Núcleo atómico. Defecto masivo. Energía de enlace de un núcleo atómico.
El núcleo atómico es la parte central del átomo, en la que se concentra toda la carga positiva y casi toda la masa.
Los núcleos de todos los átomos están formados por partículas llamadas nucleones. Los nucleones pueden estar en dos estados: un estado cargado eléctricamente y un estado neutro. Un nucleón en estado cargado se llama protón. El protón (p) es el núcleo del elemento químico más ligero: el hidrógeno. La carga de un protón es igual a la carga elemental positiva, que es igual en magnitud a la carga elemental carga negativa q e = 1,6 ∙ 10 -19 C., es decir carga de electrones. Un nucleón en estado neutro (sin carga) se llama neutrón (n). Las masas de nucleones en ambos estados difieren poco entre sí, es decir metro norte ≈ metro pags .
Los nucleones no son partículas elementales. Tienen una estructura interna compleja y están formados por partículas de materia aún más pequeñas: los quarks.
Las principales características del núcleo atómico son carga, masa, espín y momento magnético.
Depósito determinado por el número de protones (z) incluidos en el núcleo. La carga nuclear (zq) es diferente para diferentes elementos químicos. El número z se llama número atómico o número de carga. El número atómico es el número de serie de un elemento químico en la tabla periódica de elementos de D. Mendeleev. La carga del núcleo también determina el número de electrones en el átomo. El número de electrones en un átomo determina su distribución en capas y subcapas de energía y, en consecuencia, todas características fisicoquímicasátomo. La carga del núcleo determina la especificidad de un elemento químico determinado.
Masa central La masa del núcleo está determinada por el número (A) de nucleones que forman el núcleo. El número de nucleones en un núcleo (A) se llama número másico. El número de neutrones (N) en el núcleo se puede encontrar si el número de protones (z) se resta del número total de nucleones (A), es decir, N=F-z. En la tabla periódica, hasta la mitad, el número de protones y neutrones en los núcleos de los átomos es aproximadamente el mismo, es decir (A-z)/z= 1, hasta el final de la tabla (A-z)/z= 1,6.
Los núcleos de los átomos suelen designarse de la siguiente manera:
X - símbolo de un elemento químico;
Z – número atómico;
A – número de masa.
Al medir las masas de los núcleos de sustancias simples, se descubrió que la mayoría de los elementos químicos están formados por grupos de átomos. Al tener la misma carga, los núcleos de diferentes grupos difieren en masa. Las variedades de átomos de un elemento químico determinado, que difieren en masas nucleares, se denominaron isótopos. Los núcleos isotópicos tienen el mismo número de protones, pero numero diferente neutrones (y ; , , , ; , , ).
Además de los núcleos isotópicos (z - igual, A - diferente), hay núcleos isobaras(z - diferente, A - igual). ( Y ).
Masas de nucleones, núcleos atómicos, átomos, electrones y otras partículas en física nuclear Se acostumbra medir no en “KG”, sino en unidades de masa atómica (uma, también llamada unidad de masa de carbono y denominada “e”). La unidad de masa atómica (1e) se considera 1/12 de la masa de un átomo de carbono 1e=1,6603 ∙ 10 -27 kg.
Masas de nucleones: m p -1,00728 e, m n =1,00867 e.
Vemos que la masa del núcleo expresada en “e” se escribirá como un número cercano a A.
Giro nuclear. El momento angular mecánico (espín) del núcleo es igual a la suma vectorial de los espines de los nucleones que forman el núcleo. El protón y el neutrón tienen un espín igual a L = ± 1/2ћ. De acuerdo con esto, el espín de los núcleos con un número par de nucleones (A es par) es un número entero o cero. El espín de un núcleo con un número impar de nucleones (A impar) es semientero.
Momento magnético del núcleo. El momento magnético del núcleo (P m i) del núcleo en comparación con el momento magnético de los electrones que llenan las capas electrónicas del átomo es muy pequeño. En propiedades magnéticasátomo, el momento magnético del núcleo no afecta. La unidad de medida del momento magnético de los núcleos es el magnetón nuclear μ i = 5.05.38 ∙ 10 -27 J/T. Es 1836 veces menor que el momento magnético del electrón - magnetón de Bohr μ B = 0,927 ∙ 10 -23 J/T.
