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 kekuatan 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-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 nukleus);
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.
Perubahan inti selama interaksinya dengan partikel individu dan satu sama lain biasanya disebut reaksi nuklir.
Berikut ini, reaksi nuklir yang paling umum.
- 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.
- 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
- 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 :
- 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.
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:
- -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 pelepasan 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-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.
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 pada waktunyat= 0;
A - aktivitas pada suatu waktut.
Inti atom paling sederhana - atom hidrogen - terdiri dari satu partikel elementer yang disebut proton. Inti dari semua atom lain terdiri dari dua jenis partikel, proton dan neutron. Partikel ini disebut nukleon. Proton. Proton memiliki muatan dan massa
Sebagai perbandingan, kami menunjukkan bahwa massa elektron sama dengan
Dari perbandingan (66.1) dan (66.2) dapat disimpulkan bahwa -proton memiliki spin sama dengan setengah dan momen magnetnya sendiri
Satuan momen magnet yang disebut magneton nuklir. Dari perbandingan dengan (33,2) dapat disimpulkan bahwa 1836 kali lebih kecil dari magneton Bohr . Akibatnya, momen magnetik intrinsik proton kira-kira 660 kali lebih kecil daripada momen magnetik elektron.
neutron. Neutron ditemukan pada tahun 1932 oleh fisikawan Inggris D. Chadwick. Muatan listriknya nol, dan massanya
sangat dekat dengan massa proton.
Selisih antara massa neutron dan proton adalah 1,3 MeV, yaitu .
Neutron memiliki putaran yang sama dengan setengah dan (meskipun tidak ada muatan listrik) momen magnetnya sendiri
(tanda minus menunjukkan bahwa arah momen mekanik dan magnetik intrinsik berlawanan). Penjelasan tentang fakta yang menakjubkan ini akan diberikan di 69.
Perhatikan bahwa rasio nilai eksperimental dengan tingkat akurasi yang tinggi adalah -3/2. Ini diperhatikan hanya setelah nilai seperti itu diperoleh secara teoritis.
Dalam keadaan bebas, neutron tidak stabil (radioaktif) - ia meluruh secara spontan, berubah menjadi proton dan memancarkan elektron dan partikel lain yang disebut antineutrino (lihat 81). Waktu paruh (yaitu, waktu yang diperlukan untuk meluruhkan setengah dari jumlah awal neutron) kira-kira 12 menit. Skema peluruhan dapat ditulis sebagai berikut:
Massa antineutrino adalah nol. Massa neutron lebih besar dari massa proton oleh Oleh karena itu, massa neutron melebihi massa total partikel yang muncul di sisi kanan persamaan (66,7), yaitu sebesar 0,77 MeV. Energi ini dilepaskan selama peluruhan neutron dalam bentuk energi kinetik partikel yang dihasilkan.
Karakteristik inti atom. Salah satu karakteristik terpenting dari inti atom adalah nomor muatan Z. Itu sama dengan jumlah proton yang membentuk inti, dan menentukan muatannya, yang sama dengan Nomor Z menentukan nomor seri unsur kimia dalam tabel periodik Mendeleev. Oleh karena itu, ia juga disebut nomor atom inti.
Jumlah nukleon (yaitu, jumlah total proton dan neutron) dalam nukleus dilambangkan dengan huruf A dan disebut nomor massa nukleus. Jumlah neutron dalam inti adalah
Simbol yang digunakan untuk menunjuk inti
di mana X adalah simbol kimia unsur. Nomor massa ditempatkan di kiri atas, nomor atom di kiri bawah (ikon terakhir sering dihilangkan).
Terkadang nomor massa ditulis bukan di sebelah kiri, tetapi di sebelah kanan simbol unsur kimia
Inti dengan Z yang sama tetapi A berbeda disebut isotop. Sebagian besar unsur kimia memiliki beberapa isotop stabil. Jadi, misalnya, oksigen memiliki tiga isotop stabil: timah memiliki sepuluh, dan seterusnya.
