Hafif hidrojen atomu hariç herhangi bir atomun çekirdeği parçacıklardan oluşur - nükleonlar iki tip: Z protonlar ve N nötronlar. Nötron, 1932'de James Chadwick, aynı zamanda Karl Anderson - pozitron tarafından keşfedildi. Hafif hidrojen atomunun çekirdeği bir protondan oluşur.

Proton açık, yüklü bir parçacıktır - qp = +e. Bir protonun kütlesi m p= 1.67265 10 -27 kg. AT nükleer Fizik parçacıkların enerjisini, kütleyi ışık hızının karesiyle çarptıkları enerji birimlerinde (eV) ifade etmek gelenekseldir. c2, daha sonra proton kütlesi p = 938.26 MeV. Protonun spini şuna eşittir: s = 1/2.

Nötron ayrıca spin var s= 1/2. Kütlesi bir protonun kütlesine yakındır ve mn\u003d 1.67495 10 -27 kg veya enerji birimi (eV) p = 939.55 MeV. Ancak nötronun elektrik yükü yoktur. Serbest durumda, nötron radyoaktiftir, kendiliğinden bozunur ve bir protona dönüşür. Bu durumda, bir antineutrino serbest bırakılır.

Nötron çekirdekte kararlıdır.

Bir atom bir yük numarası ile karakterize edilir Z(çekirdekteki proton sayısına eşittir). Sayı Z periyodik tablodaki atom numarasını belirler. Kütle Numarası A=N+Zçekirdekteki toplam nükleon sayısını gösterir. Tüm nükleonların kütlesi A tüm atomun kütlesine ana katkıyı yapar. Çekirdeğe nüklid de denir. Nüklidin benimsenen şeması aşağıdaki forma sahiptir: Çekirdekte nükleonlar dışında başka parçacık yoktur. Ancak nükleonlar, temel parçacıklar: her biri, başka bir derste tartışılacak olan üç kuarktan oluşur.

Çekirdekleri aynı olan atomlar şarj numaraları Z ve çeşitli kütle numaraları A, aynısı var Kimyasal özellikler ve izotoplar olarak adlandırılır. Aynı kimyasal elementin izotopları, yalnızca çekirdekteki nötron sayısı ile birbirinden farklıdır. Aynı atoma sahip maddelerin çoğu Z farklı izotopların karışımıdır. Yani hidrojen, karbon ve oksijenin her biri 3 izotopa sahiptir: - sıradan hidrojen, - döteryum, - trityum; ; ; Kalay 10 izotopa sahiptir.

Çekirdeklerinin kütle numaraları aynı olan atomlar A, arandı izobarlar. İzobarlar, yani farklı çekirdekler Z, çeşitli atomların çekirdeklerine karşılık gelir kimyasal elementler.

Rutherford'un saçılma deneylerinde α -maddenin atomları üzerindeki parçacıklar, çekirdeklerin sonlu bir boyuta sahip olduğu bulundu. O andan bu yana çok zaman geçti, ancak atom çekirdeği üzerindeki parçacıkların saçılmasıyla ilgili deneyler, çekirdeğin boyutunu belirlemede hala en çok tercih edilen deneylerdir. Elektronlar çekirdeklerle yalnızca elektrostatik etkileşim yaşadıklarından, çekirdeğin içindeki yük dağılımı elektron saçılımı kullanılarak incelenir. Çekirdek içindeki nükleer maddenin dağılımı, nötronların saçılması ile değerlendirilir, çünkü bu durumda parçacıklar arasındaki etkileşim sadece belirli bir nükleer olana indirgenir. Çekirdeğin gelen parçacığı "hissetmesi" için, kütleler dikkate alındığında elektronun enerjisi en az 124 MeV ve nötronun enerjisi en az 8 MeV olmalıdır. Çeşitli (ancak belirtilen koşulları karşılayan) enerjilerdeki elektronlar ve nötronlarla yapılan deneyler, bir çekirdeğin hacminin, bileşimindeki nükleon sayısıyla orantılı olduğunu gösterdi:

1'e eşit veya daha büyük spinli çekirdeklerde, gerçekten de küresel şekilden bir sapma gözlemlenir. Bu tür çekirdekler sıkıştırılabilir veya dönüş elipsoidlerini çoğaltabilir ve büyük ve küçük eksenleri arasındaki fark hiçbir zaman %20'yi geçmez ve kural olarak çok daha küçüktür. İlk yaklaşımda, çekirdek bir top olarak kabul edilebilir, çekirdeğin yarıçapı şu şekildedir: (13.3)

Devamlı R0≈ 1.3·10 –15 m Yaklaşık değeri, nükleer maddenin dağılımından elde edilen çekirdeğin yarıçapının değerinin, yük dağılımından elde edilen yarıçapın değerinden farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Bu, yükün ve maddenin çekirdeğin içinde farklı bir şekilde dağıldığı anlamına gelir.

