Atom çekirdeği. Kütle kusuru. Atom çekirdeğinin bağlanma enerjisi

Atom çekirdeği, tüm pozitif yükün ve neredeyse tüm kütlenin yoğunlaştığı atomun merkezi kısmıdır.

Tüm atomların çekirdeği, adı verilen parçacıklardan oluşur. nükleonlar. Nükleonlar iki durumda olabilir; elektrik yüklü durum ve nötr durum. Yüklü durumdaki bir nükleona proton denir. Proton (p), en hafif kimyasal element olan hidrojenin çekirdeğidir. Bir protonun yükü, büyüklük olarak temel pozitif yüke eşit olan temel pozitif yüke eşittir. negatif yük q e = 1,6 ∙ 10 -19 C., yani. elektron yükü. Nötr (yüksüz) durumdaki bir nükleon, nötron (n) olarak adlandırılır. Her iki durumdaki nükleon kütleleri birbirinden çok az farklılık gösterir; m n ≈ m p .

Nükleonlar temel parçacıklar değildir. Karmaşık bir iç yapıya sahiptirler ve daha da küçük madde parçacıkları olan kuarklardan oluşurlar.

Atom çekirdeğinin temel özellikleri yük, kütle, spin ve manyetik momenttir.

Çekirdek şarjıçekirdekte bulunan protonların (z) sayısına göre belirlenir. Nükleer yük (zq) farklı kimyasal elementler için farklıdır. Z sayısına atom numarası veya yük numarası denir. Atom numarası, D. Mendeleev'in periyodik element tablosundaki bir kimyasal elementin seri numarasıdır. Çekirdeğin yükü aynı zamanda atomdaki elektron sayısını da belirler. Bir atomdaki elektronların sayısı, onların enerji kabukları ve alt kabukları üzerindeki dağılımını ve dolayısıyla tüm elektronların dağılımını belirler. fizikokimyasal özellikler atom. Çekirdeğin yükü belirli bir kimyasal elementin özgüllüğünü belirler.

Çekirdek kütlesiÇekirdeğin kütlesi, çekirdeği oluşturan nükleonların (A) sayısına göre belirlenir. Bir çekirdekteki (A) nükleon sayısına kütle numarası denir. Çekirdekteki nötron sayısı (N), proton sayısı (z), toplam nükleon sayısından (A) çıkarıldığında bulunabilir, yani N=F-z. Periyodik tabloda atom çekirdeğindeki proton ve nötronların orta kısmına kadar sayısı yaklaşık olarak aynıdır, yani. (A-z)/z= 1, tablonun sonuna kadar (A-z)/z= 1,6.

Atom çekirdekleri genellikle şu şekilde tanımlanır:

X - kimyasal bir elementin sembolü;

Z – atom numarası;

A – kütle numarası.

Basit maddelerin çekirdeklerinin kütleleri ölçülürken çoğu kimyasal elementin atom gruplarından oluştuğu keşfedildi. Aynı yüke sahip olan farklı grupların çekirdekleri kütle bakımından farklılık gösterir. Belirli bir kimyasal elementin nükleer kütleleri farklı olan atom çeşitlerine denir. izotoplar. İzotopik çekirdekler aynı sayıda protona sahiptir, ancak farklı numara nötronlar (ve ; , , , ; , , ).

İzotop çekirdeklerine ek olarak (z - aynı, A - farklı), çekirdekler de vardır izobarlar(z - farklı, A - aynı). ( Ve ).

Nükleonların, atom çekirdeklerinin, atomların, elektronların ve diğer parçacıkların kütleleri nükleer FizikÖlçümü "KG" cinsinden değil, atomik kütle birimleri (amu - aksi takdirde karbon kütle birimi olarak adlandırılır ve "e" ile gösterilir) cinsinden ölçmek gelenekseldir. Atomik kütle birimi (1e), 1e=1.6603 ∙ 10 -27 kg karbon atomunun kütlesinin 1/12'si olarak alınır.

Nükleon kütleleri: m p -1,00728 e, m n =1,00867 e.

Çekirdeğin “e” ile ifade edilen kütlesinin A’ya yakın bir sayı olarak yazılacağını görüyoruz.

Nükleer dönüş.Çekirdeğin mekanik açısal momentumu (spin), çekirdeği oluşturan nükleonların spinlerinin vektör toplamına eşittir. Proton ve nötron L = ± 1/2ћ'ye eşit bir dönüşe sahiptir. Buna göre çift sayıda nükleon içeren çekirdeklerin spini (A çifttir) tamsayı veya sıfırdır. Tek sayıda nükleon (A tek) içeren bir çekirdeğin dönüşü yarı tam sayıdır.

