Kiini cha atomiki. Vipimo vya Kernel

Atomu ni chembe ndogo zaidi kipengele cha kemikali, kuokoa yote Tabia za kemikali. Atomi ina kiini, ambacho kina chaji chanya ya umeme, na elektroni zenye chaji hasi. Chaji ya kiini cha kipengele chochote cha kemikali ni sawa na bidhaa ya Z na e, ambapo Z ni nambari ya atomiki. ya kipengele hiki katika jedwali la mara kwa mara la vipengele vya kemikali, e ni thamani ya msingi malipo ya umeme.

Elektroni ni chembe ndogo zaidi ya dutu yenye chaji hasi ya umeme e=1.6 · 10 -19 coulombs, inayochukuliwa kama chaji ya msingi ya umeme. Elektroni, zinazozunguka kwenye kiini, ziko katika shells za elektroni K, L, M, nk. K ni shell iliyo karibu na kiini. Saizi ya atomi imedhamiriwa na saizi ya ganda la elektroni. Atomu inaweza kupoteza elektroni na kuwa ioni chanya au kupata elektroni na kuwa ioni hasi. Chaji ya ioni huamua idadi ya elektroni zilizopotea au kupatikana. Mchakato wa kugeuza atomi ya upande wowote kuwa ioni iliyoshtakiwa inaitwa ionization.

Kiini cha atomiki (sehemu ya kati ya atomi) ina chembe za msingi za nyuklia - protoni na neutroni. Radi ya kiini ni takriban mara laki moja ndogo kuliko radius ya atomi. Msongamano wa kiini cha atomiki ni wa juu sana. Protoni- hizi ni chembe za msingi thabiti na chaji moja chanya ya umeme na misa kubwa mara 1836 kuliko wingi wa elektroni. Protoni ni kiini cha atomi ya kipengele nyepesi zaidi, hidrojeni. Idadi ya protoni kwenye kiini ni Z. Neutroni ni chembe ya msingi isiyo na upande wowote (isiyo na chaji ya umeme) yenye misa iliyo karibu sana na wingi wa protoni. Kwa kuwa wingi wa kiini huwa na wingi wa protoni na nyutroni, idadi ya nyutroni kwenye kiini cha atomi ni sawa na A - Z, ambapo A ni nambari ya molekuli ya isotopu iliyotolewa (tazama). Protoni na nyutroni zinazounda kiini huitwa nukleoni. Katika kiini, nucleons huunganishwa na nguvu maalum za nyuklia.

Kiini cha atomiki kina hifadhi kubwa ya nishati, ambayo hutolewa wakati wa athari za nyuklia. Athari za nyuklia hutokea wakati viini vya atomiki vinapoingiliana na chembe za msingi au na viini vya vipengele vingine. Kama matokeo ya athari za nyuklia, nuclei mpya huundwa. Kwa mfano, neutron inaweza kubadilika kuwa protoni. Katika kesi hii, chembe ya beta, yaani, elektroni, hutolewa kutoka kwenye kiini.

Mpito wa protoni hadi neutroni kwenye kiini unaweza kufanywa kwa njia mbili: ama chembe iliyo na misa sawa na wingi wa elektroni, lakini kwa malipo chanya, inayoitwa positron (kuoza kwa positron), hutolewa kutoka. kiini, au kiini hunasa moja ya elektroni kutoka kwa ganda la K lililo karibu nayo (K -kamata).

Wakati mwingine kiini kinachosababishwa kina ziada ya nishati (iko katika hali ya msisimko) na, kupita katika hali ya kawaida, hutoa nishati ya ziada katika fomu. mionzi ya sumakuumeme na urefu mfupi sana wa wimbi -. Nishati iliyotolewa wakati wa athari za nyuklia hutumiwa kivitendo viwanda mbalimbali viwanda.