El momento magnético del protón es 2,793 μi y es paralelo al giro del protón. El momento magnético del neutrón es 1,914 μi y es antiparalelo al espín del neutrón. Los momentos magnéticos de los núcleos son del orden de los de un magnetón nuclear.
Para dividir un núcleo en sus nucleones constituyentes, se debe realizar una cierta cantidad de trabajo. La cantidad de este trabajo es una medida de la energía de enlace del núcleo.
La energía de enlace de un núcleo es numéricamente igual al trabajo que se debe realizar para dividir un núcleo en sus nucleones constituyentes y sin informarles energía cinética.
Durante el proceso inverso de formación nuclear, la misma energía debería liberarse de los nucleones constituyentes. Esto se deriva de la ley de conservación de la energía. Por tanto, la energía de enlace del núcleo es igual a la diferencia entre la energía de los nucleones que forman el núcleo y la energía del núcleo:
ΔE = E nuk – E i. (1)
Teniendo en cuenta la relación entre masa y energía (E = m ∙ c 2) y la composición del núcleo, reescribimos la ecuación (1) de la siguiente manera:
ΔE = ∙ s 2 (2)
Magnitud
Δm = zm p +(A-z)m n – M i, (3)
La diferencia entre las masas de los nucleones que forman el núcleo y la masa del núcleo mismo se llama defecto de masa.
La expresión (2) se puede reescribir como:
ΔE = Δm ∙ s 2 (4)
Aquellos. El defecto de masa es una medida de la energía de enlace del núcleo..
En física nuclear, la masa de nucleones y núcleos se mide en uma. (1 uma = 1,6603 ∙ 10 27 kg), y la energía normalmente se mide en MeV.
Considerando que 1 MeV = 10 6 eV = 1,6021 ∙ 10 -13 J, encontramos el valor de energía correspondiente a la unidad de masa atómica
1.a.e.m. ∙ s 2 = 1,6603 ∙10 -27 ∙9 ∙10 16 = 14,9427 ∙ 10 -11 J = 931,48 MeV
Por tanto, la energía de enlace nuclear en MeV es igual a
ΔE luz = Δm ∙931,48 MeV (5)
Considerando que las tablas no suelen dar la masa de los núcleos, sino la masa de los átomos, para el cálculo práctico del defecto de masa, en lugar de la fórmula (3)
usar otro
Δm = zm Í +(A-z)m n – M a, (6)
Es decir, la masa del protón fue reemplazada por la masa de un átomo de hidrógeno ligero, sumando así z masas de electrones, y la masa del núcleo fue reemplazada por la masa del átomo Ma, restando así estas z masas de electrones.
La energía de enlace por nucleón en el núcleo se llama energía de enlace específica.
(7)
La dependencia de la energía de enlace específica del número de nucleones en el núcleo (del número másico A) se muestra en la Fig. 1.
Para dividir un núcleo en nucleones separados (libres) que no interactúan entre sí, es necesario realizar un trabajo para superar las fuerzas nucleares, es decir, impartir cierta energía al núcleo. Por el contrario, cuando los nucleones libres se combinan formando un núcleo, se libera la misma energía (según la ley de conservación de la energía).
- La energía mínima necesaria para dividir un núcleo en nucleones individuales se llama energía de enlace nuclear.
¿Cómo se puede determinar el valor de la energía de enlace de un núcleo?
La forma más sencilla de encontrar esta energía se basa en la aplicación de la ley sobre la relación entre masa y energía, descubierta por el científico alemán Albert Einstein en 1905.
Alberto Einstein (1879-1955)
Físico teórico alemán, uno de los fundadores de la física moderna. Descubrió la ley de la relación entre masa y energía, creó un sistema especial y teoria general relatividad
Según esta ley, existe una relación proporcional directa entre la masa m de un sistema de partículas y la energía en reposo, es decir, la energía interna E 0 de este sistema:
donde c es la velocidad de la luz en el vacío.
Si la energía en reposo de un sistema de partículas como resultado de cualquier proceso cambia en el valor ΔE 0 1, esto implicará un cambio correspondiente en la masa de este sistema en el valor Δm, y se expresará la relación entre estas cantidades. por la igualdad:
ΔE 0 = Δmс 2.