Çekirdeğin manyetik momenti. Atomun elektron kabuklarını dolduran elektronların manyetik momentiyle karşılaştırıldığında çekirdeğin çekirdeğinin manyetik momenti (P ​​m i) çok küçüktür. Açık manyetik özellikler atom, çekirdeğin manyetik momentini etkilemez. Çekirdeklerin manyetik momentinin ölçüm birimi nükleer magnetondur μ i = 5.05.38 ∙ 10 -27 J/T. Elektronun manyetik momentinden 1836 kat daha azdır - Bohr magnetonu μ B = 0,927 ∙ 10 -23 J/T.

Protonun manyetik momenti 2,793 μi'dir ve protonun dönüşüne paraleldir. Nötronun manyetik momenti 1,914 μi'dir ve nötronun spinine antiparaleldir. Çekirdeklerin manyetik momentleri nükleer magneton mertebesindedir.

Bir çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara bölmek için belli miktarda iş yapılması gerekir. Bu işin miktarı çekirdeğin bağlanma enerjisinin bir ölçüsüdür.

Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, sayısal olarak bir çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara bölmek için ve onlara haber vermeden yapılması gereken işe eşittir. kinetik enerji.

Nükleer oluşumun ters süreci sırasında, aynı enerjinin kurucu nükleonlardan salınması gerekir. Bu, enerjinin korunumu yasasından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeği oluşturan nükleonların enerjisi ile çekirdeğin enerjisi arasındaki farka eşittir:

ΔE = E nuk – E ben. (1)

Kütle ve enerji (E = m ∙ c 2) ile çekirdeğin bileşimi arasındaki ilişkiyi hesaba katarak denklem (1)'i aşağıdaki gibi yeniden yazıyoruz:

ΔE = ∙ s 2 (2)

Büyüklük

Δm = zm p +(A-z)m n – M ben, (3)

Çekirdeği oluşturan nükleonların kütleleri ile çekirdeğin kütlesi arasındaki farka kütle kusuru denir.

İfade (2) şu şekilde yeniden yazılabilir:

ΔE = Δm ∙ s 2 (4)

Onlar. kütle kusuru çekirdeğin bağlanma enerjisinin bir ölçüsüdür.

Nükleer fizikte nükleonların ve çekirdeklerin kütlesi amu cinsinden ölçülür. (1 amu = 1,6603 ∙ 10 27 kg) ve enerji genellikle MeV cinsinden ölçülür.

1 MeV = 10 6 eV = 1,6021 ∙ 10 -13 J olduğunu düşünürsek atom kütle birimine karşılık gelen enerji değerini buluyoruz.

1.00. ∙ s 2 = 1,6603 ∙10 -27 ∙9 ∙10 16 = 14,9427 ∙ 10 -11 J = 931,48 MeV

Böylece MeV'deki nükleer bağlanma enerjisi şuna eşittir:

ΔE ışık = Δm ∙931,48 MeV (5)

Kütle kusurunun pratik hesaplaması için tabloların genellikle çekirdek kütlesini değil atom kütlesini verdiği göz önüne alındığında, formül (3) yerine

başkasını kullan

Δm = zm Н +(A-z)m n – M a, (6)

Yani, protonun kütlesi hafif bir hidrojen atomunun kütlesiyle değiştirildi, böylece z elektron kütleleri eklendi ve çekirdeğin kütlesi, Ma atomunun kütlesiyle değiştirildi, böylece bu z elektron kütleleri çıkarıldı.

Çekirdekteki nükleon başına bağlanma enerjisine spesifik bağlanma enerjisi denir.

(7)

Spesifik bağlanma enerjisinin çekirdekteki nükleon sayısına (A kütle numarasına) bağımlılığı Şekil 1'de verilmiştir.

Bir çekirdeği birbiriyle etkileşime girmeyen ayrı (serbest) nükleonlara bölmek için, nükleer kuvvetleri yenecek, yani çekirdeğe belirli bir enerji kazandıracak iş yapmak gerekir. Tam tersine, serbest nükleonlar bir çekirdeğe dönüştüğünde, aynı enerji açığa çıkar (enerjinin korunumu yasasına göre).

• Bir çekirdeğin tek tek nükleonlara bölünmesi için gereken minimum enerjiye nükleer bağlanma enerjisi denir.

Bir çekirdeğin bağlanma enerjisinin değeri nasıl belirlenebilir?

Bu enerjiyi bulmanın en basit yolu, 1905 yılında Alman bilim adamı Albert Einstein tarafından keşfedilen kütle ve enerji arasındaki ilişkiye ilişkin yasanın uygulanmasına dayanmaktadır.

Albert Einstein (1879-1955)
Alman teorik fizikçi, modern fiziğin kurucularından biri. Kütle ve enerji arasındaki ilişkinin yasasını keşfetti, özel ve genel teori görelilik

Bu yasaya göre, bir parçacık sisteminin kütlesi m ile geri kalan enerji, yani bu sistemin iç enerjisi E 0 arasında doğru orantılı bir ilişki vardır:

burada c ışığın boşluktaki hızıdır.

