BIAYA INTI
hukum Moseley. Muatan listrik inti dibentuk oleh proton yang menyusun komposisinya. Jumlah proton Z disebut muatannya, artinya nilai mutlak muatan inti sama dengan Ze. Muatan inti sama dengan nomor seri Z unsur dalam sistem periodik unsur Mendeleev. Untuk pertama kalinya, muatan inti atom ditentukan oleh fisikawan Inggris Moseley pada tahun 1913. Dengan mengukur panjang gelombang dengan kristal λ karakteristik radiasi sinar-X untuk atom unsur-unsur tertentu, Moseley menemukan perubahan teratur dalam panjang gelombang λ untuk unsur-unsur yang mengikuti satu demi satu dalam sistem periodik (Gbr. 2.1). Moseley menafsirkan pengamatan ini sebagai ketergantungan λ dari beberapa konstanta atom Z, berubah satu dari unsur ke unsur dan sama dengan satu untuk hidrogen:
dimana dan adalah konstanta. Dari percobaan tentang hamburan kuanta sinar-X oleh elektron atom dan α -partikel oleh inti atom, sudah diketahui bahwa muatan inti kira-kira sama dengan setengah massa atom dan, oleh karena itu, dekat dengan nomor urut elemen. Karena emisi radiasi sinar-X karakteristik merupakan konsekuensi dari proses listrik dalam atom, Moseley menyimpulkan bahwa konstanta atom ditemukan dalam eksperimennya, yang menentukan panjang gelombang radiasi sinar-X karakteristik dan bertepatan dengan nomor seri elemen. , hanya dapat menjadi muatan inti atom (hukum Moseley).
Beras. 2.1. Spektrum sinar-X atom dari unsur-unsur tetangga yang diperoleh oleh Moseley
Pengukuran panjang gelombang sinar-X dilakukan dengan sangat presisi, sehingga berdasarkan hukum Moseley, kepemilikan atom terhadap unsur kimia dapat dipastikan dengan sangat andal. Namun, fakta bahwa konstanta Z dalam persamaan terakhir adalah muatan inti, meskipun dibuktikan dengan eksperimen tidak langsung, pada akhirnya bertumpu pada postulat - hukum Moseley. Oleh karena itu, setelah penemuan Moseley, muatan inti berulang kali diukur dalam eksperimen hamburan. α -partikel berdasarkan hukum Coulomb. Pada tahun 1920, Chadwig memperbaiki metode untuk mengukur proporsi hamburan α -partikel dan menerima muatan inti atom tembaga, perak dan platinum (lihat tabel 2.1). Data Chadwig tidak meninggalkan keraguan tentang validitas hukum Moseley. Selain unsur-unsur yang ditunjukkan, muatan inti magnesium, aluminium, argon, dan emas juga ditentukan dalam percobaan.
Tabel 2.1. Hasil percobaan Chadwick
Definisi. Setelah penemuan Moseley, menjadi jelas bahwa karakteristik utama atom adalah muatan inti, dan bukan massa atomnya, seperti yang diasumsikan oleh ahli kimia abad ke-19, karena muatan inti menentukan jumlah elektron atom, dan karenanya sifat-sifat kimia atom. Alasan perbedaan antara atom-atom unsur kimia justru karena inti mereka memiliki jumlah proton yang berbeda dalam komposisinya. Sebaliknya, jumlah neutron yang berbeda dalam inti atom dengan jumlah proton yang sama tidak mengubah sifat kimia atom dengan cara apa pun. Atom-atom yang hanya berbeda dalam jumlah neutron pada intinya disebut isotop unsur kimia.
Atom adalah partikel terkecil dari suatu unsur kimia yang mempertahankan semua sifat kimianya. Sebuah atom terdiri dari inti yang bermuatan positif dan elektron yang bermuatan negatif. Muatan inti suatu unsur kimia sama dengan hasil kali Z dengan e, di mana Z adalah nomor urut unsur ini dalam sistem periodik unsur kimia, e adalah nilai muatan listrik dasar.