Atomu (atomo ya Kigiriki - isiyogawanyika) ni chembe ndogo zaidi ya kipengele cha kemikali ambacho kina sifa zake za kemikali. Kila kipengele kinaundwa na aina maalum ya atomi. Atomi ina kiini, ambacho hubeba chaji chanya ya umeme, na elektroni zenye chaji hasi (tazama), na kutengeneza makombora yake ya elektroni. Ukubwa wa chaji ya umeme ya kiini ni sawa na Z-e, ambapo e ni chaji ya msingi ya umeme, sawa na ukubwa wa chaji ya elektroni (vizio vya umeme 4.8 · 10 -10), na Z ni nambari ya atomiki ya kipengele hiki. katika mfumo wa mara kwa mara wa vipengele vya kemikali (tazama.). Kwa kuwa atomi isiyo na ionized haina upande wowote, idadi ya elektroni iliyojumuishwa ndani yake pia ni sawa na Z. Muundo wa kiini (tazama kiini cha Atomiki) ni pamoja na nucleons, chembe za msingi zilizo na molekuli takriban mara 1840 zaidi kuliko wingi wa elektroni. (sawa na 9.1 10 - 28 g), protoni (tazama), zenye chaji chanya, na neutroni zisizo na malipo (tazama). Nambari ya nukleoni kwenye kiini huitwa nambari ya wingi na huteuliwa na herufi A. Idadi ya protoni katika kiini, sawa na Z, huamua idadi ya elektroni zinazoingia kwenye atomi, muundo wa shells za elektroni na kemikali. sifa za atomi. Idadi ya nyutroni kwenye kiini ni A-Z. Isotopu ni aina za kipengele kimoja, atomi ambazo hutofautiana kutoka kwa kila mmoja kwa idadi ya molekuli A, lakini zina Z sawa. Kwa hiyo, katika nuclei za atomi za isotopu tofauti za kipengele kimoja kuna idadi tofauti ya neutroni. idadi sawa protoni. Wakati wa kuashiria isotopu, nambari ya molekuli A imeandikwa juu ya ishara ya kipengele, na nambari ya atomiki chini; kwa mfano, isotopu za oksijeni zimeteuliwa:

Vipimo vya atomi huamuliwa na vipimo vya makombora ya elektroni na ni kwa Z zote thamani ya mpangilio wa cm 10 -8 Kwa kuwa wingi wa elektroni zote za atomi ni mara elfu kadhaa chini ya wingi wa kiini , wingi wa atomi ni sawia na idadi ya wingi. Misa ya jamaa ya atomi ya isotopu fulani imedhamiriwa kuhusiana na wingi wa atomi ya isotopu ya kaboni C12, iliyochukuliwa kama vitengo 12, na inaitwa molekuli ya isotopu. Inageuka kuwa karibu na idadi ya wingi wa isotopu inayofanana. Uzito wa jamaa wa atomi ya kipengele cha kemikali ni wastani (kwa kuzingatia wingi wa isotopu wa kipengele fulani) thamani ya uzito wa isotopiki na inaitwa uzito wa atomiki (misa).

