Nucleul oricărui atom, cu excepția atomului ușor de hidrogen, este format din particule - nucleonii doua tipuri: Z protoni şi N neutroni. Neutronul a fost descoperit în 1932 de James Chadwick, în același timp de Karl Anderson - pozitronul. Nucleul atomului ușor de hidrogen este format dintr-un proton.

Proton deschis în este o particulă încărcată - qp = +e. Masa unui proton este m p= 1,67265 10 -27 kg. LA fizica nucleara se obișnuiește să se exprime energia particulelor în unități de energie (eV), pentru care acestea înmulțesc masa cu pătratul vitezei luminii c 2, apoi masa protonilor m p = 938,26 MeV. Protonul are un spin egal cu s = 1/2.

Neutroni are și spin s= 1/2. Masa sa este apropiată de masa unui proton și este m n\u003d 1,67495 10 -27 kg sau în unități de energie (eV) m p = 939,55 MeV. Cu toate acestea, neutronul nu are sarcină electrică. În stare liberă, neutronul este radioactiv, se descompune spontan, transformându-se într-un proton. În acest caz, este eliberat un antineutrin.

Neutronul este stabil în nucleu.

Un atom este caracterizat de un număr de sarcină Z(care este egal cu numărul de protoni din nucleu). Număr Z determină numărul atomic din tabelul periodic. Numar de masa A=N+Z arată numărul total de nucleoni din nucleu. Masa tuturor nucleonilor A aduce principala contribuție la masa întregului atom. Nucleul se mai numește și nuclid. Schema adoptată a nuclidului are următoarea formă: Cu excepția nucleonilor, nu există alte particule în nucleu. Cu toate acestea, nucleonii nu sunt particule elementare: fiecare dintre ele este format din trei quarci, despre care se vor discuta într-o altă prelegere.

Atomi ale căror nuclee au același numere de taxare Zși diverse numere de masă A, au aceleași Proprietăți chimiceși se numesc izotopi. Izotopii aceluiași element chimic diferă între ei doar prin numărul de neutroni din nucleu. Majoritatea substanțelor cu atomi de aceeași Z sunt un amestec de izotopi diferiți. Deci, hidrogenul, carbonul și oxigenul au câte 3 izotopi: - hidrogen obișnuit, - deuteriu, - tritiu; ; ; Staniul are 10 izotopi.

Atomi ale căror nuclee au aceleași numere de masă A, sunt numite izobare. Isobare, adică sâmburi cu diferite Z, corespund nucleelor ​​de atomi de diverse elemente chimice.

În experimentele de împrăștiere ale lui Rutherford α -particule de pe atomii materiei, s-a constatat ca nucleele au o dimensiune finita. A trecut mult timp de la acel moment, dar experimentele privind împrăștierea particulelor pe nucleele atomice sunt încă cele mai preferate în determinarea dimensiunii nucleului. Deoarece electronii experimentează doar interacțiune electrostatică cu nucleele, distribuția sarcinii în interiorul nucleului este studiată folosind împrăștierea electronilor. Distribuția materiei nucleare în interiorul nucleului este judecată de împrăștierea neutronilor, deoarece în acest caz interacțiunea dintre particule se reduce doar la una specifică nucleară. Pentru ca nucleul să „simtă” particula incidentă, luând în considerare masele, energia electronului trebuie să fie de cel puțin 124 MeV, iar energia neutronului trebuie să fie de cel puțin 8 MeV. Experimentele cu electroni și neutroni de diferite energii (dar care îndeplinesc condițiile specificate) au arătat că volumul unui nucleu este proporțional cu numărul de nucleoni din compoziția sa:

În nucleele cu un spin mai mare sau egal cu 1, se observă într-adevăr o abatere de la forma sferică. Astfel de nuclee pot fi comprimate sau prolate elipsoide de revoluție, iar diferența dintre axele lor majore și minore nu depășește niciodată 20% și, de regulă, este mult mai mică. În prima aproximare, nucleul poate fi considerat o minge, raza nucleului este astfel: (13.3)

Constant R0≈ 1,3·10 –15 m. Valoarea sa aproximativă se datorează faptului că valoarea razei nucleului, obţinută din distribuţia materiei nucleare, diferă de valoarea razei obţinute din distribuţia sarcinii. Aceasta înseamnă că sarcina și materia sunt distribuite în interiorul nucleului într-un mod diferit.

În cadrul teoriei nucleare, se utilizează cantitatea 1 fermi = 1 f= 10 -15 m.

Atunci raza miezului este .

Spinul nuclear I este momentul unghiular total al nucleului. Pentru un nucleu cu un număr de masă A este egal cu: (13.4)

În această expresie, primul termen din dreapta este egal cu momentul total de spin al nucleonilor, iar al doilea termen este egal cu momentul orbital total al nucleonilor din nucleu. Valori Siși eu sunt determinate de valorile corespunzătoare numere cuantice: s p = s n= 1/2 și l = 0, 1, 2, ...

Momentul magnetic al nucleului μ i este suma momentelor magnetice intrinseci ale protonilor și neutronilor și a momentelor magnetice orbitale ale protonilor (un neutron are un moment magnetic orbital zero pentru orice l).

Deci, nucleul conține A nucleonii. Cu toate acestea, nu toate combinațiile de protoni și neutroni formează nuclee stabile. Acest lucru se datorează existenței nivelurilor de energie nucleară. Deoarece atât protonii, cât și neutronii sunt fermioni (spinul lor s = 1/2), atunci la fiecare nivel nu pot exista mai mult de doi protoni și doi neutroni. Nivelurile sunt umplute conform principiului minimizării sistemului de particule unite. De exemplu, luați în considerare doi izotopi și . Primele lor două niveluri (Fig. 13.1) sunt umplute în același mod.

Orez. 13.1 Izotop stabil al carbonului și izotop instabil al borului

La ultimul nivel, al 12-lea neutron este situat în nuclid, în timp ce, în același timp, la nivelul anterior, nu există suficient proton până nu este complet umplut. Energia unui sistem de trei neutroni și un proton va fi mai mare decât energia unui sistem de doi protoni și doi neutroni. Prin urmare, izotopul nu va fi stabil și se va degrada destul de repede. În același timp, izotopul (conținând 5 protoni și 6 neutroni) este stabil.

În nuclee ușoare ( A< 20), как правило, число протонов и нейтронов одинаково (или отличается не единицу в случае ядер с нечетным числом нуклонов, причем число нейтронов обязательно mai mult număr protoni). În nucleele grele, proporția de neutroni este din ce în ce mai mare. În astfel de nuclee, pe lângă principiul minimizării energiei, repulsia coulombiană a protonilor se dovedește a fi semnificativă. În nucleele cu mai mult de 10 protoni, această repulsie este atât de puternică încât pentru stabilitatea nucleului, această forță trebuie compensată cu ceva. Între neutroni acționează doar forțe nucleare atractive. Prin urmare, o creștere a numărului de neutroni din compoziția nucleului duce la un echilibru de forțe, adică. la stabilitatea nucleului.

Nucleul unui atom al oricărei substanțe este format din protoni și neutroni. ( Denumirea comună protoni și neutroni – nucleoni.) Numărul de protoni este egal cu sarcina nucleului și coincide cu numărul elementului din tabelul periodic. Suma numărului de protoni și neutroni este egală cu numărul de masă. De exemplu, nucleul unui atom de oxigen este format din 8 protoni și 16 - 8 = 8 neutroni. Nucleul unui atom este format din 92 de protoni și 235 - 92 = 143 de neutroni.

Se numesc forțele care rețin protonii și neutronii în nucleu forte nucleare. Acesta este cel mai puternic tip de interacțiune.

Dacă comparăm masele nucleelor ​​cu masele nucleonilor, se dovedește că masa nucleului elementelor grele este mai mare decât suma maselor de protoni și neutroni din nucleu, iar pentru elementele ușoare masa nucleului este mai mică decât suma maselor de protoni și neutroni din nucleu. Prin urmare, există o diferență de masă între masa nucleului și suma maselor de protoni și neutroni, numită defect de masă. M = Mn - (Mp + Mn).

Întrucât există o legătură între masă și energie, atunci în timpul fisiunii nucleelor ​​grele și în timpul sintezei nucleelor ​​ușoare trebuie eliberată energia care există din cauza defectului de masă, iar această energie se numește energia de legare a nucleului atomic.

Această energie poate fi eliberată în timpul reacțiilor nucleare. O reacție nucleară este un proces de modificare a sarcinii nucleului și a masei acestuia, care are loc atunci când nucleul interacționează cu alte nuclee sau particule elementare. În cursul reacțiilor nucleare, legile de conservare sunt îndeplinite sarcini electriceși numerele de masă: suma sarcinilor (numerele de masă) ale nucleelor ​​și particulelor care intră într-o reacție nucleară este egală cu suma sarcinilor (numerele de masă) ale produselor finali (nuclee și particule) ale reacției.

O reacție în lanț de fisiune este o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția sunt formate ca produse ale acelei reacții. Izotopul de uraniu 235 U are capacitatea de a efectua o reacție nucleară în lanț În prezența anumitor parametri critici (masă critică - 50 kg, formă sferică cu o rază de 9 cm), trei neutroni eliberați în timpul fisiunii primului nucleu se încadrează în trei nuclee învecinate etc. Procesul se desfășoară sub forma unei reacții în lanț care se desfășoară într-o fracțiune de secundă sub forma explozie nucleara. Reacția nucleară necontrolată este utilizată în bombe atomice. Pentru prima dată, fizicianul Enrico Fermi a rezolvat problema controlului reacției în lanț a fisiunii nucleare. Au inventat reactor nuclearîn 1942. La noi, reactorul a fost lansat în 1946 sub conducerea lui IV Kurchatov.

Reacțiile termonucleare sunt reacții de fuziune a nucleelor ​​ușoare care apar atunci când temperatura ridicata(aproximativ 107 K și mai sus). Condițiile necesare pentru sinteza nucleelor ​​de heliu din protoni se găsesc în interiorul stelelor. Pe Pământ, o reacție termonucleară s-a desfășurat doar în explozii experimentale, deși cercetări internaționale sunt în desfășurare pentru a controla această reacție.

aceasta direcții promițătoare energie nucleară. Deoarece această energie poate fi folosită în scopuri pașnice. Centralele nucleare sunt un exemplu în acest sens. Nave navale, spărgătoare de gheață alimentate de instalații nucleare.

24/2. Sarcină experimentală pe tema „Cinematică”: verificarea dependenței timpului în care mingea se mișcă de-a lungul unui jgheab înclinat de unghiul jgheabului (2-3 experimente).

Aveți la dispoziție un jgheab, o riglă, o minge, un cronometru și un cilindru metalic.

Instalați un capăt al jgheabului la o înălțime mică H (1-2 cm) deasupra suprafeței mesei și plasați un cilindru la capătul jgheabului. Măsurați timpul necesar mingii, lansată din repaus din partea de sus a jgheabului, pentru a ajunge la cilindru. Faceți înălțimea vârfului jgheabului egală cu 2H și măsurați din nou timpul de mișcare a mingii.

Rezultatele experimentelor confirmă presupunerea că timpul de mișcare a bilei a scăzut de 2 ori atunci când înălțimea punctului superior al jgheabului a fost dublată?

25/1. Radioactivitate. Tipuri de emisii radioactive și metode de înregistrare a acestora. Efectul radiațiilor ionizante asupra organismelor vii.

În 1896, Becquerel a descoperit că sărurile de uraniu sunt spontane, fără niciuna influente externe, creează un fel de radiație. La fel ca razele X, această radiație a ionizat aerul și a descărcat electroscopul. Studii ulterioare efectuate de Maria Sklodowska-Curie și Pierre Curie au arătat că radiația THORium și noile elemente descoperite de ei - RADIUM și POLONIA - au aceleași proprietăți. Fenomenul de radiație spontană se numește RADIOACTIVITATE.

Experiment clasic de determinare a compoziției

radiația radioactivă a fost furnizată de Rutherford. El a plasat un preparat radioactiv în partea de jos a unui canal îngust de plumb și a trecut un fascicul subțire de raze care ieșea din gaură printr-un câmp magnetic. În timpul dezvoltării unei plăci fotografice situate în calea razelor, au fost găsite trei puncte luminoase - locurile în care razele lovesc.

Astfel, s-a constatat că radiațiile radioactive sunt formate din trei părți care se comportă diferit într-un câmp magnetic. Componenta negativă a radiației (razele beta) a deviat cel mai puternic, componenta pozitivă a experimentat o abatere mai mică (razele alfa), iar o treime din raze (razele gamma) nu a deviat deloc.

Cercetările au făcut posibilă elucidarea naturii acestor radiații.

RAZELE ALFA sunt nucleele atomilor de heliu care zboară cu o viteză de aproximativ 15.000-30.000 km/s. Ei au sarcină pozitivă si respins camp magnetic la stânga (după figură). Datorită masei mari de particule, abaterea este mică. Particulele alfa au putere de penetrare scăzută. O foaie de hârtie le întârzie.

RAZELE BETA sunt electroni care zboară cu o viteză apropiată de viteza luminii. Ele sunt deviate de câmpul magnetic spre dreapta (conform figurii). Datorită masei mici, deviația razelor beta este de multe ori mai mare decât cea a particulelor alfa. Razele beta au o putere de penetrare mai mare. Pentru a le opri, trebuie să plasați o placă de aluminiu pe drum.

razele GAMMA sunt unde electromagnetice cu o lungime de undă foarte mică (mai mică decât raze X). Magnetic și câmpuri electrice nu sunt respinse. Razele gamma au proprietăți similare cu razele X. Au o mare putere de penetrare. Nici măcar o foaie de plumb de 1 cm grosime nu îi oprește complet. Viteza de propagare a razelor gamma este aceeași cu cea a altor unde electromagnetice - 300.000 km/s.

Radiația ionizantă este înregistrată folosind un contor Geiger, o cameră cu nori, o cameră cu bule și metoda emulsiei. Contorul Geiger vă permite să înregistrați electroni și razele gamma de înaltă energie. Particulele alfa nu intră în tejghea din cauza puterii scăzute de penetrare. În 1912, a fost inventată o cameră cu nori, care a făcut posibilă nu numai înregistrarea particulelor, ci și observarea traiectoriilor (urmele). Prin plasarea camerei într-un câmp magnetic, a fost posibil să se măsoare raportul încărcare-masă al particulelor și să le recunoască.

Radiațiile radioactive au un efect negativ asupra organismelor vii. Chiar și la putere de radiație scăzută, pot apărea boala de radiații și moartea. Efectul radiațiilor este caracterizat de DOZA DE RADIAȚIE ABSORBĂ D, care este egală cu raportul dintre energia absorbită E a radiației ionizante și masa M a substanței iradiate:

În SI, doza de radiație absorbită este exprimată în GREYAH (1 Gy) 1 Gy este egal cu doza de radiație absorbită, la care energia radiației ionizante de 1 J este transferată substanței iradiate cu o masă de 1 kg. doza de 3 - 10 Gy primită într-un timp scurt este letală. În practică, este adesea folosită o altă unitate - RENTGEN (1 R). 1R este aproximativ egal cu 0,01 Gy.