Herhangi bir işlemin sonucu olarak bir parçacık sisteminin geri kalan enerjisi ΔE 0 1 değeri kadar değişirse, bu, bu sistemin kütlesinde Δm değeri kadar karşılık gelen bir değişiklik gerektirecektir ve bu miktarlar arasındaki ilişki ifade edilecektir. eşitlikle:

ΔE 0 = Δmс 2.

Dolayısıyla serbest nükleonlar bir çekirdeğe dönüştüğünde, açığa çıkan enerji (bu işlem sırasında yayılan fotonlar tarafından taşınır) sonucunda nükleonların kütlesinin de azalması gerekir. Başka bir deyişle bir çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından her zaman azdır.

Kendisini oluşturan nükleonların toplam kütlesine kıyasla nükleer kütlenin Δm eksikliği şu şekilde yazılabilir:

Δm = (Zm p + Nm n) - M ben,

burada Mi çekirdeğin kütlesidir, Z ve N çekirdekteki proton ve nötronların sayısıdır ve mp ve mn serbest proton ve nötronun kütleleridir.

Δm miktarına kütle kusuru denir. Kütle kusurunun varlığı çok sayıda deneyle doğrulanmıştır.

Örneğin, bir proton ve bir nötrondan oluşan bir döteryum (ağır hidrojen) atomunun çekirdeğinin bağlanma enerjisini ΔE 0 hesaplayalım. Başka bir deyişle, bir çekirdeğin proton ve nötrona bölünmesi için gereken enerjiyi hesaplayalım.

Bunu yapmak için, önce bu çekirdeğin kütle kusurunu Δm belirleriz, nükleon kütlelerinin ve döteryum atomunun çekirdeğinin kütlesinin yaklaşık değerlerini ilgili tablolardan alırız. Tablo verilerine göre proton kütlesi yaklaşık 1,0073 a'dır. e.m., nötron kütlesi - 1.0087 a. e.m., döteryum çekirdeğinin kütlesi 2,0141 am'dir. Yani, Δm = (1,0073 a.u.m. + 1.0087 a.u.m.) - 2.0141 a.u. em = 0,0019 a. yemek yemek.

Bağlanma enerjisini joule cinsinden elde etmek için kütle kusurunun kilogram cinsinden ifade edilmesi gerekir.

Bunu göz önünde bulundurarak 1 a. e.m. = 1,6605 10 -27 kg, şunu elde ederiz:

Δm = 1,6605 10 -27 kg 0,0019 = 0,0032 10 -27 kg.

Kütle kusurunun bu değerini bağlanma enerjisi formülüne koyarsak şunu elde ederiz:

Herhangi bir nükleer reaksiyon sırasında salınan veya emilen enerji, etkileşime giren çekirdeklerin ve bu etkileşim sonucunda oluşan parçacıkların kütleleri biliniyorsa hesaplanabilir.

Sorular

1. Çekirdeğin bağlanma enerjisi nedir?
2. Herhangi bir çekirdeğin kütle kusurunu belirlemek için formülü yazın.
3. Bir çekirdeğin bağlanma enerjisini hesaplamak için formülü yazın.

1 Yunanca Δ (“delta”) harfi genellikle fiziksel miktar, bu mektubun yerleştirildiği sembolün önüne.

Göreceli atomik kütle Kimyasal bir elementin Аr'si (elementin sembolü ve D.I. Mendeleev'in periyodik sisteminin her hücresindeki seri numarasıyla birlikte verilen budur), izotop içeriği dikkate alınarak göreceli izotop kütlelerinin ortalama değeridir. Nispi atom kütlesi aslında belirli bir atomun kütlesinin, karbon izotopunun 1/12'sinin kütlesinden kaç kat daha büyük olduğunu gösterir. Herhangi biri gibi Göreceli değer Ar boyutsuz bir miktardır.

Atom kütlesi birimi başına ( atomik kütle birimi - a.m.u.) şu anda 12C nüklidinin kütlesinin 1/12'si olarak kabul edilmektedir. Bu nüklide 12.0000 amu'luk bir kütle atanmıştır. Atomik kütle biriminin gerçek değeri 1,661·10-27 kg'dır.

Amu cinsinden ifade edilen üç temel parçacığın kütleleri aşağıdaki değerlere sahiptir:

proton kütlesi – 1,007277 amu, nötron kütlesi – 1,008665 amu, elektron kütlesi – 0,000548 amu.

1.9.4. Kütle kusuru

Bir izotopun kütlesini (izotopik kütle), karşılık gelen sayıda proton, nötron ve elektronun kütlelerini toplayarak hesaplarsanız, sonuç deneyle tam bir uyum sağlamayacaktır. Hesaplamalar arasındaki tutarsızlık

İzotop kütlelerinin ölçülen ve deneysel olarak bulunan değerlerine denir

kütle kusuru.