Hidrogen memiliki tiga isotop:
Protium dan deuterium stabil, tritium bersifat radioaktif.
Inti dengan nomor massa yang sama A disebut isobar. Sebagai contoh, inti dengan jumlah neutron yang sama disebut isoton.Terakhir, ada inti radioaktif dengan Z dan A yang sama, yang waktu paruhnya berbeda. Mereka disebut isomer. Misalnya, ada dua isomer inti, salah satunya memiliki waktu paruh 18 menit, yang lain memiliki waktu paruh 4,4 jam.
Sekitar 1500 inti diketahui, berbeda baik dalam Z, atau A, atau keduanya. Sekitar 1/5 dari inti ini stabil, sisanya radioaktif. Banyak inti diperoleh secara artifisial menggunakan reaksi nuklir.
Di alam, ada unsur-unsur dengan nomor atom Z dari 1 hingga 92, tidak termasuk teknesium dan prometium.Plutonium, setelah diproduksi secara artifisial, ditemukan dalam jumlah yang dapat diabaikan dalam campuran mineral alami - resin. Unsur transuranium lainnya (yaitu, transuranium) (dengan Z dari 93 hingga 107) diperoleh secara artifisial melalui berbagai reaksi nuklir.
Unsur transuranium curium, einsteinium, fermium) dan mendelevium) dinamai untuk menghormati ilmuwan terkemuka P. dan M. Curie, A. Einstein, E. Fermi dan D. I. Mendeleev. Lawrencium dinamai menurut penemu siklotron E. Lawrence. Kurchatovy) mendapatkan namanya untuk menghormati fisikawan Soviet yang luar biasa I. V. Kurchatov.
Beberapa elemen transuranium, termasuk kurchatovium dan elemen dengan nomor 106 dan 107, diperoleh di Laboratorium Reaksi Nuklir Institut Gabungan untuk Penelitian Nuklir di Dubna oleh ilmuwan Soviet G. N. Flerov dan kolaboratornya.
Ukuran kernel. Dalam pendekatan pertama, nukleus dapat dianggap sebagai bola, yang jari-jarinya ditentukan dengan cukup akurat oleh rumus
(Fermi adalah nama satuan panjang yang digunakan dalam fisika nuklir, sama dengan cm). Dari rumus (66.8) berikut bahwa volume nukleus sebanding dengan jumlah nukleon dalam nukleus. Jadi, kerapatan materi di semua inti kira-kira sama.
Putaran nukleus. Putaran nukleon bertambah hingga menghasilkan putaran nukleus. Putaran nukleon adalah Oleh karena itu, bilangan kuantum spin inti l akan menjadi setengah bilangan bulat untuk jumlah ganjil nukleon A dan bilangan bulat atau nol untuk genap A. Putaran inti l tidak melebihi beberapa unit. Ini menunjukkan bahwa putaran sebagian besar nukleon di dalam inti saling meniadakan, menjadi antiparalel. Semua inti genap (yaitu, inti dengan jumlah proton genap dan jumlah neutron genap) memiliki spin nol.
Setiap atom terdiri dari inti dan kulit atom, yang mencakup berbagai partikel elementer - nukleon dan elektron(Gbr. 5.1). Nukleus adalah bagian tengah atom, mengandung hampir seluruh massa atom dan memiliki muatan positif. Inti terdiri dari proton dan neutron, yang merupakan keadaan bermuatan ganda dari satu partikel elementer - nukleon. Muatan proton +1; neutron 0.
Biaya inti atom adalah Z . ē , di mana Z– nomor seri elemen (nomor atom) dalam sistem periodik Mendeleev, sama dengan jumlah proton dalam nukleus; ē adalah muatan elektron.
Jumlah nukleon dalam inti disebut nomor massa unsur(A):
A = Z + N,
di mana Z adalah jumlah proton; N adalah jumlah neutron dalam inti atom.
Untuk proton dan neutron, nomor massa diambil sama dengan 1, untuk elektron sama dengan 0.
