Zbulimi i bërthamës në një atom. Përbërja e bërthamave atomike
Përbërja e bërthamave atomike
Nga vitet 20 të shekullit të 20-të, fizikanët nuk dyshonin më se bërthamat atomike të zbuluara nga E. Rutherford në 1911, si dhe vetë atomet, kanë një strukturë komplekse. Ata ishin të bindur për këtë nga fakte të shumta eksperimentale të grumbulluara deri në atë kohë: zbulimi i radioaktivitetit, prova eksperimentale e modelit bërthamor të atomit, matja e raportit. e/m për një elektron, α -grimcat dhe për të ashtuquajturën grimca H - bërthama e atomit të hidrogjenit, zbulimi i radioaktivitetit artificial dhe reaksionet bërthamore, matja e ngarkesave të bërthamave atomike etj.
Tashmë është vërtetuar fort se bërthamat atomike të elementeve të ndryshëm përbëhen nga grimca të dy llojeve - protone dhe neutrone.
E para nga këto grimca është një atom hidrogjeni nga i cili është hequr një elektron i vetëm. Kjo grimcë është vërejtur tashmë në vitin 1907 në eksperimentet e J. Thomson, i cili arriti të masë raportin e saj e/m. Në vitin 1919, E. Rutherford zbuloi bërthamat e atomit të hidrogjenit në produktet e ndarjes së bërthamave të atomeve të shumë elementeve. Rutherford e quajti këtë grimcë një proton. Ai sugjeroi që protonet janë pjesë e të gjitha bërthamave atomike. Skema e eksperimenteve të Radhërfordit është paraqitur në fig. 6.5.1.
Skema e eksperimenteve të Rutherford-it mbi zbulimin e protoneve në produktet e ndarjes bërthamore. K - enë plumbi me një burim radioaktiv α -grimca, F - fletë metalike, E - ekran i veshur me sulfur zinku, M - mikroskop
Pajisja e Rutherford përbëhej nga një dhomë e evakuuar në të cilën kontejneri K ndodhej me një burim α -grimca. Dritarja e dhomës ishte e mbuluar me fletë metalike F, trashësia e së cilës u zgjodh ashtu që α - grimcat nuk mund të depërtonin nëpër të. Jashtë dritares ishte ekrani E, i veshur me sulfur zinku. Duke përdorur mikroskopin M, ishte e mundur të vëzhgoheshin shkëndija (d.m.th., ndezjet e dritës) në pikat ku grimcat e rënda të ngarkuara goditën ekranin. Gjatë mbushjes së dhomës me nitrogjen presion i ulët Në ekran u shfaqën ndezje të lehta, duke treguar shfaqjen e një rryme të disa grimcave të afta të depërtojnë përmes fletës F, e cila pothuajse plotësisht bllokoi rrjedhën α -grimca. Duke lëvizur ekranin E larg nga dritarja e kamerës, Rutherford mati rrugën mesatare të lirë të grimcave të vëzhguara në ajër. Doli të ishte afërsisht e barabartë 28 cm, e cila përkoi me vlerësimin e gjatësisë së shtegut të grimcave H të vëzhguar më parë nga J. Thomson. Studimet e efektit në grimcat e eliminuara nga bërthamat e azotit nga fushat elektrike dhe magnetike kanë treguar se këto grimca kanë një ngarkesë elementare pozitive dhe masa e tyre është e barabartë me masën e bërthamës së një atomi hidrogjeni. Më pas, eksperimenti u krye me një sërë substancash të tjera të gazta. Në të gjitha rastet u konstatua se nga bërthamat e këtyre substancave α -grimcat trokasin H-grimcat ose protonet.
Sipas matjeve moderne, ngarkesë pozitive protoni është saktësisht i barabartë me ngarkesën elementare e = 1,60217733ċ10 –19 C, domethënë të barabartë në modul ngarkesë negative elektron. Aktualisht, barazia e ngarkesave të protonit dhe elektronit është verifikuar me një saktësi prej 10-22. Një koincidencë e tillë e ngarkesave të dy grimcave të ndryshme është befasuese dhe mbetet një nga misteret themelore të fizikës moderne.
Masa e një protoni, sipas matjeve moderne, është e barabartë me m p \u003d 1,67262±10 -27 kg. AT fizika bërthamore masa e një grimce shpesh shprehet në njësi të masës atomike (a.m.u.) e barabartë me 1 12 të masës së një atomi karboni me një numër masiv prej 12: 1 a. e.m = 1,66057ċ10 -27 kg.
Rrjedhimisht, m p \u003d 1,007276 a. hani. Në shumë raste, është e përshtatshme të shprehet masa e një grimce në vlera ekuivalente të energjisë në përputhje me formulën E=mc2. Sepse 1 eV = 1,60218 ċ10 -19 J, në njësi të energjisë, masa e protonit është 938.272331 MeV.
Kështu, në eksperimentin e Rutherford, fenomeni i ndarjes së bërthamave të azotit dhe elementëve të tjerë u zbulua gjatë goditjeve të shpejta. α -grimca dhe tregohet se protonet janë pjesë e bërthamave të atomeve.
Pas zbulimit të protonit, u sugjerua që bërthamat e atomeve përbëhen vetëm nga protone. Sidoqoftë, ky supozim doli të ishte i paqëndrueshëm, pasi raporti i ngarkesës së bërthamës me masën e tij nuk mbetet konstant për bërthama të ndryshme, siç do të ishte nëse vetëm protonet do të përfshiheshin në përbërjen e bërthamave. Për bërthamat më të rënda, ky raport rezulton të jetë më i vogël se për ato të lehta, d.m.th., duke kaluar te bërthamat më të rënda, masa e bërthamës rritet më shpejt se ngarkesa.
Në vitin 1920, Rutherford hipotezoi ekzistencën e një çifti kompakt proton-elektroni të lidhur fort në përbërjen e bërthamave, i cili është një formacion elektrikisht neutral - një grimcë me një masë afërsisht të barabartë me masën e një protoni. Ai madje doli me një emër për këtë grimcë hipotetike - neutron. Ishte një ide shumë e bukur, por, siç doli më vonë, ide e gabuar. Një elektron nuk mund të jetë pjesë e një bërthame. Një llogaritje mekanike kuantike e bazuar në lidhjen e pasigurisë tregon se një elektron lokalizohet në bërthamë, d.m.th., një rajon me madhësi R ≈ 10–13 cm, duhet të ketë një kolosale energjia kinetike, e cila është shumë renditje të madhësisë më e madhe se energjia lidhëse e bërthamave për grimcë. Megjithatë, ideja e ekzistencës së një grimce të rëndë neutrale iu duk aq tërheqëse Rutherford-it, saqë ai ftoi menjëherë një grup studentësh të tij, të udhëhequr nga J. Chadwick, për ta kërkuar atë. 12 vjet më vonë, në 1932, Chadwick hetoi eksperimentalisht rrezatimin që ndodh kur rrezatohet beriliumi α -grimca, dhe zbuloi se ky rrezatim është një rrymë grimcash neutrale me një masë afërsisht të barabartë me masën e një protoni. Kështu u zbulua neutroni. Në fig. 6.5.2 tregon një diagram të thjeshtuar të konfigurimit për zbulimin e neutroneve.
Diagrami skematik i një organizimi për zbulimin e neutroneve Kur bombardohet me berilium α -grimcat e emetuara nga poloniumi radioaktiv prodhojnë rrezatim të fortë depërtues që mund të kapërcejë një pengesë të tillë si një shtresë plumbi me trashësi 10-20 cm. Ky rrezatim u vëzhgua pothuajse njëkohësisht me Chadwick nga bashkëshortët Irene dhe Frederic Joliot-Curie (Irene është vajza e Marie dhe Pierre Curie), por ata supozuan se ishte γ rrezet e energjisë së madhe. Ata zbuluan se nëse një pllakë parafine vendoset në rrugën e rrezatimit të beriliumit, atëherë fuqia jonizuese e këtij rrezatimi rritet ndjeshëm. Ata vërtetuan se rrezatimi i beriliumit nxjerr protonet nga parafina, të cilat janë të pranishme në sasi të mëdha në këtë substancë që përmban hidrogjen. Nga rruga e lirë e protoneve në ajër, ata vlerësuan energjinë γ - kuante të afta për t'u dhënë protoneve shpejtësinë e nevojshme në një përplasje. Ajo doli të ishte e madhe 50 MeV.
J. Chadwick në vitin 1932 kreu një sërë eksperimentesh mbi një studim gjithëpërfshirës të vetive të rrezatimit që rrjedhin nga rrezatimi i beriliumit α -grimca. Në eksperimentet e tij, Chadwick përdori metoda të ndryshme për studimin e rrezatimit jonizues. Në fig. 6.5.2 tregon një numërues Geiger të krijuar për të regjistruar grimcat e ngarkuara. Ai përbëhet nga një tub qelqi i veshur nga brenda me një shtresë metalike (katodë) dhe një fije e hollë që kalon përgjatë boshtit të tubit (anodë). Tubi është i mbushur me një gaz inert (zakonisht argon) me presion të ulët. Një grimcë e ngarkuar që fluturon nëpër një gaz shkakton jonizimin e molekulave. Elektronet e lira të prodhuara si rezultat i jonizimit përshpejtohen fushe elektrike ndërmjet anodës dhe katodës deri te energjitë në të cilat fillon jonizimi i ndikimit. Shfaqet një ortek jonesh dhe një puls i shkurtër i rrymës së shkarkimit kalon nëpër banak. Një instrument tjetër i rëndësishëm për studimin e grimcave është e ashtuquajtura dhoma e reve, në të cilën një grimcë e ngarkuar shpejt lë një gjurmë (gjurmë). Trajektorja e grimcave mund të vëzhgohet drejtpërdrejt ose të fotografohet. Veprimi i dhomës së reve, i krijuar në 1912, bazohet në kondensimin e avullit të mbingopur në jonet e formuara në vëllimin e punës të dhomës përgjatë trajektores së një grimce të ngarkuar. Duke përdorur një dhomë reje, mund të vëzhgoni lakimin e trajektores së një grimce të ngarkuar në elektrike dhe fusha magnetike.
J. Chadwick në eksperimentet e tij vëzhgoi në dhomën e reve gjurmë të bërthamave të azotit që përjetuan një përplasje me rrezatimin e beriliumit. Bazuar në këto eksperimente, ai bëri një vlerësim të energjisë γ -kuantike e aftë për të informuar bërthamat e azotit për shpejtësinë e vëzhguar në eksperiment. Ajo ishte e barabartë 100–150 MeV. Një energji kaq e madhe nuk mund të posedohej γ -kuantet e emetuara nga beriliumi. Mbi këtë bazë, Chadwick arriti në përfundimin se nga beriliumi, nën veprimin e α -grimcat e emetuara nuk janë pa masë γ -kuanta, por grimca mjaft të rënda. Këto grimca ishin shumë depërtuese dhe nuk e jonizuan drejtpërdrejt gazin në numëruesin Geiger, prandaj ato ishin elektrikisht neutrale. Kështu, u vërtetua ekzistenca e neutronit, një grimcë e parashikuar nga Rutherford më shumë se 10 vjet përpara eksperimenteve të Chadwick.