Atomu ni mfumo wa hadubini, na muundo na mali zake zinaweza kuelezewa tu kwa kutumia nadharia ya quantum, iliyoundwa haswa katika miaka ya 20 ya karne ya 20 na iliyokusudiwa kuelezea matukio kwa kiwango cha atomiki. Majaribio yameonyesha kuwa chembechembe ndogo - elektroni, protoni, atomi, n.k. - pamoja na zile za mwili, zina mali ya wimbi, iliyodhihirishwa kwa kutofautiana na kuingiliwa. Katika nadharia ya quantum, kuelezea hali ya vitu vidogo, uwanja fulani wa wimbi hutumiwa, unaojulikana na kazi ya wimbi (Ψ-kazi). Kazi hii huamua uwezekano wa majimbo iwezekanavyo ya microobject, yaani, sifa ya uwezekano wa uwezekano wa udhihirisho wa baadhi ya mali zake. Sheria ya utofauti wa chaguo za kukokotoa Ψ katika nafasi na wakati (mlinganyo wa Schrodinger), ambayo inaruhusu mtu kupata kazi hii, ina jukumu sawa katika nadharia ya quantum kama sheria za mwendo za Newton katika mechanics ya classical. Kutatua equation ya Schrödinger katika hali nyingi husababisha hali tofauti zinazowezekana za mfumo. Kwa hivyo, kwa mfano, katika kesi ya atomi, safu ya kazi za mawimbi kwa elektroni zinazolingana na maadili tofauti ya nishati hupatikana. Mfumo wa viwango vya nishati ya atomiki, uliohesabiwa na mbinu za nadharia ya quantum, umepokea uthibitisho wa kipaji katika spectroscopy. Mpito wa atomi kutoka hali ya chini inayolingana na ya chini kabisa kiwango cha nishati E 0, katika hali yoyote ya msisimko E i hutokea wakati wa kunyonya sehemu fulani ya nishati E i - E 0. Atomu yenye msisimko huenda kwa hali ya msisimko mdogo au chini, kwa kawaida kwa kutoa fotoni. Katika hali hii, nishati ya photon hv ni sawa na tofauti katika nishati ya atomi katika hali mbili: hv = E i - E k ambapo h ni mara kwa mara ya Planck (6.62 · 10 -27 erg·sec), v ni mzunguko. ya mwanga.

Mbali na spectra ya atomiki, nadharia ya quantum ilifanya iwezekane kuelezea sifa zingine za atomi. Hasa, valence, asili ya vifungo vya kemikali na muundo wa molekuli zilielezwa, na nadharia ya meza ya mara kwa mara ya vipengele iliundwa.

Akisoma kifungu cha chembe ya alfa kupitia karatasi nyembamba ya dhahabu (ona sehemu ya 6.2), E. Rutherford alifikia hitimisho kwamba atomi ina kiini kizito chenye chaji chaji na elektroni zinazoizunguka.

Msingi inayoitwa sehemu ya kati ya atomi,ambamo karibu misa yote ya atomi na yake malipo chanya .

KATIKA muundo wa kiini cha atomiki inajumuisha chembe za msingi : protoni Na neutroni (viini kutoka kwa neno la Kilatini kiini- msingi) Mfano kama huo wa protoni-neutroni wa kiini ulipendekezwa na mwanafizikia wa Soviet mnamo 1932 D.D. Ivanenko. Protoni ina malipo mazuri e + = 1.06 10 -19 C na misa ya kupumzika m uk= 1.673 · 10 -27 kg = 1836 m e. Neutroni ( n) - chembe ya upande wowote na misa ya kupumzika m n= 1.675 · 10 -27 kg = 1839 m e(iko wapi wingi wa elektroni m e, sawa na 0.91 · 10 -31 kg). Katika Mtini. Mchoro 9.1 unaonyesha muundo wa atomi ya heliamu kulingana na mawazo ya mwishoni mwa karne ya 20 - mwanzoni mwa karne ya 21.

Chaji ya msingi sawa Ze, Wapi e- malipo ya protoni, Z- nambari ya malipo, sawa nambari ya serial kipengele cha kemikali katika jedwali la mara kwa mara la vipengele vya Mendeleev, i.e. idadi ya protoni kwenye kiini. Idadi ya neutroni kwenye kiini imeonyeshwa N. Kwa kawaida Z > N.

Kernels zinazojulikana kwa sasa na Z= 1 kwa Z = 107 – 118.

Idadi ya viini kwenye kiini A = Z + N kuitwa idadi ya wingi . Cores na sawa Z, lakini tofauti A zinaitwa isotopu. Cores hiyo, na sawa A kuwa na tofauti Z, zinaitwa isobars.