Beras. 5.1. Struktur atom
Sebutan berikut umumnya diterima untuk setiap unsur kimia: X: , di sini A- nomor massa, Z adalah nomor atom unsur.
Inti atom dari unsur yang sama dapat mengandung jumlah neutron yang berbeda. N. Jenis inti atom ini disebut isotop elemen ini. Jadi, isotop memiliki: nomor atom sama, tetapi nomor massa berbeda A. Sebagian besar unsur kimia adalah campuran dari berbagai isotop, misalnya, isotop uranium:
.
Inti atom dari unsur kimia yang berbeda dapat memiliki nomor massa yang sama TETAPI(dengan jumlah proton yang berbeda Z). Jenis inti atom ini disebut isobar. Sebagai contoh:
– – – ; –
Massa atom
Untuk mengkarakterisasi massa atom dan molekul, digunakan konsep massa atom M adalah nilai relatif, yang ditentukan oleh rasio
dengan massa atom karbon dan diambil sama dengan m a = 12.000.000. Untuk
definisi mutlak massa atom diperkenalkan satuan atom
massa(a.m.u.), yang didefinisikan dalam kaitannya dengan massa atom karbon dalam bentuk berikut:
.
Maka massa atom suatu unsur dapat didefinisikan sebagai:
di mana M adalah massa atom isotop unsur yang dipertimbangkan. Ungkapan ini memudahkan untuk menentukan massa inti unsur, partikel elementer, partikel - produk transformasi radioaktif, dll.
Cacat massa nuklir dan energi ikat nuklir
Energi ikat nukleon- kuantitas fisik yang secara numerik sama dengan pekerjaan yang harus dilakukan untuk melepaskan nukleon dari inti tanpa memberikan energi kinetik padanya.
Nukleon terikat di dalam inti oleh gaya nuklir, yang jauh lebih besar daripada gaya tolak-menolak elektrostatik yang bekerja di antara proton. Untuk membelah nukleus, perlu untuk mengatasi gaya-gaya ini, yaitu, untuk mengeluarkan energi. Penyatuan nukleon untuk membentuk nukleus, sebaliknya, disertai dengan pelepasan energi, yang disebut energi ikat nuklirΔ W St:
,
di mana yang disebut cacat massa nuklir; dengan ≈ 3 . 10 8 m/s adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa.
Energi ikat inti- kuantitas fisik yang sama dengan pekerjaan yang perlu dilakukan untuk membagi nukleus menjadi nukleon individu tanpa memberikan energi kinetik kepada mereka.
Ketika nukleus terbentuk, massanya berkurang, yaitu massa nukleus lebih kecil dari jumlah massa nukleon penyusunnya, perbedaan ini disebut cacat massaΔ m:
di mana m p adalah massa proton; M N adalah massa neutron; m nukleus adalah massa nukleus.
Dalam transisi dari massa inti m inti ke massa atom suatu unsur m a, ekspresi ini dapat ditulis dalam bentuk berikut:
di mana m H adalah massa hidrogen; M N adalah massa neutron dan m a adalah massa atom unsur, ditentukan melalui satuan massa atom(a.um.).
Kriteria stabilitas nukleus adalah korespondensi yang ketat antara jumlah proton dan neutron di dalamnya. Untuk stabilitas inti, hubungan berikut ini benar:
,
di mana Z adalah jumlah proton; A adalah nomor massa unsur.
Dari sekitar 1700 jenis inti yang diketahui sejauh ini, hanya sekitar 270 yang stabil. Selain itu, inti genap (yaitu, dengan jumlah proton dan neutron yang genap), yang sangat stabil, mendominasi di alam.
Radioaktivitas
Radioaktivitas- transformasi isotop tidak stabil dari satu unsur kimia menjadi isotop unsur kimia lain dengan pelepasan beberapa partikel elementer. Bedakan: radioaktivitas alami dan buatan.
Jenis utama meliputi:
– radiasi (peluruhan);
– radiasi (peluruhan);
- fisi nuklir spontan.
