nucleul atomic
Nucleul atomic

nucleul atomic - partea centrală și foarte compactă a atomului, în care aproape toată masa sa și toate pozitive incarcare electrica. Nucleul, ținând aproape de sine de forțele Coulomb, electronii într-o cantitate care îi compensează sarcină pozitivă, formează un atom neutru. Majoritatea nucleelor ​​au o formă apropiată de sferică și un diametru de ≈ 10 -12 cm, care este cu patru ordine de mărime mai mic decât diametrul unui atom (10 -8 cm). Densitatea materiei din miez este de aproximativ 230 milioane tone/cm 3 .
Nucleul atomic a fost descoperit în 1911 ca urmare a unei serii de experimente privind împrăștierea particulelor alfa prin folii subțiri de aur și platină, efectuate la Cambridge (Anglia) sub conducerea lui E. Rutherford. În 1932, după descoperirea neutronului de către J. Chadwick, a devenit clar că nucleul este format din protoni și neutroni.
(V. Heisenberg, D.D. Ivanenko, E. Majorana).
Pentru a desemna nucleul atomic, se folosește simbolul elementului chimic al atomului, care include nucleul, iar indexul din stânga sus al acestui simbol arată numărul de nucleoni (numărul de masă) din acest nucleu și indicele din stânga jos. arată numărul de protoni din el. De exemplu, este notat un nucleu de nichel care conține 58 de nucleoni, dintre care 28 sunt protoni. Același nucleu poate fi, de asemenea, desemnat 58 Ni sau nichel-58.

Nucleul este un sistem de protoni și neutroni dens împachetate care se mișcă cu o viteză de 10 9 -10 10 cm/sec și sunt ținute de forțe nucleare puternice și cu rază scurtă de atractie reciprocă (aria lor de acțiune este limitată de distanțe de ≈ 10 -13 cm). Protonii și neutronii au o dimensiune de aproximativ 10 -13 cm și sunt considerați ca două stări diferite ale unei singure particule numite nucleon. Raza nucleului poate fi estimată aproximativ prin formula R ≈ (1,0-1,1)·10 -13 A 1/3 cm, unde A este numărul de nucleoni (numărul total de protoni și neutroni) din nucleu. Pe fig. 1 arată cum se modifică densitatea materiei (în unități de 10 14 g/cm3) în interiorul nucleului de nichel, format din 28 de protoni și 30 de neutroni, în funcție de distanța r (în unități de 10 -13 cm) până la centrul nucleu.
Interacțiunea nucleară (interacțiunea dintre nucleonii din nucleu) are loc datorită faptului că nucleonii fac schimb de mezoni. Această interacțiune este o manifestare a interacțiunii puternice mai fundamentale dintre quarci care alcătuiesc nucleonii și mezonii (în mod similar, forțele de legătură chimică în molecule sunt o manifestare a forțelor electromagnetice mai fundamentale).
Lumea nucleelor ​​este foarte diversă. Sunt cunoscute aproximativ 3000 de nuclee, care diferă între ele fie prin numărul de protoni, fie prin numărul de neutroni, fie ambele. Cele mai multe dintre ele sunt obținute artificial.
Doar 264 de nuclee sunt stabile, adică. nu experimentați transformări spontane, numite dezintegrari, în timp. Restul experimentează diferite forme de dezintegrare - dezintegrare alfa (emisia unei particule alfa, adică nucleul unui atom de heliu); dezintegrarea beta (emisia simultană a unui electron și a unui antineutrin sau a unui pozitron și a unui neutrin, precum și absorbția unui electron atomic cu emisia unui neutrin); dezintegrarea gamma (emisia de fotoni) și altele.
Diferite tipuri de nuclee sunt adesea denumite nuclizi. Nuclizii cu același număr de protoni și numere diferite de neutroni se numesc izotopi. Nuclizii cu același număr de nucleoni dar cu rapoarte diferite de protoni și neutroni se numesc izobare. Nucleele ușoare conțin un număr aproximativ egal de protoni și neutroni. În nucleele grele, numărul de neutroni este de aproximativ 1,5 ori numărul de protoni. Cel mai ușor nucleu este nucleul atomului de hidrogen, care constă dintr-un proton. Cele mai grele nuclee cunoscute (sunt obținute artificial) au un număr de nucleoni de ≈290. Dintre aceștia, 116-118 sunt protoni.
Diferite combinații ale numărului de protoni Z și neutroni corespund diferitelor nuclee atomice. Nucleele atomice există (adică durata lor de viață t > 10 -23 s) într-un interval destul de restrâns de modificări ale numerelor Z și N. În acest caz, toate nucleele atomice sunt împărțite în două grupuri mari - stabile și radioactive (instabile). Nuclei stabili se grupează în apropierea liniei de stabilitate, care este dată de ecuație

Pe fig. 2 prezintă o diagramă NZ a nucleelor ​​atomice. Punctele negre arată nuclee stabile. Zona în care se află nucleele stabile se numește de obicei valea stabilității. În partea stângă a nucleelor ​​stabile sunt nuclee supraîncărcate cu protoni (nuclee bogate în protoni), în dreapta - nuclee supraîncărcate cu neutroni (nuclee bogate în neutroni). Nucleele atomice descoperite în prezent sunt evidențiate în culoare. Sunt aproximativ 3,5 mii dintre ele. Se crede că ar trebui să fie 7 - 7,5 mii dintre ele în total. Nucleele bogate în protoni (culoarea purpurie) sunt radioactive și se transformă în altele stabile în principal ca urmare a descompunerilor β +, protonul care face parte din nucleu se transformă într-un neutron. Nucleele bogate în neutroni (culoare albastră) sunt, de asemenea, radioactive și devin stabile ca urmare a descompunerilor - -, odată cu transformarea unui nucleu neutron într-un proton.
Cei mai grei izotopi stabili sunt cei de plumb (Z = 82) și bismut (Z = 83). Nucleele grele, împreună cu procesele de dezintegrare β + și β -, sunt, de asemenea, supuse dezintegrarii α ( galben) și fisiunea spontană, care devin principalele lor canale de descompunere. Linia punctată din fig. 2 conturează regiunea de posibilă existență a nucleelor ​​atomice. Linia B p = 0 (B p este energia de separare a protonilor) limitează regiunea de existență a nucleelor ​​atomice din stânga (linia de picurare a protonilor). Linia B n = 0 (B n este energia de separare a neutronilor) este în dreapta (linia de picurare a neutronilor). În afara acestor limite, nucleele atomice nu pot exista, deoarece se degradează într-o caracteristică timp nuclear(~10 -23 – 10 -22 s) cu emisie de nucleoni.
La conectarea (sinteza) a două nuclee ușoare și fisiunea unui nucleu greu în două fragmente mai ușoare, se eliberează multă energie. Aceste două metode de obținere a energiei sunt cele mai eficiente dintre toate cunoscute. Deci 1 gram de combustibil nuclear este echivalent cu 10 tone de combustibil chimic. Fuziunea nucleelor ​​(reacții termonucleare) este sursa de energie pentru stele. Fuziunea necontrolată (explozivă) are loc atunci când o bombă termonucleară (sau așa-numita „hidrogen”) este detonată. Sinteza controlată (lentă) stă la baza unei surse de energie promițătoare în curs de dezvoltare - un reactor termonuclear.
Fisiunea necontrolată (explozivă) are loc în timpul exploziei unei bombe atomice. Fisiunea controlată se desfășoară în reactoarele nucleare, care sunt surse de energie în centralele nucleare.
Pentru descrierea teoretică a nucleelor ​​atomice se utilizează mecanica cuantică și diverse modele.
Nucleul se poate comporta atât ca gaz (gaz cuantic), cât și ca lichid (lichid cuantic). Lichidul nuclear rece are proprietățile superfluidității. Într-un nucleu puternic încălzit, nucleonii se descompun în quarcii lor constitutivi. Acești quarci interacționează prin schimbul de gluoni. Ca urmare a unei astfel de dezintegrare, setul de nucleoni din interiorul nucleului se transformă într-o nouă stare a materiei - plasmă cuarc-gluon

Compoziția nucleului unui atom

În 1932 după descoperirea protonului și neutronului de către oamenii de știință D.D. Ivanenko (URSS) și W. Heisenberg (Germania) au propus proton-neutronmodelnucleul atomic.
Conform acestui model, miezul este format din protoni si neutroni. Numărul total de nucleoni (adică protoni și neutroni) se numește numar de masa A: A = Z + N . Nucleele elementelor chimice sunt notate cu simbolul:
X este simbolul chimic al elementului.

