massa atom adalah jumlah massa semua proton, neutron, dan elektron yang menyusun atom atau molekul. Dibandingkan dengan proton dan neutron, massa elektron sangat kecil, sehingga tidak diperhitungkan dalam perhitungan. Meskipun tidak benar dari sudut pandang formal, istilah ini sering digunakan untuk merujuk pada massa atom rata-rata dari semua isotop suatu unsur. Faktanya, ini adalah massa atom relatif, juga disebut berat atom elemen. Berat atom adalah rata-rata massa atom dari semua isotop alami suatu unsur. Ahli kimia harus membedakan antara kedua jenis massa atom ini ketika melakukan pekerjaan mereka - nilai massa atom yang salah dapat, misalnya, menyebabkan hasil yang salah untuk hasil produk reaksi.

Langkah

Mencari massa atom menurut tabel periodik unsur

Pelajari bagaimana massa atom ditulis. Massa atom, yaitu massa atom atau molekul tertentu, dapat dinyatakan dalam satuan SI standar - gram, kilogram, dan seterusnya. Namun, karena fakta bahwa massa atom yang dinyatakan dalam satuan ini sangat kecil, mereka sering ditulis dalam satuan massa atom terpadu, atau disingkat a.u.m. adalah satuan massa atom. Satu satuan massa atom sama dengan 1/12 massa isotop karbon-12 standar.

• Satuan massa atom mencirikan massa satu mol unsur tertentu dalam gram. Nilai ini sangat berguna dalam perhitungan praktis, karena dapat digunakan untuk dengan mudah mengubah massa sejumlah atom atau molekul zat tertentu menjadi mol, dan sebaliknya.

1. Temukan massa atom dalam tabel periodik Mendeleev. Kebanyakan tabel periodik standar berisi massa atom (berat atom) dari setiap elemen. Sebagai aturan, mereka diberikan sebagai angka di bagian bawah sel dengan elemen, di bawah huruf yang menunjukkan elemen kimia. Ini biasanya bukan bilangan bulat, tetapi desimal.

   Ingatlah bahwa tabel periodik menunjukkan massa atom rata-rata unsur. Seperti disebutkan sebelumnya, massa atom relatif yang diberikan untuk setiap elemen dalam tabel periodik adalah rata-rata massa semua isotop suatu atom. Nilai rata-rata ini berharga untuk banyak tujuan praktis: misalnya, digunakan dalam menghitung massa molar molekul yang terdiri dari beberapa atom. Namun, ketika Anda berurusan dengan atom individu, nilai ini biasanya tidak cukup.

   • Karena massa atom rata-rata adalah rata-rata dari beberapa isotop, nilai yang diberikan dalam tabel periodik bukanlah tepat nilai massa atom dari setiap atom tunggal.
   • Massa atom dari masing-masing atom harus dihitung dengan mempertimbangkan jumlah pasti proton dan neutron dalam satu atom.

   Perhitungan massa atom dari atom individu

   1. Temukan nomor atom unsur tertentu atau isotopnya. Nomor atom adalah jumlah proton dalam atom suatu unsur dan tidak pernah berubah. Misalnya, semua atom hidrogen, dan hanya mereka memiliki satu proton. Natrium memiliki nomor atom 11 karena memiliki sebelas proton, sedangkan oksigen memiliki nomor atom delapan karena memiliki delapan proton. Anda dapat menemukan nomor atom unsur apa pun dalam tabel periodik Mendeleev - di hampir semua versi standarnya, nomor ini ditunjukkan di atas penunjukan huruf unsur kimia. Nomor atom selalu bilangan bulat positif.

      • Misalkan kita tertarik pada atom karbon. Selalu ada enam proton dalam atom karbon, jadi kita tahu bahwa nomor atomnya adalah 6. Selain itu, kita melihat bahwa dalam tabel periodik, di bagian atas sel dengan karbon (C) adalah nomor "6", yang menunjukkan bahwa nomor atom karbon adalah enam.
      • Perhatikan bahwa nomor atom suatu unsur tidak secara unik terkait dengan massa atom relatifnya dalam tabel periodik. Meskipun, terutama untuk unsur-unsur di bagian atas tabel, massa atom suatu unsur mungkin tampak dua kali nomor atomnya, tetapi tidak pernah dihitung dengan mengalikan nomor atom dengan dua.

   2. Temukan jumlah neutron dalam inti. Jumlah neutron dapat berbeda untuk atom yang berbeda dari unsur yang sama. Ketika dua atom dari unsur yang sama dengan jumlah proton yang sama memiliki jumlah neutron yang berbeda, mereka adalah isotop yang berbeda dari unsur tersebut. Berbeda dengan jumlah proton yang tidak pernah berubah, jumlah neutron dalam atom suatu unsur tertentu sering kali dapat berubah, sehingga massa atom rata-rata suatu unsur ditulis sebagai pecahan desimal antara dua bilangan bulat yang berdekatan.

      Jumlahkan jumlah proton dan neutron. Ini akan menjadi massa atom atom ini. Abaikan jumlah elektron yang mengelilingi nukleus - massa totalnya sangat kecil, sehingga tidak banyak berpengaruh pada perhitungan Anda.

   Menghitung massa atom relatif (berat atom) suatu unsur

   1. Tentukan isotop mana yang ada dalam sampel. Ahli kimia sering menentukan rasio isotop dalam sampel tertentu menggunakan alat khusus yang disebut spektrometer massa. Namun, selama pelatihan, data ini akan diberikan kepada Anda dalam kondisi tugas, kontrol, dan sebagainya dalam bentuk nilai yang diambil dari literatur ilmiah.

      • Dalam kasus kita, katakanlah kita berurusan dengan dua isotop: karbon-12 dan karbon-13.

   2. Tentukan kelimpahan relatif masing-masing isotop dalam sampel. Untuk setiap elemen, isotop yang berbeda terjadi dalam rasio yang berbeda. Rasio ini hampir selalu dinyatakan sebagai persentase. Beberapa isotop sangat umum, sementara yang lain sangat jarang—terkadang sangat langka sehingga sulit dideteksi. Nilai-nilai ini dapat ditentukan dengan menggunakan spektrometri massa atau ditemukan dalam buku referensi.

      • Asumsikan bahwa konsentrasi karbon-12 adalah 99% dan karbon-13 adalah 1%. Isotop karbon lainnya Betulkah ada, tetapi dalam jumlah yang sangat kecil sehingga dalam hal ini mereka dapat diabaikan.

   3. Kalikan massa atom setiap isotop dengan konsentrasinya dalam sampel. Kalikan massa atom setiap isotop dengan persentasenya (dinyatakan sebagai desimal). Untuk mengonversi persentase ke desimal, cukup bagi dengan 100. Konsentrasi yang dihasilkan harus selalu berjumlah 1.

      • Sampel kami mengandung karbon-12 dan karbon-13. Jika karbon-12 adalah 99% dari sampel dan karbon-13 adalah 1%, maka kalikan 12 (massa atom karbon-12) dengan 0,99 dan 13 (massa atom karbon-13) dengan 0,01.
      • Buku referensi memberikan persentase berdasarkan jumlah yang diketahui dari semua isotop suatu unsur. Sebagian besar buku teks kimia memasukkan informasi ini dalam tabel di akhir buku. Untuk sampel yang diteliti, konsentrasi relatif isotop juga dapat ditentukan dengan menggunakan spektrometer massa.

   4. Tambahkan hasilnya. Jumlahkan hasil perkalian yang Anda dapatkan pada langkah sebelumnya. Sebagai hasil dari operasi ini, Anda akan menemukan massa atom relatif unsur Anda - nilai rata-rata massa atom isotop unsur yang bersangkutan. Ketika suatu elemen dianggap sebagai keseluruhan, dan bukan isotop spesifik dari elemen tertentu, nilai inilah yang digunakan.

      • Dalam contoh kita, 12 x 0,99 = 11,88 untuk karbon-12, dan 13 x 0,01 = 0,13 untuk karbon-13. Massa atom relatif dalam kasus kami adalah 11,88 + 0,13 = 12,01 .
   • Beberapa isotop kurang stabil daripada yang lain: mereka meluruh menjadi atom unsur dengan lebih sedikit proton dan neutron di dalam nukleus, melepaskan partikel yang membentuk nukleus atom. Isotop semacam itu disebut radioaktif.

Bertahun-tahun yang lalu, orang bertanya-tanya terbuat dari apa semua zat. Yang pertama mencoba menjawabnya adalah ilmuwan Yunani kuno Democritus, yang percaya bahwa semua zat tersusun dari molekul. Kita sekarang tahu bahwa molekul dibangun dari atom. Atom terdiri dari partikel yang lebih kecil lagi. Di pusat atom adalah nukleus, yang mengandung proton dan neutron. Partikel terkecil - elektron - bergerak dalam orbit di sekitar nukleus. Massa mereka dapat diabaikan dibandingkan dengan massa inti. Tetapi bagaimana menemukan massa inti, hanya perhitungan dan pengetahuan kimia yang akan membantu. Untuk melakukan ini, Anda perlu menentukan jumlah proton dan neutron dalam nukleus. Lihat nilai tabel massa satu proton dan satu neutron dan temukan massa totalnya. Ini akan menjadi massa inti.

Seringkali Anda dapat menemukan pertanyaan seperti itu, bagaimana menemukan massa, mengetahui kecepatannya. Menurut hukum mekanika klasik, massa tidak bergantung pada kecepatan benda. Lagi pula, jika sebuah mobil, yang bergerak menjauh, mulai menambah kecepatannya, ini sama sekali tidak berarti bahwa massanya akan bertambah. Namun, pada awal abad kedua puluh, Einstein menyajikan teori yang menurutnya ketergantungan ini ada. Efek ini disebut peningkatan relativistik dalam massa tubuh. Dan itu memanifestasikan dirinya ketika kecepatan benda mendekati kecepatan cahaya. Akselerator partikel modern memungkinkan untuk mempercepat proton dan neutron ke kecepatan tinggi tersebut. Dan pada kenyataannya, dalam hal ini, peningkatan massa mereka dicatat.

Tapi kita masih hidup di dunia teknologi tinggi, tetapi kecepatan rendah. Oleh karena itu, untuk mengetahui cara menghitung massa suatu zat, sama sekali tidak perlu mempercepat tubuh dengan kecepatan cahaya dan mempelajari teori Einstein. Berat badan dapat diukur dengan timbangan. Benar, tidak semua tubuh bisa ditimbang. Oleh karena itu, ada cara lain untuk menghitung massa dari kerapatannya.

Udara di sekitar kita, udara yang begitu diperlukan bagi umat manusia, juga memiliki massanya sendiri. Dan, ketika memecahkan masalah bagaimana menentukan massa udara, misalnya, di dalam ruangan, tidak perlu menghitung jumlah molekul udara dan menjumlahkan massa inti mereka. Anda cukup menentukan volume ruangan dan mengalikannya dengan kerapatan udara (1,9 kg / m3).

Para ilmuwan kini telah belajar dengan sangat akurat untuk menghitung massa benda-benda yang berbeda, dari inti atom hingga massa bola dunia dan bahkan bintang-bintang yang terletak pada jarak beberapa ratus tahun cahaya dari kita. Massa, sebagai kuantitas fisik, adalah ukuran kelembaman suatu benda. Benda yang lebih masif, kata mereka, lebih lembam, yaitu, mereka mengubah kecepatannya lebih lambat. Karena itu, bagaimanapun juga, kecepatan dan massa saling berhubungan. Tetapi fitur utama dari kuantitas ini adalah bahwa setiap benda atau zat memiliki massa. Tidak ada materi di dunia yang tidak memiliki massa!

Massa inti atom sangat menarik untuk mengidentifikasi inti baru, memahami strukturnya, memprediksi karakteristik peluruhan: masa hidup, kemungkinan saluran peluruhan, dll.
Untuk pertama kalinya, deskripsi massa inti atom diberikan oleh Weizsäcker berdasarkan model jatuh. Rumus Weizsäcker memungkinkan untuk menghitung massa inti atom M(A,Z) dan energi ikat inti jika nomor massa A dan jumlah proton Z dalam inti diketahui.
Rumus Weizsacker untuk massa inti memiliki bentuk berikut:

dimana m p = 938,28 MeV/c 2 , m n = 939,57 MeV/c 2 , a 1 = 15,75 MeV, a 2 = 17,8 MeV, a 3 = 0,71 MeV, a 4 = 23,7 MeV, a 5 = 34 MeV, = (+ 1, 0, -1), berturut-turut, untuk inti ganjil-ganjil, inti dengan A ganjil, inti genap genap.
Dua suku pertama dari rumus adalah jumlah massa proton dan neutron bebas. Istilah yang tersisa menggambarkan energi ikat inti:

• a 1 A memperhitungkan perkiraan keteguhan energi ikat spesifik inti, yaitu mencerminkan sifat kejenuhan gaya nuklir;
• a 2 A 2/3 menjelaskan energi permukaan dan memperhitungkan fakta bahwa nukleon permukaan dalam nukleus terikat lebih lemah;
• a 3 Z 2 /A 1/3 menggambarkan penurunan energi ikat inti karena interaksi Coulomb proton;
• a 4 (A - 2Z) 2 /A memperhitungkan sifat muatan kemandirian gaya nuklir dan tindakan prinsip Pauli;
• a 5 A -3/4 memperhitungkan efek kawin.

Parameter a 1 - a 5 yang termasuk dalam rumus Weizsäcker dipilih sedemikian rupa untuk secara optimal menggambarkan massa inti di dekat daerah stabilitas .
Namun, sudah jelas sejak awal bahwa rumus Weizsacker tidak memperhitungkan beberapa detail spesifik dari struktur inti atom.
Dengan demikian, rumus Weizsäcker mengasumsikan distribusi nukleon yang seragam dalam ruang fase, yaitu. pada dasarnya mengabaikan struktur kulit inti atom. Faktanya, struktur cangkang menyebabkan ketidakhomogenan dalam distribusi nukleon di dalam nukleus. Hasil anisotropi medan rata-rata dalam nukleus juga menyebabkan deformasi nukleus dalam keadaan dasar.

Keakuratan rumus Weizsäcker menggambarkan massa inti atom dapat diperkirakan dari Gambar. 6.1, yang menunjukkan perbedaan antara massa inti atom yang diukur secara eksperimental dan perhitungan berdasarkan rumus Weizsäcker. Penyimpangan mencapai 9 MeV, yaitu sekitar 1% dari total energi ikat inti. Pada saat yang sama, terlihat jelas bahwa penyimpangan ini bersifat sistematis, yang disebabkan oleh struktur cangkang inti atom.
Penyimpangan energi ikat nuklir dari kurva halus yang diprediksi oleh model tetesan cairan adalah indikasi langsung pertama dari struktur cangkang nukleus. Perbedaan energi ikat antara inti genap dan ganjil menunjukkan adanya gaya berpasangan pada inti atom. Penyimpangan dari perilaku "halus" energi pemisahan dua nukleon dalam inti di antara kulit yang terisi merupakan indikasi deformasi inti atom dalam keadaan dasar.
Data massa inti atom mendasari verifikasi berbagai model inti atom, sehingga keakuratan mengetahui massa inti sangat penting. Massa inti atom dihitung menggunakan berbagai model fenomenologis atau semi-empiris menggunakan berbagai pendekatan teori makroskopik dan mikroskopis. Rumus massa yang ada saat ini menggambarkan dengan cukup baik massa (energi ikat) inti di dekat lembah -stabilitas. (Akurasi perkiraan energi ikat adalah ~100 keV). Namun, untuk inti yang jauh dari lembah stabilitas, ketidakpastian dalam memprediksi energi ikat meningkat hingga beberapa MeV. (Gbr. 6.2). Pada Gbr.6.2 Anda dapat menemukan referensi untuk karya di mana berbagai rumus massa diberikan dan dianalisis.

Perbandingan prediksi berbagai model dengan massa inti yang diukur menunjukkan bahwa preferensi harus diberikan kepada model berdasarkan deskripsi mikroskopis yang memperhitungkan struktur cangkang inti. Juga harus diingat bahwa keakuratan memprediksi massa inti dalam model fenomenologis sering ditentukan oleh jumlah parameter yang digunakan di dalamnya. Data eksperimental tentang massa inti atom diberikan dalam ulasan. Selain itu, nilai mereka yang terus diperbarui dapat ditemukan di bahan referensi sistem basis data internasional.
Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai metode telah dikembangkan untuk penentuan eksperimental massa inti atom dengan masa hidup yang singkat.

Metode dasar untuk menentukan massa inti atom

Kami mencantumkan, tanpa merinci, metode utama untuk menentukan massa inti atom.

• Pengukuran energi peluruhan Q b adalah metode yang cukup umum untuk menentukan massa inti yang jauh dari batas stabilitas . Untuk menentukan massa yang tidak diketahui yang mengalami peluruhan inti A

,

rasio yang digunakan

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

Oleh karena itu, mengetahui massa inti akhir B, seseorang dapat memperoleh massa inti awal A. Peluruhan beta sering terjadi pada keadaan tereksitasi dari inti akhir, yang harus diperhitungkan.

Hubungan ini ditulis untuk peluruhan dari keadaan dasar nukleus awal ke keadaan dasar nukleus akhir. Energi eksitasi dapat dengan mudah diperhitungkan. Keakuratan massa inti atom yang ditentukan dari energi peluruhan adalah ~ 100 keV. Metode ini banyak digunakan untuk menentukan massa inti superberat dan identifikasinya.

1. Pengukuran massa inti atom dengan metode waktu terbang

Menentukan massa inti (A ~ 100) dengan akurasi ~ 100 keV setara dengan akurasi relatif pengukuran massa M/M ~10 -6 . Untuk mencapai akurasi ini, analisis magnetik digunakan bersama dengan pengukuran waktu penerbangan. Teknik ini digunakan dalam spektrometer SPEG - GANIL (Gbr. 6.3) dan TOFI - Los Alamos. Kekakuan magnet Bρ, massa partikel m, kecepatan partikel v, dan muatan q dihubungkan oleh

Dengan demikian, mengetahui kekakuan magnetik spektrometer B, seseorang dapat menentukan m/q untuk partikel yang memiliki kecepatan yang sama. Metode ini memungkinkan untuk menentukan massa inti dengan akurasi ~ 10 -4. Keakuratan pengukuran massa inti dapat ditingkatkan jika waktu terbang diukur secara bersamaan. Dalam hal ini, massa ion ditentukan dari hubungan

di mana L adalah basis penerbangan, TOF adalah waktu penerbangan. Basis rentang berkisar dari beberapa meter hingga 10 3 meter dan memungkinkan untuk meningkatkan akurasi pengukuran massa inti hingga 10 -6 .
Peningkatan yang signifikan dalam akurasi penentuan massa inti atom juga difasilitasi oleh fakta bahwa massa inti yang berbeda diukur secara bersamaan, dalam satu percobaan, dan nilai yang tepat dari massa inti individu dapat digunakan sebagai referensi. poin. Metode ini tidak memungkinkan pemisahan dasar dan keadaan isomer dari inti atom. Pengaturan dengan jalur penerbangan ~3,3 km sedang dibuat di GANIL, yang akan meningkatkan akurasi pengukuran massa inti ke beberapa unit sebesar 10 -7 .

1. Penentuan Massa Inti Secara Langsung dengan Mengukur Frekuensi Siklotron

Untuk sebuah partikel yang berotasi dalam medan magnet konstan B, frekuensi rotasi berhubungan dengan massa dan muatannya dengan hubungan

Terlepas dari kenyataan bahwa metode 2 dan 3 didasarkan pada rasio yang sama, akurasi dalam metode 3 pengukuran frekuensi siklotron lebih tinggi (~ 10 -7), karena itu setara dengan menggunakan dasar bentang yang lebih panjang.

2. Pengukuran massa inti atom dalam cincin penyimpanan

   Metode ini digunakan pada cincin penyimpanan ESR di GSI (Darmstadt, Jerman). Metode ini menggunakan detektor Schottky yang dapat diterapkan untuk menentukan massa inti dengan masa hidup > 1 menit. Metode pengukuran frekuensi siklotron ion dalam cincin penyimpanan digunakan dalam kombinasi dengan pra-pemisahan ion on-the-fly. Pengaturan FRS-ESR di GSI (Gbr. 6.4) membuat pengukuran presisi massa sejumlah besar inti pada rentang nomor massa yang luas.

   Inti 209 Bi yang dipercepat menjadi energi 930 MeV/nukleon difokuskan pada target berilium setebal 8 g/cm 2 yang terletak di pintu masuk FRS. Sebagai hasil dari fragmentasi 209 Bi, sejumlah besar partikel sekunder terbentuk dalam kisaran dari 209 Bi hingga 1 H. Produk reaksi dipisahkan dengan cepat menurut kekerasan magnetnya. Ketebalan target dipilih untuk memperluas jangkauan inti yang ditangkap secara bersamaan oleh sistem magnetik. Perluasan jangkauan inti terjadi karena fakta bahwa partikel dengan muatan yang berbeda diperlambat dengan cara yang berbeda dalam target berilium. Fragmen pemisah FRS disetel untuk melewatkan partikel dengan kekerasan magnetik ~350 MeV/nukleon. Melalui sistem pada kisaran yang dipilih dari muatan inti yang terdeteksi (52 < Z < 83) secara bersamaan dapat melewatkan atom yang terionisasi penuh (ion telanjang), ion seperti hidrogen (seperti hidrogen) yang memiliki satu elektron atau ion seperti helium (seperti helium) yang memiliki dua elektron. Karena kecepatan partikel selama perjalanan FRS praktis tidak berubah, pemilihan partikel dengan kekakuan magnet yang sama memilih partikel dengan nilai M/Z dengan akurasi ~ 2%. Oleh karena itu, frekuensi rotasi setiap ion di cincin penyimpanan ESR ditentukan oleh rasio M/Z. Ini mendasari metode presisi untuk mengukur massa inti atom. Frekuensi revolusi ion diukur menggunakan metode Schottky. Penggunaan metode pendinginan ion dalam cincin penyimpanan tambahan meningkatkan akurasi penentuan massa dengan urutan besarnya. pada gambar. 6.5 menunjukkan plot massa inti atom yang dipisahkan dengan metode ini di GSI. Harus diingat bahwa inti dengan waktu paruh lebih dari 30 detik dapat diidentifikasi menggunakan metode yang dijelaskan, yang ditentukan oleh waktu pendinginan balok dan waktu analisis.

   pada gambar. 6.6 menunjukkan hasil penentuan massa isotop 171 Ta dalam berbagai keadaan muatan. Berbagai isotop referensi digunakan dalam analisis. Nilai yang terukur dibandingkan dengan data tabel (Wapstra).

3. Mengukur Massa Inti Menggunakan Penning Trap

   Kemungkinan eksperimental baru untuk pengukuran presisi massa inti atom terbuka dalam kombinasi metode ISOL dan perangkap ion. Untuk ion yang memiliki energi kinetik sangat kecil dan karenanya radius rotasi kecil dalam medan magnet yang kuat, digunakan perangkap Penning. Metode ini didasarkan pada pengukuran yang tepat dari frekuensi rotasi partikel

   = B(q/m),

   terperangkap dalam medan magnet yang kuat. Akurasi pengukuran massa untuk ion cahaya dapat mencapai ~ 10 -9 . pada gambar. Gambar 6.7 menunjukkan spektrometer ISOLTRAP yang dipasang pada pemisah ISOL - CERN.
   Elemen utama dari pengaturan ini adalah bagian persiapan berkas ion dan dua perangkap Penning. Perangkap Penning pertama adalah silinder yang ditempatkan dalam medan magnet ~4 T. Ion-ion dalam perangkap pertama juga didinginkan karena tumbukan dengan gas penyangga. pada gambar. Gambar 6.7 menunjukkan distribusi massa ion dengan A = 138 pada perangkap Penning pertama sebagai fungsi kecepatan rotasi. Setelah pendinginan dan pemurnian, awan ion dari perangkap pertama disuntikkan ke perangkap kedua. Di sini, massa ion diukur dengan frekuensi resonansi rotasi. Resolusi yang dapat dicapai dalam metode ini untuk isotop berat berumur pendek adalah yang tertinggi dan berjumlah ~ 10 -7 .

   Beras. 6.7 Spektrometer ISOLTRAP

1 Muatan dan massa, inti atom

Karakteristik terpenting dari inti adalah muatan dan massanya. M.

Z- Muatan inti ditentukan oleh jumlah muatan dasar positif yang terkonsentrasi di dalam inti. Pembawa muatan dasar positif R= 1,6021 10 -19 C dalam inti adalah proton. Atom secara keseluruhan adalah netral dan muatan inti secara bersamaan menentukan jumlah elektron dalam atom. Distribusi elektron dalam atom di atas kulit dan subkulit energi pada dasarnya tergantung pada jumlah totalnya dalam atom. Oleh karena itu, muatan inti sangat menentukan distribusi elektron di atas keadaannya dalam atom dan posisi unsur dalam sistem periodik Mendeleev. Muatan inti adalahqSaya = z· e, di mana z- jumlah muatan inti, sama dengan nomor urut elemen dalam sistem Mendeleev.

Massa inti atom praktis bertepatan dengan massa atom, karena massa elektron semua atom, kecuali hidrogen, kira-kira 2,5 10 -4 massa atom. Massa atom dinyatakan dalam satuan massa atom (a.m.u.). Untuk pagi diterima 1/12 massa atom karbon.

1 pagi \u003d 1.6605655 (86) 10 -27 kg.

mSaya = saya -Z Saya.

Isotop adalah jenis atom dari unsur kimia tertentu yang memiliki muatan yang sama, tetapi berbeda dalam massa.

Bilangan bulat yang paling dekat dengan massa atom, dinyatakan dalam a.u. m . disebut nomor massa m dan dilambangkan dengan huruf TETAPI. Penunjukan unsur kimia: TETAPI- nomor massa, X - simbol unsur kimia,Z-nomor pengisian - nomor urut dalam tabel periodik ():

Berilium; Isotop: , ", .

Jari-jari Inti:

dimana A adalah nomor massa.

2 Komposisi inti

Inti atom hidrogenditelepon proton

mproton= 1,00783 sma , .

Diagram atom hidrogen

Pada tahun 1932, sebuah partikel yang disebut neutron ditemukan, yang memiliki massa mendekati massa proton (mneutron= 1,00867 a.m.u.) dan tidak bermuatan listrik. Kemudian D.D. Ivanenko merumuskan hipotesis tentang struktur proton-neutron inti: inti terdiri dari proton dan neutron dan jumlah mereka sama dengan nomor massa TETAPI. 3 bilangan urutZmenentukan jumlah proton dalam inti, jumlah neutronN \u003d A - Z.

Partikel dasar - proton dan neutron masuk ke dalam inti, secara kolektif dikenal sebagai nukleon. Nukleon dari inti berada dalam keadaan, berbeda secara signifikan dari keadaan bebasnya. Di antara nukleon ada yang spesial saya de r interaksi baru. Mereka mengatakan bahwa nukleon dapat berada dalam dua "keadaan muatan" - keadaan proton dengan muatan+ e, dan neutron dengan muatan 0.

3 Energi ikat inti. cacat massa. kekuatan nuklir

Partikel nuklir - proton dan neutron - ditahan dengan kuat di dalam inti, sehingga gaya tarik menarik yang sangat besar bekerja di antara mereka, mampu menahan gaya tolak yang besar antara proton yang bermuatan serupa. Kekuatan khusus yang muncul pada jarak kecil antara nukleon ini disebut gaya nuklir. Gaya nuklir tidak bersifat elektrostatik (Coulomb).

Studi tentang nukleus menunjukkan bahwa gaya nuklir yang bekerja antara nukleon memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

a) ini adalah gaya jarak pendek - dimanifestasikan pada jarak urutan 10 -15 m dan menurun tajam bahkan dengan sedikit peningkatan jarak;

b) gaya nuklir tidak bergantung pada apakah partikel (nukleon) memiliki muatan – muatan kemandirian gaya nuklir. Gaya nuklir yang bekerja antara neutron dan proton, antara dua neutron, antara dua proton adalah sama. Proton dan neutron dalam kaitannya dengan gaya nuklir adalah sama.

Energi ikat adalah ukuran stabilitas inti atom. Energi ikat inti sama dengan kerja yang harus dilakukan untuk memecah inti menjadi nukleon penyusunnya tanpa memberikan energi kinetik kepada mereka

saya< Σ( m p + M N)

Saya - massa inti

Pengukuran massa inti menunjukkan bahwa massa istirahat inti lebih kecil dari jumlah massa istirahat nukleon penyusunnya.

Nilai

berfungsi sebagai ukuran energi ikat dan disebut cacat massa.

