От какво се състои атомното ядро? Ядрени сили – Хипермаркет на знанието

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

атомсе състои от положително заредено ядро, вътре в което има протони и неутрони, а електроните се движат по орбити около него. Атомно ядроразположен в центъра и в него е съсредоточена почти цялата му маса.

Количеството заряд на ядрото на атома определя химичния елемент, към който принадлежи този атом.

Съществуването на атомното ядро ​​е доказано през 1911 г. от Е. Ръдърфорд и е описано в работа, озаглавена „Разсейването на α и β лъчите и структурата на атома“. След това различни учени представят множество теории за структурата на атомното ядро ​​(теория на капката (Н. Бор), теория на черупките, теория на клъстерите, оптична теория и др.).

Електронна структура на атомното ядро

Според съвременните концепции атомното ядро ​​се състои от положително заредени протони и неутрални неутрони, които заедно се наричат ​​нуклони. Те се задържат в ядрото поради силни взаимодействия.

Броят на протоните в ядрото се нарича зарядово число (Z). Може да се определи с помощта на периодичната таблица на Д. И. Менделеев - равен е на поредния номер на химичния елемент, към който принадлежи атомът.

Броят на неутроните в едно ядро ​​се нарича изотопно число (N). Общият брой на нуклоните в ядрото се нарича масово число (М) и е равен на относителната атомна маса на атом на химичен елемент, посочена в периодичната система на Д. И. Менделеев.

Ядра с еднакъв брой неутрони, но различен брой протони се наричат ​​изотони. Ако ядрото има еднакъв брой протони, но различни неутрони - изотопи. В случай, когато масовите числа са равни, но съставът на нуклоните е различен - изобари.

Ядрото на атома може да бъде в стабилно (основно) състояние и във възбудено състояние.

Нека разгледаме структурата на ядрото на атома, използвайки примера на химичния елемент кислород. Кислородът има сериен номер 8 в периодичната таблица на Д. И. Менделеев и относителна атомна маса от 16 amu. Това означава, че ядрото на кислородния атом има заряд, равен на (+8). Ядрото съдържа 8 протона и 8 неутрона (Z=8, N=8, M=16), а 8 електрона се движат в 2 орбити около ядрото (фиг. 1).

Ориз. 1. Схематично представяне на структурата на кислородния атом.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Атомно ядро
Атомно ядро

Атомно ядро - централната и много компактна част на атома, в която е концентрирана почти цялата му маса и целият положителен електрически заряд. Ядрото, задържайки електрони близо до себе си чрез кулонови сили в количество, което компенсира неговия положителен заряд, образува неутрален атом. Повечето ядра имат форма, близка до сферичната, и диаметър ≈ 10 -12 cm, което е с четири порядъка по-малко от диаметъра на атома (10 -8 cm). Плътността на веществото в ядрото е около 230 милиона тона/см 3 .
Атомното ядро ​​е открито през 1911 г. в резултат на серия от експерименти за разсейване на алфа-частици от тънки златни и платинени фолиа, проведени в Кеймбридж (Англия) под ръководството на Е. Ръдърфорд. През 1932 г., след откриването на неутрона там от J. Chadwick, става ясно, че ядрото се състои от протони и неутрони
(В. Хайзенберг, Д. Д. Иваненко, Е. Майорана).
За обозначаване на атомно ядро ​​се използва символът на химичния елемент на атома, който съдържа ядрото, а горният ляв индекс на този символ показва броя на нуклоните (масово число) в това ядро, а долният ляв индекс показва брой протони в него. Например, никеловото ядро, съдържащо 58 нуклона, от които 28 са протони, се обозначава като . Същото това ядро ​​може също да бъде обозначено като 58 Ni или никел-58.