Inti dari unsur yang meluruh disebut keibuan, dan inti dari elemen yang dihasilkan adalah anak. Peluruhan spontan inti atom mengikuti hukum peluruhan radioaktif berikut:
di mana N 0 adalah jumlah inti dalam unsur kimia pada saat awal waktu; N adalah jumlah inti pada suatu waktu t; - yang disebut "konstanta" peluruhan, yang merupakan fraksi inti yang meluruh per satuan waktu.
Kebalikan dari "konstanta" peluruhan mencirikan umur rata-rata isotop. Salah satu ciri kestabilan inti terhadap peluruhan adalah setengah hidup, yaitu, waktu di mana jumlah awal inti dibagi dua:
Hubungan antara dan:
Selama peluruhan radioaktif, hukum kekekalan muatan:
,
di mana muatan "pecahan" yang membusuk atau menghasilkan (terbentuk); dan aturan konservasi massal:
di mana adalah nomor massa "pecahan" yang terbentuk (meluruh).
5.4.1. dan peluruhan
-pembusukan adalah radiasi dari inti helium. Karakteristik untuk inti "berat" dengan nomor massa besar A> 200 dan isi daya z > 82.
Aturan perpindahan untuk peluruhan memiliki bentuk sebagai berikut (terbentuk elemen baru):
.
; 
.
Perhatikan bahwa peluruhan (radiasi) memiliki kemampuan pengion tertinggi, tetapi permeabilitas terendah.
Ada jenis berikut: -pembusukan:
– peluruhan elektronik (β – peluruhan);
– peluruhan positron (β + -peluruhan);
– penangkapan elektronik (k-capture).
- -pembusukan terjadi dengan kelebihan neutron dengan pelepasan elektron dan antineutrino:
.
+ -pembusukan terjadi dengan kelebihan proton dengan pelepasan positron dan neutrino:
Untuk penangkapan elektronik ( k-menangkap) ditandai dengan transformasi berikut:
.
Aturan perpindahan untuk peluruhan memiliki bentuk sebagai berikut (terbentuk elemen baru):
untuk - -peluruhan: 
;
untuk + -peluruhan: .
-decay (radiasi) memiliki kemampuan pengion terendah, tetapi permeabilitas tertinggi.
dan radiasi disertai -radiasi, yang merupakan radiasi foton dan bukan merupakan jenis radiasi radioaktif independen.
-foton dilepaskan dengan penurunan energi atom yang tereksitasi dan tidak menyebabkan perubahan nomor massa A dan perubahan biaya Z. -radiasi memiliki daya tembus tertinggi.
Aktivitas radionuklida
Aktivitas radionuklida adalah ukuran radioaktivitas yang mencirikan jumlah peluruhan nuklir per satuan waktu. Untuk sejumlah radionuklida dalam keadaan energi tertentu pada waktu tertentu, aktivitas TETAPI diberikan dalam bentuk:
di mana adalah jumlah yang diharapkan dari transformasi nuklir spontan (jumlah peluruhan nuklir) yang terjadi di sumber radiasi pengion selama interval waktu .
Transformasi inti spontan disebut peluruhan radioaktif.
Satuan ukuran untuk aktivitas radionuklida adalah detik timbal balik (), yang memiliki nama khusus becquerel (Bq).
Becquerel sama dengan aktivitas radionuklida di sumber, di mana selama 1 detik. satu transformasi nuklir spontan terjadi.
Unit aktivitas di luar sistem - curie (Ku).
Curie - aktivitas radionuklida di sumbernya, di mana selama 1 detik. terjadi 3.7 . 10 10 transformasi nuklir spontan, yaitu 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.
Misalnya, sekitar 1 g radium murni memberikan aktivitas 3,7 . 10 10 disintegrasi nuklir per detik.
