Bir atomdaki çekirdeğin keşfi. Atom çekirdeğinin bileşimi
Atom çekirdeğinin bileşimi
20. yüzyılın 20'li yıllarına gelindiğinde, fizikçiler artık 1911'de E. Rutherford tarafından keşfedilen atom çekirdeklerinin ve atomların kendilerinin karmaşık bir yapıya sahip olduğundan şüphe duymuyorlardı. O zamana kadar biriken sayısız deneysel gerçekle buna ikna oldular: radyoaktivitenin keşfi, atomun nükleer modelinin deneysel kanıtı, oranın ölçümü. e/m bir elektron için, α -parçacıklar ve sözde H-parçacığı için - hidrojen atomunun çekirdeği, yapay radyoaktivitenin keşfi ve nükleer reaksiyonlar, atom çekirdeği yüklerinin ölçümü, vb.
Artık kesin olarak sabittir ki çeşitli elementlerin atom çekirdeği iki tip parçacıktan oluşur - protonlar ve nötronlar.
Bu parçacıkların ilki, tek bir elektronun çıkarıldığı bir hidrojen atomudur. Bu parçacık, 1907'de oranını ölçmeyi başaran J. Thomson'ın deneylerinde zaten gözlemlendi. e/m. 1919'da E. Rutherford, birçok elementin atom çekirdeğinin fisyon ürünlerinde hidrojen atomunun çekirdeğini keşfetti. Rutherford bu parçacığa proton adını verdi. Protonların tüm atom çekirdeğinin bir parçası olduğunu öne sürdü. Rutherford'un deneylerinin şeması, Şek. 6.5.1.
Nükleer fisyon ürünlerinde protonların tespiti üzerine Rutherford'un deneylerinin şeması. K - radyoaktif kaynağa sahip kurşun kap α -partiküller, F - metal folyo, E - çinko sülfür ile kaplanmış ekran, M - mikroskop
Rutherford'un cihazı, bir kaynakla birlikte K kabının yerleştirildiği boşaltılmış bir odadan oluşuyordu. α -parçacıklar. Bölme penceresi, kalınlığı seçilen metal folyo F ile kaplanmıştır. α - parçacıklar içinden geçemez. Pencerenin dışında çinko sülfürle kaplanmış perde E vardı. M mikroskobu kullanılarak, ağır yüklü parçacıkların ekrana çarptığı noktalarda sintilasyonları (yani ışık parlamalarını) gözlemlemek mümkün oldu. Hazneyi nitrojenle doldururken alçak basınç ekranda, akışı neredeyse tamamen bloke eden F folyodan geçebilen bazı parçacıkların akışının görünümünü gösteren ışık yanıp söner belirdi. α -parçacıklar. E ekranını kamera penceresinden uzaklaştıran Rutherford, havada gözlemlenen parçacıkların ortalama serbest yolunu ölçtü. Yaklaşık olarak eşit olduğu ortaya çıktı 28 cm Bu, daha önce J. Thomson tarafından gözlemlenen H-parçacıklarının yolunun uzunluğuna ilişkin tahminle çakıştı. Elektrik ve manyetik alanlar tarafından nitrojen çekirdeğinden fırlatılan parçacıklar üzerindeki etki üzerine yapılan çalışmalar, bu parçacıkların pozitif bir temel yüke sahip olduğunu ve kütlelerinin bir hidrojen atomunun çekirdeğinin kütlesine eşit olduğunu göstermiştir. Daha sonra, deney bir dizi başka gaz halinde madde ile gerçekleştirildi. Her durumda, bu maddelerin çekirdeklerinden α -parçacıklar H-parçacıklarını veya protonları devre dışı bırakır.
Modern ölçümlere göre, pozitif yük proton, temel yüke tam olarak eşittir e = 1.60217733ċ10 –19 C, yani moduloda eşit negatif yük elektron. Şu anda, proton ve elektron yüklerinin eşitliği 10-22 doğrulukla doğrulanmıştır. Birbirine benzemeyen iki parçacığın yüklerinin böyle bir çakışması şaşırtıcıdır ve modern fiziğin temel gizemlerinden biri olmaya devam etmektedir.
Modern ölçümlere göre bir protonun kütlesi şuna eşittir: m p \u003d 1.67262ċ10 -27 kg. AT nükleer Fizik bir parçacığın kütlesi genellikle, kütle numarası 12 olan bir karbon atomunun kütlesinin 1 12'sine eşit atomik kütle birimleri (a.m.u.) olarak ifade edilir: 1 A. em. = 1.66057ċ10 -27 kg.
Sonuç olarak, m p \u003d 1.007276 a. yemek. Birçok durumda, bir parçacığın kütlesini formüle uygun olarak eşdeğer enerji değerlerinde ifade etmek uygundur. E=mc2. Çünkü 1 eV = 1.60218ċ10 -19 J, enerji birimlerinde, proton kütlesi 938.272331 MeV.
Böylece, Rutherford deneyinde, hızlı çarpmalar sırasında azot ve diğer elementlerin çekirdeklerinin bölünmesi olgusu keşfedildi. α -parçacıklar ve gösterilmiştir ki protonlar atom çekirdeğinin bir parçasıdır.
Protonun keşfinden sonra atom çekirdeğinin sadece protonlardan oluştuğu öne sürülmüştür. Bununla birlikte, bu varsayımın savunulamaz olduğu ortaya çıktı, çünkü çekirdeğin yükünün kütlesine oranı, çekirdeğin bileşimine yalnızca protonlar dahil edilmiş olsaydı olacağı gibi, farklı çekirdekler için sabit kalmaz. Daha ağır çekirdekler için bu oran hafif olanlara göre daha küçüktür, yani daha ağır çekirdeklere geçerken çekirdeğin kütlesi yükten daha hızlı büyür.
1920'de Rutherford, çekirdeğin bileşiminde, elektriksel olarak nötr bir oluşum olan, kütlesi yaklaşık olarak bir protonun kütlesine eşit olan bir parçacık olan, katı bir şekilde bağlı kompakt bir proton-elektron çiftinin varlığını varsaydı. Hatta bu varsayımsal parçacık için bir isim buldu - nötron. Çok güzeldi, ama sonradan ortaya çıktığı gibi, hatalı bir fikirdi. Elektron bir çekirdeğin parçası olamaz. Belirsizlik ilişkisine dayanan bir kuantum mekanik hesaplama, çekirdekte, yani bir büyüklük bölgesinde lokalize bir elektronun olduğunu gösterir. R ≈ 10–13 cm, devasa olmalı kinetik enerji Bu, parçacık başına çekirdeklerin bağlanma enerjisinden çok daha fazla büyüklük sırasıdır. Bununla birlikte, ağır bir nötr parçacığın varlığı fikri Rutherford'a o kadar çekici geldi ki, hemen J. Chadwick liderliğindeki bir grup öğrencisini onu aramaya davet etti. 12 yıl sonra, 1932'de Chadwick, berilyum ışınlandığında ortaya çıkan radyasyonu deneysel olarak araştırdı. α -parçacıklar ve bu radyasyonun kütlesi yaklaşık olarak bir protonun kütlesine eşit olan bir nötr parçacık akımı olduğunu buldu. Nötron bu şekilde keşfedildi. Şek. 6.5.2, nötronları tespit etmek için kurulumun basitleştirilmiş bir diyagramını gösterir.
Nötronları tespit etmek için bir kurulumun şematik diyagramı berilyum ile bombardıman edildiğinde α -radyoaktif polonyum tarafından yayılan parçacıklar, 10-20 cm kalınlığında bir kurşun tabakası gibi bir engelin üstesinden gelebilecek güçlü nüfuz edici radyasyon üretir.Bu radyasyon, Chadwick ile neredeyse aynı anda Irene ve Frederic Joliot-Curie (Irene'in kızıdır) tarafından gözlemlenmiştir. Marie ve Pierre Curie) ama öyle olduğunu varsaydılar. γ büyük enerji ışınları. Berilyum radyasyonunun yoluna bir parafin levha yerleştirilirse, bu radyasyonun iyonlaştırıcı gücünün keskin bir şekilde arttığını bulmuşlardır. Berilyum radyasyonunun, bu hidrojen içeren maddede büyük miktarlarda bulunan protonları parafinden çıkardığını kanıtladılar. Havadaki serbest proton yolundan, enerjiyi tahmin ettiler. γ -bir çarpışmada protonlara gerekli hızı verebilen kuantum. O büyük olduğu ortaya çıktı 50 MeV.
1932'de J. Chadwick, berilyumun ışınlanmasından kaynaklanan radyasyonun özelliklerinin kapsamlı bir çalışması üzerine bir dizi deney yaptı. α -parçacıklar. Chadwick, deneylerinde iyonlaştırıcı radyasyonu incelemek için çeşitli yöntemler kullandı. Şek. 6.5.2, yüklü parçacıkları kaydetmek için tasarlanmış bir Geiger sayacını göstermektedir. İçeride metal bir tabaka (katot) ile kaplanmış bir cam tüp ve tüpün ekseni (anot) boyunca uzanan ince bir iplikten oluşur. Tüp, düşük basınçta bir soy gazla (genellikle argon) doldurulur. Bir gazın içinden uçan yüklü bir parçacık, moleküllerin iyonlaşmasına neden olur. İyonizasyon sonucu oluşan serbest elektronlar hızlandırılır. Elektrik alanı anot ve katot arasında darbe iyonizasyonunun başladığı enerjilere. Bir iyon çığı belirir ve sayaçtan kısa bir deşarj akımı darbesi geçer. Parçacıkları incelemek için bir başka önemli araç, hızlı yüklü bir parçacığın bir iz (iz) bıraktığı sözde bulut odasıdır. Parçacık yörüngesi doğrudan gözlemlenebilir veya fotoğraflanabilir. 1912'de oluşturulan bulut odasının hareketi, aşırı doymuş buharın, yüklü bir parçacığın yörüngesi boyunca odanın çalışma hacminde oluşan iyonlar üzerinde yoğunlaşmasına dayanır. Bir bulut odası kullanarak, yüklü bir parçacığın yörüngesinin eğriliği elektrik ve manyetik alanlar.
