.
Attività- una misura quantitativa del contenuto di radionuclidi nell'oggetto analizzato. L'attività è determinata dal numero di decadimenti radioattivi degli atomi per unità di tempo. L'unità SI di attività è il Becquerel (Bq) pari a una disintegrazione al secondo (1Bq = 1 decadimento/s). A volte viene utilizzata un'unità di misurazione dell'attività fuori sistema: Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Dose di radiazioniè una misura quantitativa dell'impatto della radiazione su un oggetto.
Per il fatto che l'impatto delle radiazioni su un oggetto può essere valutato a diversi livelli: fisico, chimico, biologico; a livello di singole molecole, cellule, tessuti o organismi, ecc., vengono utilizzati diversi tipi di dosi: assorbita, equivalente effettivo, esposizione.

Per valutare la variazione della dose di radiazioni nel tempo, viene utilizzato l'indicatore "tasso di dose". Tasso di doseè il rapporto tra dose e tempo. Ad esempio, il tasso di dose dell'esposizione esterna da fonti naturali di radiazioni in Russia è di 4-20 μR/h.

Lo standard principale per l'uomo - il limite di dose principale (1 mSv / anno) - è introdotto in unità della dose equivalente efficace. Esistono standard in unità di attività, livelli di inquinamento del suolo, VDU, GWP, SanPiN, ecc.

La struttura del nucleo atomico.

Un atomo è la particella più piccola di un elemento chimico che conserva tutte le sue proprietà. La struttura di un atomo è sistema complesso, costituito da un nucleo caricato positivamente di dimensioni molto piccole (10 -13 cm) situato al centro dell'atomo ed elettroni caricati negativamente che ruotano attorno al nucleo in varie orbite. La carica negativa degli elettroni è uguale alla carica positiva del nucleo, mentre in genere risulta essere elettricamente neutra.

I nuclei atomici sono costituiti da nucleoni - protoni nucleari ( Z- numero di protoni) e neutroni nucleari (N è il numero di neutroni). I protoni e i neutroni "nucleari" differiscono dalle particelle allo stato libero. Ad esempio, un neutrone libero, a differenza di quello legato in un nucleo, è instabile e si trasforma in un protone e in un elettrone.

Il numero di nucleoni Am (numero di massa) è la somma dei numeri di protoni e neutroni: Am = Z+N.

protone - particella elementare di qualsiasi atomo, ha una carica positiva uguale alla carica di un elettrone. Il numero di elettroni nel guscio di un atomo è determinato dal numero di protoni nel nucleo.

Neutrone - un altro tipo di particelle nucleari di tutti gli elementi. È assente solo nel nucleo dell'idrogeno leggero, che consiste in un protone. Non ha carica ed è elettricamente neutro. Nel nucleo atomico i neutroni sono stabili, mentre nello stato libero sono instabili. Il numero di neutroni nei nuclei degli atomi dello stesso elemento può fluttuare, quindi il numero di neutroni nel nucleo non caratterizza l'elemento.

I nucleoni (protoni + neutroni) sono trattenuti all'interno del nucleo atomico dalle forze nucleari di attrazione. Le forze nucleari sono 100 volte più forti delle forze elettromagnetiche e quindi mantengono i protoni con una carica simile all'interno del nucleo. Le forze nucleari si manifestano solo a distanze molto piccole (10 -13 cm), lo sono energia potenziale il legame del nucleo, che si libera parzialmente durante alcune trasformazioni, passa in energia cinetica.

Per gli atomi che differiscono nella composizione del nucleo, viene utilizzato il nome "nuclidi" e per gli atomi radioattivi - "radionuclidi".

Nuclidi chiamare atomi o nuclei con un dato numero di nucleoni e una data carica del nucleo (designazione del nuclide A X).

Si chiamano nuclidi aventi lo stesso numero di nucleoni (Am = const). isobare. Ad esempio, i nuclidi 96 Sr, 96 Y, 96 Zr appartengono ad una serie di isobare con numero di nucleoni Am = 96.

Nuclidi che hanno lo stesso numero di protoni (Z= const) sono chiamati isotopi. Differiscono solo per il numero di neutroni, quindi appartengono allo stesso elemento: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

isotopi- nuclidi con lo stesso numero di neutroni (N = Am -Z = const). Nuclidi: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca appartengono alla serie degli isotopi con 20 neutroni.

Gli isotopi sono generalmente indicati come Z X M, dove X è il simbolo di un elemento chimico; M è il numero di massa uguale alla somma del numero di protoni e neutroni nel nucleo; Z è il numero atomico o carica del nucleo, uguale al numero protoni nel nucleo. Poiché ogni elemento chimico ha un proprio numero atomico costante, di solito viene omesso e limitato a scrivere solo il numero di massa, ad esempio: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr, ecc.