Neutroni është grimcë elementare. Ai nuk duhet të përfaqësohet si një çift kompakt proton-elektroni, siç sugjerohet fillimisht nga Rutherford.
Sipas matjeve moderne, masa e neutronit m n \u003d 1,67493ċ10 -27 kg \u003d 1,008665 a. e. m. Në njësitë e energjisë, masa e neutronit është e barabartë me 939.56563 MeV. Masa e një neutroni është afërsisht dy masa elektronike më të mëdha se masa e një protoni.
Menjëherë pas zbulimit të neutronit, shkencëtari rus D. D. Ivanenko dhe fizikani gjerman V. Heisenberg parashtruan një hipotezë për strukturën proton-neutron të bërthamave atomike, e cila u konfirmua plotësisht nga studimet e mëvonshme. Protonet dhe neutronet quhen nukleone.
Një numër shënimesh janë futur për të karakterizuar bërthamat atomike. Numri i protoneve që përbëjnë bërthama atomike, e shënuar me simbolin Z dhe telefononi numri i tarifës ose numri atomik (ky është numri serial në tabelën periodike të Mendelejevit). Ngarkesa bërthamore është Ze, ku e – ngarkesë elementare. Numri i neutroneve shënohet me simbol N.
Numri total nukleonet (d.m.th. protonet dhe neutronet) quhet numri masiv A: A=Z+N.
Bërthamat e elementeve kimike shënohen me simbolin X Z A , ku X është simboli kimik i elementit. Për shembull,
H 1 1 - hidrogjen, He 2 4 - helium, C 6 12 - karbon, O 8 16 - oksigjen, U 92 238 - uranium.
Bërthamat e të njëjtit element kimik mund të ndryshojnë në numrin e neutroneve. Bërthamat e tilla quhen izotope. Shumica e elementeve kimike kanë disa izotope. Për shembull, hidrogjeni ka tre prej tyre: H 1 1 - hidrogjen i zakonshëm, H 1 2 - deuterium dhe H 1 3 - tritium. Karboni ka 6 izotope, oksigjeni ka 3.
Elementet kimike në kushtet natyrore zakonisht një përzierje izotopësh. Ekzistenca e izotopeve përcakton vlerën e masës atomike të një elementi natyror në sistemin periodik të Mendelejevit. Kështu, për shembull, i afërm masë atomike karboni natyror është 12.011.
Një atom është sistem kompleks që përmbajnë grimca të caktuara. Fizikani anglez E. Rutherford propozoi një model bërthamor (planetar) të strukturës së atomit. Dispozitat kryesore të modelit bërthamor të atomit.
1. Bërthama ka një madhësi shumë të vogël (diametri i atomit është 10 -10 m, diametri i bërthamës është ~10 -15 m).
2. Bërthama ka ngarkesë pozitive.
3. Pothuajse e gjithë masa e një atomi është në bërthamë.
Bërthama përbëhet nga nukleone: protone dhe neutrone.
G. Moseley (Angli) zbuloi se ngarkesa pozitive e bërthamës atomike (në njësi konvencionale) është e barabartë me numrin rendor të elementit në sistemin periodik të Mendelejevit. Çdo proton ka një ngarkesë prej +1, kështu që ngarkesa bërthamore është e barabartë me numrin e protoneve.
Masa e protonit, si masa e neutronit, është afërsisht 1840 herë më e madhe se masa e elektronit. Protonet dhe neutronet janë në bërthamë, kështu që masa e një atomi është pothuajse e barabartë me masën e bërthamës. Masa e një bërthame, si masa e një atomi, përcaktohet nga shuma e numrit të protoneve dhe numrit të neutroneve. Kjo shumë quhet numri masiv i atomit. Numri masiv i një atomi (A) = Numri i protoneve (Z) + Numri i neutroneve (N) A=Z+N
Protonet dhe neutronet, të cilat janë pjesë e çdo bërthame, nuk janë grimca elementare të pandashme, por përbëhen nga kuarke.
Kuarkët, nga ana tjetër, ndërveprojnë me njëri-tjetrin, duke shkëmbyer vazhdimisht gluone - bartës të një ndërveprimi vërtet të fortë (është mijëra herë më i fortë se ai që vepron midis protoneve dhe neutroneve në bërthamë). Si rezultat, protonet dhe neutronet rezultojnë të jenë sisteme të lidhura shumë fort që nuk mund të ndahen në pjesë përbërëse.
Atomet e të njëjtit element që kanë numra të ndryshëm në masë quhen izotopë. Atomet e izotopeve të të njëjtit element kanë të njëjtin numër protonesh (Z) dhe ndryshojnë nga njëri-tjetri në numrin e neutroneve (N). Izotopet shënohen me simbolet e elementeve përkatëse, në të majtë të të cilëve shkruhet numri masiv i izotopit në krye. Për shembull: 12 C është një izotop i karbonit me një numër masiv prej 12.
Madhësia e një bërthame atomike varet nga numri i masës së tyre. Vëllimi i bërthamës është proporcional me A, dhe madhësia e saj lineare është në përpjesëtim me A 1/3. Rrezja efektive R kerneli përcaktohet nga barazia: R = aa 1/3 , ku është konstanta a është (1,1-1,4) x 10 -13 cm, në varësi të eksperimentit fizik në të cilin është matur R. Kjo barazi tregon se R varion nga 10 -13 deri në 10 -12 cm.Densiteti i lëndës bërthamore është jashtëzakonisht i lartë në krahasim me dendësinë e substancave të zakonshme dhe është rreth 10 14 g/cm 3 . Dendësia e shpërndarjes së nukleonit në bërthamë është pothuajse konstante në pjesën qendrore të saj dhe zvogëlohet në mënyrë eksponenciale në periferi. Nukleonet në bërthamë janë të lëvizshme. Ekzistojnë forca të tensionit sipërfaqësor në bërthamë.
FORCA Bërthamore
Midis protoneve të ngarkuar njësoj, veprojnë forcat refuzuese elektrostatike, por bërthama nuk "shpërndahet" në grimca individuale, pasi midis protoneve dhe neutroneve brenda bërthamës ka forcat bërthamore- forcat e tërheqjes, shumë më tepër se elektrostatike. Forcat bërthamore janë 100 herë më të mëdha se forcat elektrostatike dhe quhen bashkëveprim i fortë (ky është një ndërveprim shkëmbimi).
Forcat bërthamore manifestohen vetëm në distanca brenda bërthamës, prandaj ato konsiderohen me rreze të shkurtër, ndërsa forcat elektrostatike janë me rreze të gjatë.
Forcat bërthamore janë forca tërheqëse, pasi ato mbajnë nukleone brenda bërthamës (me një afrim shumë të fortë të nukleoneve, forcat bërthamore midis tyre kanë karakter zmbrapsjeje).
Karakteristikat e forcave bërthamore:
Forcat bërthamore nuk janë forcat elektrike, pasi ato veprojnë jo vetëm midis protoneve, por edhe midis neutroneve pa ngarkesë, dhe jo atyre gravitacionale, të cilat janë shumë të vogla për të shpjeguar efektet bërthamore.
Zona e veprimit të forcave bërthamore është e papërfillshme. Rrezja e veprimit të tyre është 10 -13 cm Në distanca të mëdha ndërmjet grimcave, bashkëveprimi bërthamor nuk shfaqet.
Forcat bërthamore (në zonën ku veprojnë) janë shumë intensive. Intensiteti i tyre është shumë më i madh se intensiteti i forcave elektromagnetike, pasi forcat bërthamore mbajnë brenda bërthamës, protone të ngjashëm të ngarkuar, duke zmbrapsur njëri-tjetrin me forca të mëdha elektrike.
Studimi i shkallës së lidhjes së nukleoneve në bërthama të ndryshme tregon se forcat bërthamore kanë një veti ngopjeje të ngjashme me valencën e forcave kimike. Në përputhje me këtë veti të forcave bërthamore, një dhe i njëjti nukleon nuk ndërvepron me të gjitha nukleonet e tjera të bërthamës. Por vetëm me disa fqinjë.
Vetia më e rëndësishme e forcave bërthamore është pavarësia e tyre e ngarkesës, domethënë identiteti i tre llojeve të ndërveprimit bërthamor: midis dy protoneve, midis një protoni dhe një neutroni dhe midis dy neutroneve.
Forcat bërthamore janë joqendrore.
ENERGJIA LIDHËSE E Bërthamave Atomike DHE DEFEKTI MASIV
Bërthamat e atomeve janë sisteme të lidhura fort të një numër i madh nukleonet.
Për ndarjen e plotë të bërthamës në pjesët përbërëse të saj dhe heqjen e tyre në distanca të mëdha nga njëra-tjetra, është e nevojshme të shpenzoni një sasi të caktuar pune A.
Energjia lidhëse është energjia e barabartë me punën, e cila duhet bërë për të ndarë bërthamën në nukleone të lira.
Lidhjet E = - A
Sipas ligjit të ruajtjes, energjia lidhëse është njëkohësisht e barabartë me energjinë që lirohet gjatë formimit të një bërthame nga nukleone të lira individuale. Energjia specifike e lidhjes është energjia e lidhjes për nukleon.
Me përjashtim të bërthamave më të lehta, energjia specifike e lidhjes është afërsisht konstante dhe e barabartë me 8 MeV/nukleon. Elementet me numër masiv nga 50 deri në 60 kanë energjinë lidhëse specifike maksimale (8.6 MeV/nukleon).Bërthamat e këtyre elementeve janë më të qëndrueshmet.
Ndërsa bërthamat janë të mbingarkuara me neutrone, energjia specifike e lidhjes zvogëlohet.
Për elementet në fund të tabelës periodike, është e barabartë me 7.6 MeV/nukleon (për shembull, për uraniumin).
Lëshimi i energjisë si rezultat i ndarjes ose shkrirjes bërthamore
Për të ndarë bërthamën, është e nevojshme të shpenzoni një sasi të caktuar energjie për të kapërcyer forcat bërthamore.
Për të sintetizuar një bërthamë nga grimcat individuale, është e nevojshme të kapërcehen forcat refuzuese të Kulombit (për këtë, energjia duhet të shpenzohet për të përshpejtuar këto grimca në shpejtësi të mëdha).
Domethënë, për të kryer ndarjen e bërthamës ose shkrirjen e bërthamës, duhet të shpenzohet pak energji.