Kiini kinaonyeshwa na ishara sawa na atomi ya upande wowote, wapi X- ishara ya kipengele cha kemikali. Kwa mfano: hidrojeni Z= 1 ina isotopu tatu: - protium ( Z = 1, N= 0), - deuterium ( Z = 1, N= 1), - tritium ( Z = 1, N= 2), bati ina isotopu 10, nk. Katika idadi kubwa ya isotopu za kipengele kimoja cha kemikali zina kemikali sawa na sawa mali za kimwili. Kwa jumla, karibu isotopu 300 thabiti na zaidi ya 2000 za asili na zilizopatikana kwa bandia zinajulikana. isotopu za mionzi.

Ukubwa wa kiini ni sifa ya radius ya kiini, ambayo ina maana ya kawaida kutokana na blurring ya mpaka wa kiini. Hata E. Rutherford, akichambua majaribio yake, alionyesha kwamba ukubwa wa kiini ni takriban 10-15 m (ukubwa wa atomi ni 10-10 m). Kuna fomula ya majaribio ya kuhesabu radius ya msingi:

Wapi R 0 = (1.3 - 1.7) · 10 -15 m Hii inaonyesha kwamba ujazo wa nucleus ni sawia na idadi ya nucleons.

Msongamano wa suala la nyuklia ni wa utaratibu wa ukubwa wa 10 17 kg / m 3 na ni mara kwa mara kwa nuclei zote. Inazidi kwa kiasi kikubwa msongamano wa vitu vya kawaida vya densest.

Protoni na neutroni ni chachu, kwa sababu kuwa na spin ħ /2.

Kiini cha atomi kina kasi ya angular ya ndani – mzunguko wa nyuklia :

,

(9.1.2)

Wapi I – ndani(kamili)spin quantum nambari.

Nambari I inakubali nambari kamili au nusu-jumla 0, 1/2, 1, 3/2, 2, nk. Cores na hata A kuwa na mzunguko kamili(katika vitengo ħ ) na kutii takwimu Bose–Einstein(vifuani) Cores na isiyo ya kawaida A kuwa na mzunguko wa nusu-jumla(katika vitengo ħ ) na kutii takwimu Fermi–Diraki(hizo. viini - fermions).

Chembe za nyuklia zina wakati wao wa sumaku, ambao huamua wakati wa sumaku wa kiini kwa ujumla. Kitengo cha kipimo kwa muda wa magnetic wa nuclei ni magneton ya nyuklia μ sumu:

Hapa e- thamani kamili ya malipo ya elektroni; m uk- molekuli ya protoni.

Magnetoni ya nyuklia ndani m uk/m e= 1836.5 mara chini ya magneton ya Bohr, inafuata hiyo mali ya sumaku ya atomi imedhamiriwa mali ya magnetic elektroni zake .

Kuna uhusiano kati ya mzunguko wa kiini na wakati wake wa sumaku:

wapi γ sumu - uwiano wa gyromagnetic ya nyuklia.

Neutron ina wakati hasi wa sumaku μ n≈ - 1.913μ sumu tangu mwelekeo wa spin ya neutroni na wakati wake wa magnetic ni kinyume. Wakati wa magnetic wa protoni ni chanya na sawa na μ R≈ 2.793μ sumu. Mwelekeo wake unafanana na mwelekeo wa spin ya protoni.

Usambazaji wa malipo ya umeme ya protoni juu ya kiini kwa ujumla ni asymmetrical. Kipimo cha kupotoka kwa usambazaji huu kutoka kwa ulinganifu wa spherically ni wakati wa umeme wa quadrupole wa kiini Q. Ikiwa wiani wa malipo unadhaniwa kuwa sawa kila mahali, basi Q kuamua tu na sura ya kiini. Kwa hivyo, kwa ellipsoid ya mapinduzi

,

(9.1.5)

Wapi b- mhimili wa nusu ya ellipsoid kando ya mwelekeo wa spin; A- mhimili wa nusu katika mwelekeo wa perpendicular. Kwa kiini kilichoinuliwa kando ya mwelekeo wa mzunguko, b > A Na Q> 0. Kwa msingi uliowekwa bapa katika mwelekeo huu, b < a Na Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a Na Q= 0. Hii ni kweli kwa nuclei zilizo na spin sawa na 0 au ħ /2.

