I nucleoni nei nuclei si trovano in stati che differiscono significativamente dai loro stati liberi. Con l'eccezione del normale nucleo di idrogeno, in tutti i core ci sono almeno due nucleoni tra i quali c'è uno speciale forza nucleare forte – attrazione, che assicura la stabilità dei nuclei nonostante la repulsione di protoni di carica simile.
· L'energia di legame del nucleone nel nucleo è chiamato quantità fisica, uguale al lavoro che deve essere fatto per rimuovere il nucleone dal nucleo senza impartirgli energia cinetica.
· Energia di legame del nucleo determinato dalla quantità di quel lavoro,da fare,dividere il nucleo nei suoi nucleoni costituenti senza impartire loro energia cinetica.
Dalla legge di conservazione dell'energia deriva che durante la formazione di un nucleo deve essere rilasciata tale energia che deve essere spesa quando il nucleo si divide nei suoi nucleoni costituenti. L'energia di legame nucleare è la differenza tra l'energia di tutti i nucleoni liberi che compongono il nucleo e la loro energia nel nucleo.
Quando si forma un nucleo, la sua massa diminuisce: la massa del nucleo è minore della somma delle masse dei suoi nucleoni costituenti. La diminuzione della massa del nucleo durante la sua formazione è spiegata dal rilascio di energia di legame. Se W sv è la quantità di energia rilasciata durante la formazione del nucleo, quindi la massa corrispondente
| (9.2.1) |
chiamato difetto di massa e caratterizza la diminuzione della massa totale durante la formazione di un nucleo dai suoi nucleoni costituenti.
Se il nucleo ha una massa M veleno formato da z protoni con massa m p e da ( UN – z) neutroni con massa nm, Quello:
| . | (9.2.2) |
Invece della massa del nucleo M valore di veleno ∆ M può essere espresso in termini di massa atomica M A:
| , | (9.2.3) |
Dove MHè la massa dell'atomo di idrogeno. Nel calcolo pratico, ∆ M le masse di tutte le particelle e gli atomi sono espresse in termini di unità di massa atomica (a.u.m.). Un'unità di massa atomica corrisponde a un'unità di energia atomica (a.e.e.): 1 a.u.e. = 931,5016 MegaV.
Il difetto di massa serve come misura dell'energia di legame nucleare:
| . | (9.2.4) |
L'energia di legame specifica del nucleo ω S si chiama energia di legame,per nucleone:
| . | (9.2.5) |
Il valore di ω St è in media di 8 MeV/nucleone. Sulla fig. 9.2 mostra la dipendenza dell'energia di legame specifica dal numero di massa UN, che caratterizza le diverse forze di legame dei nucleoni nei nuclei di diversi elementi chimici. I nuclei di elementi nella parte centrale del sistema periodico (), cioè da a , il più durevole.
In questi nuclei, ω è vicino a 8,7 MeV/nucleone. All'aumentare del numero di nucleoni nel nucleo, l'energia di legame specifica diminuisce. I nuclei di atomi di elementi chimici situati alla fine del sistema periodico (ad esempio, il nucleo di uranio) hanno ω St ≈ 7,6 MeV / nucleone. Questo spiega la possibilità di rilascio di energia durante la fissione di nuclei pesanti. Nella regione dei piccoli numeri di massa, ci sono "picchi" acuti dell'energia di legame specifica. I massimi sono caratteristici di nuclei con numero pari di protoni e neutroni ( , , ), i minimi sono caratteristici di nuclei con numero dispari di protoni e neutroni ( , , ).
Se il nucleo ha l'energia più bassa possibile, allora è localizzato v stato energetico di base . Se il nucleo ha energia, allora si trova v stato energetico eccitato . Il caso corrisponde alla scissione del nucleo nei suoi nucleoni costituenti. A differenza dei livelli di energia di un atomo, che sono separati da unità di elettronvolt, i livelli di energia del nucleo sono separati l'uno dall'altro da un megaelettronvolt (MeV). Questo spiega l'origine e le proprietà della radiazione gamma.
I dati sull'energia di legame dei nuclei e l'uso di un modello a goccia del nucleo hanno permesso di stabilire alcune regolarità nella struttura nuclei atomici.
Il criterio per la stabilità dei nuclei atomiciè il rapporto tra il numero di protoni e neutroni in un nucleo stabile per i dati isobari (). La condizione per l'energia nucleare minima porta alla seguente relazione tra z bocca e UN:
 .
|
(9.2.6) |
Prendi un numero intero z bocca più vicina a quella ottenuta con questa formula.
Per piccoli e medi valori UN i numeri di neutroni e protoni nei nuclei stabili sono approssimativamente gli stessi: z ≈ UN – z.
Con la crescita z le forze repulsive di Coulomb dei protoni crescono proporzionalmente z·( z – 1) ~ z 2 (interazione di coppia di protoni), e per compensare questa repulsione per attrazione nucleare, il numero di neutroni deve aumentare più veloce di un numero protoni.