Yani, örneğin, on yedi proton, on sekiz nötron ve on yedi elektronun kütlelerinin eklenmesiyle elde edilen klor 35 Cl izotoplarından birinin izotop kütlesi şuna eşittir:

17· 1,007277 + 18· 1,008665 + 17· 0,000548 = 35,289005 ak

Ancak bu değerin doğru deneysel tespitleri 34.96885 amu sonucunu vermektedir. Kütle kusuru 0,32016 amu'dur.

Kütle kusuru olgusuna ilişkin açıklamalar Albert Einstein'ın görelilik teorisinde formüle ettiği kavramlar kullanılarak yapılabilir. Kütle kusuru, protonlar arasındaki itici kuvvetlerin üstesinden gelmek için gereken enerjiye karşılık gelir.

Başka bir deyişle kütle kusuru, nükleer parçacıkların bağlanma enerjisinin bir ölçüsüdür. Çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara bölmek mümkün olsaydı, sistemin kütlesi, kütle kusurunun miktarı kadar artacaktı. Bağlanma enerjisi, çekirdekteki nükleonların enerjisi ile serbest durumdaki enerjileri arasındaki farkı gösterir; Bağlanma enerjisi, bir çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara ayırmak için harcanması gereken enerjidir.

Bağlanma enerjisi A. Einstein'ın formülü kullanılarak hesaplanabilir:

E = mc2,

burada: m – kg cinsinden kütle, s – ışık hızı – 2,9979·108 m/s, E – J cinsinden enerji. Örneğin, bir mol (4 g) nüklid 4 He (molar) için bağlanma enerjisi

kütle kusuru 3,0378·10-5 kg) şuna eşittir:

∆ E = (3,0378·10-5 kg/mol)·(2,9979·108 m/s)2 = 2,730·1012 J/mol Bu enerji, geleneksel bir kovalent bağın enerjisini şu kattan fazla aşar:

10 milyon kez. Böyle bir enerji elde etmek için Kimyasal reaksiyon onlarca ton maddenin kullanılması gerekecekti.

Bağlanma enerjisi son derece yüksek olduğundan, bunu nükleon başına megaelektronvolt (1 MeV = 9,6·1010 J/mol) cinsinden ifade etmek gelenekseldir. Böylece 4 He çekirdeğinde nükleon başına bağlanma enerjisi yaklaşık 7 MeV, 35 Cl çekirdeğinde ise 8,5 MeV olur.

1.9.5. Nükleer kuvvetler

Bir atomun çekirdeği, çalışma için özel bir nesnedir. Yüzeysel bir incelemede bile birçok kafa karışıklığı ortaya çıkar. Çekirdeği oluşturan protonlar neden elektrostatik temel yasalarına göre birbirlerini itmiyor? Coulomb yasasını kullanan basit bir hesaplama, nükleer mesafelerde iki protonun yaklaşık 6000 N'luk bir kuvvetle itilmesi gerektiğini, ancak bu değerden 40 kat daha büyük bir kuvvetle birbirlerine çekildiklerini gösterir. Üstelik bu kuvvet hem iki proton arasında, hem de iki nötron arasında ve ayrıca bir proton ile bir nötron arasında eşit şekilde etki eder; parçacık yükünden tamamen bağımsızdır.

Açıkçası, nükleer kuvvetler tamamen farklı bir kuvvet sınıfını temsil eder; elektrostatik etkileşimlere indirgenemezler. Nükleer reaksiyonlara eşlik eden enerji, kimyasal dönüşümleri karakterize eden enerjiden milyonlarca kat daha yüksektir.

Kuantum mekaniği ilkelerinin elektronların hareketinin tanımlanmasına uygulanması şu anda oldukça tatmin edici sonuçlar vermektedir. Bu teori bir atomun çekirdeğinde meydana gelen süreçleri modellemek için kullanılabilir mi? En önemli özellik Nükleer kuvvetler, eylemlerinin yarıçapı son derece küçüktür. Gerçekten de, bir elektronun hareketi, 10-8 cm civarındaki değerlerde tahmin edilen uzay bölgesinde meydana gelir ve tüm intranükleer olaylar, 10-12 cm veya daha az mesafelerde meydana gelir. Bu değerler nükleonların gerçek boyutlarından biraz daha büyüktür. Bir yanda elektronun hareketini, diğer yanda intranükleer olayları karakterize eden ölçeklerin büyüklük sırasına göre oranı aynı oranla karşılaştırılabilir.

klasik mekaniğin kanunlarına uyan makro dünya ve kuantum mekaniği kanunlarına göre yaşayan mikro dünya için.