J. Chadwick, deneylerinde berilyum radyasyonu ile çarpışma yaşayan nitrojen çekirdeklerinin bulut odasındaki izlerini gözlemledi. Bu deneylere dayanarak, enerjinin bir tahminini yaptı. γ - deneyde gözlemlenen hızın nitrojen çekirdeklerini bilgilendirebilen kuantum. O eşitti 100–150 MeV. Bu kadar muazzam bir enerjiye sahip olunamazdı. γ - berilyum tarafından yayılan kuantum. Bu temelde, Chadwick, berilyumdan, eylemi altında olduğu sonucuna vardı. α - Yayılan parçacıklar kütlesiz değildir γ -kuanta, ancak oldukça ağır parçacıklar. Bu parçacıklar oldukça nüfuz ediciydi ve Geiger sayacındaki gazı doğrudan iyonize etmediler, dolayısıyla elektriksel olarak nötrdüler. Böylece, Rutherford tarafından Chadwick'in deneylerinden 10 yıldan fazla bir süre önce tahmin edilen bir parçacık olan nötronun varlığı kanıtlandı.
nötron temel parçacık. Başlangıçta Rutherford tarafından önerildiği gibi, kompakt bir proton-elektron çifti olarak temsil edilmemelidir.
Modern ölçümlere göre, nötron kütlesi m n \u003d 1.67493ċ10 -27 kg \u003d 1.008665 a. e. m. Enerji birimlerinde, nötron kütlesi eşittir 939.56563 MeV. Bir nötronun kütlesi, bir protonun kütlesinden yaklaşık olarak iki elektron kütlesi daha fazladır.
Nötronun keşfinden hemen sonra, Rus bilim adamı D. D. Ivanenko ve Alman fizikçi V. Heisenberg, atom çekirdeğinin proton-nötron yapısı hakkında, sonraki çalışmalarla tamamen doğrulanan bir hipotez ortaya koydu. Proton ve nötronlara nükleon denir.
Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. oluşturan proton sayısı atom çekirdeği, sembolü ile gösterilir Z ve Çağrı yap Görev numarası veya atom numarası (bu, Mendeleev'in periyodik tablosundaki seri numarasıdır). nükleer yük Z, nerede e – temel ücret. Nötron sayısı sembolü ile gösterilir. N.
Toplam sayısı nükleonlara (yani protonlar ve nötronlar) kütle numarası denir A: A=Z+N.
Kimyasal elementlerin çekirdekleri, X Z A sembolü ile gösterilir; burada X, elementin kimyasal sembolüdür. Örneğin,
H 1 - hidrojen, He 2 4 - helyum, C6 12 - karbon, O 8 16 - oksijen, U 92 238 - uranyum.
Aynı kimyasal elementin çekirdeği, nötron sayısında farklılık gösterebilir. Bu tür çekirdeklere izotop denir. Çoğu kimyasal elementin birkaç izotopu vardır. Örneğin, hidrojenin bunlardan üçü vardır: H 1 - sıradan hidrojen, H 1 2 - döteryum ve H 1 3 - trityum. Karbonun 6 izotopu, oksijenin 3 izotopu vardır.
Kimyasal elementler içinde doğal şartlar genellikle izotopların bir karışımıdır. İzotopların varlığı, Mendeleev'in periyodik sistemindeki doğal bir elementin atom kütlesinin değerini belirler. Yani örneğin akraba atom kütlesi doğal karbon 12.011'dir.
Bir atom Kompleks sistem belirli parçacıkları içerir. İngiliz fizikçi E. Rutherford, atomun yapısının nükleer (gezegensel) bir modelini önerdi. Atomun nükleer modelinin ana hükümleri.
1. Çekirdeğin boyutu çok küçüktür (atomun çapı 10 -10 m, çekirdeğin çapı ~10 -15 m'dir).
2. Çekirdeğin pozitif bir yükü vardır.
3. Bir atomun kütlesinin neredeyse tamamı çekirdektedir.
Çekirdek nükleonlardan oluşur: protonlar ve nötronlar.
G. Moseley (İngiltere), atom çekirdeğinin pozitif yükünün (geleneksel birimlerde), Mendeleev'in periyodik sistemindeki elementin sıra sayısına eşit olduğunu buldu. Her protonun +1 yükü vardır, bu nedenle nükleer yük proton sayısına eşittir.
Protonun kütlesi, nötronun kütlesi gibi, elektronun kütlesinin yaklaşık 1840 katıdır. Protonlar ve nötronlar çekirdekte bulunur, bu nedenle bir atomun kütlesi neredeyse çekirdeğin kütlesine eşittir. Bir atomun kütlesi gibi çekirdeğin kütlesi de proton sayısı ile nötron sayısının toplamı ile belirlenir. Bu toplama atomun kütle numarası denir. Bir atomun kütle numarası (A) = Proton sayısı (Z) + Nötron sayısı (N) A=Z+N
Herhangi bir çekirdeğin parçası olan protonlar ve nötronlar bölünemez temel parçacıklar değil, kuarklardan oluşur.
Kuarklar sırayla birbirleriyle etkileşime girerler, sürekli olarak gluonları değiştirirler - gerçekten güçlü bir etkileşimin taşıyıcıları (çekirdekteki protonlar ve nötronlar arasında hareket edenden binlerce kat daha güçlüdür). Sonuç olarak, protonlar ve nötronlar, bileşen parçalara ayrılamayan çok güçlü bağlı sistemler haline gelir.
Aynı elementin farklı kütle numaralarına sahip atomlarına izotop denir. Aynı elementin izotoplarının atomları aynı sayıda protona (Z) sahiptir ve nötron sayısı (N) bakımından birbirinden farklıdır. İzotoplar, solunda izotopun kütle numarasının en üstte yazıldığı karşılık gelen elementlerin sembolleri ile gösterilir. Örneğin: 12 C, kütle numarası 12 olan bir karbon izotopudur.
Bir atom çekirdeğinin boyutu, kütle numaralarına bağlıdır. Çekirdeğin hacmi A ile orantılıdır ve doğrusal boyutu A 1/3 ile orantılıdır. Etkili yarıçap R çekirdek eşitlikle tanımlanır: R = aa 1/3 , sabit nerede a Ölçüldüğü fiziksel deneye bağlı olarak (1.1-1.4) x 10 -13 cm'dir. R. Bu eşitlik şunu gösteriyor. R 10-13 ila 10-12 cm arasında değişir.Nükleer maddenin yoğunluğu, sıradan maddelerin yoğunluğuna kıyasla son derece yüksektir ve yaklaşık 1014 g/cm3'tür. Çekirdekteki nükleon dağılım yoğunluğu, merkez kısmında hemen hemen sabittir ve periferde katlanarak azalır. Çekirdekteki nükleonlar hareketlidir. Çekirdekte yüzey gerilimi kuvvetleri vardır.
NÜKLEER KUVVETLER
Eşit yüklü protonlar arasında elektrostatik itici kuvvetler hareket eder, ancak çekirdek, çekirdeğin içindeki protonlar ve nötronlar arasında, ayrı parçacıklara "dağılmaz". nükleer kuvvetler- elektrostatik gücü çok aşan çekim kuvvetleri. Nükleer kuvvetler elektrostatik kuvvetlerden 100 kat daha büyüktür ve güçlü etkileşim olarak adlandırılır (bu bir değişim etkileşimidir).
Nükleer kuvvetler kendilerini yalnızca çekirdek içindeki mesafelerde gösterirler, bu nedenle kısa menzilli olarak kabul edilirler, elektrostatik kuvvetler ise uzun menzillidir.
Nükleer kuvvetler, nükleonları çekirdeğin içinde tuttukları için çekim kuvvetleridir (nükleonların çok güçlü bir yaklaşımıyla, aralarındaki nükleer kuvvetler itme karakterine sahiptir).
Nükleer kuvvetlerin özellikleri:
Nükleer kuvvetler değil elektrik kuvvetleri, çünkü sadece protonlar arasında değil, aynı zamanda nükleer etkileri açıklamak için çok küçük olan yerçekimi değil, yüksüz nötronlar arasında da hareket ederler.
Nükleer kuvvetlerin etki alanı ihmal edilebilir. Etki yarıçapları 10-13 cm'dir, parçacıklar arasındaki büyük mesafelerde nükleer etkileşim görünmez.
Nükleer kuvvetler (faaliyet gösterdikleri bölgede) çok yoğundur. Yoğunlukları elektromanyetik kuvvetlerin yoğunluğundan çok daha fazladır, çünkü nükleer kuvvetler, yüklü protonlar gibi çekirdeğin içinde kalır ve birbirlerini büyük elektrik kuvvetleriyle iterler.
Farklı çekirdeklerdeki nükleonların bağlanma derecesinin incelenmesi, nükleer kuvvetlerin kimyasal kuvvetlerin değerliliğine benzer bir doyma özelliğine sahip olduğunu göstermektedir. Nükleer kuvvetlerin bu özelliğine göre, bir ve aynı nükleon, çekirdeğin diğer tüm nükleonları ile etkileşime girmez. Ama sadece birkaç komşuyla.
Nükleer kuvvetlerin en önemli özelliği yük bağımsızlığıdır, yani üç tip nükleer etkileşimin kimliğidir: iki proton arasında, bir proton ile bir nötron arasında ve iki nötron arasında.
Nükleer kuvvetler merkezi değildir.
ATOM NÜKLEİLERİNİN BAĞLAMA ENERJİSİ VE KİTLE HATALARI
Atomların çekirdekleri, güçlü bir şekilde bağlı sistemlerdir. Büyük bir sayı nükleonlar.
Çekirdeğin bileşenlerine tamamen bölünmesi ve birbirlerinden büyük mesafelerde uzaklaştırılması için, belirli bir miktarda A işi harcamak gerekir.
Bağlanma enerjisi enerjidir çalışmaya eşitÇekirdeği serbest nükleonlara bölmek için yapılması gereken .
E bağları = - A
Korunma yasasına göre, bağlanma enerjisi aynı anda tek tek serbest nükleonlardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında salınan enerjiye eşittir. Spesifik bağlanma enerjisi, nükleon başına bağlanma enerjisidir.
En hafif çekirdekler dışında, özgül bağlanma enerjisi yaklaşık olarak sabittir ve 8 MeV/nükleon'a eşittir. Kütle numarası 50 ile 60 arasında olan elementler maksimum spesifik bağlanma enerjisine sahiptir (8.6 MeV/nükleon) Bu elementlerin çekirdekleri en kararlı olanlardır.
Çekirdekler nötronlarla aşırı yüklendiğinden, özgül bağlanma enerjisi azalır.
Periyodik tablonun sonundaki elementler için 7,6 MeV/nükleon'a eşittir (örneğin, uranyum için).
Nükleer fisyon veya füzyon sonucu enerji salınımı
Çekirdeği bölmek için, nükleer kuvvetlerin üstesinden gelmek için belirli bir miktarda enerji harcamak gerekir.