Persamaan Einstein dalam relativitas khusus menghubungkan energi dan massa diam suatu partikel.

Dalam kasus umum, energi ikat inti dapat dihitung dengan rumus

di mana Z - nomor muatan (jumlah proton dalam inti);

TETAPI- nomor massa (jumlah total nukleon dalam inti);

m p, , M N dan saya- massa proton, neutron, dan nukleus

Cacat massa ( m) sama dengan 1 a.u. m.(a.m.u. - satuan massa atom) sesuai dengan energi ikat (E St) sama dengan 1 a.u.e. (a.u.e. - satuan energi atom) dan sama dengan 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

4 Reaksi nuklir

Perubahan inti selama interaksinya dengan partikel individu dan satu sama lain biasanya disebut reaksi nuklir.

Berikut ini, reaksi nuklir yang paling umum.

1. Reaksi transformasi . Dalam hal ini, partikel yang datang tetap berada di dalam nukleus, tetapi nukleus perantara memancarkan beberapa partikel lain, sehingga nukleus produk berbeda dari nukleus target.

1. Reaksi penangkapan radiasi . Partikel yang datang terjebak di dalam nukleus, tetapi nukleus yang tereksitasi memancarkan energi berlebih, memancarkan -foton (digunakan dalam pengoperasian reaktor nuklir)

Contoh reaksi penangkapan neutron oleh kadmium

atau fosfor

1. Penyebaran. Inti perantara memancarkan partikel yang identik dengan

dengan yang diterbangkan, dan dapat berupa:

Hamburan elastis neutron dengan karbon (digunakan dalam reaktor untuk memoderasi neutron):

Hamburan tidak elastis :

1. reaksi fisi. Ini adalah reaksi yang selalu berlangsung dengan pelepasan energi. Ini adalah dasar untuk produksi teknis dan penggunaan energi nuklir. Selama reaksi fisi, eksitasi inti senyawa antara begitu besar sehingga terbagi menjadi dua, fragmen yang kira-kira sama, dengan pelepasan beberapa neutron.

Jika energi eksitasi rendah, maka pemisahan nukleus tidak terjadi, dan nukleus, setelah kehilangan energi berlebih dengan memancarkan - foton atau neutron, akan kembali ke keadaan normalnya (Gbr. 1). Tetapi jika energi yang diperkenalkan oleh neutron besar, maka inti yang tereksitasi mulai berubah bentuk, penyempitan terbentuk di dalamnya dan sebagai hasilnya ia dibagi menjadi dua fragmen yang terbang terpisah dengan kecepatan luar biasa, sementara dua neutron dipancarkan.
(Gbr. 2).

Reaksi berantai- reaksi fisi yang berkembang sendiri. Untuk menerapkannya, diperlukan neutron sekunder yang dihasilkan selama satu peristiwa fisi, setidaknya satu dapat menyebabkan peristiwa fisi berikutnya: (karena beberapa neutron dapat berpartisipasi dalam reaksi penangkapan tanpa menyebabkan fisi). Secara kuantitatif, kondisi adanya reaksi berantai menyatakan faktor perkalian

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - reaksi berantai dengan jumlah neutron yang konstan (dalam reaktor nuklir),k > 1 (m > m kr ) adalah bom nuklir.

RADIOAKTIVITAS

1 Radioaktivitas alami

Radioaktivitas adalah transformasi spontan inti tidak stabil dari satu unsur menjadi inti unsur lain. radioaktivitas alam disebut radioaktivitas yang diamati pada isotop tidak stabil yang ada di alam. Radioaktivitas buatan disebut radioaktivitas isotop yang diperoleh sebagai hasil reaksi nuklir.

Jenis radioaktivitas:

1. -pembusukan.

Emisi oleh inti beberapa unsur kimia dari sistem dari dua proton dan dua neutron yang terhubung bersama (partikel - inti atom helium)

-peluruhan melekat pada inti berat dengan TETAPI> 200 danZ > 82. Ketika bergerak dalam suatu zat, partikel menghasilkan ionisasi atom yang kuat dalam perjalanannya (ionisasi adalah pemisahan elektron dari atom), yang bekerja padanya dengan medan listriknya. Jarak yang ditempuh partikel dalam materi sampai berhenti sepenuhnya disebut jangkauan partikel atau daya tembus(dilambangkanR, [ R ] = m, cm). . Dalam kondisi normal, -partikel terbentuk di udara 30.000 pasang ion per 1 cm jalan. Ionisasi spesifik adalah jumlah pasangan ion yang terbentuk per 1 cm dari panjang lintasan. Partikel memiliki efek biologis yang kuat.

Aturan shift untuk peluruhan alfa:

2. peluruhan .

a) elektronik (β -): inti memancarkan elektron dan elektron antineutrino

b) positron (β +): inti memancarkan positron dan neutrino

Proses ini terjadi dengan mengubah satu jenis nukleon menjadi nukleus menjadi yang lain: neutron menjadi proton atau proton menjadi neutron.