Gli atomi del nucleo che hanno gli stessi numeri di massa, ma cariche diverse e, di conseguenza, proprietà diverse sono chiamati "isobar", ad esempio, uno degli isotopi del fosforo ha un numero di massa di 32 - 15 Р 32, uno degli isotopi dello zolfo ha lo stesso numero di massa - 16 S 32 .

I nuclidi possono essere stabili (se i loro nuclei sono stabili e non decadono) o instabili (se i loro nuclei sono instabili e subiscono cambiamenti che alla fine aumentano la stabilità del nucleo). Si chiamano nuclei atomici instabili che possono decadere spontaneamente radionuclidi. Viene chiamato il fenomeno del decadimento spontaneo del nucleo di un atomo, accompagnato dall'emissione di particelle e (o) radiazione elettromagnetica radioattività.

Come risultato del decadimento radioattivo, possono formarsi sia un isotopo stabile che uno radioattivo, che a loro volta si decompongono spontaneamente. Si chiamano tali catene di elementi radioattivi collegati da una serie di trasformazioni nucleari famiglie radioattive.

Attualmente, la IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ha ufficialmente nominato 109 elementi chimici. Di questi, solo 81 hanno isotopi stabili, il più pesante dei quali è il bismuto. (Z= 83). Per i restanti 28 elementi sono noti solo isotopi radioattivi, con uranio (u~ 92) è l'elemento più pesante che si trova in natura. Il più grande dei nuclidi naturali ha 238 nucleoni. In totale, è stata ora dimostrata l'esistenza di circa 1700 nuclidi di questi 109 elementi, con il numero di isotopi noti per i singoli elementi che varia da 3 (per l'idrogeno) a 29 (per il platino).

Composizione e caratteristiche del nucleo atomico.

Il nucleo dell'atomo più semplice - l'atomo di idrogeno - è costituito da una particella elementare chiamata protone. I nuclei di tutti gli altri atomi sono costituiti da due tipi di particelle elementari: protoni e neutroni. Queste particelle sono chiamate nucleoni.

Protone . Protono (p) ha carica +e e massa

m p = 938,28 MeV

Per confronto, indichiamo che la massa di un elettrone è uguale a

me = 0,511 MeV

Segue dal confronto che m p = 1836m e

Il protone ha uno spin pari alla metà (s= ) e un proprio momento magnetico

Un'unità di momento magnetico chiamata magnetone nucleare. Da un confronto delle masse di protoni ed elettroni, ne consegue che μ i è 1836 volte più piccolo del magnetone di Bohr μ b. Di conseguenza, il momento magnetico intrinseco del protone è circa 660 volte inferiore al momento magnetico dell'elettrone.

Neutrone . Il neutrone (n) fu scoperto nel 1932 da un fisico inglese

D. Chadwick. La carica elettrica di questa particella è zero e la massa

mn = 939,57 MeV

molto vicino alla massa del protone. Differenza di massa di neutroni e protoni (m n –m p)

è 1,3 MeV, cioè 2,5 io.

Il neutrone ha uno spin pari alla metà (s= ) e (nonostante l'assenza di carica elettrica) un proprio momento magnetico

μ n = - 1,91 μ io

(il segno meno indica che le direzioni dei momenti meccanici e magnetici intrinseci sono opposte). Una spiegazione di questo fatto sorprendente sarà data più avanti.

Si noti che il rapporto tra i valori sperimentali di μ p e μ n con un alto grado di precisione è pari a - 3/2. Questo è stato notato solo dopo che tale valore era stato ottenuto teoricamente.

Allo stato libero, il neutrone è instabile (radioattivo) - decade spontaneamente, trasformandosi in un protone ed emettendo un elettrone (e -) e un'altra particella chiamata antineutrino
. L'emivita (cioè il tempo necessario affinché la metà del numero originale di neutroni decada) è di circa 12 minuti. Lo schema di decadimento può essere scritto come segue:

La massa a riposo dell'antineutrino è zero. La massa di un neutrone è maggiore della massa di un protone di 2,5 m e . Di conseguenza, la massa del neutrone supera di 1,5 m e la massa totale delle particelle che appaiono sul lato destro dell'equazione, cioè di 0,77 MeV. Questa energia viene rilasciata durante il decadimento di un neutrone sotto forma di energia cinetica delle particelle risultanti.

Caratteristiche del nucleo atomico . Una delle caratteristiche più importanti del nucleo atomico è il numero di carica Z. È uguale al numero di protoni che compongono il nucleo, e ne determina la carica, che è uguale a +Z e . Il numero Z determina il numero ordinale di un elemento chimico nella tavola periodica di Mendeleev. Pertanto, è anche chiamato numero atomico del nucleo.

