« Fizyka – klasa 11”

Budowa jądra atomowego. Siły nuklearne

Natychmiast po odkryciu neutronu w eksperymentach Chadwicka Fizyk radziecki D. D. Ivanenko i niemiecki naukowiec W. Heisenberg w 1932 roku zaproponowali model protonowo-neutronowy jądra.
Zostało to potwierdzone przez późniejsze badania przemian jądrowych i jest obecnie powszechnie akceptowane.


Model protonowo-neutronowy jądra


Według modelu protonowo-neutronowego jądra składają się z: cząstki elementarne dwa typy - protony i neutrony.

Ponieważ atom jako całość jest elektrycznie obojętny, a ładunek protonu jest równy modułowi ładunku elektronu, liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów w powłoce atomowej.
Dlatego liczba protonów w jądrze jest równa liczbie atomowej pierwiastka Z w układzie okresowym pierwiastków D.I. Mendelejewa.

Suma liczby protonów Z i liczba neutronów N w jądrze nazywa się Liczba masowa i oznaczone literą A:


A = Z + N


Masy protonu i neutronu są sobie bliskie i każda z nich jest w przybliżeniu równa atomowej jednostce masy.
Masa elektronów w atomie jest znacznie mniejsza niż masa jego jądra.
Dlatego liczba masowa jądra jest równa względnej masie atomowej pierwiastka zaokrąglonej do liczby całkowitej.
Liczby masowe można określić, w przybliżeniu mierząc masę jąder za pomocą niezbyt dokładnych przyrządów.

Izotopy to jądra o tej samej wartości Z, ale o różnych liczbach masowych A, czyli o różnej liczbie neutronów N.


Siły nuklearne


Ponieważ jądra są bardzo stabilne, protony i neutrony muszą być utrzymywane wewnątrz jądra przez pewne siły, i to bardzo silne.
Nie jest siły grawitacyjne które są za słabe.
Stabilności jądra nie można również wytłumaczyć siłami elektromagnetycznymi, ponieważ między podobnie naładowanymi protonami działa odpychanie elektryczne.
Neutrony nie mają ładunku elektrycznego.

Oznacza to, że między cząsteczkami jądrowymi - protonami i neutronami, nazywane są nukleony- są tzw. siły specjalne siły nuklearne.

Jakie są główne właściwości sił nuklearnych? Siły jądrowe są około 100 razy większe niż siły elektryczne (kulombowskie).
Takich jest najwięcej potężne siły wszystkich istniejących w przyrodzie.
Dlatego często nazywa się oddziaływania cząstek jądrowych silne interakcje.

Oddziaływania silne przejawiają się nie tylko w oddziaływaniach nukleonów w jądrze.
Jest to szczególny rodzaj interakcji charakterystyczny dla większości cząstek elementarnych, wraz z oddziaływaniami elektromagnetycznymi.

Inną ważną cechą sił nuklearnych jest ich krótki czas trwania.
Siły elektromagnetyczne słabną stosunkowo powoli wraz ze wzrostem odległości.
Siły jądrowe zauważalnie manifestują się dopiero w odległościach równych wielkości jądra (10 -12 -10 -13 cm), co wykazały już eksperymenty Rutherforda dotyczące rozpraszania cząstek α ​​przez jądra atomowe.
Nie opracowano jeszcze pełnej ilościowej teorii sił jądrowych.
Znaczący postęp w jego rozwoju nastąpił całkiem niedawno – w ciągu ostatnich 10-15 lat.

Jądra atomów składają się z protonów i neutronów. Cząstki te są utrzymywane w jądrze przez siły jądrowe.

Izotopy

Doprowadziło do badania zjawiska radioaktywności ważne odkrycie: wyjaśniono naturę jąder atomowych.

W wyniku obserwacji ogromnej liczby przemian promieniotwórczych stopniowo odkryto, że istnieją substancje, które mają identyczne właściwości chemiczne, ale mają zupełnie inne właściwości radioaktywne (to znaczy inaczej się rozpadają).
Nie dało się ich rozdzielić żadną ze znanych metod chemicznych.
Na tej podstawie Soddy w 1911 roku zasugerował możliwość istnienia pierwiastków o takich samych właściwościach chemicznych, ale różniących się w szczególności radioaktywnością.
Elementy te muszą być umieszczone w tej samej komórce układ okresowy DI Mendelejew.
Soddy do nich zadzwonił izotopy(tj. zajmowanie tych samych miejsc).