Per visualizzare le demo, fare clic sul collegamento ipertestuale appropriato:
Massa atomica relativa La a di un elemento chimico (viene data insieme al simbolo dell'elemento e al suo numero ordinale in ogni cella del sistema periodico di D. I. Mendeleev) è il valore medio delle relative masse isotopiche, tenendo conto del contenuto isotopico. La massa atomica relativa mostra effettivamente quante volte la massa di un dato atomo è maggiore della massa di 1/12 dell'isotopo di carbonio. Come qualsiasi valore relativo, Ar è una quantità adimensionale.
Per unità di massa atomica ( unità di massa atomica - u.m.a.) è attualmente accettato come 1/12 della massa del nuclide 12 C. A questo nuclide è attribuita una massa di 12.0000 amu. vero valore l'unità di massa atomica è 1,661 10-27 kg.
Le masse delle tre particelle fondamentali, espresse in amu, hanno i seguenti valori:
la massa di un protone è 1,007277 a.m.u., la massa di un neutrone è 1,008665 a.m.u., la massa di un elettrone è 0,000548 a.m.u.
1.9.4. difetto di massa
Se calcoli la massa di qualsiasi isotopo (massa isotopica) sommando le masse del numero corrispondente di protoni, neutroni ed elettroni, il risultato non darà una corrispondenza esatta con l'esperimento. La discrepanza tra il
vengono chiamati i valori misurati e trovati sperimentalmente delle masse isotopiche
difetto di massa.
Così, ad esempio, la massa isotopica di uno degli isotopi del cloro 35 Cl, ottenuta sommando le masse di diciassette protoni, diciotto neutroni e diciassette elettroni, è:
17 1,007277 + 18 1,008665 + 17 0,000548 = 35,289005 um
Tuttavia, esatte determinazioni sperimentali di questa grandezza danno come risultato 34,96885 u.m. Il difetto di massa è 0,32016 amu.
Le spiegazioni del fenomeno del difetto di massa possono essere fornite utilizzando le idee formulate da Albert Einstein nella teoria della relatività. Il difetto di massa corrisponde all'energia richiesta per vincere le forze repulsive tra i protoni.
In altre parole, il difetto di massa è una misura dell'energia di legame delle particelle nucleari. Se fosse possibile dividere il nucleo nei suoi nucleoni costituenti, allora la massa del sistema aumenterebbe della quantità del difetto di massa. L'energia di legame mostra la differenza tra l'energia dei nucleoni nel nucleo e la loro energia allo stato libero, cioè L'energia di legame è l'energia necessaria per separare il nucleo nei suoi nucleoni costituenti.
L'energia di legame può essere calcolata con la formula di A. Einstein:
E = mc2 ,
dove: m è la massa in kg, s è la velocità della luce - 2,9979 · 108 m/s, E è l'energia in J. Ad esempio, l'energia di legame per una mole (4 g) del nuclide4 He (molare
difetto di massa è 3,0378 10-5 kg) è uguale a:
∆ Å = (3,0378 10-5 kg/mol) (2,9979 108 m/s)2 = 2,730 1012 J/mol Questa energia supera l'energia di un normale legame covalente di oltre
10 milioni di volte. Per ottenere tale energia attraverso una reazione chimica, sarebbe necessario impiegare decine di tonnellate di materia.
Poiché l'energia di legame è estremamente elevata, è consuetudine esprimerla in megaelettronvolt (1 MeV = 9,6 1010 J/mol) per nucleone. Pertanto, l'energia di legame per nucleone nel nucleo 4 He è di circa 7 MeV, e nel nucleo 35 Cl è 8,5 MeV.
1.9.5. forze nucleari
Il nucleo di un atomo è un oggetto speciale per lo studio. Anche con un esame superficiale, ci sono molte perplessità. Perché i protoni che compongono il nucleo non si respingono secondo le leggi elementari dell'elettrostatica? Il calcolo più semplice utilizzando la legge di Coulomb mostra che a distanze nucleari due protoni dovrebbero respingersi con una forza di circa 6000 N e sono attratti l'uno dall'altro con una forza 40 volte maggiore di questo valore. Inoltre, questa forza agisce ugualmente sia tra due protoni che tra due neutroni, nonché tra un protone e un neutrone, ad es. completamente indipendente dalla carica delle particelle.
Ovviamente, le forze nucleari rappresentano una classe di forze completamente diversa, non possono essere ridotte alle interazioni elettrostatiche. L'energia che accompagna le reazioni nucleari è milioni di volte maggiore dell'energia che caratterizza le trasformazioni chimiche.