Ядрото е система от плътно опаковани протони и неутрони, движещи се със скорост 10 9 -10 10 cm/sec и задържани от мощни ядрени сили с малък обсег на взаимно привличане (областта им на действие е ограничена до разстояния от ≈ 10 -13 см). Протоните и неутроните са с размер около 10 -13 cm и се считат за две различни състояния на една частица, наречена нуклон. Радиусът на ядрото може да бъде приблизително оценен по формулата R ≈ (1,0-1,1)·10 -13 A 1/3 cm, където A е броят на нуклоните (общият брой на протоните и неутроните) в ядрото. На фиг. Фигура 1 показва как се променя плътността на материята (в единици от 10 14 g/cm 3) вътре в никеловото ядро, състоящо се от 28 протона и 30 неутрона, в зависимост от разстоянието r (в единици от 10 -13 cm) до центъра на ядрото.
Ядреното взаимодействие (взаимодействието между нуклоните в ядрото) възниква поради факта, че нуклоните обменят мезони. Това взаимодействие е проява на по-фундаменталното силно взаимодействие между кварките, които изграждат нуклоните и мезоните (по същия начин, по който силите на химично свързване в молекулите са проява на по-фундаменталните електромагнитни сили).
Светът на ядрата е много разнообразен. Известни са около 3000 ядра, които се различават едно от друго или по броя на протоните, или по броя на неутроните, или и по двете. Повечето от тях са получени по изкуствен път.
Само 264 ядра са стабилни, т.е. не изпитват никакви спонтанни трансформации с течение на времето, наречени разпадания. Останалите изпитват различни форми на разпад - алфа разпад (излъчване на алфа частица, т.е. ядро ​​на хелиев атом); бета-разпад (едновременно излъчване на електрон и антинеутрино или позитрон и неутрино, както и поглъщане на атомен електрон с излъчване на неутрино); гама разпад (излъчване на фотони) и други.
Различните типове ядра често се наричат ​​нуклиди. Нуклидите с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат ​​изотопи. Нуклиди с еднакъв брой нуклони, но различно съотношение на протони и неутрони се наричат ​​изобари. Леките ядра съдържат приблизително равен брой протони и неутрони. В тежките ядра броят на неутроните е приблизително 1,5 пъти по-голям от броя на протоните. Най-лекото ядро ​​е ядрото на водородния атом, състоящо се от един протон. Най-тежките известни ядра (получават се изкуствено) имат брой нуклони ≈290. От тях 116-118 са протони.
Различни комбинации от броя на протоните Z и неутроните съответстват на различни атомни ядра. Атомните ядра съществуват (т.е. техният живот t > 10 -23 s) в доста тесен диапазон на промени в числата Z и N. Освен това всички атомни ядра се разделят на две големи групи - стабилни и радиоактивни (нестабилни). Стабилните ядра са групирани близо до линията на стабилност, която се определя от уравнението

На фиг. Фигура 2 показва NZ диаграмата на атомните ядра. Черните точки показват стабилни ядра. Областта, в която се намират стабилни ядра, обикновено се нарича долината на стабилността. От лявата страна на стабилните ядра има ядра, претоварени с протони (богати на протони ядра), отдясно - ядра, претоварени с неутрони (богати на неутрони ядра). Откритите в момента атомни ядра са подчертани в цвят. Има около 3,5 хиляди от тях. Смята се, че общо трябва да са 7 – 7,5 хиляди. Богатите на протони ядра (малинов цвят) са радиоактивни и се превръщат в стабилни главно в резултат на β + разпадане; протонът, включен в ядрото, се превръща в неутрон. Богатите на неутрони ядра (син цвят) също са радиоактивни и стават стабилни в резултат на - - разпадане, с превръщането на неутрон от ядрото в протон.
Най-тежките стабилни изотопи са тези на оловото (Z = 82) и бисмута (Z = 83). Тежките ядра, заедно с процесите на β + и β - разпад, също са обект на α-разпад (жълто) и спонтанно делене, които стават техните основни канали на разпадане. Пунктираната линия на фиг. 2 очертава областта на възможно съществуване на атомни ядра. Линията B p = 0 (B p е енергията на отделяне на протони) ограничава областта на съществуване на атомните ядра отляво (протонна капкова линия). Линия B n = 0 (B n – енергия на отделяне на неутрони) – вдясно (неутронна капкова линия). Извън тези граници атомните ядра не могат да съществуват, тъй като те се разпадат по време на характерното ядрено време (~10 -23 – 10 -22 s) с излъчване на нуклони.
Когато две леки ядра се комбинират (синтез) и разделят тежко ядро ​​на два по-леки фрагмента, се освобождават големи количества енергия. Тези два метода за получаване на енергия са най-ефективните от всички известни. Така че 1 грам ядрено гориво е еквивалентен на 10 тона химическо гориво. Ядреният синтез (термоядрени реакции) е източникът на енергия за звездите. Неконтролиран (експлозивен) синтез възниква при взривяване на термоядрена (или така наречената „водородна”) бомба. Контролираният (бавен) синтез е в основата на обещаващ енергиен източник в процес на разработка – термоядрен реактор.
Неконтролирано (експлозивно) делене възниква, когато атомна бомба експлодира. Контролираното делене се извършва в ядрени реактори, които са енергийните източници в атомните електроцентрали.
Квантовата механика и различни модели се използват за теоретично описание на атомните ядра.
Ядрото може да се държи както като газ (квантов газ), така и като течност (квантова течност). Студената ядрена течност има свръхфлуидни свойства. В силно нагрято ядро ​​нуклоните се разпадат на съставните си кварки. Тези кварки взаимодействат чрез обмен на глуони. В резултат на този разпад събирането на нуклони вътре в ядрото се превръща в ново състояние на материята - кварк-глюонна плазма

В края на 19-ти и началото на 20-ти век физиците доказаха, че атомът е сложна частица и се състои от по-прости (елементарни) частици. Бяха открити:

· катодни лъчи (английски физик J. J. Thomson, 1897 г.), чиито частици се наричат ​​електрони e - (носят единичен отрицателен заряд);

· естествена радиоактивност на елементите (френски учени - радиохимици А. Бекерел и М. Склодовска-Кюри, физик Пиер Кюри, 1896 г.) и съществуването на α-частици (хелиеви ядра 4 He 2 +);

· наличието на положително заредено ядро ​​в центъра на атома (английски физик и радиохимик Е. Ръдърфорд, 1911 г.);

· изкуствено превръщане на един елемент в друг, например азот в кислород (E. Rutherford, 1919). От ядрото на атом на един елемент (азот - в опита на Ръдърфорд) при сблъсък с α-частица се образува ядрото на атом на друг елемент (кислород) и нова частица, носеща единичен положителен заряд и т.нар. протон (p +, 1H ядро)

· наличие в ядрото на атома на електрически неутрални частици - неутрони n 0 (Английски физик Дж. Чадуик, 1932 г.). В резултат на изследването беше установено, че атомът на всеки елемент (с изключение на 1H) съдържа протони, неутрони и електрони, като протоните и неутроните са концентрирани в ядрото на атома, а електроните в неговата периферия (в електронната обвивка) .

Електроните обикновено се означават по следния начин: e − .

Електроните e са много леки, почти безтегловни, но имат отрицателен електрически заряд. То е равно на -1. Електрическият ток, който всички използваме, е поток от електрони, движещи се по жици.

Неутроните се означават по следния начин: n 0, а протоните по следния начин: p +.

Неутроните и протоните са почти еднакви по маса.

Броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в обвивката на атома и съответства на поредния номер на този елемент в периодичната система.

Атомно ядро

Централната част на атома, в която е концентрирана по-голямата част от неговата маса и чиято структура определя химичния елемент, към който принадлежи атомът.

Атомното ядро ​​се състои от нуклони – положително заредени протони p + и неутрални неутрони n 0, които са свързани помежду си чрез силно взаимодействие. Атомното ядро, разглеждано като клас частици с определен брой протони и неутрони, често се нарича нуклид.

Броят на протоните в едно ядро ​​се нарича неговото зарядно число Z - това число е равно на атомния номер на елемента, към който атомът принадлежи в периодичната таблица.

Броят на неутроните в ядрото се обозначава с буквата N, а броят на протоните с буквата Z. Тези числа са свързани едно с друго чрез просто съотношение:

Общият брой нуклони в едно ядро ​​се нарича неговото масово число A = N + Z и е приблизително равен на средната маса на атом, показана в периодичната таблица.

Атомните ядра с еднакъв брой протони и различен брой неутрони се наричат ​​изотопи.

Много елементи имат един естествен изотоп, например Be, F, Na, Al, P, Mn, Co, I, Au и някои други. Но повечето елементи имат два или три най-стабилни изотопа.

Например:

Атомните ядра с еднакъв брой неутрони, но различен брой протони се наричат ​​изотони.

Атомите на различни елементи с еднаква атомна маса-A се наричат ​​изобари.

« Физика - 11 клас"

Структурата на атомното ядро. Ядрени сили

Веднага след откриването на неутрона в експериментите на Чадуик, съветският физик Д. Д. Иваненко и немският учен В. Хайзенберг през 1932 г. предлагат протонно-неутронен модел на ядрото.
Това беше потвърдено от последващи изследвания на ядрени трансформации и сега е общоприето.

Протонно-неутронен модел на ядрото

Според протонно-неутронния модел ядрата се състоят от два вида елементарни частици – протони и неутрони.

Тъй като атомът като цяло е електрически неутрален и зарядът на протона е равен на модула на заряда на електрона, броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в атомната обвивка.
Следователно броят на протоните в ядрото е равен на атомния номер на елемента Зв периодичната система от елементи на Д. И. Менделеев.

Сумата от броя на протоните Зи брой неутрони нв ядрото се нарича масово числои се обозначава с буквата А:

A = Z + N

Масите на протона и неутрона са близки една до друга и всяка от тях е приблизително равна на единица атомна маса.
Масата на електроните в един атом е много по-малка от масата на неговото ядро.
Следователно масовото число на ядрото е равно на относителната атомна маса на елемента, закръглена до цяло число.
Числата на масата могат да бъдат определени чрез приблизително измерване на масата на ядрата с помощта на инструменти, които не са много точни.

Изотопите са ядра с еднаква стойност З, но с различни масови числа А, т.е. с различен брой неутрони н.

Ядрени сили

Тъй като ядрата са много стабилни, протоните и неутроните трябва да се задържат вътре в ядрото от някакви сили, при това много силни.
Гравитационните сили не са твърде слаби.
Стабилността на ядрото също не може да се обясни с електромагнитни сили, тъй като между еднакво заредените протони действа електрическо отблъскване.
А неутроните нямат електрически заряд.

Това означава, че между ядрените частици - протони и неутрони, те се наричат нуклони- има специални сили вика ядрени сили.

Какви са основните свойства на ядрените сили? Ядрените сили са приблизително 100 пъти по-големи от електрическите (кулонови) сили.
Това са най-мощните сили от всички съществуващи в природата.
Поради това взаимодействията на ядрените частици често се наричат силни взаимодействия.

Силните взаимодействия се проявяват не само във взаимодействията на нуклоните в ядрото.
Това е специален тип взаимодействие, присъщо на повечето елементарни частици, заедно с електромагнитните взаимодействия.

Друга важна характеристика на ядрените сили е тяхната кратка продължителност.
Електромагнитните сили отслабват относително бавно с увеличаване на разстоянието.
Ядрените сили се проявяват забележимо само на разстояния, равни на размера на ядрото (10 -12 -10 -13 cm), което вече беше показано от експериментите на Ръдърфорд върху разсейването на α-частици от атомни ядра.
Все още не е разработена пълна количествена теория за ядрените сили.
Значителен напредък в развитието му е постигнат съвсем наскоро - през последните 10-15 години.

Ядрата на атомите се състоят от протони и неутрони. Тези частици се задържат в ядрото от ядрени сили.

Изотопи

Изследването на явлението радиоактивност доведе до важно откритие: беше изяснена природата на атомните ядра.

В резултат на наблюдение на огромен брой радиоактивни трансформации постепенно беше открито, че има вещества, които са идентични по своите химични свойства, но имат напълно различни радиоактивни свойства (т.е. те се разпадат по различен начин).
Те не могат да бъдат разделени с нито един от известните химически методи.
На тази основа Соди през 1911 г. предполага възможността за съществуването на елементи със същите химични свойства, но различаващи се по-специално по своята радиоактивност.
Тези елементи трябва да бъдат поставени в една и съща клетка на периодичната система на Д. И. Менделеев.
Соди им се обади изотопи(т.е. заемащи едни и същи места).