Tek tek parçacıklardan bir çekirdek sentezlemek için Coulomb itme kuvvetlerinin üstesinden gelmek gerekir (bunun için bu parçacıkları yüksek hızlara çıkarmak için enerji harcanmalıdır).
Yani çekirdeğin bölünmesini veya çekirdeğin kaynaşmasını gerçekleştirmek için bir miktar enerji harcanması gerekir.
Kısa mesafelerde nükleer füzyon sırasında, nükleer kuvvetler nükleonlar üzerinde hareket etmeye başlar ve bu da onları ivme ile hareket etmeye teşvik eder.
Hızlandırılmış nükleonlar, enerjiye sahip gama kuantaları yayarlar. eşit enerji bağlantılar.
Nükleer fisyon reaksiyonunun veya füzyonun çıkışında enerji açığa çıkar.
Ortaya çıkan, yani nükleer fisyon veya nükleer sentez yapmak mantıklıdır. bölünme veya füzyon sonucu açığa çıkan enerji, harcanan enerjiden daha büyük olacaktır.
Grafiğe göre, enerjide bir kazanç, ya ağır çekirdeklerin fisyonuyla (bölünmesiyle) ya da pratikte yapılan hafif çekirdeklerin füzyonuyla elde edilebilir.
Çekirdek kütlelerinin ölçümleri, çekirdeğin kütlesinin (Mn) her zaman onu oluşturan serbest nötronların ve protonların geri kalan kütlelerinin toplamından daha az olduğunu gösterir.
Nükleer fisyon sırasında: çekirdeğin kütlesi, oluşan serbest parçacıkların geri kalan kütlelerinin toplamından daima daha azdır.
Çekirdeğin sentezinde: Oluşan çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan serbest parçacıkların geri kalan kütlelerinin toplamından daima daha azdır.
Kütle kusuru, bir atom çekirdeğinin bağlanma enerjisinin bir ölçüsüdür.
Kütle kusuru, çekirdeğin serbest haldeki tüm nükleonlarının toplam kütlesi ile çekirdeğin kütlesi arasındaki farka eşittir:
burada Mm çekirdeğin kütlesidir (referans kitabından)
Z çekirdekteki proton sayısıdır
m p, serbest bir protonun kalan kütlesidir N, çekirdekteki nötron sayısıdır
m n, serbest bir nötronun kalan kütlesidir
Bir çekirdeğin oluşumu sırasında kütlenin azalması, nükleon sisteminin enerjisinin azalması anlamına gelir. Nükleonların etkileşim enerjisi yüksektir; buna intranükleer veya nükleer denir.
NÜKLEER HAREKETLER
Nükleer reaksiyon - atom çekirdeğinin, temel parçacıklar, gama kuantumları ve birbirleriyle etkileşime girdiklerinde meydana gelen ve genellikle devasa enerjinin salınmasına yol açan dönüşüm süreci. Çekirdekteki kendiliğinden (gelen parçacıkların etkisi olmadan meydana gelen) süreçler - örneğin radyoaktif bozunma - genellikle nükleer reaksiyonlar olarak sınıflandırılmaz. İki veya daha fazla parçacık arasında bir reaksiyon gerçekleştirmek için, etkileşen parçacıkların (çekirdekler) birbirine 10-13 cm, yani nükleer kuvvetlerin karakteristik etki yarıçapı kadar yaklaşması gerekir. Nükleer reaksiyonlar, hem enerjinin serbest bırakılması hem de emilmesi ile gerçekleşebilir. Birinci tip, ekzotermik reaksiyonlar, nükleer enerjinin temeli olarak hizmet eder ve yıldızlar için enerji kaynağıdır. Enerjinin emilmesiyle (endotermik) giden reaksiyonlar ancak çarpışan parçacıkların (kütle sisteminin merkezindeki) kinetik enerjisi belirli bir değerin (reaksiyon eşiği) üzerindeyse meydana gelebilir.
Gelen bir parçacık bir atom çekirdeği ile çarpıştığında, aralarında bir enerji ve momentum alışverişi meydana gelir, bunun sonucunda etkileşim bölgesinden farklı yönlerde uçan birkaç parçacık oluşturulabilir. Bu tür süreçlere nükleer reaksiyonlar denir.
Radyoaktivite. Radyoaktif bozunma yasası.
radyoaktivite- temel parçacıkların veya daha hafif çekirdeklerin emisyonu ile birlikte atom çekirdeğinin kendiliğinden dönüşümleri. Bu tür dönüşümlere maruz kalan çekirdeklere radyoaktif, dönüşüm sürecine de radyoaktif bozunma adı verilir.
Radyoaktif bozunma ancak enerji açısından elverişli olduğunda mümkündür, yani. enerji salınımı eşlik eder. Bunun koşulu, bozunma ürünlerinin kütlelerinin toplamının ilk çekirdeğinin M kütlesinin fazlalığıdır, yani. eşitsizlik:
Bilinen yaklaşık 3.000 çekirdekten (çoğu yapay olarak elde edilmiştir), sadece 264'ü radyoaktif değildir.
Radyoaktif çekirdekler üç tip parçacık yayabilir: pozitif ve negatif yüklü ve nötr. Bu üç radyasyon türü α-, β- ve γ-radyasyonu olarak adlandırıldı. Üzerinde resim 1. radyoaktif radyasyonun karmaşık bileşimini tespit etmeyi mümkün kılan deneyin şeması gösterilmiştir. Bir manyetik alanda, α- ve β-ışınları zıt yönlerde sapar ve β-ışınları çok daha fazla sapar. Bir manyetik alandaki γ-ışınları hiç sapmazlar.
20. yüzyılın ikinci on yılında, E. Rutherford tarafından atomların nükleer yapısının keşfinden sonra, radyoaktivitenin, atom çekirdeğinin özelliği. Çalışmalar, α-ışınlarının bir α-parçacık akışını temsil ettiğini göstermiştir - helyum çekirdeği, β-ışınları bir elektron akışıdır, y-ışınları bir kısa dalgayı temsil eder. Elektromanyetik radyasyon son derece kısa dalga boyuna sahip λ
Ana radyoaktif bozunma türleri, alfa bozunması (çekirdek tarafından alfa parçacıklarının emisyonu), beta bozunması (bir elektronun emisyonu (veya absorpsiyonu) ve ayrıca antinötrino veya bir pozitron ve nötrino emisyonu), gama bozunması (gama emisyonu) ışınları) ve spontan fisyon (çekirdeğin benzer kütleli iki parçaya ayrılması).
Alfa bozunması . Alfa bozunması, bir atom çekirdeğinin proton sayısı ile kendiliğinden dönüşümüdür. Z ve nötronlar N birkaç proton içeren başka bir çekirdeğe Z– 2 ve nötronlar N- 2. Bu durumda, bir a-parçacığı yayılır - bir helyum atomunun çekirdeği.
Genel şema: z X A \u003d 2 He 4 + z -2 Y A -4.
Böyle bir sürecin bir örneği, radyumun α-bozunmasıdır:
 |
α-radyasyonu en düşük nüfuz gücüne sahiptir. Havada, normal koşullar altında, α-ışınları birkaç santimetre mesafe kateder.
Bir radyoaktif madde, birkaç ayrı enerji değerine sahip α-parçacıkları yayabilir. Bunun nedeni, çekirdeklerin farklı uyarılmış durumlarda olabilmesidir. Çoğu durumda çekirdeklerin α-bozunmasına γ-radyasyonu eşlik eder.
beta bozunumu . Beta bozunmasında, çekirdekten bir elektron yayılır. Elektronlar çekirdeğin içinde bulunamazlar, bir nötronun protona dönüşmesi sonucu β-bozunması sırasında ortaya çıkarlar. Bu işlem sadece çekirdeğin içinde değil, aynı zamanda serbest nötronlarda da gerçekleşebilir. -> + .
β-elektronlar çok çeşitli değerlerde farklı hızlara sahip olabilir.
β-bozunmasında, yük sayısı Z bir artar ve kütle numarası A değişmeden kalır.
Z X A \u003d -1 e 0 + z +1 Y A.
Tipik bir β-bozunma örneği, uranyumun α-bozunmasından kaynaklanan bir toryum izotopunun paladyuma dönüşümüdür.
 |
β-ışınları madde tarafından çok daha az emilir . Birkaç milimetre kalınlığında bir alüminyum tabakasından geçebilirler.
Elektronik β bozunmasıyla birlikte, pozitron β + bozunması olarak adlandırılan keşfedildi. pozitron ve nötrinolar.
Bir pozitron, elektrondan yalnızca yükün işareti bakımından farklı olan ikiz bir elektron parçacığıdır.. Pozitronlar, bir protonun bir nötrona dönüşümünün aşağıdaki şemaya göre reaksiyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkar:
|
gama bozunması . α- ve β-radyoaktivitesinden farklı olarak, çekirdeklerin γ-radyoaktivitesi, çekirdeğin iç yapısındaki bir değişiklikle ilişkili değildir ve buna yük veya kütle numaralarında bir değişiklik eşlik etmez. γ-ışınları, 5-10 cm kalınlığında bir kurşun tabakasından geçebilen en yüksek nüfuz gücüne sahiptir.
Hem α- hem de β-bozunmasında, yavru çekirdek bir miktar uyarılmış durumda olabilir ve fazla enerjiye sahip olabilir. Çekirdeğin uyarılmış durumdan temel duruma geçişine, enerjisi birkaç MeV'ye ulaşabilen bir veya birkaç γ-kuantanın emisyonu eşlik eder.
Radyoaktif bozunma yasası .
Herhangi bir radyoaktif malzeme örneği, çok sayıda radyoaktif atom içerir. Radyoaktif bozunma rastgele olduğundan ve dış koşullar, o zaman azalan miktar yasası N (t) bozulmamış şimdiki an zaman tçekirdekler önemli bir rol oynayabilir istatistiksel karakteristik radyoaktif bozunma süreci
Radyoaktif bozunmanın üstel yasası, bir numunedeki radyoaktif çekirdeklerin N sayısının (ortalama olarak) zamanla nasıl değiştiğini gösterir.
N 0, ilk anda (oluşmalarının veya gözlemin başlangıcının anı) ilk çekirdeklerin sayısıdır ve bozunma sabitidir (birim zaman başına radyoaktif bir çekirdeğin bozunma olasılığı).
Bu sabit aracılığıyla, bir radyoaktif çekirdeğin ortalama ömrü = 1/ olarak ifade edilebilir.