Çekirdeğin bu kadar küçük boyutuyla, atomun neredeyse tüm kütlesi onun içinde yoğunlaşmıştır. Çekirdeğin yaklaşık hacmini ve atomun kütlesini bildiğimizde, nükleer maddenin yoğunluğunu tahmin edebiliriz: ortalama yoğunluk sıradan madde 2·1017 katıdır ve 1013 - 1014 g/cm3 mertebesindedir. Bu miktarları gerçekten kavramaya çalıştığımızda şu örnek ortaya çıkıyor: Benzer yoğunlukta bir kibrit başlığının hacmi (yaklaşık 5 mm3), 1 milyon ton suyun kütlesine eşit bir kütle içermelidir. Böyle bir kibrit başı Dünya yüzeyine düşse her şeyi deler kayalar ve gezegenin merkezine nüfuz edecekti.

1.9.6. Nükleer dönüşümler

Atom çekirdeğinin temel parçacıklarla veya birbirleriyle etkileşimlerinden kaynaklanan dönüşümlere denir. nükleer reaksiyonlar.

Kendiliğinden nükleer bozunma - doğal radyoaktivite– üç tür radyasyon eşlik ediyor.

Alfa radyasyonu, yükü +2 ve kütle numarası 4 (4 He) olan helyum atomlarının çekirdeklerinden oluşan bir akıştır. Bu parçacıkların pozitif yükü, alfa ışınlarının bir elektrik alanında negatif yüklü bir plakaya doğru saptırıldığı gerçeğini açıklar ve karşılaştırmalı olarak büyük beden helyum atomları, diğer iki radyasyon türüyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha düşük nüfuz gücünü haklı çıkarır.

Açıkçası, böyle bir parçacık yayıldığında çekirdek iki proton ve iki nötron kaybeder. İki protonun kaybı atom numarasını iki birim azaltır, dolayısıyla sonuç yeni bir kimyasal elementin oluşmasıdır.

Örneğin, radyum-226'nın nüklidi, bir alfa parçacığının kaybı üzerine radon-222'nin nüklidi haline gelir ve bu, şu şekilde temsil edilebilir: denklemler Nükleer reaksiyon :

88 Ra→ 86 Rn +2 He.

Bu tür denklemler oluşturulurken atom numaraları toplamları ile sağ ve sol taraftaki kütle numaraları toplamlarının eşitliğine dikkat edilmelidir (yük ve kütlenin korunumu sağlanmalıdır).

Bazı durumlarda, nükleer reaksiyon denklemini yazmanın kısaltılmış bir biçimi kullanılır: ilk nüklid solda, son nüklid sağda yazılır, aralarında parantez içinde bu dönüşüme neden olan parçacık ilk önce gösterilir ve sonra bunun sonucunda yayılır. Bu durumda, bu tür parçacıklar için aşağıdaki harf tanımları kullanılır: α (alfa parçacığı), p (proton), n (nötron), d (döteryum çekirdeği - döteron), vb. Örneğin yukarıda tartışılan alfa bozunması için:

Ra (-, α) Rn.

"-" işareti bombardıman parçacığının bulunmadığını gösterir (çekirdeğin bozunması kendiliğinden meydana gelir).

Beta radyasyonu da β -'ye bölünür (buna genellikle denir)

Bunlar basitçe β -radyasyon) ve β + -radyasyondur. β - - radyasyon, ışık hızına yakın bir hızda hareket eden bir elektron akışıdır. Bu elektronlar bir nötronun bozunmasından kaynaklanır:

90 Th→ 91 Pa + -1 e.

Toryum-234 ve protaktinyum-234 nüklidleri aynı kütle numaralarına sahiptir. Bu tür nüklidlere izobarlar denir.

β + radyasyonunun meydana gelmesi, bir protonun bir nötrona dönüşmesi ve buna bir pozitron emisyonunun eşlik etmesinden kaynaklanmaktadır. temel parçacık bir elektronun analogu olan ancak pozitif bir yüke sahip olan:

19 K→ 18 Ar ++1 e.

Gama radyasyonu zordur Elektromanyetik radyasyon X ışınlarından daha kısa dalga boylarına sahiptir. Elektriksel olarak sapma yapmaz ve manyetik alanlar ve yüksek nüfuz etme kabiliyetine sahiptir.

γ ışınlarının emisyonu, α - ve β - bozunumuna ve ayrıca çekirdek tarafından elektron yakalama sürecine eşlik eder. İkinci durumda, çekirdek düşük enerji seviyesinden (K veya L elektronu) bir elektron yakalar ve protonlardan biri nötrona dönüşür:

1 p + -1 e		→ 0

Nüklitin kütle numarası değişmez ancak atom numarası bir azalır, örneğin:

23 V + -1 e → 22 Ti.

Kararsız, kendiliğinden bozunan nüklidlere ra- denir.

dionuklidler veya radyoaktif izotoplar . Kararlı izotoplar oluşana kadar bozunmaları devam eder. Kararlı izotoplar artık radyoaktif bozunmaya maruz kalmıyor, dolayısıyla doğada varlığını sürdürüyor. Örnekler şunları içerir: 16O ve 12C.

Yarı ömür Kararsız bir izotop, radyoaktivitesinin orijinal değerinin yarısına düştüğü zamandır. Yarı ömürler saniyenin milyonda birinden milyonlarca yıla kadar değişebilir (Tablo 1.2).