Ili kutazama maonyesho, bofya kiungo sahihi:

Ukubwa wa sayari na hata Jua lenyewe ni ndogo ikilinganishwa na ukubwa mfumo wa jua. Kwa mfano, umbali kutoka kwa Dunia hadi Jua kipenyo kikubwa zaidi Ukubwa wa Jua ni takriban mara 100, na umbali kutoka kwa Jua hadi sayari ya mbali zaidi ya Pluto ni mara 4,000 zaidi ya kipenyo cha Jua. Kiasi cha Jua ni tu

■iwuoiuoьoJ - Kiasi cha tufe kilicho na kipenyo sawa na umbali kutoka Jua hadi Pluto. Hali hiyo hiyo hutokea katika atomi, licha ya ukweli kwamba karibu uzito wote wa atomi umejilimbikizia kwenye kiini chake, 10 vipimo vya nucleus ni ndogo sana ikilinganishwa na vipimo vya atomi.

Vipenyo vya nuclei za atomi za vipengele tofauti hutofautiana kidogo kutoka kwa kila mmoja, lakini kwa ujumla kipenyo cha kiini ni takriban mara 100,000 ndogo kuliko kipenyo cha atomi. Hivyo

Kwa hivyo, kiini kinachukua "T" tu katika atomi

Sehemu ya kiasi chake (tunakukumbusha kwamba kiasi ni sawia na

Imejaa mchemraba wa kipenyo). Nucleus katika atomi inachukua mara 2,000 nafasi ndogo kuliko Jua kwenye mfumo wa jua.

Ukipanua kiini hadi saizi ya kichwa cha pini, chembe hiyo haitatoshea kwenye jumba kubwa la mita mia moja. Ikiwa tuliongeza msingi kwa ukubwa wa cog saa ya mfukoni, basi atomi itakuwa kubwa kuliko stima kubwa ya bahari (Mchoro 3).

Hebu sasa tuchukulie kwamba iliwezekana kubana maada kiasi kwamba viini vya atomi vingegusana. Kisha meli kubwa ya vita iliyohamishwa kwa tani 45,000 ingetosha kwenye kichwa cha pini!

Kazi yetu ni kuzungumza juu ya kiini cha atomiki na nishati yake. Hatutazungumza kwa undani juu ya atomi na muundo wake hapa, na ikiwa hapo juu tulilazimika kukaa kwa ufupi juu ya hii.

Swali ni kwa sababu tu kiini ni sehemu ya atomi. Bila kujua muundo wa atomi, haiwezekani kusoma mali ya kiini. Kwa hivyo, wanafizikia kwanza walisoma chembe kwa nguvu. Utafiti wa kiini ulikuja kuangaziwa tu miaka 15 iliyopita, wakati muundo wa atomi ulipojulikana sana Hivi sasa, uchunguzi wa mali na muundo wa kiini cha atomiki ndio suala kuu ambalo wanafizikia wengi wanasoma.

Tunajua kwamba kiini ni katikati ya atomi, tayari tunajua malipo yake, uzito na vipimo.

Lakini kernel imeundwaje? Je, kiini kinajumuisha chembe nyingine rahisi zaidi au yenyewe ni chembe rahisi? Je, inawezekana kuharibu msingi na jinsi ya kufanya hivyo? Maswali haya yote sasa yanatukabili na yanahitaji kujibiwa.

Maombi nishati ya nyuklia ni kabisa eneo jipya sayansi na teknolojia. Kwa hivyo, mengi hapa bado haijulikani. Hatutafikiria juu ya mada hii. Matumizi ya nishati ya nyuklia ambayo tulizungumza ...

Mbali na uranium, viini vya vipengele vya protactinium (malipo 91) na thorium (malipo 90) pia hutengana chini ya ushawishi wa neutroni. Matumizi ya protactinium haina maana kabisa, kwani kipengele hiki ni nadra sana: katika ...

