توجد النوكليونات في النوى في حالات تختلف اختلافًا كبيرًا عن حالاتها الحرة. باستثناء نواة الهيدروجين العادية ، في جميع النوىهناك ما لا يقل عن اثنين من النواة التي يوجد بينهما خاص القوة النووية القوية - التجاذب ، والذي يضمن استقرار النوى على الرغم من تنافر البروتونات المتشابهة الشحنة.

· طاقة الارتباط للنكليونفي النواة يسمى الكمية المادية، مساوٍ للعمل الذي يجب القيام به لإزالة النواة من النواة دون نقل الطاقة الحركية إليها.

· طاقة الربط الأساسية التي تحددها كمية هذا العمل,أن يتم,لتقسيم النواة إلى نيوكليوناتها المكونة دون نقل الطاقة الحركية إليها.

ويترتب على قانون حفظ الطاقة أنه أثناء تكوين النواة ، يجب إطلاق مثل هذه الطاقة التي يجب إنفاقها عندما تنقسم النواة إلى النواة المكونة لها. طاقة الارتباط النووي هي الفرق بين طاقة جميع النوكليونات الحرة التي تشكل النواة وطاقتها في النواة.

عندما تتشكل النواة ، تقل كتلتها: تكون كتلة النواة أقل من مجموع كتل النوى المكونة لها. يتم تفسير الانخفاض في كتلة النواة أثناء تكوينها من خلال إطلاق طاقة الارتباط. لو دبليو sv هو مقدار الطاقة المنبعثة أثناء تكوين النواة ، ثم الكتلة المقابلة

(9.2.1)

مُسَمًّى عيب في الكتلة ويميز الانخفاض في الكتلة الكلية أثناء تكوين النواة من النوى المكونة لها.

إذا كانت النواة لها كتلة ميتكون السم من ضالبروتونات مع الكتلة م صو من ( أ – ض) نيوترونات مع كتلة م، الذي - التي:

.

(9.2.2)

بدلا من كتلة النواة مقيمة السموم ∆ ميمكن التعبير عنها من حيث الكتلة الذرية مفي:

,

(9.2.3)

أين محهي كتلة ذرة الهيدروجين. في الحساب العملي ، ∆ ميتم التعبير عن كتل جميع الجسيمات والذرات من حيث وحدات الكتلة الذرية (أ. م). وحدة كتلة ذرية تقابل وحدة طاقة ذرية (a.e.): 1 a.u.e. = 931.5016 ميغا إلكترون فولت.

يعمل الخلل الكتلي كمقياس لطاقة الربط النووية:

.

(9.2.4)

طاقة الارتباط المحددة للنواة ω شارع تسمى طاقة الربط,لكل نواة:

.

(9.2.5)

قيمة ω St هي 8 MeV / nucleon في المتوسط. على التين. يوضح الشكل 9.2 اعتماد طاقة الربط المحددة على عدد الكتلة أ، والذي يميز قوى الرابطة المختلفة للنيوكليونات في نوى مختلفة العناصر الكيميائية. نوى العناصر في الجزء الأوسط من النظام الدوري () ، أي من إلى ، الأكثر ديمومة.

في هذه النوى ، ω قريبة من 8.7 MeV / nucleon. مع زيادة عدد النوكليونات في النواة ، تقل طاقة الارتباط المحددة. تحتوي نوى ذرات العناصر الكيميائية الموجودة في نهاية النظام الدوري (على سبيل المثال ، نواة اليورانيوم) على ω St 7.6 MeV / nucleon. هذا يفسر إمكانية إطلاق الطاقة أثناء انشطار النوى الثقيلة. في منطقة الأعداد الكتلية الصغيرة ، توجد "قمم" حادة لطاقة الربط المحددة. الحد الأقصى هو سمة من سمات النوى مع عدد زوجي من البروتونات والنيوترونات (، ،) ، والحد الأدنى هو سمة من سمات النوى مع عدد فردي من البروتونات والنيوترونات (، ،).

إذا كانت النواة تحتوي على أقل طاقة ممكنة ، فهي موجودة الخامس حالة الطاقة الأساسية . إذا كانت النواة لديها طاقة ، فهي موجودة الخامس حالة الطاقة المثارة . تتطابق الحالة مع انقسام النواة إلى النوى المكونة لها. على عكس مستويات الطاقة في الذرة ، والتي يتم فصلها بوحدات إلكترون فولت ، يتم فصل مستويات طاقة النواة عن بعضها البعض بواسطة megaelectronvolt (MeV). هذا يفسر أصل وخصائص إشعاع جاما.

أتاحت البيانات المتعلقة بالطاقة الرابطة للنواة واستخدام نموذج إسقاط النواة إمكانية إنشاء بعض الانتظام في الهيكل النوى الذرية.

معيار استقرار النوى الذريةهي النسبة بين عدد البروتونات والنيوترونات في قلب مستقرلبيانات isobars (). يؤدي شرط الحد الأدنى من الطاقة النووية إلى العلاقة التالية بين ضالفم و أ:

.

(9.2.6)

خذ عددًا صحيحًا ضالفم الأقرب إلى الفم الذي حصلت عليه هذه الصيغة.

للقيم الصغيرة والمتوسطة أعدد النيوترونات والبروتونات في النوى المستقرة هو نفسه تقريبًا: ض ≈ أ – ض.

مع النمو ضتنمو قوى كولوم الطاردة للبروتونات بشكل متناسب ض·( ض – 1) ~ ض 2 (التفاعل الزوجي للبروتونات) ، وللتعويض عن هذا التنافر عن طريق التجاذب النووي ، يجب زيادة عدد النيوترونات أسرع من الرقمالبروتونات.

