atom çekirdeği
Atom çekirdeği

atom çekirdeği - neredeyse tüm kütlesinin ve tüm pozitiflerin bulunduğu atomun merkezi ve çok kompakt kısmı elektrik şarjı. Coulomb kuvvetleri tarafından kendisine yakın tutulan çekirdek, elektronları telafi edecek miktarda elektronlar. pozitif yük, nötr bir atom oluşturur. Çekirdeklerin çoğu, küresele yakın bir şekle ve ≈ 10 -12 cm çapa sahiptir; bu, bir atomun çapından (10 -8 cm) dört büyüklük mertebesi daha küçüktür. Çekirdekteki maddenin yoğunluğu yaklaşık 230 milyon ton/cm3'tür.
Atom çekirdeği, E. Rutherford başkanlığında Cambridge'de (İngiltere) gerçekleştirilen alfa parçacıklarının ince altın ve platin folyolar tarafından saçılması üzerine bir dizi deney sonucunda 1911'de keşfedildi. 1932'de J. Chadwick tarafından nötronun keşfinden sonra, çekirdeğin proton ve nötronlardan oluştuğu anlaşıldı.
(V. Heisenberg, D.D. Ivanenko, E. Majorana).
Atom çekirdeğini belirtmek için, çekirdeği içeren atomun kimyasal elementinin sembolü kullanılır ve bu sembolün sol üst indeksi nükleon sayısını gösterir ( kütle Numarası) belirli bir çekirdekte ve sol alt indeks, içindeki proton sayısıdır. Örneğin, 28'i proton olan 58 nükleon içeren bir nikel çekirdeği belirtilir. Aynı çekirdek 58 Ni veya nikel-58 olarak da adlandırılabilir.

Çekirdek, 10 9-10 10 cm/sn hızında hareket eden ve güçlü ve kısa menzilli nükleer karşılıklı çekim kuvvetleri tarafından tutulan yoğun bir şekilde paketlenmiş proton ve nötronlardan oluşan bir sistemdir (etki alanları ≈ mesafelerle sınırlıdır). 10 -13 cm). Protonlar ve nötronlar yaklaşık 10-13 cm boyutlarındadır ve nükleon adı verilen tek bir parçacığın iki farklı durumu olarak kabul edilir. Çekirdeğin yarıçapı yaklaşık olarak R ≈ (1.0-1.1)·10 -13 A 1/3 cm formülüyle tahmin edilebilir, burada A çekirdekteki nükleonların sayısıdır (toplam proton ve nötron sayısı). Şek. Şekil 1, 28 proton ve 30 nötrondan oluşan nikel çekirdeğinin içindeki maddenin yoğunluğunun, merkeze olan r mesafesine (10-13 cm) bağlı olarak nasıl değiştiğini (10 14 g/cm3 birimlerinde) göstermektedir. çekirdek.
Nükleer etkileşim (çekirdekteki nükleonlar arasındaki etkileşim), nükleonların mezonları değiştirmesi nedeniyle oluşur. Bu etkileşim, nükleonları ve mezonları oluşturan kuarklar arasındaki daha temel güçlü etkileşimin bir tezahürüdür (benzer şekilde, moleküllerdeki kimyasal bağ kuvvetleri, daha temel elektromanyetik kuvvetlerin bir tezahürüdür).
Çekirdeklerin dünyası çok çeşitlidir. Proton sayısında veya nötron sayısında veya her ikisinde de birbirinden farklı yaklaşık 3000 çekirdek bilinmektedir. Çoğu yapay olarak elde edilir.
Yalnızca 264 çekirdek kararlıdır, yani. zamanla, bozunma adı verilen herhangi bir kendiliğinden dönüşüm yaşamayın. Geri kalanlar çeşitli bozunma biçimleri yaşar - alfa bozunması (bir alfa parçacığının emisyonu, yani bir helyum atomunun çekirdeği); beta bozunumu (bir elektron ve bir antinötrino veya bir pozitron ve bir nötrino'nun eşzamanlı emisyonu ve ayrıca bir atomik elektronun bir nötrino emisyonu ile absorpsiyonu); gama bozunması (foton emisyonu) ve diğerleri.
Farklı çekirdek türleri genellikle nüklidler olarak adlandırılır. Proton sayıları aynı, nötron sayıları farklı olan nüklidlere izotop denir. Aynı sayıda nükleon içeren ancak farklı proton ve nötron oranlarına sahip nüklitlere izobar denir. Hafif çekirdekler yaklaşık olarak eşit sayıda proton ve nötron içerir. Ağır çekirdeklerde nötron sayısı, proton sayısının yaklaşık 1.5 katıdır. En hafif çekirdek, bir protondan oluşan hidrojen atomunun çekirdeğidir. Bilinen en ağır çekirdekler (yapay olarak elde edilirler) ≈290 nükleon sayısına sahiptir. Bunlardan 116-118'i protondur.
Proton Z ve nötron sayısının farklı kombinasyonları, farklı atom çekirdeklerine karşılık gelir. Atom çekirdekleri (yani ömürleri t > 10 -23 s), Z ve N sayılarında oldukça dar bir değişiklik aralığında bulunur. Bu durumda, tüm atom çekirdekleri iki büyük gruba ayrılır - kararlı ve radyoaktif (kararsız). Denklemde verilen kararlılık çizgisine yakın kararlı çekirdek kümesi