De exemplu, hidrogen

Sunt introduse o serie de notații pentru a caracteriza nucleele atomice. Numărul de protoni care formează nucleul atomic este notat prin simbol Z si suna numărul de taxare (acesta este numărul de serie din tabelul periodic al lui Mendeleev). Sarcina nucleară este Ze , Unde e – sarcina elementara. Numărul de neutroni este notat cu simbolul N .

forte nucleare

Pentru ca nucleele atomice să fie stabile, protonii și neutronii trebuie să fie ținuți în interiorul nucleelor ​​de forțe uriașe, de multe ori mai mari decât forțele de respingere Coulomb ale protonilor. Forțele care rețin nucleonii în nucleu se numesc nuclear . Ele sunt o manifestare a celei mai intense dintre toate tipurile de interacțiune cunoscute în fizică - așa-numita interacțiune puternică. Forțele nucleare sunt de aproximativ 100 de ori mai mari decât forțele electrostatice și sunt de zeci de ordine de mărime mai mari decât forțele interacțiunii gravitaționale ale nucleonilor.

Forțele nucleare au următoarele proprietăți:

• au forțe atractive
• sunt forțele rază scurtă(apar la distante mici intre nucleoni);
• forțele nucleare nu depind de prezența sau absența unei sarcini electrice pe particule.

Defectul de masă și energia de legare a nucleului unui atom

Cel mai important rol în fizica nucleara joacă concept energie nucleară de legare .

Energia de legare a nucleului este egală cu energia minimă care trebuie cheltuită pentru divizarea completă a nucleului în particule individuale. Din legea conservării energiei rezultă că energia de legare este egală cu energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din particule individuale.

Energia de legare a oricărui nucleu poate fi determinată prin măsurarea precisă a masei acestuia. În prezent, fizicienii au învățat să măsoare masele de particule - electroni, protoni, neutroni, nuclee etc. - cu o precizie foarte mare. Aceste măsurători arată că masa oricărui nucleu M i este întotdeauna mai mic decât suma maselor protonilor și neutronilor săi constituenți:

Se numește diferența de masă defect de masă. Pe baza defectului de masă folosind formula Einstein E = mc 2 este posibil să se determine energia eliberată în timpul formării unui nucleu dat, adică energia de legare a nucleului E Sf:

Această energie este eliberată în timpul formării nucleului sub formă de radiație de γ-quanta.

Energie nucleară

În țara noastră, prima centrală nucleară din lume a fost construită și lansată în 1954 în URSS, în orașul Obninsk. Construcția de centrale nucleare puternice este în curs de dezvoltare. În prezent, în Rusia funcționează 10 centrale nucleare. După accident pe Centrala nucleara de la Cernobîl au fost luate măsuri suplimentare pentru a asigura siguranța reactoarelor nucleare.

Avantajele NPP:

• independență practică față de sursele de combustibil datorită cantității mici de combustibil utilizat;
• prietenos cu mediul cu funcționare adecvată.

Probleme legate de energia nucleară:

Atomul este sistem complex care conțin anumite particule. Fizicianul englez E. Rutherford a propus un model nuclear (planetar) al structurii atomului. Principalele prevederi ale modelului nuclear al atomului.
1. Nucleul are o dimensiune foarte mică (diametrul atomului este de 10-10 m, diametrul nucleului este de ~10-15 m).
2. Nucleul are sarcină pozitivă.
3. Aproape toată masa unui atom se află în nucleu.
Nucleul este format din nucleoni: protoni și neutroni.

G. Moseley (Anglia) a constatat că sarcina pozitivă a nucleului atomic (în unități convenționale) este egală cu numărul ordinal al elementului din sistemul periodic al lui Mendeleev. Fiecare proton are o sarcină de +1, deci sarcina nucleară este egală cu numărul de protoni.
Masa protonului, ca și masa neutronului, este de aproximativ 1840 de ori masa electronului. Protonii și neutronii sunt în nucleu, deci masa unui atom este aproape egală cu masa nucleului. Masa unui nucleu, ca și masa unui atom, este determinată de suma numărului de protoni și a numărului de neutroni. Această sumă se numește numărul de masă al atomului. Numărul de masă al unui atom (A) = Numărul de protoni (Z) + Numărul de neutroni (N) A=Z+N
Protonii și neutronii, care fac parte din orice nucleu, nu sunt particule elementare indivizibile, ci constau din quarci.

Cuarcii, la rândul lor, interacționează între ei, schimbând continuu gluoni - purtători ai unei interacțiuni cu adevărat puternice (este de mii de ori mai puternic decât cel care acționează între protoni și neutroni din nucleu). Ca rezultat, protonii și neutronii se dovedesc a fi sisteme foarte puternic legate, care nu pot fi descompuse în părți componente.

Atomii aceluiași element care au numere de masă diferite se numesc izotopi. Atomii izotopilor aceluiași element au același număr de protoni (Z) și diferă între ei prin numărul de neutroni (N). Izotopii sunt notați prin simbolurile elementelor corespunzătoare, în stânga cărora este scris numărul de masă al izotopului în partea de sus. De exemplu: 12C este un izotop al carbonului cu un număr de masă de 12.

Mărimea unui nucleu atomic depinde de numărul lor de masă. Volumul nucleului este proporțional cu A, iar dimensiunea sa liniară este proporțională cu A1/3. Raza efectivă R nucleul este definit de egalitatea: R = aa 1/3, unde constantă A este (1,1-1,4) x 10-13 cm, în funcție de experimentul fizic în care se măsoară R. Această egalitate arată că R variaza de la 10-13 la 10-12 cm.Densitatea materiei nucleare este extrem de mare in comparatie cu densitatea substantelor obisnuite si este de aproximativ 1014 g/cm3. Densitatea distribuției nucleonilor în nucleu este aproape constantă în partea centrală și scade exponențial la periferie. Nucleonii din nucleu sunt mobili. Există forțe de tensiune superficială în miez.

FORȚELE NUCLARE

Între protoni încărcați egal, forțele repulsive electrostatice acționează, dar nucleul nu se „împrăștie” în particule separate, deoarece forțele nucleare acționează între protoni și neutroni din interiorul nucleului - forțe atractive care sunt mult mai mari decât cele electrostatice. Forțele nucleare sunt de 100 de ori mai mari decât forțele electrostatice și se numesc interacțiune puternică (aceasta este o interacțiune de schimb).
Forțele nucleare se manifestă numai la distanțe în interiorul nucleului, prin urmare sunt considerate cu rază scurtă de acțiune, în timp ce forțele electrostatice sunt cu rază lungă.

Forțele nucleare sunt forțe de atracție, deoarece păstrează nucleonii în interiorul nucleului (cu o abordare foarte puternică a nucleonilor, forțele nucleare dintre ei au caracter de repulsie).

Proprietățile forțelor nucleare:

1. Forțele nucleare nu sunt forte electrice, deoarece aceștia acționează nu numai între protoni, ci și între neutroni fără încărcare, și nu gravitaționali, care sunt prea mici pentru a explica efectele nucleare.

2. Sfera de aplicare a forțelor nucleare este neglijabilă. Raza acțiunii lor este de 10-13 cm. La distanțe mari dintre particule, interacțiunea nucleară nu se manifestă.

3. Fortele nucleare (in zona in care actioneaza) sunt foarte intense. Intensitatea lor este mult mai mare decât intensitatea forțelor electromagnetice, deoarece forțele nucleare păstrează în interiorul nucleului protoni încărcați asemănător, respingându-se reciproc cu forțe electrice uriașe.

4. Studiul gradului de legare a nucleonilor din diferite nuclee arată că forțele nucleare au o proprietate de saturație similară cu valența forțelor chimice. În conformitate cu această proprietate a forțelor nucleare, unul și același nucleon nu interacționează cu toți ceilalți nucleoni ai nucleului. Dar numai cu câțiva vecini.

5. Cea mai importantă proprietate a forțelor nucleare este independența lor de sarcină, adică identitatea celor trei tipuri de interacțiuni nucleare: între doi protoni, între un proton și un neutron și între doi neutroni.

6. Forțele nucleare sunt necentrale.

ENERGIA DE LEGARE A NUCLEILOR ATOMICI ȘI DEFECTUL DE MASĂ

Nucleele atomilor sunt sisteme puternic legate de un numar mare nucleonii.
Pentru divizarea completă a nucleului în părțile sale constitutive și îndepărtarea lor la distanțe mari unul de celălalt, este necesar să cheltuiți o anumită cantitate de muncă A.

Energia de legare este energia egal cu munca, ceea ce trebuie făcut pentru a împărți nucleul în nucleoni liberi.

Legături E = - A

Conform legii conservării, energia de legare este simultan egală cu energia care este eliberată în timpul formării unui nucleu din nucleoni liberi individuali. Energia de legare specifică este energia de legare per nucleon.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image003_73.gif" width="163" height="38">
Defectul de masă este o măsură a energiei de legare a unui nucleu atomic.

Defectul de masă este egal cu diferența dintre masa totală a tuturor nucleonilor nucleului în stare liberă și masa nucleului:

unde Mm este masa nucleului (din cartea de referință)
Z este numărul de protoni din nucleu
m p este masa în repaus a unui proton liber N este numărul de neutroni din nucleu
m n este masa în repaus a unui neutron liber
Scăderea masei în timpul formării unui nucleu înseamnă că energia sistemului de nucleoni scade. Energia de interacțiune a nucleonilor este mare; se numește intranuclear sau nuclear.

ACȚIUNI NUCLARE

Reacție nucleară - procesul de transformare a nucleelor ​​atomice, care are loc atunci când interacționează cu particulele elementare, cuante gamma și între ele, ducând adesea la eliberarea de energie colosală. Procesele spontane (care au loc fără influența particulelor incidente) în nuclee - de exemplu, dezintegrarea radioactivă - nu sunt de obicei clasificate ca reacții nucleare. Pentru a realiza o reacție între două sau mai multe particule, este necesar ca particulele (nucleele) care interacționează să se apropie una de cealaltă la o distanță de ordinul 10-13 cm, adică intervalul caracteristic al forțelor nucleare. Reacțiile nucleare pot apărea atât cu eliberarea, cât și cu absorbția energiei. Reacțiile de primul tip, exoterme, servesc ca bază a energiei nucleare și sunt sursa de energie pentru stele. Reacțiile care merg cu absorbția de energie (endotermă) pot apărea numai dacă energia cinetică a particulelor care se ciocnesc (în sistemul centrului de masă) este peste o anumită valoare (pragul de reacție).

Când o particulă incidentă se ciocnește cu un nucleu atomic, între ele are loc un schimb de energie și impuls, în urma căruia se pot forma mai multe particule care zboară în direcții diferite din regiunea de interacțiune. Astfel de procese se numesc reacții nucleare.

Radioactivitate. Legea dezintegrarii radioactive.

Radioactivitate- transformari spontane ale nucleelor ​​atomice, insotite de emisia de particule elementare sau nuclee mai usoare. Nucleele supuse unor astfel de transformări se numesc radioactive, iar procesul de transformare se numește dezintegrare radioactivă.

Dezintegrarea radioactivă este posibilă numai atunci când este favorabilă din punct de vedere energetic, adică însoțită de eliberarea de energie. Condiția pentru aceasta este excesul de masă M a nucleului inițial al sumei maselor mi ale produselor de dezintegrare, adică inegalitatea:

Din cele aproximativ 3.000 de nuclee cunoscute (majoritatea obținute artificial), doar 264 nu sunt radioactive.

Nucleele radioactive pot emite particule de trei tipuri: încărcate pozitiv și negativ și neutre. Aceste trei tipuri de radiații au fost numite radiații α-, β- și γ. Pe poza 1. este prezentată schema experimentului, ceea ce face posibilă detectarea compoziției complexe a radiațiilor radioactive. Într-un câmp magnetic, razele α și β deviază în direcții opuse, iar razele β deviază mult mai mult. razele γ într-un câmp magnetic nu deviază deloc.

În al doilea deceniu al secolului XX, după descoperirea de către E. Rutherford a structurii nucleare a atomilor, s-a stabilit ferm că radioactivitatea este proprietatea nucleelor ​​atomice. Studiile au arătat că razele α reprezintă un flux de particule α - nuclee de heliu DIV_ADBLOCK320">

Principalele tipuri de dezintegrare radioactivă sunt dezintegrarea alfa (emisia de particule alfa de către nuclee), dezintegrarea beta (emisia (sau absorbția) unui electron, precum și antineutrino, sau emisia unui pozitron și neutrin), degradarea gamma (emisia de gama gamma). raze) și fisiune spontană.(dezintegrarea nucleului în două fragmente de masă comparabilă).

Dezintegrarea alfa . Dezintegrarea alfa este transformarea spontană a unui nucleu atomic cu numărul de protoni Zși neutroni Nîntr-un alt nucleu care conține un număr de protoni Z– 2 și neutroni N- 2. În acest caz, este emisă o particulă α - nucleul unui atom de heliu.

Schema generala: z XA = 2He4 + z-2 Y A-4.

Un exemplu de astfel de proces este dezintegrarea α a radiului:

Radiația α are cea mai mică putere de penetrare. În aer, în condiții normale, razele α parcurg o distanță de câțiva centimetri.

O substanță radioactivă poate emite particule α cu mai multe valori de energie discrete. Acest lucru se datorează faptului că nucleele pot fi în diferite stări excitate. Dezintegrarea α a nucleelor ​​în multe cazuri este însoțită de radiații γ.

Dezintegrarea beta. În dezintegrarea beta, un electron este emis din nucleu. Electronii nu pot exista în interiorul nucleelor, ei apar în timpul dezintegrarii β ca urmare a transformării unui neutron într-un proton. Acest proces poate avea loc nu numai în interiorul nucleului, ci și cu neutroni liberi..gif" alt="(!LANG:http:///courses/op25part2/content/javagifs/-9.gif" width="12" height="48"> + .!}

Electronii β pot avea viteze diferite într-o gamă largă de valori.

În timpul dezintegrarii β, numărul de sarcină Z crește cu unu, în timp ce numărul de masă A rămâne neschimbat.

z XA \u003d -1 e0 + z + 1 Y A.

Un exemplu tipic de descompunere β este transformarea unui izotop de toriu care rezultă din degradarea α a uraniului în paladiu

Razele β sunt mult mai puțin absorbite de materie . Ele sunt capabile să treacă printr-un strat de aluminiu gros de câțiva milimetri.

Alături de dezintegrarea electronică β, a fost descoperită așa-numita dezintegrare a pozitronului β+, în care un pozitron și un neutrin zboară din nucleu.

Un pozitron este o particulă geamănă a unui electron care diferă de acesta doar prin semnul sarcinii.. Pozitronii apar ca rezultat al reacției de transformare a unui proton într-un neutron conform următoarei scheme:

Dezintegrarea gamma. Spre deosebire de α- și β-radioactivitate, γ-radioactivitatea nucleelor ​​nu este asociată cu o modificare a structurii interne a nucleului și nu este însoțită de o modificare a sarcinii sau a numerelor de masă. razele γ au cea mai mare putere de penetrare, putând trece printr-un strat de plumb de 5–10 cm grosime.

Atât în ​​dezintegrarea α cât și în cea β, nucleul fiică poate fi într-o stare excitată și poate avea un exces de energie. Trecerea nucleului de la starea excitată la starea fundamentală este însoțită de emisia uneia sau mai multor γ-quante, a căror energie poate atinge câțiva MeV.

Legea dezintegrarii radioactive.

Orice probă de material radioactiv conține un număr mare de atomi radioactivi. Deoarece dezintegrarea radioactivă este aleatorie și nu depinde de conditii externe, atunci legea scăderii numărului N (t) de nuclee care nu s-au degradat într-un timp dat t poate servi ca un important caracteristică statistică proces de dezintegrare radioactivă

Legea exponențială a dezintegrarii radioactive, care arată cum se modifică (în medie) numărul N de nuclee radioactive dintr-o probă cu timpul t

unde N0 este numărul de nuclee inițiale la momentul inițial (momentul formării lor sau începutul observării) și este constanta de dezintegrare (probabilitatea dezintegrarii unui nucleu radioactiv pe unitatea de timp).

Prin această constantă, se poate exprima durata medie de viață a unui nucleu radioactiv = 1/,

Pentru utilizare practică, este convenabil să scrieți legea dezintegrarii radioactive într-o altă formă, folosind numărul 2 ca bază și nu e:

Valoare T numit jumătate de viață . Pe parcursul T jumătate din numărul inițial de nuclee radioactive se descompune. Cantitati Tși τ sunt legate prin

În timpul descompunerii radioactive α și β, nucleul fiică poate fi, de asemenea, instabil. Prin urmare, sunt posibile o serie de dezintegrari radioactive succesive, care se termină cu formarea de nuclee stabile.

Caracteristicile dezintegrarii radioactive, în special rata acesteia (timp de înjumătățire), sunt afectate semnificativ de forțele (interacțiunile) care provoacă dezintegrarea. Dezintegrarea alfa este inițial determinată de forța puternică, dar rata sa este determinată de bariera Coulomb ( interacțiune electromagnetică). Dezintegrarea beta este cauzată de forța slabă, în timp ce dezintegrarea gamma este cauzată de forța electromagnetică.

Aplicație.

O aplicație interesantă a radioactivității este metoda de datare a descoperirilor arheologice și geologice prin concentrare izotopi radioactivi. Metoda cea mai des folosită este datarea cu radiocarbon. Un izotop de carbon instabil apare în atmosferă din cauza reactii nucleare cauzate de razele cosmice. Un mic procent din acest izotop se găsește în aer împreună cu izotopul stabil obișnuit.Plantele și alte organisme consumă carbon din aer și acumulează ambii izotopi în aceeași proporție ca și în aer. După moartea plantelor, acestea încetează să mai consume carbon și izotopul instabil se transformă treptat în azot ca urmare a descompunerii β cu un timp de înjumătățire de 5730 de ani. Măsurând cu precizie concentrația relativă de carbon radioactiv în rămășițele organismelor antice, este posibil să se determine momentul morții lor.

Lectură suplimentară.

Fenomenul de radioactivitate a fost descoperit în 1896 de A. Becquerel. În 1899, E. Rutherford a descoperit că uraniul emite particule încărcate pozitiv (-particule) și particule încărcate negativ (electroni). În 1900, P. Willard a descoperit particule neutre (-quanta) în timp ce studia degradarea uraniului. Fisiunea nucleară spontană a fost descoperită în 1940 și.

În procesul de dezintegrare β, se observă o încălcare aparentă a legii conservării energiei, deoarece energia totală a protonului și electronului care rezultă din dezintegrarea neutronului este mai mică decât energia neutronului. În 1931, W. Pauli a sugerat că în timpul dezintegrarii unui neutron, o altă particulă este eliberată cu masă și sarcină zero, care ia o parte din energie. Noua particulă a fost numită neutrino (neutron mic). Din cauza absenței unei sarcini și a unei mase într-un neutrin, această particulă interacționează foarte slab cu atomii materiei, așa că este extrem de dificil să o detectezi într-un experiment. Capacitatea de ionizare a neutrinilor este atât de mică încât un act de ionizare în aer cade pe aproximativ 500 km de cale. Această particulă a fost descoperită abia în 1953. În prezent, se știe că există mai multe varietăți de neutrini. În procesul de dezintegrare a neutronilor, se formează o particulă, care se numește antineutrino electronic. Este marcat cu un simbol. Prin urmare, reacția de dezintegrare a neutronilor se scrie astfel:

Existența pozitronului a fost prezisă de remarcabilul fizician P. Dirac în 1928. Câțiva ani mai târziu, pozitronul a fost descoperit în raze cosmice.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image035_8.gif" width="576 height=288" height="288">

Separat, pot fi distinse reacțiile pe fotonii γ (efect fotoelectric nuclear)

Pentru lectură suplimentară

Reacțiile nucleare sunt notate după cum urmează

a1 + a2 http://pandia.ru/text/77/503/images/image037_7.gif" width="140" height="122">

Etapa inițială a reacției se numește canal de intrare . Se numesc diferitele căi posibile pentru reacția din a doua etapă canale de ieșire.

Dacă se formează două particule în starea finală

a + A 100%" style="width:100.0%">

p + 14N 14N* + p

p + 14N 14O + n

p + 14N 13N + p + n

p + 14N 8p + 7n

În exemplul de mai sus al interacțiunii unui proton cu un nucleu de 14N, sunt observate următoarele canale de ieșire a reacției.
Imprăștirea elastică este o reacție nucleară în care tipul de particule și acestea stări cuantice nu se modifică ca urmare a interacțiunii (a).
În reacția (b), se formează aceleași particule în starea finală ca și în starea inițială, dar nucleul 14N se formează în starea excitată. Un astfel de proces se numește procesul de împrăștiere inelastică.
În reacții (c-e), se formează particule care nu erau în starea inițială.
Reacții de tip (c), când http://pandia.ru/text/77/503/images/image038_7.gif" alt="(!LANG:beta" width="10" height="20 src=">+-радиоактивными. !}
În reacția (e), se formează trei particule în starea finală.
La energii suficient de mari ale particulei incidente, este posibilă dezintegrarea completă a nucleului în nucleonii individuali constitutivi (e).
Am dat o clasificare a reacțiilor nucleare în funcție de tipul de particule formate în canalul de ieșire. Reacțiile nucleare sunt, de asemenea, clasificate după tipul de particule din canalul de intrare..gif" alt="(!LANG:arrow" width="21" height="17 src="> 16F + n!}
+ 14N http://pandia.ru/text/77/503/images/image031_9.gif" alt="(!LANG:gamma" height="20 src=">!}

Reacții în cadrul acțiunii http://pandia.ru/text/77/503/images/image031_9.gif" alt="(!LANG:gamma" height="20"> + 14N 13N + n!}
e-+ 14N http://pandia.ru/text/77/503/images/image036_7.gif" alt="(!LANG:arrow" width="21" height="17 src="> 13C + 17F!}

Dacă particulele încărcate sunt folosite ca particule incidente, ele trebuie să aibă suficientă energie cinetică pentru a depăși repulsia coulombiană a nucleului și a cădea în regiunea forțelor nucleare. (Dacă energia unei particule încărcate este mai mică decât înălțimea barierei Coulomb, probabilitatea unei reacții nucleare va fi puternic suprimată.) Fasciculele de particule cu energiile necesare sunt ușor de obținut la acceleratoarele moderne. Dacă energia particulei este insuficientă pentru a depăși bariera Coulomb, atunci aceasta va experimenta împrăștiere elastică în câmpul Coulomb al nucleului, descris de formula Rutherford. Pentru a studia caracteristicile nucleelor ​​atomice din regiunea cu energie scăzută, se folosesc neutroni, care nu trebuie să depășească bariera Coulomb. Sursele de fluxuri intense de neutroni sunt reactoarele nucleare.

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu.

Reacție nucleară în lanț.

· Fisiunea nucleelor ​​de uraniu

Fisiunea nucleelor ​​de uraniu a fost descoperită în 1938 de oamenii de știință germani O. Hahn și F. Strassmann. Ei au reușit să stabilească că la bombardarea nucleelor ​​de uraniu cu neutroni se formează elemente din partea de mijloc a sistemului periodic: bariu, cripton etc. Fizicianul austriac L. Meitner și fizicianul englez O. Frisch au dat interpretarea corectă a acestui fapt. . Ei au explicat apariția acestor elemente prin descompunerea nucleelor ​​de uraniu, care au capturat un neutron, în două părți aproximativ egale. Acest fenomen se numește fisiune nucleară, iar nucleele rezultate se numesc fragmente de fisiune.

Un atom de uraniu, care a absorbit un neutron, este excitat, deformat (nucleul este întins, forțele nucleare slăbesc odată cu creșterea distanțelor dintre nucleoni) și este rupt în două părți cu emisia a 2-3 neutroni.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image040_8.gif" alt="(!LANG:LaTeX: ~^(235)_(92)U" width="40 height=24" height="24"> выделяется очень большая энергия - около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов. Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии в окружающую среду.!}

În prezent, sunt cunoscuți aproximativ 100 de izotopi diferiți, cu numere de masă de la aproximativ 90 la 145, rezultate din fisiune. Două reacții de fisiune tipice ale acestui nucleu au forma:

http://pandia.ru/text/77/503/images/image040_8.gif" alt="(!LANG:LaTeX: ~^(235)_(92)U" width="40" height="24 src=">, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс и называется цепной реакцией.!}

http://pandia.ru/text/77/503/images/image044_7.gif" alt="(!LANG:LaTeX: ~^(238)_(92)U" width="40" height="24"> (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах с !} energie kineticăîn intervalul 0,5 ev - 1 Mev., în timp ce nucleele intră într-o reacție de fisiune numai cu neutroni rapizi cu o energie mai mare de 1 MeV, în caz contrar, energia de excitație a nucleelor ​​rezultate este insuficientă pentru fisiune și atunci, în loc de fisiune, au loc reacții nucleare:

Izotopul de uraniu β-radioactiv, timp de înjumătățire 23 min. Izotopul neptuniului este, de asemenea, radioactiv, cu un timp de înjumătățire de aproximativ 2 zile.

Izotopul plutoniului este relativ stabil, timpul de înjumătățire este de 24000 de ani (ca urmare a dezintegrarii α, )..gif" alt="(!LANG:LaTeX: ~^(239)_(94)Np" width="48" height="24"> может быть осуществлена цепная реакция.!}

Schema de reacție în lanț discutată mai sus este un caz ideal, în timp ce în condiții reale nu toți neutronii produși în timpul fisiunii participă la fisiunea altor nuclee. Unele dintre ele sunt captate de nuclee nefisibile ale atomilor străini, altele zboară din uraniu (scurgere de neutroni). Prin urmare, reacția în lanț de fisiune a nucleelor ​​grele nu are loc întotdeauna și nu pentru orice masă de uraniu. Pentru a înțelege această problemă, este necesar să luăm în considerare încă un concept - factor de multiplicare a neutronilor.

Dezvoltarea unei reacții în lanț este caracterizată de așa-numitul factor de multiplicare a neutronilor K, care este măsurat prin raportul dintre numărul de neutroni Ni care provoacă fisiunea nucleară a unei substanțe într-una dintre etapele reacției și numărul de Ni. -1 neutroni care au provocat fisiunea în etapa anterioară a reacției:

Factorul de multiplicare depinde de o serie de factori, în special de natura și cantitatea materialului fisionabil și de forma geometrică a volumului pe care îl ocupă. Aceeași cantitate dintr-o substanță dată are o valoare diferită a K. K este maximă dacă substanța are o formă sferică, deoarece în acest caz pierderea de neutroni prompti prin suprafață va fi cea mai mică.

Masa materialului fisionabil în care reacția în lanț are loc cu factorul de multiplicare K = 1 se numește masă critică. În bucăți mici de uraniu, majoritatea neutronilor, fără să lovească niciun nucleu, zboară afară.

Valoarea masei critice este determinată de geometrie sistem fizic, structura sa și mediul exterior. Deci, pentru o minge de uraniu pur, masa critică "href="/text/category/kriticheskaya_massa/" rel="bookmark">masa critică este de 47 kg (o bilă cu diametrul de 17 cm). Masa critică a uraniul poate fi redus de multe ori dacă folosiți așa-numiții moderatori de neutroni.Ceva este că neutronii produși în timpul dezintegrarii nucleelor ​​de uraniu au viteze prea mari, iar probabilitatea de captare a neutronilor lenți de către nucleele de uraniu-235 este de sute de de ori mai mare decât neutronii rapizi.Cel mai bun moderator de neutroni este apa grea D2O (deuteriu și oxigen) Apa obișnuită, atunci când interacționează cu neutronii, ea însăși se transformă în apă grea.

Un moderator bun este și grafitul, ale cărui nuclee nu absorb neutronii. La interacțiunea elastică cu nucleele de deuteriu sau de carbon, neutronii sunt încetiniți la viteze termice.

Utilizarea moderatoarelor de neutroni și a unui înveliș special de beriliu care reflectă neutronii face posibilă reducerea masei critice la 250 g.

Cu factorul de multiplicare K = 1, numărul de nuclee fisionabile se menține la un nivel constant. Acest mod este furnizat în reactoare nucleare.

Dacă masa combustibilului nuclear este mai mică decât masa critică, atunci factorul de multiplicare K< 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Dacă masa combustibilului nuclear este mai mare decât cea critică, atunci factorul de multiplicare K > 1 și fiecare nouă generație de neutroni provoacă toate Mai mult diviziuni. Reacția în lanț crește ca o avalanșă și are caracterul unei explozii, însoțită de o eliberare uriașă de energie și o creștere a temperaturii. mediu inconjurator până la câteva milioane de grade. O reacție în lanț de acest fel are loc la o explozie bombă atomică.

Reactor nuclear. Fuziunea termonucleară.

Deci, înainte de a vorbi despre reacții termonucleare și nucleare, vă sugerez să analizați puțin și

compara-le.

Reacția termonucleară este o reacție de fuziune nucleară în care elementele mai ușoare (izotopi grei ai hidrogenului - deuteriu și tritiu) formează altele grele mai albe - heliu.

O reacție nucleară este o reacție nucleară în lanț în care elementele mai ușoare sunt formate din elemente mai grele.

În practică, diferența constă în faptul că reacția de dezintegrare nucleară este relativ ușor de controlat, ceea ce nu se poate spune despre o reacție termonucleară, prin urmare, pe lângă semnificația militară, centralele nucleare au și o semnificație pașnică.

Oamenii de știință încă se luptă să obțină o modalitate ieftină de a controla o reacție de fuziune termonucleară și până acum fără rezultat. Dacă vorbim despre asemănările lor, atunci în ambele reacții se eliberează o cantitate mare de căldură, dar în fuziunea termonucleară este încă mai mult.

Reactor nuclear

Un reactor nuclear este o instalație care conține combustibil nuclear în care are loc o reacție controlată de fisiune în lanț.

Principiul de funcționare al unui reactor nuclear

În timpul descompunerii uraniului U235, se eliberează căldură, însoțită de eliberarea a doi sau trei neutroni. Conform statisticilor - 2,5. Acești neutroni se ciocnesc cu alți atomi de uraniu U235. Într-o coliziune, uraniul U235 se transformă într-un izotop instabil U236, care aproape imediat se descompune în Kr92 și Ba141 + acești 2-3 neutroni. Dezintegrarea este însoțită de eliberarea de energie sub formă de radiații gamma și căldură.

Aceasta se numește reacție în lanț. Atomii se divid, numărul dezintegrarilor crește exponențial, ceea ce duce în cele din urmă la o eliberare fulgerătoare, după standardele noastre, a unei cantități uriașe de energie - are loc explozie nucleara ca o consecință a unei reacții în lanț necontrolate.

Reactoarele nucleare sunt pe neutroni rapidi și lenți:

1. Reactor cu neutroni rapidi - un reactor nuclear care utilizează neutroni cu energie > 105 eV pentru a menține o reacție nucleară în lanț. Reactoarele diferă semnificativ în spectrul neutronilor - distribuția neutronilor după energie și, în consecință, în spectrul neutronilor absorbiți (care provoacă fisiunea nucleară). Dacă miezul nu conține nuclee ușoare special concepute pentru încetinirea ca urmare a împrăștierii elastice, atunci aproape toată încetinirea se datorează împrăștierii inelastice a neutronilor de către nucleele grele și de masă medie. În acest caz, majoritatea fisiunilor sunt cauzate de neutroni cu energii de ordinul zecilor și sutelor de keV. Astfel de reactoare se numesc reactoare cu neutroni rapizi.

2. Reactor pe neutroni lenți (termici) - un reactor nuclear care utilizează neutroni din partea termică a spectrului energetic - „spectrul termic” pentru a menține o reacție nucleară în lanț. Utilizarea neutronilor din spectrul termic este benefică deoarece secțiunea transversală de interacțiune a nucleelor ​​de uraniu-235 cu neutronii care participă la o reacție în lanț crește pe măsură ce energia neutronilor scade, în timp ce nucleele de uraniu-238 rămân constante la energii joase. Ca urmare, o reacție de auto-susținere folosind uraniu natural, în care există doar 0,7% din izotopul fisionabil 235U, este imposibilă pe neutronii rapizi (spectrul de fisiune) și este posibilă pe cei lenți (termici).

Considerații simple arată că fisiunea uraniului în două fragmente trebuie să fie însoțită de eliberarea de energie enormă. Prin urmare, atunci când un nucleu de uraniu se împarte în două fragmente, ar trebui eliberată o energie egală cu aproximativ 1,1 MeV per nucleon. În total, în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu care conține mai mult de 200 de nucleoni, ar trebui eliberată o energie de ordinul a 200 MeV.

Cea mai mare parte a energiei de fisiune este eliberată sub forma energiei cinetice a fragmentelor de fisiune și a neutronilor. O parte din energie este eliberată sub formă de radiații gamma.

Schema proceselor într-un reactor nuclear: (când se folosește un moderator de reacție)

http://pandia.ru/text/77/503/images/image055_6.gif" width="39" height="25"> Principalele elemente ale unui reactor nuclear:

1) combustibil nuclear (, etc.);

2) moderator de neutroni (apă grea sau obișnuită, beriliu, oxid de beriliu etc.);

3) lichid de răcire pentru producția de energie generată în timpul funcționării reactorului (apă, sodiu lichid etc.);

4) Un dispozitiv pentru controlul vitezei de reacție (tije care conțin cadmiu sau bor introduse în spațiul de lucru al reactorului - substanțe care absorb bine neutronii).

În exterior, reactorul este înconjurat de o carcasă de protecție care captează radiațiile γ și neutronii. Carcasa este din beton cu umplutură de fier.

captarea neutronilor- un tip de reacție nucleară în care nucleul unui atom se combină cu un neutron și formează un nucleu mai greu:

(A, Z) + n → ( A+1, Z) + γ.

Neutronul se poate apropia de nucleu chiar și la energie cinetică aproape de zero, deoarece este neutru din punct de vedere electric, spre deosebire de protonul încărcat pozitiv, care poate fi captat doar la o energie suficient de mare pentru a depăși repulsia electrostatică.

