Nucleul atomic. Dimensiunile miezului
Un atom este cea mai mică particulă element chimic, care păstrează toate Proprietăți chimice. Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ. Sarcina nucleului oricărui element chimic este egală cu produsul dintre Z și e, unde Z este numărul de serie element datîn sistemul periodic al elementelor chimice, e este valoarea elementarului incarcare electrica.
Electron- aceasta este cea mai mică particulă a unei substanțe cu sarcină electrică negativă e=1,6·10 -19 coulombi, luată ca sarcină electrică elementară. Electronii, care se rotesc în jurul nucleului, sunt localizați pe învelișurile de electroni K, L, M etc. K este învelișul cel mai apropiat de nucleu. Mărimea unui atom este determinată de mărimea învelișului său de electroni. Un atom poate pierde electroni și deveni un ion pozitiv sau poate câștiga electroni și deveni un ion negativ. Sarcina unui ion determină numărul de electroni pierduți sau câștigați. Procesul de transformare a unui atom neutru într-un ion încărcat se numește ionizare.
nucleul atomic (partea centrală a atomului) constă din particule nucleare elementare - protoni și neutroni. Raza nucleului este de aproximativ o sută de mii de ori mai mică decât raza atomului. Densitatea nucleului atomic este extrem de mare. Protoni- Acestea sunt particule elementare stabile, având o sarcină electrică pozitivă unitară și o masă de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron. Protonul este nucleul celui mai ușor element, hidrogenul. Numărul de protoni din nucleu este Z. Neutroni este o particulă elementară neutră (fără sarcină electrică) cu o masă foarte apropiată de masa unui proton. Deoarece masa nucleului este suma masei protonilor și neutronilor, numărul de neutroni din nucleul unui atom este A - Z, unde A este numărul de masă al unui izotop dat (vezi). Protonul și neutronul care formează nucleul se numesc nucleoni. În nucleu, nucleonii sunt legați de forțe nucleare speciale.
Nucleul atomic are un depozit uriaș de energie, care este eliberată în timpul reacțiilor nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când nucleele atomice interacționează cu particulele elementare sau cu nucleele altor elemente. Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se formează noi nuclei. De exemplu, un neutron se poate transforma într-un proton. În acest caz, o particulă beta, adică un electron, este ejectată din nucleu.
Tranziția în nucleul unui proton într-un neutron poate fi efectuată în două moduri: fie o particulă cu o masă egală cu masa unui electron, dar cu o sarcină pozitivă, numită pozitron (desintegrarea pozitronului), este emisă din nucleul sau nucleul captează unul dintre electronii din cel mai apropiat înveliș K (K -capture).
Uneori, nucleul format are un exces de energie (este într-o stare excitată) și, trecând în starea normală, eliberează excesul de energie sub formă radiatie electromagnetica cu lungime de undă foarte scurtă. Energia eliberată în reacțiile nucleare este practic utilizată în diverse industrii industrie.
Un atom (greacă atomos - indivizibil) este cea mai mică particulă a unui element chimic care are proprietățile sale chimice. Fiecare element este format din anumite tipuri de atomi. Structura unui atom include nucleul care poartă o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ (vezi), formând învelișurile sale electronice. Valoarea sarcinii electrice a nucleului este egală cu Z-e, unde e este sarcina electrică elementară, egală ca mărime cu sarcina electronului (4,8 10 -10 unități e.-st.), iar Z este numărul atomic a acestui element în sistemul periodic al elementelor chimice (vezi .). Deoarece un atom neionizat este neutru, numărul de electroni incluși în el este, de asemenea, egal cu Z. Compoziția nucleului (vezi. Nucleul atomic) include nucleoni, particule elementare cu o masă de aproximativ 1840 de ori mai mare decât masa unui atom. electroni (egal cu 9,1 10 - 28 g), protoni (vezi), încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină (vezi). Numărul de nucleoni din nucleu se numește număr de masă și este notat cu litera A. Numărul de protoni din nucleu, egal cu Z, determină numărul de electroni care intră în atom, structura învelișurilor de electroni și substanța chimică. proprietățile atomului. Numărul de neutroni din nucleu este A-Z. Izotopii sunt numiți varietăți ale aceluiași element, ale căror atomi diferă între ei ca număr de masă A, dar au același Z. Astfel, în nucleele atomilor diferiților izotopi ai unui element există un număr diferit de neutroni la acelasi numar protoni. La desemnarea izotopilor, numărul de masă A este scris în partea de sus a simbolului elementului, iar numărul atomic în partea de jos; de exemplu, izotopii oxigenului sunt notați: 
Dimensiunile unui atom sunt determinate de dimensiunile învelișurilor de electroni și pentru tot Z sunt de aproximativ 10 -8 cm. Deoarece masa tuturor electronilor atomului este de câteva mii de ori mai mică decât masa nucleului, masa de atomul este proporțional cu numărul de masă. Masa relativă un atom al unui izotop dat se determină în raport cu masa unui atom al izotopului de carbon C 12, luată ca 12 unități, și se numește masă izotopică. Se dovedește a fi aproape de numărul de masă al izotopului corespunzător. Greutatea relativă a unui atom al unui element chimic este valoarea medie (ținând cont de abundența relativă a izotopilor unui element dat) a greutății izotopice și se numește greutatea atomică (masă).