Şek. Şekil 2, atom çekirdeğinin bir NZ diyagramını göstermektedir. Siyah noktalar kararlı çekirdekleri gösterir. Kararlı çekirdeklerin bulunduğu alana genellikle kararlılık vadisi denir. Kararlı çekirdeklerin sol tarafında protonlarla aşırı yüklenmiş çekirdekler (proton bakımından zengin çekirdekler), sağda nötronlarla aşırı yüklenmiş çekirdekler (nötron açısından zengin çekirdekler). Şu anda keşfedilen atom çekirdekleri renkli olarak vurgulanır. Yaklaşık 3.5 bin tane var. Toplamda 7 - 7.5 bin olması gerektiğine inanılıyor. Protonca zengin çekirdekler (kızıl renk) radyoaktiftir ve esas olarak β + bozunmaları sonucunda kararlı olanlara dönüşür, çekirdeğin bir parçası olan proton bir nötrona dönüşür. Nötronca zengin çekirdekler (mavi renkli) de radyoaktiftir ve çekirdek nötronunun protona dönüşmesiyle - - bozunmaları sonucunda kararlı hale gelir.
En ağır kararlı izotoplar kurşun (Z = 82) ve bizmut (Z = 83) izotoplarıdır. Ağır çekirdekler, β + ve β - bozunma süreçleriyle birlikte α bozunmasına da maruz kalır ( Sarı) ve ana bozunma kanalları haline gelen kendiliğinden fisyon. Şek. 2 atom çekirdeğinin olası varlığının bölgesini özetlemektedir. B p = 0 çizgisi (B p, proton ayırma enerjisidir), soldaki atom çekirdeğinin bulunduğu bölgeyi (proton damlama çizgisi) sınırlar. B n = 0 çizgisi (B n, nötron ayırma enerjisidir) sağdadır (nötron damlama hattı). Bu sınırların dışında atom çekirdekleri bir karakteristikte bozundukları için var olamazlar. nükleer zaman(~10 -23 – 10 -22 s) nükleon emisyonlu.
İki hafif çekirdeğin birleştirilmesi (sentezlenmesi) ve ağır bir çekirdeğin iki hafif parçaya bölünmesi sırasında çok fazla enerji açığa çıkar. Enerji elde etmenin bu iki yöntemi, bilinenlerin en verimlisidir. Yani 1 gram nükleer yakıt, 10 ton kimyasal yakıta eşdeğerdir. Çekirdeklerin füzyonu (termonükleer reaksiyonlar) yıldızlar için enerji kaynağıdır. Kontrolsüz (patlayıcı) füzyon, bir termonükleer (veya "hidrojen") bomba patlatıldığında gerçekleştirilir. Kontrollü (yavaş) sentez, geliştirilmekte olan umut verici bir enerji kaynağının altında yatar - bir termonükleer reaktör.
Bir atom bombasının patlaması sırasında kontrolsüz (patlayıcı) fisyon meydana gelir. Kontrollü fisyon, nükleer santrallerde enerji kaynağı olan nükleer reaktörlerde gerçekleştirilir.
Atom çekirdeğinin teorik tanımı için kuantum mekaniği ve çeşitli modeller kullanılır.
Çekirdek hem gaz (kuantum gazı) hem de sıvı (kuantum sıvısı) gibi davranabilir. Soğuk nükleer sıvı, süperakışkanlık özelliklerine sahiptir. Güçlü bir şekilde ısıtılan bir çekirdekte, nükleonlar kendilerini oluşturan kuarklara bozunurlar. Bu kuarklar gluonları değiştirerek etkileşirler. Böyle bir bozunmanın bir sonucu olarak, çekirdeğin içindeki nükleon seti, maddenin yeni bir durumuna dönüşür - kuark-gluon plazması

Bir atomun çekirdeğinin bileşimi

1932'de bilim adamları tarafından proton ve nötronun keşfinden sonra D.D. Ivanenko (SSCB) ve W. Heisenberg (Almanya) önerdi proton-nötronmodelatom çekirdeği.
Bu modele göre çekirdek, protonlar ve nötronlar. Toplam nükleon sayısı (yani protonlar ve nötronlar) denir. kütle Numarası A: A = Z + N . Kimyasal elementlerin çekirdekleri şu sembolle gösterilir:
X elementin kimyasal sembolüdür.