Предположението на Соди получи блестящо потвърждение и дълбока интерпретация година по-късно, когато J. J. Thomson направи прецизни измервания на масата на неонови йони, като ги отклони в електрически и магнитни полета.
Той откри, че неонът е смес от два вида атоми.
Повечето от тях имат относителна маса 20.
Но има малка част от атоми с относителна атомна маса 22.
В резултат на това относителната атомна маса на сместа се приема за 20,2.
Атомите, които имат еднакви химични свойства, се различават по маса.

И двата вида неонови атоми, естествено, заемат едно и също място в таблицата на Д. И. Менделеев и следователно са изотопи.
Така изотопите могат да се различават не само по своите радиоактивни свойства, но и по маса.
Ето защо изотопите имат еднакви заряди на атомните ядра, което означава, че броят на електроните в обвивките на атомите и, следователно, химичните свойства на изотопите са еднакви.
Но масите на ядрата са различни.
Освен това ядрата могат да бъдат както радиоактивни, така и стабилни.
Разликата в свойствата на радиоактивните изотопи се дължи на факта, че техните ядра имат различна маса.

Вече е установено съществуването на изотопи за повечето химични елементи.
Някои елементи имат само нестабилни (т.е. радиоактивни) изотопи.
Най-тежкият съществуващ в природата елемент - уран (относителни атомни маси 238, 235 и т.н.) и най-лекият - водород (относителни атомни маси 1, 2, 3) имат изотопи.

Изотопите на водорода са особено интересни, тъй като се различават по маса 2 и 3 пъти.
Изотоп с относителна атомна маса 2 се нарича деутерий.
Той е стабилен (т.е. не е радиоактивен) и се появява като малък примес (1:4500) в обикновения водород.
Когато деутерий се свързва с кислород, се образува така наречената тежка вода.
Неговите физически свойства се различават значително от тези на обикновената вода.
При нормално атмосферно налягане кипи при 101,2 °C и замръзва при 3,8 °C.

Изотоп на водорода с атомна маса 3 се нарича тритий.
Той е β-радиоактивен и има период на полуразпад около 12 години.

Съществуването на изотопи доказва, че зарядът на атомното ядро ​​не определя всички свойства на атома, а само неговите химични свойства и онези физични свойства, които зависят от периферията на електронната обвивка, например размера на атома.
Масата на атома и неговите радиоактивни свойства не се определят от серийния номер в таблицата на Д. И. Менделеев.

Трябва да се отбележи, че при точното измерване на относителните атомни маси на изотопите се оказа, че те са близки до цели числа.
Но атомните маси на химичните елементи понякога се различават значително от целите числа.
Така относителната атомна маса на хлора е 35,5.
Това означава, че в естественото си състояние едно химически чисто вещество е смес от изотопи в различни пропорции.
(Приблизителната) цялост на относителните атомни маси на изотопите е много важна за изясняване на структурата на атомното ядро.

Повечето химични елементи имат изотопи.
Зарядите на атомните ядра на изотопите са еднакви, но масите на ядрата са различни.

Както вече беше отбелязано, атомът се състои от три вида елементарни частици: протони, неутрони и електрони. Атомното ядро ​​е централната част на атома, състояща се от протони и неутрони. Протоните и неутроните имат общото наименование нуклон; те могат да се трансформират един в друг в ядрото. Ядрото на най-простия атом - водородният атом - се състои от една елементарна частица - протон.

Диаметърът на ядрото на атома е приблизително 10 -13 – 10 -12 cm и е 0,0001 от диаметъра на атома. Но почти цялата маса на атома (99,95 - 99,98%) е концентрирана в ядрото. Ако беше възможно да се получи 1 cm 3 чиста ядрена материя, нейната маса би била 100 - 200 милиона тона. Масата на ядрото на атома е няколко хиляди пъти по-голяма от масата на всички електрони, които изграждат атома.

