Atomsko jedro

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Pojdi na navigacijo Pojdi na iskanje
Jedrska fizika
CNO Cycle.svg
Atomsko jedro Radioaktivni razpad Jedrska reakcija Termonuklearna reakcija
Glej tudi: Portal: Fizika

Atomsko jedro - osrednji del atoma , ki vsebuje večino njegove mase (99,9%). Jedro je pozitivno nabito, naboj jedra določa kemični element , ki mu pripada atom. Velikosti jeder različnih atomov so več femtometrov , kar je več kot 10 tisoč krat manj od velikosti samega atoma. Atomska jedra preučuje jedrska fizika .

Atomsko jedro sestavljajo nukleoni - pozitivno nabiti protoni in nevtralni nevtroni , ki so med seboj povezani z močnimi interakcijami . Proton in nevtron imata lasten kotni moment ( spin ), ki je enak [ch 1] in pripadajoči magnetni moment . Edini stabilen atom, ki v svojem jedru ne vsebuje nevtronov, je lahki vodik ( protij ).

Atomsko jedro, ki velja za razred delcev z določenim številom protonov in nevtronov, se običajno imenuje nuklid .

V nekaterih redkih primerih lahko nastanejo kratkoživi eksotični atomi , pri katerih namesto nukleona služijo drugi delci kot jedra.

Število protonov v jedru imenujemo njegovo nabojno število - to število je enako redni številki elementa , ki mu pripada atom v periodnem sistemu (periodični sistem elementov) Mendelejeva . Število protonov v jedru določa strukturo elektronske lupine nevtralnega atoma in s tem kemijske lastnosti ustreznega elementa. Število nevtronov v jedru se imenuje njegovo izotopsko število [ vir ni naveden 752 dni ( obs. ) ] . Jedra z enakim številom protonov in različnim številom nevtronov imenujemo izotopi . Jedra z enakim številom nevtronov, a različnim številom protonov se imenujejo izotoni . Izraza izotop in izoton se uporabljata tudi v zvezi z atomi, ki vsebujejo navedena jedra, pa tudi za karakterizacijo nekemičnih vrst enega kemičnega elementa. Skupno število nukleonov v jedru imenujemo njegovo masno število ( ) in je približno enak povprečni masi atoma, določenem v periodnem sistemu. Nuklide z enakim masnim številom, vendar različno protonsko-nevtronsko sestavo običajno imenujemo izobare .

Kot vsak kvantni sistem so lahko jedra v metastabilnem vzbujenem stanju, v nekaterih primerih pa se življenjska doba takega stanja izračuna v letih. Takšna vzbujena stanja jeder imenujemo jedrski izomeri [1] [2] [3] .

Zgodba

Leta 1911 je Rutherford v svojem poročilu "Razprševanje α- in β-žarkov in struktura atoma" v Filozofskem društvu v Manchestru izjavil [4] :

Razpršitev nabitih delcev je mogoče razložiti, če predpostavimo atom, ki je sestavljen iz osrednjega električnega naboja, zgoščenega v točki in obkroženega z enakomerno sferično porazdelitvijo nasprotne elektrike enake velikosti. Pri tej razporeditvi atoma α- in β-delci, ko preidejo na blizu razdaljo od središča atoma, doživijo velike upogibe, čeprav je verjetnost takšnega odklona majhna.

Tako je Rutherford odkril atomsko jedro in od tega trenutka se je začela jedrska fizika, ki preučuje strukturo in lastnosti atomskih jeder.

Po odkritju stabilnih izotopov elementov je bilo jedru najlažjega atoma dodeljena vloga strukturnega delca vseh jeder. Od leta 1920 se jedro vodikovega atoma uradno imenuje proton . Leta 1921 je Lisa Meitner predlagala [5] prvi, protonsko-elektronski, model strukture atomskega jedra , po katerem je sestavljeno iz protonov, elektronov in alfa delcev [6] : 96 . Vendar pa je leta 1929 prišlo do "dušikove katastrofe" - V. Heitler in G. Herzberg sta ugotovila [7], da jedro dušikovega atoma upošteva Bose-Einsteinovo statistiko in ne Fermi-Diracovo statistiko , kot je napovedal proton. -elektronski model [8] [9 ] : 374 . Tako je ta model prišel v nasprotje z eksperimentalnimi rezultati meritev spinov in magnetnih momentov jeder [10] . Leta 1932 je James Chadwick odkril nov električno nevtralen delec, imenovan nevtron . Istega leta sta Ivanenko [11] in neodvisno Heisenberg postavila hipotezo o protonsko-nevtronski strukturi jedra. Kasneje, z razvojem jedrske fizike in njenih aplikacij, je bila ta hipoteza v celoti potrjena[12] .

Teorije zgradbe atomskega jedra

V teku razvoja fizike so bile postavljene različne hipoteze o zgradbi atomskega jedra; vendar je vsak od njih sposoben opisati le omejen nabor jedrskih lastnosti. Nekateri modeli se lahko medsebojno izključujejo.

Najbolj znani so naslednji:

Jedrske fizikalne značilnosti

Številka zaračunavanja kemični element je popolnoma določen. Par številk in ( masno število ) je nuklid popolnoma določen. Možno je upoštevati nekatere jedrsko-fizikalne značilnosti nuklidov z danimi nabojnimi in masnimi številkami.

Napolniti

Število protonov v jedru neposredno določa njen električni naboj ; izotopi imajo enako število protonov, vendar različno število nevtronov. Jedrske lastnosti izotopov elementa se lahko v nasprotju s kemičnimi izjemno močno razlikujejo [1] .

Naboje atomskih jeder je prvič določil Henry Moseley leta 1913 . Znanstvenik je svoja eksperimentalna opazovanja razlagal z odvisnostjo valovne dolžine rentgenskega sevanja od neke konstante , ki se spreminja za eno od elementa do elementa in je enako ena za vodik:

, kje

in - stalno.

Iz česar je Moseley zaključil, da je atomska konstanta, najdena v njegovih poskusih, ki določa valovno dolžino značilnega rentgenskega sevanja in sovpada z redno številko elementa, lahko le naboj atomskega jedra, ki je postal znan kot Moseleyjev zakon [ 2] .

Utež

Zaradi razlike v številu nevtronov izotopi elementa imajo različne mase , kar je pomembna lastnost jedra. V jedrski fiziki se jedrska masa na splošno meri v enotah atomske mase (a. E. M.) na vodnjak. e. m. vzamemo 1/12 mase nuklida 12 C[ch 2] . Treba je opozoriti, da je standardna masa, ki se običajno daje za nuklid, masa nevtralnega atoma . Za določitev mase jedra morate od mase atoma odšteti vsoto mas vseh elektronov (natančnejšo vrednost bomo dobili, če bomo upoštevali tudi energijo vezave elektronov z jedrom).

Poleg tega se energijski ekvivalent mase pogosto uporablja v jedrski fiziki. Po Einsteinovi relaciji je vsaka masna vrednost ustreza skupni energiji:

, kje - hitrost svetlobe v vakuumu .

Odnos med a. e. m. in njegov energijski ekvivalent v joulih :

,

in ker je 1 elektronvolt = 1,602176⋅10 −19 J, je energijski ekvivalent a. e. m. v MeV je enako [1] [3] :

...

polmer

Analiza razpada težkih jeder je izboljšala Rutherfordovo oceno [pog. 3] in povezala polmer jedra z masnim številom preprosto razmerje:

, kje Je konstanta.

Ker polmer jedra ni zgolj geometrijska značilnost in je povezan predvsem s polmerom delovanja jedrskih sil , je vrednost odvisno od procesa, pri analizi katerega je bila vrednost pridobljena , Povprečna vrednost m, torej polmer jedra v metrih [1] [2] :

...