L'applicazione dei principi della meccanica quantistica alla descrizione del moto degli elettroni dà attualmente risultati molto soddisfacenti. Questa teoria può essere usata per modellare i processi che avvengono nel nucleo di un atomo? La caratteristica più importante le forze nucleari hanno un raggio estremamente ridotto della loro azione. Infatti, il moto di un elettrone avviene in una regione dello spazio stimata da valori dell'ordine di 10-8 cm, e tutti i fenomeni intranucleari avvengono a distanze dell'ordine di 10-12 cm e meno. Questi valori sono leggermente più grandi delle dimensioni intrinseche dei nucleoni. Il rapporto di scale che caratterizzano il moto di un elettrone da un lato e i fenomeni intranucleari dall'altro possono essere confrontati in ordine di grandezza con lo stesso rapporto
per il macrocosmo, che obbedisce alle leggi della meccanica classica, e per il microcosmo, che vive secondo le leggi della meccanica quantistica.
Con una dimensione così piccola del nucleo, quasi l'intera massa dell'atomo è concentrata in esso. Conoscendo il volume approssimativo del nucleo e la massa dell'atomo, è possibile stimare la densità della materia nucleare: supera la densità media della materia ordinaria di un fattore 2 1017 e ammonta a un valore dell'ordine di 1013 - 1014 g/cm3. Un tentativo di comprendere veramente tali quantità porta alla seguente illustrazione: con una densità simile di una sostanza, il volume di una testa di fiammifero (circa 5 mm3) deve contenere una massa uguale alla massa 1 milione di tonnellate di acqua. Se una tale testa di fiammifero cadesse sulla superficie della Terra, attraverserebbe tutte le rocce e penetrerebbe nel centro del pianeta.
1.9.6. Trasformazioni nucleari
Vengono chiamate le trasformazioni dei nuclei atomici dovute alle loro interazioni con particelle elementari o tra loro reazioni nucleari.
Fissione nucleare spontanea radioattività naturale- accompagnato da tre tipi di radiazioni.
La radiazione alfa è un flusso di nuclei di atomi di elio con una carica di +2 e un numero di massa di 4 (4 He). La carica positiva di queste particelle spiega il fatto che i raggi alfa vengono deviati campo elettrico verso la piastra caricata negativamente, e relativamente grande taglia atomi di elio giustifica un potere penetrante notevolmente inferiore rispetto agli altri due tipi di radiazione.
Ovviamente, quando una tale particella viene emessa, il nucleo perde due protoni e due neutroni. La perdita di due protoni riduce il numero atomico di due unità, quindi il risultato è la formazione di un nuovo elemento chimico.
Ad esempio, il nuclide di radio-226, quando una particella alfa viene persa, si trasforma in un nuclide di radon-222, che può essere rappresentato come equazioni di reazione nucleare:
88 Ra → 86 Rn +2 He.
Quando si compilano tali equazioni, si dovrebbe osservare l'uguaglianza delle somme dei numeri atomici e delle somme dei numeri di massa sui lati sinistro e destro (deve essere assicurata la conservazione della carica e della massa).
In alcuni casi viene utilizzata anche una forma abbreviata di scrittura dell'equazione della reazione nucleare: a sinistra si scrive il nuclide iniziale, a destra si scrive il nuclide finale, tra parentesi tra di loro, prima viene indicata la particella che provoca questa trasformazione , e quindi emesso come risultato di esso. In questo caso, le designazioni delle lettere vengono utilizzate per tali particelle: α (particella alfa), p (protone), n (neutrone), d (nucleo di deuterio - deuterone), ecc. Ad esempio, per il decadimento alfa discusso sopra:
Ra (-, α ) Rn.
Il segno "-" indica l'assenza di una particella bombardante (il decadimento del nucleo avviene spontaneamente).
La radiazione beta, a sua volta, è divisa in β - (di solito è chiamata
sono semplicemente radiazioni β) e radiazioni β +. β - la radiazione è un flusso di elettroni che si muove a una velocità vicina alla velocità della luce. Questi elettroni provengono dal decadimento di un neutrone:
90 Th → 91 Pa + -1 e.
I nuclidi di torio-234 e protoattinio-234 hanno gli stessi numeri di massa. Tali nuclidi sono chiamati isobari.
L'emergere della radiazione β + è dovuta alla trasformazione di un protone in un neutrone, accompagnata dall'emissione di un positrone - una particella elementare, che è un analogo di un elettrone, ma ha una carica positiva:
19 K → 18 Ar ++1 e.
La radiazione gamma è dura radiazioni elettromagnetiche con lunghezze d'onda più corte dei raggi X. Non devia in elettrico e campi magnetici e ha un alto potere penetrante.
L'emissione di raggi γ accompagna il decadimento α e β, così come il processo di cattura degli elettroni da parte del nucleo. In quest'ultimo caso, il nucleo cattura un elettrone da un basso livello di energia (elettrone K o L) e uno dei protoni si trasforma in un neutrone:
1 p + -1 e | → 0 n. |
|
Il numero di massa del nuclide non cambia, ma il numero atomico diminuisce di uno, ad esempio:
23 V + -1 e → 22 Ti.
I nuclidi instabili a decadimento spontaneo sono chiamati ra-
dionuclidi o isotopi radioattivi . Il loro decadimento continua fino alla formazione di isotopi stabili. Gli isotopi stabili non sono più soggetti a decadimento radioattivo, quindi persistono in natura. Gli esempi sono 16O e 12C.
metà vita Un isotopo instabile è chiamato il tempo durante il quale la sua radioattività è dimezzata rispetto all'originale. Le emivite possono variare da milionesimi di secondo a milioni di anni (Tabella 1.2).
Tabella 1.2
Emivite di alcuni isotopi
Metà vita |
||||
3 10-7 sec |
||||
5,7 103 | ||||
4,5 109 | ||||
1,39 1010 anni |
||||
Molte reazioni di decadimento radioattivo lo sono parti costitutive reazioni nucleari sequenziali più complesse - le cosiddette serie di trasformazioni radioattive O serie radioattiva.
Ogni trasformazione in una tale serie porta alla formazione di un isotopo instabile, che a sua volta subisce un decadimento radioattivo. Viene chiamato il nuclide genitore isotopo genitore, e il risultante isotopo figlia. Nella fase successiva, l'isotopo figlia diventa l'isotopo genitore, trasformandosi nel figlio successivo e così via. Questa catena di trasformazioni successive continua fino a quando un isotopo stabile è il risultato di una reazione nucleare.
Pertanto, la serie radioattiva dell'uranio inizia con l'isotopo 238 U e, come risultato di quattordici successive reazioni di decadimento nucleare, termina con l'isotopo stabile 206 Pb. In questo caso, la perdita di massa totale è di 32 unità.
Sia i nuclidi stabili che quelli instabili possono essere prodotti da reazioni nucleari bombardando i nuclei con particelle ad alta energia. Per-
voi trasformazione nucleare artificiale realizzato da E. Rutherford: nel 1915
du, passando i raggi alfa attraverso l'azoto, ricevette un isotopo stabile di ossigeno 17 O. Nel 1935, Irene e Frederic Joliot-Curie dimostrarono che a seguito del bombardamento dell'alluminio con particelle alfa, isotopo radioattivo positroni emettitori di fosforo. Per la scoperta radioattività artificiale gli scienziati hanno ricevuto il premio Nobel.
Durante le reazioni nucleari, un bersaglio nucleare viene bombardato da protoni, neutroni, elettroni, il che porta a un cambiamento nella composizione nucleare e alla formazione di un nuovo elemento chimico. Le particelle bombardanti devono avere un'elevata energia cinetica per superare le forze elettrostatiche repulsive del bersaglio. Pertanto, le particelle vengono accelerate a alte velocità in strutture speciali chiamate acceleratori (ce ne sono due tipi principali: un acceleratore lineare e un ciclotrone).
Tabella 1.3 |
||||||||
Reazioni nucleari | ||||||||
Equazione completa | Forma breve |
|||||||
(α, p) | ||||||||
7 N +2 He | → 80 | 14N(α,p)17O |
||||||
(α,n) | ||||||||
13 Al +2 He → 15 P +0 n | 27Al(α,n)30P |
|||||||
11 Na+1 H → 12 Mg+0 n | 23Na(p,n)23Mg |
|||||||
(papà ) | ||||||||
4 Be +1 H → 3 Li +2 He | 9 Be (p,α )6 Li |
|||||||
7N+1H→8O+γ | 14N(p,γ)15O |
|||||||
15P+1H → 15P+1H | 31P (d,p)32P |
|||||||
13 Al +1 H → 14 Si +0 n | 27Al(d,n)28Si |
|||||||
7 N +0 n → 6 C +1 H | 14N(n,p)14C |
|||||||
27 Co +0 n → 27 Co +γ | 59Co(n,γ)60Co |
|||||||
(n / a) | ||||||||
13 Al +0 n → 11 Na +2 He | 27Al(n,α)24Na |
|||||||
Le trasformazioni nucleari artificiali possono essere classificate in base al tipo di particelle bombardanti ed emesse a seguito della reazione (Tabella 1.3.).