Örneğin, hidrojen

Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. Atom çekirdeğini oluşturan proton sayısı simgesiyle gösterilir. Z ve Çağrı yap Görev numarası (bu, Mendeleev'in periyodik tablosundaki seri numarasıdır). nükleer yük Z , nerede e – temel ücret. Nötron sayısı sembolü ile gösterilir. N .

nükleer kuvvetler

Atom çekirdeğinin kararlı olması için, protonlar ve nötronlar, çekirdeklerin içinde, Coulomb'un protonların itici kuvvetlerinden kat kat daha büyük olan devasa kuvvetler tarafından tutulmalıdır. Nükleonları çekirdekte tutan kuvvetlere denir. nükleer . Bunlar, fizikte bilinen tüm etkileşim türlerinin en yoğununun bir tezahürüdür - sözde güçlü etkileşim. Nükleer kuvvetler, elektrostatik kuvvetlerden yaklaşık 100 kat daha büyüktür ve nükleonların yerçekimi etkileşiminin kuvvetlerinden onlarca kat daha büyüktür.

Nükleer kuvvetler aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• çekici güçlere sahip olmak
• kuvvetler kısa mesafe(nükleonlar arasında küçük mesafelerde görünür);
• nükleer kuvvetler, parçacıklar üzerinde bir elektrik yükünün varlığına veya yokluğuna bağlı değildir.

Bir Atomun Çekirdeğinin Kütle Hatası ve Bağlanma Enerjisi

En önemli rolü nükleer Fizik oyun konsepti nükleer bağlanma enerjisi .

Çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeğin tek tek parçacıklara tamamen bölünmesi için harcanması gereken minimum enerjiye eşittir. Enerjinin korunumu yasasından, bağlanma enerjisinin, tek tek parçacıklardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında salınan enerjiye eşit olduğu sonucu çıkar.

Herhangi bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, kütlesini doğru bir şekilde ölçerek belirlenebilir. Şu anda fizikçiler parçacıkların - elektronlar, protonlar, nötronlar, çekirdekler vb. - kütlelerini çok yüksek doğrulukla ölçmeyi öğrendiler. Bu ölçümler gösteriyor ki herhangi bir çekirdeğin kütlesi M i her zaman kendisini oluşturan proton ve nötronların kütlelerinin toplamından küçüktür.:

kütle farkı denir kütle kusuru. Einstein formülünü kullanarak kütle kusuruna dayanarak E = mc 2 belirli bir çekirdeğin oluşumu sırasında salınan enerjiyi, yani çekirdeğin bağlanma enerjisini belirlemek mümkündür. E St:

Bu enerji, çekirdeğin oluşumu sırasında γ-kuanta radyasyonu şeklinde salınır.

Nükleer enerji

Ülkemizde, dünyanın ilk nükleer santrali 1954'te Obninsk şehrinde SSCB'de inşa edildi ve piyasaya sürüldü. Güçlü nükleer santrallerin inşası geliştirilmektedir. Şu anda Rusya'da faaliyette olan 10 nükleer santral var. kazadan sonra Çernobil nükleer santrali nükleer reaktörlerin güvenliğini sağlamak için ek önlemler alınmıştır.

NPP avantajları:

• kullanılan az miktarda yakıt nedeniyle yakıt kaynaklarından pratik bağımsızlık;
• uygun çalışma ile çevre dostu.

sorunlar nükleer güç:

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: 12C, kütle numarası 12 olan bir karbon izotopudur.

Bir atom çekirdeğinin boyutu, kütle numaralarına bağlıdır. Çekirdeğin hacmi A ile orantılıdır ve doğrusal boyutu A1/3 ile orantılıdır. Etkili yarıçap Rçekirdek eşitlikle tanımlanır: R = aa 1/3, burada sabit aölçüldüğü 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 ayrı parçacıklara “dağılmaz”, çünkü nükleer kuvvetler çekirdeğin içindeki protonlar ve nötronlar arasında hareket eder - elektrostatik olanlardan çok daha büyük olan 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:

1. Nükleer kuvvetler elektrik kuvvetleri, çünkü sadece protonlar arasında değil, aynı zamanda nükleer etkileri açıklamak için çok küçük olan yerçekimi değil, yüksüz nötronlar arasında da hareket ederler.