Ključni trenutki

Tako kot njegovi sestavni nukleoni ima jedro svoje lastne trenutke.

Zavrtite se

Ker imajo nukleoni svoj mehanski moment ali spin, enak , potem morajo imeti jedra tudi mehanske momente. Poleg tega nukleoni sodelujejo v jedru pri orbitalnem gibanju, za katerega je značilen tudi določen kotni moment vsakega nukleona. Orbitalni momenti imajo samo cele vrednosti ( Dirakova konstanta ). Vsi mehanski momenti nukleonov, tako vrtilni kot orbitalni, so algebraično povzeti in sestavljajo spin jedra.

Kljub dejstvu, da je število nukleonov v jedru lahko zelo veliko, so vrtljaji jeder običajno majhni in ne znašajo več kot nekaj , kar je razloženo s posebnostjo interakcije istoimenskih nukleonov. Vsi seznanjeni protoni in nevtroni medsebojno delujejo le tako, da so njihovi spini medsebojno kompenzirani, torej pari vedno medsebojno delujejo z antiparalelnimi vrtljaji. Tudi skupni orbitalni kotni moment para je vedno enak nič. Posledično jedra, sestavljena iz sodega števila protonov in sodega števila nevtronov, nimajo mehanskega momenta. Neničelni vrti obstajajo samo za jedra, ki vsebujejo neparne nukleone, spin takega nukleona se sešteje z njegovim orbitalnim zagonom in ima nekaj pol celega števila: 1/2, 3/2, 5/2. Liho-liha jedra imajo celo število vrtljajev: 1, 2, 3 itd. [2] .

Magnetni trenutek

Meritve spina so postale možne zaradi prisotnosti neposredno povezanih magnetnih momentov . Merijo se v magnetonih in so za različna jedra enaki od −2 do +5 jedrskih magnetonov. Zaradi relativno velike mase nukleonov so magnetni momenti jeder zelo majhni v primerjavi z magnetnimi momenti elektronov , zato je njihovo merjenje veliko težje. Tako kot vrtljaji se magnetni momenti merijo spektroskopsko , pri čemer je jedrska magnetna resonanca najbolj natančna.

Magnetni moment parov sodo-sodo, kot je spin, je nič. Magnetne momente jeder z neparnimi nukleoni tvorijo notranji momenti teh nukleonov in moment, povezan z orbitalnim gibanjem neparnega protona [10] .

Električni kvadrupolni moment

Atomska jedra, katerih spin je večji ali enak eni, imajo kvadrupolne momente, ki niso nič, kar kaže, da niso ravno sferične oblike. Kvadrupolni moment ima predznak plus, če je jedro raztegnjeno vzdolž vrtilne osi (vreteno telo), in znak minus, če je jedro raztegnjeno v ravnini, pravokotni na os vrtenja (lečasto telo). Poznana so jedra s pozitivnimi in negativnimi kvadrupolnimi momenti. Odsotnost sferične simetrije v električnem polju, ki ga ustvari jedro z neničelnim kvadrupolnim momentom, vodi do tvorbe dodatnih energijskih nivojev atomskih elektronov in do pojava hiperfinih strukturnih linij v spektrih atomov, razdalje med katerimi so odvisne od kvadrupola. trenutek [2] .

Komunikacijska energija

Odvisnost povprečne energije vezave od masnega števila jeder.

Visoka energija vezave nukleonov, ki vstopajo v jedro, kaže na obstoj jedrskih sil , saj so znane gravitacijske sile premajhne, ​​da bi premagale medsebojno elektrostatično odbijanje protonov v jedru. Vez med nukleoni izvajajo sile izredno kratkega dosega, ki nastanejo kot posledica neprekinjene izmenjave delcev, imenovanih pi-mezoni , med nukleoni v jedru.

Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da je za vsa stabilna jedra masa jedra manjša od vsote mas njegovih sestavnih nukleonov, vzetih ločeno. Ta razlika se imenuje masna napaka ali presežna masa in je določena z razmerjem:

,

kje in - masi prostega protona in nevtrona, Je masa jedra.

Po načelu enakovrednosti mase in energije je masna napaka masni ekvivalent dela, ki ga porabijo jedrske sile, da združijo vse nukleone, da tvorijo jedro. Ta vrednost je enaka spremembi potencialne energije nukleonov kot posledica njihove združitve v jedro.

Energija, ki je enaka masni napaki, se imenuje energija vezave jedra in je enaka:

,

где — скорость света в вакууме.

Другим важным параметром ядра является энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, которую можно вычислить, разделив энергию связи ядра на число содержащихся в нём нуклонов:

Эта величина представляет собой среднюю энергию, которую нужно затратить, чтобы удалить один нуклон из ядра, или среднее изменение энергии связи ядра, когда свободный протон или нейтрон поглощается в нём.

Как видно из поясняющего рисунка, при малых значениях массовых чисел удельная энергия связи ядер резко возрастает и достигает максимума при (примерно 8,8 Мэв). Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение энергии почти постоянно ( МэВ), из чего следует, что можно записать .

Такой характер поведения средней энергии связи указывает на свойство ядерных сил достигать насыщения, то есть на возможность взаимодействия нуклона только с малым числом «партнёров». Если бы ядерные силы не обладали свойством насыщения, то в пределах радиуса действия ядерных сил каждый нуклон взаимодействовал бы с каждым из остальных и энергия взаимодействия была бы пропорциональна , а средняя энергия связи одного нуклона не была бы постоянной у разных ядер, а возрастала бы с ростом .

Общая закономерность зависимости энергии связи от массового числа описывается формулой Вайцзеккера в рамках теории капельной модели ядра [1] [2] [13] [14] .

Устойчивость ядер

Зависимость числа нейтронов N от числа протонов Z в атомных ядрах (N=AZ).

Из факта убывания средней энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми энергетически выгоден процесс слияния — термоядерный синтез , приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими процесс деления . В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики , а первый находится в стадии разработки.

Детальные исследования показали, что устойчивость ядер также существенно зависит от параметра — отношения чисел нейтронов и протонов. В среднем для наиболее стабильных ядер [15] , поэтому ядра лёгких нуклидов наиболее устойчивы при , а с ростом массового числа всё более заметным становится электростатическое отталкивание между протонами, и область устойчивости сдвигается в сторону ( см. поясняющий рисунок ).

Если рассмотреть таблицу стабильных нуклидов, встречающихся в природе, можно обратить внимание на их распределение по чётным и нечётным значениям и . Все ядра с нечётными значениями этих величин являются ядрами лёгких нуклидов , , , . Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. В случае же чётных часто встречаются по два, три и более стабильных изобар, следовательно, наиболее стабильны чётно-чётные, наименее — нечётно-нечётные. Это явление свидетельствует о том, что как нейтроны, так и протоны, проявляют тенденцию группироваться парами с антипараллельными спинами , что приводит к нарушению плавности вышеописанной зависимости энергии связи от [1] .

Z N=AZ A Число нуклидов
Чётное Чётное Чётное 167
Чётное Нечётное Нечётное 55
Нечётное Чётное Нечётное 53
Нечётное Нечётное Чётное 4

Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов [2] .

Ядерные силы

Ядерные силы — это силы, удерживающие нуклоны в ядре, представляющие собой большие силы притяжения, действующие только на малых расстояниях. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер (с помощью пи-мезонов ). Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами [2] .

Уровни ядра

В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения (так называемый непрерывный спектр ), связанные частицы (то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной), согласно квантовой механике , могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Так как ядро — система связанных нуклонов, оно обладает дискретным спектром энергий. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным . Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние .

Расположение энергетических уровней ядра в первом приближении:

, где:

— среднее расстояние между уровнями,

— энергия возбуждения ядра,

и — коэффициенты, постоянные для данного ядра:

— среднее расстояние между первыми возбуждёнными уровнями (для лёгких ядер примерно 1 МэВ, для тяжёлых — 0,1 МэВ)

— константа, определяющая скорость сгущения уровней при увеличении энергии возбуждения (для лёгких ядер примерно 2 МэВ −1/2 , для тяжёлых — 4 МэВ −1/2 ).

С ростом энергии возбуждения уровни сближаются быстрее у тяжёлых ядер, также плотность уровней зависит от чётности числа нейтронов в ядре. Для ядер с чётными (особенно магическими ) числами нейтронов плотность уровней меньше, чем для ядер с нечётными, при равных энергиях возбуждения первый возбуждённый уровень в ядре с чётным числом нейтронов расположен выше, чем в ядре с нечётным.

Во всех возбуждённых состояниях ядро может находиться лишь конечное время, до тех пор, пока возбуждение не будет снято тем или иным путём. Состояния, энергия возбуждения которых меньше энергии связи частицы или группы частиц в данном ядре, называются связанными ; в этом случае возбуждение может сниматься лишь гамма-излучением . Состояния с энергией возбуждения, превышающей энергию связи частиц, называются квазистационарными . В этом случае ядро может испустить частицу или гамма-квант [1] .

Ядерные реакции

Ядерная реакция — процесс превращения атомных ядер, происходящий при их взаимодействии с элементарными частицами , гамма-квантами и друг с другом.

Радиоактивность

Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются . Это явление получило название радиоактивности .

Система обозначений ядер

Для обозначения атомных ядер используется следующая система:

  • в середине ставится символ химического элемента , что однозначно определяет зарядовое число ядра;
  • слева сверху от символа элемента ставится массовое число .

Таким образом, состав ядра оказывается полностью определён, так как .

Пример такого обозначения:

— ядро урана-238 , в котором 238 нуклонов, из которых 92 — протоны, так как элемент уран имеет 92-й номер в таблице Менделеева .

Иногда, однако, для полноты вокруг обозначения элемента указывают все характеризующие ядро его атома числа:

  • слева снизу — зарядовое число , то есть, то же самое, что указано символом элемента;
  • слева сверху — массовое число ;
  • справа снизу — изотопическое число [ источник не указан 752 дня ( обс. ) ] ;
  • если речь идёт о ядерных изомерах, к массовому числу приписывается буква из последовательности m, n, p, q, … (иногда используют последовательность m1, m2, m3, … ). Иногда эту букву указывают в качестве самостоятельного индекса справа сверху.

Примеры таких обозначений:

, , , .

Следует особо отметить, что обозначения атомных ядер совпадают с таковыми для нуклидов.

По историческим и иным причинам, некоторые ядра имеют самостоятельные названия. Например, ядро 4 He называется α-частицей , ядро дейтерия 2 H (или D) — дейтроном , а ядро трития 3 H (или T) — тритоном . Последние два ядра являются изотопами водорода и поэтому могут входить в состав молекул воды , давая в итоге так называемую тяжёлую воду .

Примечания

  1. Здесь постоянная Планка , постоянная Дирака .
  2. Что вызвано лишь удобством практических измерений масс атомов.
  3. Резерфорд, исследуя процесс рассеяния α-частиц на ядрах, оценил размеры ядра — порядка 10 −14 м .
Использованная литература
  1. 1 2 3 4 5 6 7 Бартоломей Г.Г., Байбаков В.Д., Алхутов М.С., Бать Г.А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. — М. : Энергоатомиздат , 1982. — С. 512.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. — М. : Энергоатомиздат , 1985. — С. 352.
  3. 1 2 Ганев И. Х. Физика и расчёт реактора. — М. : Энергоиздат , 1981. — С. 368.
  4. Кудрявцев П. С. Открытие атомного ядра // Курс истории физики . — 2-е изд., испр. и доп. — М. : Просвещение, 1982. — 448 с.
  5. Meitner, L. Über die verschiedenen Arten des radioaktiven Zerfalls und die Möglichkeit ihrer Deutung aus der Kernstruktur (нем.) // Zeitschrift für Physik : magazin. — 1921. — Bd. 4 . — S. 146—156 .
  6. Мухин К. Привлекательный мир микрофизики // Наука и жизнь . — 2015. — № 10 . — С. 96—103 .
  7. W. Heitler, G. Herzberg. Gehorchen die Stickstoffkerne der Boseschen Statistik? (нем.) // Naturwissenschaften (англ.) : magazin. — 1929. — Bd. 17 . — S. 673 .
  8. А. И. Ахиезер , М. П. Рекало. Биография элементарных частиц . — Киев: Наукова думка , 1979. — С.18 .
  9. Ю. А. Храмов . Физики:Биографический справочник. — 2-е изд. — М. : Наука , 1983.
  10. 1 2 Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика. — М. : Энергоатомиздат , 1983.
  11. Iwanenko, DD, The neutron hypothesis, Nature 129 (1932) 798.
  12. Глесстон С. Атом. Атомное ядро. Атомная энергия. — М. : Изд-во иностр. лит. , 1961.
  13. IRCameron, University of New Brunswick . Nuclear fission reactors. — Canada, New Brunswick: Plenum Press, 1982.
  14. Камерон И. Ядерные реакторы. — М. : Энергоатомиздат , 1987. — С. 320.
  15. Rohlf, James William. Modern Physics from α to Z°. — John Wiley & Sons, 1994. — С. 664. — ISBN 0471572705 .

Литература

  • М. Айзенберг, В. Грайнер. Модели ядер, коллективные и одночастичные явления. — М. : Атомиздат , 1975. — 454 c.
  • М. Айзенберг, В. Грайнер. Микроскопическая теория ядра. — М. : Атомиздат , 1976. — 488 с.
  • К. Бракнер Теория ядерной материи. — М., Мир , 1964. — 302 с.
  • О. Бор , Б. Моттельсон . Структура атомного ядра. — В 2-х т. — М. : Мир , 1971—1977.
  • В. П. Крайнов. Лекции по микроскопической теории атомного ядра. — М. : Атомиздат , 1973. — 224 с.
  • В. В. Маляров. Основы терии атомного ядра. 2-ое изд. — М. : Наука , 1967. — 512 с.
  • Р. Натаф. Модели ядер и ядерная спектроскопия. — М. : Мир , 1968. — 404 с.
  • С. М. Поликарпов . Необычные ядра и атомы. — М. : Наука , 1977. — 152 с.
  • Дж. Рейнуотер . Как возникла модель сфероидальных ядер. Успехи физических наук , 1976, Том 120. Вып. 4, с. 529—541. (Нобелевская лекция по физике 1975 г.)
  • А. Г. Ситенко. Теория ядерных реакций. — М. : Энергоатомиздат , 1983. — 352 с.
  • А. Г. Ситенко, В. К. Тартаковский. Лекции по теории ядра. — М. : Атомиздат , 1972. — 352 с.
  • Л. Слив М. И. Стрикман, Л. Л. Франкфурт. Проблемы построения микроскопической теории ядра и квантовая хромодинамика, Успехи физических наук, 1976, Том 145. Вып. 4, с. 553—592.
  • В. Г. Соловьев. Теория атомного ядра. Ядерные модели. — М. : Энергоиздат , 1981. — 296с.
  • В. Г. Соловьев . Теория сложных ядр. — М. : Наука , 1971. — 560 с.
  • Журнал: Физика элементарных частиц и атомного ядра (ЭЧАЯ) (Архив статей с 1970 г.)

Ссылки