Milyen részecskék alkotják az atommagot. Az atom és az atommag szerkezete

A radioaktív szennyeződés sajátossága, ellentétben az egyéb szennyező anyagokkal, hogy az emberre és a környezeti tárgyakra gyakorolt ​​káros hatást nem maga a radionuklid (szennyezőanyag) okozza, hanem az abból származó sugárzás.

Vannak azonban olyan esetek, amikor a radionuklid mérgező elem. Például egy baleset után Csernobili atomerőmű v környezet A plutónium 239, 242 Ru nukleáris üzemanyag részecskéivel lökött ki. Amellett, hogy a plutónium alfa-kibocsátó, és lenyelve jelentős veszélyt jelent, maga a plutónium is mérgező elem.

Emiatt a mennyiségi mutatók két csoportját alkalmazzák: 1) a radionuklid-tartalom felmérésére és 2) a sugárzás tárgyra gyakorolt ​​hatásának felmérésére.
Tevékenység- a vizsgált objektum radionuklid-tartalmának kvantitatív mérése. Az aktivitást az atomok időegységenkénti radioaktív bomlásának száma határozza meg. Az aktivitásmérés SI mértékegysége a Becquerel (Bq), amely másodpercenként egy bomlásnak felel meg (1Bq = 1 dec / s). Néha nem rendszerszintű tevékenységmérés egységet használnak - Curie (Ki); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Sugárdózis- a sugárzás tárgyra gyakorolt ​​hatásának mennyiségi mérőszáma.
Annak a ténynek köszönhetően, hogy a sugárzás tárgyra gyakorolt ​​hatása becsülhető különböző szinteken: fizikai, kémiai, biológiai; az egyes molekulák, sejtek, szövetek vagy organizmusok stb. szintjén többféle dózist alkalmaznak: abszorbeált, effektív ekvivalens, expozíció.

A sugárdózis időbeli változásának értékeléséhez a "dózissebesség" mutatót használják. Adagolási sebesség az adag és az idő aránya. Például a természetes sugárforrásokból származó külső expozíció dózisteljesítménye 4-20 μR / h Oroszország területén.

Az emberre vonatkozó fő szabvány - a fő dózishatár (1 mSv / év) - az effektív egyenérték dózis egységeiben kerül bevezetésre. Vannak szabványok az aktivitási egységekre, a talajszennyezettségi szintekre, a VDU-ra, a GWP-re, a SanPiN-re stb.

Az atommag szerkezete.

Az atom egy kémiai elem legkisebb részecskéje, amely megőrzi minden tulajdonságát. Szerkezeténél fogva az atom az összetett rendszer egy atom közepén elhelyezkedő, igen kis méretű (10 -13 cm) pozitív töltésű magból és az atommag körül különböző pályákon forgó negatív töltésű elektronokból áll. Az elektronok negatív töltése megegyezik az atommag pozitív töltésével, míg általában elektromosan semlegesnek bizonyul.

Az atommagok a következőkből állnak nukleonok - nukleáris protonok ( Z - protonok száma) és nukleáris neutronok (N a neutronok száma). A "nukleáris" protonok és neutronok különböznek a szabad állapotú részecskéktől. Például egy szabad neutron, ellentétben az atommagban kötött neutronokkal, instabil, és protonná és elektronná alakul.

A nukleonok száma Am (tömegszám) a protonok és neutronok számának összege: Am = Z + N.

Proton - bármely atom elemi részecskéjének pozitív töltése egyenlő egy elektron töltésével. Az atom héjában lévő elektronok számát az atommagban lévő protonok száma határozza meg.

Neutron - másfajta nukleáris részecskék minden elemből. Csak a könnyű hidrogén atommagjában hiányzik, amely egy protonból áll. Nincs töltése, elektromosan semleges. Az atommagban a neutronok stabilak, szabad állapotban pedig instabilok. Egyazon elem atommagjaiban a neutronok száma ingadozhat, ezért az atommagban lévő neutronok száma nem jellemzi az elemet.

A nukleonokat (protonok + neutronok) a magvonzási erők tartják az atommag belsejében. A nukleáris erők 100-szor erősebbek, mint az elektromágneses erők, ezért hasonló töltésű protonokat tartanak az atommagban. A nukleáris erők csak nagyon kis távolságokon (10-13 cm) mutatkoznak meg, ezek alkotják az atommag potenciális kötési energiáját, amely egyes átalakulások során részben felszabadul, mozgási energiává alakul át.

Az atommag összetételében eltérő atomok esetében a „nuklidok” nevet, a radioaktív atomok esetében pedig a „radionuklidok” nevet használják.

Nuklidok adott számú nukleonnal és adott nukleáris töltéssel rendelkező atomokat vagy magokat nevezzük (az A X nuklid jelölése).

Az azonos számú nukleonnal rendelkező nuklidokat (Am = const) nevezzük izobárok. Például a 96 Sr, 96 Y, 96 Zr nuklidok az Am = 96 nukleonszámú izobárok sorozatához tartoznak.

Azonos számú protonnal rendelkező nuklidok (Z = const) nevezzük izotópok. Csak a neutronok számában különböznek egymástól, ezért ugyanahhoz az elemhez tartoznak: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

Izotópok- azonos számú neutronnal rendelkező nuklidok (N = Am -Z = const). A nuklidok: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca 20 neutronból álló izotópsorozathoz tartoznak.