Nükleer teori çerçevesinde, miktar kullanılır 1 fermi = 1 f= 10-15 m.

O zaman çekirdek yarıçapı .

Nükleer spin I, çekirdeğin toplam açısal momentumudur. Kütle numarası olan bir çekirdek için Aşuna eşittir: (13.4)

Bu ifadede, sağdaki ilk terim nükleonların toplam dönüş momentine, ikinci terim ise çekirdekteki nükleonların toplam yörünge momentine eşittir. değerler Si ve ben ben karşılık gelen değerler tarafından belirlenir Kuantum sayıları: s p = s n= 1/2 ve ben = 0, 1, 2, ...

Çekirdeğin manyetik momenti μ ben protonların ve nötronların içsel manyetik momentleri ile protonların yörüngesel manyetik momentlerinin toplamıdır (bir nötronun herhangi bir yörünge manyetik momenti sıfırdır). ben).

Yani çekirdek içerir A nükleonlar. Bununla birlikte, tüm proton ve nötron kombinasyonları kararlı çekirdekler oluşturmaz. Bu nükleer enerji seviyelerinin varlığından kaynaklanmaktadır. Hem protonlar hem de nötronlar fermiyon olduğundan (spin s = 1/2), o zaman her seviyede ikiden fazla proton ve iki nötron olamaz. Seviyeler, birleşik parçacıklar sistemini en aza indirme ilkesine göre doldurulur. Örneğin, iki izotopu düşünün ve . İlk iki seviyesi (Şekil 13.1) aynı şekilde doldurulur.

Pirinç. 13.1 Karbonun kararlı izotopu ve boronun kararsız izotopu

Son seviyede, 12. nötron nüklidde bulunurken, aynı zamanda bir önceki seviyede tamamen dolana kadar yeterli proton yoktur. Üç nötron ve bir protondan oluşan bir sistemin enerjisi, iki proton ve iki nötrondan oluşan bir sistemin enerjisinden daha büyük olacaktır. Bu nedenle izotop kararlı olmayacak ve oldukça hızlı bir şekilde bozunacaktır. Aynı zamanda izotop (5 proton ve 6 nötron içeren) kararlıdır.

Hafif çekirdeklerde ( A< 20), как правило, число протонов и нейтронов одинаково (или отличается не единицу в случае ядер с нечетным числом нуклонов, причем число нейтронов обязательно daha fazla sayı protonlar). Ağır çekirdeklerde, nötronların oranı büyüyor. Bu tür çekirdeklerde, enerji minimizasyonu ilkesine ek olarak, protonların Coulomb itmesinin önemli olduğu ortaya çıkıyor. 10'dan fazla protona sahip çekirdeklerde bu itme o kadar güçlüdür ki, çekirdeğin kararlılığı için bu kuvvetin bir şey tarafından telafi edilmesi gerekir. Nötronlar arasında sadece çekici nükleer kuvvetler hareket eder. Bu nedenle, çekirdeğin bileşimindeki nötron sayısındaki bir artış, bir kuvvet dengesine, yani. çekirdek kararlılığı için.

Herhangi bir maddenin atomunun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur. ( Yaygın isim protonlar ve nötronlar - nükleonlar.) Proton sayısı çekirdeğin yüküne eşittir ve periyodik tablodaki elementin sayısı ile çakışır. Proton ve nötron sayıları toplamı kütle numarasına eşittir. Örneğin, bir oksijen atomunun çekirdeği 8 proton ve 16 - 8 = 8 nötrondan oluşur. Bir atomun çekirdeği 92 proton ve 235 - 92 = 143 nötrondan oluşur.

Proton ve nötronları çekirdekte tutan kuvvetlere denir. nükleer kuvvetler. Bu en güçlü etkileşim türüdür.

