Çekirdeklerdeki nükleonlar serbest hallerinden önemli ölçüde farklı hallerdedir. Sıradan hidrojen çekirdeği hariç, tüm çekirdeklerde aralarında özel bir bağ bulunan en az iki nükleon vardır nükleer güçlü kuvvet - benzer yüklü protonların itilmesine rağmen çekirdeğin stabilitesini sağlayan çekim.

· Nükleon bağlanma enerjisiçekirdekte denir fiziksel miktar, bir nükleonu kinetik enerji vermeden çekirdekten çıkarmak için yapılması gereken işe eşittir.

· Nükleer bağlanma enerjisi iş miktarına göre belirlenir,yapılması gereken,bir çekirdeği, onlara kinetik enerji vermeden kendisini oluşturan nükleonlara bölmek.

Enerjinin korunumu yasasından, bir çekirdeğin oluşumu sırasında, çekirdeğin kendisini oluşturan nükleonlara bölünmesi sırasında harcanması gereken enerjinin serbest bırakılması gerektiği sonucu çıkar. Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeği oluşturan tüm serbest nükleonların enerjisi ile çekirdekteki enerjileri arasındaki farktır.

Bir çekirdek oluştuğunda kütlesi azalır: Çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından daha azdır. Oluşumu sırasında çekirdeğin kütlesindeki azalma, bağlanma enerjisinin salınmasıyla açıklanır. Eğer K sv, bir çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkan enerji miktarıdır, ardından karşılık gelen kütle

(9.2.1)

isminde kütle kusuru ve kendisini oluşturan nükleonlardan bir çekirdeğin oluşumu sırasında toplam kütledeki azalmayı karakterize eder.

Çekirdeğin kütlesi varsa M zehir oluşur Z kütleli protonlar m p ve itibaren ( A – Z) kütleli nötronlar m n, O:

.

(9.2.2)

Çekirdek kütlesi yerine M zehir değeri ∆ M atom kütlesi cinsinden ifade edilebilir Mşurada:

,

(9.2.3)

Nerede MN hidrojen atomunun kütlesidir. Pratik hesaplamada ∆ M Tüm parçacıkların ve atomların kütleleri şu şekilde ifade edilir: atomik kütle birimleri (a.e.m.). Bir atom kütle birimi, bir atom enerji birimine (a.u.e.) karşılık gelir: 1 a.u.e. = 931.5016 MeV.

Kütle kusuru nükleer bağlanma enerjisinin bir ölçüsü olarak hizmet eder:

.

(9.2.4)

Çekirdeğin spesifik bağlanma enerjisi ω St bağlanma enerjisi denir,nükleon başına:

.

(9.2.5)

ω St değeri ortalama 8 MeV/nükleondur. İncirde. 9.2 spesifik bağlanma enerjisinin kütle numarasına bağımlılığını gösterir A farklı çekirdeklerdeki nükleonların farklı bağ kuvvetlerini karakterize eder. kimyasal elementler. Periyodik sistemin orta kısmındaki elementlerin çekirdekleri (), yani. - arası, en dayanıklısı.

Bu çekirdeklerde ω 8,7 MeV/nükleona yakındır. Çekirdekteki nükleon sayısı arttıkça spesifik bağlanma enerjisi azalır. Periyodik tablonun sonunda bulunan kimyasal elementlerin atomlarının çekirdekleri (örneğin, uranyum çekirdeği) ω ışığa ≈ 7,6 MeV/nükleon'a sahiptir. Bu, ağır çekirdeklerin bölünmesi sırasında enerji açığa çıkma olasılığını açıklamaktadır. Kütle sayılarının küçük olduğu bölgelerde spesifik bağlanma enerjisinin keskin “tepe noktaları” vardır. Maksimumlar çift sayıda proton ve nötron içeren çekirdekler için tipiktir ( , , ), minimumlar ise tek sayıda proton ve nötron içeren çekirdekler için karakteristiktir ( , , ).

Eğer çekirdek mümkün olan en düşük enerjiye sahipse, o zaman bulunur. V temel enerji durumu . Çekirdeğin enerjisi varsa, o zaman bulunur V heyecanlı enerji durumu . Bu durum, bir çekirdeğin kendisini oluşturan nükleonlara bölünmesine karşılık gelir. Bir atomun enerji seviyeleri arasında elektronvolt birimleriyle aralıklar bulunurken, çekirdeğin enerji seviyeleri arasında megaelektronvoltlar (MeV) kadar aralıklar vardır. Bu, gama radyasyonunun kökenini ve özelliklerini açıklar.

Çekirdeklerin bağlanma enerjisine ilişkin veriler ve çekirdeğin damlacık modelinin kullanılması, yapının bazı düzenliliklerinin oluşturulmasını mümkün kılmıştır. atom çekirdeği.

Atom çekirdeğinin stabilitesi için kriter proton ve nötron sayısı arasındaki orandır istikrarlı bir çekirdekte izobar verileri için (). Minimum nükleer enerji koşulu aşağıdaki ilişkiye yol açar: Z ağız ve A:

.

(9.2.6)

Bir tamsayı al Z bu formülle elde edilene en yakın ağız.

Küçük ve orta değerlerde A Kararlı çekirdeklerdeki nötron ve proton sayıları yaklaşık olarak aynıdır: Z ≈ A – Z.

Büyüme ile Z Protonların Coulomb itici kuvvetleri orantılı olarak büyüyor Z·( Z – 1) ~ Z 2 (protonların çift etkileşimi) ve bu itmeyi nükleer çekimle telafi etmek için nötron sayısının artması gerekir. sayılardan daha hızlı protonlar.

Demoları görüntülemek için uygun köprüye tıklayın:

Göreceli atomik kütle Kimyasal bir elementin Аr'si (elementin sembolü ve D.I. Mendeleev'in periyodik sisteminin her hücresindeki seri numarasıyla birlikte verilen budur), izotop içeriği dikkate alınarak göreceli izotop kütlelerinin ortalama değeridir. Nispi atom kütlesi aslında belirli bir atomun kütlesinin, karbon izotopunun 1/12'sinin kütlesinden kaç kat daha büyük olduğunu gösterir. Herhangi biri gibi Göreceli değer Ar boyutsuz bir miktardır.

Atom kütlesi birimi başına ( atomik kütle birimi - a.m.u.) şu anda 12C nüklidinin kütlesinin 1/12'si olarak kabul edilmektedir. Bu nüklide 12.0000 amu'luk bir kütle atanmıştır. Gerçek anlam Atomik kütle birimi 1,661·10-27 kg'dır.

Amu cinsinden ifade edilen üç temel parçacığın kütleleri aşağıdaki değerlere sahiptir:

proton kütlesi – 1,007277 amu, nötron kütlesi – 1,008665 amu, elektron kütlesi – 0,000548 amu.

1.9.4. Kütle kusuru

Bir izotopun kütlesini (izotopik kütle), karşılık gelen sayıda proton, nötron ve elektronun kütlelerini toplayarak hesaplarsanız, sonuç deneyle tam bir uyum sağlamayacaktır. Hesaplamalar arasındaki tutarsızlık

İzotop kütlelerinin ölçülen ve deneysel olarak bulunan değerlerine denir

kütle kusuru.

Yani, örneğin, on yedi proton, on sekiz nötron ve on yedi elektronun kütlelerinin eklenmesiyle elde edilen klor 35 Cl izotoplarından birinin izotop kütlesi şuna eşittir:

17· 1,007277 + 18· 1,008665 + 17· 0,000548 = 35,289005 ak

Ancak bu değerin doğru deneysel tespitleri 34.96885 amu sonucunu vermektedir. Kütle kusuru 0,32016 amu'dur.

Kütle kusuru olgusuna ilişkin açıklamalar Albert Einstein'ın görelilik teorisinde formüle ettiği kavramlar kullanılarak yapılabilir. Kütle kusuru, protonlar arasındaki itici kuvvetlerin üstesinden gelmek için gereken enerjiye karşılık gelir.

Başka bir deyişle kütle kusuru, nükleer parçacıkların bağlanma enerjisinin bir ölçüsüdür. Çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara bölmek mümkün olsaydı, sistemin kütlesi, kütle kusurunun miktarı kadar artacaktı. Bağlanma enerjisi, çekirdekteki nükleonların enerjisi ile serbest durumdaki enerjileri arasındaki farkı gösterir; Bağlanma enerjisi, bir çekirdeği kendisini oluşturan nükleonlara ayırmak için harcanması gereken enerjidir.

Bağlanma enerjisi A. Einstein'ın formülü kullanılarak hesaplanabilir:

E = mc2,

burada: m – kg cinsinden kütle, s – ışık hızı – 2,9979·108 m/s, E – J cinsinden enerji. Örneğin, bir mol (4 g) nüklid 4 He (molar) için bağlanma enerjisi

kütle kusuru 3,0378·10-5 kg) şuna eşittir:

∆ E = (3,0378·10-5 kg/mol)·(2,9979·108 m/s)2 = 2,730·1012 J/mol Bu enerji, geleneksel bir kovalent bağın enerjisini şu kattan fazla aşar:

10 milyon kez. Böyle bir enerjiyi kimyasal reaksiyonla elde etmek için onlarca ton madde kullanmak gerekir.

Bağlanma enerjisi son derece yüksek olduğundan, bunu nükleon başına megaelektronvolt (1 MeV = 9,6·1010 J/mol) cinsinden ifade etmek gelenekseldir. Böylece 4 He çekirdeğinde nükleon başına bağlanma enerjisi yaklaşık 7 MeV, 35 Cl çekirdeğinde ise 8,5 MeV olur.

1.9.5. Nükleer kuvvetler

Bir atomun çekirdeği, çalışma için özel bir nesnedir. Yüzeysel bir incelemede bile pek çok kafa karışıklığı vardır. Çekirdeği oluşturan protonlar neden elektrostatik temel yasalarına göre birbirlerini itmiyor? Coulomb yasasını kullanan basit bir hesaplama, nükleer mesafelerde iki protonun yaklaşık 6000 N'luk bir kuvvetle itilmesi gerektiğini, ancak bu değerden 40 kat daha büyük bir kuvvetle birbirlerine çekildiklerini gösterir. Üstelik bu kuvvet hem iki proton arasında, hem de iki nötron arasında ve ayrıca bir proton ile bir nötron arasında eşit şekilde etki eder; parçacıkların yükünden tamamen bağımsızdır.

Açıkçası, nükleer kuvvetler tamamen farklı bir kuvvet sınıfını temsil eder; elektrostatik etkileşimlere indirgenemezler. Nükleer reaksiyonlara eşlik eden enerji, kimyasal dönüşümleri karakterize eden enerjiden milyonlarca kat daha yüksektir.