Gjatë shkrirjes bërthamore në distanca të shkurtra, forcat bërthamore fillojnë të veprojnë mbi nukleone, të cilat i shtyjnë ata të lëvizin me nxitim.
Nukleonet e përshpejtuara lëshojnë kuanta gama, të cilat kanë energji, energji të barabartë lidhjet.
Në daljen e reaksionit ose shkrirjes së ndarjes bërthamore, lirohet energjia.
Ka kuptim të kryhet ndarja bërthamore ose sinteza bërthamore, nëse rezulton, d.m.th. energjia e çliruar si rezultat i ndarjes ose shkrirjes do të jetë më e madhe se energjia e shpenzuar.
Sipas grafikut, një fitim në energji mund të merret ose me ndarje (ndarje) të bërthamave të rënda, ose me shkrirje të bërthamave të lehta, gjë që bëhet në praktikë.
Matjet e masave të bërthamave tregojnë se masa e bërthamës (Mn) është gjithmonë më e vogël se shuma e masave të mbetura të neutroneve dhe protoneve të lira që e përbëjnë atë.
Gjatë ndarjes bërthamore: masa e bërthamës është gjithmonë më e vogël se shuma e masave të mbetura të grimcave të lira të formuara.
Në sintezën e bërthamës: masa e bërthamës së formuar është gjithmonë më e vogël se shuma e masave të mbetura të grimcave të lira që e kanë formuar atë.
Defekti i masës është një masë e energjisë lidhëse të një bërthame atomike.
Defekti në masë është i barabartë me diferencën midis masës totale të të gjitha nukleoneve të bërthamës në gjendje të lirë dhe masës së bërthamës:
ku Mm është masa e bërthamës (nga libri i referencës)
Z është numri i protoneve në bërthamë
m p është masa e pushimit të një protoni të lirë N është numri i neutroneve në bërthamë
m n është masa e mbetur e një neutroni të lirë
Ulja e masës gjatë formimit të një bërthame do të thotë se energjia e sistemit të nukleoneve zvogëlohet. Energjia e ndërveprimit të nukleoneve është e lartë; quhet intranuklear, ose bërthamor.
AKSIONET BËRTHAMORE
Reaksioni bërthamor - procesi i transformimit të bërthamave atomike, i cili ndodh kur ato ndërveprojnë me grimcat elementare, kuantet gama dhe me njëra-tjetrën, shpesh duke çuar në çlirimin e energjisë kolosale. Proceset spontane (që ndodhin pa ndikimin e grimcave të incidentit) në bërthama - për shembull, zbërthimi radioaktiv - zakonisht nuk klasifikohen si reaksione bërthamore. Për të kryer një reaksion midis dy ose më shumë grimcave, është e nevojshme që grimcat (bërthamat) ndërvepruese t'i afrohen njëra-tjetrës në një distancë prej 10-13 cm, domethënë rreze karakteristike e veprimit të forcave bërthamore. Reaksionet bërthamore mund të ndodhin si me çlirimin ashtu edhe me thithjen e energjisë. Reaksionet e llojit të parë, ekzotermike, shërbejnë si bazë e energjisë bërthamore dhe janë burimi i energjisë për yjet. Reaksionet që shkojnë me thithjen e energjisë (endotermike) mund të ndodhin vetëm nëse energjia kinetike e grimcave që përplasen (në qendër të sistemit të masës) është mbi një vlerë të caktuar (pragu i reagimit).
Kur një grimcë aksidentale përplaset me një bërthamë atomike, midis tyre ndodh një shkëmbim energjie dhe momenti, si rezultat i të cilit mund të formohen disa grimca që fluturojnë në drejtime të ndryshme nga rajoni i ndërveprimit. Procese të tilla quhen reaksione bërthamore.
Radioaktiviteti. Ligji i zbërthimit radioaktiv.
Radioaktiviteti- transformime spontane të bërthamave atomike, të shoqëruara me emetim të grimcave elementare ose bërthamave më të lehta. Bërthamat që i nënshtrohen transformimeve të tilla quhen radioaktive, dhe procesi i transformimit quhet zbërthim radioaktiv.
Zbërthimi radioaktiv është i mundur vetëm kur është energjikisht i favorshëm, d.m.th. shoqëruar me çlirimin e energjisë. Kusht për këtë është tejkalimi i masës M të bërthamës fillestare të shumës së masave m i të produkteve të zbërthimit, d.m.th. pabarazia:
Nga afërsisht 3000 bërthama të njohura (shumica e tyre të marra artificialisht), vetëm 264 nuk janë radioaktive.
Bërthamat radioaktive mund të lëshojnë grimca të tre llojeve: të ngarkuara pozitivisht dhe negativisht dhe neutrale. Këto tre lloje rrezatimi quheshin rrezatim α-, β- dhe γ. Në foto 1. tregohet skema e eksperimentit, e cila bën të mundur zbulimin e përbërjes komplekse të rrezatimit radioaktiv. Në një fushë magnetike, rrezet α dhe β devijojnë në drejtime të kundërta, dhe rrezet β devijojnë shumë më tepër. Rrezet γ në një fushë magnetike nuk devijojnë fare.
Në dekadën e dytë të shekullit të 20-të, pas zbulimit nga E. Rutherford të strukturës bërthamore të atomeve, u vërtetua me vendosmëri se radioaktiviteti është veti e bërthamave atomike. Studimet kanë treguar se rrezet α përfaqësojnë një rrymë grimcash α - bërthamat e heliumit, rrezet β janë një rrymë elektronesh, rrezet γ përfaqësojnë një valë të shkurtër rrezatimi elektromagnetik me gjatësi vale jashtëzakonisht të shkurtër λ
Llojet kryesore të zbërthimit radioaktiv janë kalbja alfa (emetimi i grimcave alfa nga bërthamat), zbërthimi beta (emetimi (ose thithja) e një elektroni, si dhe antineutrino, ose emetimi i një pozitroni dhe neutrino), zbërthimi gama (emetimi i gama rrezet) dhe ndarja spontane (shpërbërja e bërthamës në dy fragmente me masë të krahasueshme).
Kalbja alfa . Zbërthimi alfa është shndërrimi spontan i një bërthame atomike me numrin e protoneve Z dhe neutroneve N në një bërthamë tjetër që përmban një numër protonesh Z– 2 dhe neutronet N- 2. Në këtë rast, lëshohet një grimcë α - bërthama e një atomi të heliumit.
Skema e përgjithshme: z X A \u003d 2 He 4 + z -2 Y A -4.
Një shembull i një procesi të tillë është α-prishja e radiumit:
 |
Rrezatimi α ka fuqinë më të ulët depërtuese. Në ajër, në kushte normale, rrezet α udhëtojnë në një distancë prej disa centimetrash.
Një substancë radioaktive mund të lëshojë grimca α me disa vlera diskrete të energjisë. Kjo është për shkak se bërthamat mund të jenë në gjendje të ndryshme të ngacmuara. α-zbërthimi i bërthamave në shumë raste shoqërohet me rrezatim γ.
beta prishje . Në zbërthimin beta, një elektron emetohet nga bërthama. Elektronet nuk mund të ekzistojnë brenda bërthamave, ato lindin gjatë zbërthimit β si rezultat i shndërrimit të një neutroni në një proton. Ky proces mund të ndodhë jo vetëm brenda bërthamës, por edhe me neutronet e lira. -> +.
β-elektronet mund të kenë shpejtësi të ndryshme në një gamë të gjerë vlerash.
Në β-prishje, numri i ngarkesës Z rritet me një, dhe numri masiv A mbetet e pandryshuar.
Z X A \u003d -1 e 0 + z +1 Y A.
Një shembull tipik i kalbjes β është transformimi i një izotopi toriumi që lind nga kalbja α e uraniumit në paladium.
 |
Rrezet β absorbohen shumë më pak nga materia . Ata janë në gjendje të kalojnë nëpër një shtresë alumini disa milimetra të trashë.
Së bashku me zbërthimin elektronik β, u zbulua i ashtuquajturi zbërthimi i pozitronit β +, në të cilin pozitron dhe neutrinot.
Një pozitron është një grimcë binjake e një elektroni që ndryshon prej tij vetëm në shenjën e ngarkesës.. Pozitronet lindin si rezultat i reagimit të shndërrimit të një protoni në një neutron sipas skemës së mëposhtme:
|
Kalbja e gamës . Ndryshe nga radioaktiviteti α- dhe β, radioaktiviteti γ i bërthamave nuk shoqërohet me një ndryshim në strukturën e brendshme të bërthamës dhe nuk shoqërohet me një ndryshim në numrin e ngarkesës ose masës. Rrezet γ kanë fuqinë më të madhe depërtuese, duke qenë në gjendje të kalojnë përmes një shtrese plumbi 5-10 cm të trashë.
Si në kalbjen α- dhe në β, bërthama e bijës mund të jetë në një gjendje të ngacmuar dhe të ketë energji të tepërt. Kalimi i bërthamës nga gjendja e ngacmuar në gjendjen bazë shoqërohet me emetimin e një ose disa kuanteve γ, energjia e të cilave mund të arrijë disa MeV.
Ligji i zbërthimit radioaktiv .
Çdo mostër e materialit radioaktiv përmban një numër të madh atomesh radioaktive. Meqenëse zbërthimi radioaktiv është i rastësishëm dhe nuk varet nga kushtet e jashtme, pastaj ligji i sasisë në rënie N (t) i pa kalbur të momenti aktual koha t bërthamat mund të shërbejnë si një e rëndësishme karakteristikë statistikore procesi i kalbjes radioaktive
Ligji eksponencial i zbërthimit radioaktiv, që tregon se si (mesatarisht) numri N i bërthamave radioaktive në një mostër ndryshon me kohën t
Ku N 0 është numri i bërthamave fillestare në momentin fillestar (momenti i formimit të tyre ose fillimi i vëzhgimit), dhe është konstanta e zbërthimit (probabiliteti i kalbjes së një bërthame radioaktive për njësi të kohës).
Nëpërmjet kësaj konstante, mund të shprehet jetëgjatësia mesatare e një bërthame radioaktive = 1/,
Për përdorim praktik, është e përshtatshme të shkruhet ligji i zbërthimit radioaktiv në një formë tjetër, duke përdorur numrin 2 si bazë, dhe jo e:
Vlera T thirrur gjysem jete . Gjatë T gjysma e numrit fillestar të bërthamave radioaktive zbërthehet. Sasitë T dhe τ janë të lidhura me
Gjatë kalbjes α- dhe β-radioaktive, bërthama e bijës mund të jetë gjithashtu e paqëndrueshme. Prandaj, janë të mundshme një sërë zbërthimesh radioaktive të njëpasnjëshme, të cilat përfundojnë në formimin e bërthamave të qëndrueshme.