Założenie Soddy'ego zostało znakomicie potwierdzone i dogłębnie zinterpretowane rok później, kiedy J. J. Thomson dokonał precyzyjnych pomiarów masy jonów neonowych, odchylając je w polach elektrycznych i magnetycznych.
Odkrył, że neon jest mieszaniną dwóch rodzajów atomów.
Większość z nich ma masę względną 20.
Istnieje jednak niewielki ułamek atomów o względnej masie atomowej wynoszącej 22.
W rezultacie przyjęto, że względna masa atomowa mieszaniny wynosi 20,2.
Atomy o tych samych właściwościach chemicznych różnią się masą.

Obydwa typy atomów neonowych zajmują oczywiście to samo miejsce w tabeli D.I. Mendelejewa i dlatego są izotopami.
Zatem izotopy mogą różnić się nie tylko właściwościami radioaktywnymi, ale także masą.
Dlatego izotopy mają takie same ładunki jąder atomowych, co oznacza liczbę elektronów w powłokach atomowych, a co za tym idzie, Właściwości chemiczne izotopy są takie same.
Ale masy jąder są różne.
Co więcej, jądra mogą być zarówno radioaktywne, jak i stabilne.
Różnica we właściwościach izotopów promieniotwórczych wynika z faktu, że ich jądra mają różne masy.

Ustalono obecnie istnienie izotopów większości pierwiastków chemicznych.
Niektóre pierwiastki mają tylko niestabilne (tj. radioaktywne) izotopy.
Najcięższy pierwiastek występujący w przyrodzie - uran (względne masy atomowe 238, 235 itd.) i najlżejszy - wodór (względne masy atomowe 1, 2, 3) mają izotopy.

Izotopy wodoru są szczególnie interesujące, ponieważ różnią się masą 2 i 3 razy.
Nazywa się izotop o względnej masie atomowej 2 deuter.
Jest stabilny (tj. nie jest radioaktywny) i pojawia się jako małe zanieczyszczenie (1:4500) w zwykłym wodorze.
Kiedy deuter łączy się z tlenem, powstaje tzw. ciężka woda.
Jej właściwości fizyczne zauważalnie różnią się od właściwości zwykłej wody.
Pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym wrze w temperaturze 101,2 ° C i zamarza w temperaturze 3,8 ° C.

Nazywa się izotop wodoru o masie atomowej 3 tryt.
Jest β-radioaktywny i ma okres półtrwania około 12 lat.

Istnienie izotopów dowodzi, że ładunek jądra atomowego nie determinuje wszystkich właściwości atomu, a jedynie jego właściwości chemiczne oraz te właściwości fizyczne, które zależą od obwodu powłoka elektronowa na przykład wielkość atomu.
Masy atomu i jego właściwości radioaktywnych nie określa numer seryjny w tabeli D.I. Mendelejewa.

Warto zauważyć, że przy dokładnym pomiarze względnych mas atomowych izotopów okazało się, że są one zbliżone do liczb całkowitych.
Ale masy atomowe pierwiastków chemicznych czasami znacznie różnią się od liczb całkowitych.
Zatem względna masa atomowa chloru wynosi 35,5.
Oznacza to, że w stanie naturalnym substancja chemicznie czysta jest mieszaniną izotopów w różnych proporcjach.
(Przybliżona) integralność względnych mas atomowych izotopów jest bardzo ważna dla wyjaśnienia struktury jądra atomowego.

Większość pierwiastków chemicznych ma izotopy.
Ładunki jąder atomowych izotopów są takie same, ale masy jąder są różne.