Así, cuando los nucleones libres se fusionan en un núcleo, como consecuencia de la liberación de energía (que es arrastrada por los fotones emitidos durante este proceso), la masa de los nucleones también debería disminuir. En otras palabras, la masa de un núcleo es siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo componen.
La falta de masa nuclear Δm en comparación con la masa total de sus nucleones constituyentes se puede escribir de la siguiente manera:
Δm = (Zm p + Nm n) - M i,
donde M i es la masa del núcleo, Z y N son el número de protones y neutrones en el núcleo, y m p y m n son las masas del protón y del neutrón libres.
La cantidad Δm se llama defecto de masa. La presencia de un defecto masivo se confirma mediante numerosos experimentos.
Calculemos, por ejemplo, la energía de enlace ΔE 0 del núcleo de un átomo de deuterio (hidrógeno pesado), que consta de un protón y un neutrón. En otras palabras, calculemos la energía necesaria para dividir un núcleo en un protón y un neutrón.
Para ello, primero determinamos el defecto de masa Δm de este núcleo, tomando los valores aproximados de las masas de los nucleones y la masa del núcleo del átomo de deuterio de las tablas correspondientes. Según los datos tabulares, la masa del protón es de aproximadamente 1,0073 a. e.m., masa de neutrones - 1,0087 a. e.m., la masa del núcleo de deuterio es 2,0141 a.m. a.m. Entonces, Δm = (1.0073 a.u.m. + 1.0087 a.u.m.) - 2.0141 a.u. em = 0,0019 a. comer.
Para obtener la energía de enlace en julios, el defecto de masa debe expresarse en kilogramos.
Considerando que 1 a. em = 1,6605 10 -27 kg, obtenemos:
Δm = 1,6605 · 10 -27 kg 0,0019 = 0,0032 · 10 -27 kg.
Sustituyendo este valor del defecto de masa en la fórmula de la energía de enlace, obtenemos:
La energía liberada o absorbida durante cualquier reacción nuclear se puede calcular si se conocen las masas de los núcleos que interactúan y las partículas formadas como resultado de esta interacción.
Preguntas
- ¿Cuál es la energía de enlace de un núcleo?
- Escriba la fórmula para determinar el defecto de masa de cualquier núcleo.
- Escriba la fórmula para calcular la energía de enlace de un núcleo.
1 La letra griega Δ (“delta”) generalmente denota un cambio en la cantidad física, delante del símbolo del cual se coloca esta letra.
Masa atómica relativa El ar de un elemento químico (es el que se da junto con el símbolo del elemento y su número de serie en cada celda del sistema periódico de D.I. Mendeleev) es el valor promedio de las masas isotópicas relativas, teniendo en cuenta el contenido isotópico. La masa atómica relativa en realidad muestra cuántas veces la masa de un átomo dado es mayor que la masa de 1/12 del isótopo de carbono. Como cualquiera valor relativo, Ar es una cantidad adimensional.
Por unidad de masa atómica ( unidad de masa atómica - a.m.u.) actualmente se acepta como 1/12 de la masa del nucleido 12 C. A este nucleido se le asigna una masa de 12,0000 uma. El verdadero valor de la unidad de masa atómica es 1,661 · 10-27 kg.
Las masas de las tres partículas fundamentales, expresadas en uma, tienen los siguientes valores:
masa del protón - 1,007277 uma, masa del neutrón - 1,008665 uma, masa del electrón - 0,000548 uma.
1.9.4. defecto masivo
Si calcula la masa de un isótopo (masa isotópica) sumando las masas del número correspondiente de protones, neutrones y electrones, el resultado no dará una correspondencia exacta con el experimento. La discrepancia entre los cálculos.
Los valores medidos y encontrados experimentalmente de masas isotópicas se denominan.
defecto de masa.
Así, por ejemplo, la masa isotópica de uno de los isótopos del cloro 35 Cl, obtenida sumando las masas de diecisiete protones, dieciocho neutrones y diecisiete electrones, es igual a:
17· 1.007277 + 18· 1.008665 + 17· 0.000548 = 35.289005 uma
Sin embargo, determinaciones experimentales precisas de este valor dan el resultado de 34,96885 uma. El defecto de masa es 0,32016 uma.