Con l'aiuto delle reazioni nucleari, sono stati sintetizzati nuovi elementi chimici con numero atomico 99 e più. A tale scopo, un bersaglio nucleare viene bombardato con particelle pesanti, ad esempio 7 N o 12 C. Pertanto, l'elemento einsteinio è stato ottenuto bombardando l'uranio-238 con nuclei di azoto-14:
RIPETI I MATERIALI
Dimensioni dell'atomo: ≈ 10 -8 cm Dimensioni del nucleo: ≈ 10 -12 – 10 -13 cm
Densità della materia nucleare: ≈ 10 14 g / cm 3
particelle subatomiche
data di apertura) |
|||||
ELETTRONE | 9.110 10-28 | Thompson (1897) |
|||
1.673 10-24 | Rutherford (1914) |
||||
1.675 10-24 | Chadwick (1932) |
||||
numeri quantici
Nome | Designazione | Accettato | Cosa caratterizza |
||
valori | |||||
energia |
|||||
Orbitale | 0, 1, 2, ...n-1 | forma orbitale, |
|||
energia |
|||||
sottolivello |
|||||
Magnetico | –ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ | spaziale |
|||
orientamento |
|||||
orbitali |
|||||
Rotazione | +½ , -½ | Proprio |
|||
elettrone |
|||||
Formule elettroniche degli atomi
Per scrivere la formula elettronica di un atomo, devi sapere quanto segue:
1. notazione: nℓх (n è il numero del livello di energia: 1,2,3,..., ℓ è la designazione in lettere del sottolivello: s, p, d, f; x è il numero di elettroni) Esempi: 5s2 - due elettroni per s - sottolivello del quinto livello energetico (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - otto elettroni sul sottolivello d del quarto livello energetico (n = 4, ℓ = 2).
2. Sequenza di riempimento dei sottolivelli energetici : 1s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...
(ogni sottolivello viene riempito solo dopo che il precedente in questa riga è stato completamente costruito).
3. Capienza massima dei sottolivelli:
Esempio: la formula elettronica di un atomo di cloro è la distribuzione di diciassette elettroni di un dato atomo su sottolivelli energetici e ha la forma:
17Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5
Forma abbreviata di scrittura di una formula elettronica : ricerca di elettroni-
nei livelli di energia completamente accumulati sono rappresentati dal simbolo del gas nobile corrispondente, seguito dalla distribuzione degli elettroni rimanenti.
Esempio: breve formula elettronica dell'atomo di cloro:
17cl 3s2 3p5
Distribuzione degli elettroni nelle celle quantistiche
cellule quantistiche
s-sottolivello
p-sottolivello
d-sottolivello
f-sottolivello
Secondo la regola di Hund: inizialmente, a ciascun elettrone viene assegnata una cella quantistica separata (elettroni spaiati con spin paralleli), gli elettroni successivi entrano in celle già occupate, per loro i valori di ms hanno il segno opposto - elettroni accoppiati).
Notazione: ms = +½ ,↓ ms = -½
Esempi: 6 elettroni occupano celle quantistiche del sottolivello f:
f-sottolivello
per nove elettroni, lo schema assume la forma:
f-sottolivello
Formule grafiche elettroniche di atomi
17cl | |||||||||||||
2p6 |
elettroni di valenza- elettroni del livello energetico esterno, così come il penultimo d-sublevel, se non è completamente costruito.
Designazioni di nuclidi:
l'apice è il numero di massa del nuclide, il pedice è il numero atomico dell'elemento corrispondente.
Esempio: isotopo del cloro:
17cl
Abbreviazione: 36cl
Composizione del nucleo Numero di protoni è il numero atomico, il numero ordinale dell'elemento nel periodo
Il sistema dicale di D. I. Mendeleev; Il numero di neutroni è la differenza tra il numero di massa e il numero di
Esempio: numero di protoni e neutroni per l'isotopo del cloro
17 Cl è: numero di protoni = 17, numero di neutroni = 36-17= 19.
Isotopi: stesso numero atomico, diversa massa atomica (il nucleo contiene lo stesso numero di protoni, un diverso numero di neutroni)
Reazioni nucleari
Sul lato sinistro e destro dell'equazione della reazione nucleare, deve essere mantenuto un equilibrio tra:
– somme di numeri di massa (apice),
– somme di numeri atomici (pedici).
Esempio:
Forma abbreviata dell'equazione di reazione nucleare:
a sinistra - il nuclide originale,
a destra c'è il nuclide finale,
tra parentesi: la particella che causa la trasformazione data, quindi la particella emessa come risultato di essa.
Designazioni di lettere:α (particella alfa), p (protone), n (neutrone), d (nucleo di deuterio - deuterone), ecc.
Esempio: 23 Na (p,n) 23 Mg per la reazione
11 Na+1 H → 12 Mg+0 n
Gli studi dimostrano che i nuclei atomici sono formazioni stabili. Ciò significa che esiste una certa connessione tra i nucleoni nel nucleo.
La massa dei nuclei può essere determinata con molta precisione utilizzando spettrometri di massa - strumenti di misura che separano fasci di particelle cariche (di solito ioni) con diverse cariche specifiche utilizzando campi elettrici e magnetici Q/m Le misurazioni spettrometriche di massa lo hanno dimostrato la massa del nucleo è minore della somma delle masse dei suoi nucleoni costituenti. Ma poiché ogni cambiamento di massa deve corrispondere a un cambiamento di energia, allora, di conseguenza, una certa energia deve essere rilasciata durante la formazione del nucleo. Anche il contrario segue dalla legge di conservazione dell'energia: per dividere il nucleo nelle sue parti componenti, è necessario spendere la stessa quantità di energia che viene rilasciata durante la sua formazione. Viene chiamata l'energia necessaria per dividere un nucleo in singoli nucleoni energia di legame nucleare.