Pratik kullanım için, radyoaktif bozunma yasasını, taban olarak 2 sayısını kullanarak başka bir biçimde yazmak uygundur. e:
Değer T aranan yarım hayat . Sırasında T orijinal radyoaktif çekirdek sayısının yarısı bozunur. Miktarları T ve τ ile ilişkilidir
α- ve β-radyoaktif bozunma sırasında, yavru çekirdek de kararsız olabilir. Bu nedenle, kararlı çekirdeklerin oluşumuyla sonuçlanan bir dizi ardışık radyoaktif bozunma mümkündür.
Radyoaktif bozunmanın özellikleri, özellikle hızı (yarı ömrü), bozunmaya neden olan kuvvetlerden (etkileşimlerden) önemli ölçüde etkilenir. Alfa bozunumu başlangıçta güçlü kuvvet tarafından yönlendirilir, ancak hızı Coulomb bariyeri tarafından belirlenir ( elektromanyetik etkileşim). Beta bozunmasına zayıf kuvvet neden olurken, gama bozunmasına elektromanyetik kuvvet neden olur.
Başvuru.
Radyoaktivitenin ilginç bir uygulaması, arkeolojik ve jeolojik bulguların konsantrasyon yoluyla tarihlendirilmesi yöntemidir. Radyoaktif İzotoplar. En yaygın kullanılan yöntem radyokarbon tarihlemedir. Kozmik ışınların neden olduğu nükleer reaksiyonlar nedeniyle atmosferde kararsız bir karbon izotopu oluşur. Bu izotopun küçük bir yüzdesi, normal kararlı izotopla birlikte havada bulunur.Bitkiler ve diğer organizmalar havadan karbon tüketir ve her iki izotopu da havada olduğu oranda biriktirir. Bitkiler öldükten sonra karbon tüketmeyi bırakırlar ve β-çürüme sonucunda kararsız izotop 5730 yıllık yarılanma ömrü ile yavaş yavaş nitrojene dönüşür. Eski organizmaların kalıntılarındaki göreceli radyoaktif karbon konsantrasyonunu doğru bir şekilde ölçerek, ölüm zamanlarını belirlemek mümkündür.
Ek okuma.
Radyoaktivite fenomeni 1896'da A. Becquerel tarafından keşfedildi. 1899'da E. Rutherford, uranyumun pozitif yüklü parçacıklar (-parçacıklar) ve negatif yüklü parçacıklar (elektronlar) yaydığını keşfetti. 1900'de P. Willard, uranyumun bozunmasını incelerken nötr parçacıkları (-kuanta) keşfetti. Kendiliğinden nükleer fisyon 1940 yılında K.A. Petrzhak ve G.N. Flerov.
β-bozunma sürecinde, nötronun bozunmasından kaynaklanan proton ve elektronun toplam enerjisi, nötronun enerjisinden daha az olduğu için, enerjinin korunumu yasasının belirgin bir ihlali gözlenir. 1931'de W. Pauli, bir nötronun bozunması sırasında, enerjisinin bir kısmını alıp götüren sıfır kütleli ve yüklü başka bir parçacığın salındığını öne sürdü. Yeni parçacığın adı nötrino
(küçük nötron). Bir nötrinoda bir yük ve kütle olmaması nedeniyle, bu parçacık maddenin atomlarıyla çok zayıf etkileşir, bu nedenle bir deneyde onu tespit etmek son derece zordur. Nötrinoların iyonlaşma yeteneği o kadar küçüktür ki havadaki bir iyonlaşma hareketi yolun yaklaşık 500 km'sine düşer. Bu parçacık sadece 1953'te keşfedildi. Şu anda, birkaç çeşit nötrino olduğu bilinmektedir. Nötron bozunması sürecinde, adı verilen bir parçacık üretilir. elektronik antinötrino
. Bir sembol ile işaretlenmiştir. Bu nedenle, nötron bozunma reaksiyonu şu şekilde yazılır:
|
.
Pozitronun varlığı, 1928'de seçkin fizikçi P. Dirac tarafından tahmin edildi. Birkaç yıl sonra, kozmik ışınların bileşiminde pozitron keşfedildi.
Ayrı olarak, γ-fotonlar üzerindeki reaksiyonlar ayırt edilebilir (nükleer fotoelektrik etki)
Ek okuma için
Nükleer reaksiyonlar aşağıdaki gibi gösterilir
A 1 + a 2 b 1 + b 2 + ...,
burada a 1 ve a 2 reaksiyona giren parçacıklardır ve b 1 , b 2 ... reaksiyon sonucunda oluşan parçacıklardır.
Reaksiyon genellikle birkaç farklı yol alabilir, son durumdaki nükleer reaksiyonların bir sonucu olarak çeşitli parçacıklar oluşabilir.
Reaksiyonun ilk adımı denir giriş kanalı . İkinci adımdaki reaksiyon için çeşitli olası yollar denir. çıkış kanalları .
Son durumda iki parçacık oluşursa
genellikle notasyonu kullan
burada a gelen parçacık, A hedef çekirdek, b son durumda oluşan hafif parçacık, B son çekirdektir.
Gelen parçacığın E a enerjisine bağlı olarak, gelen parçacığın A çekirdeği ile etkileşimi, son durumda çeşitli parçacıklar üretebilir. Bu nedenle, bir proton 14 N'lik bir çekirdekle etkileşime girdiğinde reaksiyonlar mümkündür.
| p + 14 N 14 N + p | (a) |
| p + 14 N 14 N* + p | (b) |
| p + 14 N 15 O + | (içinde) |
| p + 14 N 14 O + n | (G) |
| p + 14 N 13 N + p + n | (e) |
| p + 14 N 8p + 7n | (e) |
Bir protonun 14 N'lik bir çekirdekle etkileşiminin yukarıdaki örneğinde, reaksiyonun aşağıdaki çıkış kanalları gözlenir.
Elastik saçılma, parçacıkların türünün ve bunların kuantum durumları etkileşim sonucunda değişmez (a).
Tepkime (b)'de, son durumda, başlangıç durumunda olduğu gibi aynı parçacıklar oluşur, ancak uyarılmış durumda 14N çekirdeği oluşur. Böyle bir sürece esnek olmayan saçılma süreci denir.
Reaksiyonlarda (c-e), başlangıç durumunda olmayan parçacıklar oluşur.
Son durumda bir -kuantum oluştuğunda (c) tipi reaksiyonlara ışınımsal yakalama reaksiyonları denir.
Son durumda, hem kararlı hem de radyoaktif çekirdekler oluşturulabilir. Örneğin 14.15 O çekirdekleri + -radyoaktiftir.
(e) reaksiyonunda, son halde üç tane parçacık oluşur.
Gelen parçacığın yeterince yüksek enerjilerinde, çekirdeğin kendisini oluşturan bireysel nükleonlara (e) tamamen parçalanması mümkündür.
Çıkış kanalında oluşan parçacıkların türüne göre nükleer reaksiyonların bir sınıflandırmasını verdik. Nükleer reaksiyonlar da girişteki partiküllerin tipine göre sınıflandırılır. Hafif yüklü parçacıkların etkisi altındaki reaksiyonlar bu şekilde p, d, 3 He, 3 H(t), 4 He() ayırt edilir, örneğin
P + 16 O 16 F + n
+ 14 N 18 F +
-Kuanta ve elektronların etkisi altındaki reaksiyonlara fotonükleer ve elektronükleer denir.
14 N 13 N + n
e - + 14 N 13 C + p + e -
Hızlandırılmış iyonlar, gelen parçacıklar olarak kullanılabilir.
16 O + 14 N 13 C + 17 F
Yüklü parçacıklar, gelen parçacıklar olarak kullanılıyorsa, çekirdeğin Coulomb itmesini yenmek ve nükleer kuvvetler bölgesine düşmek için yeterli kinetik enerjiye sahip olmaları gerekir. (Yüklü parçacığın enerjisi, Coulomb bariyerinin yüksekliğinden daha azsa, nükleer reaksiyon olasılığı güçlü bir şekilde bastırılacaktır.) Gerekli enerjilerdeki parçacık demetleri, modern hızlandırıcılarla kolayca elde edilir. Parçacığın enerjisi Coulomb bariyerini aşmak için yetersizse, Rutherford formülü ile tanımlanan çekirdeğin Coulomb alanında elastik saçılma yaşayacaktır. Düşük enerjili bölgedeki atom çekirdeğinin özelliklerini incelemek için Coulomb bariyerini aşması gerekmeyen nötronlar kullanılır. Yoğun nötron akışlarının kaynakları nükleer reaktörlerdir.
Uranyum çekirdeklerinin bölünmesi.
Zincir nükleer reaksiyon.
Uranyum çekirdeklerinin bölünmesi
Bir nötronu emen bir uranyum atomu uyarılır, deforme olur (çekirdek gerilir, nükleer kuvvetler nükleonlar arasındaki mesafelerin artmasıyla zayıflar) ve 2-3 nötron emisyonu ile iki parçaya ayrılır.
Bir nötronu emen uranyum çekirdeği, nükleonlar arasındaki nükleer çekim kuvvetlerinin üstesinden gelmek için gerekli enerjiyi alırken, çekirdeğin iç enerjisi artar. Çekirdeğin bozunması sırasında, iç enerjinin bir kısmı, parçaların kinetik enerjisine dönüştürülür ve daha sonra yavaşlamaları nedeniyle, içsel enerji çevre.
Bir nötron tarafından başlatılan nükleer fisyonun bir sonucu olarak, diğer çekirdeklerin fisyon reaksiyonlarına neden olabilecek yeni nötronlar ortaya çıkar. Uranyum-235 çekirdeklerinin fisyon ürünleri, baryum, ksenon, stronsiyum, rubidyum, vb.'nin çeşitli izotopları olabilir. Ağır atomların çekirdeklerinin fisyonlanması sırasında, çok büyük bir enerji açığa çıkar - her çekirdeğin fisyon sırasında yaklaşık 200 MeV. Bu enerjinin yaklaşık %80'i parça kinetik enerjisi şeklinde salınır; kalan% 20, parçaların radyoaktif radyasyonunun enerjisi ve hızlı nötronların kinetik enerjisi ile açıklanır. Uranyum çekirdeklerinin fisyon reaksiyonu, çevreye baskın enerji salınımı ile ilerler.
Şu anda, kütle numaraları yaklaşık 90 ila 145 arasında olan ve fisyondan kaynaklanan yaklaşık 100 farklı izotop bilinmektedir. Bu çekirdeğin iki tipik fisyon reaksiyonu şu şekildedir:
nükleer zincir reaksiyonu
Nükleer fisyon sırasındabir nötronla çarpışmanın neden olduğu, 2 veya 3 nötron serbest bırakılır. Uygun koşullar altında, bu nötronlar diğer uranyum çekirdeklerine çarparak onları parçalayabilir. Bu aşamada, yeni uranyum çekirdekleri vb. bozunmalarına neden olabilecek 4 ila 9 nötron zaten görünecektir. Böyle bir çığ benzeri sürece zincir reaksiyonu denir.