Elektron- ini adalah partikel terkecil dari suatu zat dengan muatan listrik negatif e=1.6·10 -19 coulomb, diambil sebagai muatan listrik dasar. Elektron, yang berputar di sekitar nukleus, terletak di kulit elektron K, L, M, dll. K adalah kulit yang paling dekat dengan nukleus. Ukuran atom ditentukan oleh ukuran kulit elektronnya. Sebuah atom dapat kehilangan elektron dan menjadi ion positif, atau mendapatkan elektron dan menjadi ion negatif. Muatan ion menentukan jumlah elektron yang hilang atau diperoleh. Proses perubahan atom netral menjadi ion bermuatan disebut ionisasi.
inti atom(bagian tengah atom) terdiri dari partikel nuklir elementer - proton dan neutron. Jari-jari inti sekitar seratus ribu kali lebih kecil dari jari-jari atom. Kepadatan inti atom sangat tinggi. Proton- Ini adalah partikel elementer stabil yang memiliki muatan listrik positif satuan dan massa 1836 kali lebih besar dari massa elektron. Proton adalah inti dari unsur paling ringan, hidrogen. Jumlah proton dalam inti adalah Z. neutron adalah partikel elementer netral (tidak bermuatan listrik) dengan massa yang sangat dekat dengan massa proton. Karena massa inti adalah jumlah massa proton dan neutron, jumlah neutron dalam inti atom adalah A - Z, di mana A adalah nomor massa isotop tertentu (lihat). Proton dan neutron yang membentuk inti disebut nukleon. Di dalam nukleus, nukleon terikat oleh gaya nuklir khusus.
Inti atom memiliki simpanan energi yang sangat besar, yang dilepaskan selama reaksi nuklir. Reaksi nuklir terjadi ketika inti atom berinteraksi dengan partikel elementer atau dengan inti unsur lain. Sebagai hasil dari reaksi nuklir, inti baru terbentuk. Misalnya, neutron dapat berubah menjadi proton. Dalam hal ini, partikel beta, yaitu elektron, dikeluarkan dari nukleus.
Transisi dalam inti proton menjadi neutron dapat dilakukan dengan dua cara: baik partikel dengan massa sama dengan massa elektron, tetapi dengan muatan positif, yang disebut positron (peluruhan positron), dipancarkan dari nukleus, atau nukleus menangkap salah satu elektron dari kulit K terdekat (penangkapan K).
Kadang-kadang inti yang terbentuk memiliki kelebihan energi (dalam keadaan tereksitasi) dan, melewati keadaan normal, melepaskan kelebihan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang yang sangat pendek -. Energi yang dilepaskan selama reaksi nuklir secara praktis digunakan di berbagai industri.
Atom (bahasa Yunani atomos - tak dapat dibagi) adalah partikel terkecil dari unsur kimia yang memiliki sifat kimianya. Setiap unsur terdiri dari jenis atom tertentu. Struktur atom termasuk inti yang membawa muatan listrik positif, dan elektron bermuatan negatif (lihat), membentuk kulit elektroniknya. Nilai muatan listrik inti sama dengan Z-e, di mana e adalah muatan listrik dasar, sama besarnya dengan muatan elektron (4,8 10 -10 e.-st unit), dan Z adalah nomor atom unsur ini dalam sistem periodik unsur kimia (lihat .). Karena atom yang tidak terionisasi bersifat netral, jumlah elektron yang termasuk di dalamnya juga sama dengan Z. Komposisi inti (lihat. Inti atom) termasuk nukleon, partikel elementer dengan massa kira-kira 1840 kali lebih besar dari massa suatu elektron (sama dengan 9,1 10 - 28 g), proton (lihat), bermuatan positif, dan neutron yang tidak bermuatan (lihat). Jumlah nukleon dalam inti disebut nomor massa dan dilambangkan dengan huruf A. Jumlah proton dalam inti, sama dengan Z, menentukan jumlah elektron yang masuk ke atom, struktur kulit elektron dan kimia sifat-sifat atom. Jumlah neutron dalam inti adalah A-Z. Isotop disebut varietas dari unsur yang sama, yang atom-atomnya berbeda satu sama lain dalam nomor massa A, tetapi memiliki Z yang sama. Jadi, dalam inti atom dari isotop yang berbeda dari satu unsur terdapat jumlah neutron yang berbeda dengan jumlah neutron yang berbeda. jumlah proton yang sama. Saat menentukan isotop, nomor massa A ditulis di bagian atas simbol unsur, dan nomor atom di bagian bawah; misalnya, isotop oksigen dilambangkan: 
Dimensi atom ditentukan oleh dimensi kulit elektron dan untuk semua Z adalah sekitar 10 -8 cm Karena massa semua elektron atom beberapa ribu kali lebih kecil dari massa inti, massa atom atom sebanding dengan nomor massa. Massa relatif atom dari isotop tertentu ditentukan dalam kaitannya dengan massa atom karbon isotop C12, diambil sebagai 12 unit, dan disebut massa isotop. Ternyata mendekati nomor massa isotop yang sesuai. Berat relatif atom suatu unsur kimia adalah nilai rata-rata (dengan mempertimbangkan kelimpahan relatif isotop dari unsur tertentu) dari berat isotop dan disebut berat atom (massa).
