Ποια σωματίδια αποτελούν τον πυρήνα ενός ατόμου. Η δομή του ατόμου και του ατομικού πυρήνα
Χαρακτηριστικό της ραδιενεργής μόλυνσης, σε αντίθεση με τη μόλυνση από άλλους ρύπους, είναι ότι η επιβλαβής επίδραση στον άνθρωπο και στα περιβαλλοντικά αντικείμενα δεν προκαλείται από το ίδιο το ραδιονουκλίδιο (ρυπαντικό), αλλά από την ακτινοβολία που είναι η πηγή της.
Ωστόσο, υπάρχουν φορές που ένα ραδιονουκλίδιο είναι ένα τοξικό στοιχείο. Για παράδειγμα, μετά από ένα ατύχημα στις Πυρηνικός σταθμός του Τσερνομπίλ v περιβάλλονπλουτώνιο 239, 242 Ru εκτοξεύτηκε με σωματίδια πυρηνικού καυσίμου. Εκτός από το γεγονός ότι το πλουτώνιο είναι ένας εκπομπός άλφα και, όταν καταποθεί, αποτελεί σημαντικό κίνδυνο, το ίδιο το πλουτώνιο είναι ένα τοξικό στοιχείο.
Για το λόγο αυτό, χρησιμοποιούνται δύο ομάδες ποσοτικών δεικτών: 1) για την εκτίμηση της περιεκτικότητας σε ραδιονουκλεΐδια και 2) για την αξιολόγηση της επίδρασης της ακτινοβολίας σε ένα αντικείμενο.
Δραστηριότητα- ποσοτική μέτρηση της περιεκτικότητας σε ραδιονουκλεΐδια στο αναλυόμενο αντικείμενο. Η δραστηριότητα καθορίζεται από τον αριθμό των ραδιενεργών διασπάσεων των ατόμων ανά μονάδα χρόνου. Η μονάδα μέτρησης της δραστηριότητας SI είναι Becquerel (Bq) ίση με μία διάσπαση ανά δευτερόλεπτο (1Bq = 1 dec / s). Μερικές φορές χρησιμοποιείται μια μη συστημική μονάδα μέτρησης δραστηριότητας - Curie (Ki). 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.
Δόση ακτινοβολίας- ένα ποσοτικό μέτρο της επίδρασης της ακτινοβολίας σε ένα αντικείμενο.
Λόγω του γεγονότος ότι η επίδραση της ακτινοβολίας σε ένα αντικείμενο μπορεί να εκτιμηθεί σε διαφορετικά επίπεδα: φυσική, χημική, βιολογική; σε επίπεδο μεμονωμένων μορίων, κυττάρων, ιστών ή οργανισμών κ.λπ., χρησιμοποιούνται διάφοροι τύποι δόσεων: απορροφημένο, αποτελεσματικό ισοδύναμο, έκθεση.
Για την αξιολόγηση της μεταβολής της δόσης ακτινοβολίας με την πάροδο του χρόνου, χρησιμοποιείται ο δείκτης "ρυθμός δόσης". Ρυθμός δόσηςείναι η αναλογία δόσης προς χρόνο. Για παράδειγμα, ο ρυθμός δόσης εξωτερικής έκθεσης από φυσικές πηγές ακτινοβολίας είναι 4-20 μR / ώρα στο έδαφος της Ρωσίας.
Το κύριο πρότυπο για τον άνθρωπο - το κύριο όριο δόσης (1 mSv / έτος) - εισάγεται σε μονάδες της αποτελεσματικής ισοδύναμης δόσης. Υπάρχουν πρότυπα σε μονάδες δραστηριότητας, επίπεδα μόλυνσης της γης, VDU, GWP, SanPiN κ.λπ.
Η δομή του ατομικού πυρήνα.
Ένα άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που διατηρεί όλες τις ιδιότητές του. Από τη δομή του, το άτομο είναι πολύπλοκο σύστημαπου αποτελείται από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα πολύ μικρού μεγέθους (10 -13 cm) που βρίσκεται στο κέντρο ενός ατόμου και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα σε διαφορετικές τροχιές. Το αρνητικό φορτίο των ηλεκτρονίων είναι ίσο με το θετικό φορτίο του πυρήνα, ενώ γενικά αποδεικνύεται ηλεκτρικά ουδέτερο.
Οι ατομικοί πυρήνες αποτελούνται από νουκλεόνια -πυρηνικά πρωτόνια ( Ζ -αριθμός πρωτονίων) και πυρηνικά νετρόνια (Ν είναι ο αριθμός των νετρονίων). Τα «πυρηνικά» πρωτόνια και νετρόνια διαφέρουν από τα σωματίδια σε ελεύθερη κατάσταση. Για παράδειγμα, ένα ελεύθερο νετρόνιο, σε αντίθεση με ένα δεσμευμένο σε έναν πυρήνα, είναι ασταθές και μετατρέπεται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο.
Ο αριθμός των νουκλεονίων Am (μαζικός αριθμός) είναι το άθροισμα των αριθμών των πρωτονίων και των νετρονίων: Am = Ζ + Ν.
Πρωτόνιο -στοιχειώδες σωματίδιο οποιουδήποτε ατόμου, έχει θετικό φορτίο ίσο με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο κέλυφος ενός ατόμου καθορίζεται από τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα.
Νετρόνιο -ένα άλλο είδος πυρηνικών σωματιδίων όλων των στοιχείων. Απουσιάζει μόνο στον πυρήνα του ελαφρού υδρογόνου, που αποτελείται από ένα πρωτόνιο. Δεν έχει φορτίο και είναι ηλεκτρικά ουδέτερο. Σε έναν ατομικό πυρήνα, τα νετρόνια είναι σταθερά και σε ελεύθερη κατάσταση είναι ασταθή. Ο αριθμός των νετρονίων στους πυρήνες των ατόμων του ίδιου στοιχείου μπορεί να κυμαίνεται, επομένως ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα δεν χαρακτηρίζει το στοιχείο.
Τα νουκλεόνια (πρωτόνια + νετρόνια) συγκρατούνται μέσα στον ατομικό πυρήνα από τις πυρηνικές δυνάμεις έλξης. Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι 100 φορές ισχυρότερες από τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις και επομένως διατηρούν παρόμοια φορτισμένα πρωτόνια μέσα στον πυρήνα. Οι πυρηνικές δυνάμεις εκδηλώνονται μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις (10 -13 cm), αποτελούν τη δυναμική ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα, η οποία απελευθερώνεται μερικώς κατά τη διάρκεια ορισμένων μετασχηματισμών, μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια.
Για άτομα που διαφέρουν στη σύνθεση του πυρήνα, χρησιμοποιείται το όνομα "νουκλίδια" και για ραδιενεργά άτομα - "ραδιονουκλίδια".
Νουκλίδιακαλούμε άτομα ή πυρήνες με δεδομένο αριθμό νουκλεονίων και δεδομένο πυρηνικό φορτίο (ο χαρακτηρισμός του νουκλεϊδίου A X).
Τα νουκλεΐδια που έχουν τον ίδιο αριθμό νουκλεονίων (Am = const) ονομάζονται ισοβαρείς.Για παράδειγμα, τα νουκλεΐδια 96 Sr, 96 Y, 96 Zr ανήκουν σε μια σειρά ισοβαρών με αριθμό νουκλεονίων Am = 96.
Νουκλίδια με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων (Ζ = const) καλούνται ισότοπα.Διαφέρουν μόνο στον αριθμό των νετρονίων, επομένως ανήκουν στο ίδιο στοιχείο: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .
Ισότοπα- νουκλεΐδια με τον ίδιο αριθμό νετρονίων (N = Am -Z = const). Νουκλίδια: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca ανήκουν σε μια σειρά ισοτόπων με 20 νετρόνια.
Τα ισότοπα συνήθως χαρακτηρίζονται ως Z X M, όπου το X είναι σύμβολο ενός χημικού στοιχείου. M είναι ο μαζικός αριθμός ίσος με το άθροισμα του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων στον πυρήνα. Z είναι ο ατομικός αριθμός ή φορτίο του πυρήνα, ίσο με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα. Δεδομένου ότι κάθε χημικό στοιχείο έχει τον δικό του σταθερό ατομικό αριθμό, συνήθως παραλείπεται και περιορίζεται στην εγγραφή μόνο του μαζικού αριθμού, για παράδειγμα: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr, κ.λπ.
Τα πυρηνικά άτομα που έχουν τους ίδιους αριθμούς μάζας, αλλά διαφορετικά φορτία και, κατά συνέπεια, διαφορετικές ιδιότητες ονομάζονται "ισόβαρα", έτσι για παράδειγμα ένα από τα ισότοπα φωσφόρου έχει μαζικό αριθμό 32-15 P 32, ο ίδιος αριθμός μάζας έχει έναν από τα ισότοπα θείου - 16 S 32.
Τα νουκλεΐδια μπορεί να είναι σταθερά (αν οι πυρήνες τους είναι σταθεροί και δεν διασπώνται) και ασταθή (αν οι πυρήνες τους είναι ασταθείς και υφίστανται αλλαγές που τελικά οδηγούν σε αύξηση της σταθερότητας του πυρήνα). Ονομάζονται ασταθείς ατομικοί πυρήνες ικανοί να διασπώνται αυθόρμητα ραδιονουκλεΐδια.Το φαινόμενο της αυθόρμητης αποσύνθεσης ενός ατομικού πυρήνα, που συνοδεύεται από εκπομπή σωματιδίων και (ή) ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ονομάζεται ραδιοενέργεια.
Ως αποτέλεσμα της ραδιενεργής διάσπασης, μπορεί να σχηματιστεί ένα σταθερό και ένα ραδιενεργό ισότοπο, το οποίο με τη σειρά του διασπάται αυθόρμητα. Τέτοιες αλυσίδες ραδιενεργών στοιχείων, που συνδέονται με μια σειρά πυρηνικών μετασχηματισμών, ονομάζονται ραδιενεργών οικογενειών.
Επί του παρόντος, η IURAC (Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας) έχει επίσημα ονομάσει 109 χημικά στοιχεία. Από αυτά, μόνο 81 έχουν σταθερά ισότοπα, το βαρύτερο από τα οποία είναι το βισμούθιο (Ζ= 83). Για τα υπόλοιπα 28 στοιχεία, είναι γνωστά μόνο τα ραδιενεργά ισότοπα και το ουράνιο (U ~ 92) είναι το βαρύτερο στοιχείο που βρίσκεται στη φύση. Το μεγαλύτερο από τα φυσικά νουκλεΐδια έχει 238 νουκλεόνια. Συνολικά, η ύπαρξη περίπου 1700 νουκλεϊδίων από αυτά τα 109 στοιχεία έχει πλέον αποδειχθεί και ο αριθμός των γνωστών ισοτόπων μεμονωμένα στοιχεία, κυμαίνεται από 3 (για το υδρογόνο) έως 29 (για την πλατίνα).
Ατομικός πυρήνας- το κεντρικό τμήμα του ατόμου, στο οποίο συγκεντρώνεται το μεγαλύτερο μέρος του (πάνω από 99,9%). Ο πυρήνας είναι θετικά φορτισμένος, το φορτίο του πυρήνα καθορίζει το χημικό στοιχείο στο οποίο ανήκει το άτομο.
Ο ατομικός πυρήνας αποτελείται από νουκλεόνια - θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια, τα οποία συνδέονται μεταξύ τους μέσω ισχυρών αλληλεπιδράσεων.
Ένας ατομικός πυρήνας, που θεωρείται ως μια κατηγορία σωματιδίων με ορισμένο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, συνήθως ονομάζεται νουκλεϊδίου.
Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα ονομάζεται αριθμός φορτίου του - αυτός ο αριθμός είναι ίσος με τον τακτικό αριθμό του στοιχείου στο οποίο ανήκει το άτομο, στον περιοδικό πίνακα (Periodic Table of Elements) του Mendeleev. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα καθορίζει τη δομή του ηλεκτρονιακού κελύφους ενός ουδέτερου ατόμου και, επομένως, Χημικές ιδιότητεςτο αντίστοιχο στοιχείο. Ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα ονομάζεται ισοτοπικός αριθμός... Οι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό πρωτονίων και διαφορετικό αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότοπα. Οι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό νετρονίων αλλά διαφορετικό αριθμό πρωτονίων ονομάζονται ισότονα.
Ο συνολικός αριθμός νουκλεονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός του () και είναι περίπου ίσος με τη μέση μάζα ενός ατόμου που αναφέρεται στον περιοδικό πίνακα. Τα νουκλεΐδια με τον ίδιο αριθμό μάζας, αλλά διαφορετική σύσταση πρωτονίων-νετρονίων ονομάζονται συνήθως ισοβαρείς.
Βάρος
Λόγω της διαφοράς στον αριθμό των νετρονίων, τα ισότοπα του στοιχείου έχουν διαφορετική μάζα, που είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του πυρήνα. Στην πυρηνική φυσική, η μάζα των πυρήνων συνήθως μετριέται σε μονάδες ατομικής μάζας ( ένα. τρώω.), σε ένα α. μ. πάρτε το 1/12 της μάζας του νουκλιδίου 12 C [ch 2]. Πρέπει να σημειωθεί ότι η τυπική μάζα που δίνεται συνήθως για ένα νουκλίδιο είναι η μάζα ενός ουδέτερου ατόμου. Για να προσδιορίσετε τη μάζα του πυρήνα, πρέπει να αφαιρέσετε το άθροισμα των μαζών όλων των ηλεκτρονίων από τη μάζα του ατόμου (περισσότερα ακριβής αξίαθα αποδειχθεί αν λάβουμε υπόψη και την ενέργεια δέσμευσης των ηλεκτρονίων με τον πυρήνα).
Επιπλέον, το ενεργειακό ισοδύναμο της μάζας χρησιμοποιείται συχνά στην πυρηνική φυσική. Σύμφωνα με τη σχέση του Αϊνστάιν, κάθε τιμή μάζας αντιστοιχεί στη συνολική ενέργεια:
Πού είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό.
Η σχέση μεταξύ α. ε. μ. και το ενεργειακό του ισοδύναμο σε τζάουλ:
και εφόσον 1 ηλεκτρονβολτ = 1,602176 · 10 −19 J, το ενεργειακό ισοδύναμο είναι α. μονάδες σε MeV είναι
Ακτίνα κύκλου
Η ανάλυση της διάσπασης των βαρέων πυρήνων βελτίωσε την εκτίμηση του Rutherford [κεφ 3] και συνέδεσε την ακτίνα του πυρήνα με τον μαζικό αριθμό με μια απλή σχέση:
όπου είναι μια σταθερά.
Δεδομένου ότι η ακτίνα του πυρήνα δεν είναι καθαρή γεωμετρικό χαρακτηριστικόκαι συνδέεται κυρίως με την ακτίνα δράσης των πυρηνικών δυνάμεων, τότε η τιμή εξαρτάται από τη διαδικασία, στην ανάλυση της οποίας προκύπτει η τιμή, η μέση τιμή του m, άρα η ακτίνα του πυρήνα σε μέτρα
Χρέωση
Ο αριθμός των πρωτονίων σε έναν πυρήνα καθορίζει άμεσα το ηλεκτρικό του φορτίο· τα ισότοπα έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων. ...
Για πρώτη φορά τα φορτία των ατομικών πυρήνων καθορίστηκαν από τον Henry Moseley το 1913. Ο επιστήμονας ερμήνευσε τις πειραματικές του παρατηρήσεις ως την εξάρτηση του μήκους κύματος της ακτινοβολίας ακτίνων Χ από μια ορισμένη σταθερά που αλλάζει κατά μία από στοιχείο σε στοιχείο και είναι ίση με μία για το υδρογόνο:
, όπου
Και - μόνιμη.
Ενέργεια δέσμευσης πυρήνων.
Η ενέργεια δέσμευσης του πυρήνα είναι ίση με την ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να δαπανηθεί για την πλήρη διάσπαση του πυρήνα σε ξεχωριστά σωματίδια. Από το νόμο της διατήρησης της ενέργειας προκύπτει ότι η ενέργεια δέσμευσης είναι ίση με την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά το σχηματισμό ενός πυρήνα από μεμονωμένα σωματίδια.
Η ενέργεια δέσμευσης οποιουδήποτε πυρήνα μπορεί να προσδιοριστεί μετρώντας με ακρίβεια τη μάζα του. Επί του παρόντος, οι φυσικοί έχουν μάθει να μετρούν τις μάζες των σωματιδίων -ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια, πυρήνες κ.λπ.- με πολύ υψηλή ακρίβεια... Αυτές οι μετρήσεις δείχνουν ότι μάζα οποιουδήποτε πυρήνα ΜΕίμαι πάντα μικρότερος από το άθροισμα των μαζών των πρωτονίων και των νετρονίων που το αποτελούν:
Αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται κατά το σχηματισμό ενός πυρήνα με τη μορφή ακτινοβολίας γ-κβάντα.
Πυρηνικές δυνάμεις.
Πυρηνικές δυνάμεις είναι μικρής εμβέλειαςδυνάμεις. Εκδηλώνονται μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ νουκλεονίων στον πυρήνα της τάξης των 10-15 m. Το μήκος (1,5-2,2) · 10-15 m ονομάζεται ακτίνα δράσης των πυρηνικών δυνάμεων.
Οι πυρηνικές δυνάμεις ανακαλύπτουν χρέωση ανεξαρτησίας : η έλξη μεταξύ δύο νουκλεονίων είναι η ίδια ανεξάρτητα από την κατάσταση φορτίου των νουκλεονίων - πρωτόνιο ή νετρόνιο. Η ανεξαρτησία φορτίου των πυρηνικών δυνάμεων φαίνεται από τη σύγκριση των ενεργειών δέσμευσης πυρήνες καθρέφτη . Οι λεγόμενοι πυρήνες,στα οποία ο συνολικός αριθμός των νουκλεονίων είναι ίδιος,αλλά ο αριθμός των πρωτονίων στο ένα είναι ίσος με τον αριθμό των νετρονίων στο άλλο.
Οι πυρηνικές δυνάμεις κατέχουν ιδιότητα κορεσμού , που εκδηλώνεται στο, ότι ένα νουκλεόνιο σε έναν πυρήνα αλληλεπιδρά μόνο με έναν περιορισμένο αριθμό από τα πλησιέστερα γειτονικά νουκλεόνια... Γι' αυτό υπάρχει γραμμική σχέσηδεσμευτικές ενέργειες των πυρήνων στους μαζικούς αριθμούς τους ΕΝΑ... Σχεδόν πλήρης κορεσμός των πυρηνικών δυνάμεων επιτυγχάνεται στο α-σωματίδιο, το οποίο είναι ένας πολύ σταθερός σχηματισμός.
Οι πυρηνικές δυνάμεις εξαρτώνται από προσανατολισμός περιστροφήςαλληλεπιδρώντα νουκλεόνια... Αυτό επιβεβαιώνεται από τον διαφορετικό χαρακτήρα της σκέδασης νετρονίων από μόρια ορθο- και παραϋδρογόνου. Στο μόριο του ορθοϋδρογόνου, τα σπιν και των δύο πρωτονίων είναι παράλληλα μεταξύ τους και στο μόριο του παραυδρογόνου είναι αντιπαράλληλα. Πειράματα έδειξαν ότι η σκέδαση των νετρονίων στο παραϋδρογόνο είναι 30 φορές μεγαλύτερη από τη σκέδαση στο ορθόυδρο. Οι πυρηνικές δυνάμεις δεν είναι κεντρικές.
Λοιπόν, ας απαριθμήσουμε γενικές ιδιότητες των πυρηνικών δυνάμεων :
Μικρή ακτίνα δράσης πυρηνικών δυνάμεων ( R~ 1 fm);
Μεγάλη αξία πυρηνικού δυναμικού U~ 50 MeV;
· Εξάρτηση των πυρηνικών δυνάμεων από τα σπιν αλληλεπιδρώντων σωματιδίων.
· Φύση τανυστή της αλληλεπίδρασης νουκλεονίων.
· Οι πυρηνικές δυνάμεις εξαρτώνται από τον αμοιβαίο προσανατολισμό του σπιν και των τροχιακών ροπών του νουκλεονίου (σπιν-τροχιακές δυνάμεις).
· Η πυρηνική αλληλεπίδραση έχει την ιδιότητα του κορεσμού.
· Ανεξαρτησία φορτίου των πυρηνικών δυνάμεων.
· Ανταλλακτικός χαρακτήρας της πυρηνικής αλληλεπίδρασης.
Έλξη μεταξύ νουκλεονίων σε μεγάλες αποστάσεις ( r> 1 fm), αντικαθίσταται από απώθηση σε μικρό ( r < 0,5 Фм).
Ερωτήσεις "Από τι αποτελείται η ύλη;", "Ποια είναι η φύση της ύλης;" πάντα απασχολούσαν την ανθρωπότητα. Από την αρχαιότητα, οι φιλόσοφοι και οι επιστήμονες αναζητούσαν απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα, δημιουργώντας τόσο ρεαλιστικές όσο και εντελώς εκπληκτικές και φανταστικές θεωρίες και υποθέσεις. Ωστόσο, κυριολεκτικά πριν από έναν αιώνα, η ανθρωπότητα έφτασε να λύσει αυτό το μυστήριο όσο το δυνατόν πιο κοντά, έχοντας ανακαλύψει την ατομική δομή της ύλης. Ποια είναι όμως η σύσταση του πυρήνα ενός ατόμου; Από τι αποτελείται όλο αυτό;
Από τη θεωρία στην πραγματικότητα
Στις αρχές του εικοστού αιώνα, η ατομική δομή δεν ήταν πλέον απλώς μια υπόθεση, αλλά έγινε απόλυτο γεγονός. Αποδείχθηκε ότι η σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου είναι μια πολύ περίπλοκη έννοια. Περιλαμβάνει Αλλά προέκυψε το ερώτημα: η σύνθεση του ατόμου και περιλαμβάνει διαφορετικό αριθμό από αυτά τα φορτία ή όχι;
Πλανητικό μοντέλο
Αρχικά, θεωρήθηκε ότι το άτομο ήταν χτισμένο πολύ παρόμοιο με το δικό μας Ηλιακό σύστημα... Ωστόσο, γρήγορα αποδείχθηκε ότι αυτή η ιδέα δεν ήταν απολύτως σωστή. Το πρόβλημα μιας καθαρά μηχανικής μεταφοράς της αστρονομικής κλίμακας μιας εικόνας σε μια περιοχή που καταλαμβάνει τα εκατομμυριοστά του χιλιοστού συνεπαγόταν μια σημαντική και δραματική αλλαγή στις ιδιότητες και τις ποιότητες των φαινομένων. Η κύρια διαφορά ήταν σε πολύ αυστηρότερους νόμους και κανόνες με τους οποίους χτίστηκε το άτομο.
Μειονεκτήματα του πλανητικού μοντέλου
Πρώτον, εφόσον τα άτομα του ίδιου είδους και στοιχείου θα πρέπει να είναι ακριβώς τα ίδια σε παραμέτρους και ιδιότητες, τότε οι τροχιές των ηλεκτρονίων αυτών των ατόμων θα πρέπει επίσης να είναι ίδιες. Ωστόσο, οι νόμοι της κίνησης των αστρονομικών σωμάτων δεν μπορούσαν να δώσουν απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα. Η δεύτερη αντίφαση είναι ότι η κίνηση ενός ηλεκτρονίου στην τροχιά του, αν εφαρμόσουμε καλά μελετημένους φυσικούς νόμους σε αυτό, πρέπει απαραίτητα να συνοδεύεται από μόνιμη απελευθέρωση ενέργειας. Ως αποτέλεσμα, αυτή η διαδικασία θα οδηγούσε σε εξάντληση ενός ηλεκτρονίου, το οποίο τελικά θα διασπωνόταν και θα έπεφτε ακόμη και στον πυρήνα.
Κυματική δομή της μητέρας και
Το 1924, ένας νεαρός αριστοκράτης, ο Louis de Broglie, σκέφτηκε μια ιδέα που έστρεψε την επιστημονική κοινότητα σε θέματα όπως η σύνθεση των ατομικών πυρήνων. Η ιδέα ήταν ότι ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι απλώς μια κινούμενη μπάλα που περιστρέφεται γύρω από έναν πυρήνα. Είναι μια ασαφής ουσία που κινείται σύμφωνα με νόμους που μοιάζουν με τη διάδοση των κυμάτων στο διάστημα. Πολύ γρήγορα, αυτή η ιδέα επεκτάθηκε στην κίνηση οποιουδήποτε σώματος στο σύνολό του, εξηγώντας ότι παρατηρούμε μόνο τη μία πλευρά αυτής ακριβώς της κίνησης, αλλά η δεύτερη δεν εμφανίζεται στην πραγματικότητα. Μπορούμε να δούμε τη διάδοση των κυμάτων και να μην παρατηρήσουμε την κίνηση του σωματιδίου ή το αντίστροφο. Στην πραγματικότητα, και οι δύο αυτές πλευρές κίνησης υπάρχουν πάντα και η περιστροφή ενός ηλεκτρονίου στην τροχιά του δεν είναι μόνο η κίνηση του ίδιου του φορτίου, αλλά και η διάδοση των κυμάτων. Αυτή η προσέγγιση είναι θεμελιωδώς διαφορετική από το προηγουμένως αποδεκτό πλανητικό μοντέλο.
Στοιχειώδης βάση
Ο πυρήνας του ατόμου είναι το κέντρο. Τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από αυτό. Όλα τα άλλα καθορίζονται από τις ιδιότητες του πυρήνα. Είναι απαραίτητο να μιλήσουμε για μια τέτοια έννοια όπως η σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου από την ίδια σημαντική στιγμή- από τη χρέωση. Στη σύνθεση του ατόμου, υπάρχει κάποιο που φέρει αρνητικό φορτίο. Ο ίδιος ο πυρήνας έχει θετικό φορτίο. Από αυτό μπορούν να εξαχθούν ορισμένα συμπεράσματα:
- Ο πυρήνας είναι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο.
- Γύρω από τον πυρήνα υπάρχει μια παλλόμενη ατμόσφαιρα που δημιουργείται από φορτία.
- Είναι ο πυρήνας και τα χαρακτηριστικά του που καθορίζουν τον αριθμό των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο.
Ιδιότητες πυρήνα
Ο χαλκός, το γυαλί, ο σίδηρος, το ξύλο έχουν τα ίδια ηλεκτρόνια. Ένα άτομο μπορεί να χάσει μερικά ηλεκτρόνια, ή ακόμα και τα πάντα. Εάν ο πυρήνας παραμένει θετικά φορτισμένος, τότε είναι σε θέση να προσελκύει το σωστό ποσόαρνητικά φορτισμένα σωματίδια από άλλα σώματα, τα οποία θα του επιτρέψουν να παραμείνει. Εάν ένα άτομο χάσει έναν ορισμένο αριθμό ηλεκτρονίων, τότε το θετικό φορτίο στον πυρήνα θα είναι μεγαλύτερο από το υπόλοιπο των αρνητικών φορτίων. Σε αυτή την περίπτωση, ολόκληρο το άτομο θα αποκτήσει ένα πλεόνασμα φορτίου και μπορεί να ονομαστεί θετικό ιόν. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα άτομο μπορεί να προσελκύσει περισσότερα ηλεκτρόνια και στη συνέχεια θα φορτιστεί αρνητικά. Επομένως, μπορεί να ονομαστεί αρνητικό ιόν.
Πόσο ζυγίζει ένα άτομο ?
Η μάζα ενός ατόμου καθορίζεται κυρίως από τον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια που αποτελούν το άτομο και τον ατομικό πυρήνα ζυγίζουν λιγότερο από το ένα χιλιοστό της συνολικής μάζας. Δεδομένου ότι η μάζα θεωρείται ένα μέτρο της ποσότητας ενέργειας που διαθέτει μια ουσία, αυτό το γεγονός θεωρείται απίστευτα σημαντικό όταν μελετάμε ένα τέτοιο ερώτημα όπως η σύνθεση του ατομικού πυρήνα.
Ραδιοενέργεια
Τα πιο δύσκολα ερωτήματα προέκυψαν μετά την ανακάλυψη: Τα ραδιενεργά στοιχεία εκπέμπουν κύματα άλφα, βήτα και γάμμα. Αλλά μια τέτοια ακτινοβολία πρέπει να έχει μια πηγή. Ο Ράδερφορντ έδειξε το 1902 ότι μια τέτοια πηγή είναι το ίδιο το άτομο ή μάλλον ο πυρήνας. Από την άλλη πλευρά, η ραδιενέργεια δεν είναι μόνο η εκπομπή ακτίνων, αλλά και η μεταφορά ενός στοιχείου σε ένα άλλο, με εντελώς νέα χημικά και φυσικές ιδιότητες... Δηλαδή, η ραδιενέργεια είναι μια αλλαγή στον πυρήνα.
Τι γνωρίζουμε για την πυρηνική δομή;
Πριν από σχεδόν εκατό χρόνια, ο φυσικός Proth πρότεινε την ιδέα ότι τα στοιχεία μέσα περιοδικό σύστημαΔεν είναι ασυνάρτητες μορφές, αλλά είναι συνδυασμοί.Ως εκ τούτου, θα μπορούσε κανείς να αναμένει ότι τόσο τα φορτία όσο και οι μάζες των πυρήνων θα εκφράζονται με όρους ακέραιων και πολλαπλών φορτίων του ίδιου του υδρογόνου. Ωστόσο, αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Μελετώντας τις ιδιότητες των ατομικών πυρήνων χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία, ο φυσικός Άστον διαπίστωσε ότι τα στοιχεία των οποίων τα ατομικά βάρη δεν ήταν ολόκληρα και πολλαπλάσια, είναι στην πραγματικότητα ένας συνδυασμός διαφορετικών ατόμων και όχι μίας ουσίας. Σε όλες τις περιπτώσεις, όταν το ατομικό βάρος δεν είναι ακέραιος, παρατηρούμε ένα μείγμα διαφορετικών ισοτόπων. Τι είναι? Αν μιλάμε για τη σύνθεση του πυρήνα ενός ατόμου, τα ισότοπα είναι άτομα με τα ίδια φορτία, αλλά με διαφορετικές μάζες.
Ο Αϊνστάιν και ο πυρήνας του ατόμου
Η θεωρία της σχετικότητας λέει ότι η μάζα δεν είναι ένα μέτρο με το οποίο προσδιορίζεται η ποσότητα της ύλης, αλλά ένα μέτρο της ενέργειας που διαθέτει η ύλη. Αντίστοιχα, η ύλη μπορεί να μετρηθεί όχι με μάζα, αλλά από το φορτίο που συνθέτει αυτή την ύλη και την ενέργεια του φορτίου. Όταν το ίδιο φορτίο πλησιάζει ένα άλλο, η ίδια ενέργεια θα αυξηθεί, διαφορετικά θα μειωθεί. Αυτό σίγουρα δεν σημαίνει αλλαγή στην ύλη. Συνεπώς, από αυτή τη θέση, ο ατομικός πυρήνας δεν είναι πηγή ενέργειας, αλλά μάλλον υπόλειμμα μετά την απελευθέρωσή του. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει κάποιου είδους αντίφαση.
Νετρόνια
Οι Κιουρί, όταν βομβαρδίστηκαν με σωματίδια άλφα βηρυλλίου, ανακάλυψαν μερικές ακατανόητες ακτίνες, οι οποίες, συγκρουόμενες με τον πυρήνα ενός ατόμου, το απωθούν με μεγάλη δύναμη. Ωστόσο, μπορούν να περάσουν μέσα από μεγάλο πάχος ύλης. Αυτή η αντίφαση επιλύθηκε από το γεγονός ότι αυτό το σωματίδιο βρέθηκε να έχει ουδέτερο ηλεκτρικό φορτίο. Κατά συνέπεια, ονομάστηκε νετρόνιο. Χάρη σε περαιτέρω έρευνα, αποδείχθηκε ότι είναι σχεδόν το ίδιο με αυτό ενός πρωτονίου. Σε γενικές γραμμές, ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο είναι απίστευτα παρόμοια. Λαμβάνοντας υπόψη αυτήν την ανακάλυψη, ήταν σίγουρα δυνατό να διαπιστωθεί ότι η σύνθεση του ατομικού πυρήνα περιλαμβάνει πρωτόνια και νετρόνια και στις ίδιες ποσότητες. Όλα μπήκαν σταδιακά στη θέση τους. Ο αριθμός των πρωτονίων είναι ο ατομικός αριθμός. Το ατομικό βάρος είναι το άθροισμα των μαζών των νετρονίων και των πρωτονίων. Ισότοπο μπορεί επίσης να ονομαστεί ένα στοιχείο στο οποίο ο αριθμός των νετρονίων και των πρωτονίων δεν θα είναι ίσος μεταξύ τους. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σε αυτή την περίπτωση, αν και το στοιχείο παραμένει ίδιο στην πραγματικότητα, οι ιδιότητές του μπορεί να αλλάξουν σημαντικά.
Κάθε άτομο αποτελείται από πυρήνεςκαι ατομικό κέλυφος, τα οποία περιλαμβάνουν διάφορα στοιχειώδη σωματίδια - νουκλεόνιακαι ηλεκτρόνια(εικ. 5.1). Ο πυρήνας είναι το κεντρικό τμήμα του ατόμου, το οποίο περιέχει σχεδόν ολόκληρη τη μάζα του ατόμου και έχει θετικό φορτίο. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνιακαι νετρόνια, οι οποίες είναι διπλά φορτισμένες καταστάσεις ενός στοιχειώδους σωματιδίου - ενός νουκλεονίου. Φορτίο πρωτονίων +1; νετρόνιο 0.
Βασική χρέωσηάτομο είναι Ζ . ē , όπου Ζ- ο τακτικός αριθμός των στοιχείων (ατομικός αριθμός)στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev, ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα. ē Είναι το φορτίο ηλεκτρονίων.
Ο αριθμός των νουκλεονίων στον πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός στοιχείου(ΕΝΑ):
ΕΝΑ = Ζ + Ν,
όπου Ζ- ο αριθμός των πρωτονίων. Ν- τον αριθμό των νετρονίων στον ατομικό πυρήνα.
Για τα πρωτόνια και τα νετρόνια, ο μαζικός αριθμός λαμβάνεται ίσος με 1, για τα ηλεκτρόνια - ίσος με 0.
Ρύζι. 5.1. Δομή ατόμου
Οι ακόλουθες ονομασίες για οποιοδήποτε χημικό στοιχείο είναι γενικά αποδεκτές Χ: , εδώ ΕΝΑ- μαζικός αριθμός, ΖΕίναι ο ατομικός αριθμός του στοιχείου.
Οι ατομικοί πυρήνες του ίδιου στοιχείου μπορούν να περιέχουν διαφορετικό αριθμό νετρονίων Ν... Αυτοί οι τύποι ατομικών πυρήνων ονομάζονται ισότοπααυτού του στοιχείου. Έτσι, τα ισότοπα έχουν: τον ίδιο ατομικό αριθμό, αλλά διαφορετικούς μαζικούς αριθμούς ΕΝΑ... Η πλειοψηφία χημικά στοιχείαείναι ένα μείγμα διαφορετικών ισοτόπων, για παράδειγμα ισοτόπων ουρανίου:
.
Οι ατομικοί πυρήνες διαφορετικών χημικών στοιχείων μπορούν να έχουν τον ίδιο μαζικό αριθμό ΕΝΑ(με διαφορετικούς αριθμούς πρωτονίων Ζ). Αυτοί οι τύποι ατομικών πυρήνων ονομάζονται ισοβαρείς... Για παράδειγμα:
– – – ; –
Ατομική μάζα
Για τον χαρακτηρισμό της μάζας των ατόμων και των μορίων, χρησιμοποιείται η έννοια ατομική μάζα ΜΕίναι μια σχετική τιμή που καθορίζεται από την αναλογία
στη μάζα ενός ατόμου άνθρακα και λαμβάνεται ίσο με Μα = 12.000.000. Για
απόλυτος ορισμόςεισήχθη ατομική μάζα ατομική μονάδα
μάζες(amu), το οποίο ορίζεται σε σχέση με τη μάζα ενός ατόμου άνθρακα στην ακόλουθη μορφή:
.
Τότε η ατομική μάζα ενός στοιχείου μπορεί να οριστεί ως:
όπου ΜΕίναι η ατομική μάζα των ισοτόπων του υπό εξέταση στοιχείου. Αυτή η έκφραση διευκολύνει τον προσδιορισμό της μάζας των πυρήνων των στοιχείων, στοιχειώδη σωματίδια, σωματίδια - προϊόντα ραδιενεργών μετασχηματισμών κ.λπ.
Ελάττωμα πυρηνικής μάζας και πυρηνική δεσμευτική ενέργεια
Ενέργεια δέσμευσης νουκλεονίων – φυσική ποσότητα, αριθμητικά ίσο με το έργο που πρέπει να γίνει για να αφαιρεθεί ένα νουκλεόνιο από τον πυρήνα χωρίς να του προσδοθεί κινητική ενέργεια.
Τα νουκλεόνια συνδέονται στον πυρήνα λόγω των πυρηνικών δυνάμεων, οι οποίες υπερβαίνουν κατά πολύ τις ηλεκτροστατικές απωστικές δυνάμεις που δρουν μεταξύ των πρωτονίων. Για τη σχάση του πυρήνα είναι απαραίτητο να ξεπεραστούν αυτές οι δυνάμεις, δηλαδή να δαπανηθεί ενέργεια. Η ένωση των νουκλεονίων με το σχηματισμό πυρήνα, αντίθετα, συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας, η οποία ονομάζεται δεσμευτική ενέργεια του πυρήναΔ W sv:
,
πού είναι το λεγόμενο ελάττωμα πυρηνικής μάζας; με ≈ 3 . 10 8 m / s είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό.
Ενέργεια δέσμευσης πυρήνα- μια φυσική ποσότητα ίση με το έργο που πρέπει να γίνει για να χωριστεί ο πυρήνας σε ξεχωριστά νουκλεόνια χωρίς να μεταδίδεται κινητική ενέργεια σε αυτά.
Όταν σχηματίζεται ένας πυρήνας, η μάζα του μειώνεται, δηλ. η μάζα του πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων που τον αποτελούν, αυτή η διαφορά ονομάζεται μαζικό ελάττωμαΔ Μ:
όπου m pΕίναι η μάζα του πρωτονίου. m nΕίναι η μάζα του νετρονίου. Μπυρήνας - η μάζα του πυρήνα.
Όταν διέρχεται από τη μάζα του πυρήνα Μπυρήνα στις ατομικές μάζες ενός στοιχείου Μα, αυτή η έκφραση μπορεί να γραφτεί ως εξής:
όπου Μ H είναι η μάζα του υδρογόνου. m nΕίναι η μάζα νετρονίων και Μα είναι η ατομική μάζα του στοιχείου, που προσδιορίζεται μέσω μονάδα ατομικής μάζας(είμαι.).
Το κριτήριο για τη σταθερότητα ενός πυρήνα είναι η αυστηρή αντιστοιχία μεταξύ του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων σε αυτόν. Για τη σταθερότητα των πυρήνων ισχύει η ακόλουθη σχέση:
,
όπου Ζ- ο αριθμός των πρωτονίων. ΕΝΑΕίναι ο μαζικός αριθμός του στοιχείου.
Από τους περίπου 1700 τύπους πυρήνων που είναι γνωστοί μέχρι σήμερα, μόνο περίπου 270 είναι σταθεροί. Επιπλέον, στη φύση κυριαρχούν άρτιοι πυρήνες (δηλαδή με άρτιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων), οι οποίοι είναι ιδιαίτερα σταθεροί.
Ραδιοενέργεια
Ραδιοενέργεια- μετατροπή ασταθών ισοτόπων ενός χημικού στοιχείου σε ισότοπα άλλου χημικού στοιχείου με την απελευθέρωση κάποιων στοιχειωδών σωματιδίων. Διάκριση μεταξύ φυσικής και τεχνητής ραδιενέργειας.
Οι κύριοι τύποι περιλαμβάνουν:
- α-ακτινοβολία (αποσύνθεση);
- β-ακτινοβολία (αποσύνθεση);
- αυθόρμητη πυρηνική σχάση.
Ο πυρήνας του στοιχείου σε αποσύνθεση ονομάζεται μητρικός, και ο πυρήνας του σχηματιζόμενου στοιχείου είναι θυγατρική... Η αυθόρμητη διάσπαση των ατομικών πυρήνων υπακούει στον ακόλουθο νόμο της ραδιενεργής διάσπασης:
όπου Ν 0 είναι ο αριθμός των πυρήνων σε ένα χημικό στοιχείο την αρχική χρονική στιγμή. ΝΕίναι ο αριθμός των πυρήνων κάθε φορά t; - η λεγόμενη «σταθερά» διάσπασης, που είναι το κλάσμα των πυρήνων που διασπώνται ανά μονάδα χρόνου.
Το αντίστροφο της «σταθερής» διάσπασης χαρακτηρίζει τη μέση διάρκεια ζωής του ισοτόπου. Το χαρακτηριστικό της σταθερότητας των πυρήνων ως προς τη διάσπαση είναι ημιζωή, δηλαδή ο χρόνος κατά τον οποίο ο αρχικός αριθμός των πυρήνων μειώνεται στο μισό:
Η σχέση μεταξύ και:
Με ραδιενεργό διάσπαση, νόμος διατήρησης τελών:
,
πού είναι το φορτίο των αποσαθρωμένων ή προκύπτων (σχηματισμένων) "θραυσμάτων"; και κανόνας μαζικής αποθήκευσης:
πού είναι ο μαζικός αριθμός των σχηματισμένων (σε αποσύνθεση) «θραυσμάτων».
5.4.1. α και β αποσύνθεση
α αποσύνθεσηαντιπροσωπεύει την ακτινοβολία των πυρήνων ηλίου. Χαρακτηριστικό για «βαρείς» πυρήνες με μεγάλους μαζικούς αριθμούς ΕΝΑ> 200 και χρεώστε z> 82.
Ο κανόνας μετατόπισης για την α-διάσπαση έχει ως εξής (σχηματίζεται ένα νέο στοιχείο):
.
; 
.
Σημειώστε ότι η α-διάσπαση (ακτινοβολία) έχει την υψηλότερη ικανότητα ιονισμού, αλλά τη χαμηλότερη διαπερατότητα.
Υπάρχουν οι παρακάτω τύποι β-διάσπαση:
- ηλεκτρονική β-διάσπαση (β - -διάσπαση);
- β-διάσπαση ποζιτρονίων (β + -διάσπαση);
- ηλεκτρονική σύλληψη (k-capture).
β - -σήψηεμφανίζεται με περίσσεια νετρονίων με την απελευθέρωση ηλεκτρονίων και αντινετρίνων:
.
β + φθοράεμφανίζεται με περίσσεια πρωτονίων με την απελευθέρωση ποζιτρονίων και νετρίνων:
Για ηλεκτρονική λήψη ( κ-πιάνω)Χαρακτηριστικός είναι ο ακόλουθος μετασχηματισμός:
.
Ο κανόνας μετατόπισης για τη β-διάσπαση είναι ο ακόλουθος (σχηματίζεται ένα νέο στοιχείο):
Για β - αποσύνθεση: 
;
Για β + -διάσπαση: .
Η β-διάσπαση (ακτινοβολία) έχει τη χαμηλότερη ικανότητα ιονισμού, αλλά την υψηλότερη διαπερατότητα.
Η ακτινοβολία α και β συνοδεύονται από γ-ακτινοβολία, που είναι η εκπομπή φωτονίων και δεν είναι ανεξάρτητα είδηραδιενεργή ακτινοβολία.
Τα γ-φωτόνια απελευθερώνονται με μείωση της ενέργειας των διεγερμένων ατόμων και δεν προκαλούν αλλαγή στον αριθμό μάζας ΕΝΑκαι αλλαγή χρέωσης Ζ... Η ακτινοβολία γ έχει την υψηλότερη διεισδυτική ισχύ.
Δραστηριότητα ραδιονουκλεϊδίων
Δραστηριότητα ραδιονουκλεϊδίων- ένα μέτρο ραδιενέργειας που χαρακτηρίζει τον αριθμό των πυρηνικών διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου. Για μια ορισμένη ποσότητα ραδιονουκλεϊδίων σε μια ορισμένη ενεργειακή κατάσταση για αυτή τη στιγμήχρονική δραστηριότητα ΕΝΑδίνεται ως:
πού είναι ο αναμενόμενος αριθμός των αυθόρμητων πυρηνικών μετασχηματισμών (ο αριθμός των πυρηνικών διασπάσεων) που συμβαίνουν στην πηγή ιοντίζουσας ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος .
Ο αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση.
Η μονάδα μέτρησης της δραστηριότητας των ραδιονουκλεϊδίων είναι το αντίστροφο δευτερόλεπτο (), το οποίο έχει ειδική ονομασία Μπεκερέλ (Bq).
Το μπεκερέλ ισούται με τη δραστηριότητα του ραδιονουκλιδίου στην πηγή, στην οποία για χρόνο 1 δευτερολέπτου. υπάρχει ένας αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός.
Μη συστημική μονάδα δραστηριότητας - curie (Ku).
Κιουρί - η δραστηριότητα του ραδιονουκλιδίου στην πηγή, στην οποία για χρόνο 1 δευτερολέπτου. συμβαίνει 3.7 . 10 10 αυθόρμητοι πυρηνικοί μετασχηματισμοί, δηλαδή 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.
Για παράδειγμα, περίπου 1 g καθαρού ραδίου δίνει δραστικότητα 3,7 . 10 10 πυρηνικές διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο.
Δεν διασπώνται όλοι οι πυρήνες των ραδιονουκλεϊδίων ταυτόχρονα. Σε κάθε μονάδα χρόνου, συμβαίνει αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός με ένα ορισμένο κλάσμα πυρήνων. Η αναλογία των πυρηνικών μετασχηματισμών για διαφορετικά ραδιονουκλεΐδια είναι διαφορετική. Για παράδειγμα, από τον συνολικό αριθμό των πυρήνων του ραδίου, 1,38 . μέρος, και από τον συνολικό αριθμό των πυρήνων ραδονίου - 2,1 . μέρος. Το κλάσμα των πυρήνων που διασπώνται ανά μονάδα χρόνου ονομάζεται σταθερά διάσπασης λ .
Από τους παραπάνω ορισμούς προκύπτει ότι η δραστηριότητα ΕΝΑσχετίζεται με τον αριθμό των ραδιενεργών ατόμων Νστην πηγή σε μια δεδομένη στιγμή με την αναλογία:
Με την πάροδο του χρόνου, ο αριθμός των ραδιενεργών ατόμων μειώνεται σύμφωνα με το νόμο:
, (3) - 30 έτη, επιφανειακό ραδόνιο ή γραμμικόςδραστηριότητα.
Η επιλογή των μονάδων συγκεκριμένης δραστηριότητας καθορίζεται από μια συγκεκριμένη εργασία. Για παράδειγμα, η δραστηριότητα του αέρα εκφράζεται σε μπεκερέλ ανά κυβικό μέτρο(Bq / m 3) - ογκομετρική δραστηριότητα. Η δραστηριότητα στο νερό, το γάλα και άλλα υγρά εκφράζεται επίσης ως ογκομετρική δραστηριότητα, αφού η ποσότητα του νερού και του γάλακτος μετράται σε λίτρα (Bq / L). Η δραστηριότητα στο ψωμί, τις πατάτες, το κρέας και άλλα τρόφιμα εκφράζεται ως ειδική δραστηριότητα (Bq / kg).
Προφανώς, η βιολογική επίδραση της επίδρασης των ραδιονουκλεϊδίων στον ανθρώπινο οργανισμό θα εξαρτηθεί από τη δραστηριότητά τους, δηλαδή από την ποσότητα του ραδιονουκλιδίου. Ως εκ τούτου, η ογκομετρική και ειδική δραστηριότητα των ραδιονουκλεϊδίων στον αέρα, το νερό, τα τρόφιμα, τις κατασκευές και άλλα υλικά είναι τυποποιημένη.
Δεδομένου ότι ένα άτομο μπορεί να ακτινοβοληθεί με διάφορους τρόπους για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο (από την πρόσληψη ραδιονουκλεϊδίων στο σώμα έως την εξωτερική ακτινοβολία), όλοι οι παράγοντες ακτινοβολίας συνδέονται με μια συγκεκριμένη τιμή, η οποία ονομάζεται δόση ακτινοβολίας.
Πολύ πριν από αξιόπιστα δεδομένα για εσωτερική δομήαπό όλα, οι Έλληνες στοχαστές φαντάζονταν την ύλη με τη μορφή των μικρότερων πύρινων σωματιδίων που βρίσκονταν σε συνεχή κίνηση. Πιθανώς, αυτό το όραμα της παγκόσμιας τάξης πραγμάτων προέκυψε από καθαρά λογικά συμπεράσματα. Παρά την αφέλεια και την απόλυτη έλλειψη αποδείξεων αυτής της δήλωσης, αποδείχθηκε ότι ήταν αληθινή. Αν και οι επιστήμονες μπόρεσαν να επιβεβαιώσουν την τολμηρή εικασία μόνο είκοσι τρεις αιώνες αργότερα.
Η δομή των ατόμων
Στα τέλη του 19ου αιώνα, διερευνήθηκαν οι ιδιότητες ενός σωλήνα εκκένωσης από τον οποίο περνούσε ρεύμα. Οι παρατηρήσεις έχουν δείξει ότι σε αυτή την περίπτωση, εκπέμπονται δύο ρεύματα σωματιδίων:
Τα αρνητικά σωματίδια των καθοδικών ακτίνων ονομάζονταν ηλεκτρόνια. Στη συνέχεια, σωματίδια με την ίδια αναλογία φορτίου προς μάζα ανακαλύφθηκαν σε πολλές διαδικασίες. Τα ηλεκτρόνια φαινόταν να είναι καθολικά συστατικά διαφόρων ατόμων, που διαχωρίζονται αρκετά εύκολα όταν βομβαρδίζονταν ιόντα και άτομα.
Τα σωματίδια που φέρουν θετικό φορτίο φάνηκαν να είναι θραύσματα ατόμων αφού έχασαν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Στην πραγματικότητα, οι θετικές ακτίνες ήταν ομάδες ατόμων χωρίς αρνητικά σωματίδια, με αποτέλεσμα να έχουν θετικό φορτίο.
Το μοντέλο του Thompson
Με βάση πειράματα, διαπιστώθηκε ότι θετικά και αρνητικά σωματίδια αντιπροσώπευαν την ουσία του ατόμου, ήταν τα συστατικά του. Ο Άγγλος επιστήμονας J. Thomson πρότεινε τη θεωρία του. Κατά τη γνώμη του, η δομή του ατόμου και του ατομικού πυρήνα ήταν ένα είδος μάζας στην οποία τα αρνητικά φορτία συμπιέζονταν σε μια θετικά φορτισμένη μπάλα, όπως οι σταφίδες σε ένα κέικ. Η αντιστάθμιση φόρτισης έκανε το κέικ ηλεκτρικά ουδέτερο.
Το μοντέλο του Ράδερφορντ
Ο νεαρός Αμερικανός επιστήμονας Ράδερφορντ, αναλύοντας τα ίχνη που άφησαν τα σωματίδια άλφα, κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το μοντέλο του Thompson είναι ατελές. Ορισμένα σωματίδια άλφα εκτρέπονται από μικρές γωνίες- στις 5-10 ο. V σπάνιες περιπτώσειςσωματίδια άλφα εκτρέπονται σε μεγάλες γωνίες 60-80 o, και σε εξαιρετικές περιπτώσειςοι γωνίες ήταν πολύ μεγάλες - 120-150 ο. Το μοντέλο του ατόμου του Thompson δεν μπορούσε να εξηγήσει μια τέτοια διαφορά.
προτείνει ο Ράδερφορντ νέο μοντέλοεξηγώντας τη δομή του ατόμου και του ατομικού πυρήνα. Η φυσική διεργασιών δηλώνει ότι ένα άτομο πρέπει να είναι 99% κενό, με έναν μικροσκοπικό πυρήνα και ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γύρω του.
Εξηγεί τις εκτροπές κατά τις κρούσεις από το γεγονός ότι τα σωματίδια του ατόμου έχουν τα δικά τους ηλεκτρικά φορτία. Υπό την επίδραση του βομβαρδισμού φορτισμένων σωματιδίων, τα ατομικά στοιχεία συμπεριφέρονται σαν συνηθισμένα φορτισμένα σώματα στον μακρόκοσμο: τα σωματίδια με τα ίδια φορτία απωθούν το ένα το άλλο και εκείνα με αντίθετα φορτία έλκονται.
Κατάσταση ατόμων
Στις αρχές του περασμένου αιώνα, όταν κυκλοφόρησαν οι πρώτοι επιταχυντές σωματιδίων, όλες οι θεωρίες που εξηγούσαν τη δομή του ατομικού πυρήνα και του ίδιου του ατόμου περίμεναν την πειραματική επαλήθευση. Μέχρι εκείνη τη στιγμή, οι αλληλεπιδράσεις των ακτίνων άλφα και βήτα με τα άτομα είχαν ήδη μελετηθεί διεξοδικά. Μέχρι το 1917, τα άτομα πιστευόταν ότι ήταν είτε σταθερά είτε ραδιενεργά. Τα σταθερά άτομα δεν μπορούν να διαχωριστούν, η διάσπαση των ραδιενεργών πυρήνων δεν μπορεί να ελεγχθεί. Όμως ο Ρόδερφορντ κατάφερε να διαψεύσει αυτή την άποψη.
Πρώτο πρωτόνιο
Το 1911, ο E. Rutherford πρότεινε την ιδέα ότι όλοι οι πυρήνες αποτελούνται από τα ίδια στοιχεία, βάση των οποίων είναι το άτομο υδρογόνου. Αυτή η ιδέα του επιστήμονα προκλήθηκε από ένα σημαντικό συμπέρασμα προηγούμενων μελετών για τη δομή της ύλης: οι μάζες όλων των χημικών στοιχείων διαιρούνται χωρίς υπόλοιπο με τη μάζα του υδρογόνου. Η νέα υπόθεση άνοιξε άνευ προηγουμένου δυνατότητες, επιτρέποντας να δούμε τη δομή του ατομικού πυρήνα με έναν νέο τρόπο. Οι πυρηνικές αντιδράσεις έπρεπε να επιβεβαιώσουν ή να αντικρούσουν τη νέα υπόθεση.
Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν το 1919 με άτομα αζώτου. Βομβαρδίζοντάς τα με σωματίδια άλφα, ο Ράδερφορντ πέτυχε ένα εκπληκτικό αποτέλεσμα.
Το άτομο Ν απορρόφησε ένα σωματίδιο άλφα, στη συνέχεια μετατράπηκε σε άτομο οξυγόνου O 17 και εξέπεμψε έναν πυρήνα υδρογόνου. Αυτή ήταν η πρώτη τεχνητή μετατροπή ενός ατόμου ενός στοιχείου σε ένα άλλο. Μια τέτοια εμπειρία ενέπνευσε την ελπίδα ότι η δομή του ατομικού πυρήνα και η φυσική των υπαρχουσών διεργασιών επιτρέπουν να πραγματοποιηθούν και άλλοι πυρηνικοί μετασχηματισμοί.
Ο επιστήμονας χρησιμοποίησε στα πειράματά του τη μέθοδο του σπινθηρισμού - φλας. Από τη συχνότητα των εκλάμψεων, έβγαλε συμπεράσματα για τη σύνθεση και τη δομή του ατομικού πυρήνα, για τα χαρακτηριστικά των παραγόμενων σωματιδίων, για την ατομική τους μάζα και τον αύξοντα αριθμό. Το άγνωστο σωματίδιο ονομάστηκε από τον Rutherford πρωτόνιο. Είχε όλα τα χαρακτηριστικά ενός ατόμου υδρογόνου, χωρίς το μοναδικό του ηλεκτρόνιο - ένα μόνο θετικό φορτίο και μια αντίστοιχη μάζα. Έτσι, αποδείχθηκε ότι το πρωτόνιο και ο πυρήνας του υδρογόνου είναι ένα και το αυτό σωματίδιο.
Το 1930, όταν κατασκευάστηκαν και εκτοξεύτηκαν οι πρώτοι μεγάλοι επιταχυντές, το μοντέλο του ατόμου του Rutherford επαληθεύτηκε και αποδείχθηκε: κάθε άτομο υδρογόνου αποτελείται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο, η θέση του οποίου δεν μπορεί να προσδιοριστεί, και ένα χαλαρό άτομο με ένα μόνο θετικό πρωτόνιο μέσα. . Δεδομένου ότι τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα σωματίδια άλφα μπορούν να πετάξουν μέσα από το άτομο κατά τη διάρκεια του βομβαρδισμού, οι επιστήμονες θεώρησαν ότι είναι τα συστατικά οποιουδήποτε πυρήνα του ατόμου. Αλλά ένα τέτοιο μοντέλο του ατόμου του πυρήνα φαινόταν ασταθές - τα ηλεκτρόνια ήταν πολύ μεγάλα για να χωρέσουν στον πυρήνα, επιπλέον, υπήρχαν σοβαρές δυσκολίες που σχετίζονται με την παραβίαση του νόμου της ορμής και της διατήρησης της ενέργειας. Αυτοί οι δύο νόμοι, όπως οι αυστηροί λογιστές, έλεγαν ότι η ορμή και η μάζα όταν βομβαρδίζονται εξαφανίζονται προς άγνωστη κατεύθυνση. Δεδομένου ότι αυτοί οι νόμοι ήταν γενικά αποδεκτοί, έπρεπε να βρεθεί μια εξήγηση για μια τέτοια διαρροή.
Νετρόνια
Επιστήμονες σε όλο τον κόσμο έχουν πραγματοποιήσει πειράματα με στόχο την ανακάλυψη νέων συστατικών πυρήνων ατόμων. Στη δεκαετία του 1930, οι Γερμανοί φυσικοί Becker και Bothe βομβάρδισαν άτομα βηρυλλίου με σωματίδια άλφα. Σε αυτή την περίπτωση, καταγράφηκε μια άγνωστη ακτινοβολία, την οποία αποφασίστηκε να ονομαστεί ακτίνες G. Λεπτομερείς μελέτες είπαν για μερικά από τα χαρακτηριστικά των νέων ακτίνων: μπορούσαν να διαδοθούν αυστηρά σε ευθεία γραμμή, δεν αλληλεπιδρούσαν με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και είχαν υψηλή ικανότητα διείσδυσης. Αργότερα, τα σωματίδια που σχηματίζουν αυτό το είδος ακτινοβολίας βρέθηκαν στην αλληλεπίδραση των σωματιδίων άλφα με άλλα στοιχεία - βόριο, χρώμιο και άλλα.
Η υπόθεση του Chadwick
Στη συνέχεια, ο James Chadwick, συνάδελφος και μαθητής του Rutherford, έδωσε στο περιοδικό Nature σύντομο μήνυμα, που αργότερα έγινε γενικά γνωστό. Ο Chadwick επέστησε την προσοχή στο γεγονός ότι οι αντιφάσεις στους νόμους διατήρησης επιλύονται εύκολα αν υποθέσουμε ότι η νέα ακτινοβολία είναι ένα ρεύμα ουδέτερων σωματιδίων, καθένα από τα οποία έχει μάζα περίπου ίση με τη μάζα ενός πρωτονίου. Λαμβάνοντας υπόψη αυτή την υπόθεση, οι φυσικοί έχουν ουσιαστικά συμπληρώσει την υπόθεση που εξηγεί τη δομή του ατομικού πυρήνα. Εν συντομία, η ουσία των προσθηκών περιορίστηκε σε ένα νέο σωματίδιο και ο ρόλος του στη δομή του ατόμου.
Ιδιότητες νετρονίων
Στο σωματίδιο που ανακαλύφθηκε δόθηκε το όνομα «νετρόνιο». Τα σωματίδια που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα δεν σχημάτισαν ηλεκτρομαγνητικά πεδία γύρω τους, περνούσαν εύκολα μέσα από την ουσία, χωρίς να χάνουν ενέργεια. Σε σπάνιες συγκρούσεις με ελαφρούς πυρήνες ατόμων, το νετρόνιο είναι σε θέση να βγάλει τον πυρήνα από το άτομο, ενώ χάνει σημαντικό μέρος της ενέργειάς του. Η δομή του ατομικού πυρήνα υποθέτει την παρουσία διαφορετικού αριθμού νετρονίων σε κάθε ουσία. Τα άτομα με το ίδιο πυρηνικό φορτίο, αλλά με διαφορετικό αριθμό νετρονίων, ονομάζονται ισότοπα.
Τα νετρόνια έχουν χρησιμεύσει ως μια εξαιρετική αντικατάσταση για τα σωματίδια άλφα. Επί του παρόντος, είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της δομής του ατομικού πυρήνα. Είναι αδύνατο να περιγραφεί εν συντομία η σημασία τους για την επιστήμη, αλλά χάρη στον βομβαρδισμό των ατομικών πυρήνων με νετρόνια οι φυσικοί μπόρεσαν να αποκτήσουν ισότοπα σχεδόν όλων των γνωστών στοιχείων.
Σύνθεση πυρήνα ατόμου
Προς το παρόν, η δομή του ατομικού πυρήνα είναι μια συλλογή πρωτονίων και νετρονίων που συγκρατούνται μαζί από πυρηνικές δυνάμεις. Για παράδειγμα, ένας πυρήνας ηλίου είναι ένα κομμάτι δύο νετρονίων και δύο πρωτονίων. Τα ελαφριά στοιχεία έχουν σχεδόν ίσο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων, ενώ τα βαριά στοιχεία έχουν πολύ περισσότερα νετρόνια.
Αυτή η εικόνα της δομής του πυρήνα επιβεβαιώνεται από πειράματα σε σύγχρονους μεγάλους επιταχυντές με γρήγορα πρωτόνια. Οι ηλεκτρικές δυνάμεις απώθησης των πρωτονίων εξισορροπούνται από έντονες δυνάμεις που δρουν μόνο στον ίδιο τον πυρήνα. Αν και η φύση των πυρηνικών δυνάμεων δεν έχει ακόμη πλήρως κατανοηθεί, η ύπαρξή τους είναι πρακτικά αποδεδειγμένη και εξηγεί πλήρως τη δομή του ατομικού πυρήνα.
Η σύνδεση μεταξύ μάζας και ενέργειας
Το 1932, η κάμερα του Wilson κατέγραψε μια καταπληκτική φωτογραφία που αποδεικνύει την ύπαρξη θετικών φορτισμένων σωματιδίων με μάζα ηλεκτρονίου.
Πριν από αυτό, τα θετικά ηλεκτρόνια είχαν προβλεφθεί θεωρητικά από τον P. Dirac. Ένα πραγματικό θετικό ηλεκτρόνιο έχει επίσης βρεθεί στην κοσμική ακτινοβολία. Το νέο σωματίδιο ονομάστηκε ποζιτρόνιο. Όταν συγκρούεται με το δίδυμό του - ένα ηλεκτρόνιο, συμβαίνει εκμηδένιση - η αμοιβαία εκμηδένιση δύο σωματιδίων. Αυτό απελευθερώνει ένα ορισμένο ποσό ενέργειας.
Έτσι, η θεωρία που αναπτύχθηκε για τον μακρόκοσμο ήταν απολύτως κατάλληλη για την περιγραφή της συμπεριφοράς των μικρότερων στοιχείων της ύλης.