2. Nükleer kuvvetlerin kapsamı ihmal edilebilir düzeydedir. Eylemlerinin yarıçapı 10-13 cm'dir. Parçacıklar arasındaki büyük mesafelerde nükleer etkileşim kendini göstermez.

3. 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.

4. 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.

5. Nükleer kuvvetlerin en önemli özelliği, yüklerinden bağımsız olmalarıdır, yani üç tip nükleer etkileşimin özdeşliğidir: iki proton arasında, bir proton ile bir nötron arasında ve iki nötron arasında.

6. 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.

http://pandia.ru/text/77/503/images/image003_73.gif" width="163" height="38">
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 aralığı 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 enerjik olarak uygun olduğunda, yani enerji salınımının eşlik ettiği durumlarda mümkündür. 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-parçacıkları akışını temsil ettiğini göstermiştir - helyum çekirdekleri DIV_ADBLOCK320">

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 XA = 2He4 + 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 bozunması. 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, serbest nötronlarla da gerçekleşebilir..gif" alt="(!LANG:http:///courses/op25part2/content/javagifs/-9.gif)" width="12" height="48"> + .!}

β-elektronlar çok çeşitli değerlerde farklı hızlara sahip olabilir.

β-bozunması sırasında, kütle numarası A değişmeden kalırken, yük sayısı Z bir artar.

z XA \u003d -1 e0 + 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-bozunması ile birlikte, bir pozitron ve bir nötrino'nun çekirdekten dışarı uçtuğu sözde pozitron β+-bozunması keşfedildi.

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 bozulması. 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 belirli bir t zamanında bozulmayan çekirdeklerin N (t) sayısındaki azalma yasası 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.

burada N0, 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. Atmosferde kararsız bir karbon izotopu oluşur. nükleer reaksiyonlar kozmik ışınlardan kaynaklanır. 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'ta keşfedildi ve.

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 parçacığa nötrino (küçük nötron) adı verildi. 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, elektron antinötrino adı verilen bir parçacık oluşur. 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.

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

Ayrı olarak, γ-fotonlar üzerindeki reaksiyonlar ayırt edilebilir (nükleer fotoelektrik etki)

Ek okuma için

Nükleer reaksiyonlar aşağıdaki gibi gösterilir

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

Reaksiyonun ilk adımı denir giriş kanalı . İkinci adımdaki reaksiyon için çeşitli olası yollar denir. çıkış kanalları.

Son durumda iki parçacık oluşursa

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

p + 14N 14N* + p

p + 14N 14O + n

p + 14N 13N + p + n

p + 14N 8p + 7n

Bir protonun bir 14N çekirdek ile etkileşiminin yukarıdaki örneğinde, aşağıdaki reaksiyon 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.
(c) tipi tepkiler, http://pandia.ru/text/77/503/images/image038_7.gif" alt="(!LANG:beta)" width="10" height="20 src=">+-радиоактивными. !}
(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 ayrıca giriş kanalındaki parçacıkların türüne göre de sınıflandırılır..gif" alt="(!LANG:arrow)" width="21" height="17 src="> 16F + n!}
+ 14N http://pandia.ru/text/77/503/images/image031_9.gif" alt="(!LANG:gamma)" height="20 src=">!}

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

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

Uranyum çekirdeklerinin fisyonu, 1938'de Alman bilim adamları O. Hahn ve F. Strassmann tarafından keşfedildi. Uranyum çekirdeklerini nötronlarla bombalarken, periyodik sistemin orta kısmının unsurlarının oluştuğunu belirlemeyi başardılar: baryum, kripton, vb. Avusturyalı fizikçi L. Meitner ve İngiliz fizikçi O. Frisch bu gerçeğin doğru yorumunu verdi. . Bu elementlerin görünümünü, bir nötronu yakalayan uranyum çekirdeklerinin yaklaşık olarak iki eşit parçaya bozunmasıyla açıkladılar. Bu fenomene nükleer fisyon denir ve ortaya çıkan çekirdeklere fisyon fragmanları denir.

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.