Se pueden dar explicaciones al fenómeno del defecto de masa utilizando los conceptos formulados por Albert Einstein en la teoría de la relatividad. El defecto de masa corresponde a la energía necesaria para superar las fuerzas de repulsión entre protones.
En otras palabras, el defecto de masa es una medida de la energía de enlace de las partículas nucleares. Si fuera posible dividir el núcleo en sus nucleones constituyentes, entonces la masa del sistema aumentaría en la cantidad del defecto de masa. La energía de enlace muestra la diferencia entre la energía de los nucleones en el núcleo y su energía en estado libre, es decir. La energía de enlace es la energía que se debe gastar para separar un núcleo en sus nucleones constituyentes.
La energía de enlace se puede calcular utilizando la fórmula de A. Einstein:
mi = mc2,
donde: m – masa en kg, s – velocidad de la luz – 2,9979·108 m/s, E – energía en J. Por ejemplo, la energía de enlace de un mol (4 g) de nucleido 4 He (molar
defecto de masa es 3,0378·10-5 kg) es igual a:
∆ E = (3,0378·10-5 kg/mol)·(2,9979·108 m/s)2 = 2,730·1012 J/mol Esta energía excede la energía de un enlace covalente convencional en más de
10 millones de veces. Para obtener dicha energía a través de reacción química Se tendrían que utilizar decenas de toneladas de sustancia.
Dado que la energía de enlace es extremadamente alta, se acostumbra expresarla en megaelectronvoltios (1 MeV = 9,6·1010 J/mol) por nucleón. Así, la energía de enlace por nucleón en el núcleo de 4 He es de aproximadamente 7 MeV, en el núcleo de 35 Cl es de 8,5 MeV.
1.9.5. Fuerzas nucleares
El núcleo de un átomo es un objeto especial de estudio. Incluso con un examen superficial, surgen muchas perplejidades. ¿Por qué los protones que forman el núcleo no se repelen según las leyes elementales de la electrostática? Un cálculo simple utilizando la ley de Coulomb muestra que a distancias nucleares dos protones deberían repelerse con una fuerza de aproximadamente 6000 N, pero se atraen entre sí con una fuerza 40 veces mayor que este valor. Además, esta fuerza actúa por igual tanto entre dos protones como entre dos neutrones, así como entre un protón y un neutrón, es decir completamente independiente de la carga de las partículas.
Obviamente, las fuerzas nucleares representan una clase de fuerzas completamente diferente; no pueden reducirse a interacciones electrostáticas. La energía que acompaña a las reacciones nucleares es millones de veces mayor que la energía que caracteriza a las transformaciones químicas.
La aplicación de los principios de la mecánica cuántica a la descripción del movimiento de los electrones está dando actualmente resultados muy satisfactorios. ¿Se puede utilizar esta teoría para modelar procesos que ocurren en el núcleo de un átomo? La característica más importante Las fuerzas nucleares tienen un radio de acción extremadamente pequeño. De hecho, el movimiento de un electrón ocurre en una región del espacio estimada en valores del orden de 10 a 8 cm, y todos los fenómenos intranucleares ocurren a distancias del orden de 10 a 12 cm y menos. Estos valores son ligeramente mayores que los tamaños intrínsecos de los nucleones. La relación de las escalas que caracterizan el movimiento del electrón, por un lado, y los fenómenos intranucleares, por otro, en orden de magnitud, se puede comparar con la misma relación.
para el macromundo, que obedece las leyes de la mecánica clásica, y el micromundo, que vive según las leyes de la mecánica cuántica.
Con un tamaño de núcleo tan pequeño, casi toda la masa del átomo se concentra en él. Conociendo el volumen aproximado del núcleo y la masa del átomo, podemos estimar la densidad de la materia nuclear: excede densidad media materia ordinaria en 2·1017 veces y es del orden de 1013 - 1014 g/cm3. Un intento de comprender realmente tales cantidades lleva al siguiente ejemplo: con una densidad de materia similar, el volumen de la cabeza de una cerilla (aproximadamente 5 mm3) debería contener una masa igual a la masa de 1 millón de toneladas de agua. Si una cabeza de cerilla cayera sobre la superficie de la Tierra, lo atravesaría todo. rocas y penetraría hasta el centro del planeta.