Kuantum mekaniği ilkelerinin elektronların hareketinin tanımlanmasına uygulanması şu anda oldukça tatmin edici sonuçlar vermektedir. Bu teori bir atomun çekirdeğinde meydana gelen süreçleri modellemek için kullanılabilir mi? En önemli özellik nükleer kuvvetler, eylemlerinin son derece küçük yarıçapıdır. Gerçekten de, bir elektronun hareketi, 10-8 cm civarındaki değerlerde tahmin edilen uzay bölgesinde meydana gelir ve tüm intranükleer olaylar, 10-12 cm veya daha az mesafelerde meydana gelir. Bu değerler nükleonların gerçek boyutlarından biraz daha büyüktür. Bir yanda elektronun hareketini, diğer yanda intranükleer olayları karakterize eden ölçeklerin büyüklük sırasına göre oranı aynı oranla karşılaştırılabilir.

klasik mekaniğin kanunlarına uyan makro dünya ve kuantum mekaniği kanunlarına göre yaşayan mikro dünya için.

Çekirdeğin bu kadar küçük boyutuyla, atomun neredeyse tüm kütlesi onun içinde yoğunlaşmıştır. Çekirdeğin yaklaşık hacmi ve atomun kütlesi bilindiğinde, nükleer maddenin yoğunluğu tahmin edilebilir: sıradan maddenin ortalama yoğunluğunu 2.1017 kat aşar ve 1013 - 1014 g/cm3 civarındadır. Bu tür miktarları gerçekten anlama çabası aşağıdaki resme yol açar: Böyle bir madde yoğunluğunda, bir kibrit kafasının hacmi (yaklaşık 5 mm3) bir kütle içermelidir. kütleye eşit 1 milyon ton su. Böyle bir kibrit başı Dünya yüzeyine düşse, tüm kayaları kırar ve gezegenin merkezine nüfuz eder.

1.9.6. Nükleer dönüşümler

Atom çekirdeğinin temel parçacıklarla veya birbirleriyle etkileşimlerinden kaynaklanan dönüşümlere denir. nükleer reaksiyonlar.

Kendiliğinden nükleer fisyon doğal radyoaktivite– üç tür radyasyon eşlik ediyor.

Alfa radyasyonu, yükü +2 ve kütle numarası 4 (4 He) olan helyum atomlarının çekirdeklerinden oluşan bir akıştır. Bu parçacıkların pozitif yükü, alfa ışınlarının saptırıldığı gerçeğini açıklamaktadır. Elektrik alanı negatif yüklü plakaya doğru ve karşılaştırmalı olarak büyük beden helyum atomları, diğer iki radyasyon türüyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde daha düşük nüfuz gücünü haklı çıkarır.

Açıkçası, böyle bir parçacık yayıldığında çekirdek iki proton ve iki nötron kaybeder. İki protonun kaybı atom numarasını iki birim azaltır, dolayısıyla sonuç yeni bir kimyasal elementin oluşmasıdır.

Örneğin, radyum-226'nın nüklidi, bir alfa parçacığının kaybı üzerine radon-222'nin nüklidi haline gelir ve bu, şu şekilde temsil edilebilir: nükleer reaksiyon denklemleri:

88 Ra → 86 Rn +2 He.

Bu tür denklemler oluşturulurken atom numaraları toplamları ile sağ ve sol taraftaki kütle numaraları toplamlarının eşitliğine dikkat edilmelidir (yük ve kütlenin korunumu sağlanmalıdır).

Bazı durumlarda, nükleer reaksiyon denklemini yazmanın kısaltılmış bir biçimi kullanılır: ilk nüklid solda, son nüklid sağda yazılır, aralarında parantez içinde bu dönüşüme neden olan parçacık ilk önce gösterilir ve sonra bunun sonucunda yayılır. Bu durumda, bu tür parçacıklar için aşağıdaki harf tanımları kullanılır: α (alfa parçacığı), p (proton), n (nötron), d (döteryum çekirdeği - döteron), vb. Örneğin yukarıda tartışılan alfa bozunması için:

Ra (-, α) Rn.

"-" işareti bombardıman parçacığının bulunmadığını gösterir (çekirdeğin bozunması kendiliğinden meydana gelir).

Beta radyasyonu da β -'ye bölünür (buna genellikle denir)

Bunlar basitçe β -radyasyon) ve β + -radyasyondur. β - - radyasyon, ışık hızına yakın bir hızda hareket eden bir elektron akışıdır. Bu elektronlar bir nötronun bozunmasından kaynaklanır:

90 Th→ 91 Pa + -1 e.

Toryum-234 ve protaktinyum-234 nüklidleri aynı kütle numaralarına sahiptir. Bu tür nüklidlere izobarlar denir.

β + -radyasyonunun ortaya çıkması, bir protonun bir nötrona dönüşmesi ve buna bir pozitron emisyonunun eşlik etmesinden kaynaklanır - bir elektronun analogu olan ancak pozitif bir yüke sahip temel bir parçacık:

19 K→ 18 Ar ++1 e.

Gama radyasyonu zordur Elektromanyetik radyasyon X ışınlarından daha kısa dalga boylarına sahiptir. Elektriksel olarak sapma yapmaz ve manyetik alanlar ve yüksek nüfuz etme kabiliyetine sahiptir.