Reactoare rapide cu neutroni:

Au fost construite reactoare care funcționează fără moderator pe neutroni rapizi.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image051_1.jpg" width="377" height="334">

Până la nucleele cu un număr de masă de aproximativ 60, energia specifică de legare a nucleonilor crește odată cu creșterea A. Prin urmare, sinteza oricărui nucleu cu A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Reacțiile de fuziune ale nucleelor ​​ușoare se numesc reacții termonucleare deoarece se pot scurge doar la temperaturi foarte ridicate. Pentru ca două nuclee să intre într-o reacție de fuziune, trebuie să se apropie la o distanță de acțiune a forțelor nucleare de ordinul 2 10–15 m, depășind repulsia electrică a sarcinilor lor pozitive. Pentru aceasta, energia cinetică medie a mișcării termice a moleculelor trebuie să depășească energie potențială Interacțiunea Coulomb. Calculul temperaturii necesare pentru aceasta T conduce la o valoare de ordinul 108–109 K. Aceasta este o temperatură extrem de ridicată. La această temperatură, substanța este într-o stare complet ionizată, ceea ce se numește plasmă .5 starea corpului. Nu există materiale în lume care să reziste la asemenea temperaturi.

Energia eliberată în reacțiile termonucleare per nucleon este de câteva ori mai mare decât energia specifică eliberată în reacții în lanț Fisiune nucleara. Deci, de exemplu, în reacția de fuziune a nucleelor ​​de deuteriu și tritiu

Se eliberează 3,5 MeV/nucleon. În total, 17,6 MeV sunt eliberați în această reacție. Aceasta este una dintre cele mai promițătoare reacții termonucleare.

Implementarea reacții termonucleare controlate va oferi omenirii o nouă sursă de energie prietenoasă cu mediul și practic inepuizabilă. Cu toate acestea, obținerea de temperaturi ultra-înalte și menținerea plasmei încălzite la un miliard de grade este cea mai dificilă sarcină științifică și tehnică pe calea implementării fuziunii termonucleare controlate.

În acest stadiu al dezvoltării științei și tehnologiei, numai reacție de fuziune necontrolată într-o bombă cu hidrogen. Căldură, necesar pentru fuziunea nucleară, se realizează aici folosind explozia unei bombe convenționale cu uraniu sau plutoniu.

Reacțiile termonucleare joacă un rol extrem de important în evoluția Universului. Energia de radiație a Soarelui și a stelelor este de origine termonucleară.

Tipuri de reactie:

1) Reacția deuteriu + tritiu (Combustibil D-T)

Cea mai ușor de implementat este deuteriu + tritiu:

2H + 3H = 4He + n pentru o ieșire de energie de 17,6 MeV (MeV).

Această reacție este cel mai ușor implementată în termeni de tehnologii moderne, oferă un randament semnificativ de energie, componentele combustibilului sunt ieftine. Dezavantajul este eliberarea de radiații neutronice nedorite.

Două nuclee: deuteriu și trițiu fuzionează pentru a forma un nucleu de heliu (particulă alfa) și un neutron de înaltă energie:

http://pandia.ru/text/77/503/images/image059_6.gif" alt="(!LANG:Dreptunghi rotunjit: Schema reacției deuteriu-tritiu" width="248" height="93">!}

2) Reacția deuteriu + heliu-3

Este mult mai dificil, la limita a ceea ce este posibil, să se realizeze reacția deuteriu + heliu-3

2H + 3He = 4He + p la o ieșire de energie de 18,4 MeV.

Condițiile pentru realizarea acesteia sunt mult mai complicate. Heliul-3 este, de asemenea, un izotop rar și extrem de scump. LA scara industriala momentan neprodus. Cu toate acestea, poate fi obținut din tritiu, obținut la rândul său la centralele nucleare; sau minat pe lună.

Complexitatea conducerii unei reacții termonucleare poate fi caracterizată prin produsul triplu ntτ (densitate pe temperatură pe timp de reținere). Conform acestui parametru, reacția D-3He este de aproximativ 100 de ori mai dificilă decât D-T.

3) Reacția dintre nucleele de deuteriu (D-D, monopropelant)

Reacțiile între nucleele de deuteriu sunt, de asemenea, posibile, sunt puțin mai dificile decât reacțiile care implică heliu-3:

În plus față de reacția principală în DD-plasma, apar și următoarele:

Fuziunea termonucleară controlată este posibilă în îndeplinirea simultană a două condiții:

§ Viteza de coliziune a nucleelor ​​corespunde temperaturii plasmei:

T> 108 K (pentru reacția D-T).

§ Respectarea criteriului Lawson:

nτ > 1014 cm−3 s (pentru reacția D-T),

Unde n- densitatea plasmei la temperatură înaltă, τ - timpul de izolare a plasmei în sistem.

Valoarea acestor două criterii determină în principal viteza unei anumite reacții termonucleare.

NOȚIUNI DE BAZĂ

Particulă elementară - cele mai mici particule de materie, cu condiția ca acestea să nu fie nuclee și atomi atomici (excepția este protonul); din acest motiv sunt numite subnucleare.

A învârti (din engleza spin - spin, rotation) - momentul intrinsec al impulsului particulelor elementare, care are natura cuanticăși nu este legat de mișcarea particulei ca întreg. Spinul se mai numește și momentul unghiular propriu al unui nucleu sau atom atomic; în acest caz spin-ul este definit ca suma vectoriala(calculat după regulile de adunare a momentelor din mecanica cuantică) a spinilor particulelor elementare care formează sistemul și momentele orbitale ale acestor particule, datorită mișcării lor în cadrul sistemului.S )

Antiparticulă - o particulă dublă a unei alte particule elementare, având aceeași masă și aceeașiînapoi, dar deosebindu-se de acesta prin semne ale unor caracteristici de interacțiune.

Clasificarea particulelor elementare

La nivelul actual de cunoștințe, 12 particule și 12 antiparticule, precum și 12 purtători de interacțiuni, sunt considerate elementare. Toate particulele elementare sunt fermioni (s=1/2ħ), iar toți purtătorii de interacțiune sunt bosoni (s=1ħ).

În stare liberă, sunt observate doar 6 (din 12) particule elementare. Aceștia sunt leptoni: electron e - , muon μ- , taon τ- , electron neutrin νe, muon neutrin νμ și taon neutrin ντ. Antineutrinii și leptonii încărcați pozitiv sunt considerați antiparticule. Leptonii sunt particule care interacționează slab.

Restul de 6 particule elementare - quarci - există doar în stare legată. Acest lucru este valabil și pentru 6 antiquarci. Quarcii și antiquarcii sunt particule care au o interacțiune puternică.

Tipuri de clasificare:

Dimensiunea spatelui

bozoni - particule cu spin întreg (de exemplu, foton, gluon, mezoni)

fermioni - particule cu spin pe jumătate întreg (de exemplu, electron, proton, neutron, neutrin)

După tipul de interacțiune

Particule compozite

· hadroni - particule care participă la tot felul de interacțiuni fundamentale. Sunt formați din quarci și sunt subdivizați, la rândul lor, în

mezonii- hadroni cu spin întreg, adică fiind bozoni; barionii- hadroni cu spin semiîntreg, adică fermioni. Acestea includ, în special, particulele care alcătuiesc nucleul unui atom - protonul și neutronul.

Particule fundamentale (fără structură).

· leptoni- fermionii, care au forma unor particule punctiforme până la scări de ordinul 10−18 m. Ei nu participă la interacțiuni puternice. Participarea la interacțiuni electromagnetice a fost observată experimental numai pentru leptoni încărcați (electroni, muoni, tau-leptoni) și nu a fost observată pentru neutrini. Sunt cunoscute 6 tipuri de leptoni.

· quarcuri- particule încărcate fracționat care fac parte din hadroni. Ele nu au fost observate în stare liberă (mecanismul de izolare a fost propus pentru a explica absența unor astfel de observații). La fel ca leptonii, ei sunt împărțiți în 6 tipuri și sunt considerați fără structură, cu toate acestea, spre deosebire de leptoni, ei participă la o interacțiune puternică.

· bozoni de măsurare- particule, prin schimbul cărora se realizează interacțiuni:

o foton- o particulă purtătoare de interacțiune electromagnetică;

o opt gluon ov - particule care poartă o interacțiune puternică;

o trei boson vector intermediar W+, W− și Z0 purtând interacțiunea slabă;

o graviton- o particulă ipotetică care poartă interacțiune gravitațională. Existența gravitonilor, deși nu este încă demonstrată experimental din cauza slăbiciunii interacțiunii gravitaționale, este considerată destul de probabilă; cu toate acestea, gravitonul nu este inclus în modelul standard al particulelor elementare.