W koniec XIX- na początku XX wieku fizycy udowodnili, że atom jest cząstką złożoną i składa się z prostszych (elementarnych) cząstek. Odkryto:


· promienie katodowe (angielski fizyk J. J. Thomson, 1897), których cząstki nazywane są elektronami e - (przenoszą pojedynczy ładunek ujemny);


· promieniotwórczość naturalna pierwiastków (naukowcy francuscy - radiochemicy A. Becquerel i M. Skłodowska-Curie, fizyk Pierre Curie, 1896) i istnienie cząstek α ​​(jądra helu 4 He 2 +);


· obecność dodatnio naładowanego jądra w centrum atomu (angielski fizyk i radiochemik E. Rutherford, 1911);


· sztuczna przemiana jednego pierwiastka w drugi, np. azot w tlen (E. Rutherford, 1919). Z jądra atomu jednego pierwiastka (azotu - w doświadczeniu Rutherforda) po zderzeniu z cząstką α powstało jądro atomu innego pierwiastka (tlenu) oraz nowa cząstka, niosąca jednostkowy ładunek dodatni i zwana proton (p +, jądro 1H)


· obecność w jądrze atomu cząstek elektrycznie obojętnych – neutronów n 0 (Angielski fizyk J. Chadwick, 1932). W wyniku badań stwierdzono, że atom każdego pierwiastka (z wyjątkiem 1H) zawiera protony, neutrony i elektrony, przy czym protony i neutrony są skupione w jądrze atomu, a elektrony na jego obwodzie (w powłoce elektronowej). .


Elektrony są zwykle oznaczane w następujący sposób: e − .


Elektrony e są bardzo lekkie, prawie nieważkie, ale mają ujemny ładunek elektryczny. Jest równa -1. Prąd elektryczny, którego wszyscy używamy, to strumień elektronów płynących w drutach.


Neutrony oznacza się następująco: n 0, a protony następująco: p +.


Neutrony i protony mają prawie identyczną masę.


Liczba protonów w jądrze jest równa liczbie elektronów w powłoce atomu i odpowiada numerowi seryjnemu tego pierwiastka w układzie okresowym.

Jądro atomowe

Centralna część atomu, w której skupia się większość jego masy i której budowa określa pierwiastek chemiczny, do którego należy atom.


Jądro atomowe składa się z nukleonów - dodatnio naładowanych protonów p + i neutralne neutrony n 0, które są ze sobą połączone poprzez silne oddziaływanie. Jądro atomowe, uważane za klasę cząstek o określonej liczbie protonów i neutronów, często nazywane jest nuklidem.


Liczbę protonów w jądrze nazywamy liczbą ładunku Z – liczba ta jest równa liczbie atomowej pierwiastka, do którego należy atom w układzie okresowym.


Liczbę neutronów w jądrze oznaczono literą N, a liczbę protonów literą Z. Liczby te są ze sobą powiązane prostym stosunkiem:


Całkowita liczba nukleonów w jądrze nazywana jest jego liczbą masową A = N + Z i jest w przybliżeniu równa średniej masie atomu pokazanej w układzie okresowym.


Jądra atomowe o tej samej liczbie protonów i różnej liczbie neutronów nazywane są izotopami.


Wiele pierwiastków ma jeden naturalny izotop, na przykład Be, F, Na, Al, P, Mn, Co, I, Au i kilka innych. Ale większość pierwiastków ma dwa lub trzy najbardziej stabilne izotopy.


Na przykład:



Jądra atomowe o tej samej liczbie neutronów, ale różnej liczbie protonów nazywane są izotonami.


Atomy różnych pierwiastków z tym samym masa atomowa-A nazywane są izobarami.

Cechą skażenia radioaktywnego, w odróżnieniu od skażeń innymi substancjami zanieczyszczającymi, jest to, że to nie sam radionuklid (substancja zanieczyszczająca) ma szkodliwy wpływ na ludzi i obiekty środowiska, ale promieniowanie, którego jest źródłem.

Zdarzają się jednak przypadki, gdy radionuklid jest pierwiastkiem toksycznym. Na przykład po wypadku o godz Elektrownia jądrowa w Czarnobylu V środowisko pluton 239, 242 Pu został uwolniony wraz z cząsteczkami paliwa jądrowego. Oprócz tego, że pluton jest emiterem alfa i stwarza poważne zagrożenie w przypadku spożycia, sam pluton jest pierwiastkiem toksycznym.