Secondo l'espressione (40.9), l'energia di legame dei nucleoni nel nucleo
Dove t p , t n , t IO - rispettivamente le masse del protone, del neutrone e del nucleo. I tavoli di solito non danno messe. T i nuclei e masse T atomi. Pertanto, per l'energia di legame del nucleo, viene utilizzata la formula
Dove M H è la massa dell'atomo di idrogeno. Perché M h di più m p dall'importo Me, allora il primo termine tra parentesi quadre include la massa z elettroni. Ma poiché la massa di un atomo T diversa dalla massa del nucleo T Sono solo alla rinfusa z elettroni, quindi i calcoli con le formule (252.1) e (252.2) portano agli stessi risultati.
Valore
chiamato difetto di massa noccioli. La massa di tutti i nucleoni diminuisce di questo valore quando da essi si forma un nucleo atomico.
Spesso, invece dell'energia vincolante, si considera energia di legame specifica d E S. - l'energia di legame per nucleone. Caratterizza la stabilità (forza) dei nuclei atomici, cioè di più d E S. , più stabile è il nucleo. L'energia di legame specifica dipende dal numero di massa UN elemento (Fig. 342). Per nuclei leggeri ( UN£ 12) l'energia specifica di legame aumenta vertiginosamente fino a 6-7 MeV, subendo una serie di salti (ad esempio, per H d E cv = 1,1 MeV, per He - 7,1 MeV, per Li - 5,3 MeV), quindi aumenta più lentamente fino a un valore massimo di 8,7 MeV per elementi con UN\u003d 50¸ 60, e poi diminuisce gradualmente per elementi pesanti (ad esempio, per U è 7,6 MeV). Si noti per confronto che l'energia di legame degli elettroni di valenza negli atomi è di circa 10 eV (10 6 volte inferiore).
La diminuzione dell'energia di legame specifica durante la transizione verso elementi pesanti è spiegata dal fatto che con un aumento del numero di protoni nel nucleo, aumenta anche la loro energia. Repulsione di Coulomb. Pertanto, il legame tra i nucleoni diventa meno forte e i nuclei stessi diventano meno forti.
I più stabili sono i cosiddetti nuclei magici, in cui il numero di protoni o il numero di neutroni è uguale a uno dei numeri magici: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Particolarmente stabile due volte nuclei magici, in cui sia il numero di protoni che il numero di neutroni sono magici (ci sono solo cinque di questi nuclei: He, O, Ca, Ca, Pb).
Dalla fig. 342 ne consegue che i nuclei della parte mediana della tavola periodica sono i più stabili dal punto di vista energetico. I nuclei pesanti e leggeri sono meno stabili. Ciò significa che i seguenti processi sono energeticamente favorevoli: 1) fissione di nuclei pesanti in nuclei più leggeri; 2) la fusione di nuclei leggeri tra loro in quelli più pesanti. Entrambi i processi rilasciano enormi quantità di energia; questi processi sono attualmente eseguiti praticamente: reazioni di fissione e reazioni termonucleari.
La composizione del nucleo di un atomo
Nel 1932 dopo la scoperta del protone e del neutrone da parte degli scienziati D.D. Ivanenko (URSS) e W. Heisenberg (Germania) proposero protone-neutronemodellonucleo atomico.
Secondo questo modello, il nucleo è costituito da protoni e neutroni. Viene chiamato il numero totale di nucleoni (cioè protoni e neutroni). numero di Massa
UN: UN = z + N
. I nuclei degli elementi chimici sono indicati dal simbolo:
Xè il simbolo chimico dell'elemento.
Ad esempio, l'idrogeno
Vengono introdotte numerose notazioni per caratterizzare i nuclei atomici. Il numero di protoni che compongono il nucleo atomico è indicato dal simbolo z e chiama numero di addebito (questo è il numero di serie nella tavola periodica di Mendeleev). La carica nucleare è Ze , Dove eè la carica elementare. Il numero di neutroni è indicato dal simbolo N .
forze nucleari
Affinché i nuclei atomici siano stabili, protoni e neutroni devono essere trattenuti all'interno dei nuclei da forze enormi, molte volte maggiori delle forze repulsive di Coulomb dei protoni. Vengono chiamate le forze che tengono i nucleoni nel nucleo nucleare . Sono una manifestazione del più intenso di tutti i tipi di interazione conosciuti in fisica: la cosiddetta interazione forte. Le forze nucleari sono circa 100 volte maggiori delle forze elettrostatiche e sono decine di ordini di grandezza maggiori delle forze dell'interazione gravitazionale dei nucleoni.