Tidak semua inti radionuklida meluruh secara bersamaan. Dalam setiap satuan waktu, transformasi nuklir spontan terjadi dengan fraksi inti tertentu. Bagian transformasi nuklir untuk radionuklida yang berbeda berbeda. Misalnya, dari jumlah total inti radium, 1,38 meluruh setiap detik . bagian, dan dari jumlah total inti radon - 2.1 . bagian. Fraksi peluruhan inti per satuan waktu disebut konstanta peluruhan .
Dari definisi di atas dapat disimpulkan bahwa kegiatan TETAPI berhubungan dengan jumlah atom radioaktif N di sumber pada waktu tertentu dengan rasio:
Seiring waktu, jumlah atom radioaktif berkurang sesuai dengan hukum:
, (3) – 30 tahun, radon permukaan atau linier aktivitas.
Pilihan unit kegiatan tertentu ditentukan oleh tugas tertentu. Misalnya, aktivitas di udara dinyatakan dalam becquerels per meter kubik (Bq / m 3) - aktivitas volumetrik. Aktivitas dalam air, susu dan cairan lainnya juga dinyatakan sebagai aktivitas volumetrik, karena jumlah air dan susu diukur dalam liter (Bq/l). Aktivitas dalam roti, kentang, daging dan produk lainnya dinyatakan sebagai aktivitas spesifik (Bq/kg).
Jelas, efek biologis dari paparan radionuklida pada tubuh manusia akan tergantung pada aktivitasnya, yaitu pada jumlah radionuklida. Oleh karena itu, volume dan aktivitas spesifik radionuklida di udara, air, makanan, bangunan dan bahan lainnya distandarisasi.
Karena untuk waktu tertentu seseorang dapat diiradiasi dengan berbagai cara (dari masuknya radionuklida ke dalam tubuh hingga paparan eksternal), semua faktor paparan dikaitkan dengan nilai tertentu, yang disebut dosis radiasi.
Proton adalah atom hidrogen yang satu elektronnya telah dilepaskan. Partikel ini sudah diamati dalam eksperimen J. Thomson (1907), yang berhasil mengukur rasionya e/m. Pada tahun 1919, E. Rutherford menemukan inti atom hidrogen dalam produk fisi inti atom dari banyak unsur. Rutherford menyebut partikel ini sebagai proton. Dia menyarankan bahwa proton adalah bagian dari semua inti atom.
Skema percobaan Rutherford disajikan.
Deskripsi instalasi yang memungkinkan untuk mendaftarkan neutron dapat dilihat.
Tidak seperti elektron, proton dan neutron tunduk pada gaya nuklir tertentu. Gaya nuklir adalah kasus khusus dari interaksi terkuat di alam. Karena gaya nuklir, proton dan neutron dapat bergabung satu sama lain, membentuk berbagai inti atom.
Sifat-sifat proton dan neutron sehubungan dengan interaksi kuat adalah persis sama, yang, tampaknya, menjelaskan kedekatan massa mereka. Oleh karena itu, dalam fisika nuklir, istilah nukleon sering digunakan, yang menunjukkan partikel apa pun yang merupakan bagian dari nukleus, baik proton maupun neutron. Kita dapat mengatakan bahwa proton dan neutron adalah dua keadaan dari partikel yang sama - nukleon.
Atom bersifat netral secara listrik. Oleh karena itu, jumlah proton dalam inti atom harus sama dengan jumlah elektron pada kulit atom, mis. nomor atom Z. Jumlah total nukleon (yaitu proton dan neutron) dalam inti dilambangkan dengan A dan disebut nomor massa. angka Z dan A sepenuhnya mencirikan komposisi nukleus. Prioritas-A:
| A=Z+N. |
Untuk menunjukkan inti yang berbeda, notasi bentuk Z biasanya digunakan X A, dimana X- simbol kimia yang sesuai dengan elemen dengan yang diberikan Z. Misalnya, ekspresi 4 Be 9 menunjukkan inti atom berilium dengan Z = 4, A= 9, memiliki 4 proton dan 5 neutron. Subskrip kiri tidak diperlukan karena nomor atom Z diidentifikasi secara unik dengan nama elemen. Oleh karena itu, singkatan jenis Be 9 sering digunakan ( berbunyi "berilium sembilan").
kernel dengan yang sama Z dan berbeda A disebut isotop. Misalnya uranium Z= 92) ada isotop 92 U 236 , 92 U 238 . Terkadang istilah isobar digunakan (untuk inti dengan A dan berbeda Z) dan isoton (untuk inti dengan yang sama) N dan berbeda Z). Istilah nuklida digunakan untuk menunjuk atom dari isotop tertentu.
Unsur terberat yang ditemukan di alam adalah isotop uranium 92 U 238 . Unsur dengan nomor atom lebih besar dari 92 disebut transuranik. Semuanya diperoleh secara artifisial sebagai hasil dari berbagai reaksi nuklir.
Dalam hal sifat nuklir murni mereka, berbagai isotop, sebagai suatu peraturan, memiliki sedikit kesamaan. Tetapi dalam sebagian besar kasus, atom-atom dari isotop yang berbeda memiliki sifat kimia yang sama dan sifat fisik yang hampir sama, karena struktur kulit elektron atom secara praktis dipengaruhi oleh nukleus hanya oleh muatan listriknya. Oleh karena itu, isolasi isotop apa pun, misalnya, U 235 dari campurannya sendiri dengan 92 U 238, adalah masalah teknologi yang kompleks, yang menggunakan perbedaan kecil dalam laju penguapan, difusi, dan beberapa proses lain yang muncul karena perbedaan tersebut. dalam massa isotop.
nomor atom Z sama dengan muatan listrik inti dalam satuan nilai mutlak muatan elektron. Muatan listrik adalah nilai bilangan bulat, yang dilestarikan secara ketat untuk setiap interaksi (termasuk non-elektromagnetik). Totalitas data eksperimen yang tersedia tentang transformasi timbal balik inti atom dan partikel elementer menunjukkan bahwa, selain hukum kekekalan muatan listrik, ada hukum kekekalan muatan barion yang serupa dan tegas. Yaitu, setiap partikel dapat diberi nilai tertentu dari muatan baryon, dan jumlah aljabar dari muatan baryon semua partikel tetap tidak berubah dalam proses apa pun.
Muatan baryon dari semua partikel adalah bilangan bulat. Muatan baryon elektron dan -kuantum sama dengan nol, dan muatan barion proton dan neutron sama dengan satu. Jadi nomor massa TETAPI adalah muatan barion inti. Hukum kekekalan muatan baryon memastikan stabilitas inti atom. Misalnya, hukum ini melarang transformasi yang menguntungkan energi, yang diizinkan oleh semua hukum kekekalan lainnya, dari dua neutron nuklir menjadi sepasang partikel -kuanta yang paling ringan.
Inti atom hanya dapat ada dalam kisaran nilai kuantitas yang terbatas A, Z. Di luar wilayah ini, jika inti yang sesuai muncul, maka secara instan (yaitu, dalam waktu nuklir karakteristik 10 21 s) meluruh menjadi inti yang lebih kecil atau memancarkan proton atau neutron. Dalam wilayah keberadaan yang mungkin, tidak semua inti stabil.
 Gambar 2.1. Diagram proton-neutron inti atom. |
Inti yang diketahui sampai saat ini diplot pada diagram alir neutron (Gambar 2.1). Di atasnya, garis padat halus menunjukkan batas teoritis wilayah kemungkinan keberadaan inti. Penentuan eksperimental batas ini diperumit oleh fakta bahwa, ketika mendekatinya (dari dalam), masa hidup inti, meskipun mereka secara signifikan melebihi yang khas (~10 21 dengan), tetapi terlalu kecil untuk teknik eksperimental modern. Inti stabil membentuk jalur stabilitas pada diagram proton-neutron. Fakta-fakta empiris dan keteraturan berikut dalam kaitannya dengan A dan Z untuk kernel yang stabil:
|
KOMPOSISI NUKLIR ATOM. ENERGI KOMUNIKASI
1. Susunan inti atom. Tak lama setelah penemuan neutron (1932), fisikawan Soviet D. D. Ivanenko dan fisikawan Jerman W. Heisenberg menyarankan bahwa inti atom terdiri dari proton dan neutron. Partikel ini disebut nukleon. Jumlah proton Z, yang merupakan bagian dari nukleus, menentukan muatannya, yang sama dengan +ze. Nomor Z disebut nomor atom (ini menentukan nomor urut unsur kimia dalam Tabel Periodik Mendeleev) atau nomor muatan inti.
Jumlah nukleon A (yaitu, jumlah total proton dan neutron) dalam nukleus disebut nomor massa nukleus. Jumlah neutron dalam inti adalah N=A-Z.
Simbol yang digunakan untuk menunjuk inti
di mana X adalah simbol kimia unsur. Di atas adalah nomor massanya, di bawah adalah nomor atomnya.
2. Isotop. Telah diketahui sejak tahun 1906 bahwa tidak semua atom dari unsur kimia yang sama memiliki massa yang sama. Misalnya, di antara atom klor ada atom dengan massa mendekati 35, dan massa mendekati 37. Di antara atom uranium ada atom dengan massa 234, 235, 238 dan 239. Ada perbedaan massa untuk atom lain zat.
Semua isotop dari unsur yang sama memiliki sifat kimia yang sangat mirip, yang menunjukkan struktur kulit elektron yang sama, dan, akibatnya, muatan inti yang sama dan jumlah proton yang sama dalam inti. Di sinilah nama mereka berasal - dari kata Yunani "isos" - sama dan "topos" - tempat: tempat yang sama dalam Tabel Periodik Unsur Kimia D. I. Mendeleev.
Perbedaan massa antar isotop disebabkan oleh perbedaan jumlah neutron di dalamnya. Dengan demikian, isotop disebut varietas dari unsur kimia tertentu, berbeda dalam massa intinya.
Hukum peluruhan radioaktif ditetapkan oleh F. Soddy. Secara empiris, E. Rutherford menemukan bahwa aktivitas peluruhan radioaktif menurun seiring waktu. Untuk setiap zat radioaktif, ada interval waktu di mana aktivitas berkurang 2 kali, yaitu. waktu paruh T dari zat ini. Misal jumlah atom radioaktif N, waktu t =0. Melalui t 1 \u003d T, jumlah inti yang tidak membusuk N 1 \u003d N 0 / 2, setelah t 2 \u003d 2T akan tetap ada
Setelah waktu berlalu t=nT, yaitu nanti n waktu paruh T, atom radioaktif akan tetap:
Sejauh n=t/T,
Ini adalah hukum dasar radioaktif membusuk.
4. Kekuatan nuklir. Fakta sederhana membuktikan kekuatan inti atom: benda-benda di sekitar kita ada untuk waktu yang lama tanpa hancur menjadi partikel. Tetapi bagaimana fakta-fakta ini dapat dijelaskan? Bagaimanapun, proton adalah bagian dari inti atom, dan gaya tolak elektrostatik seharusnya "mendorong" mereka terpisah. Ini menyiratkan kesimpulan bahwa di dalam inti di antara nukleon ada beberapa gaya yang melebihi gaya tolakan elektrostatik. Gaya-gaya ini disebut gaya nuklir. Gaya nuklir bekerja antara setiap nukleon (antara proton, antara neutron, dan antara proton dan neutron). Ciri khas gaya nuklir adalah jarak pendeknya: pada jarak 10 -15 m mereka kira-kira 100 kali lebih besar daripada gaya interaksi elektrostatik, tetapi sudah pada jarak 10 -14 m mereka ternyata dapat diabaikan.
5. Energi komunikasi. Untuk mengeluarkan proton atau neutron dari nukleus, pekerjaan harus dilakukan untuk mengatasi gaya nuklir jarak pendek. Akibatnya, energi sistem "inti yang tersisa - nukleon yang dipindahkan" meningkat sebesar E sama dengan kerja gaya luar.
Energi yang diperlukan untuk pemisahan sempurna inti menjadi proton dan neutron yang terpisah disebut energi ikat inti.
Menurut hukum hubungan antara massa dan energi, dalam hal ini massa partikel juga bertambah sebesar
Akibatnya, massa inti selalu lebih kecil dari jumlah massa partikel penyusunnya yang diambil secara terpisah. Dalam fisika nuklir, massa partikel dinyatakan dalam satuan massa atom. Satuan massa atom sama dengan 1/12 massa atom dari isotop karbon-12.
1 pagi = 1.6605655 10 -27 kg
Tabel menunjukkan massa beberapa inti stabil dan partikel elementer.
Meja
| Simbol kernel | massa, a. makan. | Simbol kernel | massa, a. makan. |
| 1,008665 | 14,003242 | ||
| 1,007825 | 16,999134 | ||
| 4,002603 | 235,043933 |
aturan perpindahan. Transformasi inti mematuhi apa yang disebut aturan perpindahan, dan pertama kali dirumuskan oleh Soddy: selama peluruhan a, inti kehilangan muatan positifnya 2e dan massanya berkurang kira-kira empat satuan massa atom. Akibatnya, elemen digeser dua sel ke awal tabel periodik. Secara simbolis dapat dituliskan sebagai berikut:
Di sini, unsur dilambangkan, seperti dalam kimia, dengan simbol konvensional: muatan inti ditulis sebagai indeks di kiri bawah simbol, dan massa atom ditulis sebagai indeks di kiri atas simbol. Misalnya, hidrogen diwakili oleh simbol . Untuk sebuah- partikel, yang merupakan inti atom helium, sebutan yang digunakan, dll. Dalam peluruhan -, sebuah elektron terbang keluar dari nukleus. Akibatnya, muatan inti meningkat satu, sementara massanya hampir tidak berubah:
Di sini menunjukkan elektron: indeks "0" di atas berarti massanya sangat kecil dibandingkan dengan satuan massa atom. Setelah - peluruhan, elemen bergerak satu sel lebih dekat ke akhir tabel periodik. Radiasi gamma tidak disertai dengan perubahan muatan; massa inti berubah sangat kecil.
Aturan perpindahan menunjukkan bahwa selama peluruhan radioaktif, muatan listrik kekal dan massa atom relatif inti kira-kira kekal.
Inti baru yang terbentuk selama peluruhan radioaktif, pada gilirannya, biasanya juga radioaktif.
Contoh. Dengan menggunakan data tabel ini, kami menghitung energi ikat inti atom helium:
Massa inti helium adalah 4.002603 a.m.u.
Massa nukleon individu
Beda massa: m = (4.032980 - 4.002603) sma =0,030377 sma, dan energi ikat:
Sejak: 1 amu \u003d 1.660566 * 10 -27 kg, dan c \u003d 3 * 108 m / s, maka E \u003d 0,030377 * 1,660566 * 10 -27 kg * 9 10 16 m 2 / s 2, atau E \u003d 0,030377 * 1,660566 9 10 -11 J.
Dalam fisika nuklir, energi biasanya dinyatakan dalam elektronvolt. Karena 1 eV = 1,60219 10 -19 J, maka
Sangat mudah untuk melihat bahwa pecahan
tidak tergantung pada kondisi masalah. Oleh karena itu, di masa depan, perhitungan dalam reaksi atom akan dilakukan sebagai berikut:
E = m a.m.u. 931 MeV/a.m.u.
Jadi, energi ikat inti atom helium:
Dengan membagi total energi ikat inti atom dengan jumlah nukleon di dalamnya, seseorang dapat memperoleh apa yang disebut energi ikat spesifik. Untuk inti atom helium, energi ikat spesifiknya adalah MeV per nukleon.
Menjawab: energi ikat spesifik untuk inti atom helium adalah sekitar 7 MeV per nukleon.