لعرض العروض التوضيحية ، انقر فوق الارتباط التشعبي المناسب:

الكتلة الذرية النسبيةإن a للعنصر الكيميائي (يُعطى جنبًا إلى جنب مع رمز العنصر ورقمه الترتيبي في كل خلية من النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev) هو متوسط ​​قيمة الكتل النظيرية النسبية ، مع مراعاة المحتوى النظيري. توضح الكتلة الذرية النسبية في الواقع عدد المرات التي تكون فيها كتلة ذرة معينة أكبر من كتلة 1/12 من نظير الكربون. مثل أي قيمة ذات صلة، Ar هي كمية بلا أبعاد.

لكل وحدة كتلة ذرية ( وحدة الكتلة الذرية - a.m.u.) مقبول حاليًا على أنه 1/12 من كتلة نوكلييد 12 C. تُعزى كتلة 12.0000 amu إلى هذه النويدات. قيمة حقيقيةوحدة الكتلة الذرية 1.661 10-27 كجم.

كتل الجسيمات الأساسية الثلاثة ، معبرًا عنها في amu ، لها القيم التالية:

كتلة البروتون هي 1.007277 صباحًا ، كتلة النيوترون هي 1.008665 صباحًا ، كتلة الإلكترون 0.000548 صباحًا.

1.9.4. عيب في الكتلة

إذا قمت بحساب كتلة أي نظير (كتلة نظيرية) عن طريق جمع كتل العدد المقابل من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، فلن تعطي النتيجة تطابقًا تامًا مع التجربة. التناقض بين

تسمى القيم المقاسة والمكتشفة تجريبياً لكتل ​​النظائر

عيب في الكتلة.

لذلك ، على سبيل المثال ، الكتلة النظيرية لأحد نظائر الكلور 35 Cl ، التي تم الحصول عليها عن طريق إضافة كتل سبعة عشر بروتونًا وثمانية عشر نيوترونًا وسبعة عشر إلكترونًا ، هي:

17 1.007277 + 18 1.008665 + 17 0.000548 = 35.289005 وحدة دولية

ومع ذلك ، فإن التحديدات التجريبية الدقيقة لهذه الكمية تعطي النتيجة 34.96885 صباحًا. عيب الكتلة هو 0.32016 amu.

يمكن إعطاء تفسيرات لظاهرة الخلل الجماعي باستخدام الأفكار التي صاغها ألبرت أينشتاين في نظرية النسبية. عيب الكتلة يتوافق مع الطاقة المطلوبة للتغلب على قوى التنافر بين البروتونات.

وبعبارة أخرى ، فإن عيب الكتلة هو مقياس للطاقة الرابطة للجسيمات النووية. إذا كان من الممكن تقسيم النواة إلى النيوكليونات المكونة لها ، فإن كتلة النظام ستزداد بمقدار عيب الكتلة. تُظهر طاقة الربط الفرق بين طاقة النوكليونات في النواة وطاقتها في الحالة الحرة ، أي طاقة الربط هي الطاقة المطلوبة لفصل النواة إلى النكليونات المكونة لها.

يمكن حساب طاقة الربط بواسطة معادلة أ. أينشتاين:

E = mc2 ،

حيث: m الكتلة بالكيلوجرام ، s هي سرعة الضوء - 2.9979108 m / s ، E هي الطاقة في J. على سبيل المثال ، طاقة الربط لمول واحد (4 جم) من النويدة 4 He (الضرس)

عيب الكتلة 3.0378 10-5 كجم) يساوي:

∆ Е = (3.0378 10-5 كجم / مول) (2.9979108 م / ث) 2 = 2.730 1012 جول / مول هذه الطاقة تتجاوز طاقة الرابطة التساهمية العادية بأكثر من

10 مليون مرة. للحصول على هذه الطاقة من خلال تفاعل كيميائي ، سيكون من الضروري استخدام عشرات الأطنان من المادة.

نظرًا لأن طاقة الربط عالية للغاية ، فمن المعتاد التعبير عنها في ميغا إلكترون فولت (1 ميغا إلكترون فولت = 9.6 1010 جول / مول) لكل نيكلون. وبالتالي ، فإن طاقة الربط لكل نواة في نواة 4 He هي تقريبًا 7 MeV ، وفي النواة 35 Cl تبلغ 8.5 MeV.

1.9.5. القوى النووية

نواة الذرة هي كائن خاص للدراسة. حتى مع الفحص السطحي له ، هناك الكثير من الحيرة. لماذا لا تتنافر البروتونات التي تتكون منها النواة مع بعضها البعض وفقًا للقوانين الأولية للكهرباء الساكنة؟ تُظهر أبسط الحسابات باستخدام قانون كولوم أنه عند المسافات النووية ، يجب أن يتنافر بروتونان بقوة تبلغ حوالي 6000 نيوتن ، وينجذبان لبعضهما البعض بقوة أكبر 40 مرة من هذه القيمة. علاوة على ذلك ، تعمل هذه القوة بالتساوي بين بروتونين وبين نيوترونين ، وكذلك بين بروتون ونيوترون ، أي مستقلة تمامًا عن شحنة الجسيمات.

من الواضح أن القوى النووية تمثل فئة مختلفة تمامًا من القوى ؛ لا يمكن اختزالها في تفاعلات كهروستاتيكية. الطاقة المصاحبة للتفاعلات النووية أكبر بملايين المرات من الطاقة التي تميز التحولات الكيميائية.

يعطي تطبيق مبادئ ميكانيكا الكم على وصف حركة الإلكترونات نتائج مرضية للغاية في الوقت الحاضر. هل يمكن استخدام هذه النظرية لنمذجة العمليات التي تحدث في نواة الذرة؟ أهم ميزةالقوى النووية هي نصف قطر صغير للغاية من عملها. في الواقع ، تحدث حركة الإلكترون في منطقة من الفضاء مقدرة بقيم تتراوح بين 10-8 سم ، وتحدث جميع الظواهر داخل النواة على مسافات تتراوح بين 10-12 سم وأقل. هذه القيم أكبر قليلاً من الأحجام الجوهرية للنيوكليونات. يمكن مقارنة نسبة المقاييس التي تميز حركة الإلكترون من ناحية والظواهر النووية الداخلية من ناحية أخرى بترتيب المقدار بنفس النسبة

للعالم الكبير ، الذي يخضع لقوانين الميكانيكا الكلاسيكية ، والعالم المصغر الذي يعيش وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم.

مع هذا الحجم الصغير للنواة ، تتركز فيه كتلة الذرة بأكملها تقريبًا. بمعرفة الحجم التقريبي للنواة وكتلة الذرة ، من الممكن تقدير كثافة المادة النووية: فهي تتجاوز متوسط ​​كثافة المادة العادية بمعامل 2 1017 وتصل إلى قيمة 1013 - 1014 جم / سم 3. تؤدي محاولة فهم هذه الكميات حقًا إلى الرسم التوضيحي التالي: مع كثافة مماثلة لمادة ، يجب أن يحتوي حجم رأس المطابقة (حوالي 5 مم 3) على كتلة يساوي الكتلةمليون طن من المياه. إذا سقط رأس التطابق هذا على سطح الأرض ، فسيخترق كل الصخور ويخترق مركز الكوكب.

1.9.6. التحولات النووية

تسمى تحولات النوى الذرية بسبب تفاعلها مع الجسيمات الأولية أو مع بعضها البعض التفاعلات النووية.

الانشطار النووي العفوي النشاط الإشعاعي الطبيعي- مصحوبة بثلاثة أنواع من الإشعاع.

إشعاع ألفا عبارة عن تيار من نوى ذرات الهيليوم بشحنة +2 وعدد كتلي 4 ​​(4 He). توضح الشحنة الموجبة لهذه الجسيمات حقيقة انحراف أشعة ألفا الحقل الكهربائينحو لوحة سالبة الشحنة ، ونسبيًا حجم كبيرتبرر ذرات الهيليوم قوة اختراق أقل بكثير مقارنة بالنوعين الآخرين من الإشعاع.

من الواضح أنه عندما ينبعث مثل هذا الجسيم ، تفقد النواة بروتونين ونيوترونين. يؤدي فقدان بروتونين إلى تقليل العدد الذري بوحدتين ، وبالتالي تكون النتيجة تكوين عنصر كيميائي جديد.

على سبيل المثال ، تتحول نوكليد الراديوم 226 ، عند فقد جسيم ألفا ، إلى نوكليدة الرادون -222 ، والتي يمكن تمثيلها على أنها معادلات التفاعل النووي:

88 رع → 86 آك +2 هو.

عند تجميع مثل هذه المعادلات ، يجب على المرء أن يلاحظ المساواة في مجموع الأعداد الذرية ومجموع أعداد الكتلة على الجانبين الأيمن والأيسر (يجب ضمان الشحنة والحفاظ على الكتلة).

في بعض الحالات ، يتم أيضًا استخدام شكل مختصر لكتابة معادلة التفاعل النووي: يتم كتابة النويدات الأولية على اليسار ، والنويدات النهائية مكتوبة على اليمين ، بين أقواس بينهما ، أولاً ، يُشار إلى الجسيم الذي يسبب هذا التحول ، ومن ثم انبعث نتيجة لذلك. في هذه الحالة ، تُستخدم تسميات الحروف لمثل هذه الجسيمات: α (جسيم ألفا) ، p (بروتون) ، ن (نيوترون) ، د (نواة الديوتيريوم - ديوتيرون) ، إلخ. على سبيل المثال ، بالنسبة لانحلال ألفا الذي تمت مناقشته أعلاه:

رع (- ، α) Rn.

تشير العلامة "-" إلى عدم وجود جسيم قصف (يحدث اضمحلال النواة تلقائيًا).

إشعاع بيتا ، بدوره ، ينقسم إلى β - (يطلق عليه عادة

هي ببساطة إشعاع) و β + إشعاع. β - الإشعاع هو تيار من الإلكترونات تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. تأتي هذه الإلكترونات من اضمحلال النيوترون:

90 ث → 91 باسكال + -1 هـ.

نيوكليدات الثوريوم - 234 والبروتكتينيوم - 234 لها نفس أعداد الكتلة. تسمى هذه النويدات الأيزوبار.

يرجع ظهور الإشعاع β + إلى تحول البروتون إلى نيوترون ، مصحوبًا بانبعاث بوزيترون - جسيم أولي ، وهو نظير للإلكترون ، ولكن له شحنة موجبة:

19 K → 18 Ar ++ 1 e.

إشعاع جاما صعب الاشعاع الكهرومغناطيسيبأطوال موجية أقصر من الأشعة السينية. لا ينحرف في الكهرباء و المجالات المغناطيسيةولديه قوة اختراق عالية.

يصاحب انبعاث أشعة جاما انحلال ألفا وبيتا ، وكذلك عملية التقاط الإلكترون بواسطة النواة. في الحالة الأخيرة ، تلتقط النواة إلكترونًا من مستوى طاقة منخفض (K- أو L- إلكترون) ، ويتحول أحد البروتونات إلى نيوترون:

1 ص + -1 هـ		→ 0n.

لا يتغير عدد كتلة النويدة ، لكن العدد الذري يتناقص بواحد ، على سبيل المثال:

23 V + -1 e → 22 Ti.

تسمى النويدات غير المستقرة والمتحللة تلقائيًا

النوكليدات أو النظائر المشعة . يستمر اضمحلالها حتى يتم تكوين نظائر مستقرة. لم تعد النظائر المستقرة عرضة للانحلال الإشعاعي ، لذلك فهي تستمر في الطبيعة. الأمثلة هي 16O و 12 ج.

نصف الحياةيسمى النظير غير المستقر بالوقت الذي ينخفض ​​فيه نشاطه الإشعاعي إلى النصف مقارنة بالنظير الأصلي. يمكن أن تتراوح فترات نصف العمر من مليون من الثانية إلى ملايين السنين (الجدول 1.2).

الجدول 1.2

نصف عمر بعض النظائر

			نصف الحياة
			3 10-7 ق
			5.7103
			4.5 109
			1.39 1010 سنوات

العديد من تفاعلات الاضمحلال الإشعاعي الأجزاء المكونةالتفاعلات النووية المتسلسلة الأكثر تعقيدًا - ما يسمى ب سلسلة من التحولات المشعةأو سلسلة مشعة.

كل تحول في مثل هذه السلسلة يؤدي إلى تكوين نظير غير مستقر ، والذي بدوره يخضع للاضمحلال الإشعاعي. يسمى النويدة الأم النظير الأبويوالنتيجة نظير ابنة. في المرحلة التالية ، يصبح نظير الابنة هو النظير الأم ، ويتحول إلى الطفل التالي ، وهكذا. تستمر هذه السلسلة من التحولات المتتالية حتى يصبح النظير المستقر نتيجة تفاعل نووي.

وهكذا ، تبدأ سلسلة اليورانيوم المشعة بالنظير 238 U ، ونتيجة لأربعة عشر تفاعلًا متتاليًا من الاضمحلال النووي ، تنتهي بالنظير المستقر 206 Pb. في هذه الحالة ، الخسارة الكلية للكتلة هي 32 وحدة.

يمكن إنتاج كل من النويدات المستقرة وغير المستقرة من خلال التفاعلات النووية عن طريق قصف النوى بجزيئات عالية الطاقة. لكل-

صوت التحول النووي الاصطناعيقام بها إ. رذرفورد: في عام 1915

دو ، أثناء تمريره لأشعة ألفا عبر النيتروجين ، تلقى نظيرًا ثابتًا للأكسجين 17 O. في عام 1935 ، أثبتت إيرين وفريدريك جوليو كوري أنه نتيجة لقصف الألومنيوم بجزيئات ألفا ، النظير المشعالبوزيترونات المنبعثة من الفوسفور. من أجل الاكتشاف النشاط الإشعاعي الاصطناعيحصل العلماء على جائزة نوبل.

أثناء التفاعلات النووية ، يتم قصف الهدف النووي بالبروتونات والنيوترونات والإلكترونات ، مما يؤدي إلى تغيير في التركيب النووي وتشكيل عنصر كيميائي جديد. يجب أن تتمتع جسيمات القصف بطاقة حركية عالية للتغلب على قوى التنافر الكهروستاتيكية من الهدف. لذلك ، يتم تسريع الجسيمات إلى سرعات عاليةفي منشآت خاصة تسمى المسرعات (هناك نوعان رئيسيان: معجل خطي وسيكلوترون).

								الجدول 1.3
						التفاعلات النووية
				معادلة كاملة				نموذج قصير
	(α ، ص)
		7 ن +2 هو			→ 8 س			14 شمال (α ، ص) 17 س
	(α ، ن)
		13 Al +2 He → 15 P +0 n						27 Al (α، n) 30 ص
		11 Na +1 H → 12 Mg +0 n						23 نا (ص ، ن) 23 ملغ
	(ص ، أ)
		4 كن +1 H → 3 Li +2 He						9 كن (ص ، α) 6 لي
		7 N +1 H → 8 O + γ						14 شمال (ص ، γ) 15 س
		15P + 1H → 15P + 1H						31P (د ، ص) 32 ص
		13 Al +1 H → 14 Si +0 n						27 آل (د ، ن) 28 ش
		7 N +0 n → 6 C +1 H.						14N (ن ، ع) 14 ج
		27 Co +0 n → 27 Co + γ						59 Co (n، γ) 60 Co
	(ن ، أ)
		13 Al +0 n → 11 Na +2 He						27Al (n، α) 24Na

يمكن تصنيف التحولات النووية الاصطناعية وفقًا لنوع الجسيمات التي يتم قصفها وانبعاثها نتيجة التفاعل (الجدول 1.3.).

بمساعدة التفاعلات النووية ، تم تصنيع عناصر كيميائية جديدة بأرقام ذرية 99 وأكثر. لهذا الغرض ، يتم قصف هدف نووي بجزيئات ثقيلة ، على سبيل المثال ، 7 N أو 12 C. وهكذا ، تم الحصول على عنصر أينشتينيوم بقذف اليورانيوم 238 بنواة النيتروجين -14:

كرر المواد

أبعاد الذرة: ≈ 10 - 8 سم أبعاد النواة: ≈ 10 - 12 - 10 - 13 سم

كثافة المادة النووية: ≈ 10 14 جم / سم 3

الجسيمات دون الذرية

					موعد الافتتاح)
إلكترون	9.110 10-28				طومسون (1897)
	1.673 10-24				رذرفورد (1914)
	1.675 10-24				تشادويك (1932)

عدد الكمية

		اسم	تعيين	قبلت	ما يميز
				قيم
					طاقة
		المداري		0 ، 1 ، 2 ، ... ن -1	الشكل المداري
					طاقة
					المستوى الفرعي
		مغناطيسي		–ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ	مكاني
					توجيه
					المدارات
		يلف		+½ , -½	ملك
					إلكترون

الصيغ الإلكترونية للذرات

لكتابة الصيغة الإلكترونية للذرة ، عليك معرفة ما يلي:

1. الرموز: nℓх (n هو رقم مستوى الطاقة: 1،2،3 ، ... ، هو التعيين بالأحرف للمستوى الفرعي: s ، p ، d ، f ؛ x هو عدد الإلكترونات). أمثلة: 5s2 - اثنان الإلكترونات لكل ثانية - المستوى الفرعي لمستوى الطاقة الخامس (ن = 5 ، ℓ = 0) ، 4d8 - ثمانية إلكترونات على المستوى الفرعي d لمستوى الطاقة الرابع (ن = 4 ، ℓ = 2).

2. تسلسل ملء مستويات الطاقة الفرعية : 1 ثانية< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(يتم ملء كل مستوى فرعي فقط بعد أن يتم بناء المستوى السابق في هذا الصف بالكامل).

3. السعة القصوى للمستويات الفرعية:

مثال: الصيغة الإلكترونية لذرة الكلور هي توزيع سبعة عشر إلكترونًا لذرة معينة على مستويات فرعية للطاقة ولها الشكل:

17 كل 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

شكل مختصر لكتابة صيغة الكترونية : إيجاد الإلكترونات-

في مستويات الطاقة المبنية بالكامل يتم تمثيلها برمز الغاز النبيل المقابل ، متبوعًا بتوزيع الإلكترونات المتبقية.

مثال: صيغة إلكترونية قصيرة لذرة الكلور:

17Cl 3s2 3p5

توزيع الإلكترونات في الخلايا الكمومية

الخلايا الكمومية

s- المستوى الفرعي

ص-المستوى الفرعي

د- المستوى الفرعي

و-المستوى الفرعي

وفقًا لقاعدة Hund: في البداية ، يُعطى كل إلكترون خلية كمية منفصلة (إلكترونات غير مقترنة مع لفات متوازية) ، تدخل الإلكترونات التالية الخلايا المشغولة بالفعل ، بالنسبة لها ، فإن قيم ms لها علامة معاكسة - إلكترونات مقترنة).

تدوين: ms = +، ↓ ms =-

أمثلة: 6 إلكترونات تحتل الخلايا الكمومية من المستوى الفرعي f:

و-المستوى الفرعي

بالنسبة لتسعة إلكترونات ، يأخذ المخطط الشكل:

و-المستوى الفرعي

الصيغ الرسومية الإلكترونية للذرات

17 سل

2p6

إلكترونات التكافؤ- إلكترونات مستوى الطاقة الخارجية ، وكذلك المستوى الفرعي d قبل الأخير ، إذا لم يتم بناؤها بالكامل.

تسميات نوكليد:

الحرف المرتفع هو الرقم الكتلي للنويدات ، والرمز المنخفض هو الرقم الذري للعنصر المقابل.

مثال: نظير الكلور:

17 سل

الاختصار: 36 سل

تكوين النواة عدد البروتونات هو العدد الذري ، الرقم الترتيبي للعنصر في الفترة

نظام D. I. Mendeleev's dical ؛ عدد النيوترونات هو الفرق بين عدد الكتلة وعدد

مثال: عدد البروتونات والنيوترونات لنظير الكلور

17 Cl هو: عدد البروتونات = 17 ، عدد النيوترونات = 36-17 = 19.

النظائر - نفس العدد الذري ، والكتل الذرية المختلفة (تحتوي النواة على نفس عدد البروتونات ، وعدد مختلف من النيوترونات)

التفاعلات النووية

على الجانبين الأيسر والأيمن من معادلة التفاعل النووي ، يجب الحفاظ على التوازن بين:

– مجاميع الأعداد الجماعية (الحروف الفوقية) ،

– مجاميع الأعداد الذرية (الاشتراكات).

مثال:

شكل مختصر لمعادلة التفاعل النووي:

على اليسار - النويدة الأصلية ،

على اليمين يوجد نوكليدة نهائية ،

بين قوسين: الجسيم الذي تسبب في التحول المعطى ، ثم الجسيم المنبعث كنتيجة له.

تسميات الحروف: α (جسيم ألفا) ، ف (بروتون) ، ن (نيوترون) ، د (نواة الديوتيريوم - ديوتيرون) ، إلخ.

مثال: 23 Na (p، n) 23 Mg للتفاعل

11 Na +1 H → 12 Mg +0 n

تظهر الدراسات أن النوى الذرية هي تكوينات مستقرة. هذا يعني أن هناك علاقة معينة بين النوى في النواة.

يمكن تحديد كتلة النوى بدقة شديدة باستخدام مطياف الكتلة - أدوات القياس التي تفصل حزم الجسيمات المشحونة (عادة الأيونات) بشحنات محددة مختلفة باستخدام المجالات الكهربائية والمغناطيسية س / موأظهرت قياسات الطيف الكتلي ذلك كتلة النواة أقل من مجموع كتل النوى المكونة لها.ولكن نظرًا لأن أي تغيير في الكتلة يجب أن يتوافق مع تغير في الطاقة ، وبالتالي ، يجب إطلاق طاقة معينة أثناء تكوين النواة. ويتبع العكس أيضًا من قانون الحفاظ على الطاقة: من أجل تقسيم النواة إلى مكوناتها ، من الضروري إنفاق نفس كمية الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء تكوينها. تسمى الطاقة المطلوبة لتقسيم النواة إلى نيوكليونات فردية الطاقة النووية الملزمة.

حسب التعبير (40.9) ، الطاقة الرابطة للنيوكليونات في النواة

أين t p ، t n ، tأنا - كتل البروتون والنيوترون والنواة على التوالي. الجداول عادة لا تعطي الجماهير. تيأنا النوى والجماهير تيذرات. لذلك ، بالنسبة للطاقة الرابطة للنواة ، يتم استخدام الصيغة

أين م H كتلة ذرة الهيدروجين. لأن مح أكثر م صبالمبلغ أنا، فإن المصطلح الأول بين قوسين مربعين يشمل الكتلة ضالإلكترونات. ولكن منذ كتلة الذرة تيتختلف عن كتلة النواة تيأنا فقط بكميات كبيرة ضالإلكترونات ، ثم الحسابات بالصيغتين (252.1) و (252.2) تؤدي إلى نفس النتائج.

قيمة

مُسَمًّى عيب في الكتلةحبات. تتناقص كتلة كل النوكليونات بهذه القيمة عندما تتكون منها نواة ذرية.

في كثير من الأحيان ، بدلاً من طاقة الربط ، يعتبر المرء طاقة رابطة محددة دشارع. - طاقة الربط لكل نواة. يميز استقرار (قوة) النوى الذرية ، أي أكثر دشارع. , كلما كان اللب أكثر استقرارًا. تعتمد طاقة الربط المحددة على عدد الكتلة أعنصر (الشكل 342). للنواة الخفيفة ( أ£ 12) تزداد طاقة الربط المحددة بشكل حاد حتى 6-7 MeV ، وتخضع لعدد من القفزات (على سبيل المثال ، لـ H د cv = 1.1 MeV ، لـ He - 7.1 MeV ، لـ Li - 5.3 MeV) ، ثم يزداد ببطء إلى قيمة قصوى تبلغ 8.7 MeV للعناصر ذات أ\ u003d 50¸ 60 ، ثم يتناقص تدريجياً للعناصر الثقيلة (على سبيل المثال ، بالنسبة لـ U فهو 7.6 MeV). لاحظ للمقارنة أن طاقة الربط لإلكترونات التكافؤ في الذرات تبلغ حوالي 10 فولت (10 6 مرات أقل).

يُفسر الانخفاض في طاقة الارتباط المحددة أثناء الانتقال إلى العناصر الثقيلة من خلال حقيقة أنه مع زيادة عدد البروتونات في النواة ، تزداد طاقتها أيضًا. تنافر كولوم.لذلك ، تصبح الرابطة بين النوكليونات أقل قوة ، وتصبح النوى نفسها أقل قوة.

الأكثر استقرارًا هي ما يسمى ب النوى السحريةحيث يكون عدد البروتونات أو عدد النيوترونات مساويًا لأحد الأعداد السحرية: 2 ، 8 ، 20 ، 28 ، 50 ، 82 ، 126. مستقر بشكل خاص مرتين النوى السحرية، حيث يكون عدد البروتونات وعدد النيوترونات أمرًا سحريًا (يوجد خمسة فقط من هذه النوى: He ، O ، Ca ، Ca ، Pb).

من التين. 342 ويترتب على ذلك أن نوى الجزء الأوسط من الجدول الدوري هي الأكثر استقرارًا من وجهة نظر حيوية. النوى الثقيلة والخفيفة أقل استقرارًا. وهذا يعني أن العمليات التالية مواتية بقوة: 1) انشطار النوى الثقيلة إلى نوى أخف ؛ 2) اندماج النوى الخفيفة مع بعضها البعض في نوى أثقل. كلتا العمليتين تطلقان كميات هائلة من الطاقة ؛ يتم تنفيذ هذه العمليات حاليًا عمليًا: تفاعلات الانشطار والتفاعلات النووية الحرارية.

تكوين نواة الذرة

في عام 1932 بعد اكتشاف البروتون والنيوترون من قبل العلماء د. اقترح إيفانينكو (الاتحاد السوفياتي) و دبليو هايزنبرغ (ألمانيا) بروتون نيوتروننموذجنواة ذرية.
وفقًا لهذا النموذج ، يتكون القلب من البروتونات والنيوترونات.يتم استدعاء العدد الإجمالي للنكليونات (أي البروتونات والنيوترونات) العدد الشامل أ: أ = ض + ن . يتم الإشارة إلى نوى العناصر الكيميائية بالرمز:
Xهو الرمز الكيميائي للعنصر.

على سبيل المثال ، الهيدروجين

تم تقديم عدد من الرموز لتوصيف النوى الذرية. يُشار إلى عدد البروتونات التي تتكون منها النواة الذرية بالرمز ض و اتصل عدد تهمة (هذا هو الرقم التسلسلي في الجدول الدوري لمندليف). الشحنة النووية زي ، أين ههي الشحنة الأولية. يُشار إلى عدد النيوترونات بالرمز ن .

القوى النووية

من أجل أن تكون النوى الذرية مستقرة ، يجب الاحتفاظ بالبروتونات والنيوترونات داخل النوى بواسطة قوى هائلة ، أكبر بعدة مرات من قوى كولوم الطاردة للبروتونات. تسمى القوى التي تحتفظ بالنيوكليونات في النواة نووي . إنها مظهر من مظاهر أشد أنواع التفاعل المعروفة في الفيزياء - ما يسمى التفاعل القوي. القوى النووية أكبر بحوالي 100 مرة من القوى الكهروستاتيكية وهي أكبر بعشرات الأوامر من قوى التفاعل الثقالي للنيوكليونات.

تمتلك القوى النووية الخصائص التالية:

• لديهم قوى جذابة
• هي القوات مدى قصير(تظهر على مسافات صغيرة بين النكليونات) ؛
• لا تعتمد القوى النووية على وجود أو عدم وجود شحنة كهربائية على الجسيمات.

عيب الكتلة وطاقة الربط لنواة الذرة

يلعب المفهوم أهم دور في الفيزياء النووية الطاقة النووية الملزمة .

طاقة الارتباط للنواة تساوي الحد الأدنى من الطاقة التي يجب إنفاقها للتقسيم الكامل للنواة إلى جسيمات فردية. يترتب على قانون الحفاظ على الطاقة أن طاقة الربط تساوي الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء تكوين النواة من الجسيمات الفردية.

يمكن تحديد طاقة الارتباط لأي نواة عن طريق قياس كتلتها بدقة. في الوقت الحاضر ، تعلم الفيزيائيون قياس كتل الجسيمات - الإلكترونات والبروتونات والنيوترونات والنوى وما إلى ذلك - بدقة عالية جدًا. هذه القياسات تظهر ذلك كتلة أي نواة مأنا دائمًا أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات المكونة لها:

يسمى فرق الكتلة عيب في الكتلة. بناء على عيب الكتلة باستخدام صيغة آينشتاين ه = مولودية 2 من الممكن تحديد الطاقة المنبعثة أثناء تكوين نواة معينة ، أي طاقة الارتباط للنواة هشارع:

يتم إطلاق هذه الطاقة أثناء تكوين النواة في شكل إشعاع γ-quanta.

الطاقة النووية

في بلدنا ، تم بناء وإطلاق أول محطة للطاقة النووية في العالم في عام 1954 في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، في مدينة أوبنينسك. يجري تطوير بناء محطات طاقة نووية قوية. يوجد حاليًا 10 محطات طاقة نووية عاملة في روسيا. بعد الحادث الذي وقع في محطة تشيرنوبيل للطاقة النووية ، تم اتخاذ تدابير إضافية لضمان سلامة المفاعلات النووية.

النوى في النواة الذرية مرتبطة ببعضها البعض بواسطة القوى النووية. لذلك ، من أجل تقسيم النواة إلى البروتونات والنيوترونات الفردية ، من الضروري إنفاق الكثير من الطاقة. تسمى هذه الطاقة الطاقة الرابطة للنواة.

يتم إطلاق نفس القدر من الطاقة عندما تتحد البروتونات والنيوترونات الحرة لتشكيل نواة. لذلك ، وفقًا لنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين ، يجب أن تكون كتلة النواة الذرية أقل من مجموع كتل البروتونات والنيوترونات الحرة التي تشكلت منها. فرق الكتلة هذا Δm ، يتوافق مع الطاقة الاتصالات الأساسيةEsv ، تحدده علاقة أينشتاين:

إب = с 2 ميكرومتر. (37.1)

طاقة الارتباط للنواة الذرية عالية جدًا لدرجة أن هذا الاختلاف في الكتلة يمكن الوصول إليه تمامًا للقياس المباشر. بمساعدة أجهزة الطيف الكتلي ، تم بالفعل العثور على مثل هذا الاختلاف في الكتلة لجميع النوى الذرية.

الفرق بين مجموع الكتل المتبقية من البروتونات والنيوترونات الحرة ، والتي تتكون منها النواة ، وكتلة النواة تسمى عيب الكتلة للنواة. عادة ما يتم التعبير عن طاقة الربط في ميغا إلكترون فولت (MeV) (1 MeV = 10 6 eV). بما أن وحدة الكتلة الذرية (amu) تساوي 1.66 * 10-27 كجم ، يمكنك تحديد الطاقة المقابلة لها:

E \ u003d mc 2 ، E amu \ u003d 1.66 * 10 -27 * 9 * 10 16 J ،

E amu = (1.66 * 10 -27 * 9 * 10 16 J) / (1.6 * 10 -13 J / MeV) = 931.4 MeV.

يمكن قياس طاقة الارتباط مباشرة من توازن الطاقة في تفاعل الانشطار النووي. وهكذا ، تم تحديد طاقة الارتباط للديوترون لأول مرة أثناء انقسامه بواسطة γ-quanta. ومع ذلك ، من الصيغة (37.1) ، يمكن أن تكون طاقة الربط تحديد أكثر دقة ، منذ ذلك الحين بمساعدة مطياف الكتلةيمكن قياس كتل النظائر بدقة تصل إلى 10-4٪.

دعونا نحسب ، على سبيل المثال ، طاقة الربط لنواة الهليوم 4 2 He (جسيمات ألفا). كتلته بالوحدات الذرية M (4 2 He) = 4.001523. كتلة البروتون mр = 1.007276 ، كتلة النيوترون mn = 1.008665. ومن هنا جاء الخلل الكتلي في نواة الهليوم

Δ م = 2 / مب + 2 مليون - م (4 2 He) ،

Δ م = 2 * 1.007276 + 2 * 1.008665-4.001523 = 0.030359.

الضرب فيE a.u.m = 931.4 MeV ، نحصل عليها

إب = 0.030359 * 931.4 إلكترون فولت ≈ 28.3 إلكترون فولت.

باستخدام مطياف الكتلة ، تم قياس كتل جميع النظائر وتحديد عيب الكتلة وطاقة الارتباط للنواة. طاقات الربط لنواة بعض النظائر مذكورة في الجدول. 37.1. بمساعدة هذه الجداول ، يتم إجراء حسابات الطاقة للتفاعلات النووية.