Z tego powodu stosuje się dwie grupy wskaźników ilościowych: 1) do oceny zawartości radionuklidów oraz 2) do oceny wpływu promieniowania na obiekt.
Działalność- ilościowy pomiar zawartości radionuklidów w analizowanym obiekcie. Aktywność zależy od liczby radioaktywnych rozpadów atomów w jednostce czasu. Jednostką aktywności w SI jest bekerel (Bq) równy jednemu rozpadowi na sekundę (1Bq = 1 rozpadowi/s). Czasami używany jednostka niesystemowa pomiary aktywności - Curie (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Dawka promieniowania- ilościowa miara wpływu promieniowania na obiekt.
Ze względu na to, że wpływ promieniowania na obiekt można oceniać na różnych poziomach: fizycznym, chemicznym, biologicznym; na poziomie pojedynczych cząsteczek, komórek, tkanek czy organizmów itp. stosuje się kilka rodzajów dawek: pochłonięte, efektywne, ekspozycyjne.

Do oceny zmiany dawki promieniowania w czasie wykorzystuje się wskaźnik „mocy dawki”. Dawka jest stosunkiem dawki do czasu. Na przykład moc dawki promieniowania zewnętrznego z naturalnych źródeł promieniowania w Rosji wynosi 4-20 μR/h.

Główny standard dla człowieka – główna dawka graniczna (1 mSv/rok) – wprowadzono w jednostkach efektywnej dawki równoważnej. Istnieją standardy dotyczące jednostek aktywności, poziomów zanieczyszczenia gleby, VDU, GGP, SanPiN itp.

Budowa jądra atomowego.

Atom jest najmniejszą cząstką pierwiastek chemiczny zachowując wszystkie jego właściwości. Zgodnie ze swoją strukturą atom jest skomplikowany system, składający się z dodatnio naładowanego jądra o bardzo małych rozmiarach, umieszczonego w środku atomu (10-13 cm) i ujemnie naładowanych elektronów krążących wokół jądra po różnych orbitach. Ujemny ładunek elektronów jest równy dodatniemu ładunkowi jądra, podczas gdy ogólnie okazuje się, że jest elektrycznie obojętny.

Jądra atomowe zbudowane są z nukleony - protony jądrowe ( Z- liczba protonów) i neutrony jądrowe (N - liczba neutronów). „Jądrowe” protony i neutrony różnią się od cząstek w stanie wolnym. Na przykład wolny neutron, w przeciwieństwie do związanego w jądrze, jest niestabilny i zamienia się w proton i elektron.


Liczba nukleonów Am (liczba masowa) jest sumą liczb protonów i neutronów: Am = Z+ N.

Proton - Cząstka elementarna dowolnego atomu, ma ładunek dodatni równy ładunkowi elektronu. Liczba elektronów w powłoce atomu zależy od liczby protonów w jądrze.

Neutron - inny rodzaj cząstek jądrowych wszystkich pierwiastków. Nie ma go jedynie w jądrze lekkiego wodoru, składającego się z jednego protonu. Nie ma ładunku i jest elektrycznie neutralny. W jądrze atomowym neutrony są stabilne, ale w stanie wolnym są niestabilne. Liczba neutronów w jądrach atomów tego samego pierwiastka może się zmieniać, więc liczba neutronów w jądrze nie charakteryzuje pierwiastka.

Nukleony (protony + neutrony) są utrzymywane w jądrze atomowym przez jądrowe siły przyciągania. Siły jądrowe są 100 razy silniejsze niż siły elektromagnetyczne i dlatego utrzymują podobnie naładowane protony wewnątrz jądra. Siły nuklearne objawiają się tylko na bardzo krótkich dystansach (10-13 cm), wynoszą ok energia potencjalna wiązania jądrowe, które są częściowo uwalniane podczas pewnych przemian, przekształcają się w energię kinetyczną.

W przypadku atomów różniących się składem jądra używa się nazwy „nuklidy”, a dla atomów radioaktywnych – „radionuklidy”.

Nuklidy nazywane są atomami lub jądrami o określonej liczbie nukleonów i danym ładunku jądrowym (oznaczenie nuklidu A X).

Nazywa się nuklidy posiadające tę samą liczbę nukleonów (Am = const). izobary. Przykładowo nuklidy 96 Sr, 96 Y, 96 Zr należą do szeregu izobarów o liczbie nukleonów Am = 96.