Il numero di nucleoni (cioè il numero totale di protoni e neutroni) nel nucleo è indicato dalla lettera A ed è chiamato numero di massa del nucleo. Il numero di neutroni nel nucleo è N=A–Z.

Il simbolo utilizzato per designare i nuclei

dove X è il simbolo chimico dell'elemento. In alto a sinistra c'è il numero di massa, in basso a sinistra c'è il numero atomico (l'ultima icona è spesso omessa). A volte il numero di massa è scritto non a sinistra, ma a destra del simbolo dell'elemento chimico

Si chiamano nuclei aventi la stessa Z ma A differente isotopi. La maggior parte degli elementi chimici ha diversi isotopi stabili. Ad esempio, l'ossigeno ha tre isotopi stabili:

, lo stagno ne ha dieci e così via.

L'idrogeno ha tre isotopi:

- idrogeno ordinario, o protio (Z=1, N=0),

- idrogeno pesante, o deuterio (Z=1, N=1),

– trizio (Z=1, N=2).

Il prozio e il deuterio sono stabili, il trizio è radioattivo.

Si chiamano nuclei con lo stesso numero di massa A isobare. Un esempio è
e
. Si chiamano nuclei con lo stesso numero di neutroni N = A – Z isotoni (
,
Infine, ci sono nuclei radioattivi con la stessa Z e A, che differiscono per l'emivita. Sono chiamati isomeri. Ad esempio, ci sono due isomeri del nucleo
, uno di loro ha un'emivita di 18 minuti, l'altro - 4,4 ore.

Sono noti circa 1500 nuclei, che differiscono per Z, o A, o entrambi. Circa 1/5 di questi nuclei sono stabili, il resto è radioattivo. Molti nuclei sono stati ottenuti artificialmente usando reazioni nucleari.

In natura si trovano elementi con numero atomico Z da 1 a 92, escluso il tecnezio (Tc, Z = 43) e il promezio (Pm, Z = 61). Il plutonio (Pu, Z = 94), dopo essere stato ottenuto artificialmente, è stato trovato in quantità trascurabili in una miscela minerale naturale - resina. Il resto degli elementi di transuranio (cioè transuranio) (cZ da 93 a 107) sono stati ottenuti artificialmente attraverso varie reazioni nucleari.

Gli elementi transuranici curium (96 Cm), einsteinium (99 Es), fermium (100 Fm) e mendelevio (101 Md) sono stati chiamati in onore di eminenti scienziati II. e M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi e D.I. Mendeleev. Lawrencium (103 Lw) prende il nome dall'inventore del ciclotrone, E. Lawrence. Kurchatovy (104 Ku) ha preso il nome in onore dell'eccezionale fisico I.V. Kurcatov.

Alcuni elementi di transuranio, tra cui il kurchatovium e gli elementi numerati 106 e 107, sono stati ottenuti dallo scienziato presso il Laboratorio di reazioni nucleari del Joint Institute for Nuclear Research di Dubna

NN Flerov e il suo staff.

Dimensioni del nucleo . In prima approssimazione, il nucleo può essere considerato una sfera il cui raggio è determinato in modo abbastanza preciso dalla formula

(fermi è il nome dell'unità di lunghezza usata in fisica nucleare, pari a

10-13 cm). Dalla formula segue che il volume del nucleo è proporzionale al numero di nucleoni nel nucleo. Pertanto, la densità della materia in tutti i nuclei è approssimativamente la stessa.

Rotazione del nucleo . Gli spin dei nucleoni si sommano allo spin risultante del nucleo. Lo spin del nucleone è 1/2. Pertanto, il numero quantico dello spin nucleare sarà mezzo intero per un numero dispari di nucleoni A e intero o zero per un A pari. Gli spin dei nuclei J non superano alcune unità. Ciò indica che gli spin della maggior parte dei nucleoni nel nucleo si annullano a vicenda, essendo antiparalleli. Tutti i nuclei pari-pari (cioè un nucleo con un numero pari di protoni e un numero pari di neutroni) hanno spin zero.

Il momento meccanico del nucleo MJ viene sommato al momento del guscio dell'elettrone
nel momento angolare totale dell'atomo M F , che è determinato dal numero quantico F.

L'interazione dei momenti magnetici degli elettroni e del nucleo porta al fatto che gli stati dell'atomo corrispondono a differenti orientamenti reciproci M J e
(cioè F diverso) hanno energie leggermente diverse. L'interazione dei momenti μ L e μ S determina la struttura fine degli spettri. Interazioneμ J e viene determinata la struttura iperfine degli spettri atomici. La divisione delle righe spettrali corrispondenti alla struttura iperfine è così piccola (dell'ordine di pochi centesimi di angstrom) che può essere osservata solo con strumenti di altissimo potere risolutivo.