γ ışınlarının emisyonu, α - ve β - bozunumuna ve ayrıca çekirdek tarafından elektron yakalama sürecine eşlik eder. İkinci durumda, çekirdek düşük enerji seviyesinden (K veya L elektronu) bir elektron yakalar ve protonlardan biri nötrona dönüşür:

1 p + -1 e		→ 0

Nüklitin kütle numarası değişmez ancak atom numarası bir azalır, örneğin:

23 V + -1 e → 22 Ti.

Kararsız, kendiliğinden bozunan nüklidlere ra- denir.

dionuklidler veya radyoaktif izotoplar . Kararlı izotoplar oluşana kadar bozunmaları devam eder. Kararlı izotoplar artık radyoaktif bozunmaya maruz kalmıyor, dolayısıyla doğada varlığını sürdürüyor. Örnekler: 16O ve 12C.

yarı ömür Kararsız bir izotop, radyoaktivitesinin orijinal değerinin yarısına düştüğü zamandır. Yarı ömürler saniyenin milyonda birinden milyonlarca yıla kadar değişebilir (Tablo 1.2).

Tablo 1.2

Bazı izotopların yarı ömürleri

			Yarı ömür
			3.10-7 sn
			5.7 103
			4,5 109
			1,39·1010 yıl

Birçok radyoaktif bozunma reaksiyonu bileşenler daha karmaşık ardışık nükleer reaksiyonlar - sözde bir dizi radyoaktif dönüşüm veya radyoaktif seri.

Bu serideki her dönüşüm, kararsız bir izotopun oluşumuna yol açar ve bu izotop da radyoaktif bozunmaya uğrar. Ana nüklid denir ana izotop ve sonuçta ortaya çıkan kızı izotop. Bir sonraki aşamada, yavru izotop ana izotop haline gelir ve bir sonraki yavru izotopa dönüşür, vb. Bu ardışık dönüşüm zinciri, nükleer reaksiyonun sonucu kararlı bir izotop oluşana kadar devam eder.

Böylece, radyoaktif uranyum serisi 238 U izotopu ile başlar ve nükleer bozunmanın birbirini izleyen on dört reaksiyonunun bir sonucu olarak, kararlı izotop 206 Pb ile sona erer. Bu durumda toplam kütle kaybı 32 birimdir.

Hem kararlı hem de kararsız nüklidler, çekirdeklerin yüksek enerjili parçacıklarla bombardıman edilmesiyle nükleer reaksiyonlarla üretilebilir. Başına-

uluma yapay nükleer dönüşüm E. Rutherford tarafından gerçekleştirildi: 1915'te

du, alfa ışınlarını nitrojenden geçirerek kararlı bir oksijen izotopu 17 O aldı. 1935'te Irene ve Frederic Joliot-Curie, alüminyumun alfa parçacıklarıyla bombardımanı sonucunda, radyoaktif izotop Pozitron yayan fosfor. Keşif için yapay radyoaktivite bilim adamlarına Nobel Ödülü verildi.

Nükleer reaksiyonlar gerçekleştirilirken, nükleer hedef protonlar, nötronlar ve elektronlar tarafından bombalanır, bu da nükleer bileşimde bir değişikliğe ve yeni bir kimyasal elementin oluşumuna yol açar. Bombardıman parçacıklarının hedeften gelen elektrostatik itme kuvvetlerinin üstesinden gelebilmesi için yüksek kinetik enerjiye sahip olması gerekir. Bu nedenle parçacıklar hızlandırılır. yüksek hızlar hızlandırıcılar adı verilen özel kurulumlarda (iki ana tip: doğrusal hızlandırıcı ve siklotron).

								Tablo 1.3
						Nükleer reaksiyonlar
				Denklemi Tamamla				Kısa form
	(α,p)
		7 N +2 O			→ 8 Ç			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)14C
		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

Yapay nükleer dönüşümler, bombardımana uğrayan ve reaksiyon sonucunda yayılan parçacıkların türüne göre sınıflandırılabilir (Tablo 1.3.).

Nükleer reaksiyonlar kullanılarak atom numarası 99 veya daha fazla olan yeni kimyasal elementler sentezlendi. Bu amaçla nükleer hedef, 7 N veya 12 C gibi ağır parçacıklarla bombardıman edilir. Böylece uranyum-238'in nitrojen-14 çekirdekleriyle bombardıman edilmesiyle einsteinyum elementi elde edildi:

TEKRARLAMA İÇİN MALZEMELER

Atom boyutları: ≈ 10 -8 cm Nükleer boyutlar: ≈ 10 -12 – 10 -13 cm

Nükleer maddenin yoğunluğu: ≈ 10 · 14 g/cm3

atomaltı parçacıklar

					açılış tarihi)
ELEKTRON	9.110 10-28				Thompson (1897)
	1.673 10-24				Rutherford'un (1914)
	1.675 10-24				Çadwick (1932)

Kuantum sayıları

		İsim	Tanım	Kabul edilmiş	Ne karakterize eder
				değerler
					enerjik
		Orbital		0, 1, 2, ...n–1	yörünge şekli,
					enerjik
					alt seviye
		Manyetik		–ℓ,..,–1,0,+1,..,+ ℓ	mekansal
					oryantasyon
					yörüngeler
		Döndürmek		+½ , -½	sahip olmak
					elektron

Atomların elektronik formülleri

Bir atomun elektronik formülünü oluşturmak için aşağıdakileri bilmeniz gerekir:

1. Gösterim sistemi: nℓх (n – enerji seviyesi sayısı: 1,2,3,..., ℓ – alt seviyenin harf gösterimi: s, p, d, f; x – elektron sayısı. Örnekler: 5s2 – iki elektron beşinci enerji seviyesinin s – alt seviyesinde (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - dördüncü enerji seviyesinin d-alt seviyesinde (n = 4, ℓ = 2) sekiz elektron.