Nuklidy o tej samej liczbie protonów (Z = const), nazywane są izotopy. Różnią się jedynie liczbą neutronów, więc należą do tego samego pierwiastka: 234 U , 235 U, 236 U , 238U .

Izotopy- nuklidy o tej samej liczbie neutronów (N = Am -Z = const). Nuklidy: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca należą do szeregu izotopów mających 20 neutronów.

Izotopy są zwykle oznaczane w postaci Z X M, gdzie X jest symbolem pierwiastka chemicznego; M jest liczbą masową równą sumie liczby protonów i neutronów w jądrze; Z jest liczbą atomową lub ładunkiem jądra, równym liczbie protonów w jądrze. Ponieważ każdy pierwiastek chemiczny ma swoją stałą liczbę atomową, zwykle jest ona pomijana i ogranicza się do zapisania jedynie liczby masowej, np.: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr itp.

Atomy jądra, które mają tę samą liczbę masową, ale różne ładunki, a co za tym idzie różne właściwości, nazywane są „izobarami”, na przykład jeden z izotopów fosforu ma liczbę masową 32 - 15 P 32, jeden z izotopów siarki ma tę samą liczbę masową - 16 S 32.

Nuklidy mogą być stabilne (jeśli ich jądra są stabilne i nie ulegają rozpadowi) i niestabilne (jeśli ich jądra są niestabilne i ulegają zmianom, które ostatecznie prowadzą do wzrostu stabilności jądra). Nazywa się niestabilne jądra atomowe, które mogą samoistnie się rozpadać radionuklidy. Zjawisko samoistnego rozpadu jądra atomu, któremu towarzyszy emisja cząstek i (lub) promieniowanie elektromagnetyczne, zwany radioaktywność.

W wyniku rozpadu promieniotwórczego może powstać zarówno izotop trwały, jak i radioaktywny, który z kolei rozpada się samoistnie. Takie łańcuchy pierwiastków promieniotwórczych połączone serią przemian jądrowych nazywane są rodziny radioaktywne.

Obecnie IUPAC (Międzynarodowa Unia Chemii Czystej i Stosowanej) oficjalnie nazwała 109 pierwiastków chemicznych. Spośród nich tylko 81 ma stabilne izotopy, z których najcięższym jest bizmut (Z= 83). W przypadku pozostałych 28 pierwiastków znane są tylko izotopy promieniotwórcze z uranem (T~ 92) jest najcięższym pierwiastkiem występującym w przyrodzie. Największy naturalny nuklid ma 238 nukleonów. W sumie udowodniono obecnie istnienie około 1700 nuklidów tych 109 pierwiastków, a liczba znanych izotopów poszczególnych pierwiastków waha się od 3 (dla wodoru) do 29 (dla platyny).

Na długo przed pojawieniem się wiarygodnych danych na temat wewnętrznej struktury wszystkich rzeczy greccy myśliciele wyobrażali sobie materię w postaci maleńkich ognistych cząstek, które znajdowały się w ciągłym ruchu. Prawdopodobnie ta wizja porządku świata została wyprowadzona z wniosków czysto logicznych. Mimo pewnej naiwności i absolutnego braku dowodów na to twierdzenie, okazało się ono prawdziwe. Chociaż naukowcom udało się potwierdzić to śmiałe przypuszczenie dopiero dwadzieścia trzy wieki później.

Struktura atomowa

Pod koniec XIX wieku badano właściwości rury wyładowczej, przez którą przepływa prąd. Obserwacje wykazały, że w tym przypadku emitowane są dwa strumienie cząstek:

Ujemne cząstki promieni katodowych nazwano elektronami. Następnie w wielu procesach odkryto cząstki o tym samym stosunku ładunku do masy. Elektrony wydawały się być składnikami uniwersalnymi różne atomy, dość łatwo oddzielone pod wpływem bombardowania jonami i atomami.