Karakteristikat e zbërthimit radioaktiv, në veçanti shpejtësia e tij (gjysma e jetës), ndikohen ndjeshëm nga forcat (ndërveprimet) që shkaktojnë zbërthimin. Prishja e alfa fillimisht nxitet nga forca e fortë, por shpejtësia e saj përcaktohet nga pengesa e Kulombit ( ndërveprimi elektromagnetik). Zbërthimi beta shkaktohet nga forca e dobët, ndërsa zbërthimi i gama shkaktohet nga forca elektromagnetike.
Aplikacion.
Një aplikim interesant i radioaktivitetit është metoda e datimit të gjetjeve arkeologjike dhe gjeologjike sipas përqendrimit izotopet radioaktive. Metoda më e përdorur është datimi me radiokarbon. Një izotop i paqëndrueshëm i karbonit ndodh në atmosferë për shkak të reaksioneve bërthamore të shkaktuara nga rrezet kozmike. Një përqindje e vogël e këtij izotopi gjendet në ajër së bashku me izotopin e zakonshëm të qëndrueshëm.Bimët dhe organizmat e tjerë konsumojnë karbonin nga ajri dhe i grumbullojnë të dy izotopet në të njëjtën proporcion si në ajër. Pasi bimët vdesin, ato ndalojnë konsumimin e karbonit dhe si rezultat i kalbjes β, izotopi i paqëndrueshëm shndërrohet gradualisht në azot me një gjysmë jetëgjatësi prej 5730 vjetësh. Duke matur me saktësi përqendrimin relativ të karbonit radioaktiv në mbetjet e organizmave të lashtë, është e mundur të përcaktohet koha e vdekjes së tyre.
Lexim shtesë.
Fenomeni i radioaktivitetit u zbulua në vitin 1896 nga A. Becquerel. Në 1899, E. Rutherford zbuloi se uraniumi lëshon grimca të ngarkuara pozitivisht (-grimca) dhe grimca të ngarkuara negativisht (elektrone). Në vitin 1900, P. Willard zbuloi grimca neutrale (-kuanta) gjatë studimit të kalbjes së uraniumit. Fisioni spontan bërthamor u zbulua në vitin 1940 nga K.A. Petrzhak dhe G.N. Flerov.
Në procesin e zbërthimit β, vërehet një shkelje e dukshme e ligjit të ruajtjes së energjisë, pasi energjia totale e protonit dhe elektronit që lind nga prishja e neutronit është më e vogël se energjia e neutronit. Në vitin 1931, W. Pauli sugjeroi që gjatë zbërthimit të një neutroni, një grimcë tjetër me masë dhe ngarkesë zero lirohet, e cila merr një pjesë të energjisë me të. Grimca e re quhet neutrino
(neutron i vogël). Për shkak të mungesës së ngarkesës dhe masës në një neutrino, kjo grimcë ndërvepron shumë dobët me atomet e materies, kështu që është jashtëzakonisht e vështirë ta zbulosh atë në një eksperiment. Aftësia jonizuese e neutrinos është aq e vogël sa një akt jonizimi në ajër bie në afërsisht 500 km të shtegut. Kjo grimcë u zbulua vetëm në vitin 1953. Aktualisht, dihet se ekzistojnë disa lloje të neutrinos. Në procesin e zbërthimit të neutronit, prodhohet një grimcë, e cila quhet antineutrino elektronike
. Është shënuar me një simbol. Prandaj, reaksioni i zbërthimit të neutronit shkruhet si:
|
.
Ekzistenca e pozitronit u parashikua nga fizikani i shquar P. Dirac në vitin 1928. Disa vjet më vonë, pozitroni u zbulua në përbërjen e rrezeve kozmike.
Më vete, mund të dallohen reagimet në γ-fotonet (efekti fotoelektrik bërthamor)
Për lexim shtesë
Reaksionet bërthamore shënohen si më poshtë
A 1 + a 2 b 1 + b 2 + ...,
ku a 1 dhe a 2 janë grimcat që hyjnë në reaksion, dhe b 1 , b 2 ... janë grimcat e formuara si rezultat i reaksionit.
Reaksioni zakonisht mund të marrë disa rrugë të ndryshme, si rezultat i reaksioneve bërthamore në gjendjen përfundimtare, mund të formohen grimca të ndryshme.
Hapi fillestar i reaksionit quhet kanali i hyrjes . Rrugët e ndryshme të mundshme për reaksionin në hapin e dytë quhen kanalet e daljes .
Nëse në gjendjen përfundimtare formohen dy grimca
zakonisht përdorin shënimin
ku a është grimca rënëse, A është bërthama e synuar, b është grimca e lehtë e formuar në gjendjen përfundimtare, B është bërthama përfundimtare.
Në varësi të energjisë së grimcës rënëse E a, ndërveprimi i grimcës rënëse me bërthamën A mund të prodhojë grimca të ndryshme në gjendjen përfundimtare. Kështu, kur një proton ndërvepron me një bërthamë 14 N, reagimet janë të mundshme
| p + 14 N 14 N + fq | (a) |
| p + 14 N 14 N* + fq | (b) |
| p + 14 N 15 O + | (në) |
| p + 14 N 14 O + n | (G) |
| p + 14 N 13 N + p + n | (e) |
| p + 14 N 8p + 7n | (e) |
Në shembullin e mësipërm të bashkëveprimit të një protoni me një bërthamë 14 N, vërehen kanalet e mëposhtme të daljes së reaksionit.
Shpërndarja elastike është një reaksion bërthamor në të cilin lloji i grimcave dhe tyre gjendjet kuantike nuk ndryshojnë si rezultat i ndërveprimit (a).
Në reaksionin (b), të njëjtat grimca formohen në gjendjen përfundimtare si në gjendjen fillestare, por bërthama 14N formohet në gjendje të ngacmuar. Një proces i tillë quhet procesi i shpërndarjes joelastike.
Në reaksionet (c-e), formohen grimca që nuk ishin në gjendjen fillestare.
Reaksionet e tipit (c), kur një -kuant formohet në gjendjen përfundimtare, quhen reaksione të kapjes rrezatuese.
Në gjendjen përfundimtare, mund të formohen bërthama të qëndrueshme dhe radioaktive. Për shembull, bërthamat 14,15 O janë + -radioaktive.
Në reaksionin (e), formohen tre grimca në gjendjen përfundimtare.
Me energji mjaftueshëm të larta të grimcës së rënë, është i mundur shpërbërja e plotë e bërthamës në nukleonet individuale përbërëse të saj (e).
Ne kemi dhënë një klasifikim të reaksioneve bërthamore sipas llojit të grimcave të formuara në kanalin e daljes. Reaksionet bërthamore klasifikohen gjithashtu sipas llojit të grimcave në hyrje. Kështu dallohen reaksionet nën veprimin e grimcave të ngarkuara me dritë p, d, 3 He, 3 H(t), 4 He() p.sh.
P + 16 O 16 F + n
+ 14 N 18 F +
Reaksionet nën veprimin e kuanteve dhe elektroneve quhen fotobërthamore dhe elektronukleare.
14 N 13 N + n
e - + 14 N 13 C + p + e -
Jonet e përshpejtuara mund të përdoren si grimca rënëse.
16 O + 14 N 13 C + 17 F
Nëse grimcat e ngarkuara përdoren si grimca rënëse, ato duhet të kenë energji të mjaftueshme kinetike për të kapërcyer zmbrapsjen e Kulombit të bërthamës dhe të bien në rajonin e forcave bërthamore. (Nëse energjia e grimcës së ngarkuar është më e vogël se lartësia e barrierës së Kulombit, probabiliteti i një reaksioni bërthamor do të shtypet fuqishëm.) Rrezet e grimcave të energjive të kërkuara merren lehtësisht me përshpejtuesit modernë. Nëse energjia e grimcës është e pamjaftueshme për të kapërcyer barrierën e Kulombit, atëherë ajo do të përjetojë shpërndarje elastike në fushën Kulomb të bërthamës, të përshkruar nga formula e Rutherford. Për të studiuar karakteristikat e bërthamave atomike në rajonin me energji të ulët, përdoren neutronet, të cilat nuk kanë nevojë të kapërcejnë pengesën e Kulombit. Burimet e flukseve intensive të neutroneve janë reaktorët bërthamorë.
Fizioni i bërthamave të uraniumit.
Reaksioni bërthamor zinxhir.
Fizioni i bërthamave të uraniumit
Një atom uranium, pasi ka thithur një neutron, ngacmohet, deformohet (bërthama është shtrirë, forcat bërthamore dobësohen me rritjen e distancave midis nukleoneve) dhe ndahet në dy pjesë me emetimin e 2-3 neutroneve.
Duke thithur një neutron, bërthama e uraniumit merr energjinë e nevojshme për të kapërcyer forcat bërthamore të tërheqjes midis nukleoneve, ndërsa energjia e brendshme e bërthamës rritet. Gjatë zbërthimit të bërthamës, një pjesë e energjisë së brendshme shndërrohet në energjinë kinetike të fragmenteve, dhe më pas, për shkak të ngadalësimit të tyre, në energjia e brendshme mjedisi.
Si rezultat i ndarjes bërthamore të inicuar nga një neutron, lindin neutrone të reja që mund të shkaktojnë reaksione të ndarjes së bërthamave të tjera. Produktet e zbërthimit të bërthamave të uraniumit-235 mund të jenë izotope të ndryshme të bariumit, ksenonit, stronciumit, rubidiumit etj. Gjatë ndarjes së bërthamave të atomeve të rënda lirohet një energji shumë e madhe - rreth 200 MeV gjatë ndarjes së çdo bërthame. Rreth 80% e kësaj energjie çlirohet në formën e fragmentit të energjisë kinetike; 20% e mbetur llogaritet nga energjia e rrezatimit radioaktiv të fragmenteve dhe energjia kinetike e neutroneve të shpejta. Reagimi i ndarjes së bërthamave të uraniumit vazhdon me çlirimin mbizotërues të energjisë në mjedis.
Aktualisht, njihen rreth 100 izotope të ndryshëm, me numra masiv nga rreth 90 në 145, që rezultojnë nga ndarja. Dy reaksione tipike të ndarjes së kësaj bërthame kanë formën:
Reaksioni zinxhir bërthamor
Gjatë ndarjes bërthamore, e cila shkaktohet nga një përplasje me një neutron, lirohen 2 ose 3 neutrone. Në kushte të favorshme, këto neutrone mund të godasin bërthamat e tjera të uraniumit dhe të shkaktojnë ndarje të tyre. Në këtë fazë, tashmë do të shfaqen nga 4 deri në 9 neutrone, të aftë për të shkaktuar prishje të reja të bërthamave të uraniumit, etj. Një proces i tillë si orteku quhet një reaksion zinxhir.