2. Enerji alt seviyelerinin doldurulma sırası : 1s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(her alt düzey ancak bu satırdaki bir önceki tamamen oluşturulduktan sonra doldurulur).

3. Alt seviyelerin maksimum kapasitesi:

Örnek: Klor atomunun elektronik formülü, bu atomun on yedi elektronunun enerji alt seviyelerine dağılımıdır ve şu şekildedir:

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

Elektronik formülü yazmanın kısa bir şekli : elektronlar bulundu-

tamamen yerleşik enerji seviyelerinde, karşılık gelen soy gazın sembolü ile temsil edilir ve daha sonra kalan elektronların dağılımı gösterilir.

Örnek: klor atomunun kısa elektronik formülü:

17 Cl 3s2 3p5

Elektronların kuantum hücrelere dağılımı

kuantum hücreleri

s-alt katmanı

p-alt düzeyi

d-alt düzey

f-alt düzeyi

Hund kuralına göre: Başlangıçta, her elektrona ayrı bir kuantum hücresi verilir (paralel dönüşlü eşleşmemiş elektronlar), sonraki elektronlar, ms değerlerinin zıt işaretli eşleştirilmiş elektronlara sahip olduğu, halihazırda işgal edilmiş hücrelere girer. .

Gösterim: ms = +½ ,↓ ms = -½

Örnekler: 6 elektron f-alt seviyesinin kuantum hücrelerini işgal eder:

f-alt düzeyi

dokuz elektron için diyagram şu şekli alır:

f-alt düzeyi

Atomların elektron grafik formülleri

17CI

2p 6

Değerlik elektronları- tamamen oluşturulmamışsa, dış enerji seviyesinin elektronları ve sondan bir önceki d-alt seviyesi.

Nüklit tanımlamaları:

üst indeks nüklidin kütle numarasıdır, alt indeks ise karşılık gelen elementin atom numarasıdır.

Örnek: klor izotopu:

17CI

Kısaltma: 36 Cl

Çekirdeğin bileşimi Proton sayısı – atom numarası, periyottaki bir elementin sıra numarası

D. I. Mendeleev'in ditik sistemi; Nötron sayısı kütle numarası ile pro-sayısı arasındaki farktır.

Örnek: klor izotopu için proton ve nötron sayısı

17 Cl: proton sayısı = 17, nötron sayısı = 36-17 = 19.

İzotoplar – aynı atom numarası, farklı atom kütleleri (çekirdek aynı sayıda proton, farklı sayıda nötron içerir)

Nükleer reaksiyonlar

Nükleer reaksiyon denkleminin sol ve sağ taraflarında aşağıdakiler arasında bir denge sağlanmalıdır:

– kütle sayılarının toplamları (üst simgeler),

– atom numaralarının toplamları (abonelikler).

Örnek:

Nükleer reaksiyon denklemini yazmanın kısaltılmış şekli:

solda - orijinal çekirdek,

sağda son nüklid var,

aralarında parantez içinde: verilen dönüşüme neden olan parçacık, ardından bunun sonucunda yayılan parçacık.

Harf tanımları:α (alfa parçacığı), p (proton), n (nötron), d (döteryum çekirdeği - döteron), vb.

Örnek: Reaksiyon için 23 Na (p,n)23 Mg

11 Na +1 H→ 12 Mg +0 n

Araştırmalar atom çekirdeklerinin kararlı oluşumlar olduğunu gösteriyor. Bu, çekirdekte nükleonlar arasında belirli bir bağın olduğu anlamına gelir.

Çekirdeklerin kütlesi, elektrik ve manyetik alanları kullanarak farklı spesifik yüklere sahip yüklü parçacıkların (genellikle iyonların) ışınlarını ayıran ölçüm aletleri olan kütle spektrometreleri kullanılarak çok doğru bir şekilde belirlenebilir. Q/m. Kütle spektrometrik ölçümleri şunu gösterdi: Bir çekirdeğin kütlesi, onu oluşturan nükleonların kütlelerinin toplamından küçüktür. Ancak kütledeki her değişimin enerjideki bir değişime karşılık gelmesi gerektiğinden, çekirdeğin oluşumu sırasında belli bir enerjinin açığa çıkması gerekir. Enerjinin korunumu yasasından da bunun tersi çıkar: Bir çekirdeği bileşen parçalarına ayırmak için, oluşumu sırasında açığa çıkan enerjinin aynısını harcamak gerekir. Bir çekirdeğin tek tek nükleonlara bölünmesi için harcanması gereken enerjiye denir. nükleer bağlanma enerjisi.