Çekirdeklerin kütlelerini nükleonların kütleleriyle karşılaştırırsak, ağır elementlerin çekirdeğinin kütlesinin, çekirdekteki proton ve nötron kütlelerinin toplamından daha büyük olduğu ve hafif elementler için çekirdeğin kütlesinin daha büyük olduğu ortaya çıkar. çekirdekteki proton ve nötron kütlelerinin toplamından küçüktür. Bu nedenle, çekirdeğin kütlesi ile proton ve nötron kütlelerinin toplamı arasında kütle kusuru adı verilen bir kütle farkı vardır. M = Mn - (Mp + Mn).

Kütle ve enerji arasında bir bağlantı olduğu için, ağır çekirdeklerin fisyonunda ve hafif çekirdeklerin sentezi sırasında, kütle kusuru nedeniyle var olan enerjinin salınması gerekir ve bu enerjiye atom çekirdeğinin bağlanma enerjisi denir.

Bu enerji nükleer reaksiyonlar sırasında serbest bırakılabilir. Bir nükleer reaksiyon, çekirdek diğer çekirdeklerle veya temel parçacıklarla etkileşime girdiğinde meydana gelen, çekirdeğin yükünü ve kütlesini değiştirme işlemidir. Nükleer reaksiyonlar sırasında korunum yasaları yerine getirilir elektrik ücretleri ve kütle numaraları: Bir nükleer reaksiyona giren çekirdek ve parçacıkların yüklerinin (kütle numaraları) toplamı, reaksiyonun nihai ürünlerinin (çekirdekler ve parçacıklar) yüklerinin (kütle numaraları) toplamına eşittir.

Fisyon zincir reaksiyonu, reaksiyona neden olan parçacıkların bu reaksiyonun ürünleri olarak oluştuğu bir nükleer reaksiyondur. Uranyum izotopu 235 U, bir nükleer zincir reaksiyonu gerçekleştirme yeteneğine sahiptir.Belirli kritik parametrelerin varlığında (kritik kütle - 50 kg, 9 cm yarıçaplı küresel şekil), ilk çekirdeğin fisyonunda serbest bırakılan üç nötron üç komşu çekirdeğe düşmek, vb. Süreç, formda bir saniyenin bir bölümünde ilerleyen bir zincirleme reaksiyon şeklinde ilerler. nükleer patlama. Kontrolsüz nükleer reaksiyon kullanılır atom bombaları. Fizikçi Enrico Fermi ilk kez nükleer fisyonun zincirleme reaksiyonunu kontrol etme problemini çözdü. icat ettiler nükleer reaktör 1942 yılında ülkemizde reaktör 1946 yılında IV Kurchatov önderliğinde başlatılmıştır.

Termonükleer reaksiyonlar, aşağıdaki durumlarda meydana gelen hafif çekirdeklerin füzyon reaksiyonlarıdır. Yüksek sıcaklık(yaklaşık 107 K ve üzeri). Protonlardan helyum çekirdeklerinin sentezi için gerekli koşullar yıldızların iç kısımlarında bulunur. Dünyada, bu reaksiyonu kontrol etmek için uluslararası araştırmalar devam etmesine rağmen, yalnızca deneysel patlamalarda bir termonükleer reaksiyon gerçekleştirildi.

BT umut verici yönler nükleer enerji. Çünkü bu enerji barışçıl amaçlar için kullanılabilir. Nükleer santraller buna bir örnektir. donanma gemileri, nükleer tesislerle çalışan buz kırıcılar.

24/2. "Kinematik" konulu deneysel görev: topun eğimli oluk boyunca hareket süresinin oluğun açısına bağımlılığını kontrol etmek (2-3 deney).

Elinizde bir paraşüt, bir cetvel, bir top, bir kronometre ve bir metal silindir var.

Oluğun bir ucunu masa yüzeyinden küçük bir H (1-2 cm) yükseklikte monte edin ve oluğun ucuna bir silindir yerleştirin. Oluğun tepesinden hareketsiz halde fırlatılan topun silindire ulaşması için geçen süreyi ölçün. Oluğun tepesinin yüksekliğini 2H'ye eşitleyin ve topun hareket süresini tekrar ölçün.

Deneylerin sonuçları, oluğun üst noktasının yüksekliği iki katına çıkarıldığında topun hareket süresinin 2 kat azaldığı varsayımını doğruluyor mu?

25/1. Radyoaktivite. Radyoaktif emisyon türleri ve kayıt yöntemleri. İyonlaştırıcı radyasyonun canlı organizmalar üzerindeki etkisi.