Uranyum doğal olarak iki izotopta bulunur:(%99.3) ve (%0.7). Nötronlar tarafından bombalandığında, her iki izotopun çekirdeği iki parçaya bölünebilir. Bu durumda fisyon tepkimesi 0.5 aralığında bir kinetik enerjiye sahip yavaş (termal) nötronlar üzerinde en yoğun şekilde gider ev - 1 Mev., çekirdekler ise sadece 1 MeV'den fazla enerjiye sahip hızlı nötronlarla bir fisyon reaksiyonuna girin, aksi takdirde ortaya çıkan çekirdeklerin uyarma enerjisi fisyon için yetersizdir ve daha sonra fisyon yerine nükleer reaksiyonlar meydana gelir:
Uranyum izotopu β-radyoaktif, yarı ömür 23 dk. Neptünyum izotopu da radyoaktiftir ve yarılanma ömrü yaklaşık 2 gündür.
Plütonyumun izotopu, 24.000 yıllık bir yarı ömre sahip nispeten kararlıdır (α-bozunmasının bir sonucu olarak oluşur). Plütonyumun en önemli özelliği, tıpkı . Bu nedenle, yardımla bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirilebilir.
Yukarıda tartışılan zincirleme reaksiyon şeması ideal bir durumdur, gerçek koşullarda fisyon sırasında üretilen tüm nötronlar diğer çekirdeklerin fisyonuna katılmaz. Bazıları bölünmeyen yabancı atom çekirdekleri tarafından yakalanır, diğerleri uranyumdan uçar (nötron sızıntısı). Bu nedenle, ağır çekirdeklerin fisyonunun zincirleme reaksiyonu her zaman gerçekleşmez ve herhangi bir uranyum kütlesi için olmaz. Bu konuyu anlamak için bir kavramı daha ele almak gerekiyor - nötron çarpma faktörü.
Bir zincir reaksiyonunun gelişimi, reaksiyonun aşamalarından birinde bir maddenin nükleer fisyonuna neden olan nötronların Ni sayısının Ni sayısına oranı ile ölçülen nötron çarpma faktörü K ile karakterize edilir. Reaksiyonun önceki aşamasında fisyona neden olan -1 nötron:
Çarpma faktörü, bir dizi faktöre, özellikle bölünebilir malzemenin doğasına ve miktarına ve kapladığı hacmin geometrik şekline bağlıdır. Belirli bir maddenin aynı miktarı farklı bir K değerine sahiptir. Madde küresel bir şekle sahipse K maksimumdur, çünkü bu durumda yüzeyden hızlı nötronların kaybı en küçük olacaktır.
Zincirleme reaksiyonun çarpım faktörü K = 1 ile devam ettiği bölünebilir malzeme kütlesine kritik kütle denir. Küçük uranyum parçalarında, nötronların çoğu, herhangi bir çekirdeğe çarpmadan uçar.
Kritik kütlenin değeri geometri tarafından belirlenir fiziksel sistem, yapısı ve dış çevresi. Yani, saf uranyum topu için kritik kütle 47 kg'dır (17 cm çapında bir top). Uranyumun kritik kütlesi, sözde nötron moderatörleri kullanılarak defalarca azaltılabilir. Gerçek şu ki, uranyum çekirdeğinin çürümesi sırasında üretilen nötronlar çok yüksek hızlara sahiptir ve uranyum-235 çekirdeği tarafından yavaş nötronların yakalanma olasılığı, hızlı olanlardan yüzlerce kat daha fazladır. En iyi nötron moderatörü ağır su D2O'dur (döteryum ve oksijen). Sıradan su, nötronlarla etkileşime girdiğinde ağır suya dönüşür.
İyi bir moderatör, çekirdekleri nötronları emmeyen grafittir. Döteryum veya karbon çekirdeği ile elastik etkileşim üzerine, nötronlar termal hızlara yavaşlar.
Nötron moderatörlerinin ve nötronları yansıtan özel bir berilyum kabuğunun kullanılması, kritik kütlenin 250 g'a düşürülmesini mümkün kılar.
Çarpma faktörü K = 1 ile bölünebilir çekirdek sayısı sabit bir seviyede tutulur. Bu mod nükleer reaktörlerde sağlanır.
Nükleer yakıtın kütlesi kritik kütleden küçükse, çarpım faktörü K
Nükleer yakıtın kütlesi kritik olandan daha büyükse, o zaman çarpma faktörü K > 1 ve her yeni nesil nötron, tüm nedenlere neden olur. daha fazla bölümler. Zincirleme reaksiyon çığ gibi büyür ve büyük bir enerji salınımı ve ortam sıcaklığında birkaç milyon dereceye kadar bir artış ile birlikte bir patlama karakterine sahiptir. Bir atom bombası patladığında bu tür bir zincirleme reaksiyon meydana gelir.
Nükleer reaktör. Termonükleer füzyon.
Bu yüzden, termonükleer ve nükleer reaksiyonlar hakkında konuşmadan önce, biraz analiz etmenizi öneririm ve
onları karşılaştırın.
Termonükleer reaksiyon, daha hafif elementlerin (ağır hidrojen - döteryum ve trityum izotopları) daha beyaz ağır olanları - helyum oluşturduğu bir nükleer füzyon reaksiyonudur.
Bir nükleer reaksiyon, daha hafif elementlerin daha ağır elementlerden oluştuğu bir nükleer zincir reaksiyonudur.
Uygulamada, fark, nükleer fisyon reaksiyonunun kontrol edilmesinin nispeten kolay olması gerçeğinde yatmaktadır, bu bir termonükleer reaksiyon hakkında söylenemez, bu nedenle askeri öneme ek olarak barışçıl nükleer santraller de önemlidir.
Bilim adamları hala bir termonükleer füzyon reaksiyonunu kontrol etmenin ucuz bir yolunu bulmak için uğraşıyorlar ve şimdiye kadar boşuna. Benzerlikleri hakkında konuşursak, her iki reaksiyonda da büyük miktarda ısı açığa çıkar, ancak termonükleer füzyonda hala daha fazladır.
Nükleer reaktör 
Bir nükleer reaktör, kontrollü bir fisyon zincir reaksiyonunun gerçekleştiği nükleer yakıt içeren bir tesistir.
Bir nükleer reaktörün çalışma prensibi
Uranyum U 235'in bozunması sırasında, iki veya üç nötronun salınmasıyla birlikte ısı açığa çıkar. İstatistiklere göre - 2.5. Bu nötronlar diğer uranyum atomları U 235 ile çarpışır. Bir çarpışmada, uranyum U 235, hemen hemen Kr 92 ve Ba 141 + bu aynı 2-3 nötrona bozunan kararsız bir U 236 izotopuna dönüşür. Çürümeye gama radyasyonu ve ısı şeklinde enerji salınımı eşlik eder.Buna zincirleme reaksiyon denir. Atomlar bölünür, bozunma sayısı katlanarak artar, bu da sonuçta bizim standartlarımıza göre yıldırım hızında bir enerji salınımına yol açar - meydana gelir nükleer patlama Kontrolsüz bir zincirleme reaksiyonun bir sonucu olarak.
Nükleer reaktörler hızlı ve yavaş nötronlarda:
Hızlı nötron reaktörü - nükleer reaktörnükleer zincir reaksiyonunötronlarenerji ile > 10 5 eV. RReaktörler, nötron spektrumunda - nötronların enerjiye göre dağılımı ve sonuç olarak, emilen (nükleer fisyona neden olan) nötronların spektrumunda önemli ölçüde farklılık gösterir. Çekirdek, elastik saçılmanın bir sonucu olarak yavaşlamak için özel olarak tasarlanmış hafif çekirdekler içermiyorsa, o zaman pratikte tüm yavaşlama, nötronların ağır ve orta ağırlıktaki çekirdekler tarafından esnek olmayan saçılmasından kaynaklanır. Bu durumda, fisyonların çoğuna onlarca ve yüzlerce keV mertebesinde enerjiye sahip nötronlar neden olur. Bu tür reaktörlere hızlı nötron reaktörleri denir.
Yavaş (termal) nötronlarda reaktör- nükleer rektör korumak için kullanmaknükleer zincir reaksiyonu nötronlar enerji spektrumunun termal kısmı -"termal spektrum". Termal spektrum nötronlarının kullanımı faydalıdır çünkü uranyum-235 çekirdeklerinin bir zincir reaksiyonuna katılan nötronlarla etkileşim kesiti, nötron enerjisi azaldıkça artarken, uranyum-238 çekirdekleri düşük enerjilerde sabit kalır. Sonuç olarak, içinde bölünebilir izotopun bulunduğu doğal uranyum kullanan kendi kendini idame ettiren bir reaksiyon. 235 U sadece %0.7'dir, hızlı nötronlarda (fisyon spektrumu) imkansızdır ve yavaş (termal) nötronlarda mümkündür.
Basit düşünceler, uranyumun iki parçaya bölünmesine muazzam bir enerji salınımının eşlik etmesi gerektiğini gösteriyor. Bu nedenle, bir uranyum çekirdeği iki parçaya bölündüğünde, nükleon başına yaklaşık 1.1 MeV'e eşit bir enerji salınmalıdır. Toplamda, 200'den fazla nükleon içeren bir uranyum çekirdeğinin fisyonu sırasında, 200 MeV mertebesinde bir enerji açığa çıkarılmalıdır.
Fisyon enerjisinin büyük kısmı, fisyon parçalarının ve nötronların kinetik enerjisi şeklinde salınır. Enerjinin bir kısmı gama radyasyonu şeklinde salınır.
Bir nükleer reaktördeki işlemlerin şeması: (bir reaksiyon moderatörü kullanırken)
Ö
bir nükleer reaktörün ana unsurları:
1) nükleer yakıt (, vb.);
2) nötron moderatörü (ağır veya normal su, berilyum, berilyum oksit, vb.);
3) reaktörün çalışması sırasında üretilen enerjinin çıkışı için soğutucu (su, sıvı sodyum, vb.);
4) Reaksiyon hızını kontrol etmek için bir cihaz (reaktörün çalışma alanına sokulan kadmiyum veya bor içeren çubuklar - nötronları iyi emen maddeler).