Hadronii și leptonii formează materia. Bosonii gauge sunt cuante tipuri diferite interacțiuni.

Până în anii 20 ai secolului XX, fizicienii nu se mai îndoiau că nucleele atomice descoperite de E. Rutherford în 1911, precum și atomii înșiși, au o structură complexă. Ei au fost convinși de acest lucru de numeroasele fapte experimentale acumulate până atunci: descoperirea radioactivității, dovada experimentală a modelului nuclear al atomului, măsurarea raportului. e / m pentru electron, particulă α și pentru așa-numita particulă H - nucleul atomului de hidrogen, descoperirea radioactivității artificiale și a reacțiilor nucleare, măsurarea sarcinilor nucleelor ​​atomice etc.

Acum este ferm stabilit că nuclee atomice diverse elemente compus din două tipuri de particule - protoni și neutroni.

Prima dintre aceste particule este un atom de hidrogen din care a fost îndepărtat un singur electron. Această particulă a fost deja observată în 1907 în experimentele lui J. Thomson, care a reușit să-și măsoare raportul e / m. În 1919, E. Rutherford a descoperit nucleele atomului de hidrogen din produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomilor multor elemente. Rutherford a numit această particulă proton. El a sugerat că protonii fac parte din toate nucleele atomice. Schema experimentelor lui Rutherford este prezentată în fig. 6.5.1.

Dispozitivul lui Rutherford a constat dintr-o cameră evacuată în care a fost plasat un recipient K cu o sursă de particule α. Fereastra camerei a fost acoperită cu folie metalică Ф, a cărei grosime a fost aleasă astfel încât particulele α să nu poată pătrunde prin ea. În afara ferestrei era paravanul E, acoperit cu sulfură de zinc. Folosind microscopul M, a fost posibil să se observe scintilații (adică, fulgerări luminoase) în punctele în care particulele încărcate grele lovesc ecranul. La umplerea camerei cu azot presiune scăzută Pe ecran au apărut sclipiri de lumină, indicând apariția unui flux de particule capabile să pătrundă prin folia F, care a blocat aproape complet fluxul de particule α. Îndepărtând ecranul E de fereastra camerei, a măsurat Rutherford înseamnă cale liberă particulele observate în aer. S-a dovedit a fi aproximativ egală cu 28 cm, ceea ce a coincis cu estimarea lungimii drumului particulelor de H observată mai devreme de J. Thomson. Studiile privind efectul asupra particulelor scoase din nucleele de azot de câmpurile electrice și magnetice au arătat că aceste particule au o sarcină elementară pozitivă și masa lor este egală cu masa nucleului unui atom de hidrogen. Ulterior, experimentul a fost efectuat cu o serie de alte substanțe gazoase. În toate cazurile, s-a constatat că particulele α elimină particulele H sau protonii din nucleele acestor substanțe.

Conform măsurătorilor moderne, sarcina pozitivă a protonului este exact egală cu sarcina elementară e\u003d 1,60217733 10 -19 C, adică egal în valoare absolută sarcina negativa electron. În prezent, egalitatea sarcinilor protonilor și electronilor a fost verificată cu o precizie de 10 -22. O astfel de coincidență a sarcinilor a două particule diferite este surprinzătoare și rămâne unul dintre misterele fundamentale ale fizicii moderne.

masa de protoni , conform măsurătorilor moderne, este egal cu m p = 1,67262∙10 -27 kg. În fizica nucleară, masa unei particule este adesea exprimată în unități de masă atomică (a.m.u.), egale cu masa unui atom de carbon cu un număr de masă de 12:

Prin urmare, mp= 1,007276 a. e. m. În multe cazuri, este convenabil să se exprime masa unei particule în valori echivalente de energie în conformitate cu formula E = mc 2. Deoarece 1 eV = 1,60218 10 -19 J, în unități de energie masa protonilor este de 938,272331 MeV.

Astfel, în experimentul lui Rutherford, a fost descoperit fenomenul de scindare a nucleelor ​​de azot și a altor elemente în timpul impactului particulelor α rapide și s-a demonstrat că protonii fac parte din nucleele atomilor.

După descoperirea protonului, s-a sugerat că nucleele atomilor constau numai din protoni. Cu toate acestea, această presupunere s-a dovedit a fi insuportabilă, deoarece raportul dintre sarcina nucleului și masa sa nu rămâne constant pentru diferite nuclee, așa cum ar fi dacă numai protonii ar fi incluși în compoziția nucleelor. Pentru nucleele mai grele, acest raport se dovedește a fi mai mic decât pentru cele ușoare, adică, în trecerea la nuclee mai grele, masa nucleului crește mai repede decât sarcina.

În 1920, Rutherford a emis ipoteza existenței unei perechi compacte proton-electron legate rigid în compoziția nucleelor, care este o formațiune neutră din punct de vedere electric - o particulă cu o masă aproximativ egală cu masa unui proton. A venit chiar și cu un nume pentru această particulă ipotetică - neutroni . A fost o idee foarte frumoasă, dar, după cum sa dovedit mai târziu, eronată. Un electron nu poate face parte dintr-un nucleu. Un calcul mecanic cuantic bazat pe relația de incertitudine arată că un electron localizat în nucleu, adică o regiune de dimensiune R≈ 10 -13 cm, trebuie să aibă o energie cinetică colosală, cu multe ordine de mărime mai mare decât energia de legare a nucleelor ​​pe particulă. Cu toate acestea, ideea existenței unei particule neutre grele i s-a părut atât de atractivă pentru Rutherford încât a invitat imediat un grup de studenți ai săi, condus de James Chadwick, să o caute. 12 ani mai târziu, în 1932, Chadwick a investigat experimental radiația care apare atunci când beriliul este iradiat cu particule α și a descoperit că această radiație este un flux de particule neutre cu o masă aproximativ egală cu masa unui proton. Așa a fost descoperit neutronul. Pe fig. 6.5.2 prezintă o diagramă simplificată a configurației pentru detectarea neutronilor.

Când beriliul este bombardat cu particule α emise de poloniul radioactiv, ia naștere o radiație puternică penetrantă care poate depăși un astfel de obstacol precum un strat de plumb de 10-20 cm grosime.Această radiație a fost observată aproape simultan cu Chadwick de către soții Irene și Frederic Joliot- Curie (Irene este fiica lui Mary și Pierre Curie), dar au presupus că acestea sunt raze γ de înaltă energie. Ei au descoperit că, dacă o placă de parafină este plasată pe calea radiației de beriliu, atunci puterea de ionizare a acestei radiații crește brusc. Ei au demonstrat că radiațiile de beriliu elimină protonii din parafină, care sunt prezenți în cantități mari în această substanță care conține hidrogen. Pe baza drumului liber al protonilor în aer, ei au estimat energia γ-quantilor capabile să transmită viteza necesară protonilor într-o coliziune. S-a dovedit a fi uriaș - aproximativ 50 MeV.

J. Chadwick a efectuat în 1932 o serie de experimente privind un studiu cuprinzător al proprietăților radiațiilor rezultate din iradierea beriliului cu particule α. În experimentele sale, Chadwick a folosit diferite metode pentru studierea radiațiilor ionizante. Pe fig. 6.5.2 descris Contor Geiger , conceput pentru a detecta particulele încărcate. Este alcătuit dintr-un tub de sticlă acoperit la interior cu un strat metalic (catod) și un fir subțire care trece de-a lungul axei tubului (anod). Tubul este umplut cu un gaz inert (de obicei argon) la presiune scăzută. O particulă încărcată care zboară printr-un gaz provoacă ionizarea moleculelor. Electronii liberi produși ca urmare a ionizării sunt accelerați câmp electricîntre anod și catod până la energiile la care începe ionizarea de impact. Apare o avalanșă de ioni și un scurt impuls de curent de descărcare trece prin contor. Un alt instrument important pentru studierea particulelor este așa-numitul camera cu nori , în care o particulă încărcată rapid lasă o urmă (urmă). Traiectoria particulelor poate fi observată direct sau fotografiată. Acțiunea camerei cu nori, creată în 1912, se bazează pe condensarea vaporilor suprasaturați pe ionii formați în volumul de lucru al camerei de-a lungul traiectoriei unei particule încărcate. Folosind o cameră cu nori, se poate observa curbura traiectoriei unei particule încărcate în câmpuri electrice și magnetice.