Uraniumi gjendet natyrshëm në dy izotope:(99.3%) dhe (0.7%). Kur bombardohen nga neutronet, bërthamat e të dy izotopeve mund të ndahen në dy fragmente. Në këtë rast, reaksioni i ndarjes shkon më intensivisht në neutrone të ngadalta (termike) me një energji kinetike në intervalin 0.5 ev - 1 Mev., ndërsa bërthamat hyjnë në një reaksion të ndarjes vetëm me neutrone të shpejta me një energji më shumë se 1 MeV, përndryshe energjia e ngacmimit të bërthamave që rezultojnë është e pamjaftueshme për ndarje, dhe më pas në vend të ndarjes ndodhin reaksionet bërthamore:
Izotopi i uraniumit β-radioaktiv, gjysma e jetës 23 min. Izotopi i neptuniumit është gjithashtu radioaktiv, me një gjysmë jetëgjatësi prej rreth 2 ditësh.
Izotopi i plutoniumit është relativisht i qëndrueshëm, me një gjysmë jetëgjatësi prej 24,000 vjetësh (si rezultat i kalbjes α, ai formohet). Vetia më e rëndësishme e plutoniumit është se ai ndahet nën ndikimin e neutroneve në të njëjtën mënyrë si . Prandaj, me ndihmë, mund të kryhet një reaksion zinxhir.
Skema e reaksionit zinxhir të diskutuar më sipër është një rast ideal, ndërsa në kushte reale jo të gjithë neutronet e prodhuara gjatë ndarjes marrin pjesë në ndarjen e bërthamave të tjera. Disa prej tyre janë kapur nga bërthama jo të zbërthyeshme të atomeve të huaja, të tjera fluturojnë jashtë uraniumit (rrjedhje neutron). Prandaj, reaksioni zinxhir i ndarjes së bërthamave të rënda nuk ndodh gjithmonë dhe jo për ndonjë masë të uraniumit. Për të kuptuar këtë çështje, është e nevojshme të merret parasysh një koncept tjetër - faktori i shumëzimit të neutronit.
Zhvillimi i një reaksioni zinxhir karakterizohet nga i ashtuquajturi faktori i shumëzimit të neutronit K, i cili matet me raportin e numrit Ni të neutroneve që shkaktojnë ndarje bërthamore të një substance në një nga fazat e reaksionit me numrin e Ni. -1 neutrone që shkaktuan ndarje në fazën e mëparshme të reaksionit:
Faktori i shumëzimit varet nga një sërë faktorësh, në veçanti, nga natyra dhe sasia e materialit të zbërthyer dhe nga forma gjeometrike e vëllimit që ai zë. E njëjta sasi e një lënde të caktuar ka një vlerë të ndryshme të K. K është maksimumi nëse substanca ka një formë sferike, pasi në këtë rast humbja e neutroneve të shpejtë nëpër sipërfaqe do të jetë më e vogla.
Masa e materialit të zbërthyer në të cilën reaksioni zinxhir vazhdon me faktorin e shumëzimit K = 1 quhet masë kritike. Në copa të vogla të uraniumit, shumica e neutroneve, pa goditur asnjë bërthamë, fluturojnë jashtë.
Vlera e masës kritike përcaktohet nga gjeometria sistemi fizik, struktura e tij dhe mjedisi i jashtëm. Pra, për një top me uranium të pastër, masa kritike është 47 kg (një top me diametër 17 cm). Masa kritike e uraniumit mund të reduktohet shumë herë duke përdorur të ashtuquajturit moderatorë neutron. Fakti është se neutronet e prodhuara gjatë kalbjes së bërthamave të uraniumit kanë shpejtësi shumë të larta, dhe probabiliteti i kapjes së neutroneve të ngadalta nga bërthamat e uraniumit-235 është qindra herë më i madh se ai i atyre të shpejtë. Moderatori më i mirë i neutronit është uji i rëndë D2O (deuterium dhe oksigjen). Uji i zakonshëm, kur ndërvepron me neutronet, vetë shndërrohet në ujë të rëndë.
Një moderator i mirë është edhe grafiti, bërthamat e të cilit nuk thithin neutronet. Pas ndërveprimit elastik me bërthamat e deuteriumit ose karbonit, neutronet ngadalësohen në shpejtësi termike.
Përdorimi i moderatorëve të neutronit dhe një guaskë speciale beriliumi që pasqyron neutronet bën të mundur uljen e masës kritike në 250 g.
Me faktorin e shumëzimit K = 1, numri i bërthamave të zbërthyeshme mbahet në një nivel konstant. Kjo mënyrë ofrohet në reaktorët bërthamorë.
Nëse masa e karburantit bërthamor është më e vogël se masa kritike, atëherë faktori i shumëzimit K
Nëse masa e karburantit bërthamor është më e madhe se ajo kritike, atëherë faktori i shumëzimit K > 1 dhe çdo gjeneratë e re neutronesh shkakton të gjitha më shumë ndarjet. Reaksioni zinxhir rritet si një ortek dhe ka karakterin e një shpërthimi, i shoqëruar nga një çlirim i madh energjie dhe një rritje e temperaturës së ambientit në disa miliona gradë. Një reaksion zinxhir i këtij lloji ndodh kur një bombë atomike shpërthen.
Reaktor bërthamor. Shkrirja termonukleare.
Pra, para se të flasim për reaksionet termonukleare dhe bërthamore, ju sugjeroj që të analizoni pak dhe
krahasoni ato.
Reaksioni termonuklear është një reaksion i shkrirjes bërthamore në të cilin elementët më të lehtë (izotopet e rënda të hidrogjenit - deuterium dhe tritium) formojnë ato më të rënda - helium.
Një reaksion bërthamor është një reaksion zinxhir bërthamor në të cilin elementë më të lehtë formohen nga elementë më të rëndë.
Në praktikë, ndryshimi qëndron në faktin se reagimi i ndarjes bërthamore është relativisht i lehtë për t'u kontrolluar, gjë që nuk mund të thuhet për një reaksion termonuklear, prandaj, përveç rëndësisë ushtarake, rëndësi kanë edhe termocentralet bërthamore paqësore.
Shkencëtarët janë ende duke luftuar për të gjetur një mënyrë të lirë për të kontrolluar një reaksion të shkrirjes termonukleare, dhe deri më tani pa dobi. Nëse flasim për ngjashmëritë e tyre, atëherë në të dy reaksionet lëshohet një sasi e madhe nxehtësie, por në shkrirjen termonukleare është akoma më shumë.
Reaktor bërthamor 
Një reaktor bërthamor është një strukturë që përmban lëndë djegëse bërthamore në të cilën ndodh një reaksion zinxhir i kontrolluar i ndarjes.
Parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor
Gjatë zbërthimit të uraniumit U 235, lëshohet nxehtësi, e shoqëruar me lëshimin e dy ose tre neutroneve. Sipas statistikave - 2.5. Këto neutrone përplasen me atome të tjera të uraniumit U 235. Në një përplasje, uraniumi U 235 shndërrohet në një izotop të paqëndrueshëm U 236, i cili pothuajse menjëherë zbërthehet në Kr 92 dhe Ba 141 + të njëjtat 2-3 neutrone. Prishja shoqërohet me çlirimin e energjisë në formën e rrezatimit gama dhe nxehtësisë.Ky quhet një reaksion zinxhir. Atomet ndahen, numri i zbërthimeve rritet në mënyrë eksponenciale, gjë që përfundimisht çon në një çlirim të shpejtë rrufe, sipas standardeve tona, i një sasie të madhe energjie - ndodh shpërthim bërthamor si pasojë e një reaksioni zinxhir të pakontrolluar.
Reaktorët bërthamorë janë në neutrone të shpejta dhe të ngadalta:
Reaktor i shpejtë neutron - reaktor bërthamorreaksioni zinxhir bërthamorneutronetme energji > 10 5 eV. RReaktorët ndryshojnë ndjeshëm në spektrin e neutronit - shpërndarjen e neutroneve me energji, dhe, rrjedhimisht, në spektrin e neutroneve të zhytur (që shkaktojnë ndarje bërthamore). Nëse bërthama nuk përmban bërthama të lehta të krijuara posaçërisht për ngadalësimin si rezultat i shpërndarjes elastike, atëherë praktikisht i gjithë ngadalësimi është për shkak të shpërndarjes joelastike të neutroneve nga bërthama të rënda dhe me peshë të mesme. Në këtë rast, shumica e ndarjeve shkaktohen nga neutronet me energji të rendit të dhjetëra dhe qindra keV. Reaktorë të tillë quhen reaktorë të shpejtë neutron.
Reaktor në neutrone të ngadalta (termike).- rektor bërthamor duke përdorur për të ruajturreaksioni zinxhir bërthamor neutronet pjesa termike e spektrit të energjisë -"spektri termik". Përdorimi i neutroneve të spektrit termik është i dobishëm sepse seksioni kryq i ndërveprimit të bërthamave të uranium-235 me neutronet që marrin pjesë në një reaksion zinxhir rritet ndërsa energjia e neutronit zvogëlohet, ndërsa bërthamat e uraniumit-238 mbeten konstante në energji të ulëta. Si rezultat, një reagim i vetë-qëndrueshëm duke përdorur uranium natyror, në të cilin izotopi i zbërthyeshëm 235 U është vetëm 0.7%, e pamundur në neutronet e shpejtë (spektri i ndarjes) dhe e mundur në neutronet e ngadalta (termike).
Konsiderata të thjeshta tregojnë se ndarja e uraniumit në dy fragmente duhet të shoqërohet me çlirimin e energjisë së madhe. Prandaj, kur një bërthamë uraniumi ndahet në dy fragmente, duhet të lirohet një energji e barabartë me afërsisht 1.1 MeV për nukleon. Në total, gjatë ndarjes së një bërthame uraniumi që përmban më shumë se 200 nukleone, duhet të lirohet një energji e rendit 200 MeV.
Pjesa më e madhe e energjisë së ndarjes lëshohet në formën e energjisë kinetike të fragmenteve të ndarjes dhe neutroneve. Një pjesë e energjisë lëshohet në formën e rrezatimit gama.
Skema e proceseve në një reaktor bërthamor: (kur përdoret një moderator reagimi)
O
Elementet kryesore të një reaktori bërthamor:
1) karburanti bërthamor (, etj.);
2) moderator neutron (ujë i rëndë ose i zakonshëm, berilium, oksid beriliumi, etj.);
3) ftohës për prodhimin e energjisë së gjeneruar gjatë funksionimit të reaktorit (ujë, natrium i lëngshëm, etj.);
4) Një pajisje për kontrollin e shpejtësisë së reagimit (shufra që përmbajnë kadmium ose bor të futur në hapësirën e punës të reaktorit - substanca që thithin mirë neutronet).