Dışarıda, reaktör, γ-radyasyonu ve nötronları yakalayan koruyucu bir kabuk ile çevrilidir. Kabuk, demir dolgulu betondan yapılmıştır.
nötron yakalama- bir atomun çekirdeğinin bir nötron ile birleştiği ve daha ağır bir çekirdek oluşturduğu bir tür nükleer reaksiyon:(A, Z) + n → ( A+1, Z) + γ.
Nötron, yalnızca elektrostatik itmenin üstesinden gelmek için yeterince yüksek bir enerjide yakalanabilen pozitif yüklü protonun aksine, elektriksel olarak nötr olduğu için sıfıra yakın kinetik enerjide bile çekirdeğe yaklaşabilir.
Hızlı nötron reaktörleri:
Avantaj:
operasyonları, daha sonra nükleer yakıt olarak kullanılabilecek önemli miktarda plütonyum üretir.
Bu reaktörlere bölünebilir malzeme ürettikleri için damızlık reaktörler denir.
Hafif çekirdeklerin füzyonu ve yeni bir çekirdeğin oluşumu sırasında büyük miktarda enerji açığa çıkarılmalıdır. Bu, özgül bağlanma enerjisinin kütle numarasına bağımlılığından görülebilir. A.
Kütle numarası yaklaşık 60 olan çekirdeğe kadar, nükleonların özgül bağlanma enerjisi, artan artışla artar. A. Bu nedenle, herhangi bir çekirdeğin sentezi A
Hafif çekirdeklerin füzyon reaksiyonlarına denir. termonükleer reaksiyonlarçünkü sızabilirler sadece çok yüksek sıcaklıklarda. İki çekirdeğin bir füzyon reaksiyonuna girebilmesi için, pozitif yüklerinin elektriksel itişini yenerek 2·10 -15 m düzeyinde nükleer kuvvetlerin etki mesafesinde yaklaşmaları gerekir. Bunun için moleküllerin termal hareketinin ortalama kinetik enerjisi, potansiyel enerji Coulomb etkileşimi. Bunun için gerekli sıcaklığın hesaplanması T 10 8 -10 9 K düzeyinde bir değere yol açar. Bu son derece yüksek bir sıcaklıktır. Bu sıcaklıkta, madde tamamen iyonize haldedir. plazma
.5 vücut durumu. Dünyada bu sıcaklıklara dayanabilecek hiçbir malzeme yoktur.
Nükleon başına termonükleer reaksiyonlarda salınan enerji, salınan özgül enerjiden birkaç kat daha yüksektir. zincirleme reaksiyonlar nükleer fisyon. Örneğin, döteryum ve trityum çekirdeklerinin füzyon reaksiyonunda
|
3.5 MeV/nükleon serbest bırakılır. Bu reaksiyonda toplamda 17.6 MeV açığa çıkar. Bu, en umut verici termonükleer reaksiyonlardan biridir.
uygulama kontrollü termonükleer reaksiyonlar insanlığa yeni, çevre dostu ve pratik olarak tükenmez bir enerji kaynağı verecektir. Bununla birlikte, ultra yüksek sıcaklıklar elde etmek ve bir milyar dereceye kadar ısıtılmış plazmayı sınırlandırmak, kontrollü termonükleer füzyonun uygulanmasına giden yolda en zor bilimsel ve teknik görevdir.
Bilim ve teknolojinin gelişiminin bu aşamasında, sadece kontrolsüz füzyon reaksiyonu bir hidrojen bombasında. Sıcaklık nükleer füzyon için gerekli olan, burada geleneksel bir uranyum veya plütonyum bombasının patlaması kullanılarak elde edilir.
Termonükleer reaksiyonlar, evrenin evriminde son derece önemli bir rol oynamaktadır. Güneşin ve yıldızların radyasyon enerjisi termonükleer kökenlidir.
Reaksiyon türleri:
1) Reaksiyon döteryum + trityum (Yakıt D-T)
En kolay uygulanan reaksiyon döteryum + trityumdur:17.6 MeV (MeV) enerji çıkışı için 2 H + 3 H = 4 He + n.
Bu reaksiyon, aşağıdakiler açısından en kolay şekilde uygulanır: modern teknolojiler, önemli bir enerji verimi sağlar, yakıt bileşenleri ucuzdur. Dezavantajı, istenmeyen nötron radyasyonunun salınmasıdır.
İki çekirdek: döteryum ve trityum birleşerek bir helyum çekirdeği (alfa parçacığı) ve yüksek enerjili bir nötron oluşturur:
2) Tepkime döteryum + helyum-3
Mümkün olanın sınırında, döteryum + helyum-3 reaksiyonunu gerçekleştirmek çok daha zordur.18.4 MeV enerji çıkışında 2 H + 3 He = 4 He + p.
Bunu başarmak için koşullar çok daha karmaşıktır. Helyum-3 ayrıca nadir ve son derece pahalı bir izotoptur. AT endüstriyel ölçeklişu anda üretilmiyor. Ancak, sırayla nükleer santrallerde elde edilen trityumdan elde edilebilir; veya ayda mayınlı.
Bir termonükleer reaksiyon yürütmenin karmaşıklığı, üçlü ürün ile karakterize edilebilir. ntτ (tutma süresi başına sıcaklık başına yoğunluk). Bu parametreye göre D-3 He tepkimesi D-T'den yaklaşık 100 kat daha zordur.
3) Döteryum çekirdekleri arasındaki reaksiyon (D-D, monopropellant)
Döteryum çekirdekleri arasındaki reaksiyonlar da mümkündür, bunlar helyum-3 içeren reaksiyonlardan biraz daha zordur:DD-plazmadaki ana reaksiyona ek olarak aşağıdakiler de meydana gelir:
Bu reaksiyonlar yavaş yavaş döteryum + helyum-3 reaksiyonuna paralel olarak ilerler ve bunlar sırasında oluşan trityum ve helyum-3 ile büyük olasılıkla döteryum ile hemen reaksiyona girer.
Diğer reaksiyon türleri
Birkaç başka reaksiyon türü de mümkündür. Yakıt seçimi birçok faktöre bağlıdır - mevcudiyeti ve düşük maliyeti, enerji verimi, füzyon reaksiyonu için gerekli koşulların elde edilmesinin kolaylığı (öncelikle sıcaklık), reaktörün gerekli tasarım özellikleri, vb.Şartlar:
Kontrollü termonükleer füzyon, iki koşulun aynı anda yerine getirilmesi altında mümkündür:
Çekirdeklerin çarpışma hızı plazma sıcaklığına karşılık gelir:
Lawson kriterine uygunluk:
Neresi n- yüksek sıcaklıkta plazma yoğunluğu, τ - sistemdeki plazma hapsi süresi.
Bu iki kriterin değeri, esas olarak belirli bir termonükleer reaksiyonun hızını belirler.
TEMEL KONSEPTLER
Temel parçacık- atom çekirdeği ve atom olmamaları koşuluyla maddenin en küçük parçacıkları (istisna protondur); bu nedenle subnükleer olarak adlandırılırlar.Döndürmek(İngiliz dönüşünden - dönüş, dönüş) - temel parçacıkların içsel momentum momenti, kuantum doğası ve parçacığın bir bütün olarak hareketi ile ilgili değildir. Spin, bir atom çekirdeğinin veya atomun uygun açısal momentumu olarak da adlandırılır; bu durumda spin şu şekilde tanımlanır: vektör toplamı(kuantum mekaniğinde moment toplama kurallarına göre hesaplanır) sistemi oluşturan temel parçacıkların spinleri ve bu parçacıkların sistem içindeki hareketlerinden dolayı yörünge momentleri. S)
antiparçacık- aynı kütleye ve aynı dönüşe sahip, ancak bazı etkileşim özelliklerinin işaretleri bakımından farklı olan başka bir temel parçacığın ikiz parçacığı.
Temel parçacıkların sınıflandırılması
Mevcut bilgi düzeyinde, 12 parçacık ve 12 antiparçacığın yanı sıra 12 etkileşim taşıyıcısı temel olarak kabul edilir. Tüm temel parçacıklar fermiyondur (s=1/2ħ) ve tüm etkileşim taşıyıcıları bozonlardır (s=1ħ).Serbest durumda, sadece 6 (12'den) temel parçacık gözlenir. Bunlar leptonlardır: elektron e- , müon μ - , taon τ - , elektron nötrino ν e , müon nötrino ν μ , ve taon nötrino ν τ . Antinötrinolar ve pozitif yüklü leptonlar antipartiküller olarak kabul edilir. Leptonlar zayıf etkileşen parçacıklardır.
Kalan 6 temel parçacık - kuarklar - yalnızca bağlı durumda bulunur. Bu aynı zamanda 6 antikuark için de geçerlidir. Kuarklar ve antikuarklar, güçlü bir etkileşime sahip parçacıklardır.
Sınıflandırma türleri:
sırt boyutu
bozonlar - tamsayı spinli parçacıklar (örneğin foton, gluon, mezonlar)
fermiyonlar - yarım tamsayılı spinli parçacıklar (örneğin elektron, proton, nötron, nötrino)
Etkileşim türüne göre
Kompozit parçacıklar
hadronlar - her türlü temel etkileşime katılan parçacıklar. Kuarklardan oluşurlar ve sırayla alt bölümlere ayrılırlar.
mezonlar- tamsayı spinli hadronlar, yani bozonlar;
baryonlar- yarı tamsayılı spinli hadronlar, yani fermiyonlar. Bunlar, özellikle, bir atomun çekirdeğini oluşturan parçacıkları içerir - proton ve nötron.