Tablo 1.2

Bazı izotopların yarı ömürleri

			Yarı ömür
			3.10-7 sn
			5.7 103
			4,5 109
			1,39·1010 yıl

Radyoaktif bozunma reaksiyonlarının çoğu, daha karmaşık ardışık nükleer reaksiyonların bileşenleridir. bir dizi radyoaktif dönüşüm veya radyoaktif seri.

Bu serideki her dönüşüm, kararsız bir izotopun oluşumuna yol açar ve bu izotop da radyoaktif bozunmaya uğrar. Ana nüklid denir ana izotop ve sonuçta ortaya çıkan kızı izotop. Bir sonraki aşamada, yavru izotop ana izotop haline gelir ve bir sonraki yavru izotopa dönüşür, vb. Bu ardışık dönüşüm zinciri, nükleer reaksiyonun sonucu kararlı bir izotop haline gelinceye kadar devam eder.

Böylece, radyoaktif uranyum serisi 238 U izotopuyla başlar ve ardışık on dört nükleer bozunma reaksiyonunun sonucu olarak kararlı 206 Pb izotopuyla sona erer. Bu durumda toplam kütle kaybı 32 birimdir.

Çekirdeklerin yüksek enerjili parçacıklarla bombardıman edilmesiyle nükleer reaksiyonlar kullanılarak hem kararlı hem de kararsız nüklitler üretilebilir. Başına-

uluma yapay nükleer dönüşüm E. Rutherford tarafından gerçekleştirildi: 1915'te

Alfa ışınlarını nitrojenden geçirerek, oksijenin kararlı izotopu olan 17 O'yu elde etti. 1935'te Irène ve Frédéric Joliot-Curie, alüminyumun alfa parçacıklarıyla bombardıman edilmesinin, alüminyumun alfa parçacıkları ürettiğini kanıtladı. radyoaktif izotop Pozitron yayan fosfor. Keşif için yapay radyoaktivite bilim adamlarına Nobel Ödülü verildi.

Nükleer reaksiyonlar gerçekleştirilirken, nükleer hedef protonlar, nötronlar ve elektronlar tarafından bombalanır, bu da nükleer bileşimde bir değişikliğe ve yeni bir kimyasal elementin oluşumuna yol açar. Bombardıman parçacıklarının hedeften gelen elektrostatik itme kuvvetlerinin üstesinden gelebilmesi için yüksek kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Bu nedenle parçacıklar, hızlandırıcı adı verilen özel kurulumlarda yüksek hızlara hızlandırılır (bunların iki ana türü doğrusal hızlandırıcı ve siklotrondur).

								Tablo 1.3
						Nükleer reaksiyonlar
				Tam denklem				Kısa form
	(α,p)
		7 N +2 O			→ 8 Ç			14 N (α ,p)17 O
	(α,n)
		13 Al +2 He→ 15 P +0 n						27 Al (α ,n)30 P
		11 Na +1 H→ 12 Mg +0 n						23 Na (p,n)23 Mg
	(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
		15 P +1 H → 15 P +1 H						31P(d,p)32P
		13 Al +1 H→ 14 Si +0 n						27 Al(d,n)28 Si
		7 N +0 n → 6 C +1 H						14 N(n,p)14C
		27 Co +0 n→ 27 Co +γ						59 Co (n,γ )60 Co
	(n, α)
		13 Al +0 n→ 11 Na +2 He						27 Al (n,α )24 Na

Yapay nükleer dönüşümler, bombardımana uğrayan ve reaksiyon sonucunda yayılan parçacıkların türüne göre sınıflandırılabilir (Tablo 1.3.).

Nükleer reaksiyonlar kullanılarak yenileri sentezlendi kimyasal elementler seri numaraları 99 veya daha fazla olan. Bu amaçla nükleer hedef, 7 N veya 12 C gibi ağır parçacıklarla bombardıman edilir. Böylece uranyum-238'in nitrojen-14 çekirdekleriyle bombardıman edilmesiyle einsteinyum elementi elde edildi:

TEKRARLAMA İÇİN MALZEMELER

Atom boyutları: ≈ 10 -8 cm Nükleer boyutlar: ≈ 10 -12 – 10 -13 cm

Nükleer maddenin yoğunluğu: ≈ 10 · 14 g/cm3

Atomaltı parçacıklar

					açılış tarihi)
ELEKTRON	9.110 10-28				Thompson (1897)
	1.673 10-24				Rutherford'un (1914)
	1.675 10-24				Çadwick (1932)

Kuantum sayıları

		İsim	Tanım	Kabul edilmiş	Ne karakterize eder
				değerler
					enerjik
		Orbital		0, 1, 2, ...n–1	yörünge şekli,
					enerjik
					alt seviye
		Manyetik		–ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ	uzaysal
					oryantasyon
					yörüngeler
		Döndürmek		+½ , -½	sahip olmak
					elektron

Atomların elektronik formülleri

Bir atomun elektronik formülünü oluşturmak için aşağıdakileri bilmeniz gerekir:

1. Gösterim sistemi: nℓх (n – enerji seviyesi sayısı: 1,2,3,..., ℓ – alt seviyenin harf gösterimi: s, p, d, f; x – elektron sayısı. Örnekler: 5s2 – iki elektron beşinci enerji seviyesinin s – alt seviyesinde (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - dördüncü enerji seviyesinin d-alt seviyesinde (n = 4, ℓ = 2) sekiz elektron.