Jashtë, reaktori është i rrethuar nga një guaskë mbrojtëse që bllokon rrezatimin γ dhe neutronet. Predha është prej betoni me mbushës hekuri.
kapja e neutronit- një lloj reaksioni bërthamor në të cilin bërthama e një atomi kombinohet me një neutron dhe formon një bërthamë më të rëndë:(A, Z) + n → ( A+1, Z) + γ.
Neutroni mund t'i afrohet bërthamës edhe me energji kinetike gati zero, pasi është elektrikisht neutral, në kontrast me protonin e ngarkuar pozitivisht, i cili mund të kapet vetëm me një energji mjaft të lartë për të kapërcyer zmbrapsjen elektrostatike.
Reaktorët e shpejtë të neutronit:
Avantazhi:
funksionimi i tyre prodhon një sasi të konsiderueshme plutoniumi, i cili më pas mund të përdoret si lëndë djegëse bërthamore.
Këta reaktorë quhen reaktorë riprodhues sepse prodhojnë materiale të zbërthyeshme.
Gjatë shkrirjes së bërthamave të lehta dhe formimit të një bërthame të re, duhet të lirohet një sasi e madhe energjie. Kjo mund të shihet nga varësia e energjisë specifike të lidhjes nga numri i masës A.
Deri në bërthamat me një numër masiv prej rreth 60, energjia specifike lidhëse e nukleoneve rritet me rritjen A. Prandaj, sinteza e çdo bërthame me A
Reaksionet e shkrirjes së bërthamave të lehta quhen reaksionet termonukleare sepse mund të rrjedhin vetëm në temperatura shumë të larta. Në mënyrë që dy bërthama të hyjnë në një reaksion shkrirjeje, ato duhet të afrohen në një distancë veprimi të forcave bërthamore të rendit 2·10 -15 m, duke kapërcyer zmbrapsjen elektrike të ngarkesave të tyre pozitive. Për këtë, energjia mesatare kinetike e lëvizjes termike të molekulave duhet të kalojë energji potenciale Ndërveprimi i Kulombit. Llogaritja e temperaturës së nevojshme për këtë Tçon në një vlerë të rendit 10 8 -10 9 K. Kjo është një temperaturë jashtëzakonisht e lartë. Në këtë temperaturë, substanca është në një gjendje plotësisht të jonizuar, e cila quhet plazma
.5 gjendja e trupit. Nuk ka materiale në botë që mund të përballojnë temperatura të tilla.
Energjia e çliruar në reaksionet termonukleare për nukleon është disa herë më e lartë se energjia specifike e çliruar në reaksionet zinxhir ndarje bërthamore. Kështu, për shembull, në reaksionin e shkrirjes së bërthamave të deuteriumit dhe tritiumit
|
Lirohet 3.5 MeV/nukleon. Në total, 17.6 MeV lirohet në këtë reagim. Ky është një nga reaksionet termonukleare më premtuese.
Zbatimi reaksionet termonukleare të kontrolluara do t'i japë njerëzimit një burim të ri energjie miqësore me mjedisin dhe praktikisht të pashtershëm. Sidoqoftë, arritja e temperaturave ultra të larta dhe kufizimi i plazmës së ngrohur në një miliard gradë është detyra më e vështirë shkencore dhe teknike në rrugën drejt zbatimit të shkrirjes termonukleare të kontrolluar.
Në këtë fazë të zhvillimit të shkencës dhe teknologjisë, vetëm reaksioni i shkrirjes së pakontrolluar në një bombë hidrogjeni. Nxehtësia, e nevojshme për shkrirjen bërthamore, arrihet këtu duke përdorur shpërthimin e një bombe konvencionale uraniumi ose plutoniumi.
Reaksionet termonukleare luajnë një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në evolucionin e Universit. Energjia e rrezatimit të Diellit dhe yjeve është me origjinë termonukleare.
Llojet e reagimit:
1) Reaksioni i deuteriumit + tritiumit (karburanti D-T)
Reagimi më i lehtë i zbatueshëm është deuterium + tritium:2 H + 3 H = 4 He + n për një prodhim energjie prej 17,6 MeV (MeV).
Ky reagim zbatohet më lehtë në drejtim të teknologjive moderne, jep një rendiment të konsiderueshëm të energjisë, komponentët e karburantit janë të lirë. Disavantazhi është lëshimi i rrezatimit të padëshiruar neutron.
Dy bërthama: deuteriumi dhe tritiumi bashkohen për të formuar një bërthamë helium (grimcë alfa) dhe një neutron me energji të lartë:
2) Reaksioni deuterium + helium-3
Është shumë më e vështirë, në kufirin e asaj që është e mundur, të kryhet reaksioni deuterium + helium-3.2 H + 3 He = 4 He + p me një prodhim energjie prej 18,4 MeV.
Kushtet për ta arritur atë janë shumë më të ndërlikuara. Helium-3 është gjithashtu një izotop i rrallë dhe jashtëzakonisht i shtrenjtë. AT shkallë industriale aktualisht nuk prodhohet. Megjithatë, ai mund të merret nga tritium, i marrë nga ana tjetër në termocentralet bërthamore; ose të minuara në hënë.
Kompleksiteti i kryerjes së një reaksioni termonuklear mund të karakterizohet nga produkti i trefishtë ntτ (dendësia për temperaturë për kohën e mbajtjes). Sipas këtij parametri, reagimi D-3 He është rreth 100 herë më i vështirë se D-T.
3) Reagimi ndërmjet bërthamave të deuteriumit (D-D, monopropelant)
Reaksionet midis bërthamave të deuteriumit janë gjithashtu të mundshme, ato janë pak më të vështira sesa reagimet që përfshijnë helium-3:Përveç reagimit kryesor në plazmën DD, ndodhin edhe këto:
Këto reaksione ngadalë vazhdojnë paralelisht me reaksionin e deuterium + helium-3, dhe tritium dhe helium-3 formohen gjatë tyre me me shumë mundësi reagojnë menjëherë me deuterium.
Llojet e tjera të reaksioneve
Disa lloje të tjera reagimesh janë gjithashtu të mundshme. Zgjedhja e karburantit varet nga shumë faktorë - disponueshmëria dhe kostoja e tij e ulët, rendimenti i energjisë, lehtësia e arritjes së kushteve të kërkuara për reaksionin e shkrirjes (kryesisht temperatura), karakteristikat e nevojshme të projektimit të reaktorit, etj.Kushtet:
Fuzioni termonuklear i kontrolluar është i mundur nën përmbushjen e njëkohshme të dy kushteve:
Shpejtësia e përplasjes së bërthamave korrespondon me temperaturën e plazmës:
Pajtueshmëria me kriterin Lawson:
Ku n- dendësia e plazmës me temperaturë të lartë, τ - koha e izolimit të plazmës në sistem.
Vlera e këtyre dy kritereve kryesisht përcakton shpejtësinë e një reaksioni të veçantë termonuklear.
KONCEPTET THEMELORE
Grimca elementare- grimcat më të vogla të materies, me kusht që ato të mos jenë bërthama dhe atome atomike (përjashtim bën protoni); për këtë arsye quhen nënbërthamore.Rrotullimi(nga anglishtja spin - rrotullim, rrotullim) - momenti i brendshëm i momentit të grimcave elementare, i cili ka natyra kuantike dhe nuk lidhet me lëvizjen e grimcës në tërësi. Spin quhet gjithashtu momenti i duhur këndor i një bërthame ose atomi atomike; në këtë rast rrotullimi përkufizohet si shuma vektoriale(llogaritur sipas rregullave të mbledhjes së momenteve në mekanikën kuantike) të rrotullimeve të grimcave elementare që formojnë sistemin, dhe momenteve orbitale të këtyre grimcave, për shkak të lëvizjes së tyre brenda sistemit. S)
Antigrimca- një grimcë binjake e një grimce tjetër elementare, që ka të njëjtën masë dhe të njëjtin rrotullim, por që ndryshon prej saj në shenjat e disa karakteristikave të ndërveprimit.
Klasifikimi i grimcave elementare
Në nivelin aktual të njohurive, 12 grimca dhe 12 antigrimca, si dhe 12 bartës të ndërveprimeve, konsiderohen elementare. Të gjitha grimcat elementare janë fermione (s=1/2ħ), dhe të gjithë bartësit e ndërveprimit janë bozon (s=1ħ).Në gjendje të lirë, vërehen vetëm 6 (nga 12) grimca elementare. Këto janë leptonet: elektroni e- , muoni μ - , taon τ - , neutrina e elektroneve ν e , neutrina muonore ν μ , dhe neutrinoja taon ν τ . Antineutrinot dhe leptonët e ngarkuar pozitivisht konsiderohen antigrimca. Leptonet janë grimca që ndërveprojnë dobët.
6 grimcat e mbetura elementare - kuarkët - ekzistojnë vetëm në një gjendje të lidhur. Kjo vlen edhe për 6 antikuarkë. Kuarkët dhe antikuarkët janë grimca që kanë një ndërveprim të fortë.
Llojet e klasifikimit:
Madhësia e shpinës
bozonet - grimcat me spin me numër të plotë (për shembull, foton, gluon, mesonet)
fermionet - grimcat me spin gjysmë të plotë (për shembull, elektron, proton, neutron, neutrino)
Sipas llojit të ndërveprimit
Grimcat e përbëra
hadronet - grimcat që marrin pjesë në të gjitha llojet e ndërveprimeve themelore. Ato përbëhen nga kuarke dhe ndahen, nga ana tjetër, në
mezonet- hadrone me spin me numër të plotë, pra të qenë bozon;
barionet- hadrone me spin gjysmë të plotë, pra fermione. Këto përfshijnë, në veçanti, grimcat që përbëjnë bërthamën e një atomi - protonin dhe neutronin.
Hadronet dhe leptonet formojnë materien. Bozonet matës janë kuante tipe te ndryshme ndërveprimet.