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

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:

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

http://pandia.ru/text/77/503/images/image044_7.gif" alt="(!LANG:LaTeX: ~^(238)_(92)U" width="40" height="24"> (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах с !} kinetik enerji 0,5 aralığında ev - 1 Mev., çekirdekler sadece 1 MeV'den daha yüksek bir enerjiye sahip hızlı nötronlarla bir fisyon reaksiyonuna girerken, 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 nispeten kararlıdır, yarılanma ömrü 24000 yıldır (α-bozunmasının bir sonucu olarak, ..gif" alt="(!LANG:LaTeX: ~^(239)_(94)Np)" width="48" height="24"> может быть осуществлена цепная реакция.!}

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, bir saf uranyum topu için kritik kütle" href="/text/category/kriticheskaya_massa/" rel="bookmark"> kritik kütle 47 kg'dır (17 cm çapında bir top). Kritik kütle Sözde nötron moderatörlerini kullanırsanız, uranyum miktarı birçok kez azaltılabilir. Gerçek şu ki, uranyum çekirdeklerinin bozunması sırasında üretilen nötronlar çok yüksek hızlara sahiptir ve uranyum-235 çekirdeği tarafından yavaş nötronların yakalanma olasılığı yüzlercedir. hızlı nötronlardan kat kat daha büyüktür En iyi nötron moderatörü ağır sudur D2O (döteryum ve Oksijen) Normal su, nötronlarla etkileşime girdiğinde kendisi 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< 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

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 bir çığ gibi büyür ve büyük bir enerji salınımı ve sıcaklıkta bir artış ile birlikte bir patlama karakterine sahiptir. çevre birkaç milyon dereceye kadar. Bir patlama olduğunda bu tür bir zincirleme reaksiyon meydana gelir. atom bombası.

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 aynı zamanda nükleer bozunma reaksiyonunun kontrol edilmesinin nispeten kolay olması gerçeğinde yatmaktadır, bu bir termonükleer reaksiyon hakkında söylenemez, bu nedenle askeri önemine ek olarak, aynı zamanda barışçıl bir nükleer santrale de sahiptir.

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 U235'in bozunması sırasında, iki veya üç nötronun salınmasıyla birlikte ısı açığa çıkar. İstatistiklere göre - 2.5. Bu nötronlar diğer U235 uranyum atomlarıyla çarpışır. Çarpışma üzerine, uranyum U235, hemen hemen Kr92 ve Ba141 + bu aynı 2-3 nötrona bozunan kararsız bir U236 izotopuna dönüşür. Çürümeye gama radyasyonu ve ısı şeklinde enerji salınımı eşlik eder.

Buna zincirleme reaksiyon denir. Atomlar bölünür, bozunma sayısı katlanarak artar, bu da nihayetinde standartlarımıza göre şimşek hızında bir enerji salınımına yol açar - kontrolsüz bir zincirleme reaksiyonun bir sonucu olarak bir atomik patlama meydana gelir.

Nükleer reaktörler hızlı ve yavaş nötronlarda:

1. Hızlı nötron reaktörü - nükleer zincir reaksiyonunu sürdürmek için > 105 eV enerjiye sahip nötronları kullanan bir nükleer reaktör. Reaktörler, 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.

2. Yavaş (termal) nötronlardaki reaktör - enerji spektrumunun termal kısmının nötronlarını kullanan bir nükleer reaktör - nükleer zincir reaksiyonunu sürdürmek için “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, bölünebilir izotop 235U'nun yalnızca %0,7'sinin bulunduğu doğal uranyum kullanılarak kendi kendini sürdüren bir reaksiyon, hızlı nötronlarda (fisyon spektrumu) mümkün değildir 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)

http://pandia.ru/text/77/503/images/image055_6.gif" width="39" height="25"> 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:

Hızlı nötronlarda moderatör olmadan çalışan reaktörler yapılmıştır.

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

Kütle numarası yaklaşık 60 olan çekirdeğe kadar, nükleonların özgül bağlanma enerjisi, artan artışla artar. A. Bu nedenle, herhangi bir çekirdeğin sentezi A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Hafif çekirdeklerin füzyon reaksiyonlarına denir. termonükleer reaksiyonlarçünkü sızabilirler sadece çok yüksek sıcaklıklarda. İki çekirdeğin bir füzyon reaksiyonuna girebilmesi için, pozitif yüklerinin elektriksel itme kuvvetinin üstesinden gelerek, 2 10-15 m mertebesinde nükleer kuvvetlerin etki mesafesinde yaklaşmaları gerekir. Bunun için moleküllerin termal hareketinin ortalama kinetik enerjisi, potansiyel enerji Coulomb etkileşimi. Bunun için gerekli sıcaklığın hesaplanması T 108–109 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 oynar. 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 2H + 3H = 4He + 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:

http://pandia.ru/text/77/503/images/image059_6.gif" alt="(!LANG:Yuvarlak dikdörtgen: Döteryum-trityum reaksiyonunun şeması" width="248" height="93">!}

2) Tepkime döteryum + helyum-3

Mümkün olanın sınırında, döteryum + helyum-3 reaksiyonunu gerçekleştirmek çok daha zordur.