1.9.6. Transformaciones nucleares
Las transformaciones de los núcleos atómicos provocadas por sus interacciones con partículas elementales o entre sí se denominan reacciones nucleares.
Desintegración nuclear espontánea - radiactividad natural– acompañado de tres tipos de radiación.
La radiación alfa es una corriente de núcleos de átomos de helio con carga +2 y número de masa 4 (4 He). La carga positiva de estas partículas explica el hecho de que los rayos alfa se desvían en un campo eléctrico hacia una placa cargada negativamente y comparativamente talla grande Los átomos de helio justifican un poder de penetración significativamente menor en comparación con los otros dos tipos de radiación.
Evidentemente, cuando se emite una partícula de este tipo, el núcleo pierde dos protones y dos neutrones. La pérdida de dos protones reduce el número atómico en dos unidades, por lo que el resultado es la formación de un nuevo elemento químico.
Por ejemplo, el nucleido de radio-226, tras la pérdida de una partícula alfa, se convierte en el nucleido de radón-222, que se puede representar como ecuaciones reacción nuclear :
88 Ra→ 86 Rn +2 He.
Al formular tales ecuaciones, se debe observar la igualdad de las sumas de los números atómicos y las sumas de los números másicos en los lados izquierdo y derecho (debe garantizarse la conservación de la carga y la masa).
En varios casos se utiliza una forma abreviada de escribir la ecuación de la reacción nuclear: el nucleido inicial se escribe a la izquierda, el nucleido final a la derecha, entre paréntesis entre ellos se indica primero la partícula que provoca esta transformación, y luego emitido como resultado. En este caso, para tales partículas se utilizan las siguientes designaciones de letras: α (partícula alfa), p (protón), n (neutrón), d (núcleo de deuterio - deuterón), etc. Por ejemplo, para la desintegración alfa comentada anteriormente:
Ra (-, α) Rn.
El signo "-" indica la ausencia de una partícula bombardeadora (la desintegración del núcleo se produce de forma espontánea).
La radiación beta, a su vez, se divide en β - (generalmente se la llama
Son simplemente radiación β) y radiación β +. La radiación β es una corriente de electrones que se mueven a una velocidad cercana a la velocidad de la luz. Estos electrones surgen de la desintegración de un neutrón:
90 Th→ 91 Pa + -1 e.
Los nucleidos torio-234 y protactinio-234 tienen el mismo número de masa. Estos nucleidos se denominan isobaras.
La aparición de radiación β+ se debe a la transformación de un protón en neutrón, acompañada de la emisión de un positrón – partícula elemental, que es análogo a un electrón, pero tiene carga positiva:
19 K→ 18 Ar ++1 mi.
La radiación gamma es difícil radiación electromagnética con longitudes de onda más cortas que los rayos X. No se desvía eléctricamente y campos magnéticos y tiene una alta capacidad de penetración.
La emisión de rayos γ acompaña a la desintegración α y β, así como al proceso de captura de electrones por el núcleo. En el último caso, el núcleo captura un electrón de un nivel de energía bajo (electrón K o L) y uno de los protones se convierte en un neutrón:
1 p + -1 mi | → 0 norte. |
|
El número másico del nucleido no cambia, pero el número atómico disminuye en uno, por ejemplo:
23 V + -1 mi → 22 Ti.
Los nucleidos inestables y que se desintegran espontáneamente se denominan ra-
dionucleidos o isótopos radiactivos . Su desintegración continúa hasta que se forman isótopos estables. Los isótopos estables ya no están sujetos a desintegración radiactiva, por lo que persisten en la naturaleza. Ejemplos incluyen 16 O y 12 C.
Media vida Un isótopo inestable es el tiempo durante el cual su radiactividad disminuye a la mitad de su valor original. Las vidas medias pueden variar desde millonésimas de segundo hasta millones de años (Tabla 1.2).
Tabla 1.2
Vidas medias de algunos isótopos.
Media vida |
||||
3·10-7 s |
||||
5,7 103 | ||||
4.5 109 | ||||
1,39·1010 años |
||||
Muchas reacciones de desintegración radiactiva son componentes de reacciones nucleares secuenciales más complejas, las llamadas serie de transformaciones radiactivas o serie radiactiva.