Atom adalah sistem mikroskopis, dan struktur serta sifatnya hanya dapat dijelaskan dengan bantuan teori kuantum, yang dibuat terutama pada tahun 20-an abad ke-20 dan dimaksudkan untuk menggambarkan fenomena pada skala atom. Percobaan telah menunjukkan bahwa mikropartikel - elektron, proton, atom, dll - selain sel, memiliki sifat gelombang yang memanifestasikan dirinya dalam difraksi dan interferensi. Dalam teori kuantum, untuk menggambarkan keadaan objek mikro, digunakan medan gelombang tertentu, yang dicirikan oleh fungsi gelombang (-fungsi). Fungsi ini menentukan probabilitas keadaan yang mungkin dari objek mikro, yaitu, mencirikan kemungkinan potensial untuk manifestasi satu atau lain sifat-sifatnya. Hukum variasi fungsi dalam ruang dan waktu (persamaan Schrödinger), yang memungkinkan untuk menemukan fungsi ini, memainkan peran yang sama dalam teori kuantum seperti hukum gerak Newton dalam mekanika klasik. Penyelesaian persamaan Schrödinger dalam banyak kasus mengarah pada kemungkinan keadaan sistem yang diskrit. Jadi, misalnya, dalam kasus atom, serangkaian fungsi gelombang untuk elektron diperoleh sesuai dengan nilai energi yang berbeda (terkuantisasi). Sistem tingkat energi atom, yang dihitung dengan metode teori kuantum, telah menerima konfirmasi brilian dalam spektroskopi. Transisi atom dari keadaan dasar yang sesuai dengan tingkat energi terendah E 0 ke salah satu keadaan tereksitasi E i terjadi ketika sebagian energi E i - E 0 diserap. Sebuah atom tereksitasi masuk ke keadaan kurang tereksitasi atau dasar, biasanya dengan emisi foton. Dalam hal ini, energi foton hv sama dengan perbedaan antara energi atom dalam dua keadaan: hv= E i - E k di mana h adalah konstanta Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v adalah frekuensi cahaya.
Selain spektrum atom, teori kuantum telah memungkinkan untuk menjelaskan sifat-sifat atom lainnya. Secara khusus, valensi, sifat ikatan kimia dan struktur molekul dijelaskan, dan teori sistem periodik unsur dibuat.
Muatan inti () menentukan lokasi unsur kimia dalam tabel D.I. Mendeleev. Nomor Z adalah jumlah proton dalam inti. Cl adalah muatan proton, yang besarnya sama dengan muatan elektron.
Kami tekankan sekali lagi bahwa muatan inti menentukan jumlah muatan elementer positif yang dibawa oleh proton. Dan karena atom umumnya merupakan sistem netral, muatan inti juga menentukan jumlah elektron dalam atom. Dan kita ingat bahwa elektron memiliki muatan dasar negatif. Elektron dalam atom didistribusikan melalui kulit energi dan subkulit tergantung pada jumlah mereka, oleh karena itu, muatan nukleus memiliki efek yang signifikan pada distribusi elektron di seluruh keadaannya. Sifat kimia atom bergantung pada jumlah elektron pada tingkat energi terakhir. Ternyata muatan inti menentukan sifat kimia zat tersebut.
Sekarang lazim untuk menyatakan berbagai unsur kimia sebagai berikut: , di mana X adalah simbol unsur kimia dalam tabel periodik, yang sesuai dengan muatannya.
Unsur-unsur yang memiliki Z yang sama tetapi massa atom yang berbeda (A) (yang berarti bahwa inti memiliki jumlah proton yang sama tetapi jumlah neutron yang berbeda) disebut isotop. Jadi, hidrogen memiliki dua isotop: 1 1 H-hidrogen; 2 1 H-deuterium; 3 1 H-tritium
Ada isotop stabil dan tidak stabil.
Inti atom yang massanya sama tetapi muatannya berbeda disebut isobar. Isobar terutama ditemukan di antara inti berat, dan berpasangan atau triad. Misalnya, dan .