Positron. Asgjësimi. Zbulimi i pozitronit, një grimcë e ngjashme në karakteristikat e saj me elektronin, por që kishte një ngarkesë njësi pozitive ndryshe nga elektroni, ishte një ngjarje jashtëzakonisht e rëndësishme në fizikë. Në vitin 1928, P. Dirac propozoi një ekuacion për të përshkruar relativizmin Mekanika kuantike elektron. Doli se ekuacioni i Dirakut ka dy zgjidhje, me energji pozitive dhe negative. Një gjendje me energji negative përshkruan një grimcë të ngjashme me një elektron, por që ka një pozitive ngarkesë elektrike. Pozitroni ishte grimca e parë që u zbulua në një klasë grimcash të quajtura antigrimca. Para zbulimit të pozitronit, roli i pabarabartë i ngarkesave pozitive dhe negative në natyrë dukej i pashpjegueshëm. Pse ka një proton të rëndë të ngarkuar pozitivisht dhe asnjë grimcë të rëndë me një masë protonike dhe një ngarkesë negative? Por ekziston një elektron i ngarkuar negativisht nga drita. Zbulimi i pozitronit në thelb rivendosi simetrinë e ngarkesës për grimcat e dritës dhe i përballoi fizikanët me problemin e gjetjes së një antigrimce për protonin. Një surprizë tjetër është se pozitroni është një grimcë e qëndrueshme dhe mund të ekzistojë në hapësirën boshe për një kohë të pacaktuar. Megjithatë, kur një elektron dhe një pozitron përplasen, ato asgjësohen. Një elektron dhe një pozitron zhduken dhe në vend të tyre lindin dy kuante |
Paradokset e kalbjes beta. NeutrinoPërgjigja për këtë pyetje u dha në vitin 1932, një vit pas zbulimit të neutronit, nga fizikani italian Enrico Fermi në teorinë e tij të -zbërthimit. -Zbërthimi është në një farë kuptimi analog me emetimin e fotoneve nga atomet e ngacmuar. Nuk ka as elektrone në bërthamë dhe as fotone në atom deri në momentin e emetimit, dhe si fotoni ashtu edhe elektroni formohen në procesin e kalbjes. Studimi i procesit të zbërthimit tregoi se emetimi i elektroneve nuk shkaktohet nga ndërveprimi elektromagnetik dhe jo nga ndërveprimi bërthamor, por nga një lloj i ri ndërveprimi ende i panjohur në fizikë. Ky ndërveprim është quajtur ndërveprim i dobët. Në të ardhmen, ajo solli shumë zbulime të papritura dhe të bujshme në fizikë.Studimi i fenomenit të kalbjes paraqiste një problem serioz për fizikantët. Faktet eksperimentale dukej se ishin të papajtueshme me ligjet e ruajtjes së energjisë, momentit dhe momentit këndor. Për të shpëtuar këto ligje, W. Pauli në vitin 1930 sugjeroi që në procesin e zbërthimit, së bashku me një elektron lehtësisht të vëzhguar, duhet të lindte edhe një grimcë e lehtë me ngarkesë zero, masë pushimi zero dhe spin 1/2. Meqenëse neutrinoja u emetua së bashku me elektronin gjatë procesit të kalbjes, ajo mund të merrte energjinë, momentin dhe momentin këndor që mungonte. Për të testuar hipotezën e Paulit, ishte e nevojshme të zbuloheshin neutrinot në mënyrë eksperimentale. Sidoqoftë, vetitë e neutrinës të parashikuara nga Pauli e bënë jashtëzakonisht të vështirë zbulimin. Fakti është se neutrinoja duhej të ndërvepronte shumë dobët me materien. Mund të fluturonte mijëra kilometra materie pa ndërveprim. Seksioni kryq për bashkëveprimin e neutrinos me një energji prej disa MeV me bërthamat atomike ~ 10 -34 cm 2. (Zhvillimi i fushave të tilla në shkencë si astrofizika e neutrinos dhe gjeofizika e neutrinos shoqërohet me fuqinë depërtuese kolosale të neutrineve. Neutrinot bartin informacion rreth proceseve në qendër të Diellit, për proceset që ndodhin në Universin e hershëm dhe fazat përfundimtare të evolucionit yjor.) Përpjekjet eksperimentale për të regjistruar drejtpërdrejt neutrinot zgjatën pothuajse njëzet vjet. Vetëm në vitin 1953, si rezultat i një eksperimenti shumë kompleks, F. Reines dhe K. Cowen arritën të regjistrojnë antineutrinot. (Antineutrinoja u regjistrua duke përdorur reaksionin e + p → n + e + . Burimi i antineutrinos ishte një reaktor atomik, në të cilin antineutrinot formohen në sasi të mëdha.). Hipoteza e Paulit mori një konfirmim brilant. |
Peonies - kuantet e fushës bërthamorePrania e neutroneve dhe protoneve në bërthamën atomike u shtroi fizikantëve problemin e studimit të natyrës së ndërveprimeve bërthamore që lidhin këto grimca në bërthamë. Në vitin 1934, H. Yukawa parashikoi një grimcë të re - kuantin e fushës bërthamore. Sipas hipotezës Yukawa, ndërveprimi midis nukleoneve lind si rezultat i emetimit dhe përthithjes së këtyre grimcave. Ata përcaktojnë fushën bërthamore në analogji me fushë elektromagnetike, e cila lind si rezultat i shkëmbimit të fotoneve
Ndërveprimi ndërmjet nukleoneve që rezulton nga shkëmbimi i masës m kuante çon në shfaqjen e potencialit
Ku g i është konstanta e bashkëveprimit të grimcave me fushën e kuanteve që mbartin bashkëveprimin bërthamor. Kushtojini vëmendje fakte të njohura se forcat bërthamore janë me rreze të shkurtër dhe kanë një gamë karakteristike prej ~ 1 fm, Yukawa vlerësoi se masa e kuanteve të fushës bërthamore ishte ~ 200 MeV. Grimca e parashikuar e Yukawa
supozohej të zinte një vlerë të ndërmjetme në masë midis një elektroni dhe një protoni dhe quhej meson nga fjala greke meso - mesatare. Pas parashikimit të vetive të mezonit, filloi një kërkim energjik për këtë grimcë. Dhe tashmë dy vjet më vonë, në 1937, një grimcë me një masë pushimi të barabartë me rreth 200 masa të pushimit të elektroneve u zbulua në rrezet kozmike duke përdorur një dhomë reje. Fillimisht, u mendua se ky ishte mesoni i parashikuar nga Yukawa. Sidoqoftë, një studim më i detajuar i vetive të kësaj grimce tregoi se mezonet e gjetura në rrezet kozmike nuk ndërveprojnë mjaftueshëm me neutronet dhe protonet, siç duhet të jetë për transportuesit e ndërveprimit bërthamor. Ato nuk u kapën nga bërthamat atomike, por u prishën me emetimin e elektroneve. Entuziazmi fillestar u zëvendësua nga një zhgënjim. Më në fund, në vitin 1947, gjithashtu në rrezet kozmike, u zbulua një grimcë tjetër që ndërvepronte fuqishëm me protonet dhe neutronet dhe ishte pikërisht grimca që Yukawa kishte parashikuar. Quhej π-meson ose pion. Ekzistojnë tre lloje të mezoneve π: një mezon π--me ngarkuar negativisht me një masë prej ~ 140 MeV, antigrimca e tij e ngarkuar pozitivisht π + -mezon dhe një mezon neutral π 0 me një masë prej ~135 MeV. Ata sillen në të njëjtën mënyrë në lidhje me ndërveprimet e forta. Prandaj, ashtu si një proton dhe një neutron bashkohen në një dyshe izotopike, pionët bashkohen në një treshe izotopike. |
.
LeptonetGrimca e zbuluar në vitin 1937 u quajt edhe meson, meson μ. Ka një masë prej ~ 106 MeV dhe ekziston në dy lloje - një grimcë e ngarkuar negativisht dhe një antigrimcë e ngarkuar pozitivisht. Sot, muoni preferohet të quhet muon. Muonët janë grimca të paqëndrueshme dhe prishen sipas skemësμ - e - + ν e + μ , μ + e + + e + ν μ , Me formimin në gjendjen përfundimtare të një elektroni (pozitron), një neutrino elektronike (antineutrino) dhe një antineutrino muonike μ (neutrino ν μ). Fakti që neutrinot e elektroneve dhe muoneve janë grimca të ndryshme u vu në dukje për herë të parë në 1957 nga M. Markov dhe Yu. Schwinger. Kjo hipotezë u konfirmua në vitin 1962 në eksperimentet në përshpejtuesin në Brookhaven. U tregua se ndërveprimi i neutrinos muonike prodhon muone ν μ + np + μ - Dhe nuk lindin elektrone ν μ + n p + e - . Muonet, elektronet dhe neutrinot i përkasin familjes së leptoneve. Një grimcë tjetër e kësaj familjeje, leptoni (taon), u zbulua nga M. Perl në vitin 1979 në reaksionin e + + e - τ + + τ - . Ai është pothuajse dy herë më i rëndë se një proton dhe mund të kalbet jo vetëm si një muon në leptone, por edhe në hadrone. M(e) M(e) + m(ν μ) + m(ν τ) |
Nga vitet 20 të shekullit të 20-të, fizikanët nuk dyshonin më se bërthamat atomike të zbuluara nga E. Rutherford në 1911, si dhe vetë atomet, kanë një strukturë komplekse. Ata ishin të bindur për këtë nga fakte të shumta eksperimentale të grumbulluara deri në atë kohë: zbulimi i radioaktivitetit, prova eksperimentale e modelit bërthamor të bërthamës, matja e raportit e/m për elektronin, grimcën α dhe për të. e quajtur grimca H - bërthama e atomit të hidrogjenit, zbulimi i radioaktivitetit artificial dhe reaksionet bërthamore, matja e ngarkesave të bërthamave atomike, etj. Tani është vërtetuar plotësisht se se bërthamat atomike të elementeve të ndryshme përbëhen nga dy grimca - protone dhe neutrone.
E para nga këto grimca është një atom hidrogjeni nga i cili është hequr një elektron i vetëm. Kjo grimcë ishte vërejtur tashmë në eksperimentet e J. Thomson (1907), i cili arriti të masë raportin e / m në të. Në vitin 1919, E. Rutherford zbuloi bërthamat e atomit të hidrogjenit në produktet e ndarjes së bërthamave të atomeve të shumë elementeve. Rutherford e quajti këtë grimcë një proton. Ai sugjeroi që protonet janë pjesë e të gjitha bërthamave atomike. Skema e eksperimenteve të Radhërfordit është paraqitur në fig. njëmbëdhjetë.
Pajisja e Rutherford përbëhej nga një dhomë e evakuuar në të cilën ndodhej një enë K me një burim grimcash α. Dritarja e dhomës ishte e mbuluar me fletë metalike Ф, trashësia e së cilës u zgjodh në mënyrë që grimcat α të mos mund të depërtonin nëpër të. Jashtë dritares ishte ekrani E, i veshur me sulfur zinku. Duke përdorur mikroskopin M, ishte e mundur të vëzhgoheshin shkëndija në pikat ku grimcat e rënda të ngarkuara goditën ekranin. Kur dhoma ishte e mbushur me azot në presion të ulët, në ekran u shfaqën ndezje drite, duke treguar shfaqjen e një rrjedhe të disa grimcave të afta të depërtojnë përmes fletës F, të cilat pothuajse plotësisht bllokuan rrjedhën e grimcave α.