Cada transformación de esta serie conduce a la formación de un isótopo inestable, que a su vez sufre desintegración radiactiva. El nucleido padre se llama isótopo padre, y el resultado es isótopo hija. En la siguiente etapa, el isótopo hijo se convierte en el isótopo padre, convirtiéndose en el siguiente isótopo hijo, etc. Esta cadena de transformaciones sucesivas continúa hasta que el resultado de una reacción nuclear se convierte en un isótopo estable.
Así, la serie radiactiva del uranio comienza con el isótopo 238 U y, como resultado de catorce reacciones de desintegración nuclear consecutivas, termina con el isótopo estable 206 Pb. En este caso, la pérdida de masa total es de 32 unidades.
Se pueden producir nucleidos tanto estables como inestables mediante reacciones nucleares bombardeando núcleos con partículas de alta energía. Por-
aullido transformación nuclear artificial realizado por E. Rutherford: en 1915
Al hacer pasar rayos alfa a través del nitrógeno, obtuvo el isótopo estable del oxígeno 17 O. En 1935, Irène y Frédéric Joliot-Curie demostraron que bombardear aluminio con partículas alfa produce isótopo radiactivo fósforo, que emite positrones. Para el descubrimiento radiactividad artificial Los científicos recibieron el Premio Nobel.
Durante las reacciones nucleares, un objetivo nuclear es bombardeado con protones, neutrones y electrones, lo que provoca un cambio en la composición nuclear y la formación de un nuevo elemento químico. Las partículas que bombardean deben tener una alta energía cinética para superar las fuerzas electrostáticas de repulsión del objetivo. Por lo tanto, las partículas se aceleran a altas velocidades en instalaciones especiales llamadas aceleradores (sus dos tipos principales son un acelerador lineal y un ciclotrón).
Tabla 1.3 |
||||||||
Reacciones nucleares | ||||||||
ecuación completa | Forma corta |
|||||||
(α, p) | ||||||||
7 N +2 Él | → 8O | 14 N (α,p)17 O |
||||||
(α,n) | ||||||||
13 Al +2 He→ 15 P +0 n | 27Al(α,n)30P |
|||||||
11 Na +1 H→ 12 Mg +0 n | 23Na(p,n)23Mg |
|||||||
(p, α) | ||||||||
4 Be +1 H→ 3 Li +2 He | 9 Be (p,α )6 Li |
|||||||
7 N +1 H→ 8 O +γ | 14 N (p,γ) 15 O |
|||||||
15P+1H→ 15P+1H | 31P(d,p)32P |
|||||||
13 Al +1 H→ 14 Si +0 n | 27 Al (d, n) 28 Si |
|||||||
7 norte +0 norte → 6 C +1 H | 14 N (n, p) 14 C |
|||||||
27 Co +0 n→ 27 Co +γ | 59 Co (n,γ) 60 Co |
|||||||
(n, α) | ||||||||
13 Al +0 n→ 11 Na +2 Él | 27 Al (n,α) 24 Na |
|||||||
Las transformaciones nucleares artificiales se pueden clasificar según el tipo de partículas que bombardean y emiten como resultado de la reacción (Tabla 1.3.).
Se han sintetizado nuevos mediante reacciones nucleares. elementos químicos con números de serie 99 o más. Para ello, el objetivo nuclear se bombardea con partículas pesadas, por ejemplo, 7 N o 12 C. Así, el elemento einstenio se obtuvo bombardeando uranio-238 con núcleos de nitrógeno-14:
MATERIALES PARA REPETIR
Dimensiones del átomo: ≈ 10 -8 cm Dimensiones nucleares: ≈ 10 -12 – 10 -13 cm
Densidad de la materia nuclear: ≈ 10 14 g/cm 3
Partículas subatómicas
fecha de apertura) |
|||||
ELECTRÓN | 9.110 10-28 | Thompson (1897) |
|||
1.673 10-24 | Rutherford (1914) |
||||
1.675 10-24 | Chadwick (1932) |
||||
Números cuánticos
Nombre | Designación | Aceptado | lo que caracteriza |
||
valores | |||||
energético |
|||||
Orbital | 0, 1, 2, ...n–1 | forma orbital, |
|||
energético |
|||||
subnivel |
|||||
Magnético | –ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ | espacial |
|||
orientación |
|||||
orbitales |
|||||
Girar | +½ , -½ | propio |
|||
electrón |
|||||
Fórmulas electrónicas de átomos.