18.4 MeV enerji çıkışında 2H + 3He = 4He + 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-3He reaksiyonu, 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:

Kontrollü termonükleer füzyon, iki koşulun aynı anda yerine getirilmesi altında mümkündür:

§ Çekirdeklerin çarpışma hızı, plazmanın sıcaklığına karşılık gelir:

T> 108 K (D-T reaksiyonu için).

§ Lawson kriterine uygunluk:

nτ > 1014 cm−3 s (D-T reaksiyonu için),

nerede 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 kütleye sahip başka bir temel parçacığın ikiz parçacığıgeri, ancak bazı etkileşim özelliklerinin belirtilerinde ondan farklıdır.

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 νe, müon nötrino νμ ve taon nötrino ντ. 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 dönüşlü parçacıklar (örneğin, foton, gluon, mezonlar)

fermiyonlar - yarım tamsayılı bir dönüşe sahip 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.

Temel (yapısız) parçacıklar

· leptonlar- 10−18 m mertebesine kadar nokta parçacık formuna sahip olan fermiyonlar, güçlü etkileşimlere katılmazlar. Elektromanyetik etkileşimlere katılım deneysel olarak yalnızca yüklü leptonlar (elektronlar, müonlar, tau-leptonlar) için gözlendi ve nötrinolar için gözlenmedi. Bilinen 6 çeşit lepton vardır.

· kuarklar- hadronların parçası olan kesirli yüklü parçacıklar. Serbest halde gözlemlenmediler (bu tür gözlemlerin yokluğunu açıklamak için hapsetme mekanizması önerildi). Leptonlar gibi 6 türe ayrılırlar ve yapısız olarak kabul edilirler, ancak leptonlardan farklı olarak güçlü etkileşime katılırlar.

· ayar bozonları- etkileşimlerin gerçekleştirildiği değişim yoluyla parçacıklar:

Ö foton- elektromanyetik etkileşim taşıyan bir parçacık;

o sekiz gluon ov - güçlü etkileşim taşıyan parçacıklar;

o üç ara vektör bozonu zayıf etkileşimi taşıyan W+, W− ve Z0;

Ö graviton- yerçekimi etkileşimi taşıyan varsayımsal bir parçacık. Yerçekimi etkileşiminin zayıflığı nedeniyle henüz deneysel olarak kanıtlanmamış olmasına rağmen, gravitonların varlığı oldukça olası kabul edilir; ancak graviton, temel parçacıkların Standart Modeline dahil değildir.

Hadronlar ve leptonlar maddeyi oluşturur. Ayar bozonları kuantumdur farklı şekiller etkileşimler.

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 elektron için, a-parçacığı ve sözde H-parçacığı için - hidrojen atomunun çekirdeği, yapay radyoaktivite ve nükleer reaksiyonların keşfi, 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.

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. M mikroskobu kullanılarak, ağır yüklü parçacıkların ekrana çarptığı noktalarda sintilasyonları (yani ışık parlamalarını) gözlemlemek mümkün oldu. Hazneyi nitrojenle doldururken alçak basınç Ekranda, α-parçacıklarının akışını neredeyse tamamen bloke eden F folyoya nüfuz edebilen bazı parçacıkların akışının görünümünü gösteren ışık flaşları 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, temel yüke tam olarak eşittir. e\u003d 1.60217733 10 -19 C, yani mutlak değerde 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.

proton kütlesi , modern ölçümlere göre, eşittir m p = 1.67262∙10 -27 kg. Nükleer fizikte, bir parçacığın kütlesi genellikle, kütle numarası 12 olan bir karbon atomunun kütlesine eşit olan atomik kütle birimleri (a.m.u.) olarak ifade edilir:

Sonuç olarak, mp= 1.007276 a. e. m Birçok durumda, bir parçacığın kütlesini formüle uygun olarak eşdeğer enerji değerlerinde ifade etmek uygundur. E = mc 2. 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 gösterildi. 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. 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 bir kuantum mekanik hesaplama, çekirdekte, yani bir büyüklük bölgesinde lokalize bir elektronun olduğunu gösterir. R≈ 10-13 cm, parçacık başına çekirdeklerin bağlanma enerjisinden çok daha büyük olan devasa bir kinetik enerjiye sahip olmalıdır. Bununla birlikte, ağır bir nötr parçacığın varlığı fikri Rutherford'a o kadar çekici geldi ki, James Chadwick liderliğindeki bir grup öğrencisini hemen onu 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 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.