2. Enerji alt seviyelerinin doldurulma sırası : 1s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(her alt düzey ancak bu satırdaki bir önceki tamamen oluşturulduktan sonra doldurulur).

3. Alt seviyelerin maksimum kapasitesi:

Örnek: Klor atomunun elektronik formülü, bu atomun on yedi elektronunun enerji alt seviyelerine dağılımıdır ve şu şekildedir:

17 Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Elektronik formülü yazmanın kısa bir şekli : elektronlar bulundu-

tamamen yerleşik enerji seviyelerinde, karşılık gelen soy gazın sembolü ile temsil edilir ve daha sonra kalan elektronların dağılımı gösterilir.

Örnek: klor atomunun kısa elektronik formülü:

17 Cl 3s2 3p5

Elektronların kuantum hücrelere dağılımı

Kuantum hücreleri

s-alt katmanı

p-alt düzeyi

d-alt düzey

f-alt düzeyi

Hund kuralına göre: Başlangıçta, her elektrona ayrı bir kuantum hücresi verilir (paralel dönüşlü eşleşmemiş elektronlar), sonraki elektronlar, ms değerlerinin zıt işaretli eşleştirilmiş elektronlara sahip olduğu, halihazırda işgal edilmiş hücrelere girer. .

Gösterim: ms = +½ ,↓ ms = -½

Örnekler: 6 elektron f-alt seviyesinin kuantum hücrelerini işgal eder:

f-alt düzeyi

dokuz elektron için diyagram şu şekli alır:

f-alt düzeyi

Atomların elektron grafik formülleri

17CI

2p 6

Değerlik elektronları- tamamen oluşturulmamışsa, dış enerji seviyesinin elektronları ve sondan bir önceki d-alt seviyesi.

Nüklit tanımlamaları:

üst indeks nüklidin kütle numarasıdır, alt indeks ise karşılık gelen elementin atom numarasıdır.

Örnek: klor izotopu:

17CI

Kısaltma: 36 Cl

Çekirdeğin bileşimi Proton sayısı – atom numarası, periyottaki bir elementin sıra numarası

D. I. Mendeleev'in ditik sistemi; Nötron sayısı kütle numarası ile pro-sayısı arasındaki farktır.

Örnek: klor izotopu için proton ve nötron sayısı

17 Cl: proton sayısı = 17, nötron sayısı = 36-17 = 19.

İzotoplar – aynı atom numarası, farklı atom kütleleri (çekirdek aynı sayıda proton, farklı sayıda nötron içerir)

Nükleer reaksiyonlar

Nükleer reaksiyon denkleminin sol ve sağ taraflarında aşağıdakiler arasında bir denge sağlanmalıdır:

– kütle sayılarının toplamları (üst simgeler),

– atom numaralarının toplamları (abonelikler).

Örnek:

Nükleer reaksiyon denklemini yazmanın kısaltılmış şekli:

solda - orijinal çekirdek,

sağda son nüklid var,

aralarında parantez içinde: verilen dönüşüme neden olan parçacık, ardından bunun sonucunda yayılan parçacık.

Harf tanımları:α (alfa parçacığı), p (proton), n (nötron), d (döteryum çekirdeği - döteron), vb.

Örnek: Reaksiyon için 23 Na (p,n)23 Mg

11 Na +1 H→ 12 Mg +0 n

Çekirdekteki nükleonlar nükleer kuvvetler tarafından sıkı bir şekilde tutulur. Bir nükleonu çekirdekten çıkarmak için çok fazla iş yapılması, yani çekirdeğe önemli miktarda enerji vermesi gerekir.

Bir atom çekirdeğinin Eb bağlanma enerjisi, çekirdekteki nükleonların etkileşiminin yoğunluğunu karakterize eder ve çekirdeği, onlara kinetik enerji vermeden etkileşime girmeyen bireysel nükleonlara bölmek için harcanması gereken maksimum enerjiye eşittir. Her çekirdeğin kendine ait bağlanma enerjisi vardır. Bu enerji ne kadar büyük olursa atom çekirdeği o kadar kararlı olur. Nükleer kütlelerin doğru ölçümleri, çekirdeğin (mi) hareketsiz kütlesinin, onu oluşturan proton ve nötronların hareketsiz kütlelerinin toplamından her zaman daha az olduğunu göstermektedir. Bu kütle farkına kütle kusuru denir:

Bağlanma enerjisinin salınması sırasında kaybedilen Dm kütlesinin bu kısmıdır. Kütle ve enerji arasındaki ilişki yasasını uygulayarak şunu elde ederiz:

burada mn hidrojen atomunun kütlesidir.