235 Mgawanyiko wa viini 92 vya uranium katika uranium asilia iliyochanganywa na miongozo ya grafiti, kama inavyoonekana kutoka hapo juu, hadi kuundwa kwa plutonium. Inashangaza kwamba plutonium ina mali sawa na ...

Kiini ni sehemu ya kati ya atomi, ambayo karibu misa yote na chaji yake chanya hujilimbikizia. Kiini cha atomiki kinajumuisha chembe za msingi- protoni na neutroni (mfano wa protoni-neutroni ulipendekezwa na mwanafizikia wa Soviet Ivanenko, na baadaye kuendelezwa na Heisenberg). Nucleus ya atomi ina sifa ya chaji. Chaji ya kiini ni kiasi , ambapo e ni malipo ya protoni, Z ni nambari ya atomiki ya kipengele cha kemikali katika jedwali la upimaji, sawa na idadi ya protoni katika kiini. Nambari ya nukleoni katika kiini A=N+Z inaitwa nambari ya wingi, ambapo N ni nambari ya neutroni katika kiini.

Nuclei zilizo na Z sawa lakini A tofauti huitwa isotopu. Nuclei ambazo zina Z tofauti kwa A sawa huitwa isobars. Chem kuu. kipengele X kimeteuliwa

Ambapo X ni ishara ya kemikali. kipengele. Ukubwa wa kiini ni sifa ya radius ya kiini. Fomula ya majaribio ya radius ya kiini, ambapo m, inaweza kufasiriwa kama sawia na ujazo wa kiini na idadi ya nucleoni ndani yake. Msongamano wa vitu vya nyuklia ni wa mpangilio wa ukubwa na ni thabiti kwa viini vyote. Uzito wa kiini ni chini ya jumla ya wingi wa viini vyake vilivyomo na kasoro hii ya wingi imedhamiriwa na fomula ifuatayo. Uzito halisi wa kiini unaweza kuamua kwa kutumia spectrometers ya molekuli. Nucleons katika atomi ni fermions na ina spin. Nucleus ya atomi ina kasi yake ya angular - spin ya kiini - sawa na , ambapo mimi ni nambari ya ndani (jumla) ya spin quantum.

Nambari ninayokubali nambari kamili au nusu-jumla, n.k. Chembe za nyuklia zina wakati wao wa sumaku, ambao huamua wakati wa sumaku wa kiini kwa ujumla. Kitengo cha muda wa sumaku wa viini ni sumaku ya nyuklia: , ambapo e ni thamani kamili ya malipo ya elektroni, na ni wingi wa protoni. Kuna uhusiano kati ya spin ya kiini, iliyoonyeshwa katika , na wakati wake wa sumaku, wapi uwiano wa gyromagnetic wa nyuklia. Usambazaji wa malipo ya umeme ya protoni juu ya kiini kwa ujumla ni asymmetrical. Kipimo cha mkengeuko wa usambazaji huu kutoka kwa ulinganifu wa duara ni saa ya umeme ya quadrupole Q ya kiini. Ikiwa wiani wa malipo unadhaniwa kuwa sawa kila mahali, basi Q imedhamiriwa tu na sura ya kiini. Kwa hivyo kwa kiini chenye umbo la duaradufu ya mapinduzi, , ambapo b ni mhimili wa nusu wa duaradufu kando ya mwelekeo wa spin; a - mhimili wa nusu katika mwelekeo wa perpendicular. Kwa kiini kilichoinuliwa kando ya mwelekeo wa mzunguko, b>a na Q>0. Kwa msingi uliowekwa katika mwelekeo huu, b

Kati ya nucleons zinazounda kiini kuna nguvu maalum maalum kwa kiini, ambayo kwa kiasi kikubwa huzidi nguvu za kukataa za Coulomb kati ya protoni. Wanaitwa vikosi vya nyuklia. Nguvu za nyuklia ni za darasa la kile kinachoitwa mwingiliano mkali. Tabia kuu za nguvu za nyuklia: