نوکلئون ها در هسته ها در حالت هایی هستند که به طور قابل توجهی با حالت های آزاد آنها متفاوت است. به استثنای هسته هیدروژن معمولی، در تمام هسته هاحداقل دو نوکلئون وجود دارد که بین آنها یک نوکلئون خاص وجود دارد نیروی قوی هسته ای - جاذبه ای که پایداری هسته ها را با وجود دفع پروتون های دارای بار مشابه تضمین می کند.

· انرژی اتصال نوکلئوندر هسته نامیده می شود کمیت فیزیکی، برابر با کاری است که برای حذف یک نوکلئون از هسته بدون انتقال انرژی جنبشی به آن باید انجام شود.

· انرژی اتصال هسته ای بر اساس میزان کار تعیین می شود,که باید انجام شود,برای تقسیم یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن بدون اینکه انرژی جنبشی به آنها بدهد.

از قانون بقای انرژی چنین استنباط می شود که در طول تشکیل یک هسته باید انرژی آزاد شود که باید در طول تقسیم هسته به نوکلئون های سازنده آن صرف شود. انرژی اتصال یک هسته تفاوت بین انرژی تمام نوکلئون های آزاد تشکیل دهنده هسته و انرژی آنها در هسته است.

وقتی یک هسته تشکیل می شود، جرم آن کاهش می یابد: جرم هسته کمتر از مجموع جرم های نوکلئون های سازنده آن است. کاهش جرم هسته در طول تشکیل آن با آزاد شدن انرژی اتصال توضیح داده می شود. اگر دبلیو sv مقدار انرژی آزاد شده در طول تشکیل یک هسته و سپس جرم مربوطه است

(9.2.1)

تماس گرفت نقص انبوه و کاهش جرم کل را در طول تشکیل یک هسته از نوکلئون های تشکیل دهنده آن مشخص می کند.

اگر هسته جرم داشته باشد مسم از زپروتون ها با جرم m pو از ( آ – ز) نوترون های دارای جرم m n، این که:

.

(9.2.2)

به جای جرم اصلی ممقدار سم ∆ متررا می توان بر حسب جرم اتمی بیان کرد مدر:

,

(9.2.3)

جایی که مترن- جرم اتم هیدروژن در محاسبات عملی ∆ مترجرم تمام ذرات و اتم ها بر حسب بیان می شود واحدهای جرم اتمی (آ.م). یک واحد اتمی جرم با یک واحد انرژی اتمی (a.u.e.) مطابقت دارد: 1 a.u.e. = 931.5016 مگا ولت.

نقص جرم به عنوان معیاری برای انرژی اتصال هسته عمل می کند:

.

(9.2.4)

انرژی اتصال هسته ای خاص ω سنت انرژی اتصال نامیده می شود,در هر نوکلئون:

.

(9.2.5)

مقدار ωb به طور متوسط ​​8 MeV/نوکلئون است. در شکل شکل 9.2 وابستگی انرژی اتصال ویژه به عدد جرمی را نشان می دهد آ، مشخص کردن قدرت های مختلف پیوندهای نوکلئونی در هسته های مختلف عناصر شیمیایی. هسته های عناصر در قسمت میانی جدول تناوبی ()، یعنی. از تا ، بادوام ترین.

در این هسته ها، ωb نزدیک به 8.7 MeV/نوکلئون است. با افزایش تعداد نوکلئون ها در هسته، انرژی اتصال ویژه کاهش می یابد. هسته اتم های عناصر شیمیایی واقع در انتهای جدول تناوبی (مثلاً هسته اورانیوم) دارای نور ω ≈ 7.6 MeV/نوکلئون است. این موضوع امکان آزاد شدن انرژی در طی شکافت هسته های سنگین را توضیح می دهد. در ناحیه ای با اعداد جرمی کوچک، "قله های" تیز انرژی اتصال ویژه وجود دارد. ماکسیما برای هسته‌هایی با تعداد پروتون و نوترون زوج است (،،،)، مینیمم‌ها برای هسته‌هایی با تعداد فرد پروتون و نوترون مشخص است (،،،).

اگر هسته کمترین انرژی ممکن را داشته باشد، آنگاه واقع شده است V حالت انرژی پایه . اگر هسته انرژی داشته باشد، آنگاه واقع شده است V حالت انرژی برانگیخته . مورد مربوط به تقسیم یک هسته به نوکلئون های تشکیل دهنده آن است. بر خلاف سطوح انرژی یک اتم که با واحدهای الکترون ولت از هم فاصله دارند، سطوح انرژی یک هسته با مگا الکترون ولت (MeV) از هم فاصله دارند. این منشاء و خواص پرتو گاما را توضیح می دهد.

داده‌های مربوط به انرژی اتصال هسته‌ها و استفاده از مدل قطره‌ای هسته، ایجاد برخی از نظم‌های ساختاری را ممکن کرد. هسته های اتمی.

معیار پایداری هسته اتمنسبت بین تعداد پروتون و نوترون است در یک هسته پایداربرای داده های ایزوبار (). شرط حداقل انرژی هسته ای منجر به رابطه زیر می شود زدهان و آ:

.

(9.2.6)

یک عدد صحیح بگیرید زنزدیک ترین دهان به دهانی که با این فرمول به دست می آید.

در مقادیر کوچک و متوسط آتعداد نوترون ها و پروتون ها در هسته های پایدار تقریباً یکسان است: ز ≈ آ – ز.

با رشد زنیروهای دافعه کولن پروتون ها به نسبت افزایش می یابد ز·( ز – 1) ~ ز 2 (برهمکنش جفت پروتونو برای جبران این دافعه با جاذبه هسته ای، تعداد نوترون ها باید افزایش یابد سریعتر از اعدادپروتون ها

برای مشاهده دموها، روی لینک مربوطه کلیک کنید:

جرم اتمی نسبی Ar یک عنصر شیمیایی (این چیزی است که همراه با نماد عنصر و شماره سریال آن در هر سلول سیستم تناوبی D.I. مندلیف آورده شده است) مقدار متوسط ​​جرم ایزوتوپی نسبی با در نظر گرفتن محتوای ایزوتوپی است. جرم اتمی نسبی در واقع نشان می دهد که چند برابر جرم یک اتم معین از جرم 1/12 ایزوتوپ کربن بیشتر است. مانند هر ارزش نسبی، Ar یک کمیت بدون بعد است.

در واحد جرم اتمی ( واحد جرم اتمی - a.m.u.) در حال حاضر به عنوان 1/12 جرم نوکلید 12 C پذیرفته شده است. این نوکلید دارای جرم 12.0000 amu است. معنای واقعیواحد جرم اتمی 1.661 · 10-27 کیلوگرم است.

جرم سه ذره اساسی که در amu بیان می شود دارای مقادیر زیر است:

جرم پروتون - 1.007277 amu، جرم نوترون - 1.008665 amu، جرم الکترون - 0.000548 amu.

1.9.4. نقص انبوه

اگر جرم یک ایزوتوپ (جرم ایزوتوپی) را با جمع کردن جرم تعداد پروتون، نوترون و الکترون مربوطه محاسبه کنید، نتیجه مطابقت دقیقی با آزمایش نشان نخواهد داد. عدم تطابق بین محاسبات

مقادیر اندازه گیری شده و تجربی جرم ایزوتوپی نامیده می شود

نقص انبوه

به عنوان مثال، جرم ایزوتوپی یکی از ایزوتوپ های کلر 35 کلر، که با جمع کردن جرم هفده پروتون، هجده نوترون و هفده الکترون به دست می آید برابر است با:

17· 1.007277 + 18· 1.008665 + 17· 0.000548 = 35.289005 amu

با این حال، تعیین دقیق تجربی این مقدار نتیجه 34.96885 amu را می دهد. نقص جرم 0.32016 amu است.

برای پدیده نقص جرم می توان با استفاده از مفاهیمی که آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت فرموله کرد، توضیح داد. نقص جرم مربوط به انرژی مورد نیاز برای غلبه بر نیروهای دافعه بین پروتون ها است.

به عبارت دیگر نقص جرمی معیاری برای سنجش انرژی اتصال ذرات هسته ای است. اگر بتوان هسته را به نوکلئون‌های تشکیل‌دهنده آن تقسیم کرد، جرم سیستم به مقدار نقص جرم افزایش می‌یابد. انرژی اتصال تفاوت بین انرژی نوکلئون ها در هسته و انرژی آنها را در حالت آزاد نشان می دهد، یعنی. انرژی اتصال انرژی است که باید برای جدا کردن یک هسته به نوکلئون های سازنده آن صرف شود.

انرژی اتصال را می توان با استفاده از فرمول A. Einstein محاسبه کرد:

E = mc2،

که در آن: m – جرم بر حسب کیلوگرم، s – سرعت نور – 2.9979·108 m/s، E – انرژی در J. به عنوان مثال، انرژی اتصال برای یک مول (4 گرم) نوکلید 4 He (مولاری)

عیب جرمی 3.0378·10-5 کیلوگرم) برابر است با:

∆ E = (3.0378·10-5 kg/mol)·(2.9979·108 m/s)2 = 2.730·1012 J/mol این انرژی از انرژی پیوند کووالانسی معمولی بیش از

10 میلیون بار برای به دست آوردن چنین انرژی از طریق یک واکنش شیمیایی، استفاده از ده ها تن ماده ضروری است.

از آنجایی که انرژی اتصال بسیار زیاد است، مرسوم است که آن را در مگاالکترون ولت (1 MeV = 9.6·1010 J/mol) در هر نوکلئون بیان کنیم. بنابراین، انرژی اتصال در هر نوکلئون در هسته 4 He تقریباً 7 مگا الکترون ولت است، در هسته 35 کلر 8.5 مگا ولت است.

1.9.5. نیروهای هسته ای

هسته یک اتم یک جسم ویژه برای مطالعه است. حتی با یک بررسی سطحی، ابهامات زیادی ایجاد می شود. چرا پروتون هایی که هسته را تشکیل می دهند مطابق قوانین اولیه الکترواستاتیک یکدیگر را دفع نمی کنند؟ یک محاسبه ساده با استفاده از قانون کولمب نشان می دهد که در فواصل هسته ای دو پروتون باید با نیرویی در حدود 6000 نیوتن دفع شوند، اما با نیرویی 40 برابر بیشتر از این مقدار به یکدیگر جذب می شوند. علاوه بر این، این نیرو هم بین دو پروتون و بین دو نوترون و هم بین یک پروتون و یک نوترون به طور مساوی عمل می کند. کاملا مستقل از بار ذرات

بدیهی است که نیروهای هسته ای یک کلاس کاملاً متفاوت از نیروها را نشان می دهند؛ آنها را نمی توان به برهمکنش های الکترواستاتیکی تقلیل داد. انرژی همراه با واکنش‌های هسته‌ای میلیون‌ها برابر بیشتر از انرژی مشخص‌کننده تحولات شیمیایی است.

استفاده از اصول مکانیک کوانتومی در توصیف حرکت الکترون ها در حال حاضر نتایج بسیار رضایت بخشی می دهد. آیا می توان از این نظریه برای مدل سازی فرآیندهایی که در هسته اتم رخ می دهند استفاده کرد؟ مهمترین ویژگینیروهای هسته ای شعاع بسیار کوچکی از عمل خود دارند. در واقع، حرکت یک الکترون در ناحیه ای از فضا که در مقادیری در حدود 10-8 سانتی متر تخمین زده می شود، رخ می دهد و همه پدیده های درون هسته ای در فواصل حدود 10-12 سانتی متر و کمتر رخ می دهند. این مقادیر کمی بزرگتر از اندازه های ذاتی نوکلئون ها هستند. نسبت مقیاس های مشخص کننده حرکت الکترون از یک سو و پدیده های درون هسته ای از سوی دیگر به ترتیب بزرگی را می توان با همین نسبت مقایسه کرد.

برای دنیای ماکرو، که از قوانین مکانیک کلاسیک پیروی می کند، و دنیای خرد، که بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی زندگی می کند.

با چنین اندازه کوچکی از هسته، تقریباً کل جرم اتم در آن متمرکز است. با دانستن حجم تقریبی هسته و جرم اتم، می توان چگالی ماده هسته ای را تخمین زد: این چگالی از میانگین چگالی ماده معمولی 2·1017 برابر بیشتر است و در مرتبه 1013 - 1014 گرم بر سانتی متر مکعب است. تلاش برای درک واقعی چنین مقادیری منجر به مثال زیر می شود: با چنین چگالی ماده، حجم یک سر کبریت (تقریباً 5 میلی متر مکعب) باید حاوی جرم باشد. برابر جرم 1 میلیون تن آب اگر چنین سر کبریت روی سطح زمین بیفتد، تمام سنگ ها را می شکند و به مرکز سیاره نفوذ می کند.

1.9.6. تحولات هسته ای

دگرگونی های هسته اتم که در اثر برهمکنش آنها با ذرات بنیادی یا با یکدیگر ایجاد می شود، نامیده می شود. واکنش های هسته ای.

فروپاشی هسته ای خود به خود - رادیواکتیویته طبیعی- همراه با سه نوع تشعشع.

تابش آلفا جریانی از هسته های اتم هلیوم با بار +2 و جرم عدد 4 (4 He) است. بار مثبت این ذرات این واقعیت را توضیح می دهد که پرتوهای آلفا به سمت منحرف می شوند میدان الکتریکیبه سمت صفحه دارای بار منفی و نسبتاً سایز بزرگاتم‌های هلیوم قدرت نفوذ بسیار پایین‌تری را در مقایسه با دو نوع تابش دیگر توجیه می‌کنند.

بدیهی است که وقتی چنین ذره ای گسیل می شود، هسته دو پروتون و دو نوترون را از دست می دهد. از دست دادن دو پروتون، عدد اتمی را دو واحد کاهش می دهد، بنابراین نتیجه تشکیل یک عنصر شیمیایی جدید است.

به عنوان مثال، نوکلید رادیوم-226، با از دست دادن یک ذره آلفا، به هسته رادون-222 تبدیل می شود که می تواند به صورت نمایش داده شود. معادلات واکنش هسته ای:

88 Ra→ 86 Rn +2 He.

هنگام تنظیم چنین معادلاتی باید برابری مجموع اعداد اتمی و مجموع اعداد جرمی در سمت چپ و راست رعایت شود (باید از پایستگی بار و جرم اطمینان حاصل شود).

در تعدادی از موارد، شکل اختصاری برای نوشتن معادله واکنش هسته ای استفاده می شود: هسته اولیه در سمت چپ، هسته نهایی در سمت راست، در پرانتز بین آنها ابتدا ذره ای که باعث این تبدیل می شود نشان داده می شود و سپس نشان داده می شود. در نتیجه منتشر می شود. در این مورد، برای چنین ذرات از حروف زیر استفاده می شود: α (ذره آلفا)، p (پروتون)، n (نوترون)، d (هسته دوتریوم - دوترون)، و غیره. به عنوان مثال، برای واپاشی آلفا که در بالا بحث شد:

Ra (-، α) Rn.

علامت "-" عدم وجود ذره بمباران را نشان می دهد (تجزیه هسته خود به خود اتفاق می افتد).

تابش بتا به نوبه خود به β تقسیم می شود - (معمولاً نامیده می شود

آنها به سادگی تابش β) و تابش β + هستند. تابش β - - جریانی از الکترون است که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کند. این الکترون ها از فروپاشی یک نوترون به وجود می آیند:

90 Th→ 91 Pa + -1 e.

نوکلیدهای توریم-234 و پروتاکتینیم-234 دارای اعداد جرمی یکسانی هستند. چنین هسته ای ایزوبار نامیده می شود.

وقوع تابش β + به دلیل تبدیل یک پروتون به یک نوترون است که با انتشار یک پوزیترون همراه است - یک ذره بنیادی که آنالوگ الکترون است، اما دارای بار مثبت است:

19 K→ 18 Ar ++1 e.

تابش گاما سخت است تابش الکترومغناطیسیبا طول موج های کوتاه تر از اشعه ایکس. انحراف الکتریکی ندارد و میدانهای مغناطیسیو قدرت نفوذ بالایی دارد.

گسیل پرتوهای γ همراه با واپاشی α - و β - و همچنین فرآیند جذب الکترون توسط هسته است. در مورد دوم، هسته یک الکترون را از سطح انرژی پایین (الکترون K یا L) می گیرد و یکی از پروتون ها به نوترون تبدیل می شود:

1 p + -1 e		→ 0 n.

عدد جرمی نوکلید تغییر نمی کند، اما عدد اتمی یک کاهش می یابد، به عنوان مثال:

23 V + -1 e → 22 Ti.

هسته های ناپایدار و خودبه خود در حال پوسیدگی Ra- نامیده می شوند.

دیونوکلئیدها یا ایزوتوپ های رادیواکتیو . فروپاشی آنها تا تشکیل ایزوتوپ های پایدار ادامه می یابد. ایزوتوپ های پایدار دیگر در معرض واپاشی رادیواکتیو نیستند، بنابراین در طبیعت باقی می مانند. مثالها عبارتند از 16 O و 12 C.

نیمه عمرایزوتوپ ناپایدار زمانی است که رادیواکتیویته آن به نصف مقدار اولیه کاهش می یابد. نیمه عمر می تواند از میلیونم ثانیه تا میلیون ها سال متغیر باشد (جدول 1.2).

جدول 1.2

نیمه عمر برخی ایزوتوپ ها

			نیمه عمر
			3·10-7 ثانیه
			5.7 103
			4.5 109
			1.39 · 1010 سال

بسیاری از واکنش های واپاشی رادیواکتیو هستند اجزاءواکنش های هسته ای پی در پی پیچیده تر - به اصطلاح مجموعه ای از تبدیلات رادیواکتیویا سری های رادیواکتیو.

هر تبدیل در این سری منجر به تشکیل یک ایزوتوپ ناپایدار می شود که به نوبه خود دچار واپاشی رادیواکتیو می شود. نوکلید والد نامیده می شود ایزوتوپ والد، و حاصل آن است ایزوتوپ دختر. در مرحله بعد ایزوتوپ دختر به ایزوتوپ والد تبدیل می شود و به دختر بعدی تبدیل می شود و غیره. این زنجیره تبدیل های متوالی تا زمانی ادامه می یابد که نتیجه یک واکنش هسته ای به ایزوتوپ پایدار تبدیل شود.

بنابراین، سری پرتوزای اورانیوم با ایزوتوپ 238 U آغاز می شود و در نتیجه چهارده واکنش متوالی فروپاشی هسته ای، با ایزوتوپ پایدار 206 Pb پایان می یابد. در این حالت مجموع اتلاف جرم 32 واحد است.

هر دو هسته پایدار و ناپایدار را می توان با استفاده از واکنش های هسته ای با بمباران هسته ها با ذرات پر انرژی تولید کرد. مطابق-

زوزه کشیدن تبدیل مصنوعی هسته ایتوسط ای رادرفورد انجام شد: در سال 1915

با عبور پرتوهای آلفا از نیتروژن، ایزوتوپ پایدار اکسیژن 17 O را به دست آورد. در سال 1935، ایرن و فردریک ژولیوت کوری ثابت کردند که بمباران آلومینیوم با ذرات آلفا تولید می کند. ایزوتوپ رادیواکتیوفسفر که پوزیترون ساطع می کند. برای کشف رادیواکتیویته مصنوعیدانشمندان جایزه نوبل را دریافت کردند.

هنگام انجام واکنش های هسته ای، یک هدف هسته ای با پروتون، نوترون و الکترون بمباران می شود که منجر به تغییر در ترکیب هسته ای و تشکیل یک عنصر شیمیایی جدید می شود. ذرات بمباران باید انرژی جنبشی بالایی داشته باشند تا بر نیروهای دافعه الکترواستاتیکی از هدف غلبه کنند. بنابراین، ذرات شتاب می گیرند تا سرعت های بالادر تاسیسات ویژه ای به نام شتاب دهنده (دو نوع اصلی: شتاب دهنده خطی و سیکلوترون).

								جدول 1.3
						واکنش های هسته ای
				معادله کامل				شکل مختصر
	(α,p)
		7 N +2 او			→ 8 O			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)14 C
		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

دگرگونی های هسته ای مصنوعی را می توان بر اساس نوع ذرات بمباران و منتشر شده در نتیجه واکنش طبقه بندی کرد (جدول 1.3.).

با استفاده از واکنش های هسته ای، عناصر شیمیایی جدید با اعداد اتمی 99 یا بیشتر سنتز شدند. برای این منظور، هدف هسته ای با ذرات سنگین، به عنوان مثال، 7 N یا 12 C بمباران می شود. بنابراین، عنصر انیشتینیوم با بمباران اورانیوم-238 با هسته های نیتروژن-14 به دست آمد:

مواد برای تکرار

ابعاد اتم: ≈ 10 -8 سانتی متر ابعاد هسته ای: ≈ 10 -12 – 10 -13 سانتی متر

چگالی ماده هسته ای: ≈ 10 14 g/cm 3

ذرات زیر اتمی

					افتتاحیه (تاریخ)
ELECTRON	9.110 10-28				تامپسون (1897)
	1.673 10-24				رادرفورد (1914)
	1.675 10-24				چادویک (1932)

اعداد کوانتومی

		نام	تعیین	پذیرفته شده	آنچه مشخص می کند
				ارزش های
					پر انرژی
		مداری		0، 1، 2، ...n–1	شکل مداری،
					پر انرژی
					زیرسطح
		مغناطیسی		–ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ	فضایی
					گرایش
					اوربیتال ها
		چرخش		+½ , -½	خود
					الکترون

فرمول های الکترونیکی اتم ها

برای ایجاد فرمول الکترونیکی یک اتم، باید موارد زیر را بدانید:

1. سیستم نشانه گذاری: nℓх (n - تعداد سطح انرژی: 1،2،3،...، ℓ - تعیین حروف سطح فرعی: s، p، d، f؛ x - تعداد الکترون ها). مثال: 5s2 - دو الکترون در سطح s - زیرسطح پنجم انرژی (n = 5، ℓ = 0)، 4d8 - هشت الکترون در سطح d از سطح انرژی چهارم (n = 4، ℓ = 2).

2. توالی پر کردن سطوح فرعی انرژی : 1 ثانیه< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(هر زیرسطح فقط پس از تکمیل کامل سطح قبلی در این ردیف پر می شود).

3. حداکثر ظرفیت سطوح فرعی:

مثال: فرمول الکترونیکی اتم کلر، توزیع هفده الکترون این اتم در سطوح فرعی انرژی است و به شکل زیر است:

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

فرم کوتاهی از نوشتن فرمول الکترونیکی : الکترون های یافت شده-

در سطوح انرژی کاملاً ساخته شده، با نماد گاز نجیب مربوطه نشان داده می شود و توزیع الکترون های باقی مانده نشان داده می شود.

مثال: فرمول الکترونیکی مختصر اتم کلر:

17 Cl 3s2 3p5

توزیع الکترون ها در سلول های کوانتومی

سلول های کوانتومی

s-sublayer

p-sublevel

d-sublevel

f-sublevel

مطابق با قانون هاند: در ابتدا، به هر الکترون یک سلول کوانتومی جداگانه داده می شود (الکترون های جفت نشده با اسپین های موازی)، الکترون های بعدی وارد سلول های اشغال شده قبلی می شوند، که مقادیر ms علامت مخالف دارند - الکترون های جفت شده. .

علامت گذاری: ms = +½، ↓ ms = -½

مثال ها: 6 الکترون سلول های کوانتومی زیرسطح f را اشغال می کنند:

f-sublevel

برای نه الکترون، نمودار به شکل زیر است:

f-sublevel

فرمول های گرافیکی الکترونی اتم ها

17Cl

2p 6

الکترون های ظرفیت- الکترون های سطح انرژی بیرونی و همچنین زیرسطح d ماقبل آخر، اگر به طور کامل ساخته نشده باشد.

نامگذاری نوکلیدها:

شاخص بالایی عدد جرمی هسته و شاخص پایینی عدد اتمی عنصر مربوطه است.

مثال: ایزوتوپ کلر:

17Cl

مخفف: 36 Cl

ترکیب هسته تعداد پروتون ها - عدد اتمی، عدد ترتیبی یک عنصر در دوره

سیستم دیتیک D.I. مندلیف؛ تعداد نوترون ها تفاوت بین عدد جرمی و تعداد پرو

مثال: تعداد پروتون و نوترون برای ایزوتوپ کلر

17 کلر عبارت است از: تعداد پروتون ها = 17، تعداد نوترون ها = 36-17 = 19.

ایزوتوپ ها - عدد اتمی یکسان، جرم های اتمی متفاوت (هسته دارای تعداد پروتون یکسان، تعداد نوترون های متفاوت است)

واکنش های هسته ای

در سمت چپ و راست معادله واکنش هسته ای، تعادل باید بین:

– مجموع اعداد جرمی (بالانویس)،

– مجموع اعداد اتمی (زیرنویس).

مثال:

شکل کوتاه شده نوشتن معادله واکنش هسته ای:

در سمت چپ - هسته اصلی،

در سمت راست هسته نهایی است،

در پرانتز بین آنها: ذره ای که تبدیل داده شده را ایجاد می کند، سپس ذره ای که در نتیجه آن ساطع می شود.

تعیین حروف:α (ذره آلفا)، p (پروتون)، n (نوترون)، d (هسته دوتریوم - دوترون)، و غیره.

مثال: 23 Na (p,n) 23 Mg برای واکنش

11 Na + 1 H → 12 Mg + 0 n

تحقیقات نشان می دهد که هسته های اتم سازندهای پایدار هستند. این بدان معنی است که در هسته پیوند خاصی بین نوکلئون ها وجود دارد.

جرم هسته ها را می توان با استفاده از طیف سنج های جرمی - ابزارهای اندازه گیری که پرتوهای ذرات باردار (معمولا یون ها) را با بارهای خاص متفاوت با استفاده از میدان های الکتریکی و مغناطیسی جدا می کند، با دقت بسیار تعیین کرد. Q/M.اندازه گیری های طیف سنجی جرمی نشان داد که جرم یک هسته کمتر از مجموع جرم نوکلئون های تشکیل دهنده آن است.اما از آنجایی که هر تغییر جرم باید با تغییر انرژی مطابقت داشته باشد، نتیجه این است که در طول تشکیل یک هسته، انرژی خاصی باید آزاد شود. برعکس آن نیز از قانون بقای انرژی برمی‌آید: برای تفکیک یک هسته به اجزای سازنده آن، باید همان مقدار انرژی را که در طول تشکیل آن آزاد می‌شود مصرف کرد. انرژی که باید برای تقسیم یک هسته به نوکلئون های منفرد صرف شود، نامیده می شود انرژی اتصال هسته ای.

با توجه به بیان (40.9)، انرژی اتصال نوکلئون ها در هسته

جایی که t p، t n، tمن - به ترتیب جرم پروتون، نوترون و هسته. جداول معمولاً توده ها را نشان نمی دهند. تیمن هسته و توده هستم تیاتم ها بنابراین، برای انرژی اتصال یک هسته از فرمول استفاده می کنند

جایی که متر H جرم یک اتم هیدروژن است. زیرا متر H بزرگتر است m pتوسط مقدار m e، سپس اولین عبارت در پرانتز مربع شامل جرم است زالکترون ها اما از آنجایی که جرم یک اتم است تیمتفاوت از جرم هسته تیمن فقط توده هستم زالکترون ها، سپس محاسبات با استفاده از فرمول های (252.1) و (252.2) به نتایج یکسانی منجر می شود.

اندازه

تماس گرفت نقص انبوههسته ها جرم همه نوکلئون ها با تشکیل یک هسته اتمی به این مقدار کاهش می یابد.

غالباً به جای انرژی اتصال، در نظر می گیریم انرژی اتصال خاص dE St. - انرژی اتصال در هر نوکلئون این پایداری (قدرت) هسته های اتمی را مشخص می کند، یعنی بیشتر dE St. , هسته پایدارتر است. انرژی اتصال ویژه به عدد جرمی بستگی دارد آعنصر (شکل 342). برای هسته های سبک ( آ 12 پوند) انرژی اتصال ویژه به شدت به 6¸ 7 مگا ولت افزایش می یابد و تحت تعدادی پرش قرار می گیرد (مثلاً برای H dE sv = 1.1 MeV، برای He - 7.1 MeV، برای Li - 5.3 MeV)، سپس به آرامی به حداکثر مقدار 8.7 MeV برای عناصر با افزایش می‌یابد. آ=50¸ 60، و سپس به تدریج برای عناصر سنگین کاهش می یابد (به عنوان مثال، برای U 7.6 MeV است). اجازه دهید برای مقایسه توجه کنیم که انرژی اتصال الکترون های ظرفیت در اتم ها تقریباً 10 eV است (10 6! برابر کمتر).

کاهش انرژی اتصال ویژه در طول انتقال به عناصر سنگین با این واقعیت توضیح داده می شود که با افزایش تعداد پروتون ها در هسته، انرژی آنها نیز افزایش می یابد. دافعه کولن.بنابراین، پیوند بین نوکلئون ها کمتر می شود و خود هسته ها نیز قوی تر می شوند.

پایدارترین ها به اصطلاح هستند هسته های جادویی،که در آن تعداد پروتون ها یا تعداد نوترون ها برابر با یکی از اعداد جادویی است: 2، 8، 20، 28، 50، 82، 126. به ویژه پایدار دو برابر هسته های جادویی، که در آن هم تعداد پروتون ها و هم تعداد نوترون ها جادویی هستند (فقط پنج عدد از این هسته ها وجود دارد: He, O, Ca, Ca, Pb).

از شکل 342 نتیجه می شود که پایدارترین ها از نظر انرژی هسته های وسط جدول تناوبی هستند. هسته های سنگین و سبک پایداری کمتری دارند. این بدان معنی است که فرآیندهای زیر از نظر انرژی مطلوب هستند: 1) شکافت هسته های سنگین به هسته های سبک تر. 2) ادغام هسته های سبک با یکدیگر به هسته های سنگین تر. هر دو فرآیند مقادیر زیادی انرژی آزاد می کنند. این فرآیندها در حال حاضر به صورت عملی انجام می شوند: واکنش های شکافت و واکنش های گرما هسته ای.

ترکیب هسته یک اتم

در سال 1932 پس از کشف پروتون و نوترون توسط دانشمندان D.D. ایواننکو (اتحادیه شوروی) و دبلیو هایزنبرگ (آلمان) پیشنهاد کردند پروتون-نوترونمدلهسته اتمی.
بر اساس این مدل، هسته شامل پروتون ها و نوترون هاتعداد کل نوکلئون ها (یعنی پروتون ها و نوترون ها) نامیده می شود عدد جرمی آ: آ = ز + ن . هسته های عناصر شیمیایی با نماد مشخص می شوند:
ایکس- نماد شیمیایی عنصر

مثلا هیدروژن

تعدادی نماد برای مشخص کردن هسته اتم معرفی شده است. تعداد پروتون هایی که هسته اتم را تشکیل می دهند با علامت نشان داده می شود ز و تماس بگیرید شماره شارژ (این شماره سریال در جدول تناوبی مندلیف است). بار هسته ای است Ze ، جایی که ه- شارژ اولیه تعداد نوترون ها با نماد نشان داده می شود ن .

نیروهای هسته ای

برای اینکه هسته‌های اتم پایدار باشند، پروتون‌ها و نوترون‌ها باید توسط نیروهای عظیمی، چندین برابر بیشتر از نیروهای دفع پروتون‌ها توسط کولن، درون هسته‌ها نگه داشته شوند. نیروهای نگهدارنده نوکلئون ها در هسته نامیده می شوند اتمی . آنها نمایانگر شدیدترین نوع تعامل شناخته شده در فیزیک هستند - به اصطلاح برهمکنش قوی. نیروهای هسته ای تقریباً 100 برابر بیشتر از نیروهای الکترواستاتیک و ده ها مرتبه بزرگتر از نیروهای برهمکنش گرانشی بین نوکلئون ها هستند.

نیروهای هسته ای دارای ویژگی های زیر هستند:

• قدرت جذب دارند؛
• نیروها است کوتاه مدت(در فواصل کم بین نوکلئون ها آشکار می شود).
• نیروهای هسته ای به وجود یا عدم وجود بار الکتریکی روی ذرات بستگی ندارند.

نقص جرمی و انرژی اتصال هسته اتم

مهمترین نقش در فیزیک هسته ای را مفهوم بازی می کند انرژی اتصال هسته ای .

انرژی اتصال یک هسته برابر با حداقل انرژی است که باید برای تقسیم کامل هسته به ذرات منفرد صرف شود. از قانون بقای انرژی چنین استنباط می شود که انرژی اتصال برابر با انرژی است که در هنگام تشکیل یک هسته از ذرات منفرد آزاد می شود.

انرژی اتصال هر هسته را می توان با اندازه گیری دقیق جرم آن تعیین کرد. در حال حاضر، فیزیکدانان یاد گرفته اند که جرم ذرات - الکترون، پروتون، نوترون، هسته و غیره - را با دقت بسیار بالا اندازه گیری کنند. این اندازه گیری ها نشان می دهد جرم هر هسته م I همیشه کمتر از مجموع جرم پروتون ها و نوترون های سازنده آن است:

اختلاف جرم نامیده می شود نقص انبوه. با نقص جرم با استفاده از فرمول اینشتین E = mc 2، شما می توانید انرژی آزاد شده در طول تشکیل یک هسته مشخص، یعنی انرژی اتصال هسته را تعیین کنید. Eخیابان:

این انرژی در هنگام تشکیل یک هسته به شکل تابش کوانتای γ آزاد می شود.

انرژی هسته ای

اولین نیروگاه هسته ای جهان در کشور ما ساخته شد و در سال 1954 در اتحاد جماهیر شوروی در شهر اوبنینسک راه اندازی شد. ساخت نیروگاه های هسته ای قدرتمند در حال توسعه است. در حال حاضر 10 نیروگاه هسته ای در روسیه فعال هستند. پس از حادثه در نیروگاه هسته ای چرنوبیل، اقدامات اضافی برای اطمینان از ایمنی راکتورهای هسته ای انجام شد.

نوکلئون های هسته اتم توسط نیروهای هسته ای به یکدیگر متصل می شوند. بنابراین، برای تقسیم هسته به پروتون‌ها و نوترون‌های مجزای آن، باید انرژی زیادی صرف کرد. این انرژی را انرژی پیوند هسته می نامند.

هنگامی که پروتون‌ها و نوترون‌های آزاد با هم ترکیب می‌شوند و یک هسته را تشکیل می‌دهند، همان مقدار انرژی آزاد می‌شود. بنابراین، طبق نظریه نسبیت خاص انیشتین، جرم یک هسته اتم باید کمتر از مجموع جرم پروتون ها و نوترون های آزاد باشد که از آن تشکیل شده است. این اختلاف جرم Δm مربوط به انرژی است ارتباطات اصلیEst با رابطه انیشتین تعیین می شود:

Esv = c 2 Δm. (37.1)

انرژی اتصال هسته های اتمی آنقدر زیاد است که این اختلاف جرم برای اندازه گیری مستقیم کاملاً قابل دسترسی است. با کمک طیف نگارهای جرمی، چنین تفاوت جرمی در واقع برای همه هسته های اتمی تشخیص داده شد.

تفاوت بین مجموع جرم های باقی مانده پروتون ها و نوترون های آزاد که هسته از آنها تشکیل شده و جرم هسته را نقص جرمی هسته می گویند. انرژی اتصال معمولاً بر حسب مگا الکترون ولت (MeV) (1 MeV=106 eV) بیان می شود. از آنجایی که واحد جرم اتمی (a.m.u.) برابر با 1.66 * 10 -27 کیلوگرم است، انرژی مربوطه را می توان تعیین کرد:

E = mс 2، E a.u.m = 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.

انرژی اتصال را می توان مستقیماً از تعادل انرژی در واکنش شکافت هسته ای اندازه گیری کرد. بدین ترتیب انرژی اتصال یک دوترون در حین شکافتن آن توسط کوانتومای γ برای اولین بار تعیین شد. با این حال، از فرمول (37.1) انرژی اتصال می تواند باشد با استفاده از طیف‌نگار جرمی بسیار دقیق‌تر تعیین کنیداندازه گیری جرم ایزوتوپ ها با دقت 4-10 درصد امکان پذیر است.

برای مثال، انرژی اتصال هسته هلیوم 4 2 He (ذره α) را محاسبه کنیم. جرم آن در واحدهای اتمی M (4 2 He) = 4.001523 است. جرم پروتون mр=1.007276، جرم نوترون mn=1.008665. از این رو نقص جرمی هسته هلیوم است

Δm = 2/mp + 2mn - M (4 2 He)،

Δm = 2*1.007276 + 2*1.008665-4.001523 = 0.030359.

ضرب درE a.u.m = 931.4 MeV، دریافت می کنیم

Esv = 0.030359*931.4 MeV ≈ 28.3 MeV.

با استفاده از طیف‌نگار جرمی، جرم تمامی ایزوتوپ‌ها اندازه‌گیری شد و مقادیر نقص جرمی و انرژی اتصال هسته‌ای تعیین شد. انرژی های اتصال هسته برخی ایزوتوپ ها در جدول آورده شده است. 37.1. با استفاده از چنین جداول، محاسبات انرژی واکنش های هسته ای انجام می شود.

اگر جرم کل هسته ها و ذرات تشکیل شده در هر واکنش هسته ای کمتر از جرم کل هسته ها و ذرات اولیه باشد، در چنین واکنشی انرژی مربوط به این کاهش جرم آزاد می شود. چه زمانی تعداد کلپروتون ها و تعداد کل نوترون ها حفظ می شود، کاهش جرم کل به این معنی است که در نتیجه واکنش نقص جرم کل افزایش می یابد و در هسته های جدید نوکلئون ها حتی قوی تر از هسته های اصلی به یکدیگر متصل می شوند.انرژی آزاد شده برابر است با تفاوت بین کل انرژی اتصال هسته های تشکیل شده و کل انرژی اتصال هسته های اولیه و با استفاده از جدول بدون محاسبه تغییر جرم کل می توان آن را یافت. این انرژی می تواند آزاد شود محیطبه صورت انرژی جنبشی هسته ها و ذرات و یا به صورت γ-کوانتا. یک نمونه از واکنش همراه با آزاد شدن انرژی، هر واکنش خود به خودی است.

بیایید محاسبه انرژی واکنش هسته ای تبدیل رادیوم به رادون را انجام دهیم:

226 88 Ra → 222 86 Rn + 4 2 He.

انرژی اتصال هسته اصلی 1731.6 مگا الکترون ولت (جدول 37.1) و کل انرژی اتصال هسته های حاصل 1708.2 + 28.3 = 1736.5 مگا ولت و 4.9 مگا ولت بیشتر از انرژی اتصال هسته اصلی است.

بنابراین، این واکنش انرژی 4.9 MeV را آزاد می کند که عمدتاً انرژی جنبشی ذره α است.

اگر در نتیجه یک واکنش، هسته ها و ذراتی تشکیل شوند که مجموع جرم آنها از هسته و ذرات اصلی بیشتر باشد، چنین واکنشی تنها با جذب انرژی مربوط به این افزایش جرم می تواند رخ دهد. و هرگز خود به خود رخ نخواهد داد. مقدار انرژی جذب شده برابر است با تفاوت بین کل انرژی اتصال هسته های اصلی و کل انرژی اتصال هسته های تشکیل شده در واکنش.به این ترتیب می توان محاسبه کرد که یک ذره یا هسته دیگر در هنگام برخورد با هسته هدف برای انجام این نوع واکنش چه انرژی جنبشی باید داشته باشد یا مقدار لازم کوانتوم γ را برای شکافتن محاسبه کرد. هر هسته

بنابراین، حداقل مقدار γ-کوانتوم مورد نیاز برای تقسیم دوترون برابر با انرژی اتصال دوترون 2.2 مگا ولت است، زیرا در این واکنش:

2 1 H + γ → 1 1 H + 0 n 1

یک پروتون و نوترون آزاد تشکیل می شود (Esv = 0).

تطابق خوب این نوع محاسبات نظری با نتایج تجربی، درستی توضیح فوق در مورد نقص در جرم هسته‌های اتم را نشان می‌دهد و اصل ایجاد شده توسط نظریه نسبیت، تناسب جرم و انرژی را تأیید می‌کند.

لازم به ذکر است که واکنش هایی که در آن تبدیل ذرات بنیادی رخ می دهد (به عنوان مثال، فروپاشی β)، همچنین با انتشار همراه استیا جذب انرژی مربوط به تغییر در جرم کل ذرات.

یک مشخصه مهم هسته، میانگین انرژی اتصال هسته ای در هر نوکلئون، Eb/A است (جدول 37.1). هرچه بزرگتر باشد، نوکلئون ها قوی تر به یکدیگر متصل می شوند، هسته قوی تر است. از روی میز 37.1 واضح است که برای بیشتر هسته ها مقدار Ecv/A تقریباً 8 مگا الکترون ولت در هر نوکلئون است و برای هسته های بسیار سبک و سنگین کاهش می یابد. در میان هسته های سبک، هسته هلیوم خودنمایی می کند.

وابستگی مقدار Ecv/A به عدد جرمی هسته A در شکل نشان داده شده است. 37.12. در هسته های سبک، بخش زیادی از نوکلئون ها در سطح هسته قرار دارند، جایی که به طور کامل از پیوندهای خود استفاده نمی کنند و مقدار Ec/A کم است. با افزایش جرم هسته، نسبت سطح به حجم کاهش می یابد و کسری از نوکلئون های واقع در سطح کاهش می یابد.. بنابراین ESV/A رشد می کند. با این حال، با افزایش تعداد نوکلئون ها در هسته، نیروهای دافعه کولن بین پروتون ها افزایش می یابد و پیوندهای هسته ضعیف می شود و مقدار Ec/A برای هسته های سنگین کاهش می یابد. بنابراین، مقدار Ec/A برای هسته های با جرم متوسط ​​(در A = 50-60) حداکثر است، بنابراین، آنها با بیشترین قدرت متمایز می شوند.

این منجر به یک نتیجه گیری مهم می شود. در واکنش‌های شکافت هسته‌های سنگین به دو هسته متوسط ​​و همچنین در سنتز یک هسته متوسط ​​یا سبک از دو هسته سبک‌تر، هسته‌هایی قوی‌تر از هسته‌های اصلی (با مقدار Ec/A بیشتر) به دست می‌آیند. . این بدان معنی است که چنین واکنش هایی انرژی آزاد می کنند.این مبنایی است برای به دست آوردن انرژی اتمی از شکافت هسته های سنگین و انرژی گرما هسته ای از همجوشی هسته ها.