(40.9) ifadesine göre çekirdekteki nükleonların bağlanma enerjisi

Nerede t p, t n, t BEN - sırasıyla proton, nötron ve çekirdeğin kütleleri. Tablolar genellikle kütleleri göstermez. T Ben çekirdeğim ve kitleyim T atomlar. Bu nedenle bir çekirdeğin bağlanma enerjisi için şu formülü kullanırlar:

Nerede M H, bir hidrojen atomunun kütlesidir. Çünkü M H daha büyük m p miktara göre Ben, o zaman köşeli parantez içindeki ilk terim kütleyi içerir Z elektronlar. Fakat bir atomun kütlesinden beri Tçekirdeğin kütlesinden farklı T Sadece ayindeyim Z elektronlar, daha sonra (252.1) ve (252.2) formüllerini kullanan hesaplamalar aynı sonuçlara yol açar.

Büyüklük

isminde kütle kusuruçekirdekler. Onlardan bir atom çekirdeği oluştuğunda, tüm nükleonların kütlesi bu miktarda azalır.

Çoğu zaman, bağlayıcı enerji yerine, şunu düşünürüz: spesifik bağlanma enerjisi d E St. - Nükleon başına bağlanma enerjisi. Atom çekirdeğinin stabilitesini (kuvvetini) karakterize eder, yani d E St. , çekirdek ne kadar kararlı olursa. Spesifik bağlanma enerjisi kütle numarasına bağlıdır A elemanı (Şek. 342). Hafif çekirdekler için ( A£ 12) spesifik bağlanma enerjisi, bir takım sıçramalara uğrayarak (örneğin, H için) dik bir şekilde 6¸ 7 MeV'ye yükselir. d E sv = 1,1 MeV, He - 7,1 MeV için, Li - 5,3 MeV için), daha sonra daha yavaş bir şekilde elementler için maksimum 8,7 MeV değerine yükselir. A=50¸ 60 ve daha sonra ağır elementler için giderek azalır (örneğin U için 7,6 MeV'dir). Karşılaştırma amacıyla atomlardaki değerlik elektronlarının bağlanma enerjisinin yaklaşık 10 eV (10 6! kat daha az) olduğunu not edelim.

Ağır elementlere geçiş sırasında spesifik bağlanma enerjisindeki azalma, çekirdekteki proton sayısı arttıkça enerjilerinin de artmasıyla açıklanmaktadır. Coulomb itmesi. Bu nedenle nükleonlar arasındaki bağ daha az güçlü hale gelir ve çekirdeklerin kendisi de daha az güçlü hale gelir.

En istikrarlı olanlar sözde sihirli çekirdekler, burada proton sayısı veya nötron sayısı sihirli sayılardan birine eşittir: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Özellikle kararlı iki kere sihirli çekirdekler hem proton sayısı hem de nötron sayısı sihirlidir (bu çekirdeklerden yalnızca beşi vardır: He, O, Ca, Ca, Pb).

Şek. 342'den enerji açısından en kararlı olanın periyodik tablonun orta kısmındaki çekirdekler olduğu sonucu çıkıyor. Ağır ve hafif çekirdekler daha az stabildir. Bu, aşağıdaki süreçlerin enerji açısından uygun olduğu anlamına gelir: 1) ağır çekirdeklerin daha hafif olanlara bölünmesi; 2) hafif çekirdeklerin birbirleriyle daha ağır olanlara füzyonu. Her iki süreç de muazzam miktarda enerji açığa çıkarır; Bu işlemler şu anda pratik olarak gerçekleştirilmektedir: fisyon reaksiyonları ve termonükleer reaksiyonlar.

Bir atom çekirdeğinin bileşimi

1932'de bilim adamları D.D. tarafından proton ve nötronun keşfinden sonra. Ivanenko (SSCB) ve W. Heisenberg (Almanya) önerdi proton-nötronmodeliatom çekirdeği.
Bu modele göre çekirdek aşağıdakilerden oluşur: protonlar ve nötronlar. Toplam nükleon sayısına (yani proton ve nötronlara) denir. kütle Numarası A: A = Z + N . Kimyasal elementlerin çekirdekleri şu sembolle gösterilir:
X elementin kimyasal sembolüdür.

Örneğin hidrojen

Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur. Atom çekirdeğini oluşturan protonların sayısı sembolle gösterilir. Z ve Çağrı yap Görev numarası (Bu, Mendeleev'in periyodik tablosundaki seri numarasıdır). Nükleer yük ze , Nerede e temel ücrettir. Nötron sayısı sembolle gösterilir N .

Nükleer kuvvetler

Atom çekirdeğinin kararlı olabilmesi için, protonların ve nötronların, Coulomb'un protonları itme kuvvetlerinden kat kat daha büyük olan muazzam kuvvetler tarafından çekirdeğin içinde tutulması gerekir. Nükleonları çekirdekte tutan kuvvetlere denir. nükleer . Bunlar, fizikte bilinen en yoğun etkileşim tipinin, yani güçlü etkileşimin bir tezahürünü temsil ediyor. Nükleer kuvvetler, elektrostatik kuvvetlerden yaklaşık 100 kat daha büyüktür ve nükleonlar arasındaki yerçekimsel etkileşim kuvvetlerinden onlarca kat daha büyüktür.

Nükleer kuvvetler aşağıdaki özelliklere sahiptir:

• çekim gücüne sahip;
• kuvvetler mi kısa mesafe(nükleonlar arasındaki küçük mesafelerde ortaya çıkar);
• Nükleer kuvvetler parçacıklar üzerindeki elektrik yükünün varlığına veya yokluğuna bağlı değildir.

Atom çekirdeğinin kütle kusuru ve bağlanma enerjisi

Nükleer fizikte en önemli rol kavram tarafından oynanır. nükleer bağlanma enerjisi .

Bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, çekirdeğin tek tek parçacıklara tamamen bölünmesi için harcanması gereken minimum enerjiye eşittir. Enerjinin korunumu yasasından, bağlanma enerjisinin, çekirdeğin oluşumu sırasında bireysel parçacıklardan salınan enerjiye eşit olduğu sonucu çıkar.

Herhangi bir çekirdeğin bağlanma enerjisi, kütlesinin doğru bir şekilde ölçülmesiyle belirlenebilir. Şu anda fizikçiler parçacıkların (elektronlar, protonlar, nötronlar, çekirdekler vb.) kütlelerini çok yüksek bir doğrulukla ölçmeyi öğrendiler. Bu ölçümler şunu gösteriyor herhangi bir çekirdeğin kütlesi M I her zaman onu oluşturan proton ve nötronların kütlelerinin toplamından daha azdır:

Kütle farkına denir kütle kusuru. Einstein'ın formülünü kullanarak kütle kusuruna göre e = mcŞekil 2'de belirli bir çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkan enerjiyi, yani çekirdeğin bağlanma enerjisini belirleyebilirsiniz. e St:

Bu enerji, γ-kuanta radyasyonu formunda bir çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkar.

Nükleer enerji

Dünyanın ilk nükleer santrali ülkemizde inşa edilmiş ve 1954 yılında SSCB'nin Obninsk şehrinde faaliyete geçmiştir. Güçlü nükleer santrallerin inşaatı gelişiyor. Şu anda Rusya'da faaliyette olan 10 nükleer santral bulunmaktadır. Çernobil nükleer santralinde yaşanan kazanın ardından nükleer reaktörlerin güvenliğini sağlamak için ek önlemler alındı.

Atom çekirdeğindeki nükleonlar nükleer kuvvetlerle birbirine bağlıdır; Bu nedenle çekirdeği proton ve nötronlara ayırmak için çok fazla enerji harcamak gerekir. Bu enerjiye çekirdeğin bağlanma enerjisi denir.

Serbest protonlar ve nötronlar bir çekirdek oluşturmak üzere birleştiğinde aynı miktarda enerji açığa çıkar. Dolayısıyla Einstein'ın özel görelilik teorisine göre bir atom çekirdeğinin kütlesi, onu oluşturan serbest proton ve nötronların kütlelerinin toplamından daha az olmalıdır. Enerjiye karşılık gelen bu kütle farkı Δm çekirdek iletişimEst, Einstein'ın bağıntısıyla belirlenir:

Esv = c 2 Δm. (37.1)

Atom çekirdeğinin bağlanma enerjisi o kadar yüksektir ki, bu kütle farkının doğrudan ölçümü oldukça kolaydır. Kütle spektrograflarının yardımıyla gerçekten de tüm atom çekirdekleri için böyle bir kütle farkı bulunmuştur.

Çekirdeği oluşturan serbest proton ve nötronların geri kalan kütlelerinin toplamı ile çekirdeğin kütlesi arasındaki farka çekirdeğin kütle kusuru denir. Bağlanma enerjisi genellikle megaelektronvolt (MeV) (1 MeV=106 eV) cinsinden ifade edilir. Atomik kütle birimi (a.m.u.) 1,66 * 10 -27 kg olduğundan, buna karşılık gelen enerjiyi belirleyebilirsiniz:

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.

Bağlanma enerjisi doğrudan nükleer fisyon reaksiyonundaki enerji dengesinden ölçülebilir. Böylece döteronun bağlanma enerjisi ilk kez γ-kuantum tarafından bölünürken belirlendi. Ancak formül (37.1)'den bağlanma enerjisi şu şekilde olabilir: kütle spektrografı kullanıldığından çok daha doğru bir şekilde belirlenir izotopların kütlelerini %10-4 doğrulukla ölçmek mümkündür.

Örneğin helyum çekirdeği 4 2 He'nin (α parçacığı) bağlanma enerjisini hesaplayalım. Atomik birim cinsinden kütlesi M (4 2 He) = 4,001523'tür; proton kütlesi mр=1.007276, nötron kütlesi mn=1.008665. Dolayısıyla helyum çekirdeğinin kütle kusuru

Δm = 2/mp + 2mn - M (4 2 He),

Δm = 2*1,007276 + 2*1,008665-4,001523 = 0,030359.

ÇarpmaE a.u.m = 931,4 MeV, şunu elde ederiz:

Esv = 0,030359*931,4 MeV ≈ 28,3 MeV.

Bir kütle spektrografı kullanılarak tüm izotopların kütleleri ölçüldü ve çekirdeklerin kütle kusuru ve bağlanma enerjisi belirlendi. Bazı izotopların çekirdeklerinin bağlanma enerjileri Tabloda verilmiştir. 37.1. Bu tür tablolar kullanılarak nükleer reaksiyonların enerji hesaplamaları yapılır.