Hadronlar ve leptonlar maddeyi oluşturur. Ayar bozonları kuantumdur farklı şekiller etkileşimler.
pozitron. Yok etme. Elektrona benzer, ancak elektrondan farklı olarak pozitif birim yüke sahip bir parçacık olan pozitronun keşfi, fizikte son derece önemli bir olaydı. 1928'de P. Dirac göreliliği tanımlamak için bir denklem önerdi. Kuantum mekaniği elektron. Dirac denkleminin hem pozitif hem de negatif enerjili iki çözümü olduğu ortaya çıktı. Negatif enerjili bir durum, elektrona benzer ancak pozitif enerjiye sahip bir parçacığı tanımlar. elektrik şarjı. Pozitron, antipartikül adı verilen bir parçacık sınıfında keşfedilen ilk parçacıktı. Pozitronun keşfinden önce, doğadaki pozitif ve negatif yüklerin eşit olmayan rolü açıklanamaz görünüyordu. Neden pozitif yüklü ağır bir proton var da proton kütlesi ve negatif yüklü ağır parçacık yok? Ama bir ışık negatif yüklü elektron var. Pozitronun keşfi, hafif parçacıklar için yük simetrisini esasen restore etti ve fizikçileri proton için bir antiparçacık bulma sorunuyla karşı karşıya getirdi. Bir başka sürpriz de, pozitronun kararlı bir parçacık olması ve boş uzayda süresiz olarak var olabilmesidir. Ancak, bir elektron ve bir pozitron çarpıştığında, yok olurlar. Bir elektron ve bir pozitron kaybolur ve onların yerine iki -kuanta doğar. |
Beta bozunmasının paradoksları. nötrinoBu sorunun cevabı, nötronun keşfinden bir yıl sonra, 1932'de İtalyan fizikçi Enrico Fermi tarafından -çürüme teorisinde verildi. -Çürüme, belirli bir anlamda, uyarılmış atomlar tarafından fotonların emisyonuna benzer. Yayılma anına kadar çekirdekte ne elektron ne de atomda foton vardır ve bozunma sürecinde hem foton hem de elektron oluşur. Bozunma sürecinin incelenmesi, elektron emisyonunun elektromanyetik etkileşimden veya nükleer etkileşimden değil, fizikte hala bilinmeyen yeni bir etkileşim türünden kaynaklandığını gösterdi. Bu etkileşime zayıf etkileşim adı verilmiştir. Gelecekte, fiziğe birçok beklenmedik ve sansasyonel keşif getirdi.-Çürüme fenomeninin incelenmesi fizikçiler için ciddi bir sorun teşkil ediyordu. Deneysel gerçekler, enerjinin, momentumun ve açısal momentumun korunumu yasalarıyla uyumsuz görünüyordu. Bu yasaları kurtarmak için 1930'da W. Pauli, -çürüme sürecinde, kolayca gözlemlenen bir elektronla birlikte, sıfır yüklü, sıfır durgun kütleli ve 1/2 spinli bir hafif parçacığın daha doğması gerektiğini öne sürdü. Nötrino, bozunma sürecinde elektronla birlikte yayıldığından, eksik enerjiyi, momentumu ve açısal momentumu taşıyabilir. Pauli hipotezini test etmek için nötrinoları deneysel olarak tespit etmek gerekiyordu. Ancak, Pauli tarafından tahmin edilen nötrino özellikleri, tespit edilmesini son derece zorlaştırdı. Gerçek şu ki, nötrino madde ile çok zayıf etkileşmek zorunda kaldı. Etkileşim olmadan binlerce kilometre maddeyi uçabilir. Nötrinoların atom çekirdeği ile birkaç MeV enerjisiyle etkileşimi için enine kesit ~ 10 -34 cm2 (Bilimdeki nötrino astrofiziği ve nötrino jeofiziği gibi alanların gelişimi, nötrinoların devasa nüfuz etme gücü ile ilişkilidir. Nötrinolar taşır. Güneş'in merkezindeki süreçler, erken Evrende meydana gelen süreçler ve yıldız evriminin son aşamaları hakkında bilgi.) Nötrinoları doğrudan kaydetmeye yönelik deneysel girişimler neredeyse yirmi yıl sürdü. F. Reines ve K. Cowen ancak 1953'te çok karmaşık bir deneyin sonucu olarak antinötrinoları kaydetmeyi başardılar. (Antineutrino, e + p → n + e + reaksiyonu kullanılarak kaydedildi. Antinötrinoların kaynağı, içinde antinötrinoların büyük miktarlarda oluştuğu bir atomik reaktördü.). Pauli'nin hipotezi parlak bir onay aldı. |
Şakayık - nükleer alanın quantaAtom çekirdeğindeki nötronların ve protonların varlığı, fizikçilere bu parçacıkları çekirdekte bağlayan nükleer etkileşimlerin doğasını inceleme sorununu ortaya çıkardı. 1934'te H. Yukawa yeni bir parçacık öngördü - nükleer alan kuantumu. Yukawa hipotezine göre, nükleonlar arasındaki etkileşim, bu parçacıkların emisyon ve absorpsiyonunun bir sonucu olarak ortaya çıkar. Nükleer alanı şuna benzeterek tanımlarlar: elektromanyetik alan fotonların değiş tokuşunun bir sonucu olarak ortaya çıkan
Kütle m quanta alışverişinden kaynaklanan nükleonlar arasındaki etkileşim, potansiyelin ortaya çıkmasına neden olur.
Burada gi, parçacıkların nükleer etkileşimi taşıyan kuanta alanıyla etkileşiminin sabitidir. Dikkat et bilinen gerçekler nükleer kuvvetlerin kısa menzilli olduğunu ve ~1 fm karakteristik aralığına sahip olduğunu söyleyen Yukawa, nükleer alan kuantasının kütlesinin ~200 MeV olduğunu tahmin etti. Yukawa'nın tahmin edilen parçacığı
bir elektron ve bir proton arasında bir ara kütle değeri işgal etmesi gerekiyordu ve Yunanca meso - ortalama kelimesinden mezon olarak adlandırıldı. Mezonun özelliklerini tahmin ettikten sonra, bu parçacık için enerjik bir araştırma başladı. Ve zaten iki yıl sonra, 1937'de, bir bulut odası kullanılarak kozmik ışınlarda dinlenme kütlesi yaklaşık 200 elektron dinlenme kütlesine eşit olan bir parçacık tespit edildi. Başlangıçta bunun Yukawa tarafından tahmin edilen mezon olduğu düşünülüyordu. Bununla birlikte, bu parçacığın özelliklerinin daha ayrıntılı bir incelemesi, kozmik ışınlarda bulunan mezonların, nükleer etkileşim taşıyıcıları için olması gerektiği gibi, nötronlar ve protonlar ile yeterince güçlü bir şekilde etkileşime girmediğini gösterdi. Atom çekirdeği tarafından yakalanmadılar, ancak elektron emisyonu ile bozundular. İlk heyecanın yerini biraz hayal kırıklığı aldı. Sonunda, 1947'de, yine kozmik ışınlarda, protonlar ve nötronlarla güçlü bir şekilde etkileşime giren ve Yukawa'nın öngördüğü parçacık olan başka bir parçacık keşfedildi. π-meson veya pion olarak adlandırıldı. Üç çeşit π mezonu vardır: ~140 MeV kütleye sahip negatif yüklü π - -mezon, pozitif yüklü antiparçacığı π + -meson ve ~135 MeV kütleye sahip nötr π 0 -mezon. Güçlü etkileşimler açısından aynı şekilde davranırlar. Bu nedenle, bir proton ve bir nötronun bir izotopik ikilide birleşmesi gibi, pionlar da bir izotopik üçlüde birleşir. |
.
leptonlar1937'de keşfedilen parçacık aynı zamanda mezon, μ mezon olarak da adlandırıldı. ~106 MeV kütleye sahiptir ve iki çeşidi vardır - negatif yüklü parçacık ve pozitif yüklü antiparçacık. Günümüzde müona müon denilmesi tercih edilmektedir. Müonlar kararsız parçacıklardır ve şemaya göre bozunurlar.μ - e - + ν e + μ , μ + e + + e + ν μ , Bir elektronun (pozitron), bir elektron nötrinosunun (antineutrino) ve bir müonik antineutrino μ'nin (nötrino ν μ) son durumunda oluşumu ile. Elektron ve müon nötrinolarının farklı parçacıklar olduğu gerçeği ilk kez 1957 yılında M. Markov ve Yu. Schwinger tarafından belirtilmiştir. Bu hipotez 1962'de Brookhaven'daki hızlandırıcıdaki deneylerde doğrulandı. Müon nötrinolarının etkileşiminin müon ürettiği gösterildi. ν μ + np + μ - Ve hiçbir elektron doğmaz ν μ + n p + e - . Müonlar, elektronlar ve nötrinolar lepton ailesine aittir. Bu ailenin bir başka parçacığı olan lepton (taon), 1979'da M. Perl tarafından e + + e - τ + + τ - reaksiyonunda keşfedildi. Bir protondan neredeyse iki kat daha ağırdır ve sadece bir müon gibi leptonlara değil, aynı zamanda hadronlara da bozunabilir. Ben) M( e) + m(ν μ) + m(ν τ) |
20. yüzyılın 20'li yıllarına gelindiğinde, fizikçiler artık 1911'de E. Rutherford tarafından keşfedilen atom çekirdeklerinin ve atomların kendilerinin karmaşık bir yapıya sahip olduğundan şüphe duymuyorlardı. O zamana kadar birikmiş sayısız deneysel gerçekle buna ikna oldular: radyoaktivitenin keşfi, çekirdeğin nükleer modelinin deneysel kanıtı, elektron için e / m oranının ölçümü, a-parçacığı ve so- için. H-parçacığı olarak adlandırılan - hidrojen atomunun çekirdeği, yapay radyoaktivite ve nükleer reaksiyonların keşfi, atom çekirdeğinin yüklerinin ölçülmesi vb. çeşitli elementlerin atom çekirdeğinin iki parçacıktan oluştuğunu - protonlar ve nötronlar.
Bu parçacıkların ilki, tek bir elektronun çıkarıldığı bir hidrojen atomudur. Bu parçacık, içindeki e / m oranını ölçmeyi başaran J. Thomson'ın (1907) deneylerinde zaten gözlemlendi. 1919'da E. Rutherford, birçok elementin atom çekirdeğinin fisyon ürünlerinde hidrojen atomunun çekirdeğini keşfetti. Rutherford bu parçacığa proton adını verdi. Protonların tüm atom çekirdeğinin bir parçası olduğunu öne sürdü. Rutherford'un deneylerinin şeması, Şek. on bir.
Rutherford'un cihazı, içine bir a-parçacık kaynağı olan bir K kabının yerleştirildiği, boşaltılmış bir odadan oluşuyordu. Bölme penceresi, kalınlığı α parçacıklarının içinden geçemeyeceği şekilde seçilen metal folyo Ф ile kaplandı. Pencerenin dışında çinko sülfürle kaplanmış perde E vardı. Mikroskobu M kullanarak, ağır yüklü parçacıkların ekrana çarptığı noktalarda sintilasyonları gözlemlemek mümkün oldu. Bölme düşük basınçta nitrojen ile doldurulduğunda, ekranda F folyoya nüfuz edebilen ve α-parçacıklarının akışını neredeyse tamamen bloke eden bazı parçacıkların akışının görünümünü gösteren ışık parlamaları belirdi.