Pengukuran tidak langsung pertama dari muatan nuklir dilakukan oleh Moseley pada tahun 1913. Dia menetapkan hubungan antara frekuensi karakteristik radiasi sinar-X () dan muatan nuklir (Z):
di mana C dan B adalah konstanta yang tidak bergantung pada elemen untuk deret radiasi yang dipertimbangkan.
Muatan inti secara langsung ditentukan oleh Chadwick pada tahun 1920 ketika mempelajari hamburan inti atom helium pada film logam.
Komposisi Inti
Inti atom hidrogen disebut proton. Massa proton adalah:
Nukleus terdiri dari proton dan neutron (secara kolektif disebut nukleon). Neutron ditemukan pada tahun 1932. Massa neutron sangat dekat dengan massa proton. Neutron tidak memiliki muatan listrik.
Jumlah proton (Z) dan jumlah neutron (N) dalam inti disebut nomor massa A:
Karena massa neutron dan proton sangat dekat, masing-masing sama dengan hampir satu satuan massa atom. Massa elektron dalam sebuah atom jauh lebih kecil daripada massa inti, sehingga diyakini bahwa nomor massa inti kira-kira sama dengan massa atom relatif unsur, jika dibulatkan ke bilangan bulat terdekat.
Contoh pemecahan masalah
CONTOH 1
| Latihan | Nukleus adalah sistem yang sangat stabil, oleh karena itu, proton dan neutron harus disimpan di dalam nukleus dengan semacam gaya. Apa yang dapat Anda katakan tentang kekuatan-kekuatan ini? |
| Keputusan | Dapat segera dicatat bahwa gaya yang mengikat nukleon bukan milik gaya gravitasi, yang terlalu lemah. Stabilitas inti tidak dapat dijelaskan dengan adanya gaya elektromagnetik, karena antara proton, sebagai partikel yang membawa muatan dengan tanda yang sama, hanya ada gaya tolak-menolak listrik. Neutron adalah partikel netral secara elektrik. Jenis gaya khusus bekerja di antara nukleon, yang disebut gaya nuklir. Gaya-gaya ini hampir 100 kali lebih kuat dari gaya listrik. Kekuatan nuklir adalah yang paling kuat dari semua kekuatan yang diketahui di alam. Interaksi partikel dalam inti disebut kuat. Fitur berikutnya dari kekuatan nuklir adalah bahwa mereka jarak pendek. Gaya nuklir menjadi terlihat hanya pada jarak orde cm, yaitu pada jarak ukuran inti. |
CONTOH 2
| Latihan | Berapa jarak minimum inti atom helium, yang memiliki energi kinetik sama dengan tumbukan langsung, dapat mendekati inti atom timbal yang tidak bergerak? |
| Keputusan | Mari kita menggambar. Pertimbangkan gerakan inti atom helium ( - partikel) dalam medan elektrostatik, yang menciptakan inti atom timbal yang tidak bergerak. - partikel bergerak menuju inti atom timbal dengan kecepatan menurun ke nol, karena gaya tolak bekerja antara partikel bermuatan serupa. Energi kinetik yang dimiliki partikel akan berubah menjadi energi potensial interaksi - partikel dan medan (), yang menciptakan inti atom timbal: Kami menyatakan energi potensial partikel dalam medan elektrostatik sebagai: di mana muatan inti atom helium; - intensitas medan elektrostatik, yang menciptakan inti atom timbal.
Dari (2.1) - (2.3) kita peroleh: |
Menyelidiki perjalanan partikel melalui foil emas tipis (lihat Bagian 6.2), E. Rutherford sampai pada kesimpulan bahwa atom terdiri dari inti bermuatan positif yang berat dan elektron yang mengelilinginya.
inti disebut pusat atom,di mana hampir semua massa atom dan muatan positifnya terkonsentrasi.
PADA komposisi inti atom termasuk partikel elementer : proton dan neutron (nukleon dari kata latin inti- inti). Model inti proton-neutron seperti itu diusulkan oleh fisikawan Soviet pada tahun 1932 D.D. Ivanenko. Proton memiliki muatan positif e + = 1,06 10 -19 C dan massa diam m p\u003d 1,673 10 -27 kg \u003d 1836 Saya. neutron ( n) adalah partikel netral dengan massa diam M N= 1,675 10 -27 kg = 1839 Saya(dimana massa elektron Saya, sama dengan 0,91 10 -31 kg). pada gambar. 9.1 menunjukkan struktur atom helium menurut gagasan akhir abad XX - awal abad XXI.