إذا كانت الكتلة الكلية للنواة والجسيمات المتكونة في أي تفاعل نووي أقل من الكتلة الكلية للنواة والجسيمات الأولية ، فإن الطاقة المقابلة لهذا الانخفاض في الكتلة يتم إطلاقها في مثل هذا التفاعل. متى الرقم الإجمالييتم الحفاظ على البروتونات والعدد الإجمالي للنيوترونات ، ويعني الانخفاض في الكتلة الكلية أنه نتيجة للتفاعل يزداد الخلل الكلي للكتلة وفي النوى الجديدة ترتبط النكليونات ببعضها بقوة أكبر مما كانت عليه في النوى الأصلية.الطاقة المنبعثة تساوي الفرق بين طاقة الربط الكلية للنواة المتكونة وطاقة الربط الكلية للنواة الأصلية ، ويمكن إيجادها باستخدام الجدول دون حساب التغير في الكتلة الكلية. يمكن إطلاق هذه الطاقة في بيئةفي شكل طاقة حركية لنوى وجسيمات أو في شكل γ-quanta. مثال على التفاعل المصحوب بإطلاق الطاقة هو أي تفاعل عفوي.

لنقم بحساب الطاقة للتفاعل النووي لتحويل الراديوم إلى الرادون:

226 88 رع → 222 86 رن + 4 2 س.

طاقة الربط للنواة الأصلية هي 1731.6 ميغا إلكترون فولت (الجدول 37.1) ، وطاقة الربط الكلية للنواة المتكونة هي 1708.2 + 28.3 = 1736.5 إلكترون فولت وهي 4.9 إلكترون فولت أكثر من طاقة الربط للنواة الأصلية.

وبالتالي ، فإن هذا التفاعل يطلق طاقة 4.9 ميغا إلكترون فولت ، وهي بشكل أساسي الطاقة الحركية لجسيم ألفا.

إذا تم تشكيل نوى وجسيمات نتيجة تفاعل ، تكون الكتلة الكلية لها أكبر من كتلة النوى والجسيمات الأولية ، عندئذٍ يمكن لمثل هذا التفاعل أن يستمر فقط بامتصاص الطاقة المقابلة لهذه الزيادة في الكتلة ، وسوف لا تحدث من تلقاء نفسها. كمية الطاقة الممتصة تساوي الفرق بين طاقة الربط الكلية للنواة الأولية وطاقة الربط الكلية للنواة المتكونة في التفاعل.بهذه الطريقة ، من الممكن حساب الطاقة الحركية التي يجب أن يمتلكها جسيم أو نواة أخرى في حالة تصادم مع نواة مستهدفة من أجل تنفيذ هذا النوع من التفاعل ، أو لحساب القيمة المطلوبة لـ γ-quantum للانقسام من نواة.

لذلك ، فإن الحد الأدنى لقيمة γ-quantum الضروري لتقسيم الديوتيرون يساوي طاقة الربط للديوترون 2.2 MeV ، حيث أنه في هذا التفاعل:

2 1 H + γ → 1 1 H + 0 n 1

يتكون بروتون حر ونيوترون (إب = 0).

إن التوافق الجيد لهذا النوع من الحسابات النظرية مع نتائج التجارب يظهر صحة التفسير أعلاه للخلل في كتلة النوى الذرية ويؤكد المبدأ الذي أرسته نظرية النسبية وتناسب الكتلة والطاقة.

وتجدر الإشارة إلى أن ردود الفعل يحدث تحول الجسيمات الأولية (على سبيل المثال ، β-decay) ، مصحوبًا أيضًا بالإفراجأو امتصاص الطاقة المقابلة لتغير في الكتلة الكلية للجسيمات.

من الخصائص المهمة للنواة متوسط ​​طاقة الارتباط للنواة لكل نواة ، Eb / A (الجدول 37.1). كلما كان حجمها أكبر ، كلما كانت النوى مترابطة أقوى ، كانت النواة أقوى. من الجدول. يوضح الشكل 37.1 أن قيمة Eb / A لمعظم الأنوية هي حوالي 8 إلكترون فولت لكل نواة وتنخفض في حالة النوى الخفيفة والثقيلة جدًا. من بين النوى الخفيفة ، تبرز نواة الهليوم.

يظهر اعتماد قيمة Eb / A على العدد الكتلي للنواة A في الشكل. 37.12. في النوى الخفيفة ، يوجد جزء كبير من النيوكليونات على سطح النواة ، حيث لا تستخدم روابطها بالكامل ، وتكون قيمة Eb / A صغيرة. مع زيادة كتلة النواة ، تقل نسبة السطح إلى الحجم ويقل جزء النوكليونات الموجودة على السطح.. لذلك ، ينمو إب / أ. ومع ذلك ، مع زيادة عدد النوكليونات في النواة ، تزداد قوى التنافر Coulomb بين البروتونات ، مما يضعف الروابط في النواة ، وتقل قيمة Eb / A للنواة الثقيلة. وبالتالي ، فإن قيمة Eb / A هي الحد الأقصى للنوى ذات الكتلة المتوسطة (عند A = 50-60) ، لذلك فهي تتميز بأكبر قوة.

استنتاج مهم يتبع من هذا. في تفاعلات انشطار النوى الثقيلة إلى نواتين متوسطتين ، وكذلك في تركيب نواة متوسطة أو خفيفة من نواتين أخف ، يتم الحصول على نواتين أقوى من النوى الأولية (ذات قيمة أكبر لـ Eb / A) . هذا يعني أن الطاقة يتم إطلاقها أثناء مثل هذه التفاعلات.هذا هو الأساس للحصول على الطاقة الذرية في انشطار النوى الثقيلة والطاقة النووية الحرارية - في اندماج النوى.