Cząstki niosące ładunek dodatni przedstawiano jako fragmenty atomów po utracie jednego lub większej liczby elektronów. W rzeczywistości promienie dodatnie były grupami atomów pozbawionymi cząstek ujemnych i w rezultacie posiadającymi ładunek dodatni.

modelu Thompsona

Na podstawie eksperymentów stwierdzono, że cząstki dodatnie i ujemne reprezentują istotę atomu i są jego składnikami. Angielski naukowiec J. Thomson zaproponował swoją teorię. Jego zdaniem budowa atomu i jądra atomowego to rodzaj masy, w której ładunki ujemne zostały wciśnięte w dodatnio naładowaną kulkę, niczym rodzynki w babeczkę. Kompensacja ładunku sprawiła, że ​​„babeczka” była elektrycznie neutralna.

Model Rutherforda

Młody amerykański naukowiec Rutherford, analizując ślady pozostawione przez cząstki alfa, doszedł do wniosku, że model Thompsona jest niedoskonały. Część cząstek alfa została odchylona pod niewielkim kątem - 5-10 o. W rzadkich przypadkach cząstki alfa były odchylane pod dużymi kątami 60-80 o, a w wyjątkowych przypadkach kąty były bardzo duże - 120-150 o. Model atomu Thompsona nie mógł wyjaśnić różnicy.

sugeruje Rutherford nowy model, wyjaśniając budowę atomu i jądra atomowego. Fizyka procesu mówi, że atom powinien być w 99% pusty, z maleńkim jądrem i elektronami krążącymi wokół niego, poruszającymi się po orbitach.

Odchylenia podczas uderzeń tłumaczy faktem, że cząstki atomu mają własne ładunki elektryczne. Pod wpływem bombardowania naładowanymi cząstkami elementy atomowe zachowują się jak zwykłe naładowane ciała w makrokosmosie: cząstki o tych samych ładunkach odpychają się, a te o przeciwnych ładunkach przyciągają.

Stan atomów

Na początku ubiegłego wieku, kiedy wystrzelono pierwsze akceleratory cząstek, czekały na nas wszystkie teorie wyjaśniające budowę jądra atomowego i samego atomu weryfikacja eksperymentalna. Do tego czasu interakcje promieni alfa i beta z atomami zostały już dokładnie zbadane. Do 1917 roku wierzono, że atomy są albo stabilne, albo radioaktywne. Stabilnych atomów nie można rozdzielić, a rozpadu jąder radioaktywnych nie da się kontrolować. Ale Rutherfordowi udało się obalić tę opinię.

Pierwszy proton

W 1911 r. E. Rutherford wysunął pogląd, że wszystkie jądra składają się z identycznych pierwiastków, których podstawą jest atom wodoru. Naukowca do tego pomysłu skłonił ważny wniosek z wcześniejszych badań struktury materii: masy wszystkich pierwiastków chemicznych są dzielone bez reszty przez masę wodoru. Nowe założenie otworzyło niespotykane dotychczas możliwości, pozwalając w nowy sposób spojrzeć na budowę jądra atomowego. Reakcje jądrowe miały potwierdzić lub obalić nową hipotezę.

Eksperymenty przeprowadzono w 1919 roku z atomami azotu. Bombardując je cząsteczkami alfa, Rutherford osiągnął niesamowity wynik.

Atom N pochłonął cząstkę alfa, następnie zamienił się w atom tlenu O 17 i wyemitował jądro wodoru. Była to pierwsza sztuczna przemiana atomu jednego pierwiastka w inny. Takie doświadczenie dało nadzieję, że budowa jądra atomowego i fizyka zachodzących procesów umożliwiają przeprowadzanie innych przemian jądrowych.

Naukowiec w swoich eksperymentach zastosował metodę błysku scyntylacyjnego. Na podstawie częstotliwości rozbłysków wyciągał wnioski dotyczące składu i budowy jądra atomowego, charakterystyki generowanych cząstek, ich masy atomowej i liczby atomowej. Rutherford nazwał nieznaną cząstkę protonem. Miał wszystkie cechy atomu wodoru pozbawionego pojedynczego elektronu – pojedynczy ładunek dodatni i odpowiadającą mu masę. W ten sposób udowodniono, że proton i jądro wodoru to te same cząstki.