Duke lëvizur ekranin E larg dritares së kamerës, mati Rutherford do të thotë rrugë e lirë grimcat e vëzhguara në ajër. Doli të ishte afërsisht e barabartë me 28 cm, që përkoi me vlerësimin e gjatësisë së shtegut të grimcave H të vëzhguar më parë nga J. Thomson. Studimet e efektit në grimcat e eliminuara nga bërthamat e azotit nga fushat elektrike dhe magnetike kanë treguar se këto grimca kanë një ngarkesë elementare pozitive dhe masa e tyre është e barabartë me masën e bërthamës së një atomi hidrogjeni. Më pas, eksperimenti u krye me një sërë substancash të tjera të gazta. Në të gjitha rastet, u zbulua se grimcat α nxjerrin jashtë grimcat H ose protonet nga bërthamat e këtyre substancave. Sipas matjeve moderne, ngarkesa pozitive e protonit është saktësisht e barabartë me ngarkesën elementare e = 1,60217733 10 -19 C, domethënë është e barabartë në vlerë absolute me ngarkesën negative të elektronit. Aktualisht, barazia e ngarkesave të protonit dhe elektronit është verifikuar me një saktësi prej 10-22. Një koincidencë e tillë e ngarkesave të dy grimcave të ndryshme është befasuese dhe mbetet një nga misteret themelore të fizikës moderne.
Figura 11. Skema e eksperimenteve të Radhërfordit për zbulimin e protoneve në produktet e ndarjes bërthamore. K - enë plumbi me burim radioaktiv të grimcave α, F - fletë metalike, E - ekran i veshur me sulfur zinku, M - mikroskop.
masë protonike, sipas matjeve moderne, është e barabartë me mp = 1,67262 10 -27 kg. Në fizikën bërthamore, masa e një grimce shpesh shprehet në njësi të masës atomike (a.m.u.) e barabartë me 1/12 e masës së një atomi karboni me një numër masiv prej 12:1 a.u. e.m = 1,66057 10 -27 kg.
Prandaj, m p \u003d 1,007276 a. e. m. Në shumë raste, është e përshtatshme të shprehet masa e një grimce në vlera ekuivalente të energjisë në përputhje me formulën E = mc 2. Meqenëse 1 eV = 1,60218 10 -19 J, në njësitë e energjisë masa e protonit është 938,272331 MeV. Kështu, në eksperimentin e Radhërfordit, u zbulua fenomeni i ndarjes së bërthamave të azotit dhe elementëve të tjerë gjatë ndikimit të grimcave të shpejta α, dhe u tregua se protonet janë pjesë e bërthamave të atomeve. Pas zbulimit të protonit, u sugjerua që bërthamat e atomeve përbëhen vetëm nga protone. Sidoqoftë, ky supozim doli të ishte i paqëndrueshëm, pasi raporti i ngarkesës së bërthamës me masën e tij nuk mbetet konstant për bërthama të ndryshme, siç do të ishte nëse vetëm protonet do të përfshiheshin në përbërjen e bërthamave. Për bërthamat më të rënda, ky raport rezulton të jetë më i vogël se për ato të lehta, domethënë kur lëvizni në bërthama më të rënda, masa e bërthamës rritet më shpejt se ngarkesa. Në vitin 1920, Rutherford hipotezoi ekzistencën e një çifti kompakt proton-elektroni të lidhur fort në përbërjen e bërthamave, i cili është një formacion elektrikisht neutral - një grimcë me një masë afërsisht të barabartë me masën e një protoni. Ai madje doli me një emër për këtë grimcë hipotetike - neutron.
Ishte një ide shumë e bukur, por, siç doli më vonë, ide e gabuar. Një elektron nuk mund të jetë pjesë e një bërthame. Llogaritja kuanto-mekanike e bazuar në relacionin e pasigurisë tregon se një elektron i lokalizuar në bërthamë, domethënë një rajon me madhësi R ≈ 10-13 cm, duhet të ketë një energji kinetike kolosale, shumë rend të madhësisë më të madhe se energjia lidhëse bërthamore për grimcë. Ideja e ekzistencës së një grimce të rëndë neutrale dukej aq tërheqëse për Rutherford, saqë ai ftoi menjëherë një grup studentësh të tij, të udhëhequr nga James Chadwick, për të kërkuar një grimcë të tillë. Dymbëdhjetë vjet më vonë, në 1932, Chadwick hetoi eksperimentalisht rrezatimin që ndodh kur beriliumi rrezatohet me grimca α dhe zbuloi se ky rrezatim është një rrjedhë grimcash neutrale me një masë afërsisht të barabartë me atë të një protoni. Kështu u zbulua neutroni. Në fig. 12 tregon një diagram të thjeshtuar të konfigurimit për zbulimin e neutroneve.
Kur beriliumi bombardohet me grimca α të emetuara nga polonium radioaktiv, lind rrezatim i fortë depërtues që mund të kapërcejë një pengesë të tillë si një shtresë plumbi 10–20 cm të trashë. Ky rrezatim u vëzhgua pothuajse njëkohësisht me Chadwick nga bashkëshortët Joliot-Curie, Irene dhe Irene dhe Frederic (Irene është vajza e dhe Pierre Curie), por ata supozuan se këto ishin rreze γ me energji të lartë. Ata zbuluan se nëse një pllakë parafine vendoset në rrugën e rrezatimit të beriliumit, atëherë fuqia jonizuese e këtij rrezatimi rritet ndjeshëm. Ata vërtetuan se rrezatimi i beriliumit nxjerr protonet nga parafina, të cilat janë të pranishme në sasi të mëdha në këtë substancë që përmban hidrogjen. Bazuar në rrugën e lirë të protoneve në ajër, ata vlerësuan energjinë e γ-kuanteve të aftë për t'u dhënë shpejtësinë e nevojshme protoneve në një përplasje.
Doli të ishte e madhe - rreth 50 MeV. J. Chadwick në 1932 kreu një seri eksperimentesh mbi një studim gjithëpërfshirës të vetive të rrezatimit që lindin nga rrezatimi i beriliumit me grimcat α. Në eksperimentet e tij, Chadwick përdori metoda të ndryshme për studimin e rrezatimit jonizues. Në fig. 12 tregon një numërues Geiger të krijuar për të zbuluar grimcat e ngarkuara. Ai përbëhet nga një tub qelqi i veshur nga brenda me një shtresë metalike (katodë) dhe një fije e hollë që kalon përgjatë boshtit të tubit (anodë). Tubi është i mbushur me një gaz inert (zakonisht argon) me presion të ulët. Një grimcë e ngarkuar që fluturon nëpër një gaz shkakton jonizimin e molekulave. Elektronet e lira që u shfaqën si rezultat i jonizimit përshpejtohen nga fusha elektrike midis anodës dhe katodës në energji në të cilat fillon jonizimi i ndikimit. Shfaqet një ortek jonesh dhe një puls i shkurtër i rrymës së shkarkimit kalon nëpër banak. Një instrument tjetër i rëndësishëm për studimin e grimcave është e ashtuquajtura dhoma e reve, në të cilën një grimcë e ngarkuar shpejt lë një gjurmë (gjurmë). Trajektorja e grimcave mund të vëzhgohet drejtpërdrejt ose të fotografohet.
Figura 12. Skema e konfigurimit për zbulimin e neutroneve.
Veprimi i dhomës së reve, i krijuar në 1912, bazohet në kondensimin e avullit të mbingopur në jonet e formuara në vëllimin e punës të dhomës përgjatë trajektores së një grimce të ngarkuar. Duke përdorur një dhomë reje, mund të vëzhgoni lakimin e trajektores së një grimce të ngarkuar në fushat elektrike dhe magnetike. J. Chadwick në eksperimentet e tij vëzhgoi në dhomën e reve gjurmë të bërthamave të azotit që përjetuan një përplasje me rrezatimin e beriliumit. Në bazë të këtyre eksperimenteve, ai bëri një vlerësim të energjisë së γ-kuantike, e cila është në gjendje të informojë bërthamat e azotit për shpejtësinë e vëzhguar në eksperiment. Doli të ishte e barabartë me 100–150 MeV. Një energji kaq e madhe nuk mund të kishte γ-kuanta të emetuara nga beriliumi. Mbi këtë bazë, Chadwick arriti në përfundimin se nga beriliumi, nën veprimin e grimcave α, nuk fluturojnë γ-kunta pa masë, por grimca të rënda.
Meqenëse këto grimca ishin shumë depërtuese dhe nuk e jonizuan drejtpërdrejt gazin në numëruesin Geiger, prandaj ato ishin elektrikisht neutrale. Kështu u vërtetua ekzistenca. neutron- grimcat e parashikuara nga Rutherford më shumë se 10 vjet përpara eksperimenteve të Chadwick. Neutroni është një grimcë elementare. Ai nuk duhet të përfaqësohet si një çift kompakt proton-elektroni, siç sugjerohet fillimisht nga Rutherford. Sipas matjeve moderne, masa e neutronit m n \u003d 1,67493 10 -27 kg \u003d 1,008665 a.u. e. m. Në njësitë e energjisë, masa e neutronit është 939.56563 MeV. Masa e një neutroni është afërsisht dy masa elektronike më të mëdha se masa e një protoni. Menjëherë pas zbulimit të neutronit, shkencëtari rus D. D. Ivanenko dhe fizikani gjerman V. Heisenberg parashtruan një hipotezë për strukturën proton-neutron të bërthamave atomike, e cila u konfirmua plotësisht nga studimet e mëvonshme.
Protonet dhe neutronet quhen nukleonet. Një numër shënimesh janë futur për të karakterizuar bërthamat atomike. Numri i protoneve që përbëjnë bërthamën atomike shënohet me simbolin Z dhe quhet numri i tarifës ose numri atomik (ky është numri serial në tabelën periodike të Mendelejevit). Ngarkesa bërthamore është Ze, ku e është ngarkesa elementare. Numri i neutroneve shënohet me simbolin N. Numri i përgjithshëm i nukleoneve (d.m.th., protoneve dhe neutroneve) quhet numri masiv A: A=Z+N.
Bërthamat e elementeve kimike shënohen me simbolin , ku X është simboli kimik i elementit. Për shembull, - hidrogjen, - helium, - oksigjen, - karboni, - uranium. Bërthamat e të njëjtit element kimik mund të ndryshojnë në numrin e neutroneve. Bërthamat e tilla quhen izotopet. Shumica e elementeve kimike kanë disa izotope. Për shembull, hidrogjeni ka tre izotope: - hidrogjeni i zakonshëm, - deuteriumi dhe - tritiumi. Karboni ka 6 izotope, oksigjeni ka 3. Elementet kimike në kushte natyrore janë zakonisht një përzierje izotopësh. Prania e izotopeve përcakton vlerën e masës atomike të një elementi natyror në tabelën periodike të Mendelejevit. Për shembull, masa atomike relative e karbonit natyror është 12.011.