Biaya inti sama dengan Ze, di mana e adalah muatan proton, Z- nomor tagihan sama dengan nomor seri unsur kimia dalam sistem periodik unsur Mendeleev, yaitu jumlah proton dalam inti. Jumlah neutron dalam nukleus dilambangkan N. Biasanya Z > N.
inti dengan Z= 1 sampai Z = 107 – 118.
Jumlah nukleon dalam inti A = Z + N ditelepon nomor massa . inti dengan yang sama Z, tapi berbeda TETAPI ditelepon isotop. Kernel, yang, pada saat yang sama A memiliki perbedaan Z, disebut isobar.
Inti dilambangkan dengan simbol yang sama dengan atom netral, di mana X adalah lambang unsur kimia. Misalnya: hidrogen Z= 1 memiliki tiga isotop: – protium ( Z = 1, N= 0), adalah deuterium ( Z = 1, N= 1), – tritium ( Z = 1, N= 2), timah memiliki 10 isotop, dan seterusnya. Sebagian besar isotop dari unsur kimia yang sama memiliki sifat kimia dan fisika yang sama. Secara total, sekitar 300 isotop stabil dan lebih dari 2000 diperoleh secara alami dan buatan diketahui. isotop radioaktif.
Ukuran nukleus ditandai dengan jari-jari nukleus, yang memiliki makna bersyarat karena kaburnya batas nukleus. Bahkan E. Rutherford, menganalisis eksperimennya, menunjukkan bahwa ukuran inti sekitar 10-15 m (ukuran atom adalah 10-10 m). Ada rumus empiris untuk menghitung jari-jari inti:
| , | (9.1.1) |
di mana R 0 = (1.3 - 1.7) 10 -15 m Dari sini terlihat bahwa volume inti sebanding dengan jumlah nukleon.
Massa jenis zat inti berada pada urutan 10 17 kg/m 3 dan konstan untuk semua inti. Ini sangat melebihi kepadatan zat biasa terpadat.
Proton dan neutron adalah fermion, karena berputar ħ /2.
Inti atom memiliki momentum sudut sendiri – putaran nuklir :
 ,
|
(9.1.2) |
di mana Saya – intern(menyelesaikan)spin bilangan kuantum.
Nomor Saya menerima nilai integer atau setengah integer 0, 1/2, 1, 3/2, 2, dst. Kernel dengan bahkan TETAPI memiliki putaran bilangan bulat(dalam satuan ħ ) dan patuhi statistik bos–Einstein(boson). Kernel dengan aneh TETAPI memiliki putaran setengah bilangan bulat(dalam satuan ħ ) dan patuhi statistik Fermi–dirac(itu. inti adalah fermion).
Partikel nuklir memiliki momen magnetiknya sendiri, yang menentukan momen magnetik inti secara keseluruhan. Satuan untuk mengukur momen magnetik inti adalah magneton nuklir racun:
| . | (9.1.3) |
Di Sini e adalah nilai mutlak muatan elektron, m p adalah massa proton.
Magneton nuklir di m p/Saya= 1836,5 kali lebih kecil dari magneton Bohr, oleh karena itu sifat kemagnetan atom ditentukan oleh sifat kemagnetan elektronnya .
Ada hubungan antara spin inti dan momen magnetnya:
| , | (9.1.4) |
dimana racun - rasio gyromagnetic nuklir.
Neutron memiliki momen magnet negatif n– 1,913μ beracun karena arah putaran neutron dan momen magnetnya berlawanan. Momen magnet proton adalah positif dan sama dengan R 2,793μ racun. Arahnya bertepatan dengan arah putaran proton.
Distribusi muatan listrik proton di atas inti umumnya asimetris. Ukuran deviasi distribusi ini dari simetri bola adalah momen listrik quadrupole inti Q. Jika kerapatan muatan diasumsikan sama di semua tempat, maka Q ditentukan hanya oleh bentuk inti. Jadi, untuk elipsoid revolusi
 ,
|
(9.1.5) |
di mana b adalah semisumbu ellipsoid sepanjang arah putaran, sebuah- sumbu dalam arah tegak lurus. Untuk inti yang diregangkan sepanjang arah putaran, b > sebuah dan Q> 0. Untuk nukleus oblate dalam arah ini, b < sebuah dan Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = sebuah dan Q= 0. Hal ini berlaku untuk inti dengan spin sama dengan 0 atau ħ /2.
Untuk melihat demo, klik hyperlink yang sesuai:
