atomimassa on kaikkien atomin tai molekyylin muodostavien protonien, neutronien ja elektronien massojen summa. Protoneihin ja neutroneihin verrattuna elektronien massa on hyvin pieni, joten sitä ei oteta huomioon laskelmissa. Vaikka se on muodollisesti virheellinen, tätä termiä käytetään usein viittaamaan elementin kaikkien isotooppien keskimääräiseen atomimassaan. Itse asiassa tämä on suhteellinen atomimassa, jota kutsutaan myös atomipaino elementti. Atomipaino on alkuaineen kaikkien luonnossa esiintyvien isotooppien atomimassan keskiarvo. Kemistien on tehtävänsä tehdessään erotettava nämä kaksi atomimassatyyppiä - väärä atomimassan arvo voi esimerkiksi johtaa väärään tulokseen reaktiotuotteen saannosta.

Askeleet

Atomimassan löytäminen alkuaineiden jaksollisen taulukon mukaan

Opi kuinka atomimassa kirjoitetaan. Atomimassa, eli tietyn atomin tai molekyylin massa, voidaan ilmaista standardeina SI-yksiköinä - grammoina, kilogrammoina ja niin edelleen. Kuitenkin, koska näillä yksiköillä ilmaistut atomimassat ovat erittäin pieniä, ne kirjoitetaan usein yhtenäisinä atomimassayksiköinä tai lyhyesti a.u.m. ovat atomimassayksiköitä. Yksi atomimassayksikkö on yhtä suuri kuin 1/12 standardin hiili-12-isotoopin massasta.

• Atomimassayksikkö luonnehtii massaa yksi mooli annettua alkuainetta grammoina. Tämä arvo on erittäin hyödyllinen käytännön laskelmissa, koska sen avulla voidaan helposti muuntaa tietyn aineen atomien tai molekyylien massa mooleiksi ja päinvastoin.

1. Etsi atomimassa Mendelejevin jaksollisesta taulukosta. Useimmat standardijaksolliset taulukot sisältävät kunkin elementin atomimassat (atomipainot). Yleensä ne annetaan numeroina elementin solun alaosassa, kemiallista alkuainetta osoittavien kirjainten alle. Tämä ei yleensä ole kokonaisluku, vaan desimaali.

   Muista, että jaksollinen taulukko näyttää alkuaineiden keskimääräiset atomimassat. Kuten aiemmin todettiin, jaksollisen taulukon kullekin alkuaineelle annetut suhteelliset atomimassat ovat atomin kaikkien isotooppien massojen keskiarvoja. Tämä keskiarvo on arvokas moniin käytännön tarkoituksiin: sitä käytetään esimerkiksi useista atomeista koostuvien molekyylien moolimassan laskemiseen. Kuitenkin, kun on kyse yksittäisistä atomeista, tämä arvo ei yleensä riitä.

   • Koska keskimääräinen atomimassa on useiden isotooppien keskiarvo, jaksollisessa taulukossa annettu arvo ei ole sitä tarkka minkä tahansa yksittäisen atomin atomimassan arvo.
   • Yksittäisten atomien atomimassat on laskettava ottaen huomioon protonien ja neutronien tarkka lukumäärä yhdessä atomissa.

   Yksittäisen atomin atomimassan laskeminen

   1. Etsi tietyn alkuaineen tai sen isotoopin atominumero. Atomiluku on alkuaineen atomeissa olevien protonien lukumäärä, eikä se koskaan muutu. Esimerkiksi kaikki vetyatomit ja vain heillä on yksi protoni. Natriumin atomiluku on 11, koska siinä on yksitoista protonia, kun taas hapen atomiluku on kahdeksan, koska siinä on kahdeksan protonia. Löydät minkä tahansa elementin atominumeron Mendelejevin jaksollisesta taulukosta - melkein kaikissa sen vakioversioissa tämä numero on merkitty kemiallisen alkuaineen kirjainmerkinnän yläpuolelle. Ydinluku on aina positiivinen kokonaisluku.

      • Oletetaan, että olemme kiinnostuneita hiiliatomista. Hiiliatomeissa on aina kuusi protonia, joten tiedämme, että sen atomiluku on 6. Lisäksi näemme, että jaksollisessa taulukossa hiiltä sisältävän solun yläosassa (C) on luku "6", mikä osoittaa, että atomihiililuku on kuusi.
      • Huomaa, että elementin atomiluku ei ole yksiselitteisesti suhteessa sen suhteelliseen atomimassaan jaksollisessa taulukossa. Vaikka varsinkin taulukon yläosassa olevien alkuaineiden kohdalla alkuaineen atomimassa saattaa näyttää kaksinkertaiselta sen atomiluku, sitä ei koskaan lasketa kertomalla atomiluku kahdella.

   2. Selvitä ytimessä olevien neutronien lukumäärä. Neutronien lukumäärä voi olla erilainen saman alkuaineen eri atomeille. Kun kahdella saman alkuaineen atomilla, joilla on sama määrä protoneja, on eri määrä neutroneja, ne ovat kyseisen alkuaineen eri isotooppeja. Toisin kuin protonien lukumäärä, joka ei koskaan muutu, neutronien lukumäärä tietyn alkuaineen atomeissa voi usein muuttua, joten elementin keskimääräinen atomimassa kirjoitetaan kahden vierekkäisen kokonaisluvun välisenä desimaalilukuna.

      Laske protonien ja neutronien lukumäärä yhteen. Tämä on tämän atomin atomimassa. Jätä huomioimatta ydintä ympäröivien elektronien lukumäärä - niiden kokonaismassa on erittäin pieni, joten niillä on vain vähän tai ei ollenkaan vaikutusta laskelmiisi.

   Alkuaineen suhteellisen atomimassan (atomipainon) laskeminen

   1. Selvitä, mitkä isotoopit ovat näytteessä. Kemistit määrittävät usein isotooppien suhteen tietyssä näytteessä käyttämällä erityistä laitetta, jota kutsutaan massaspektrometriksi. Harjoittelun aikana nämä tiedot kuitenkin toimitetaan sinulle tehtävien, valvonnan ja niin edelleen olosuhteissa tieteellisestä kirjallisuudesta otettujen arvojen muodossa.

      • Oletetaan, että meidän tapauksessamme on kaksi isotooppia: hiili-12 ja hiili-13.

   2. Määritä kunkin isotoopin suhteellinen runsaus näytteessä. Jokaisella alkuaineella esiintyy eri isotooppeja eri suhteissa. Nämä suhteet ilmaistaan ​​lähes aina prosentteina. Jotkut isotoopit ovat hyvin yleisiä, kun taas toiset ovat erittäin harvinaisia ​​– joskus niin harvinaisia, että niitä on vaikea havaita. Nämä arvot voidaan määrittää massaspektrometrialla tai löytää hakuteoksesta.

      • Oletetaan, että hiili-12:n pitoisuus on 99 % ja hiili-13:n pitoisuus on 1 %. Muut hiilen isotoopit Todella olemassa, mutta niin pieniä määriä, että tässä tapauksessa ne voidaan jättää huomiotta.

   3. Kerro kunkin isotoopin atomimassa sen pitoisuudella näytteessä. Kerro kunkin isotoopin atomimassa sen prosentteilla (desimaalilukuna). Jos haluat muuntaa prosenttiosuudet desimaaliluvuiksi, jaa ne 100:lla. Tuloksena olevien pitoisuuksien summan tulee aina olla 1.

      • Näytteemme sisältää hiili-12 ja hiili-13. Jos hiili-12 on 99 % näytteestä ja hiili-13 on 1 %, kerro 12 (hiili-12:n atomimassa) 0,99:llä ja 13 (hiili-13:n atomimassa) 0,01:llä.
      • Viitekirjoissa on prosenttiosuudet, jotka perustuvat alkuaineen kaikkien isotooppien tunnettuihin määriin. Useimmat kemian oppikirjat sisältävät nämä tiedot kirjan lopussa olevassa taulukossa. Tutkittavalle näytteelle isotooppien suhteelliset pitoisuudet voidaan määrittää myös massaspektrometrillä.

   4. Laske tulokset yhteen. Summaa edellisessä vaiheessa saadut kertolaskutulokset. Tämän toiminnon tuloksena löydät elementtisi suhteellisen atomimassan - kyseessä olevan alkuaineen isotooppien atomimassojen keskiarvon. Kun elementtiä tarkastellaan kokonaisuutena, ei tietyn elementin tiettynä isotooppina, käytetään tätä arvoa.

      • Esimerkissämme 12 x 0,99 = 11,88 hiili-12:lle ja 13 x 0,01 = 0,13 hiili-13:lle. Suhteellinen atomimassa meidän tapauksessamme on 11,88 + 0,13 = 12,01 .
   • Jotkut isotoopit ovat vähemmän vakaita kuin toiset: ne hajoavat alkuaineiden atomeiksi, joiden ytimessä on vähemmän protoneja ja neutroneja, jolloin vapautuu hiukkasia, jotka muodostavat atomiytimen. Tällaisia ​​isotooppeja kutsutaan radioaktiivisiksi.

Monia vuosia sitten ihmiset ihmettelivät, mistä kaikki aineet on tehty. Ensimmäinen, joka yritti vastata siihen, oli antiikin kreikkalainen tiedemies Demokritos, joka uskoi, että kaikki aineet koostuvat molekyyleistä. Tiedämme nyt, että molekyylit rakennetaan atomeista. Atomit koostuvat vieläkin pienemmistä hiukkasista. Atomin keskellä on ydin, joka sisältää protoneja ja neutroneja. Pienimmät hiukkaset - elektronit - liikkuvat kiertoradalla ytimen ympärillä. Niiden massa on mitätön verrattuna ytimen massaan. Mutta kuinka löytää ytimen massa, vain laskelmat ja kemian tuntemus auttavat. Tätä varten sinun on määritettävä protonien ja neutronien lukumäärä ytimessä. Katso yhden protonin ja yhden neutronin massojen taulukkoarvot ja löydä niiden kokonaismassa. Tämä tulee olemaan ytimen massa.

Usein voit kohdata tällaisen kysymyksen, kuinka löytää massa, kun tiedät nopeuden. Klassisten mekaniikan lakien mukaan massa ei riipu kehon nopeudesta. Loppujen lopuksi, jos auto, joka liikkuu pois, alkaa nousta nopeuttaan, se ei tarkoita ollenkaan, että sen massa kasvaa. Kuitenkin 1900-luvun alussa Einstein esitti teorian, jonka mukaan tämä riippuvuus on olemassa. Tätä vaikutusta kutsutaan relativistiseksi kehon massan kasvuksi. Ja se ilmenee, kun kappaleiden nopeudet lähestyvät valon nopeutta. Nykyaikaiset hiukkaskiihdyttimet mahdollistavat protonien ja neutronien kiihdyttämisen niin suuriin nopeuksiin. Ja itse asiassa tässä tapauksessa niiden massojen kasvu kirjattiin.

Mutta elämme edelleen korkean teknologian, mutta alhaisten nopeuksien maailmassa. Siksi aineen massan laskemiseksi ei ole ollenkaan välttämätöntä kiihdyttää kehoa valonnopeuteen ja oppia Einsteinin teoriaa. Kehon painon voi mitata vaa'alla. Totta, jokaista kehoa ei voi laittaa vaakalle. Siksi on toinen tapa laskea massa sen tiheydestä.

Ympärillämme olevalla ilmalla, ihmiskunnalle niin tarpeellisella ilmalla on myös oma massansa. Ja kun ratkaistaan ​​ongelma, kuinka määrittää ilman massa, esimerkiksi huoneessa, ei ole tarpeen laskea ilmamolekyylien määrää ja laskea yhteen niiden ytimien massa. Voit yksinkertaisesti määrittää huoneen tilavuuden ja kertoa sen ilman tiheydellä (1,9 kg / m3).

Tiedemiehet ovat nyt oppineet suurella tarkkuudella laskemaan eri kappaleiden massat atomiytimistä maapallon massaan ja jopa useiden satojen valovuosien etäisyydellä meistä sijaitsevien tähtien massaan. Massa fyysisenä suurena on kappaleen hitausmitta. He sanovat, että massiiviset kappaleet ovat inerttejä, eli ne muuttavat nopeuttaan hitaammin. Siksi loppujen lopuksi nopeus ja massa ovat yhteydessä toisiinsa. Mutta tämän määrän pääominaisuus on, että millä tahansa keholla tai aineella on massa. Maailmassa ei ole ainetta, jolla ei olisi massaa!

Atomiytimien massat ovat erityisen kiinnostavia uusien ytimien tunnistamisessa, niiden rakenteen ymmärtämisessä, hajoamisominaisuuksien ennustamisessa: elinikä, mahdolliset hajoamiskanavat jne.
Ensimmäistä kertaa atomiytimien massojen kuvauksen antoi Weizsäcker pudotusmallin perusteella. Weizsäckerin kaava mahdollistaa atomiytimen massan M(A,Z) ja ytimen sitoutumisenergian laskemisen, jos tiedetään massaluku A ja ytimessä olevien protonien lukumäärä Z.
Weizsackerin kaava ydinmassoille on seuraavanlainen:

missä mp = 938,28 MeV/c2, mn = 939,57 MeV/c2, a1 = 15,75 MeV, a2 = 17,8 MeV, a3 = 0,71 MeV, a4 = 23,7 MeV, a 5 = 34 MeV, = (+34 MeV) 1, 0, -1), vastaavasti parittomille ytimille, ytimille, joissa on pariton A, parilliset ja parilliset ytimet.
Kaavan kaksi ensimmäistä termiä ovat vapaiden protonien ja neutronien massojen summat. Loput termit kuvaavat ytimen sitoutumisenergiaa:

• a 1 A ottaa huomioon ytimen ominaissitoutumisenergian likimääräisen vakion, ts. heijastaa ydinvoimien kyllästysominaisuutta;
• a 2 A 2/3 kuvaa pintaenergiaa ja ottaa huomioon sen tosiasian, että ytimen pintanukleonit ovat heikommin sidottuja;
• a 3 Z 2 /A 1/3 kuvaa ytimen sitoutumisenergian vähenemistä protonien Coulombin vuorovaikutuksen vuoksi;
• a 4 (A - 2Z) 2 /A ottaa huomioon ydinvoimien varausriippumattomuuden ominaisuuden ja Pauli-periaatteen toiminnan;
• a 5 A -3/4 ottaa huomioon paritteluvaikutukset.

Weizsäckerin kaavaan sisältyvät parametrit a 1 - a 5 valitaan siten, että ne kuvaavat optimaalisesti β-stabiilisuusalueen lähellä olevien ytimien massat.
Kuitenkin alusta alkaen oli selvää, että Weizsackerin kaava ei ottanut huomioon joitain erityisiä yksityiskohtia atomiytimien rakenteesta.
Näin ollen Weizsäckerin kaava olettaa nukleonien tasaisen jakautumisen faasiavaruudessa, ts. pohjimmiltaan laiminlyö atomiytimen kuorirakenteen. Itse asiassa kuorirakenne johtaa epähomogeenisuuteen nukleonien jakautumisessa ytimessä. Tuloksena oleva keskikentän anisotropia ytimessä johtaa myös ytimien muodonmuutokseen perustilassa.

Tarkkuus, jolla Weizsäckerin kaava kuvaa atomiytimien massoja, voidaan arvioida kuvasta 1. 6.1, joka näyttää eron kokeellisesti mitattujen atomiytimien massojen ja Weizsäckerin kaavalla tehtyjen laskelmien välillä. Poikkeama on 9 MeV, mikä on noin 1 % ytimen kokonaissitoutumisenergiasta. Samalla on selvästi nähtävissä, että nämä poikkeamat ovat luonteeltaan systemaattisia, mikä johtuu atomiytimien kuorirakenteesta.
Ytimen sitoutumisenergian poikkeama nestepisaramallin ennustamasta tasaisesta käyrästä oli ensimmäinen suora osoitus ytimen kuorirakenteesta. Erot sitoutumisenergioissa parillisten ja parittomien ytimien välillä osoittaa pariliitosvoimien läsnäolon atomiytimissä. Kahden nukleonin erotusenergian "tasainen" käyttäytyminen ytimissä täytettyjen kuorien välissä on osoitus atomiytimien muodonmuutoksesta perustilassa.
Atomiydinmassatiedot ovat erilaisten atomiydinmallien verifioinnin taustalla, joten ydinmassojen tuntemisen tarkkuus on erittäin tärkeää. Atomiytimien massat lasketaan käyttämällä erilaisia ​​fenomenologisia tai puoliempiirisiä malleja käyttäen erilaisia ​​makroskooppisten ja mikroskooppisten teorioiden approksimaatioita. Nykyiset massakaavat kuvaavat melko hyvin ytimien massoja (sidosenergiat) lähellä -stabiilisuuslaaksoa. (Sitoutumisenergia-arvion tarkkuus on ~100 keV). Kuitenkin ytimille, jotka ovat kaukana stabiiliuslaaksosta, sitoutumisenergian ennusteen epävarmuus kasvaa useisiin MeV:iin. (Kuva 6.2). Kuvasta 6.2 löytyy viittauksia töihin, joissa on annettu ja analysoitu erilaisia ​​massakaavoja.

Eri mallien ennusteiden vertailu mitattuihin ydinmassoihin osoittaa, että etusijalle tulee antaa mikroskooppiseen kuvaukseen perustuvat mallit, joissa otetaan huomioon ytimien kuorirakenne. On myös syytä muistaa, että ytimien massojen ennustamisen tarkkuus fenomenologisissa malleissa määräytyy usein niissä käytettyjen parametrien lukumäärän perusteella. Katsauksessa on kokeellista tietoa atomiytimien massoista. Lisäksi niiden jatkuvasti päivittyvät arvot löytyvät kansainvälisen tietokantajärjestelmän referenssimateriaaleista.
Viime vuosina on kehitetty erilaisia ​​menetelmiä lyhytikäisten atomiytimien massojen kokeelliseen määrittämiseen.

Perusmenetelmät atomiytimien massojen määrittämiseen

Luettelemme, menemättä yksityiskohtiin, tärkeimmät menetelmät atomiytimien massojen määrittämiseksi.

• β-hajoamisenergian Q b mittaus on melko yleinen menetelmä kaukana β-stabiilisuusrajan ulkopuolella olevien ytimien massojen määrittämiseksi. Ytimen A β-hajoamisen tuntemattoman massan määrittämiseksi

,

suhdetta käytetään

M A \u003d M B + m e + Q b / c 2.

Näin ollen lopullisen ytimen B massan tiedossa voidaan saada alkuytimen A massa. Beetahajoaminen tapahtuu usein lopullisen ytimen virittyneessä tilassa, mikä on otettava huomioon.

Tämä suhde on kirjoitettu α-hajoamista varten alkuperäisen ytimen perustilasta lopullisen ytimen perustilaan. Viritysenergiat voidaan ottaa helposti huomioon. Tarkkuus, jolla atomiytimien massat määritetään hajoamisenergiasta, on ~ 100 keV. Tätä menetelmää käytetään laajasti superraskaiden ytimien massojen määrittämiseen ja niiden tunnistamiseen.

1. Atomiytimien massojen mittaaminen lentoaikamenetelmällä

Ytimen massan (A ~ 100) määrittäminen ~ 100 keV:n tarkkuudella vastaa massamittauksen suhteellista tarkkuutta ΔM/M ~10 -6 . Tämän tarkkuuden saavuttamiseksi käytetään magneettista analyysiä yhdessä lentoajan mittauksen kanssa. Tätä tekniikkaa käytetään spektrometrissä SPEG - GANIL (kuva 6.3) ja TOFI - Los Alamos. Magneettinen jäykkyys Bρ, hiukkasmassa m, hiukkasnopeus v ja varaus q liittyvät toisiinsa

Näin ollen, kun tiedetään spektrometrin B magneettinen jäykkyys, voidaan määrittää m/q hiukkasille, joilla on sama nopeus. Tällä menetelmällä voidaan määrittää ytimien massat ~ 10 -4 tarkkuudella. Ydinmassojen mittaustarkkuutta voidaan parantaa, jos lentoaika mitataan samanaikaisesti. Tässä tapauksessa ionimassa määritetään suhteesta

missä L on lentotukikohta, TOF on lennon aika. Jännitepohjat vaihtelevat muutamasta metristä 10 3 metriin ja mahdollistavat ytimien massojen mittaustarkkuuden nostamisen arvoon 10-6.
Atomiytimien massojen määrityksen tarkkuuden merkittävää lisäystä helpottaa myös se, että eri ytimien massat mitataan samanaikaisesti, yhdessä kokeessa ja yksittäisten ytimien massojen tarkkoja arvoja voidaan käyttää vertailuna. pisteitä. Menetelmä ei mahdollista atomiytimien perus- ja isomeeristen tilojen erottamista. GANILiin ollaan luomassa järjestelyä, jonka lentorata on ~3,3 km, mikä parantaa ytimien massojen mittaustarkkuutta useisiin yksiköihin 10 -7 .

1. Ydinmassan suora määritys mittaamalla syklotronitaajuus

Vakiomagneettikentässä B pyörivän hiukkasen pyörimistaajuus on suhteessa sen massaan ja varaukseen suhteella

Huolimatta siitä, että menetelmät 2 ja 3 perustuvat samaan suhteeseen, syklotronitaajuuden mittausmenetelmän 3 tarkkuus on suurempi (~ 10 -7), koska se vastaa pidemmän jännevälin käyttöä.

2. Varastorenkaassa olevien atomiytimien massojen mittaaminen

   Tätä menetelmää käytetään ESR-tallennusrenkaassa GSI:ssä (Darmstadt, Saksa). Menetelmässä käytetään Schottky-detektoria, joka soveltuu sellaisten ytimien massojen määrittämiseen, joiden elinikä on > 1 min. Varastorenkaassa olevien ionien syklotronitaajuuden mittausmenetelmää käytetään yhdessä lennossa tapahtuvan ionien esierottelun kanssa. FRS-ESR-asetus GSI:ssä (kuva 6.4) teki tarkkoja mittauksia suuren joukon ytimien massoista laajalla massalukualueella.

   209 Bi-ydintä, jotka kiihdytettiin energiaan 930 MeV/nukleoni, fokusoitiin 8 g/cm 2 paksuun berylliumkohteeseen, joka sijaitsee FRS:n sisäänkäynnissä. 209 Bi -fragmentoinnin seurauksena muodostuu suuri määrä sekundaarisia hiukkasia välillä 209 Bi - 1 H. Reaktiotuotteet erottuvat lennossa niiden magneettisen kovuuden mukaan. Kohdepaksuus valitaan siten, että se laajentaa magneettisen järjestelmän samanaikaisesti vangitsemien ytimien aluetta. Ydinalueen laajeneminen johtuu siitä, että eri varauksilla olevat hiukkaset hidastuvat eri tavalla berylliumkohteessa. FRS-erotinfragmentti on viritetty partikkelien kulkua varten, joiden magneettinen kovuus on ~350 MeV/nukleoni. Järjestelmän kautta havaittujen ytimien valitulla varausalueella (52 < Z < 83) voi samanaikaisesti läpäistä täysin ionisoituja atomeja (paljaita ioneja), vetymäisiä (vedyn kaltaisia) ioneja, joissa on yksi elektroni, tai heliumin kaltaisia ​​ioneja (heliumin kaltaisia), joissa on kaksi elektronia. Koska hiukkasten nopeus FRS:n läpikulun aikana ei käytännössä muutu, saman magneettisen jäykkyyden omaavien hiukkasten valinta valitsee M/Z-arvon omaavat hiukkaset ~ 2 %:n tarkkuudella. Siksi kunkin ESR-varastorenkaan ionin pyörimistaajuus määräytyy M/Z-suhteen mukaan. Tämä on tarkkuusmenetelmän perustana atomiytimien massojen mittaamiseksi. Ionikierrostaajuus mitataan Schottky-menetelmällä. Ionijäähdytysmenetelmän käyttö varastorenkaassa lisää lisäksi massanmäärityksen tarkkuutta suuruusluokkaa. Kuvassa 6.5 esittää tällä menetelmällä erotettujen atomiytimien massojen käyrän GSI:ssä. On pidettävä mielessä, että ytimet, joiden puoliintumisaika on yli 30 sekuntia, voidaan tunnistaa kuvatulla menetelmällä, joka määräytyy säteen jäähdytysajan ja analyysiajan perusteella.

   Kuvassa 6.6 esittää tulokset 171 Ta-isotoopin massan määrittämisestä eri varaustiloissa. Analyysissä käytettiin erilaisia ​​vertailuisotooppeja. Mitattuja arvoja verrataan taulukon tietoihin (Wapstra).

3. Ydinmassan mittaaminen Penning Trapin avulla

   Uusia kokeellisia mahdollisuuksia atomiytimien massojen tarkkuusmittauksiin avautuvat ISOL-menetelmien ja ioniloukkujen yhdistelmässä. Ioneille, joilla on hyvin vähän kineettistä energiaa ja siten pieni pyörimissäde vahvassa magneettikentässä, käytetään Penning-ansoja. Tämä menetelmä perustuu hiukkasten pyörimistaajuuden tarkkaan mittaukseen

   ω = B(q/m),

   loukussa vahvaan magneettikenttään. Kevyiden ionien massan mittaustarkkuus voi olla ~ 10 -9 . Kuvassa Kuvassa 6.7 näkyy ISOLTRAP-spektrometri asennettuna ISOL - CERN -erottimeen.
   Tämän laitoksen pääelementit ovat ionisuihkuvalmisteluosat ja kaksi Penning-loukkua. Ensimmäinen Penning-loukku on sylinteri, joka on asetettu ~4 T:n magneettikenttään. Ensimmäisen loukun ionit jäähtyvät lisäksi puskurikaasun kanssa tapahtuvien törmäysten vuoksi. Kuvassa Kuva 6.7 esittää ionien A = 138 massajakauman ensimmäisessä Penning-loukussa pyörimisnopeuden funktiona. Jäähdytyksen ja puhdistuksen jälkeen ionipilvi ensimmäisestä ansasta ruiskutetaan toiseen. Tässä ionin massa mitataan pyörimisen resonanssitaajuudella. Tällä menetelmällä saavutettavissa oleva resoluutio lyhytikäisille raskaille isotoopeille on suurin ja on ~ 10 -7 .

   Riisi. 6.7 ISOLTRAP-spektrometri

§1 Varaus ja massa, atomiytimet

Ytimen tärkeimmät ominaisuudet ovat sen varaus ja massa. M.

Z- ytimen varaus määräytyy ytimeen keskittyneiden positiivisten alkuainevarausten lukumäärän mukaan. Positiivisen alkuvarauksen kantaja R= 1,6021 10 -19 C ytimessä on protoni. Atomi kokonaisuutena on neutraali ja ytimen varaus määrittää samanaikaisesti elektronien lukumäärän atomissa. Elektronien jakautuminen atomissa energiakuorille ja alikuorille riippuu olennaisesti niiden kokonaismäärästä atomissa. Siksi ytimen varaus määrää suurelta osin elektronien jakautumisen niiden tiloihin atomissa ja elementin sijainnin Mendelejevin jaksollisessa järjestelmässä. Ydinpanos onqminä = z· e, missä z- ytimen varausnumero, joka on yhtä suuri kuin elementin järjestysnumero Mendelejevin järjestelmässä.

Atomiytimen massa on käytännössä sama kuin atomin massa, koska kaikkien atomien, paitsi vedyn, elektronien massa on noin 2,5 10 -4 atomimassaa. Atomien massa ilmaistaan ​​atomimassayksiköissä (a.m.u.). A.u.m. hyväksytty 1/12 massaa hiiliatomia.

1 amu \u003d 1,6605655 (86) 10 -27 kg.

mminä = m a -Z minä.

Isotoopit ovat tietyn kemiallisen alkuaineen atomien lajikkeita, joilla on sama varaus, mutta jotka eroavat massaltaan.

Atomimassaa lähinnä oleva kokonaisluku ilmaistuna a.u. m . kutsutaan massaluvuksi m ja merkitty kirjaimella MUTTA. Kemiallisen alkuaineen nimitys: MUTTA- massaluku, X - kemiallisen alkuaineen symboli,Z-latausnumero - sarjanumero jaksollisessa taulukossa ():

beryllium; Isotoopit: , ", .

Ytimen säde:

missä A on massaluku.

§2 Ytimen kokoonpano

Vetyatomin ydinnimeltään protoni

mprotoni= 1,00783 amu , .

Vetyatomikaavio

Vuonna 1932 löydettiin neutroniksi kutsuttu hiukkanen, jonka massa on lähellä protonin massaa.mneutroni= 1,00867 a.m.u.) eikä siinä ole sähkövarausta. Sitten D.D. Ivanenko muotoili hypoteesin ytimen protoni-neutronirakenteesta: ydin koostuu protoneista ja neutroneista ja niiden summa on yhtä suuri kuin massaluku MUTTA. 3 järjestysnumeroZmäärittää protonien määrän ytimessä, neutronien lukumääränN \u003d A–Z.

Alkuainehiukkaset - protonit ja neutronit tulevat sisään ytimeen, tunnetaan yhteisesti nukleoneina. Ytimen nukleonit ovat tilassa, poikkeavat merkittävästi heidän vapaista valtioistaan. Nukleonien välillä on erityinen minä de r uutta vuorovaikutusta. He sanovat, että nukleoni voi olla kahdessa "varaustilassa" - protonitilassa, jossa on varaus+ e, ja neutroni, jonka varaus on 0.

§3 Ytimen sitoutumisenergia. massavika. ydinvoimat

Ydinhiukkaset - protonit ja neutronit - pysyvät tiukasti ytimen sisällä, joten niiden välillä vaikuttavat erittäin suuret vetovoimat, jotka pystyvät kestämään samalla tavalla varautuneiden protonien väliset valtavat hylkivät voimat. Näitä pienillä etäisyyksillä nukleonien välillä syntyviä erikoisjoukkoja kutsutaan ydinvoimiksi. Ydinvoimat eivät ole sähköstaattisia (Coulomb).

Ytimen tutkimus osoitti, että nukleonien välillä vaikuttavilla ydinvoimilla on seuraavat ominaisuudet:

a) nämä ovat lyhyen kantaman voimia - ilmenevät luokkaa 10-15 m ja pienenevät jyrkästi jopa hieman etäisyyden kasvaessa;

b) ydinvoimat eivät riipu siitä, onko hiukkasella (nukleonilla) varaus-varaus riippumattomuus ydinvoimista. Neutronin ja protonin, kahden neutronin ja kahden protonin välillä vaikuttavat ydinvoimat ovat yhtä suuret. Protoni ja neutroni suhteessa ydinvoimiin ovat samat.

Sitoutumisenergia on atomiytimen stabiilisuuden mitta. Ytimen sitoutumisenergia on yhtä suuri kuin työ, joka on tehtävä ytimen jakamiseksi sen muodostaviksi nukleoneiksi välittämättä niille kineettistä energiaa

M I< Σ( m p + m n)

Minä - ytimen massa

Ytimen massojen mittaus osoittaa, että ytimen lepomassa on pienempi kuin sen muodostavien nukleonien lepimassojen summa.

Arvo

toimii sitoutumisenergian mittana ja sitä kutsutaan massavikaksi.

Einsteinin yhtälö erityisessä suhteellisuusteoriassa suhteuttaa hiukkasen energian ja lepomassan.

Yleisessä tapauksessa ytimen sitoutumisenergia voidaan laskea kaavalla

missä Z - varausnumero (protonien lukumäärä ytimessä);

MUTTA- massaluku (nukleonien kokonaismäärä ytimessä);

m p, , m n ja M i- protonin, neutronin ja ytimen massa

Massavika (Δ m) ovat yhtä suuria kuin 1 a.u. m (a.m.u. - atomimassayksikkö) vastaa sitoutumisenergiaa (E St), joka on yhtä suuri kuin 1 a.u.e. (a.u.e. - atomienergian yksikkö) ja yhtä suuri kuin 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Ydinreaktiot

Muutoksia ytimissä niiden vuorovaikutuksessa yksittäisten hiukkasten kanssa ja toistensa kanssa kutsutaan yleensä ydinreaktioksi.

Seuraavat ovat yleisimmät ydinreaktiot.

1. Transformaatioreaktio . Tällöin tuleva hiukkanen jää ytimeen, mutta väliydin emittoi jotain muuta hiukkasta, joten tuoteydin eroaa kohdeytimestä.

1. Säteilytysreaktio . Tuleva hiukkanen juuttuu ytimeen, mutta virittynyt ydin lähettää ylimääräistä energiaa ja lähettää γ-fotonin (käytetään ydinreaktorien toiminnassa)

Esimerkki kadmiumin neutronien sieppausreaktiosta

tai fosforia

1. Sironta. Väliydin lähettää hiukkasen, joka on identtinen

lentäneen kanssa, ja se voi olla:

Elastinen sironta neutronit hiilen kanssa (käytetään reaktoreissa lievempiin neutroniin):

Joustamaton sironta :

1. fissioreaktio. Tämä on reaktio, joka etenee aina energian vapautuessa. Se on ydinenergian teknisen tuotannon ja käytön perusta. Fissioreaktion aikana välituoteyhdisteytimen viritys on niin suuri, että se jakautuu kahdeksi, suunnilleen yhtä suureksi fragmentiksi, jolloin vapautuu useita neutroneja.

Jos viritysenergia on alhainen, ytimen erotusta ei tapahdu ja ydin, joka on menettänyt ylimääräistä energiaa emittoimalla γ - fotonin tai neutronin, palaa normaalitilaansa (kuva 1). Mutta jos neutronin tuoma energia on suurta, niin viritetty ydin alkaa muotoutua, siihen muodostuu supistelu ja seurauksena se jakautuu kahdeksi fragmentiksi, jotka lentävät erilleen valtavilla nopeuksilla, kun taas kaksi neutronia vapautuu.
(Kuva 2).

Ketjureaktio- itsestään kehittyvä fissioreaktio. Sen toteuttamiseksi on välttämätöntä, että yhden fissiotapahtuman aikana syntyvistä sekundaarisista neutroneista ainakin yksi voi aiheuttaa seuraavan fissiotapahtuman: (koska jotkut neutronit voivat osallistua sieppausreaktioihin aiheuttamatta fissiota). Kvantitatiivisesti ketjureaktion olemassaolon ehto ilmaisee kerroin

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - ketjureaktiot vakiomäärällä neutroneja (ydinreaktorissa),k > 1 (m > m kr ) ovat ydinpommeja.

RADIOAKTIIVISUUS

§1 Luonnon radioaktiivisuus

Radioaktiivisuus on yhden alkuaineen epästabiilien ytimien spontaania muuttumista toisen alkuaineen ytimiksi. luonnollinen radioaktiivisuus kutsutaan radioaktiivisuudeksi, joka havaitaan luonnossa esiintyvissä epävakaissa isotoopeissa. Keinotekoista radioaktiivisuutta kutsutaan ydinreaktioiden tuloksena saatujen isotooppien radioaktiivisuudeksi.

Radioaktiivisuuden tyypit:

1. α-hajoaminen.

Kahden protonin ja kahden toisiinsa yhteydessä olevan neutronin (a-hiukkanen - heliumatomin ydin) α-järjestelmän joidenkin kemiallisten alkuaineiden ytimien emissio)

α-hajoaminen on luontaista raskaille ytimille MUTTA> 200 jaZ > 82. Aineessa liikkuessaan α-hiukkaset tuottavat matkallaan voimakasta atomien ionisaatiota (ionisaatio on elektronien irtoamista atomista) vaikuttaen niihin sähkökentällään. Kutsutaan etäisyyttä, jonka yli α-hiukkanen lentää aineessa, kunnes se pysähtyy kokonaan hiukkasalue tai tunkeutuva voima(merkittyR, [R] = m, cm). . Normaaleissa olosuhteissa muodostuu α-partikkeli sisään ilmassa 30 000 paria ioneja per 1 cm polku. Spesifinen ionisaatio on muodostuneiden ioniparien lukumäärä 1 cm:ä kohti polun pituutta. α-hiukkasella on voimakas biologinen vaikutus.

Alfa-hajoamisen siirtosääntö:

2. β-hajoaminen.

a) elektroninen (β -): ydin emittoi elektronin ja elektronin antineutrinon

b) positroni (β +): ydin emittoi positronia ja neutriinon

Nämä prosessit tapahtuvat muuntamalla yhden tyyppinen nukleoni ytimeksi toiseksi: neutroni protoniksi tai protoni neutroniksi.

Ytimessä ei ole elektroneja, ne muodostuvat nukleonien keskinäisen muuntumisen seurauksena.