Rutherford, E ekranını kamera penceresinden uzaklaştırarak ölçtü. ücretsiz yol demek Havada gözlenen parçacıklar. Yaklaşık olarak 28 cm'ye eşit olduğu ortaya çıktı, bu da daha önce J. Thomson tarafından gözlemlenen H-parçacıklarının yol uzunluğunun tahminiyle çakıştı. Elektrik ve manyetik alanlar tarafından nitrojen çekirdeğinden fırlatılan parçacıklar üzerindeki etki üzerine yapılan çalışmalar, bu parçacıkların pozitif bir temel yüke sahip olduğunu ve kütlelerinin bir hidrojen atomunun çekirdeğinin kütlesine eşit olduğunu göstermiştir. Daha sonra, deney bir dizi başka gaz halinde madde ile gerçekleştirildi. Her durumda, α-parçacıklarının, bu maddelerin çekirdeklerinden H-parçacıklarını veya protonları nakavt ettiği bulundu. Modern ölçümlere göre, protonun pozitif yükü, e = 1.60217733 10 -19 C temel yüküne tam olarak eşittir, yani mutlak değerde elektronun negatif yüküne eşittir. Şu anda, proton ve elektron yüklerinin eşitliği 10-22 doğrulukla doğrulanmıştır. Birbirine benzemeyen iki parçacığın yüklerinin böyle bir çakışması şaşırtıcıdır ve modern fiziğin temel gizemlerinden biri olmaya devam etmektedir.
Şekil 11. Rutherford'un nükleer fisyon ürünlerindeki protonları saptama deneylerinin şeması. K - radyoaktif bir a-parçacık kaynağı, F - metal folyo, çinko sülfür ile kaplanmış E - ekran, M - mikroskop içeren kurşun kap.
proton kütlesi, modern ölçümlere göre, mp = 1.67262 10 -27 kg'a eşittir. Nükleer fizikte, bir parçacığın kütlesi genellikle, kütle numarası 12:1 a.u olan bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine eşit atomik kütle birimleri (a.m.u.) olarak ifade edilir. em = 1.66057 10 -27 kg.
Bu nedenle, m p \u003d 1.007276 a. e. m Birçok durumda, bir parçacığın kütlesini, E = mc 2 formülüne göre eşdeğer enerji değerlerinde ifade etmek uygundur. 1 eV = 1.60218 10 -19 J olduğundan, enerji birimlerinde proton kütlesi 938.272331 MeV'dir. Böylece Rutherford deneyinde, hızlı α-parçacıklarının çarpması sırasında nitrojen ve diğer elementlerin çekirdeklerinin ayrılması olgusu keşfedildi ve protonların atom çekirdeğinin bir parçası olduğu gösterildi. Protonun keşfinden sonra atom çekirdeğinin sadece protonlardan oluştuğu öne sürülmüştür. Bununla birlikte, bu varsayımın savunulamaz olduğu ortaya çıktı, çünkü çekirdeğin yükünün kütlesine oranı, çekirdeğin bileşimine yalnızca protonlar dahil edilmiş olsaydı olacağı gibi, farklı çekirdekler için sabit kalmaz. Daha ağır çekirdekler için bu oranın hafif olanlara göre daha küçük olduğu, yani daha ağır çekirdeklere geçerken çekirdeğin kütlesi yükten daha hızlı büyür. 1920'de Rutherford, çekirdeğin bileşiminde, elektriksel olarak nötr bir oluşum olan, kütlesi yaklaşık olarak bir protonun kütlesine eşit olan bir parçacık olan, katı bir şekilde bağlı kompakt bir proton-elektron çiftinin varlığını varsaydı. Bu varsayımsal parçacık için bir isim bile buldu - nötron.
Çok güzeldi, ama sonradan ortaya çıktığı gibi, hatalı bir fikirdi. Elektron bir çekirdeğin parçası olamaz. Belirsizlik ilişkisine dayanan kuantum-mekanik hesaplama, çekirdekte, yani R ≈ 10-13 cm büyüklüğünde bir bölgede lokalize olan bir elektronun, çok büyük bir kinetik enerjiye sahip olması gerektiğini gösterir. nükleer bağlanma enerjisi parçacık başına. Ağır bir nötr parçacığın varlığı fikri Rutherford'a o kadar çekici geldi ki, James Chadwick liderliğindeki bir grup öğrencisini hemen böyle bir parçacığı aramaya davet etti. On iki yıl sonra, 1932'de Chadwick, berilyum α-parçacıkları ile ışınlandığında meydana gelen radyasyonu deneysel olarak araştırdı ve bu radyasyonun, kütlesi yaklaşık olarak bir protonunkine eşit olan bir nötr parçacık akımı olduğunu buldu. Nötron bu şekilde keşfedildi. Şek. Şekil 12, nötronları tespit etmek için kurulumun basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir.
Berilyum, radyoaktif polonyum tarafından yayılan a-parçacıkları ile bombalandığında, 10-20 cm kalınlığında bir kurşun tabakası gibi bir engelin üstesinden gelebilecek güçlü nüfuz edici radyasyon ortaya çıkar.Bu radyasyon, Joliot-Curie eşleri Irene ve Chadwick ile neredeyse aynı anda gözlemlendi. Frederic (Irene, Pierre Curie'nin kızıdır), ancak bunların yüksek enerjili gama ışınları olduğunu varsaydılar. Berilyum radyasyonunun yoluna bir parafin levha yerleştirilirse, bu radyasyonun iyonlaştırıcı gücünün keskin bir şekilde arttığını bulmuşlardır. Berilyum radyasyonunun, bu hidrojen içeren maddede büyük miktarlarda bulunan protonları parafinden çıkardığını kanıtladılar. Protonların havadaki serbest yoluna dayanarak, bir çarpışmada protonlara gerekli hızı verebilen γ-kuantanın enerjisini tahmin ettiler.
Çok büyük olduğu ortaya çıktı - yaklaşık 50 MeV. 1932'de J. Chadwick, berilyumun α-parçacıkları ile ışınlanmasından kaynaklanan radyasyonun özelliklerinin kapsamlı bir çalışması üzerine bir dizi deney yaptı. Chadwick, deneylerinde iyonlaştırıcı radyasyonu incelemek için çeşitli yöntemler kullandı. Şek. Şekil 12, yüklü parçacıkları algılamak için tasarlanmış bir Geiger sayacını göstermektedir. İçeride metal bir tabaka (katot) ile kaplanmış bir cam tüp ve tüpün ekseni (anot) boyunca uzanan ince bir iplikten oluşur. Tüp, düşük basınçta bir soy gazla (genellikle argon) doldurulur. Bir gazın içinden uçan yüklü bir parçacık, moleküllerin iyonlaşmasına neden olur. İyonlaşmanın bir sonucu olarak ortaya çıkan serbest elektronlar, anot ve katot arasındaki elektrik alanı tarafından darbeli iyonizasyonun başladığı enerjilere hızlandırılır. Bir iyon çığı belirir ve sayaçtan kısa bir deşarj akımı darbesi geçer. Parçacıkları incelemek için bir başka önemli araç, hızlı yüklü bir parçacığın bir iz (iz) bıraktığı sözde bulut odasıdır. Parçacık yörüngesi doğrudan gözlemlenebilir veya fotoğraflanabilir.
Şekil 12. Nötron tespiti için kurulum şeması.
1912'de oluşturulan bulut odasının hareketi, aşırı doymuş buharın, yüklü bir parçacığın yörüngesi boyunca odanın çalışma hacminde oluşan iyonlar üzerinde yoğunlaşmasına dayanır. Bir bulut odası kullanarak, elektrik ve manyetik alanlarda yüklü bir parçacığın yörüngesinin eğriliği gözlemlenebilir. J. Chadwick, deneylerinde berilyum radyasyonu ile çarpışma yaşayan nitrojen çekirdeklerinin bulut odasındaki izlerini gözlemledi. Bu deneylere dayanarak, nitrojen çekirdeklerini deneyde gözlemlenen hız konusunda bilgilendirebilen γ-kuantumun enerjisinin bir tahminini yaptı. 100-150 MeV'ye eşit olduğu ortaya çıktı. Böyle büyük bir enerji berilyum tarafından yayılan γ-kuantaya sahip olamaz. Bu temelde, Chadwick, berilyumdan, α-parçacıklarının etkisi altında, kütlesiz γ-kuantanın uçmadığını, daha ziyade ağır parçacıkların uçtuğu sonucuna varmıştır.
Bu parçacıklar oldukça nüfuz edici olduklarından ve Geiger sayacındaki gazı doğrudan iyonize etmedikleri için elektriksel olarak nötrdüler. Varlığı bu şekilde kanıtlanmıştır. nötron- Rutherford tarafından Chadwick'in deneylerinden 10 yıl önce tahmin edilen parçacıklar. Nötron temel bir parçacıktır. Başlangıçta Rutherford tarafından önerildiği gibi, kompakt bir proton-elektron çifti olarak temsil edilmemelidir. Modern ölçümlere göre, nötron kütlesi m n \u003d 1.67493 10 -27 kg \u003d 1.008665 a.u. e. m. Enerji birimlerinde, nötron kütlesi 939.56563 MeV'dir. Bir nötronun kütlesi, bir protonun kütlesinden yaklaşık olarak iki elektron kütlesi daha fazladır. Nötronun keşfinden hemen sonra, Rus bilim adamı D. D. Ivanenko ve Alman fizikçi V. Heisenberg, atom çekirdeğinin proton-nötron yapısı hakkında, sonraki çalışmalarla tamamen doğrulanan bir hipotez ortaya koydu.
Protonlar ve nötronlar denir nükleonlar. Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. Atom çekirdeğini oluşturan proton sayısı Z sembolü ile gösterilir ve buna denir. Görev numarası veya atom numarası (bu, Mendeleev'in periyodik tablosundaki seri numarasıdır). Nükleer yük Ze'dir, burada e temel yüktür. Nötron sayısı N sembolü ile gösterilir. Toplam nükleon sayısı (yani protonlar ve nötronlar) denir. kütle Numarası A: A=Z+N.
Kimyasal elementlerin çekirdekleri sembolü ile gösterilir, burada X elementin kimyasal sembolüdür. Örneğin, - hidrojen, - helyum, - oksijen, - karbon, - uranyum. Aynı kimyasal elementin çekirdeği, nötron sayısında farklılık gösterebilir. Bu tür çekirdeklere denir izotoplar. Çoğu kimyasal elementin birkaç izotopu vardır. Örneğin hidrojenin üç izotopu vardır: - sıradan hidrojen, - döteryum ve - trityum. Karbonun 6 izotopu vardır, oksijenin 3 tane vardır. Doğal koşullarda kimyasal elementler genellikle izotopların bir karışımıdır. İzotopların varlığı, Mendeleev'in periyodik tablosundaki doğal bir elementin atom kütlesinin değerini belirler. Örneğin, doğal karbonun bağıl atom kütlesi 12.011'dir.