Herhangi bir nükleer reaksiyonda oluşan çekirdek ve parçacıkların toplam kütlesi, başlangıçtaki çekirdek ve parçacıkların toplam kütlesinden azsa, böyle bir reaksiyonda kütledeki bu azalmaya karşılık gelen enerji açığa çıkar. Ne zaman toplam sayısı Protonlar ve toplam nötron sayısı korunur, toplam kütledeki bir azalma, reaksiyonun bir sonucu olarak toplam kütle kusurunun artması ve yeni çekirdeklerde nükleonların birbirlerine orijinal çekirdeklerden daha güçlü bir şekilde bağlanması anlamına gelir. Açığa çıkan enerji, oluşan çekirdeğin toplam bağlanma enerjisi ile orijinal çekirdeğin toplam bağlanma enerjisi arasındaki farka eşittir ve toplam kütledeki değişim hesaplanmadan tablo kullanılarak bulunabilir. Bu enerji şuraya salınabilir: çevreçekirdeklerin ve parçacıkların kinetik enerjisi formunda veya γ-kuantum formunda. Enerji salınımının eşlik ettiği reaksiyona örnek olarak herhangi bir spontan reaksiyon gösterilebilir.

Radyumu radona dönüştürmenin nükleer reaksiyonunun enerji hesaplamasını yapalım:

226 88 Ra → 222 86 Rn + 4 2 He.

Orijinal çekirdeğin bağlanma enerjisi 1731,6 MeV'dir (Tablo 37.1) ve ortaya çıkan çekirdeklerin toplam bağlanma enerjisi 1708,2 + 28,3 = 1736,5 MeV olup orijinal çekirdeğin bağlanma enerjisinden 4,9 MeV daha yüksektir.

Bu nedenle bu reaksiyon, esas olarak α parçacığının kinetik enerjisi olan 4,9 MeV'lik bir enerji açığa çıkarır.

Bir reaksiyonun sonucu olarak, toplam kütlesi orijinal çekirdeklerin ve parçacıklarınkinden daha büyük olan çekirdekler ve parçacıklar oluşursa, o zaman böyle bir reaksiyon ancak kütledeki bu artışa karşılık gelen enerjinin emilmesiyle gerçekleşebilir, ve asla kendiliğinden oluşmaz. Emilen enerji miktarı, orijinal çekirdeklerin toplam bağlanma enerjisi ile reaksiyonda oluşan çekirdeklerin toplam bağlanma enerjisi arasındaki farka eşittir. Bu şekilde, bir parçacığın veya başka bir çekirdeğin hedef çekirdeğe çarptığında bu tür bir reaksiyonu gerçekleştirmek için hangi kinetik enerjiye sahip olması gerektiğini hesaplamak veya parçalanması için gerekli γ-kuantum değerini hesaplamak mümkündür. herhangi bir çekirdek.

Dolayısıyla döteronun bölünmesi için gereken minimum γ-kuantum değeri 2,2 MeV'lik döteron bağlanma enerjisine eşittir, çünkü bu reaksiyonda:

2 1 H + γ → 1 1 H + 0 n 1

serbest bir proton ve nötron oluşur (Esv = 0).

Bu tür teorik hesaplamaların deneysel sonuçlarla iyi uyumu, atom çekirdeğinin kütlesindeki kusura ilişkin yukarıdaki açıklamanın doğruluğunu gösterir ve görelilik teorisinin belirlediği kütle ve enerjinin orantılılığı ilkesini doğrular.

Şunu belirtmek gerekir ki, hangi reaksiyonlarda temel parçacıkların dönüşümü meydana gelir (örneğin, β-bozunması), aynı zamanda salınım da eşlik eder veya parçacıkların toplam kütlesindeki bir değişikliğe karşılık gelen enerjinin emilmesi.

Çekirdeğin önemli bir özelliği, çekirdeğin nükleon başına ortalama bağlanma enerjisi olan Eb/A'dır (Tablo 37.1). Ne kadar büyük olursa, nükleonların birbirine bağlanması o kadar güçlü olur, çekirdek de o kadar güçlü olur. Masadan Şekil 37.1, çoğu çekirdek için Eb/A değerinin nükleon başına yaklaşık 8 MeV olduğunu ve çok hafif ve ağır çekirdekler için azaldığını gösterir. Hafif çekirdekler arasında helyum çekirdeği öne çıkıyor.

Ecv/A değerinin A çekirdeğinin kütle numarasına bağımlılığı Şekil 2'de gösterilmektedir. 37.12. Hafif çekirdeklerde nükleonların büyük bir kısmı çekirdeğin yüzeyinde bulunur ve burada bağlarını tam olarak kullanamazlar ve Eb/A değeri küçüktür. Çekirdeğin kütlesi arttıkça yüzey/hacim oranı azalır ve yüzeyde yer alan nükleonların fraksiyonu azalır.. Bu nedenle ESV/A büyür. Ancak çekirdekteki nükleon sayısı arttıkça protonlar arasındaki Coulomb itme kuvvetleri artarak çekirdekteki bağları zayıflatır ve ağır çekirdekler için Eb/A değeri düşer. Bu nedenle, Eb/A değeri orta kütleli çekirdekler için maksimumdur (A = 50-60'da), bu nedenle en büyük mukavemetle ayırt edilirler.

Bu bizi önemli bir sonuca götürüyor. Ağır çekirdeklerin iki orta çekirdeğe bölünmesi reaksiyonlarında ve ayrıca iki daha hafif çekirdekten orta veya hafif bir çekirdeğin sentezinde, orijinal olanlardan daha güçlü çekirdekler elde edilir (daha büyük bir Ec/A değeri ile) . Bu, bu tür reaksiyonların enerji açığa çıkardığı anlamına gelir. Bu, ağır çekirdeklerin fisyonundan atom enerjisi ve çekirdeklerin füzyonundan termonükleer enerji elde etmenin temelidir.