Positron - hiukkanen, joka eroaa elektronista vain varauksen merkillä (+e = 1,6 10 -19 C)

Kokeesta seuraa, että β -hajoamisen aikana isotoopit menettävät saman määrän energiaa. Siksi W. Pauli ennusti energian säilymislain perusteella, että toinen kevyt hiukkanen, nimeltään antineutrino, sinkoutuu ulos. Antineutrinolla ei ole varausta tai massaa. β-hiukkasten energiahäviöt niiden kulkiessa aineen läpi johtuvat pääasiassa ionisaatioprosesseista. Osa energiasta menetetään röntgensäteille, kun absorboivan aineen ytimet hidastavat β-hiukkasia. Koska β-hiukkasilla on pieni massa, yksikkövaraus ja erittäin suuret nopeudet, niiden ionisointikyky on pieni (100 kertaa pienempi kuin α-hiukkasten), joten β-hiukkasten tunkeutumisteho (kilometrimatka) on huomattavasti suurempi kuin α-hiukkasia.

Rβ ilma = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - hajoaminen tapahtuu luonnollisissa ja keinotekoisissa radioaktiivisissa ytimissä. β + - vain keinotekoisella radioaktiivisuudella.

Siirtymäsääntö β - - vaimenemiselle:

c) K - sieppaus (elektroninen sieppaus) - ydin absorboi yhden kuoressa K olevista elektroneista (harvemminLtai M) sen atomista, jonka seurauksena yksi protoneista muuttuu neutroniksi ja samalla emittoi neutrinon

Kaavio K - sieppaus:

Siepatun elektronin vapauttama tila elektronikuoressa täyttyy elektroneilla päällimmäisistä kerroksista, mikä johtaa röntgensäteisiin.

• γ-säteet.

Yleensä kaikentyyppiseen radioaktiivisuuteen liittyy γ-säteiden emissio. γ-säteet ovat sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituudet ovat yhdestä sadasosaan angströmistä λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. γ-säteiden energia saavuttaa miljoonia eV.

W γ ~ MeV

1eV = 1,6 10 -19 J

Radioaktiivisesti hajoava ydin osoittautuu pääsääntöisesti kiihtyneeksi, ja sen siirtymistä perustilaan seuraa γ - fotonin emissio. Tässä tapauksessa γ-fotonin energia määräytyy ehdon mukaan

jossa E 2 ja E 1 on ytimen energia.

E 2 - energia virittyneessä tilassa;

E 1 - energia perustilassa.

γ-säteiden absorptio aineeseen johtuu kolmesta pääprosessista:

• valosähköinen efekti (kanssa hv < l MэB);
• elektroni-positroniparien muodostuminen;

tai

• sironta (Compton-efekti) -

γ-säteiden absorptio tapahtuu Bouguerin lain mukaan:

jossa μ on lineaarinen vaimennuskerroin, joka riippuu γ-säteiden energioista ja väliaineen ominaisuuksista;

І 0 on tulevan yhdensuuntaisen säteen intensiteetti;

minäon säteen intensiteetti sen jälkeen, kun se on kulkenut paksuisen aineen läpi X cm.

γ-säteet ovat yksi läpäisevimmistä säteilyistä. Vaikeimmille säteille (hvmax) puoliabsorptiokerroksen paksuus on 1,6 cm lyijyssä, 2,4 cm raudassa, 12 cm alumiinissa ja 15 cm maassa.

§2 Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki.

Hajoneiden ytimien lukumäärädN verrannollinen alkuperäiseen ytimien lukumäärään N ja hajoamisaikadt, dN~ N dt. Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki differentiaalisessa muodossa:

Kerrointa λ kutsutaan tietyn tyyppisen ytimen vaimenemisvakioksi. "-"-merkki tarkoittaa sitädNon oltava negatiivinen, koska hajoamattomien ytimien lopullinen lukumäärä on pienempi kuin alkuperäinen.

siksi λ luonnehtii ytimien osuutta, joka hajoaa aikayksikköä kohti, eli määrittää radioaktiivisen hajoamisnopeuden. λ ei riipu ulkoisista olosuhteista, vaan sen määräävät vain ytimien sisäiset ominaisuudet. [λ]=s -1.

Radioaktiivisen hajoamisen peruslaki integraalisessa muodossa

missä N 0 - radioaktiivisten ytimien alkumäärät=0;

N- hajoamattomien ytimien lukumäärä kerrallaant;

λ on radioaktiivisen hajoamisvakio.

Käytännössä hajoamisnopeutta ei arvioida käyttämällä arvoa λ, vaan T 1/2 - puoliintumisaikaa - aikaa, jonka aikana puolet alkuperäisestä ytimien lukumäärästä hajoaa. Suhde T 1/2 ja λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 vuotta, T 1/2 Ra = 1 590 vuotta, T 1/2 Rn = 3,825 päivää Vaimenemien määrä aikayksikköä kohti A \u003d -dN/ dtkutsutaan tietyn radioaktiivisen aineen aktiivisuudeksi.

From

seuraa,

[A] \u003d 1 Becquerel \u003d 1 hajoaminen / 1 s;

[A] \u003d 1Ci \u003d 1Curie \u003d 3,7 10 10 Bq.

Toiminnan muutoksen laki

missä A 0 = λ N 0 - alkutoiminta ajankohdassat= 0;

A - toimintaa kerrallaant.