Tidak ada elektron dalam nukleus, mereka terbentuk sebagai hasil dari transformasi timbal balik nukleon.

Positron - partikel yang berbeda dari elektron hanya dalam tanda muatan (+e = 1,6 10 -19 C)

Ini mengikuti dari percobaan bahwa selama - peluruhan, isotop kehilangan jumlah energi yang sama. Oleh karena itu, berdasarkan hukum kekekalan energi, W. Pauli meramalkan bahwa partikel cahaya lain, yang disebut antineutrino, akan dikeluarkan. Sebuah antineutrino tidak memiliki muatan atau massa. Kehilangan energi oleh partikel selama perjalanannya melalui materi terutama disebabkan oleh proses ionisasi. Sebagian energi hilang ke sinar-X selama deselerasi partikel oleh inti zat penyerap. Karena partikel memiliki massa yang kecil, muatan satuan dan kecepatan yang sangat tinggi, kemampuan ionisasinya kecil (100 kali lebih kecil dari partikel ), oleh karena itu, daya tembus (jarak tempuh) partikel secara signifikan lebih besar daripada partikel . -partikel.

R udara = 200 m, R Pb 3 mm

- - peluruhan terjadi pada inti radioaktif alami dan buatan. + - hanya dengan radioaktivitas buatan.

Aturan perpindahan untuk - - peluruhan:

c) K - tangkap (tangkap elektronik) - nukleus menyerap salah satu elektron yang terletak di kulit K (lebih jarangLatau M) dari atomnya, sebagai akibatnya salah satu proton berubah menjadi neutron, sambil memancarkan neutrino

Skema K - tangkap:

Ruang di kulit elektron yang dikosongkan oleh elektron yang ditangkap diisi dengan elektron dari lapisan di atasnya, menghasilkan sinar-X.

• sinar-.

Biasanya, semua jenis radioaktivitas disertai dengan emisi sinar-. Sinar adalah radiasi elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang dari seperseratus angstrom ’=~ 1-0.01 =10 -10 -10 -12 m Energi sinar mencapai jutaan eV.

W ~ MeV

1eV=1,6 10 -19 J

Sebuah inti yang mengalami peluruhan radioaktif, sebagai suatu peraturan, ternyata tereksitasi, dan transisinya ke keadaan dasar disertai dengan emisi - foton. Dalam hal ini, energi -foton ditentukan oleh kondisi

di mana E 2 dan E 1 adalah energi inti.

E 2 - energi dalam keadaan tereksitasi;

E 1 - energi dalam keadaan dasar.

Penyerapan sinar- oleh materi disebabkan oleh tiga proses utama:

• efek fotolistrik (dengan hv < l MэB);
• pembentukan pasangan elektron-positron;

atau

• hamburan (efek Compton) -

Penyerapan sinar- terjadi menurut hukum Bouguer:

di mana adalah koefisien atenuasi linier, tergantung pada energi sinar dan sifat-sifat medium;

І 0 adalah intensitas sinar sejajar datang;

Sayaadalah intensitas sinar setelah melewati suatu zat yang tebalnya X cm.

-rays adalah salah satu radiasi yang paling penetrasi. Untuk sinar terkeras (hvmax) tebal lapisan setengah serap adalah timbal 1,6 cm, besi 2,4 cm, aluminium 12 cm, dan tanah 15 cm.

2 Hukum dasar peluruhan radioaktif.

Jumlah inti yang membusukdN sebanding dengan jumlah inti asli N dan waktu peluruhandt, dN~ N dt. Hukum dasar peluruhan radioaktif dalam bentuk diferensial:

Koefisien disebut konstanta peluruhan untuk jenis inti tertentu. Tanda "-" berarti bahwadNharus negatif, karena jumlah akhir dari inti yang tidak membusuk kurang dari yang awal.

oleh karena itu, mencirikan fraksi peluruhan inti per satuan waktu, yaitu menentukan laju peluruhan radioaktif. tidak bergantung pada kondisi eksternal, tetapi hanya ditentukan oleh sifat internal inti. [λ]=s -1 .

Hukum dasar peluruhan radioaktif dalam bentuk integral

di mana N 0 - jumlah awal inti radioaktif dit=0;

N- jumlah inti yang tidak meluruh pada suatu waktut;

adalah konstanta peluruhan radioaktif.

Laju peluruhan dalam praktek dinilai bukan dengan menggunakan , tetapi T 1/2 - waktu paruh - waktu selama setengah dari jumlah inti meluruh. Hubungan T 1/2 dan

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 tahun, T 1/2 Ra = 1590 tahun, T 1/2 Rn = 3,825 hari Jumlah peluruhan per satuan waktu A \u003d -dN/ dtdisebut aktivitas zat radioaktif tertentu.

Dari

mengikuti,

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

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

Hukum perubahan aktivitas

dimana A 0 = λ N 0 - aktivitas awal tepat waktut= 0;

A - aktivitas pada suatu waktut.