Para componer la fórmula electrónica de un átomo, es necesario saber lo siguiente:
1. Sistema de notación: nℓх (n – número del nivel de energía: 1,2,3,..., ℓ – letra que designa el subnivel: s, p, d, f; x – número de electrones) Ejemplos: 5s2 – dos electrones en el subnivel s del quinto nivel de energía (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - ocho electrones en el subnivel d del cuarto nivel de energía (n = 4, ℓ = 2).
2. Secuencia de llenado de subniveles de energía. : 1s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...
(Cada subnivel se llena solo después de que el anterior de esta fila esté completamente construido).
3. Capacidad máxima de subniveles:
Ejemplo: la fórmula electrónica del átomo de cloro es la distribución de los diecisiete electrones de este átomo a través de subniveles de energía y tiene la forma:
17 Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Una forma breve de escribir la fórmula electrónica. : electrones encontrados-
en niveles de energía completamente acumulados, se representan mediante el símbolo del gas noble correspondiente, y luego se indica la distribución de los electrones restantes.
Ejemplo: breve fórmula electrónica del átomo de cloro:
17 Cl 3s2 3p5
Distribución de electrones en células cuánticas.
Células cuánticas
subcapa s
subnivel p
subnivel d
subnivel f
De acuerdo con la regla de Hund: inicialmente, a cada electrón se le asigna una celda cuántica separada (electrones no apareados con espines paralelos), los siguientes electrones ingresan a las celdas ya ocupadas, para las cuales los valores de ms tienen el signo opuesto (electrones apareados) .
Notación: ms = +½, ↓ ms = -½
Ejemplos: 6 electrones ocupan células cuánticas del subnivel f:
subnivel f
para nueve electrones el diagrama toma la forma:
subnivel f
Fórmulas gráficas electrónicas de átomos.
17Cl | |||||||||||||
2p 6 |
electrones de valencia- electrones del nivel de energía exterior, así como del penúltimo subnivel d, si no está completamente formado.
Designaciones de nucleidos:
el índice superior es el número de masa del nucleido, el índice inferior es el número atómico del elemento correspondiente.
Ejemplo: isótopo de cloro:
17Cl
Abreviatura: 36Cl
Composición del núcleo Número de protones – número atómico, número ordinal de un elemento en el período
sistema dítico de D. I. Mendeleev; El número de neutrones es la diferencia entre el número de masa y el número de pro-
Ejemplo: número de protones y neutrones del isótopo del cloro.
17 Cl es: número de protones = 17, número de neutrones = 36-17 = 19.
Isótopos: mismo número atómico, diferentes masas atómicas (el núcleo contiene la misma cantidad de protones, diferente cantidad de neutrones)
Reacciones nucleares
En los lados izquierdo y derecho de la ecuación de la reacción nuclear, se debe mantener un equilibrio entre:
– sumas de números másicos (superíndices),
– sumas de números atómicos (subíndices).
Ejemplo:
Una forma abreviada de escribir la ecuación de la reacción nuclear:
a la izquierda - el nucleido original,
a la derecha está el nucleido final,
entre paréntesis entre ellos: la partícula que causa la transformación dada, luego la partícula emitida como resultado de ella.
Designaciones de letras:α (partícula alfa), p (protón), n (neutrón), d (núcleo de deuterio - deuterón), etc.
Ejemplo: 23 Na (p,n)23 Mg para la reacción
11 Na +1 H→ 12 Mg +0 n
Los nucleones del núcleo están firmemente sostenidos por fuerzas nucleares. Para extraer un nucleón de un núcleo, se debe realizar mucho trabajo, es decir, se debe impartir una energía significativa al núcleo.