J. Chadwick, în experimentele sale, a observat în camera cu nori urme ale nucleelor ​​de azot care au experimentat o coliziune cu radiația de beriliu. Pe baza acestor experimente, el a făcut o estimare a energiei cuanticei γ, care este capabilă să informeze nucleii de azot cu privire la viteza observată în experiment. S-a dovedit a fi egal cu 100-150 MeV. O astfel de energie uriașă nu ar putea avea γ-quanta emise de beriliu. Pe această bază, Chadwick a concluzionat că din beriliu, sub acțiunea particulelor α, nu zboară γ-quanta fără masă, ci mai degrabă particule grele. Aceste particule erau foarte penetrante și nu ionizau direct gazul din contorul Geiger, prin urmare erau neutre din punct de vedere electric. Astfel, s-a dovedit existența neutronului, o particulă prezisă de Rutherford cu mai bine de 10 ani înainte de experimentele lui Chadwick.

Neutronul este o particulă elementară. Nu ar trebui să fie reprezentat ca o pereche compactă proton-electron, așa cum a sugerat inițial de către Rutherford.

Conform măsurătorilor moderne, masa neutronilor m n \u003d 1,67493 10 -27 kg \u003d 1,008665 a. e. m. În unități de energie, masa neutronilor este de 939,56563 MeV. Masa unui neutron este cu aproximativ două mase de electroni mai mare decât masa unui proton.

Imediat după descoperirea neutronului, omul de știință rus D.D. Ivanenko și fizicianul german W. Heisenberg au înaintat o ipoteză despre proton-neutron structura nucleelor ​​atomice, care a fost pe deplin confirmată de studiile ulterioare. Se numesc protoni și neutroni nucleonii .

Sunt introduse o serie de notații pentru a caracteriza nucleele atomice. Numărul de protoni care formează nucleul atomic este notat prin simbol Z si suna numărul de taxare sau numărul atomic (acesta este numărul de serie din tabelul periodic al lui Mendeleev). Sarcina nucleară este Ze, Unde e- sarcina elementara. Numărul de neutroni este notat cu simbolul N.

Numărul total de nucleoni (adică protoni și neutroni) se numește numar de masa A:

Nucleele elementelor chimice sunt notate cu simbolul , unde X este simbolul chimic al elementului. De exemplu,

Hidrogen, - heliu, - carbon, - oxigen, - uraniu.

Nucleele aceluiași element chimic pot diferi în ceea ce privește numărul de neutroni. Astfel de nuclee se numesc izotopi . Majoritatea elementelor chimice au mai mulți izotopi. De exemplu, hidrogenul are trei dintre ele: - hidrogen obișnuit, - deuteriu și - tritiu. Carbonul are 6 izotopi, oxigenul are 3.

Elemente chimice în conditii naturale de obicei un amestec de izotopi. Existența izotopilor determină valoarea masei atomice a unui element natural în sistemul periodic al lui Mendeleev. Deci, de exemplu, relativ masă atomică carbonul natural este 12.011.

Este nucleul atomic divizibil? Și dacă da, din ce particule constă? Mulți fizicieni au încercat să răspundă la această întrebare.

În 1909, fizicianul britanic Ernest Rutherford, împreună cu fizicianul german Hans Geiger și cu fizicianul neo-zeelandez Ernst Marsden, au efectuat faimosul său experiment privind împrăștierea particulelor α, care a dus la concluzia că atomul nu este o particulă indivizibilă la toate. Este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni care se rotesc în jurul lui. Mai mult, în ciuda faptului că dimensiunea nucleului este de aproximativ 10.000 de ori mai mică decât dimensiunea atomului în sine, 99,9% din masa atomului este concentrată în el.

Dar care este nucleul unui atom? Ce particule sunt în el? Acum știm că nucleul oricărui element este format din protoniși neutroni, al cărui nume comun este nucleonii. Și la începutul secolului al XX-lea, după apariția modelului planetar, sau nuclear, al atomului, acesta a fost un mister pentru mulți oameni de știință. Au fost înaintate diferite ipoteze și au fost propuse diferite modele. Dar răspunsul corect la această întrebare a fost din nou dat de Rutherford.

Descoperirea protonului

experiența lui Rutherford

Nucleul unui atom de hidrogen este un atom de hidrogen din care singurul său electron a fost îndepărtat.

Până în 1913, masa și sarcina nucleului atomului de hidrogen fuseseră calculate. În plus, a devenit cunoscut faptul că masa unui atom al oricărui element chimic este întotdeauna împărțită fără rest la masa unui atom de hidrogen. Acest fapt l-a condus pe Rutherford la ideea că nucleele atomilor de hidrogen intră în orice nucleu. Și a reușit să o demonstreze experimental în 1919.

În experimentul său, Rutherford a plasat o sursă de particule α într-o cameră în care a fost creat un vid. Grosimea foliei care acoperă fereastra camerei a fost astfel încât particulele α nu puteau scăpa. În afara ferestrei camerei era un ecran acoperit cu sulfură de zinc.

Când camera a fost umplută cu azot, scăpări de lumină au fost înregistrate pe ecran. Aceasta a însemnat că, sub influența particulelor α, unele particule noi au fost scoase din azot, care au pătruns ușor în folie, care era impenetrabilă pentru particulele α. S-a dovedit că particulele necunoscute au o sarcină pozitivă egală ca mărime cu sarcina unui electron, iar masa lor este egală cu masa nucleului unui atom de hidrogen. Rutherford a numit aceste particule protoni.

Dar curând a devenit clar că nucleele atomilor constau nu numai din protoni. La urma urmei, dacă ar fi așa, atunci masa unui atom ar fi egală cu suma maselor de protoni din nucleu, iar raportul dintre sarcina nucleului și masa ar fi o valoare constantă. De fapt, acest lucru este valabil doar pentru cel mai simplu atom de hidrogen. În atomii altor elemente, totul este diferit. De exemplu, în nucleul unui atom de beriliu, suma maselor de protoni este de 4 unități, iar masa nucleului în sine este de 9 unități. Aceasta înseamnă că în acest nucleu există și alte particule care au o masă de 5 unități, dar nu au sarcină.

Descoperirea neutronului

În 1930, fizicianul german Walter Bothe Bothe și Hans Becker au descoperit în timpul unui experiment că radiația rezultată din bombardarea atomilor de beriliu cu particule α are o putere de penetrare enormă. După 2 ani, fizicianul englez James Chadwick, elev al lui Rutherford, a aflat că nici măcar o placă de plumb de 20 cm grosime plasată în calea acestei radiații necunoscute nu o slăbește și nici nu o amplifică. S-a dovedit că câmpul electromagnetic nu are niciun efect asupra particulelor emise. Asta însemna că nu aveau nicio taxă. Astfel, a fost descoperită o altă particulă, care face parte din nucleu. Au sunat-o neutroni. Masa neutronului s-a dovedit a fi egală cu masa protonului.

Teoria proton-neutron a nucleului

După descoperirea experimentală a neutronului, omul de știință rus D. D. Ivanenko și fizicianul german W. Heisenberg au propus independent teoria proton-neutron a nucleului, care a dat rațiune științifică compozitia nucleului. Conform acestei teorii, nucleul oricărui element chimic este format din protoni și neutroni. Numele lor comun este nucleonii.

Numărul total de nucleoni din nucleu este notat cu literă A. Dacă numărul de protoni din nucleu este notat cu literă Z, și numărul de neutroni după literă N, atunci obținem expresia:

A=Z+N

Această ecuație se numește Ecuația Ivanenko-Heisenberg.

Deoarece sarcina nucleului unui atom este egală cu numărul de protoni din acesta, atunci Z numit si numărul de taxare. numărul de taxare, sau numărul atomic, coincide cu numărul său de serie în sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev.

În natură, există elemente Proprietăți chimice care sunt exact aceleași, dar numerele de masă sunt diferite. Astfel de elemente sunt numite izotopi. Izotopii au același număr de protoni și un număr diferit de neutroni.

De exemplu, hidrogenul are trei izotopi. Toate au un număr de serie egal cu 1, iar numărul de neutroni din nucleu este diferit pentru ei. Deci, cel mai simplu izotop al hidrogenului, protium, are un număr de masă de 1, în nucleu există 1 proton și nu un singur neutron. Este cel mai simplu element chimic.

Protium

Al doilea izotop, deuteriu, are un număr de masă de 2. Nucleul este format dintr-un proton și un neutron.

Deuteriu

Al treilea izotop al hidrogenului este tritiul. Nucleul său conține 1 proton și 2 neutroni.

tritiu

niste elemente chimice au același număr de nucleoni în nucleu, dar un număr diferit de protoni și neutroni. Astfel de elemente sunt numite izobare.

Teoria proton-neutron a nucleului a conectat structura nucleelor ​​elementelor cu structura sistemului periodic al lui Mendeleev. Corectitudinea sa a fost confirmată de mai departe Cercetare științificăîn domeniul fizicii nucleare.