Az izotópokat általában Z X M-ként jelölik, ahol X egy kémiai elem szimbóluma; M a tömegszám, amely megegyezik az atommagban lévő protonok és neutronok számának összegével; Z az atommag rendszáma vagy töltése, megegyezik az atommagban lévő protonok számával. Mivel minden kémiai elemnek megvan a saját állandó rendszáma, ezt általában kihagyják, és csak a tömegszámot írják le, például: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr stb.

Az azonos tömegszámú, de eltérő töltésű és ebből következően eltérő tulajdonságú atomokat "izobároknak" nevezzük, például a foszfor egyik izotópjának tömegszáma 32 - 15 P 32, ugyanaz a tömegszám a kén izotópjai - 16 S 32.

A nuklidok lehetnek stabilak (ha a magjaik stabilak és nem bomlanak le) és instabilak (ha a magjuk instabil, és olyan változásokon mennek keresztül, amelyek végső soron a mag stabilitásának növekedéséhez vezetnek). A spontán bomlásra képes instabil atommagokat nevezzük radionuklidok. Az atommag spontán szétesésének jelenségét, amely részecskék kibocsátásával és (vagy) elektromágneses sugárzással jár együtt, ún. radioaktivitás.

A radioaktív bomlás eredményeként stabil és radioaktív izotóp is képződhet, amely viszont spontán bomlik. Az ilyen radioaktív elemek láncait, amelyeket nukleáris átalakulások sorozata köt össze, nevezzük radioaktív családok.

Jelenleg az IURAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 109 kémiai elemet nevezett meg hivatalosan. Ezek közül csak 81 rendelkezik stabil izotópokkal, amelyek közül a legnehezebb a bizmut (Z= 83). A fennmaradó 28 elemről csak radioaktív izotópok ismertek, és az urán (U ~ 92) a természetben található legnehezebb elem. A legnagyobb természetes nuklid 238 nukleont tartalmaz. Ebből a 109 elemből összesen mintegy 1700 nuklid létezése bizonyított, és az ismert izotópok száma. egyedi elemek, 3 (hidrogén esetén) és 29 (platina esetén) között mozog.

Atommag- az atom központi része, amelyben a nagy része koncentrálódik (több mint 99,9%). Az atommag pozitív töltésű, az atommag töltése határozza meg azt a kémiai elemet, amelyhez az atom tartozik.

Az atommag nukleonokból áll - pozitív töltésű protonokból és semleges neutronokból, amelyek erős kölcsönhatások révén kapcsolódnak egymáshoz.

Az atommagot, amelyet bizonyos számú protonnal és neutronnal rendelkező részecskék osztályának tekintenek, általában ún. nuklid.

Az atommagban lévő protonok számát töltésszámnak nevezik - ez a szám egyenlő annak az elemnek a sorszámával, amelyhez az atom tartozik, Mengyelejev periódusos rendszerében (Elemek periódusos táblázata). Az atommagban lévő protonok száma meghatározza a semleges atom elektronhéjának szerkezetét, és így Kémiai tulajdonságok a megfelelő elemet. Az atommagban lévő neutronok számát úgy hívják izotópszám... Az azonos számú protonnal és különböző számú neutronnal rendelkező atommagokat izotópoknak nevezzük. Az azonos számú neutront, de különböző számú protont tartalmazó atommagokat izotonoknak nevezzük.

Az atommagban lévő nukleonok teljes számát tömegszámnak () nevezzük, és megközelítőleg megegyezik az atomok periódusos rendszerben feltüntetett átlagos tömegével. Az azonos tömegszámú, de eltérő proton-neutron összetételű nuklidokat általában izobároknak nevezik.

Súly

A neutronok számának különbsége miatt az elem izotópjai rendelkeznek különböző tömegű, ami a kernel fontos jellemzője. A magfizikában az atommagok tömegét általában atomtömeg-egységekben mérik ( a. eszik.), az egyikben a. e. m. vegyük a 12 C nuklid tömegének 1/12-ét [ch 2]. Meg kell jegyezni, hogy a standard tömeg, amelyet általában egy nuklidra adnak meg, egy semleges atom tömege. Az atommag tömegének meghatározásához ki kell vonni az összes elektron tömegének összegét az atom tömegéből (tovább pontos érték akkor derül ki, ha az elektronok atommaggal való kötési energiáját is figyelembe vesszük).

Ezenkívül a tömeg energiaegyenértékét gyakran használják a magfizikában. Az Einstein-féle összefüggés szerint minden tömegérték megfelel a teljes energiának:

Hol van a fény sebessége vákuumban.

A kapcsolat a. e.m és energiaegyenértéke joule-ban:

és mivel 1 elektronvolt = 1,602176 · 10 −19 J, az energiaegyenérték a. egység MeV-ben van

Sugár

A nehéz atommagok bomlásának elemzése finomította Rutherford becslését [ch 3], és egy egyszerű összefüggéssel összekapcsolta az atommag sugarát a tömegszámmal:

hol van egy állandó.

Mivel a mag sugara nem tiszta geometriai jellemzőés elsősorban a nukleáris erők hatássugárához kapcsolódik, akkor az érték attól a folyamattól függ, amelynek elemzése során az értéket megkapjuk, az m átlagolt értéke, így az atommag sugara méterben

Díj

Az atommagban lévő protonok száma közvetlenül meghatározza annak elektromos töltését, az izotópoknak ugyanannyi proton van, de más a neutronszámuk. ...