La energía de enlace de un núcleo atómico Eb caracteriza la intensidad de la interacción de los nucleones en el núcleo y es igual a la energía máxima que se debe gastar para dividir el núcleo en nucleones individuales que no interactúan sin impartirles energía cinética. Cada núcleo tiene su propia energía de enlace. Cuanto mayor es esta energía, más estable es el núcleo atómico. Las mediciones precisas de las masas nucleares muestran que la masa en reposo del núcleo m i es siempre menor que la suma de las masas en reposo de los protones y neutrones que lo constituyen. Esta diferencia de masa se llama defecto de masa:
Es esta parte de la masa de Dm la que se pierde durante la liberación de energía de enlace. Aplicando la ley de la relación entre masa y energía, obtenemos:
donde m n es la masa del átomo de hidrógeno.
Este reemplazo es conveniente para los cálculos y el error de cálculo que surge en este caso es insignificante. Si sustituimos Dm en la fórmula para la energía de enlace en a.m.u. entonces para Est puede ser escrito:
Información importante sobre las propiedades de los núcleos contiene la dependencia de la energía de enlace específica del número másico A.
Energía de enlace específica E beat - energía de enlace nuclear por 1 nucleón:
En la Fig. 116 muestra un gráfico suavizado de la dependencia establecida experimentalmente del latido E de A.
La curva de la figura tiene un máximo débilmente expresado. Los elementos con números de masa de 50 a 60 (hierro y elementos cercanos a él) tienen la energía de enlace específica más alta. Los núcleos de estos elementos son los más estables.
El gráfico muestra que la reacción de fisión de núcleos pesados en núcleos de elementos en la parte media de la tabla de D. Mendeleev, así como la reacción de síntesis de núcleos ligeros (hidrógeno, helio) en núcleos más pesados, son energéticamente favorables. reacciones, ya que van acompañadas de la formación de núcleos más estables (con latidos E grandes) y, por tanto, proceden con la liberación de energía (E > 0).
Fuerzas nucleares. Modelos de núcleo.
NUCLEAR FUERZAS - fuerza interacciones entre nucleones; Proporcionan una mayor cantidad de energía nuclear vinculante en comparación con otros sistemas. Estoy con. son los más ejemplo importante y común interacción fuerte(SV). Érase una vez, estos conceptos eran sinónimos y el propio término “interacción fuerte” se introdujo para enfatizar la enorme magnitud de la fuerza. en comparación con otras fuerzas conocidas en la naturaleza: electromagnética, débil, gravitacional. Después de abrir p -, r - y etc. mesones, hiperones, etc. hadrones El término "interacción fuerte" comenzó a utilizarse en un sentido más amplio: como interacción de hadrones. En los 1970s cromodinámica cuántica(QCD) se ha consolidado como un microscopio generalmente reconocido. Teoría SV. Según esta teoría, los hadrones son partículas compuestas, que consiste en quarks Y gluones, y por SV comenzaron a comprender la interacción de estos fondos. partículas.
Modelo de gotas del núcleo.- uno de los primeros modelos de la estructura del núcleo atómico, propuesto por Niels Bohr en 1936 en el marco de la teoría del núcleo compuesto, desarrollada por Jacob Frenkel y, posteriormente, por John Wheeler, sobre la base del cual Karl Weizsäcker fue el primero en obtuvo una fórmula semiempírica para la energía de enlace del núcleo atómico, llamada en su honor Fórmula de Weizsäcker.
Según esta teoría, el núcleo atómico se puede representar como una gota esférica, cargada uniformemente, de materia nuclear especial, que tiene ciertas propiedades, como incompresibilidad, saturación de fuerzas nucleares, "evaporación" de nucleones (neutrones y protones), y se asemeja a un liquido. En este sentido, algunas otras propiedades de una gota de líquido se pueden extender a dicha gota central, por ejemplo, la tensión superficial, la fragmentación de la gota en gotas más pequeñas (fisión del núcleo), la fusión de gotas pequeñas en una grande (fusión de núcleos). Teniendo en cuenta estas propiedades comunes a la materia líquida y nuclear, así como las propiedades específicas de esta última, resultantes del principio de Pauli y de la presencia de carga eléctrica, podemos obtener la fórmula semiempírica de Weizsäcker, que permite calcular la energía de enlace de un núcleo y, por tanto, su masa, si se conoce su composición nucleónica ( numero total nucleones (número de masa) y el número de protones en el núcleo).