Le forze nucleari hanno le seguenti proprietà:
- hanno forze attrattive
- sono le forze corto raggio(appaiono a piccole distanze tra i nucleoni);
- le forze nucleari non dipendono dalla presenza o assenza di una carica elettrica sulle particelle.
Difetto di massa ed energia di legame del nucleo di un atomo
Il ruolo più importante nella fisica nucleare è svolto dal concetto energia di legame nucleare .
L'energia di legame del nucleo è uguale all'energia minima che deve essere spesa per la completa scissione del nucleo in singole particelle. Dalla legge di conservazione dell'energia risulta che l'energia di legame è uguale all'energia che viene rilasciata durante la formazione di un nucleo dalle singole particelle.
L'energia di legame di qualsiasi nucleo può essere determinata misurando accuratamente la sua massa. Al momento, i fisici hanno imparato a misurare le masse delle particelle - elettroni, protoni, neutroni, nuclei, ecc. - con altissima precisione. Queste misurazioni lo dimostrano la massa di ogni nucleo M i è sempre minore della somma delle masse dei suoi protoni e neutroni costituenti: 
La differenza di massa è chiamata difetto di massa. Basato sul difetto di massa utilizzando la formula di Einstein E = mc 2 è possibile determinare l'energia rilasciata durante la formazione di un dato nucleo, cioè l'energia di legame del nucleo E San:
Questa energia viene rilasciata durante la formazione del nucleo sotto forma di radiazione di γ-quanta.
Energia nucleare
Nel nostro paese, la prima centrale nucleare al mondo è stata costruita e lanciata nel 1954 in URSS, nella città di Obninsk. La costruzione di potenti centrali nucleari è in fase di sviluppo. Attualmente in Russia sono in funzione 10 centrali nucleari. Dopo l'incidente alla centrale nucleare di Chernobyl, sono state prese ulteriori misure per garantire la sicurezza dei reattori nucleari.
I nucleoni in un nucleo atomico sono legati insieme da forze nucleari; pertanto, per dividere il nucleo nei suoi singoli protoni e neutroni, è necessario spendere molta energia. Questa energia è chiamata energia di legame del nucleo.
La stessa quantità di energia viene rilasciata quando protoni e neutroni liberi si combinano per formare un nucleo. Pertanto, secondo la teoria della relatività ristretta di Einstein, la massa di un nucleo atomico deve essere inferiore alla somma delle masse di protoni e neutroni liberi da cui è stato formato. Questa differenza di massa Δm, corrispondente all'energia connessioni fondamentaliEsv, è determinato dalla relazione di Einstein:
Eb = ñ 2 Δm. (37.1)
L'energia di legame dei nuclei atomici è così alta che questa differenza di massa è abbastanza accessibile alla misurazione diretta. Con l'aiuto degli spettrografi di massa, una tale differenza di massa è stata effettivamente trovata per tutti i nuclei atomici.
La differenza tra la somma delle masse a riposo di protoni e neutroni liberi, di cui è formato il nucleo, e la massa del nucleo è detta difetto di massa del nucleo. L'energia di legame è solitamente espressa in megaelettronvolt (MeV) (1 MeV=10 6 eV). Poiché l'unità di massa atomica (a.m.u.) è 1,66 * 10 -27 kg, è possibile determinare l'energia corrispondente ad essa:
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.
L'energia di legame può essere misurata direttamente dal bilancio energetico nella reazione di fissione nucleare. Pertanto, l'energia di legame del deuterone è stata determinata per la prima volta durante la sua scissione da γ-quanta. Tuttavia, dalla formula (37.1), l'energia di legame può essere determinare in modo molto più preciso, poiché con l'aiuto di uno spettrografo di massa le masse degli isotopi possono essere misurate con una precisione del 10 -4%.
Calcoliamo, ad esempio, l'energia di legame del nucleo di elio 4 2 He (particelle α). La sua massa in unità atomiche è M (4 2 He) = 4,001523; massa del protone mð=1.007276, massa del neutrone mn=1.008665. Da qui il difetto di massa del nucleo di elio
Δm \u003d 2 / mp + 2mn - M (4 2 He),
Δm \u003d 2 * 1,007276 + 2 * 1,008665-4,001523 \u003d 0,030359.
Moltiplicando perE u.m = 931,4 MeV, otteniamo
Eb = 0,030359 * 931,4 MeV ≈ 28,3 MeV.
Utilizzando uno spettrografo di massa, sono state misurate le masse di tutti gli isotopi e sono stati determinati il difetto di massa e l'energia di legame dei nuclei. Le energie di legame dei nuclei di alcuni isotopi sono riportate in Tabella. 37.1. Con l'aiuto di tali tabelle, vengono eseguiti i calcoli energetici delle reazioni nucleari.