Az atommagok töltéseit először Henry Moseley határozta meg 1913-ban. A tudós kísérleti megfigyeléseit a röntgensugárzás hullámhosszának egy bizonyos állandótól való függéseként értelmezte, amely elemről elemre eggyel változik, és hidrogén esetében eggyel egyenlő:

, ahol

És - állandó.

Az atommagok kötési energiája.

Az atommag kötési energiája egyenlő azzal a minimális energiával, amelyet az atommag különálló részecskékre történő teljes szétválásához kell fordítani. Az energiamegmaradás törvényéből következik, hogy a kötési energia megegyezik azzal az energiával, amely az egyes részecskékből az atommag kialakulása során szabadul fel.

Bármely atommag kötési energiája meghatározható a tömegének pontos mérésével. Jelenleg a fizikusok megtanulták mérni a részecskék - elektronok, protonok, neutronok, atommagok stb. - tömegét. nagy pontosságú... Ezek a mérések azt mutatják bármely mag tömege M mindig kisebb vagyok, mint az alkotó protonok és neutronok tömegeinek összege:

Ez az energia az atommag kialakulása során szabadul fel γ-kvantumok sugárzása formájában.

Nukleáris erők.

Nukleáris erők rövid hatótávolságúak erők. A nukleonok között csak nagyon kis távolságban mutatkoznak meg a 10-15 m nagyságrendű magban.A hossza (1,5-2,2) · 10-15 m ún. nukleáris erők hatássugara.

Az atomerők felfedezik töltésfüggetlenség : a vonzás két nukleon között azonos, függetlenül a nukleonok töltési állapotától - proton vagy neutron. A nukleáris erők töltésfüggetlensége a kötési energiák összehasonlításából látható tükörmagok . Az úgynevezett kernelek,amelyben a nukleonok összszáma azonos,de az egyik protonjainak száma megegyezik a másik neutronjainak számával.

Az atomerők rendelkeznek telítettségi tulajdonság , ami abban nyilvánul meg, hogy egy magban lévő nukleon csak korlátozott számú legközelebbi szomszédos nukleonnal lép kölcsönhatásba... Ezért van lineáris kapcsolat az atommagok kötési energiáit tömegszámukon A... Az α-részecskében a nukleáris erők szinte teljes telítettsége érhető el, ami egy nagyon stabil képződmény.

A nukleáris erők attól függnek centrifugálási orientáció kölcsönható nukleonok... Ezt igazolja az orto- és parahidrogénmolekulák neutronszórásának eltérő jellege. Az ortohidrogén molekulában mindkét proton spinje párhuzamos egymással, a parahidrogén molekulában pedig antiparallel. A kísérletek kimutatták, hogy a neutronok szóródása parahidrogénen 30-szor nagyobb, mint az ortohidrogénen. Az atomerők nem központi szerepet töltenek be.

Szóval, soroljuk a nukleáris erők általános tulajdonságai :

A nukleáris erők kis hatássugara ( R~ 1 fm);

A nukleáris potenciál nagy értéke U~ 50 MeV;

· A nukleáris erők függése a kölcsönható részecskék spinjeitől;

· A nukleonok kölcsönhatásának tenzor jellege;

· A nukleáris erők a nukleon spinjének és keringési momentumainak kölcsönös orientációjától függenek (spin-pályaerők);

· A nukleáris kölcsönhatásnak telítettségi tulajdonsága van;

· A nukleáris erők díjfüggetlensége;

· A nukleáris kölcsönhatás csere jellege;

Vonzás a nukleonok között nagy távolságban ( r> 1 fm), helyébe taszítás lép kis ( r < 0,5 Фм).

Kérdések "Miből áll az anyag?", "Mi az anyag természete?" mindig is foglalkoztatták az emberiséget. A filozófusok és tudósok ősidők óta keresik a választ ezekre a kérdésekre, reális és teljesen elképesztő és fantasztikus elméleteket és hipotéziseket egyaránt alkotva. Szó szerint egy évszázaddal ezelőtt azonban az emberiség eljutott ahhoz, hogy a lehető legközelebb megfejtse ezt a rejtélyt, miután felfedezte az anyag atomi szerkezetét. De mi az atommag összetétele? Miből áll ez az egész?

Az elmélettől a valóságig

A huszadik század elejére az atomszerkezet már nem csak hipotézis volt, hanem abszolút tény lett. Kiderült, hogy az atommag összetétele nagyon összetett fogalom. Ez magában foglalja De felmerült a kérdés: az atom összetétele, és különböző számú ilyen töltést tartalmaz, vagy sem?

Bolygómodell

Kezdetben úgy gondolták, hogy az atom nagyon hasonló a miénkhez Naprendszer... Gyorsan azonban kiderült, hogy ez az elképzelés nem teljesen helyes. A kép csillagászati ​​léptékének tisztán mechanikus átvitelének problémája a milliméter milliomod részeit elfoglaló területre jelentős és drámai változást hozott a jelenségek tulajdonságaiban és minőségében. A fő különbség a sokkal szigorúbb törvényekben és szabályokban volt, amelyek alapján az atom épült.

A bolygómodell hátrányai

Először is, mivel az azonos típusú és elemű atomoknak paramétereikben és tulajdonságaikban pontosan azonosaknak kell lenniük, akkor ezen atomok elektronjainak pályájának is azonosnak kell lennie. A csillagászati ​​testek mozgási törvényei azonban nem tudtak választ adni ezekre a kérdésekre. A második ellentmondás az, hogy egy elektron mozgását a pályáján, ha jól tanulmányozott fizikai törvényeket alkalmazunk, szükségszerűen együtt kell járnia az energia tartós felszabadulásával. Ennek eredményeként ez a folyamat egy elektron kimerüléséhez vezetne, amely végül lebomlana, sőt az atommagba esne.

Az anya hullámszerkezete és

1924-ben egy fiatal arisztokrata, Louis de Broglie olyan ötletet terjesztett elő, amely megfordította a tudományos közösséget olyan kérdések iránt, mint az atommagok összetétele. Az ötlet az volt, hogy az elektron nem csak egy mozgó golyó, amely egy mag körül kering. Ez egy fuzzy anyag, amely olyan törvények szerint mozog, amelyek hasonlítanak a hullámok térbeli terjedésére. Ezt az elképzelést meglehetősen gyorsan kiterjesztették bármely test egészének mozgására, elmagyarázva, hogy ennek a mozgásnak csak az egyik oldalát észleljük, de a második valójában nem jelenik meg. Láthatjuk a hullámok terjedését, és nem vesszük észre a részecske mozgását, vagy fordítva. Valójában a mozgás mindkét oldala mindig létezik, és egy elektron forgása a pályáján nemcsak magának a töltésnek a mozgása, hanem a hullámok terjedése is. Ez a megközelítés alapvetően eltér a korábban elfogadott bolygómodelltől.

Elemi alap

Az atom magja a központ. Az elektronok keringenek körülötte. Minden mást a kernel tulajdonságai határoznak meg. Olyan koncepcióról kell beszélni, mint az atommag összetétele a kezdetektől fontos pillanat- a töltéstől. Az atom összetételében van egy bizonyos, amely negatív töltést hordoz. Maga az atommag pozitív töltésű. Ebből bizonyos következtetések vonhatók le:

1. Az atommag egy pozitív töltésű részecske.
2. A mag körül a töltések által létrehozott lüktető légkör.
3. Az atommag és annak jellemzői határozzák meg az elektronok számát egy atomban.

Kernel tulajdonságai

A réznek, üvegnek, vasnak, fának ugyanazok az elektronjai. Egy atom elveszíthet néhány elektront, vagy akár mindent. Ha a mag pozitív töltésű marad, akkor képes vonzani a megfelelő mennyiséget negatív töltésű részecskék más testekből, ami lehetővé teszi, hogy fennmaradjon. Ha egy atom bizonyos számú elektront veszít, akkor az atommag pozitív töltése nagyobb lesz, mint a többi negatív töltés. Ebben az esetben az egész atom többlettöltést kap, és ezt pozitív ionnak nevezhetjük. Egyes esetekben egy atom több elektront tud vonzani, és akkor negatív töltésű lesz. Ezért nevezhetjük negatív ionnak.

Mennyi egy atom súlya ?

Az atom tömegét elsősorban az atommag határozza meg. Az atomot és az atommagot alkotó elektronok tömege kevesebb, mint a teljes tömeg egy ezredrésze. Mivel a tömeget az anyag energiamennyiségének mértékének tekintik, ezt a tényt hihetetlenül fontosnak tartják egy olyan kérdés vizsgálatakor, mint az atommag összetétele.

Radioaktivitás

A legnehezebb kérdések a felfedezés után merültek fel: a radioaktív elemek alfa, béta és gamma hullámokat bocsátanak ki. De az ilyen sugárzásnak forrásnak kell lennie. Rutherford 1902-ben kimutatta, hogy ilyen forrás maga az atom, vagy inkább az atommag. Másrészt a radioaktivitás nemcsak a sugarak kibocsátását jelenti, hanem az egyik elem átadását is a másiknak, teljesen új kémiai ill. fizikai tulajdonságok... Vagyis a radioaktivitás az atommag változása.

Mit tudunk a nukleáris szerkezetről?

Csaknem száz évvel ezelőtt Proth fizikus felvetette azt az ötletet, hogy az elemek a bennük található periodikus rendszer Nem inkoherens formák, hanem kombinációk, ezért várható, hogy az atommagok töltései és tömegei is a hidrogén egész és többszörös töltéseként lesznek kifejezve. Ez azonban nem egészen igaz. Az atommagok tulajdonságait elektromágneses terek segítségével tanulmányozva Aston fizikus megállapította, hogy azok az elemek, amelyek atomsúlya nem egész és többszörös, valójában különböző atomok kombinációja, és nem egy anyag. Minden esetben, amikor az atomtömeg nem egész szám, különböző izotópok keverékét figyeljük meg. Ami? Ha az atommag összetételéről beszélünk, akkor az izotópok azonos töltésű, de eltérő tömegű atomok.

Einstein és az atommag

A relativitáselmélet szerint a tömeg nem az anyag mennyiségét meghatározó mérték, hanem az anyag energiájának mértéke. Ennek megfelelően az anyagot nem tömeggel, hanem az anyagot alkotó töltéssel és a töltés energiájával lehet mérni. Amikor ugyanaz a töltés közelít egy másikhoz, ugyanaz az energia nő, ellenkező esetben csökken. Ez természetesen nem jelent változást az ügyben. Ennek megfelelően ebből a pozícióból az atommag nem energiaforrás, hanem inkább maradék a felszabadulása után. Ez azt jelenti, hogy van valamiféle ellentmondás.

Neutronok

A Curie-k, amikor berillium alfa-részecskékkel bombázták őket, felfoghatatlan sugarakat fedeztek fel, amelyek az atommaggal ütközve nagy erővel taszítják azt. Azonban nagy vastagságú anyagon képesek átjutni. Ezt az ellentmondást feloldotta az a tény, hogy ezt a részecskét semleges elektromos töltésűnek találták. Ennek megfelelően neutronnak nevezték. A további kutatásoknak köszönhetően kiderült, hogy szinte megegyezik a protonéval. Általánosságban elmondható, hogy a neutron és a proton hihetetlenül hasonlóak. Ezt a felfedezést figyelembe véve határozottan megállapítható volt, hogy az atommag összetétele protonokat és neutronokat egyaránt tartalmaz, mégpedig azonos mennyiségben. Fokozatosan minden a helyére került. A protonok száma az atomszám. Az atomtömeg a neutronok és a protonok tömegének összege. Izotópnak nevezhető olyan elem is, amelyben a neutronok és a protonok száma nem lesz egyenlő egymással. Mint fentebb említettük, ebben az esetben, bár az elem valójában ugyanaz marad, tulajdonságai jelentősen megváltozhatnak.

Minden atom a következőkből áll kernelekés atomhéj, amelyek különféle elemi részecskéket tartalmaznak - nukleonokés elektronok(5.1. ábra). Az atommag az atom központi része, amely szinte az atom teljes tömegét tartalmazza, és pozitív töltésű. A mag a következőkből áll protonokés neutronok, amelyek egy elemi részecske – egy nukleon – kétszeresen töltött állapotai. Protontöltés +1; neutron 0.

Alaptöltés atom az Z . ē , ahol Z- az elemek sorszáma (atomszám) Mengyelejev periódusos rendszerében megegyezik az atommagban lévő protonok számával; ē Az elektrontöltés.

A magban lévő nukleonok számát ún elem tömegszáma(A):

A = Z + N,

ahol Z- a protonok száma; N- a neutronok száma az atommagban.

Protonok és neutronok esetében a tömegszámot 1-nek, az elektronok esetében 0-nak kell venni.

Rizs. 5.1. Az atom szerkezete

A következő jelölések bármely kémiai elemre általánosan elfogadottak x: , itt A- tömegszám, Z Az elem rendszáma.

Ugyanazon elem atommagjai különböző számú neutront tartalmazhatnak N... Az ilyen típusú atommagokat ún izotópok ennek a tételnek. Így az izotópok: azonos rendszámúak, de különböző tömegszámok A... Többség kémiai elemek különböző izotópok keverékei, például uránizotópok:

.

A különböző kémiai elemekből álló atommagok tömegszáma azonos lehet A(különböző számú protonnal Z). Az ilyen típusú atommagokat ún izobárok... Például:

– – – ; –

Atomtömeg

Az atomok és molekulák tömegének jellemzésére a fogalmat használjuk atomtömeg M Egy relatív érték, amelyet az arány határoz meg
egy szénatom tömegére, és egyenlőnek vesszük m a = 12 000 000. Mert
abszolút meghatározás atomtömeget vezettek be atomi egység
tömegek(amu), amelyet a szénatom tömegéhez viszonyítva határoznak meg a következő formában:

.

Ekkor egy elem atomtömege a következőképpen definiálható:

ahol M A vizsgált elem izotópjainak atomtömege. Ez a kifejezés megkönnyíti az elemek magjai tömegének meghatározását, elemi részecskék, részecskék - radioaktív átalakulások termékei stb.

Atomtömeghiba és nukleáris kötőenergia

Nukleonkötési energia – fizikai mennyiség, számszerűen megegyezik azzal a munkával, amelyet el kell végezni egy nukleon eltávolításához az atommagból anélkül, hogy kinetikus energiát adna neki.

A nukleonok az atommagban nukleáris erők hatására kötődnek meg, amelyek nagymértékben meghaladják a protonok között ható elektrosztatikus taszító erőket. Az atommag hasadásához ezeket az erőket le kell győzni, vagyis energiát kell elkölteni. A nukleonok egyesülése az atommag kialakulásával éppen ellenkezőleg, energia felszabadulásával jár, amit ún. az atommag kötési energiájaΔ W sv:

,

hol van az úgynevezett nukleáris tömeghiba; val vel ≈ 3 . 10 8 m/s a fény sebessége vákuumban.

Magkötő energia- egy fizikai mennyiség, amely megegyezik azzal a munkával, amelyet az atommag különálló nukleonokra történő felosztásához kell elvégezni anélkül, hogy kinetikus energiát adna nekik.

Egy atommag keletkezésekor a tömege csökken, azaz az atommag tömege kisebb, mint az azt alkotó nukleonok tömegeinek összege, ezt a különbséget ún. tömeghibaΔ m:

ahol m p A proton tömege; m n A neutron tömege; m mag - a mag tömege.

Az atommag tömegéből való átlépéskor m mag egy elem atomtömegére m a, ez a kifejezés a következőképpen írható fel:

ahol m H a hidrogén tömege; m n A neutron tömege és m a az elem atomtömege, keresztül meghatározott atomtömeg egység(am.).

Az atommag stabilitásának kritériuma a benne lévő protonok és neutronok számának szigorú megfeleltetése. A magok stabilitására a következő összefüggés érvényes:

,

ahol Z- a protonok száma; A Az elem tömegszáma.

Az eddig ismert körülbelül 1700 típusú mag közül csak körülbelül 270 stabil. Ráadásul a természetben túlsúlyban vannak a páros-páros atommagok (vagyis páros számú protonnal és neutronnal), amelyek különösen stabilak.

Radioaktivitás

Radioaktivitás- az egyik kémiai elem instabil izotópjainak átalakulása egy másik kémiai elem izotópjává néhány elemi részecske felszabadulásával. Különbséget kell tenni a természetes és a mesterséges radioaktivitás között.

A fő típusok a következők:

- α-sugárzás (bomlás);

- β-sugárzás (bomlás);

- spontán maghasadás.

A bomló elem magját ún anyai, és a kialakított elem magja az leányvállalat... Az atommagok spontán bomlása a radioaktív bomlás következő törvényének engedelmeskedik:

ahol N 0 egy kémiai elemben lévő atommagok száma az idő kezdeti pillanatában; N A magok száma egyszerre t; - az úgynevezett bomlási „állandó”, amely az egységnyi idő alatt elbomló atommagok hányada.

A bomlási „állandó” reciproka az izotóp átlagos élettartamát jellemzi. Az atommagok stabilitásának jellemzője a bomlás szempontjából az fél élet, azaz az az idő, amely alatt a magok kezdeti száma felére csökken:

Az és a kapcsolat:

Radioaktív bomlással, díjvédelmi törvény:

,

hol van a szétesett vagy keletkező (képződő) "töredékek" töltése; és tömegtárolási szabály:

ahol a kialakult (elbomlott) "töredékek" tömegszáma.

5.4.1. α és β bomlás

α bomlás a héliummagok sugárzását jelenti. A nagy tömegszámú „nehéz” magokra jellemző A> 200 és töltés > 82.

Az α-bomlás eltolási szabálya a következő (új elem jön létre):

.

; .

Megjegyezzük, hogy az α-bomlás (sugárzás) rendelkezik a legnagyobb ionizáló képességgel, de a legalacsonyabb permeabilitással.

A következő típusok léteznek β-bomlás:

- elektronikus β-bomlás (β - -decay);

- pozitron β-bomlás (β + -bomlás);

- elektronikus rögzítés (k-capture).

β - -bomlás neutrontöbblet esetén elektronok és antineutrínók felszabadulásával fordul elő:

.

β + bomlás protontöbblet esetén pozitronok és neutrínók felszabadulásával történik:

Elektronikus rögzítéshez ( k-elfog) a következő átalakulás jellemző:

.

A β-bomlás eltolási szabálya a következő (új elem jön létre):

számára β - -bomlás: ;

számára β + -bomlás: .

A β-bomlás (sugárzás) rendelkezik a legkisebb ionizáló képességgel, de a legnagyobb áteresztőképességgel.

α és β sugárzás kíséri γ-sugárzás, ami a fotonok kibocsátása és nem független faj radioaktív sugárzás.

A γ-fotonok a gerjesztett atomok energiájának csökkenésével szabadulnak fel, és nem okoznak változást a tömegben Aés töltésváltozás Z... A γ-sugárzásnak van a legnagyobb áthatoló ereje.

Radionuklid aktivitás

Radionuklid aktivitás- a radioaktivitás mértéke, amely az egységnyi idő alatt bekövetkező nukleáris bomlások számát jellemzi. Egy bizonyos mennyiségű radionuklidra meghatározott energiaállapotban Ebben a pillanatban időaktivitás Aígy van megadva:

ahol az ionizáló sugárzás forrásában az időintervallumban bekövetkező spontán magtranszformációk (a magbomlások száma) várható száma .

A spontán magtranszformációt ún radioaktív bomlás.

A radionuklidok aktivitásának mérésének mértékegysége az inverz másodperc (), amelynek külön neve van Becquerel (Bq).

A Becquerel egyenlő a forrásban lévő radionuklid aktivitásával, amelyben 1 másodpercig. van egy spontán nukleáris átalakulás.

Nem rendszerszintű tevékenységi egység - curie (ku).

Curie - a radionuklid aktivitása a forrásban, amelyben 1 másodpercig. történik 3.7 . 10 10 spontán magtranszformáció, azaz 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.

Például körülbelül 1 g tiszta rádium 3,7-es aktivitást ad . 10 10 nukleáris bomlás másodpercenként.

Nem minden radionuklid mag bomlik le egyszerre. Minden időegységben spontán nukleáris átalakulás megy végbe az atommagok bizonyos töredékével. A nukleáris átalakulások aránya a különböző radionuklidok esetében eltérő. Például a rádiummagok teljes számából 1,38 . részből, a radonmagok teljes számából pedig - 2.1 . rész. Az egységnyi idő alatt bomló atommagok hányadát λ bomlási állandónak nevezzük .

A fenti definíciókból az következik, hogy a tevékenység A a radioaktív atomok számával kapcsolatos N a forrásban egy adott időpontban a következő arányban:

Idővel a radioaktív atomok száma a törvény szerint csökken:

, (3) - 30 év, felszíni radon ill lineáris tevékenység.

A konkrét tevékenység egységeinek megválasztását egy konkrét feladat határozza meg. Például a levegő aktivitását becquerel per köbméter(Bq / m 3) - térfogati aktivitás. A vízben, tejben és más folyadékokban való aktivitást térfogati aktivitásként is kifejezik, mivel a víz és a tej mennyiségét literben (Bq / L) mérik. A kenyér, burgonya, hús és egyéb élelmiszerek aktivitását fajlagos aktivitásként (Bq / kg) fejezik ki.

Nyilvánvaló, hogy a radionuklidok emberi szervezetre gyakorolt ​​hatásának biológiai hatása az aktivitásuktól, vagyis a radionuklid mennyiségétől függ. Ezért a levegőben, vízben, élelmiszerben, építőiparban és egyéb anyagokban lévő radionuklidok térfogati és fajlagos aktivitása szabványosított.

Mivel egy személyt egy bizonyos időtartamon keresztül többféleképpen lehet besugározni (a radionuklidok szervezetbe jutásától a külső besugárzásig), a besugárzás minden tényezője egy bizonyos értékhez kapcsolódik, amelyet sugárdózisnak nevezünk.

Jóval a megbízható adatok előtt belső szerkezet mindenből a görög gondolkodók az anyagot a legkisebb tüzes részecskék formájában képzelték el, amelyek állandó mozgásban voltak. Valószínűleg pusztán logikai következtetésekből vezették le a dolgok világrendjének ezt a látomását. Némi naivitás és a bizonyítékok teljes hiánya ellenére ez az állítás igaznak bizonyult. Bár a tudósok csak huszonhárom évszázaddal később tudták megerősíteni a merész sejtést.

Az atomok szerkezete

A 19. század végén egy olyan kisülési cső tulajdonságait vizsgálták, amelyen keresztül áramot vezettek. A megfigyelések azt mutatták, hogy ebben az esetben két részecskeáramot bocsátanak ki:

A katódsugarak negatív részecskéit elektronoknak nevezték. Ezt követően számos folyamatban fedeztek fel azonos töltés/tömeg arányú részecskéket. Úgy tűnt, hogy az elektronok különféle atomok univerzális alkotóelemei, amelyek meglehetősen könnyen elkülönülnek egymástól, amikor ionokat és atomokat bombáztak.

A pozitív töltést hordozó részecskék atomtöredékeknek tűntek, miután elveszítettek egy vagy több elektront. Valójában a pozitív sugarak olyan atomcsoportok voltak, amelyek mentesek a negatív részecskéktől, és ennek eredményeként pozitív töltéssel rendelkeznek.

Thompson modellje

Kísérletek alapján megállapították, hogy a pozitív és negatív részecskék képviselik az atom lényegét, alkotóelemeit. J. Thomson angol tudós javasolta elméletét. Véleménye szerint az atom és az atommag szerkezete egyfajta tömeg volt, amelyben a negatív töltések pozitív töltésű golyóvá préselődnek, mint a mazsola a tortában. A töltéskompenzáció elektromosan semlegessé tette a tortát.

Rutherford modellje

Rutherford fiatal amerikai tudós az alfa-részecskék után hagyott nyomokat elemezve arra a következtetésre jutott, hogy Thompson modellje tökéletlen. Néhány alfa-részecskét eltérített kis szögek- 5-10 óráig. V ritka esetek az alfa részecskék nagy, 60-80 o-os szögben elhajlottak, és at kivételes esetek a szögek nagyon nagyok voltak - 120-150 o. Thompson atommodellje nem tudta megmagyarázni ezt a különbséget.

– javasolja Rutherford új modell az atom és az atommag szerkezetének magyarázata. A folyamatfizika azt állítja, hogy az atomnak 99%-ban üresnek kell lennie, egy apró atommaggal és körülötte keringő elektronokkal.

Az ütközések során bekövetkező elhajlásokat azzal magyarázza, hogy az atom részecskéi saját elektromos töltésekkel rendelkeznek. A töltött részecskék bombázása hatására az atomi elemek úgy viselkednek, mint a közönséges töltött testek a makrokozmoszban: az azonos töltésű részecskék taszítják egymást, az ellentétes töltésűek pedig vonzanak.

Az atomok állapota

A múlt század elején, amikor az első részecskegyorsítók elindultak, minden elmélet, amely az atommag szerkezetét és magát az atomot magyarázza, kísérleti igazolásra várt. Ekkor már alaposan tanulmányozták az alfa- és béta-sugarak kölcsönhatásait az atomokkal. 1917-ig az atomokat stabilnak vagy radioaktívnak tartották. A stabil atomok nem oszthatók fel, a radioaktív atommagok bomlása nem szabályozható. De Rutherfordnak sikerült megcáfolnia ezt a véleményt.

Első proton

1911-ben E. Rutherford felvetette azt az elképzelést, hogy minden atommag azonos elemekből áll, aminek az alapja a hidrogénatom. A tudós ezen elképzelését az anyag szerkezetére vonatkozó korábbi tanulmányok fontos következtetése indította el: az összes kémiai elem tömegét maradék nélkül osztják a hidrogén tömegével. Az új feltevés soha nem látott lehetőségeket nyitott meg, lehetővé téve az atommag szerkezetének újszerű megtekintését. A nukleáris reakcióknak meg kellett volna erősíteniük vagy megcáfolniuk az új hipotézist.

A kísérleteket 1919-ben végezték nitrogénatomokkal. Alfa-részecskékkel bombázva Rutherford elképesztő eredményt ért el.

Az N atom elnyelt egy alfa-részecskét, majd oxigénatommá O 17 alakult, és hidrogénatomot bocsátott ki. Ez volt az egyik elem atomjának első mesterséges átalakulása a másikba. Egy ilyen tapasztalat reményt keltett, hogy az atommag szerkezete és a meglévő folyamatok fizikája lehetővé teszi más nukleáris átalakulások végrehajtását is.

A tudós kísérletei során a szcintillációs módszert - flash - alkalmazta. A fellángolások gyakorisága alapján következtetéseket vont le az atommag összetételére, szerkezetére, a keletkezett részecskék jellemzőire, atomtömegére és sorozatszámára. Az ismeretlen részecskét Rutherford protonnak nevezte el. A hidrogénatom összes jellemzőjével rendelkezett, megfosztották egyetlen elektronjától - egyetlen pozitív töltéstől és a megfelelő tömegtől. Így bebizonyosodott, hogy a proton és a hidrogénmag egy és ugyanaz a részecske.

1930-ban, amikor az első nagy gyorsítókat megépítették és elindították, Rutherford atommodelljét igazolták és bizonyították: minden hidrogénatom egy magányos elektronból áll, amelynek helyzete nem határozható meg, és egy laza atomból, amelynek belsejében magányos pozitív proton található. . Mivel protonok, elektronok és alfa-részecskék repülhetnek be az atomból a bombázás során, a tudósok úgy gondolták, hogy ezek az atommag bármely atommagjának alkotóelemei. De az atommag ilyen modellje instabilnak tűnt - az elektronok túl nagyok voltak ahhoz, hogy elférjenek az atommagban, emellett komoly nehézségek merültek fel a lendület és az energiamegmaradás törvényének megsértésével kapcsolatban. Ez a két törvény, mint a szigorú könyvelők, azt mondta, hogy a lendület és a tömeg bombázáskor ismeretlen irányba tűnik el. Mivel ezek a törvények általánosan elfogadottak voltak, magyarázatot kellett találni egy ilyen szivárgásra.

Neutronok

A tudósok szerte a világon végeztek kísérleteket azzal a céllal, hogy új atommagokat hozzon létre. Az 1930-as években Becker és Bothe német fizikusok alfa-részecskékkel bombázták a berillium atomokat. Ebben az esetben egy ismeretlen sugárzást rögzítettek, amit úgy döntöttek, hogy G-sugaraknak neveznek el. A részletes tanulmányok beszámoltak az új sugarak egyes tulajdonságairól: szigorúan egyenes vonalban tudtak terjedni, nem léptek kölcsönhatásba elektromos és mágneses mezőkkel, és nagy áthatoló képességgel rendelkeztek. Később az ilyen típusú sugárzást alkotó részecskéket az alfa részecskék más elemekkel - bórral, krómmal és más elemekkel - való kölcsönhatásában találták meg.

Chadwick hipotézise

Aztán James Chadwick, Rutherford kollégája és tanítványa a Nature magazinban tartott rövid üzenet, amely később általánosan ismertté vált. Chadwick felhívta a figyelmet arra, hogy a megmaradási törvények ellentmondásai könnyen feloldhatók, ha feltételezzük, hogy az új sugárzás semleges részecskék áramlata, amelyek tömege megközelítőleg egy proton tömegével egyenlő. Ezt a feltételezést figyelembe véve a fizikusok lényegesen kiegészítették az atommag szerkezetét magyarázó hipotézist. Röviden, az adalékok lényege egy új részecskére és az atom szerkezetében betöltött szerepére redukálódott.

Neutron tulajdonságai

A felfedezett részecske a "neutron" nevet kapta. Az újonnan felfedezett részecskék nem képeztek maguk körül elektromágneses teret, könnyen átjutottak az anyagon, anélkül, hogy energiát veszítettek volna. A könnyű atommagokkal való ritka ütközések során a neutron képes kiütni az atommagot az atomból, miközben energiájának jelentős részét elveszíti. Az atommag szerkezete az egyes anyagokban eltérő számú neutron jelenlétét feltételezte. Az azonos nukleáris töltésű, de eltérő neutronszámú atomokat izotópoknak nevezzük.

A neutronok kiválóan helyettesítik az alfa-részecskéket. Jelenleg őket használják az atommag szerkezetének tanulmányozására. Lehetetlen röviden leírni ezek jelentőségét a tudomány számára, de az atommagok neutronokkal történő bombázásának köszönhetően a fizikusok szinte az összes ismert elem izotópját tudták előállítani.

Az atommag összetétele

Jelenleg az atommag szerkezete protonok és neutronok gyűjteménye, amelyeket nukleáris erők tartanak össze. Például a hélium atommag két neutronból és két protonból álló csomó. A könnyű elemekben közel azonos számú proton és neutron, míg a nehéz elemekben sokkal több a neutron.

Az atommag szerkezetének ezt a képét megerősítik a modern nagy gyorsítókkal, gyors protonokkal végzett kísérletek. A protonok elektromos taszító erejét olyan erőteljes erők egyensúlyozzák ki, amelyek csak magában az atommagban hatnak. Bár a nukleáris erők természete még nem teljesen ismert, létezésük gyakorlatilag bizonyított, és teljes mértékben megmagyarázza az atommag szerkezetét.

A tömeg és az energia kapcsolata

1932-ben Wilson fényképezőgépe elképesztő fényképet készített, amely bizonyította az elektron tömegével rendelkező pozitív töltésű részecskék létezését.

Ezt megelőzően P. Dirac elméletileg megjósolta a pozitív elektronokat. Valódi pozitív elektront is találtak a kozmikus sugárzásban. Az új részecskét pozitronnak nevezték el. Amikor az ikerpárjával – egy elektronnal – ütközik, megsemmisülés következik be – két részecske kölcsönös megsemmisülése. Ez bizonyos mennyiségű energiát szabadít fel.

Így a makrokozmoszra kidolgozott elmélet teljesen alkalmas volt az anyag legkisebb elemeinek viselkedésének leírására.