Berilyum, radyoaktif polonyum tarafından yayılan α-parçacıkları ile bombalandığında, 10-20 cm kalınlığında bir kurşun tabakası gibi bir engelin üstesinden gelebilecek güçlü nüfuz edici radyasyon ortaya çıkar.Bu radyasyon, eşler Irene ve Frederic Joliot tarafından Chadwick ile neredeyse aynı anda gözlemlendi. Curie (Irene, Mary ve 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 buldular. 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. 6.5.2 tasvir edildi gayger sayacı , yüklü parçacıkları algılamak için tasarlanmıştır. 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, sözde bulut odası , hızlı yüklü bir parçacığın bir iz (iz) bıraktığı yer. 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, 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 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 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. 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 W. Heisenberg hakkında bir hipotez öne sürdüler. proton-nötron Atom çekirdeğinin yapısı, sonraki çalışmalarla tam olarak doğrulandı. Protonlar ve nötronlar denir nükleonlar .

Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. Atom çekirdeğini oluşturan proton sayısı simgesiyle 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 nükleon sayısı (yani protonlar ve nötronlar) denir. kütle Numarası A:

Kimyasal elementlerin çekirdekleri sembolü ile gösterilir, burada X elementin kimyasal sembolüdür. Örneğin,

Hidrojen, - helyum, - karbon, - oksijen, - uranyum.

Aynı kimyasal elementin çekirdeği, nötron sayısında farklılık gösterebilir. Bu tür çekirdeklere denir izotoplar . Çoğu kimyasal elementin birkaç izotopu vardır. Örneğin hidrojenin üç tanesi vardır: - sıradan hidrojen, - döteryum ve - trityum. Karbonun 6, oksijenin 3 izotopu vardır.

Kimyasal elementler 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.

Atom çekirdeği bölünebilir mi? Ve eğer öyleyse, hangi parçacıklardan oluşur? Birçok fizikçi bu soruyu cevaplamaya çalıştı.

1909'da İngiliz fizikçi Ernest Rutherford, Alman fizikçi Hans Geiger ve Yeni Zelandalı fizikçi Ernst Marsden ile birlikte, atomun bölünemez bir parçacık olmadığı sonucuna varan ünlü α-parçacıklarının saçılması deneyini gerçekleştirdi. tüm. Pozitif yüklü bir çekirdek ve onun etrafında dönen elektronlardan oluşur. Ayrıca, çekirdeğin boyutu atomun kendi boyutundan yaklaşık 10.000 kat daha küçük olmasına rağmen, atomun kütlesinin %99,9'u burada yoğunlaşmıştır.

Ama bir atomun çekirdeği nedir? İçinde hangi parçacıklar var? Artık herhangi bir elementin çekirdeğinin şunlardan oluştuğunu biliyoruz. protonlar ve nötronlar, yaygın isim Hangi nükleonlar. Ve 20. yüzyılın başında, atomun gezegensel veya nükleer modelinin ortaya çıkmasından sonra, bu birçok bilim insanı için bir gizemdi. Farklı hipotezler ortaya atılmış ve farklı modeller önerilmiştir. Ancak bu sorunun doğru cevabı yine Rutherford tarafından verildi.

protonun keşfi

Rutherford'un deneyimi

Bir hidrojen atomunun çekirdeği, tek elektronunun çıkarıldığı bir hidrojen atomudur.

1913'te hidrojen atomunun çekirdeğinin kütlesi ve yükü hesaplanmıştı. Ek olarak, herhangi bir kimyasal elementin atomunun kütlesinin her zaman bir hidrojen atomunun kütlesine kalansız bölündüğü biliniyordu. Bu gerçek, Rutherford'u hidrojen atomlarının çekirdeklerinin herhangi bir çekirdeğe girdiği fikrine götürdü. Ve 1919'da deneysel olarak kanıtlamayı başardı.

Rutherford deneyinde, bir vakumun yaratıldığı bir odaya bir α-parçacık kaynağı yerleştirdi. Bölme penceresini kaplayan folyonun kalınlığı, a-parçacıklarının kaçamayacağı kadardı. Bölme penceresinin dışında çinko sülfür ile kaplanmış bir ekran vardı.