Протон– елементарна частица, ядрото на водороден атом. Масата на протона е 1,6721x10 -27 kg, което е 1836 пъти по-голямо от масата на електрона. Електрическият заряд е положителен и равен на 1,66x10 -19 C. Кулонът е единица за електрически заряд, равна на количеството електричество, преминаващо през напречното сечение на проводник за време от 1 s при постоянен ток от 1 A ​​(ампер).

Всеки атом на всеки елемент съдържа определен брой протони в ядрото. Това число е постоянно за даден елемент и определя неговите физични и химични свойства. Тоест броят на протоните определя с какъв химичен елемент имаме работа. Например, ако в ядрото има един протон, това е водород, ако има 26 протона, това е желязо. Броят на протоните в атомното ядро ​​определя заряда на ядрото (зарядно число Z) и атомния номер на елемента в периодичната таблица на елементите D.I. Менделеев (атомен номер на елемента).

ннеутрон– електрически неутрална частица с маса 1,6749 x10 -27 kg, 1839 пъти масата на електрона. Неврон в свободно състояние е нестабилна частица, тя независимо се превръща в протон с излъчване на електрон и антинеутрино. Времето на полуразпад на неутроните (времето, през което половината от първоначалния брой неутрони се разпада) е приблизително 12 минути. Въпреки това, в свързано състояние вътре в стабилни атомни ядра, той е стабилен. Общият брой нуклони (протони и неутрони) в ядрото се нарича масово число (атомна маса - А). Броят на неутроните, включени в ядрото, е равен на разликата между масовите и зарядните числа: N = A – Z.

Електрон– елементарна частица, носител на най-малка маса – 0,91095x10 -27 g и най-малък електрически заряд – 1,6021x10 -19 C. Това е отрицателно заредена частица. Броят на електроните в един атом е равен на броя на протоните в ядрото, т.е. атомът е електрически неутрален.

Позитрон– елементарна частица с положителен електрически заряд, античастица по отношение на електрона. Масите на електрона и позитрона са равни, а електрическите заряди са равни по абсолютна стойност, но противоположни по знак.

Различните видове ядра се наричат ​​нуклиди. Нуклидът е вид атом с определен брой протони и неутрони. В природата има атоми на един и същи елемент с различни атомни маси (масови числа): 17 35 Cl, 17 37 Cl и т.н. Ядрата на тези атоми съдържат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони. Наричат ​​се разновидности на атоми на един и същ елемент, които имат еднакъв ядрен заряд, но различни масови числа изотопи . Имайки еднакъв брой протони, но различни по броя на неутроните, изотопите имат еднаква структура на електронни обвивки, т.е. много сходни химични свойства и заемат едно и също място в периодичната таблица на химичните елементи.

Изотопите се обозначават със символа на съответния химичен елемент с индекс А, разположен горе вляво - масовото число, понякога долу вляво се дава и броят на протоните (Z). Например радиоактивните изотопи на фосфора се обозначават съответно 32 P, 33 P или 15 32 P и 15 33 P. При обозначаване на изотоп без посочване на символа на елемента, масовото число се дава след обозначението на елемента, например фосфор - 32, фосфор - 33.

Повечето химични елементи имат няколко изотопа. В допълнение към водородния изотоп 1H-протий са известни тежък водород 2H-деутерий и свръхтежък водород 3H-тритий. Уранът има 11 изотопа, в природните съединения има три (уран 238, уран 235, уран 233). Те имат съответно 92 протона и 146,143 и 141 неутрона.

В момента са известни повече от 1900 изотопа на 108 химични елемента. От тях естествените изотопи включват всички стабилни (около 280 от тях) и естествени изотопи, които са част от радиоактивни семейства (46 от тях). Останалите са класифицирани като изкуствени, получени са изкуствено в резултат на различни ядрени реакции.

Терминът „изотопи“ трябва да се използва само когато говорим за атоми на един и същ елемент, например изотопите на въглерод 12 C и 14 C. Ако се имат предвид атоми на различни химични елементи, препоръчително е да се използва терминът „ нуклиди”, например радионуклиди 90 Sr, 131 J, 137 Cs.