Un atom este un sistem microscopic, iar structura și proprietățile sale pot fi explicate doar cu ajutorul teoriei cuantice, creată în principal în anii 20 ai secolului XX și menită să descrie fenomene la scară atomică. Experimentele au arătat că microparticulele - electroni, protoni, atomi etc. - pe lângă cele corpusculare, au proprietățile valurilor manifestată prin difracție și interferență. În teoria cuantică, un anumit câmp de undă caracterizat printr-o funcție de undă (funcția Ψ) este utilizat pentru a descrie starea micro-obiectelor. Această funcție determină probabilitățile stărilor posibile ale unui micro-obiect, adică caracterizează posibilitățile potențiale de manifestare a uneia sau alteia dintre proprietățile sale. Legea de variație a funcției Ψ în spațiu și timp (ecuația Schrödinger), care face posibilă găsirea acestei funcții, joacă același rol în teoria cuantică ca și legile mișcării lui Newton din mecanica clasică. Rezolvarea ecuației Schrödinger conduce în multe cazuri la stări posibile discrete ale sistemului. Deci, de exemplu, în cazul unui atom, se obține o serie de funcții de undă pentru electroni corespunzătoare unor valori diferite (cuantificate) de energie. Sistemul nivelurilor de energie ale atomului, calculat prin metodele teoriei cuantice, a primit o confirmare strălucitoare în spectroscopie. Tranziția unui atom din starea fundamentală corespunzătoare celei mai mici nivel de energie E 0 , în oricare dintre stările excitate E i apare atunci când o anumită parte a energiei E i - E 0 este absorbită. Un atom excitat intră într-o stare mai puțin excitată sau fundamentală, de obicei cu emisia unui foton. În acest caz, energia fotonului hv este egală cu diferența dintre energiile unui atom în două stări: hv= E i - E k unde h este constanta lui Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v este frecvența de lumina.
Pe lângă spectrele atomice, teoria cuantică a făcut posibilă explicarea altor proprietăți ale atomilor. În special, au fost explicate valența, natura legăturii chimice și structura moleculelor și a fost creată teoria sistemului periodic de elemente.
Investigand trecerea unei particule α printr-o folie subțire de aur (vezi Secțiunea 6.2), E. Rutherford a ajuns la concluzia că un atom este format dintr-un nucleu greu încărcat pozitiv și electroni care îl înconjoară.
miez numit centrul atomului,în care aproape toată masa unui atom și a acestuia sarcină pozitivă .
ÎN compoziția nucleului atomic include particule elementare : protoni Și neutroni (nucleonii din cuvântul latin nucleu- miez). Un astfel de model proton-neutron al nucleului a fost propus de fizicianul sovietic în 1932 D.D. Ivanenko. Protonul are o sarcină pozitivă e + = 1,06 10 -19 C și o masă în repaus m p\u003d 1.673 10 -27 kg \u003d 1836 pe mine. neutroni ( n) este o particulă neutră cu masă în repaus m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 pe mine(unde masa electronului pe mine, este egal cu 0,91 10 -31 kg). Pe fig. 9.1 arată structura atomului de heliu conform ideilor de la sfârșitul secolului XX - începutul secolului XXI.
Taxa de bază egală Ze, Unde e este sarcina protonului, Z- numărul de taxare egal cu număr de serie element chimic din sistemul periodic de elemente al lui Mendeleev, i.e. numărul de protoni din nucleu. Se notează numărul de neutroni dintr-un nucleu N. De obicei Z > N.
Nuclee cu Z= 1 la Z = 107 – 118.
Numărul de nucleoni din nucleu A = Z + N numit numar de masa . nuclee cu aceleasi Z, dar diferit A numit izotopi. Sâmburi, care, în același timp A au diferite Z, sunt numite izobare.