Bu değiştirme hesaplamalar için uygundur ve bu durumda ortaya çıkan hesaplama hatası önemsizdir. A.m.u. cinsinden bağlanma enerjisi formülünde Dm'yi değiştirirsek; bundan dolayı Avustralya, Brezilya ve Kuzey Amerika ülkelerinin kullandığı saat uygulaması yazılabilir:

Önemli bilgiÇekirdeklerin özellikleri üzerindeki spesifik bağlanma enerjisinin A kütle numarasına bağımlılığını içerir.

Spesifik bağlanma enerjisi E atım - 1 nükleon başına nükleer bağlanma enerjisi:

İncirde. Şekil 116, E atımının A'ya deneysel olarak kurulan bağımlılığının düzleştirilmiş bir grafiğini gösterir.

Şekildeki eğri zayıf bir şekilde ifade edilen bir maksimuma sahiptir. Kütle numarası 50 ile 60 arasında olan elementler (demir ve ona yakın elementler) en yüksek spesifik bağlanma enerjisine sahiptir. Bu elementlerin çekirdekleri en kararlı olanlardır.

Grafik, ağır çekirdeklerin D. Mendeleev tablosunun orta kısmındaki elementlerin çekirdeklerine bölünmesinin reaksiyonunun yanı sıra hafif çekirdeklerin (hidrojen, helyum) daha ağır olanlara sentezinin reaksiyonunun enerji açısından uygun olduğunu göstermektedir. reaksiyonlar, çünkü bunlara daha kararlı çekirdeklerin (büyük E atımlarıyla) oluşumu eşlik eder ve bu nedenle enerji salınımıyla ilerler (E> 0).

Nükleer kuvvetler. Çekirdek modelleri.

NÜKLEER KUVVETLER - kuvvet nükleonlar arasındaki etkileşimler; Diğer sistemlerle karşılaştırıldığında daha fazla miktarda nükleer bağlanma enerjisi sağlar. ben yanındayım. En çok önemli ve yaygın örnek güçlü etkileşim(SV). Bir zamanlar bu kavramlar eşanlamlıydı ve kuvvetin muazzam büyüklüğünü vurgulamak için “güçlü etkileşim” terimi ortaya atılmıştı. doğada bilinen diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında: elektrik-manyetik, zayıf, yerçekimi. P'yi açtıktan sonra -, R - ve benzeri. mezonlar, hiperonlar vb. hadronlar"Güçlü etkileşim" terimi, hadronların etkileşimi olarak daha geniş anlamda kullanılmaya başlandı. 1970 lerde kuantum kromodinamiği(QCD) genel olarak tanınan bir mikroskop olarak kendini kanıtlamıştır. SV teorisi. Bu teoriye göre hadronlar kompozit parçacıklar, oluşan kuarklar Ve gluonlar, ve SV sayesinde bu fonların etkileşimini anlamaya başladılar. parçacıklar.

Çekirdeğin damlacık modeli- 1936'da Niels Bohr tarafından Jacob Frenkel ve daha sonra John Wheeler tarafından geliştirilen bileşik çekirdek teorisi çerçevesinde önerilen atom çekirdeğinin yapısının en eski modellerinden biri, Karl Weizsäcker'in ilk kez temel aldığı atom çekirdeğinin bağlanma enerjisi için onun onuruna adlandırılan yarı ampirik bir formül elde etti Weizsäcker formülü.

Bu teoriye göre, atom çekirdeği, sıkıştırılamazlık, nükleer kuvvetlerin doygunluğu, nükleonların (nötronlar ve protonlar) “buharlaşması” gibi belirli özelliklere sahip olan, küresel, düzgün yüklü özel nükleer madde damlası olarak temsil edilebilir ve benzerdir. bir sıvı. Bu bağlamda, bir sıvı damlasının diğer bazı özellikleri böyle bir çekirdek damlasına kadar genişletilebilir; örneğin, yüzey gerilimi, damlanın daha küçük parçalara bölünmesi (çekirdek bölünmesi), küçük damlaların büyük bir damla halinde birleşmesi (füzyon). çekirdeklerin). Sıvı ve nükleer madde için ortak olan bu özelliklerin yanı sıra ikincisinin Pauli ilkesinden ve bir elektrik yükünün varlığından kaynaklanan spesifik özelliklerini dikkate alarak, hesaplamamıza izin veren yarı deneysel Weizsäcker formülünü elde edebiliriz. Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi ve dolayısıyla nükleon bileşimi biliniyorsa kütlesi ( toplam sayısı nükleonlar (kütle numarası) ve çekirdekteki proton sayısı).