Un atomo è costituito da un nucleo caricato positivamente e da elettroni circostanti. I nuclei atomici hanno dimensioni di circa 10 -14 ... 10 -15 m (le dimensioni lineari di un atomo sono 10 -10 m).

nucleo atomicoè formato da particelle elementari protoni e neutroni. Il modello protone-neutrone del nucleo è stato proposto dal fisico russo D. D. Ivanenko e successivamente sviluppato da V. Heisenberg.

protone ( R) ha una carica positiva uguale a quella di un elettrone e una massa a riposo t p = 1.6726∙10 -27 kg 1836 m e, dove m eè la massa dell'elettrone. Neutrone ( n)-particella neutra con massa a riposo m n= 1.6749∙10 -27 kg 1839t e ,. La massa di protoni e neutroni è spesso espressa in altre unità - in unità di massa atomica (a.m.u., un'unità di massa pari a 1/12 della massa di un atomo di carbonio
). Le masse del protone e del neutrone sono approssimativamente uguali a un'unità di massa atomica. Si chiamano protoni e neutroni nucleoni(dal lat. nucleo-kernel). Il numero totale di nucleoni in un nucleo atomico è chiamato numero di massa MA).

I raggi dei nuclei aumentano con l'aumentare del numero di massa secondo la relazione R= 1,4MA 1/3 10 -13 cm.

Gli esperimenti mostrano che i nuclei non hanno confini netti. C'è una certa densità di materia nucleare al centro del nucleo e diminuisce gradualmente fino a zero con l'aumentare della distanza dal centro. A causa della mancanza di un confine ben definito del nucleo, il suo "raggio" è definito come la distanza dal centro alla quale la densità della materia nucleare è dimezzata. La distribuzione media della densità della materia per la maggior parte dei nuclei risulta essere non solo sferica. La maggior parte dei nuclei è deformata. Spesso i nuclei hanno la forma di ellissoidi allungati o appiattiti.

Il nucleo atomico è caratterizzato caricareZe, dove Znumero di addebito nucleo, pari al numero di protoni nel nucleo e coincidente con il numero di serie dell'elemento chimico nel sistema periodico di elementi di Mendeleev.

Il nucleo è indicato con lo stesso simbolo dell'atomo neutro:
, dove X- simbolo di un elemento chimico, Z numero atomico (numero di protoni nel nucleo), MA- numero di massa (numero di nucleoni nel nucleo). Numero di Massa MA approssimativamente uguale alla massa del nucleo in unità di massa atomica.

Poiché l'atomo è neutro, la carica del nucleo Z determina il numero di elettroni in un atomo. Il numero di elettroni dipende dalla distribuzione negli stati dell'atomo. La carica del nucleo determina le specifiche di un dato elemento chimico, cioè determina il numero di elettroni in un atomo, la configurazione dei loro gusci di elettroni, l'ampiezza e la natura del campo elettrico intraatomico.

Nuclei con gli stessi numeri di carica Z, ma con numeri di massa diversi MA(cioè con diverso numero di neutroni N=A-Z) sono chiamati isotopi e nuclei con lo stesso MA, ma diverso Z- isobare. Ad esempio, l'idrogeno ( Z= l) ha tre isotopi: H - prozio ( Z=l, N= 0), H - deuterio ( Z=l, N= 1), H - trizio ( Z=l, N\u003d 2), stagno - dieci isotopi, ecc. Nella stragrande maggioranza dei casi, gli isotopi dello stesso elemento chimico hanno le stesse proprietà chimiche e quasi le stesse fisiche.

e, MeV

Livelli energetici

e transizioni osservate per il nucleo dell'atomo di boro

La teoria quantistica limita rigorosamente i valori energetici che possono avere le parti costituenti dei nuclei. Gli insiemi di protoni e neutroni nei nuclei possono trovarsi solo in determinati stati energetici discreti caratteristici di un dato isotopo.

Quando un elettrone passa da uno stato energetico superiore a uno inferiore, la differenza di energia viene emessa sotto forma di fotone. L'energia di questi fotoni è dell'ordine di diversi elettronvolt. Per i nuclei, le energie di livello sono comprese tra circa 1 e 10 MeV. Durante le transizioni tra questi livelli, vengono emessi fotoni di energie molto elevate (γ-quanta). Per illustrare tali transizioni in Fig. 6.1 mostra i primi cinque livelli di energia del nucleo
.Le linee verticali indicano le transizioni osservate. Ad esempio, un γ-quanto con un'energia di 1,43 MeV viene emesso durante la transizione del nucleo da uno stato con un'energia di 3,58 MeV a uno stato con un'energia di 2,15 MeV.