Nucleul este notat cu același simbol ca atomul neutru, unde X este simbolul unui element chimic. De exemplu: hidrogen Z= 1 are trei izotopi: – protium ( Z = 1, N= 0), este deuteriu ( Z = 1, N= 1), – tritiu ( Z = 1, N= 2), staniul are 10 izotopi și așa mai departe. În marea majoritate a izotopilor aceluiași element chimic, au aceeași substanță chimică și aproape proprietăți fizice. În total, sunt cunoscuți aproximativ 300 de izotopi stabili și peste 2000 naturali și obținuți artificial. izotopi radioactivi.
Mărimea nucleului este caracterizată de raza nucleului, care are o semnificație condiționată datorită estompării limitei nucleului. Chiar și E. Rutherford, analizând experimentele sale, a arătat că dimensiunea nucleului este de aproximativ 10–15 m (dimensiunea unui atom este de 10–10 m). Există o formulă empirică pentru calcularea razei miezului:
| , | (9.1.1) |
Unde R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. Din aceasta se poate observa că volumul nucleului este proporțional cu numărul de nucleoni.
Densitatea substanţei nucleare este de ordinul a 10 17 kg/m 3 şi este constantă pentru toţi nucleele. Depășește cu mult densitatea celor mai dense substanțe obișnuite.
Protonii și neutronii sunt fermioni, deoarece au spin ħ /2.
Nucleul unui atom are propriul moment unghiular – spin nuclear :
 ,
|
(9.1.2) |
Unde eu – intern(complet)număr cuantic de spin.
Număr eu acceptă valori întregi sau jumătate întregi 0, 1/2, 1, 3/2, 2 etc. Sâmburi cu chiar A avea spin întreg(în unități ħ ) și respectați statisticile Bose–Einstein(bozoni). Sâmburi cu ciudat A avea spin semiîntreg(în unități ħ ) și respectați statisticile Fermi–Dirac(acestea. nucleii sunt fermioni).
Particulele nucleare au propriile lor momente magnetice, care determină momentul magnetic al nucleului în ansamblu. Unitatea de măsurare a momentelor magnetice ale nucleelor este magneton nuclear μ otravă:
| . | (9.1.3) |
Aici e este valoarea absolută a sarcinii electronului, m p este masa protonului.
Magneton nuclear în m p/pe mine= 1836,5 ori mai mic decât magnetonul Bohr, de aici rezultă că se determină proprietăţile magnetice ale atomilor proprietăți magnetice electronii săi .
Există o relație între spin-ul nucleului și momentul său magnetic:
| , | (9.1.4) |
unde otrava γ - raportul giromagnetic nuclear.
Neutronul are un moment magnetic negativ μ n≈ – 1,913μ otravă deoarece direcția spinului neutronilor și momentul său magnetic sunt opuse. Momentul magnetic al protonului este pozitiv și egal cu μ R≈ 2,793μ otravă. Direcția sa coincide cu direcția spinului protonului.
Distribuția sarcinii electrice a protonilor peste nucleu este în general asimetrică. Măsura abaterii acestei distribuții de la simetricul sferic este momentul electric patrupolar al nucleului Q. Dacă se presupune că densitatea de sarcină este aceeași peste tot, atunci Q determinat doar de forma nucleului. Deci, pentru un elipsoid al revoluției
 ,
|
(9.1.5) |
Unde b este semiaxa elipsoidului de-a lungul direcției de spin, A- axa in directie perpendiculara. Pentru un nucleu întins de-a lungul direcției de rotație, b > AȘi Q> 0. Pentru un nucleu oblat în această direcție, b < AȘi Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = AȘi Q= 0. Acest lucru este valabil pentru nucleele cu spin egal cu 0 sau ħ /2.
Pentru a vizualiza demonstrații, faceți clic pe hyperlinkul corespunzător:
Planetele și chiar și soarele însuși sunt mici în comparație cu dimensiunea sistem solar. De exemplu, distanța de la Pământ la Soare diametru mai mare Soarele este de aproximativ 100 de ori, iar distanța de la Soare la cea mai îndepărtată planetă Pluto este de 4.000 de ori mai mare decât diametrul Soarelui. Volumul soarelui este doar
■iwuoiuo'oJ - Volumul unei sfere cu o rază egală cu distanța de la Soare la Pluto. Aceeași situație are loc în atom, în ciuda faptului că aproape toată greutatea atomului este concentrată în nucleul său, 10 dimensiunile nucleului sunt foarte mici în comparație cu dimensiunile atomului.
Diametrele nucleelor atomilor diferitelor elemente diferă oarecum unele de altele, dar, în general, diametrul nucleului este de aproximativ 100.000 de ori mai mic decât diametrul atomului. Asa de
Astfel, nucleul ocupă doar „T” în atom
O parte din volumul său (amintim că volumul este proporțional cu
Nalen la un cub de diametru). Nucleul unui atom ocupă de 2.000 de ori mai putin spatiu decât soarele în sistemul solar.
Dacă nucleul ar fi mărit la dimensiunea unui cap de ac, atunci atomul nu ar încăpea cu greu într-o sală imensă de o sută de metri. Dacă ar fi să mărim miezul până la dimensiunea unui dinte ceas de buzunar, atunci atomul ar fi mai mare decât un imens vapor oceanic (Fig. 3).
Să presupunem acum că ar fi posibilă comprimarea materiei într-o asemenea măsură încât nucleele atomilor să se atingă. Atunci un cuirasat uriaș cu o deplasare de 45.000 de tone ar încăpea într-un cap de ac!
Sarcina noastră este să spunem despre nucleul atomic și energia acestuia. Nu vom vorbi în detaliu despre atom și structura lui aici, iar dacă mai sus ar trebui să ne oprim pe scurt asupra acestui lucru
Întrebarea este doar pentru că nucleul face parte din atom. Fără cunoașterea structurii atomului, este imposibil de studiat proprietățile nucleului. Prin urmare, fizicienii au preluat mai întâi atomul din punct de vedere energetic. Studiul nucleului a intrat în atenție doar cu aproximativ 15 ani în urmă, când structura atomului a devenit binecunoscută.În prezent, studiul proprietăților și structurii nucleului atomic este tocmai principala problemă cu care se confruntă mulți fizicieni.
Știm că nucleul este centrul atomului, îi știm deja sarcina, greutatea și dimensiunile.
Dar cum este aranjat nucleul? Nucleul este format din alte particule mai simple sau este el însuși cea mai simplă particulă? Este posibil să distrugi miezul și cum să o faci? Toate aceste întrebări apar acum în fața noastră și trebuie să li se răspundă.
Aplicație energie nucleară este destul zona noua stiinta si Tehnologie. Atât de multe sunt încă necunoscute. Nu vom fantezi despre acest subiect. Utilizarea energiei nucleare despre care am vorbit...
Pe lângă uraniu, nucleele elementelor protactiniu (sarcină 91) și toriu (sarcină 90) se fisionează și sub influența neutronilor. Utilizarea protactiniului nu face absolut nicio diferență, deoarece acest element este foarte rar: în ...
235 Fisiunea nucleelor de uraniu 92 în uraniu natural amestecat cu grafit duce, după cum reiese din cele spuse mai sus, la formarea plutoniului. Este remarcabil faptul că plutoniul are aceleași proprietăți ca...
Nucleul este partea centrală a atomului, în care se concentrează aproape toată masa și sarcina sa pozitivă. Nucleul atomic este alcătuit din particule elementare- protoni și neutroni (modelul proton-neutron a fost propus de fizicianul sovietic Ivanenko, iar ulterior dezvoltat de Heisenberg). Nucleul unui atom este caracterizat de o sarcină. Sarcina nucleului este valoarea , unde e este sarcina protonului, Z este numărul ordinal al elementului chimic din sistemul periodic, egal cu numărul de protoni din nucleu. Numărul de nucleoni din nucleu A=N+Z se numește număr de masă, unde N este numărul de neutroni din nucleu.
Nucleii cu același Z dar A diferit se numesc izotopi. Nucleii care au valori Z diferite pentru același A se numesc izobare. Miezul chimiei. elementul X este notat
Unde X este simbolul chimiei. element. Mărimea nucleului este caracterizată de raza nucleului. Formula empirică pentru raza nucleului, unde m, poate fi interpretată ca proporționalitatea volumului nucleului cu numărul de nucleoni din acesta. Densitatea materiei nucleare este de ordinul mărimii și este constantă pentru toate nucleele. Masa nucleului este mai mică decât suma maselor nucleonilor săi constituenți, iar acest defect de masă este determinat de următoarea formulă. Masa exactă a nucleului poate fi determinată cu ajutorul spectrometrelor de masă. Nucleonii dintr-un atom sunt fermioni și au spin. Nucleul unui atom are propriul său moment unghiular - spinul nucleului, egal cu , unde I este numărul cuantic de spin intern (total).