Oda nitrojen ile dolduğunda, ekranda ışık parlamaları kaydedildi. Bu, α-parçacıklarının etkisi altında, folyoya kolayca nüfuz eden ve α-parçacıkları için geçilmez olan bazı yeni parçacıkların nitrojenden dışarı atıldığı anlamına geliyordu. Bilinmeyen parçacıkların bir elektronun yüküne eşit büyüklükte pozitif bir yüke sahip olduğu ve kütlelerinin bir hidrojen atomunun çekirdeğinin kütlesine eşit olduğu ortaya çıktı. Rutherford bu parçacıkları protonlar.

Ancak çok geçmeden atom çekirdeklerinin yalnızca protonlardan oluşmadığı anlaşıldı. Sonuçta, eğer böyle olsaydı, o zaman bir atomun kütlesi, çekirdekteki protonların kütlelerinin toplamına eşit olurdu ve çekirdeğin yükünün kütleye oranı sabit bir değer olurdu. Aslında bu sadece en basit hidrojen atomu için geçerlidir. Diğer elementlerin atomlarında her şey farklıdır. Örneğin, bir berilyum atomunun çekirdeğinde, proton kütlelerinin toplamı 4 birimdir ve çekirdeğin kütlesi 9 birimdir. Bu, bu çekirdekte kütlesi 5 birim olan ancak yükü olmayan başka parçacıklar olduğu anlamına gelir.

nötronun keşfi

1930'da Alman fizikçi Walter Bothe Bothe ve Hans Becker, bir deney sırasında berilyum atomlarının α-parçacıkları ile bombardıman edilmesiyle üretilen radyasyonun muazzam bir nüfuz gücüne sahip olduğunu keşfettiler. 2 yıl sonra, Rutherford'un öğrencisi İngiliz fizikçi James Chadwick, bu bilinmeyen radyasyonun yoluna yerleştirilen 20 cm kalınlığında bir kurşun levhanın bile onu zayıflatmadığını veya büyütmediğini keşfetti. Elektromanyetik alanın yayılan parçacıklar üzerinde herhangi bir etkisinin olmadığı ortaya çıktı. Bu, hiçbir ücret almadıkları anlamına geliyordu. Böylece çekirdeğin bir parçası olan başka bir parçacık keşfedildi. onu aradılar nötron. Nötronun kütlesinin protonun kütlesine eşit olduğu ortaya çıktı.

Çekirdeğin proton-nötron teorisi

Nötronun deneysel keşfinden sonra, Rus bilim adamı D. D. Ivanenko ve Alman fizikçi W. Heisenberg bağımsız olarak çekirdeğin proton-nötron teorisini önerdi. bilimsel gerekçeçekirdeğin bileşimi. Bu teoriye göre, herhangi bir kimyasal elementin çekirdeği proton ve nötronlardan oluşur. Onların ortak adı nükleonlar.

Çekirdekteki toplam nükleon sayısı harf ile gösterilir. A. Çekirdekteki proton sayısı harfle gösterilirse Z ve harfe göre nötron sayısı N, sonra ifadeyi alırız:

bir=Z+N

Bu denklem denir Ivanenko-Heisenberg denklemi.

Bir atomun çekirdeğinin yükü, içindeki protonların sayısına eşit olduğundan, o zaman Z olarak da adlandırılır Görev numarası. Yük numarası veya atom numarası, Mendeleev'in periyodik element sistemindeki seri numarasıyla çakışır.

Doğada elementler var Kimyasal özellikler tamamen aynıdır, ancak kütle numaraları farklıdır. Bu tür elemanlar denir izotoplar. İzotoplar aynı sayıda protona ve farklı sayıda nötrona sahiptir.

Örneğin hidrojenin üç izotopu vardır. Hepsinin 1'e eşit bir seri numarası vardır ve çekirdekteki nötron sayısı onlar için farklıdır. Yani, hidrojenin en basit izotopu olan protiyumun kütle numarası 1'dir, çekirdekte 1 proton vardır ve tek bir nötron yoktur. En basit kimyasal elementtir.

protiyum

İkinci izotop olan döteryumun kütle numarası 2'dir. Çekirdek bir proton ve bir nötrondan oluşur.

Döteryum

Hidrojenin üçüncü izotopu trityumdur. Çekirdeği 1 proton ve 2 nötron içerir.

trityum

Bazı kimyasal elementlerçekirdekte aynı sayıda nükleon var, ancak farklı sayıda proton ve nötron var. Bu tür elemanlar denir izobarlar.

Çekirdeğin proton-nötron teorisi, elementlerin çekirdeğinin yapısını Mendeleev'in periyodik sisteminin yapısı ile ilişkilendirdi. Doğruluğu daha fazla tarafından onaylandı Bilimsel araştırma nükleer fizik alanında.