W 1930 roku, kiedy zbudowano i uruchomiono pierwsze duże akceleratory, model atomu Rutherforda został przetestowany i sprawdzony: każdy atom wodoru składa się z pojedynczego elektronu, którego położenia nie można określić, oraz luźnego atomu z samotnym dodatnim protonem w środku . Ponieważ protony, elektrony i cząstki alfa mogą wylecieć z atomu podczas bombardowania, naukowcy sądzili, że są to składniki każdego jądra atomowego. Ale taki model atomu jądra wydawał się niestabilny - elektrony były zbyt duże, aby zmieścić się w jądrze, ponadto istniały poważne trudności związane z naruszeniem prawa pędu i zachowania energii. Te dwa prawa, niczym ścisła księgowość, mówiły, że pęd i masa podczas bombardowania znikają w nieznanym kierunku. Ponieważ przepisy te zostały powszechnie przyjęte, konieczne było znalezienie wyjaśnienia takiego wycieku.

Neutrony

Naukowcy na całym świecie prowadzili eksperymenty mające na celu odkrycie nowych składników jąder atomowych. W latach trzydziestych niemieccy fizycy Becker i Bothe zbombardowali atomy berylu cząsteczkami alfa. Jednocześnie zarejestrowano nieznane promieniowanie, które postanowiono nazwać promieniami G. Szczegółowe badania ujawniły niektóre cechy nowych promieni: mogły rozchodzić się ściśle po linii prostej, nie wchodziły w interakcję z prądem elektrycznym i pola magnetyczne, miał wysoką zdolność penetracji. Później cząstki tworzące ten rodzaj promieniowania odkryto podczas interakcji cząstek alfa z innymi pierwiastkami - borem, chromem i innymi.

hipoteza Chadwicka

Następnie James Chadwick, kolega i uczeń Rutherforda, wygłosił krótką wiadomość w czasopiśmie Nature, która później stała się powszechnie znana. Chadwick zwrócił uwagę, że sprzeczności w prawach zachowania można łatwo rozwiązać, jeśli przyjmiemy, że nowe promieniowanie jest strumieniem neutralnych cząstek, z których każda ma masę około równa masie proton. Biorąc pod uwagę to założenie, fizycy znacznie rozszerzyli hipotezę wyjaśniającą budowę jądra atomowego. W skrócie istota dodatków została sprowadzona do nowej cząstki i jej roli w strukturze atomu.

Właściwości neutronu

Odkrytej cząstce nadano nazwę „neutron”. Nowo odkryte cząstki nie tworzyły wokół siebie pól elektromagnetycznych i łatwo przechodziły przez materię, nie tracąc energii. W rzadkich zderzeniach z lekkimi jądrami atomowymi neutron jest w stanie wybić jądro z atomu, tracąc znaczną część swojej energii. Struktura jądra atomowego zakładała obecność innej liczby neutronów w każdej substancji. Atomy o tym samym ładunku jądrowym, ale z różne ilości neutrony nazywane są izotopami.

Neutrony posłużyły jako doskonały zamiennik cząstek alfa. Obecnie wykorzystuje się je do badania budowy jądra atomowego. Nie sposób krótko opisać ich znaczenia dla nauki, ale to dzięki bombardowaniu jąder atomowych przez neutrony fizycy byli w stanie otrzymać izotopy niemal wszystkich znanych pierwiastków.

Skład jądra atomowego

Obecnie struktura jądra atomowego to zbiór protonów i neutronów utrzymywanych razem przez siły jądrowe. Na przykład jądro helu jest bryłą złożoną z dwóch neutronów i dwóch protonów. Lekkie pierwiastki mają prawie taką samą liczbę protonów i neutronów, podczas gdy ciężkie pierwiastki mają znacznie większą liczbę neutronów.

Ten obraz budowy jądra potwierdzają eksperymenty na nowoczesnych dużych akceleratorach z szybkimi protonami. Siły elektryczne Odpychanie protonów jest równoważone przez siły jądrowe, które działają tylko w samym jądrze. Chociaż natura sił jądrowych nie została jeszcze w pełni zbadana, ich istnienie zostało praktycznie udowodnione i całkowicie wyjaśnia strukturę jądra atomowego.

Zależność masy i energii

W 1932 roku aparat Wilsona wykonał niesamowitą fotografię udowadniającą istnienie dodatnio naładowanych cząstek o masie elektronu.

Wcześniej elektrony dodatnie przewidywał teoretycznie P. Dirac. W promieniach kosmicznych odkryto także prawdziwy elektron dodatni. Nową cząstkę nazwano pozytonem. Podczas zderzenia z jego sobowtórem - elektronem, następuje anihilacja - wzajemne zniszczenie dwóch cząstek. To uwalnia pewną ilość energii.

Tym samym teoria opracowana dla makrokosmosu w pełni nadawała się do opisu zachowania najmniejszych elementów materii.

STRUKTURA JĄDRA ATOMOWEGO

W 1932 r po odkryciu protonu i neutronu przez naukowców D.D. Nominowani zostali Iwanenko (ZSRR) i W. Heisenberg (Niemcy). model protonowo-neutronowy jądra atomowego.

Według tego modelu:
- jądra wszystkich pierwiastków chemicznych składają się z nukleonów: protonów i neutronów
- ładunek jądrowy powstaje wyłącznie dzięki protonom
- liczba protonów w jądrze jest równa liczbie atomowej pierwiastka
- liczba neutronów jest równa różnicy między liczbą masową a liczbą protonów (N=A-Z)

Symbol rdzenia atom pierwiastka chemicznego:

X – symbol pierwiastka chemicznego

A jest liczbą masową, która pokazuje:
- masa jądra w pełnych jednostkach masy atomowej (amu)
(1 amu = 1/12 masy atomu węgla)
- liczba nukleonów w jądrze
- (A = N + Z), gdzie N jest liczbą neutronów w jądrze atomu

Z – numer ładunku, który pokazuje:
- ładunek jądrowy w szkole podstawowej ładunki elektryczne(tzn.)
(1 e.e.z. = ładunek elektronu = 1,6 x 10 -19 C)
- liczba protonów
- liczba elektronów w atomie
- numer seryjny w układzie okresowym

Masa jądra jest zawsze mniejsza niż suma mas pozostałych wolnych protonów i neutronów, które je tworzą.
Wyjaśnia to fakt, że protony i neutrony w jądrze są bardzo silnie przyciągane. Ich rozdzielenie wymaga dużo pracy. Dlatego całkowita energia spoczynkowa jądra nie jest równa energii spoczynkowej jego cząstek składowych. Jest ona mniejsza o ilość pracy wymaganej do pokonania jądrowych sił grawitacyjnych.
Różnica między masą jądra a sumą mas protonów i neutronów nazywana jest defektem masy.

Zapamiętaj temat” Fizyka atomowa„dla klasy 9:

Radioaktywność.
Transformacje radioaktywne.
Skład jądra atomowego. Siły nuklearne.
Energia komunikacji. Wada masowa
Rozszczepienie jąder uranu.
Jądrowa reakcja łańcuchowa.
Reaktor jądrowy.
Reakcja termojądrowa.

Inne strony na temat „Fizyka atomowa” dla klas 10-11:

JAK BADALIŚMY ATOM

Atom to jądro protonów i neutronów, wokół którego krążą elektrony. Rozmiary atomów są tysięczne mikrona. Ale jest ich też więcej gigantyczne „atomy” o średnicy około 10 kilometrów. Taki „atom” odkryto po raz pierwszy w 1967 r., a obecnie znanych jest ponad tysiąc z nich. Ten gwiazdy neutronowe – pozostałości po supernowych, które w rzeczywistości są ogromnymi jądrami atomowymi, składającymi się w 90% z neutronów i 10% z protonów i otoczonymi „atmosferą” elektronów.
___

W latach dwudziestych młody fizyk odbywał staż u E. Rutherforda. Dwa miesiące później Rutherford zaprosił go do siebie i powiedział, że nic nie wyjdzie. „Dlaczego? W końcu pracuję 20 godzin na dobę!” - sprzeciwił się młody człowiek. „To jest złe! Ty nie zostało już czasu myśleć! „- odpowiedział Rutherford.

W 1908 roku słynny fizyk Ernesta Rutherforda powiedział, że miał do czynienia z wieloma przemianami w przyrodzie, ale tak chwilowej przemiany raczej nie byłby w stanie przewidzieć. – Od fizyków po chemików! W 1908 r. otrzymał E. Rutherford nagroda Nobla w chemii za pracę w dziedzinie badań atomowych. W tamtych latach badania nad budową atomu i radioaktywnością zaliczano do chemii.