1896'da Becquerel, uranyum tuzlarının kendiliğinden, dış etkiler, bir çeşit radyasyon yarat. X ışınları gibi, bu radyasyon havayı iyonize etti ve elektroskopu boşalttı. Maria Sklodowska-Curie ve Pierre Curie tarafından yürütülen daha ileri çalışmalar, THORium'un radyasyonunun ve keşfettikleri yeni elementlerin - RADIUM ve POLONIA - aynı özelliklere sahip olduğunu gösterdi. Spontan radyasyon fenomenine RADYOAKTİVİTE denir.

Klasik kompozisyon belirleme deneyi

radyoaktif radyasyon Rutherford tarafından sağlandı. Dar bir kurşun kanalın dibine radyoaktif bir preparat yerleştirdi ve delikten çıkan ince bir ışın demetini manyetik bir alandan geçirdi. Işınların yolunda bulunan bir fotoğraf plakasının geliştirilmesi sırasında, ışınların çarptığı yerler olan üç parlak nokta bulundu.

Böylece radyoaktif radyasyonun manyetik alanda farklı davranan üç bölümden oluştuğu bulundu. Radyasyonun negatif bileşeni (beta ışınları) en güçlü şekilde saptı, pozitif bileşen daha az sapma yaşadı (alfa ışınları) ve ışınların üçte biri (gama ışınları) hiç sapma göstermedi.

Araştırmalar, bu radyasyonların doğasını açıklamayı mümkün kıldı.

ALFA IŞINLARI, yaklaşık 15.000-30.000 km/s hızla uçan helyum atomlarının çekirdekleridir. Onlarda var pozitif yük ve reddedildi manyetik alan sola (şekle göre). Parçacıkların büyük kütlesi nedeniyle, sapma küçüktür. Alfa parçacıklarının nüfuz etme gücü düşüktür. Bir yaprak kağıt onları geciktirir.

BETA IŞINLARI, ışık hızına yakın bir hızda uçan elektronlardır. Sağa doğru manyetik alan tarafından saptırılırlar (şekle göre). Küçük kütle nedeniyle, beta ışınlarının sapması, alfa parçacıklarınınkinden birçok kat daha fazladır. Beta ışınları daha yüksek nüfuz gücüne sahiptir. Onları durdurmak için yola alüminyum bir levha yerleştirmeniz gerekiyor.

GAMA IŞINLARI, çok küçük dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgalardır. röntgen). Manyetik ve elektrik alanları reddedilmezler. Gama ışınları, X ışınlarına benzer özelliklere sahiptir. Büyük nüfuz gücüne sahiptirler. 1 cm kalınlığında bir kurşun levha bile onları tamamen durdurmaz. Gama ışınlarının yayılma hızı, diğer elektromanyetik dalgalarınkiyle aynıdır - 300.000 km / s.

İyonlaştırıcı radyasyon, bir Geiger sayacı, bulut odası, kabarcık odası ve fotoemülsiyon yöntemi kullanılarak kaydedilir. Geiger sayacı, elektronları ve yüksek enerjili gama ışınlarını kaydetmenizi sağlar. Düşük nüfuz gücü nedeniyle alfa parçacıkları sayacın içine girmez. 1912'de, yalnızca parçacıkları kaydetmeyi değil, aynı zamanda yörüngelerini (izleri) gözlemlemeyi de mümkün kılan bir bulut odası icat edildi. Kamerayı manyetik bir alana yerleştirerek parçacıkların yük-kütle oranını ölçmek ve onları tanımak mümkün oldu.

Radyoaktif radyasyonun canlı organizmalar üzerinde zararlı bir etkisi vardır. Düşük radyasyon gücünde bile radyasyon hastalığı ve ölüm meydana gelebilir. Radyasyonun etkisi, iyonlaştırıcı radyasyonun emilen enerjisinin (E) ışınlanan maddenin kütlesine (M) oranına eşit olan SORGULANMIŞ RADYASYON DOZ D ile karakterize edilir:

SI'de, soğurulan radyasyon dozu GREYAH (1 Gy) olarak ifade edilir. 1 Gy, 1 J iyonlaştırıcı radyasyon enerjisinin 1 kg kütleli ışınlanmış bir maddeye aktarıldığı soğurulan radyasyon dozuna eşittir. Kısa sürede alınan 3-10 Gy öldürücüdür. Uygulamada, sıklıkla başka bir birim kullanılır - RENTGEN (1 R). 1R yaklaşık olarak 0,01 Gy'ye eşittir.