Se la massa totale dei nuclei e delle particelle formate in qualsiasi reazione nucleare è inferiore alla massa totale dei nuclei e delle particelle iniziali, allora l'energia corrispondente a questa diminuzione di massa viene rilasciata in tale reazione. Quando numero totale protoni e il numero totale di neutroni è conservato, una diminuzione della massa totale significa che come risultato della reazione il difetto di massa totale aumenta e nei nuovi nuclei i nucleoni sono ancora più fortemente legati l'uno all'altro che nei nuclei originali. L'energia rilasciata è uguale alla differenza tra l'energia di legame totale dei nuclei formati e l'energia di legame totale dei nuclei originali, e può essere trovata utilizzando la tabella senza calcolare la variazione della massa totale. Questa energia può essere rilasciata in ambiente sotto forma di energia cinetica di nuclei e particelle o sotto forma di γ-quanti. Un esempio di reazione accompagnata dal rilascio di energia è qualsiasi reazione spontanea.
Effettuiamo un calcolo energetico della reazione nucleare di trasformazione del radio in radon:
226 88 Ra → 222 86 Rn + 4 2 He.
L'energia di legame del nucleo originale è 1731,6 MeV (Tabella 37.1), e l'energia di legame totale dei nuclei formati è 1708,2 + 28,3 = 1736,5 MeV ed è 4,9 MeV in più rispetto all'energia di legame del nucleo originale.
Di conseguenza, questa reazione rilascia un'energia di 4,9 MeV, che è principalmente l'energia cinetica della particella α.
Se come risultato della reazione si formano nuclei e particelle, la cui massa totale è maggiore di quella dei nuclei e delle particelle iniziali, allora tale reazione può procedere solo con l'assorbimento di energia corrispondente a questo aumento di massa, e sarà non si verificano mai spontaneamente. La quantità di energia assorbita è pari alla differenza tra l'energia di legame totale dei nuclei iniziali e l'energia di legame totale dei nuclei formati nella reazione. In questo modo è possibile calcolare quale energia cinetica deve avere una particella o un altro nucleo in collisione con un nucleo bersaglio per effettuare questo tipo di reazione, oppure calcolare il valore richiesto di un γ-quanto per la scissione di un nucleo.
Quindi, il valore minimo del γ-quanto necessario per la scissione del deuterone è pari all'energia di legame del deuterone 2,2 MeV, poiché in questa reazione:
2 1 H + γ → 1 1 H + 0 n 1
si formano un protone libero e un neutrone (Eb = 0).
Un buon accordo di questo tipo di calcoli teorici con i risultati degli esperimenti mostra la correttezza della suddetta spiegazione del difetto nella massa dei nuclei atomici e conferma il principio stabilito dalla teoria della relatività, la proporzionalità di massa ed energia.
Va notato che le reazioni si verifica la trasformazione delle particelle elementari (ad esempio, β-decadimento), sono accompagnate anche dal rilascio o assorbimento di energia corrispondente a un cambiamento nella massa totale delle particelle.
Una caratteristica importante del nucleo è l'energia di legame media del nucleo per nucleone, Eb/A (Tabella 37.1). Più è grande, più forti sono i nucleoni interconnessi, più forte è il nucleo. Da tavola. 37.1 mostra che per la maggior parte dei nuclei il valore di Eb/A è di circa 8 MeV per nucleone e diminuisce per nuclei molto leggeri e pesanti. Tra i nuclei leggeri spicca il nucleo di elio.
La dipendenza del valore di Eb/A dal numero di massa del nucleo A è mostrata in fig. 37.12. Nei nuclei leggeri, una grande frazione di nucleoni si trova sulla superficie del nucleo, dove non usano completamente i loro legami, e il valore di Eb/A è piccolo. All'aumentare della massa del nucleo, il rapporto tra superficie e volume diminuisce e la frazione di nucleoni situata sulla superficie diminuisce.. Pertanto, Eb/A cresce. Tuttavia, all'aumentare del numero di nucleoni nel nucleo, le forze repulsive di Coulomb tra i protoni aumentano, indebolendo i legami nel nucleo, e il valore di Eb/A per i nuclei pesanti diminuisce. Pertanto, il valore di Eb/A è massimo per i nuclei di massa media (a A = 50-60), quindi si distinguono per la forza maggiore.
Ne consegue un'importante conclusione. Nelle reazioni di fissione di nuclei pesanti in due nuclei medi, così come nella sintesi di un nucleo medio o leggero da due nuclei più leggeri, si ottengono nuclei più forti di quelli iniziali (con un valore maggiore di Eb/A) . Ciò significa che l'energia viene rilasciata durante tali reazioni. Questa è la base per ottenere energia atomica nella fissione di nuclei pesanti ed energia termonucleare - nella fusione dei nuclei.