ESTRUTURA DO NUCLEAR DO ÁTOMO

Em 1932 após a descoberta do próton e do nêutron pelos cientistas D.D. Ivanenko (URSS) e W. Heisenberg (Alemanha) foram indicados modelo próton-nêutron do núcleo atômico.

De acordo com este modelo:
- os núcleos de todos os elementos químicos consistem em nucleons: prótons e nêutrons
- a carga do núcleo é devida apenas aos prótons
- o número de prótons no núcleo é igual ao número atômico do elemento
- o número de nêutrons é igual à diferença entre o número de massa e o número de prótons (N=A-Z)

Símbolo do kernelátomo de um elemento químico:

X - símbolo de um elemento químico

A é o número de massa, que mostra:
- a massa do núcleo em unidades de massa atômica inteira (a.m.u.)
(1a.m.u. = 1/12 da massa de um átomo de carbono)
- número de nucleons no núcleo
- (A = N + Z), onde N é o número de nêutrons no núcleo de um átomo

Z - número da carga, que mostra:
- a carga do núcleo em cargas elétricas elementares (e.c.)
(1e.e.z. \u003d carga eletrônica \u003d 1,6 x 10 -19 C)
- número de prótons
- número de elétrons em um átomo
- número de série na tabela periódica

A massa do núcleo é sempre menor que a soma das massas de repouso dos prótons e nêutrons livres que o compõem.
Isso ocorre porque prótons e nêutrons no núcleo são fortemente atraídos um pelo outro. Dá muito trabalho separá-los. Portanto, a energia de repouso total do núcleo não é igual à energia de repouso de suas partículas constituintes. É menor pela quantidade de trabalho para superar as forças nucleares de atração.
A diferença entre a massa do núcleo e a soma das massas dos prótons e nêutrons é chamada de defeito de massa.

Lembre-se do tópico "Física Atômica" para o 9º ano:

Radioatividade.
transformações radioativas.
A composição do núcleo atômico. Forças nucleares.
Energia de comunicação. defeito de massa.
Fissão de núcleos de urânio.
Reação nuclear em cadeia.
Reator nuclear.
reação termonuclear.

Outras páginas sobre o tema "Física Atômica" para as séries 10-11:

COMO O ÁTOMO É ESTUDADO

Um átomo é um núcleo de prótons e nêutrons em torno do qual os elétrons giram. Os tamanhos dos átomos são milésimos de mícron. Mas há além gigantes "átomos" cerca de 10 quilômetros de diâmetro. Pela primeira vez tal "átomo" foi descoberto em 1967, e agora existem mais de mil deles. isto estrelas de nêutrons- restos de supernovas, que na verdade são enormes núcleos atômicos, consistindo de 90% de nêutrons e 10% de prótons, e são cercados por uma "atmosfera" de elétrons.
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Na década de 1920, um jovem físico foi treinado por E. Rutherford. Dois meses depois, Rutherford o convidou para sua casa e disse que nada daria certo. "Por quê? Afinal, eu trabalho 20 horas por dia!?" o jovem retrucou. "Isso é ruim! Você Não há mais tempo pensar! Rutherford respondeu.

Em 1908, o famoso físico Ernest Rutherford disse que havia lidado com muitas transformações na natureza, mas dificilmente poderia prever uma transformação tão momentânea. - De físicos a químicos! Em 1908, E. Rutherford recebeu Prêmio Nobel de Química por seu trabalho no estudo do átomo. Naqueles anos, a pesquisa sobre a estrutura do átomo e a radioatividade foi classificada como química.

DEFINIÇÃO

Átomo Consiste em um núcleo carregado positivamente, dentro do qual estão prótons e nêutrons, e os elétrons se movem em órbitas ao seu redor. núcleo do átomo localizado no centro e quase toda a sua massa está concentrada nele.

A carga do núcleo de um átomo determina o elemento químico ao qual esse átomo pertence.

A existência do núcleo atômico foi provada em 1911 por E. Rutherford e descrita em um trabalho chamado "Dispersão de raios α e β e a estrutura do átomo". Depois disso, vários cientistas apresentaram inúmeras teorias sobre a estrutura do núcleo atômico (gota (N. Bohr), concha, aglomerado, óptico, etc.).

A estrutura eletrônica do núcleo atômico

De acordo com as idéias modernas, o núcleo atômico consiste em prótons carregados positivamente e nêutrons neutros, que juntos são chamados de nucleons. Eles são mantidos no núcleo devido à forte interação.

O número de prótons no núcleo é chamado de número de carga (Z). Pode ser determinado usando a Tabela Periódica de D. I. Mendeleev - é igual ao número de série do elemento químico ao qual o átomo pertence.

O número de nêutrons em um núcleo é chamado de número isotópico (N). O número total de nucleons no núcleo é chamado de número de massa (M) e é igual à massa atômica relativa de um átomo de um elemento químico, indicada na Tabela Periódica de D. I. Mendeleev.

Núcleos com o mesmo número de nêutrons, mas diferentes números de prótons são chamados de isótonos. Se o núcleo tem o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons - isótopos. No caso em que os números de massa são iguais, mas a composição dos nucleons é diferente - isóbaras.

O núcleo de um átomo pode estar em um estado estável (fundo) e em um estado excitado.

Considere a estrutura do núcleo atômico usando o exemplo do elemento químico oxigênio. O oxigênio tem o número de série 8 na Tabela Periódica de D. I. Mendeleev e uma massa atômica relativa de 16 a.m.u. Isso significa que o núcleo do átomo de oxigênio tem uma carga igual a (+8). O núcleo contém 8 prótons e 8 nêutrons (Z=8, N=8, M=16), e 8 elétrons se movem ao longo de 2 órbitas ao redor do núcleo (Fig. 1).

Arroz. 1. Representação esquemática da estrutura do átomo de oxigênio.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

EXEMPLO 2

Exercício	Caracterize por números quânticos todos os elétrons que estão no subnível 3p.
Solução	Existem seis elétrons no subnível p do 3º nível:

Como já observado, um átomo consiste em três tipos de partículas elementares: prótons, nêutrons e elétrons. O núcleo atômico é a parte central do átomo, consistindo de prótons e nêutrons. Prótons e nêutrons têm o nome comum de nucleon, no núcleo eles podem se transformar um no outro. O núcleo do átomo mais simples, o átomo de hidrogênio, consiste em uma partícula elementar, o próton.

O diâmetro do núcleo de um átomo é aproximadamente 10 -13 - 10 -12 cm e é 0,0001 do diâmetro de um átomo. No entanto, quase toda a massa de um átomo (99,95 - 99,98%) está concentrada no núcleo. Se fosse possível obter 1 cm 3 de matéria nuclear pura, sua massa seria de 100 a 200 milhões de toneladas. A massa do núcleo de um átomo é vários milhares de vezes maior do que a massa de todos os elétrons que compõem o átomo.

próton- uma partícula elementar, o núcleo de um átomo de hidrogênio. A massa de um próton é 1,6721x10 -27 kg, é 1836 vezes a massa de um elétron. A carga elétrica é positiva e igual a 1,66x10 -19 C. Um pingente é uma unidade de carga elétrica igual à quantidade de eletricidade que passa pela seção transversal de um condutor em um tempo de 1s a uma força de corrente constante de 1A (ampères).

Cada átomo de qualquer elemento contém um certo número de prótons no núcleo. Este número é constante para um determinado elemento e determina suas propriedades físicas e químicas. Ou seja, o número de prótons depende de qual elemento químico estamos lidando. Por exemplo, se um próton no núcleo é hidrogênio, se 26 prótons são ferro. O número de prótons no núcleo atômico determina a carga do núcleo (carga número Z) e o número de série do elemento no sistema periódico de elementos D.I. Mendeleev (número atômico do elemento).

Hnêutron- uma partícula eletricamente neutra com uma massa de 1,6749 x10 -27 kg, 1839 vezes a massa de um elétron. Um neurônio em estado livre é uma partícula instável; ele se transforma independentemente em um próton com a emissão de um elétron e um antineutrino. A meia-vida dos nêutrons (o tempo durante o qual metade do número original de nêutrons decai) é de aproximadamente 12 minutos. No entanto, em um estado ligado dentro de núcleos atômicos estáveis, é estável. O número total de nucleons (prótons e nêutrons) no núcleo é chamado de número de massa (massa atômica - A). O número de nêutrons que compõem o núcleo é igual à diferença entre os números de massa e carga: N = A - Z.

Elétron- uma partícula elementar, a portadora da menor massa - 0,91095x10 -27 g e a menor carga elétrica - 1,6021x10 -19 C. Esta é uma partícula carregada negativamente. O número de elétrons em um átomo é igual ao número de prótons no núcleo, ou seja, o átomo é eletricamente neutro.

Pósitron– uma partícula elementar com carga elétrica positiva, uma antipartícula em relação a um elétron. A massa de um elétron e um pósitron são iguais, e as cargas elétricas são iguais em valor absoluto, mas opostos em sinal.

Diferentes tipos de núcleos são chamados de nuclídeos. Um nuclídeo é um tipo de átomo com um determinado número de prótons e nêutrons. Na natureza, existem átomos do mesmo elemento com diferentes massas atômicas (números de massa): 17 35 Cl, 17 37 Cl, etc. Os núcleos desses átomos contêm o mesmo número de prótons, mas um número diferente de nêutrons. Variedades de átomos do mesmo elemento que têm a mesma carga nuclear, mas diferentes números de massa são chamados isótopos . Tendo o mesmo número de prótons, mas diferindo no número de nêutrons, os isótopos têm a mesma estrutura das camadas eletrônicas, ou seja, propriedades químicas muito semelhantes e ocupam o mesmo lugar na tabela periódica dos elementos químicos.

Os isótopos são indicados pelo símbolo do elemento químico correspondente com o índice A localizado no canto superior esquerdo - o número de massa, às vezes o número de prótons (Z) também é dado no canto inferior esquerdo. Por exemplo, os isótopos radioativos de fósforo são 32 P, 33 P ou 15 32 P e 15 33 P, respectivamente. Ao designar um isótopo sem indicar o símbolo do elemento, o número de massa é fornecido após a designação do elemento, por exemplo, fósforo - 32, fósforo - 33.

A maioria dos elementos químicos tem vários isótopos. Além do isótopo de hidrogênio 1H-prótio, hidrogênio pesado 2H-deutério e hidrogênio superpesado 3H-trítio são conhecidos. O urânio tem 11 isótopos, em compostos naturais existem três deles (urânio 238, urânio 235, urânio 233). Eles têm 92 prótons e 146.143 e 141 nêutrons, respectivamente.

Atualmente, são conhecidos mais de 1900 isótopos de 108 elementos químicos. Destes, os isótopos naturais incluem todos os isótopos estáveis ​​(há aproximadamente 280 deles) e os isótopos naturais que fazem parte das famílias radioativas (há 46 deles). O resto é artificial, eles são obtidos artificialmente como resultado de várias reações nucleares.

O termo "isótopos" só deve ser usado quando se referir a átomos do mesmo elemento, por exemplo, isótopos de carbono 12 C e 14 C. Se se referir a átomos de diferentes elementos químicos, recomenda-se usar o termo "nuclídeos", para exemplo, radionuclídeos 90 Sr, 131 J, 137 Cs.

Acadêmico A. F. Ioffe. "Ciência e Vida" nº 1, 1934

O artigo "O Núcleo do Átomo" do acadêmico Abram Fedorovich Ioffe abriu o primeiro número da revista "Ciência e Vida", recém-criada em 1934.

E. Rutherford.

F. W. Aston.

NATUREZA ONDA DA MATÉRIA

No início do século XX, a estrutura atomística da matéria deixou de ser uma hipótese, e o átomo tornou-se a mesma realidade que os fatos e fenômenos comuns a nós são reais.

Descobriu-se que o átomo é uma formação muito complexa, que sem dúvida inclui cargas elétricas e talvez apenas cargas elétricas. Assim, naturalmente, surgiu a questão sobre a estrutura do átomo.

O primeiro modelo do átomo foi modelado após o sistema solar. No entanto, essa ideia da estrutura do átomo logo se tornou insustentável. E é natural. A ideia do átomo como sistema solar foi uma transferência puramente mecânica da imagem associada às escalas astronômicas para a região do átomo, onde as escalas são apenas centésimos de milionésimos de centímetro. Uma mudança quantitativa tão acentuada não poderia deixar de acarretar uma mudança muito significativa nas propriedades qualitativas dos mesmos fenômenos. Essa diferença se reflete principalmente no fato de que o átomo, ao contrário do sistema solar, deve ser construído de acordo com regras muito mais rigorosas do que aquelas leis que determinam as órbitas dos planetas do sistema solar.

Houve duas dificuldades. Primeiro, todos os átomos de um determinado tipo, de um determinado elemento, são exatamente iguais em suas propriedades físicas e, consequentemente, as órbitas dos elétrons nesses átomos devem ser exatamente as mesmas. Enquanto isso, as leis da mecânica que governam o movimento dos corpos celestes não dão absolutamente nenhuma razão para isso. Dependendo da velocidade inicial, a órbita do planeta pode ser, de acordo com essas leis, completamente arbitrária, o planeta pode girar todas as vezes com a velocidade correspondente em qualquer órbita, a qualquer distância do Sol. Se as mesmas órbitas arbitrárias existissem nos átomos, os átomos da mesma substância não poderiam ser tão idênticos em suas propriedades, por exemplo, fornecer um espectro de luminescência estritamente idêntico. Esta é uma contradição.

A outra era que o movimento de um elétron em torno de um núcleo atômico, se a ele fossem aplicadas leis, bem estudadas por nós em larga escala de experimentos de laboratório ou mesmo fenômenos astronômicos, teria que ser acompanhada por uma emissão contínua de energia. Consequentemente, a energia do átomo teria que ser continuamente esgotada e, novamente, o átomo não poderia manter as mesmas propriedades inalteradas ao longo de séculos e milênios, e todo o mundo e todos os átomos teriam que experimentar uma atenuação contínua, uma perda contínua da energia contida neles. Isso também não é incompatível com as propriedades básicas dos átomos.

A última dificuldade foi particularmente aguda. Parecia levar toda a ciência a um beco sem saída insolúvel.

O notável físico Lorentz encerrou nossa conversa sobre o assunto assim: "Lamento não ter morrido há cinco anos, quando essa contradição ainda não existia. Então eu teria morrido na convicção de ter revelado parte da verdade em fenômenos naturais."

Ao mesmo tempo, na primavera de 1924, de Broglie, um jovem estudante de Langevin, expressou em sua dissertação uma ideia que, em seu desenvolvimento posterior, levou a uma nova síntese.

A ideia de De Broglie, mais tarde alterada substancialmente, mas ainda amplamente preservada, era que o movimento de um elétron girando em torno do núcleo de um átomo não é apenas o movimento de uma certa bola, como se imaginava anteriormente, que esse movimento é acompanhado por algum onda que viaja com o elétron em movimento. Um elétron não é uma bola, mas alguma substância elétrica borrada no espaço, cujo movimento é ao mesmo tempo a propagação de uma onda.

Essa ideia, então estendida não apenas aos elétrons, mas também ao movimento de qualquer corpo - e um elétron, um átomo e toda uma coleção de átomos - afirma que qualquer movimento de um corpo contém dois lados, dos quais podemos ver especialmente em casos individuais claramente um lado, enquanto o outro não é perceptível. Em um caso, vemos, por assim dizer, ondas se propagando e não notamos o movimento das partículas; no outro caso, ao contrário, as próprias partículas em movimento vêm à tona e a onda escapa à nossa observação.

Mas, de fato, ambos os lados estão sempre presentes e, em particular, no movimento dos elétrons não há apenas o movimento das próprias cargas, mas também a propagação da onda.

Não se pode dizer que não há movimento de elétrons ao longo das órbitas, mas há apenas pulsação, apenas ondas, ou seja, outra coisa. Não, seria mais correto dizer isso: não negamos de forma alguma o movimento dos eletrodos, que comparamos ao movimento dos planetas ao redor do Sol, mas esse movimento em si tem o caráter de uma pulsação, e não o movimento caráter do movimento do globo em torno do Sol.

Não vou descrever aqui a estrutura do átomo, a estrutura de sua camada eletrônica, que determina todas as propriedades físicas básicas - coesão, elasticidade, capilaridade, propriedades químicas, etc. Tudo isso é resultado do movimento da camada eletrônica, ou, como agora dizemos, átomo de pulsações.

O PROBLEMA DO NUCLEAR

O núcleo desempenha o papel mais importante no átomo. Este é o centro em torno do qual giram todos os elétrons e cujas propriedades determinam, em última análise, todo o resto.

A primeira coisa que pudemos aprender sobre o núcleo foi sua carga. Sabemos que um átomo contém um certo número de elétrons carregados negativamente, mas o átomo como um todo não tem carga elétrica. Isso significa que deve haver cargas positivas correspondentes em algum lugar. Essas cargas positivas estão concentradas no núcleo. O núcleo é uma partícula carregada positivamente, em torno da qual pulsa a atmosfera de elétrons, envolvendo o núcleo. A carga do núcleo determina o número de elétrons.

Os elétrons de ferro e cobre, vidro e madeira são exatamente os mesmos. Não faz mal a um átomo perder alguns de seus elétrons, ou mesmo perder todos os seus elétrons. Enquanto um núcleo carregado positivamente permanecer, esse núcleo atrairá tantos elétrons de outros corpos circundantes quantos forem necessários, e o átomo será preservado. Um átomo de ferro permanece ferro enquanto seu núcleo estiver intacto. Se perder alguns elétrons, a carga positiva do núcleo será maior que a totalidade das cargas negativas restantes, e todo o átomo como um todo adquirirá uma carga positiva em excesso. Então nós o chamamos não de átomo, mas de íon de ferro positivo. Em outro caso, o átomo pode, ao contrário, atrair mais elétrons negativos para si do que cargas positivas - então ele será carregado negativamente, e nós o chamamos de íon negativo; será o íon negativo do mesmo elemento. Conseqüentemente, a individualidade de um elemento, todas as suas propriedades existem e são determinadas pelo núcleo, a carga deste núcleo, em primeiro lugar.

Além disso, - a massa de um átomo em sua parte esmagadora é determinada precisamente pelo núcleo, e não pelos elétrons, - a massa dos elétrons é inferior a um milésimo da massa do átomo inteiro; mais de 0,999 da massa total é a massa do núcleo. Isso é ainda mais importante porque consideramos a massa uma medida da reserva de energia que uma dada substância possui; massa é a mesma medida de energia que erg, quilowatt-hora ou caloria.

A complexidade do núcleo foi revelada no fenômeno da radioatividade, descoberto logo após os raios X, à beira do nosso século. Sabe-se que os elementos radioativos emitem energia continuamente na forma de raios alfa, beta e gama. Mas essa radiação contínua de energia deve ter alguma fonte. Em 1902, Rutherford mostrou que a única fonte dessa energia deveria ser o átomo, ou seja, a energia nuclear. O outro lado da radioatividade é que a emissão desses raios transfere um elemento localizado em um local do sistema periódico para outro elemento com propriedades químicas diferentes. Em outras palavras, os processos radioativos realizam a transformação dos elementos. Se é verdade que o núcleo de um átomo determina sua individualidade, e que enquanto o núcleo estiver intacto, enquanto o átomo permanecer um átomo de um dado elemento, e não de qualquer outro, então a transição de um elemento para outro significa uma mudança no próprio núcleo do átomo.

Os raios ejetados por substâncias radioativas fornecem a primeira abordagem para se ter uma ideia geral do que está contido no núcleo.

Os raios alfa são núcleos de hélio, e o hélio é o segundo elemento da tabela periódica. Portanto, pode-se pensar que a composição do núcleo inclui núcleos de hélio. Mas medir as velocidades com que os raios alfa voam imediatamente leva a uma dificuldade muito séria.

TEORIA DA RADIOATIVIDADE DE GAMOV

O núcleo é carregado positivamente. Ao se aproximar, qualquer partícula carregada experimenta uma força de atração ou repulsão. Em larga escala em laboratórios, as interações de cargas elétricas são determinadas pela lei de Coulomb: duas cargas interagem entre si com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre elas e diretamente proporcional à magnitude de uma e das outras cargas. Estudando as leis de atração ou repulsão que as partículas experimentam ao se aproximarem do núcleo, Rutherford descobriu que até distâncias muito próximas ao núcleo, da ordem de 10 a 12 cm, a mesma lei de Coulomb ainda é válida. Se for esse o caso, podemos calcular facilmente quanto trabalho o núcleo deve realizar empurrando a carga positiva para longe de si mesmo quando ela sai do núcleo e é jogada fora. Partículas alfa e núcleos de hélio carregados, voando para fora do núcleo, movem-se sob a ação repulsiva de sua carga; e agora o cálculo correspondente mostra que, apenas sob a ação da repulsão, as partículas alfa deveriam ter acumulado uma energia cinética correspondente a pelo menos 10 ou 20 milhões de elétron-volts, ou seja, a energia que se obtém ao passar por uma carga igual à carga de um elétron, diferença de potencial de 20 milhões de volts. Mas, na verdade, quando eles saem do átomo, eles saem com muito menos energia, apenas 1-5 milhões de elétron-volts. Mas além disso,

era natural esperar que o núcleo, lançando uma partícula alfa, lhe desse algo mais. No momento da ejeção, algo como uma explosão ocorre no núcleo, e essa própria explosão transmite algum tipo de energia; o trabalho das forças repulsivas é adicionado a isso, mas acontece que a soma dessas energias é menor do que uma repulsão deveria dar. Essa contradição é removida assim que abandonamos a transferência mecânica para essa área de vistas desenvolvida na experiência de estudar grandes corpos, onde não levamos em consideração a natureza ondulatória do movimento. G. A. Gamov foi o primeiro a dar uma interpretação correta dessa contradição e criou a teoria ondulatória do núcleo e dos processos radioativos.

Sabe-se que a distâncias suficientemente grandes (mais de 10 -12 cm) o núcleo repele uma carga positiva de si mesmo. Por outro lado, não há dúvida de que dentro do próprio núcleo, no qual existem muitas cargas positivas, por algum motivo elas não se repelem. A própria existência do núcleo mostra que as cargas positivas dentro do núcleo se atraem mutuamente, e fora do núcleo elas se repelem.

Como se pode descrever as condições de energia no próprio núcleo e ao redor dele? Gamow criou a seguinte performance. Vamos representar no diagrama (Fig. 5) o valor da energia de uma carga positiva em um determinado local pela distância da linha horizontal MAS.

À medida que nos aproximamos do núcleo, a energia da carga aumentará, porque o trabalho será realizado contra a força repulsiva. Dentro do núcleo, ao contrário, a energia deve diminuir novamente, porque aqui não há repulsão mútua, mas atração mútua. Nos limites do núcleo, ocorre uma diminuição acentuada no valor da energia. Nosso desenho é representado em um plano; na verdade, é preciso, é claro, imaginá-lo no espaço com a mesma distribuição de energia e em todas as outras direções. Então temos que ao redor do núcleo existe uma camada esférica de alta energia, como se fosse uma espécie de barreira de energia que protege o núcleo da penetração de cargas positivas, a chamada “barreira de Gamow”.

Se nos colocarmos no ponto de vista das visões usuais sobre o movimento de um corpo e esquecermos sua natureza ondulatória, devemos esperar que apenas uma carga positiva possa penetrar no núcleo, cuja energia não seja menor que a altura da barreira. Pelo contrário, para sair do núcleo, a carga deve primeiro atingir o topo da barreira, após o que sua energia cinética começará a aumentar à medida que se afasta do núcleo. Se no topo da barreira a energia era igual a zero, então, quando ela for removida do átomo, receberá os mesmos 20 milhões de elétron-volts que nunca são realmente observados. A nova compreensão do núcleo, que foi introduzida por Gamow, é a seguinte. O movimento de uma partícula deve ser considerado como uma onda. Consequentemente, esse movimento é afetado pela energia não apenas no ponto ocupado pela partícula, mas também em toda a onda borrada da partícula, que cobre um espaço bastante grande. Com base nos conceitos da mecânica ondulatória, podemos afirmar que mesmo que a energia em um determinado ponto não tenha atingido o limite que corresponde ao topo da barreira, a partícula pode estar do outro lado, onde não é mais puxada para dentro. o núcleo pelas forças de atração que ali atuam.

Algo semelhante é o seguinte experimento. Imagine que há um barril de água atrás da parede da sala. Deste barril é puxado um cano, que passa bem acima por um buraco na parede e fornece água; a água está vazando no fundo. Este é um dispositivo bem conhecido chamado sifão. Se o barril desse lado for colocado mais alto que a extremidade do cano, a água fluirá continuamente através dele a uma velocidade determinada pela diferença entre o nível da água no cano e a extremidade do cano. Não há nada de surpreendente aqui. Mas se você não soubesse da existência do barril do outro lado da parede e visse apenas um cano através do qual a água flui de uma grande altura, esse fato lhe pareceria uma contradição irreconciliável. A água flui de uma grande altura e ao mesmo tempo não acumula a energia que corresponde à altura do cano. No entanto, a explicação neste caso é óbvia.

Temos um fenômeno semelhante no núcleo. Carregue de sua posição normal MAS sobe para um estado de maior energia NO, mas não atinge o topo da barreira A PARTIR DE(Fig. 6).

Fora do Estado NO partícula alfa, passando pela barreira, começa a se repelir do núcleo e não do topo A PARTIR DE, e de uma altura de energia mais baixa B1. Portanto, ao sair, a energia acumulada pela partícula não dependerá da altura A PARTIR DE, mas de uma altura menor igual a B1(Fig. 7).

Esse raciocínio qualitativo também pode ser expresso de forma quantitativa e pode ser dada uma lei que determina a probabilidade de uma partícula alfa passar pela barreira em função da energia NO, que possui no núcleo e, consequentemente, da energia que receberá ao deixar o átomo.

Com a ajuda de uma série de experimentos, foi estabelecida uma lei muito simples que ligava o número de partículas alfa emitidas por substâncias radioativas com sua energia ou velocidade. Mas o significado desta lei era completamente incompreensível.

O primeiro sucesso de Gamow consistiu no fato de que essa lei quantitativa da emissão de partículas alfa decorreu de sua teoria com bastante precisão e naturalidade. Agora a "barreira de energia Gamow" e sua interpretação de onda são a base de todas as nossas idéias sobre o núcleo.

As propriedades dos raios alfa são qualitativa e quantitativamente bem explicadas pela teoria de Gamow, mas sabe-se que as substâncias radioativas também emitem raios beta - correntes de elétrons rápidos. O modelo de emissão de elétrons é incapaz de explicar. Esta é uma das mais sérias contradições da teoria do núcleo atômico, que permaneceu sem solução até muito recentemente, mas cuja solução aparentemente está sendo planejada.

ESTRUTURA DO NÚCLEO

Passamos agora a considerar o que sabemos sobre a estrutura do núcleo.

Há mais de 100 anos, Prout expressou a ideia de que talvez os elementos do sistema periódico não sejam formas de matéria separadas e não relacionadas, mas sejam apenas combinações diferentes do átomo de hidrogênio. Se este fosse o caso, então seria de esperar que não apenas as cargas de todos os núcleos fossem múltiplos inteiros da carga do hidrogênio, mas também as massas de todos os núcleos seriam expressas como múltiplos inteiros da massa do núcleo de hidrogênio, ou seja, , todos os pesos atômicos teriam que ser expressos em números inteiros. E, de fato, se você olhar para a tabela de pesos atômicos, poderá ver um grande número de inteiros. Por exemplo, o carbono é exatamente 12, o nitrogênio é exatamente 14, o oxigênio é exatamente 16, o flúor é exatamente 19. Isso, é claro, não é um acidente. Mas ainda existem pesos atômicos que estão longe de serem inteiros. Por exemplo, o néon tem um peso atômico de 20,2, o cloro tem um peso atômico de 35,46. Portanto, a hipótese de Prout permaneceu uma conjectura parcial e não poderia se tornar uma teoria da estrutura do átomo. Ao estudar o comportamento de íons carregados, é especialmente fácil estudar as propriedades do núcleo de um átomo agindo sobre eles, por exemplo, com um campo elétrico e magnético.

O método baseado nisso, trazido com altíssima precisão por Aston, permitiu estabelecer que todos os elementos cujos pesos atômicos não foram expressos em números inteiros, na verdade, não são uma substância homogênea, mas uma mistura de dois ou mais - 3 , 4, 9 - átomos de tipos diferentes. Assim, por exemplo, o peso atômico do cloro, igual a 35,46, é explicado pelo fato de que na verdade existem vários tipos de átomos de cloro. Existem átomos de cloro com pesos atômicos de 35 e 37, e esses dois tipos de cloro são misturados em tal proporção que seu peso atômico médio é 35,46. Descobriu-se que não só neste caso em particular, mas em todos os casos sem exceção, onde os pesos atômicos não são expressos como números inteiros, temos uma mistura de isótopos, ou seja, átomos com a mesma carga, portanto, representando o mesmo elemento , mas com massas diferentes. Cada tipo individual de átomo sempre tem um peso atômico inteiro.

Assim, a conjectura de Prout imediatamente recebeu considerável apoio, e a questão poderia ser considerada resolvida, se não fosse por uma exceção, a saber, o próprio hidrogênio. O fato é que nosso sistema de pesos atômicos é construído não sobre o hidrogênio, tomado como unidade, mas sobre o peso atômico do oxigênio, que é condicionalmente tomado igual a 16. Em relação a esse peso, os pesos atômicos são expressos em números inteiros quase exatos . Mas o próprio hidrogênio neste sistema tem um peso atômico não um, mas um pouco mais, ou seja, 1,0078. Este número difere da unidade de forma bastante significativa - em 3/4%, o que excede em muito todos os erros possíveis na determinação do peso atômico.

Descobriu-se que o oxigênio também possui 3 isótopos: além do predominante, com peso atômico de 16, outro com peso atômico de 17 e um terceiro com peso atômico de 18. Se referirmos todos os pesos atômicos ao isótopo 16, então o peso atômico do hidrogênio ainda será ligeiramente maior que a unidade. Então foi encontrado o segundo isótopo de hidrogênio - hidrogênio com peso atômico de 2 - deutério, como os americanos que o descobriram, ou diplogênio, como os britânicos o chamam. Apenas cerca de 1/6000 parte deste deutério é misturado e, portanto, a presença dessa impureza tem muito pouco efeito sobre o peso atômico do hidrogênio.

Ao lado do hidrogênio, o hélio tem um peso atômico de 4,002. Se fosse composto de 4 hidrogênios, então seu peso atômico obviamente teria que ser 4,031. Portanto, neste caso temos alguma perda de peso atômico, a saber: 4,031 - 4,002 = 0,029. É possível? Desde que não considerássemos a massa como uma medida da matéria, é claro que isso era impossível: isso significaria que parte da matéria desapareceria.

Mas a teoria da relatividade estabeleceu com certeza que a massa não é uma medida da quantidade de matéria, mas uma medida da energia que essa matéria possui. A matéria é medida não pela massa, mas pelo número de cargas que a compõem. Essas cargas podem ter mais ou menos energia. Quando cargas idênticas se aproximam, a energia aumenta; quando se afastam, a energia diminui. Mas isso, é claro, não significa que a matéria mudou.

Quando dizemos que o peso atômico 0,029 desapareceu durante a formação do hélio a partir de 4 hidrogênios, isso significa que a energia correspondente a esse valor desapareceu. Sabemos que cada grama de matéria tem uma energia igual a 9. 10 20 erg. Com a formação de 4 g de hélio, uma energia igual a 0,029 é perdida. 9 . 10 20 ergs. Devido a essa diminuição de energia, 4 núcleos de hidrogênio se combinarão em um novo núcleo. O excesso de energia será liberado no espaço circundante, e uma conexão com uma energia e massa ligeiramente mais baixas permanecerá. Assim, se os pesos atômicos são medidos não exatamente pelos inteiros 4 ou 1, mas por 4,002 e 1,0078, então são esses milésimos que adquirem significado especial, pois determinam a energia liberada durante a formação do núcleo.

Quanto mais energia liberada durante a formação do núcleo, ou seja, quanto maior a perda de peso atômico, mais forte é o núcleo. Em particular, o núcleo de hélio é muito forte, pois durante sua formação, a energia é liberada, correspondendo a uma perda de peso atômico - 0,029. Esta é uma energia muito grande. Para julgá-lo, é melhor lembrar esta relação simples: um milésimo de um peso atômico corresponde a cerca de 1 milhão de elétron-volts. Então 0,029 é cerca de 29 milhões de elétron-volts. Para destruir um núcleo de hélio, para decompô-lo novamente em 4 hidrogênios, é necessária uma energia colossal. O núcleo não recebe essa energia, portanto o núcleo de hélio é extremamente estável e, portanto, é precisamente dos núcleos radioativos que não são liberados núcleos de hidrogênio, mas núcleos inteiros de hélio, partículas alfa. Essas considerações nos levam a uma nova avaliação da energia atômica. Já sabemos que quase toda a energia do átomo está concentrada no núcleo e, além disso, a energia é enorme. 1 g de uma substância tem, se traduzido para uma linguagem mais gráfica, tanta energia quanto pode ser obtida da queima de 10 trens de 100 vagões de petróleo. Portanto, o núcleo é uma fonte de energia completamente excepcional. Compare 1 g a 10 trens - esta é a proporção da concentração de energia no núcleo em comparação com a energia que usamos em nossa tecnologia.

No entanto, se pensarmos nos fatos que estamos considerando agora, podemos, ao contrário, chegar a uma visão completamente oposta do núcleo. Deste ponto de vista, o núcleo não é uma fonte de energia, mas seu cemitério: o núcleo é o resíduo após a liberação de uma enorme quantidade de energia, e nele temos o estado mais baixo de energia.

Consequentemente, se podemos falar sobre a possibilidade de usar a energia do núcleo, então apenas no sentido de que, talvez, nem todos os núcleos tenham atingido a energia mais baixa possível: afinal, tanto o hidrogênio quanto o hélio existem na natureza e, consequentemente, nem todo hidrogênio se combina em hélio, embora o hélio tenha menos energia. Se pudéssemos fundir o hidrogênio disponível em hélio, obteríamos uma certa quantidade de energia. Não são 10 trens de petróleo, mas ainda serão cerca de 10 vagões de petróleo. E não é tão ruim se fosse possível obter tanta energia de 1 g de uma substância quanto da queima de 10 vagões de petróleo.

Estas são as possíveis reservas de energia no rearranjo dos núcleos. Mas a possibilidade está, obviamente, longe da realidade.

Como essas possibilidades podem ser realizadas? Para avaliá-los, nos voltamos para a consideração da composição do núcleo atômico.

Podemos dizer agora que em todos os núcleos existem núcleos de hidrogênio positivos, que são chamados de prótons, possuem uma unidade de peso atômico (mais precisamente 1,0078) e uma unidade de carga positiva. Mas o núcleo não pode consistir apenas de prótons. Tomemos, por exemplo, o elemento mais pesado, 92º na tabela periódica, o urânio, com um peso atômico de 238. Se assumirmos que todas essas 238 unidades são compostas de prótons, então o urânio teria 238 cargas, enquanto tem apenas 92 Consequentemente, ou nem todas as partículas são carregadas ali, ou ali, além de 238 prótons, existem 146 elétrons negativos. Então está tudo bem: o peso atômico seria 238, cargas positivas 238 e negativas 146, portanto, a carga total é 92. Mas já estabelecemos que a suposição da presença de elétrons no núcleo é incompatível com nossas ideias: nem em tamanho nem em propriedades magnéticas de elétrons no núcleo não podem ser colocados. Houve alguma contradição.

DESCOBERTA DO NÊUTRON

Essa contradição foi destruída por um novo fato experimental, que foi descoberto há cerca de dois anos por Irene Curie e seu marido Joliot (Irene Curie é filha de Marie Curie, que descobriu o rádio). Irene Curie e Joliot descobriram que quando o berílio (o quarto elemento do sistema periódico) é bombardeado com partículas alfa, o berílio emite alguns raios estranhos que penetram através de enormes espessuras de matéria. Parece que, uma vez que eles penetram na matéria com tanta facilidade, eles não deveriam causar nenhum efeito significativo lá, caso contrário, sua energia se esgotaria e eles não penetrariam na matéria. Por outro lado, verifica-se que esses raios, colidindo com o núcleo de algum átomo, o arremessam com tremenda força, como que pelo impacto de uma partícula pesada. Então, por um lado, deve-se pensar que esses raios são núcleos pesados ​​e, por outro, são capazes de passar por enormes espessuras sem exercer qualquer influência.

A resolução desta contradição foi encontrada no fato de que esta partícula não é carregada. Se a partícula não tiver carga elétrica, nada atuará sobre ela e ela mesma não atuará sobre nada. Somente quando, durante seu movimento, ele esbarra em algum lugar do núcleo, ele o descarta.

Assim, novas partículas não carregadas apareceram - nêutrons. Descobriu-se que a massa desta partícula é aproximadamente a mesma que a massa de uma partícula de hidrogênio - 1,0065 (um milésimo a menos que um próton, portanto, sua energia é aproximadamente 1 milhão de elétron-volts a menos). Esta partícula é semelhante a um próton, mas apenas desprovida de carga positiva, é neutra, foi chamada de nêutron.

Assim que a existência de nêutrons ficou clara, foi proposta uma ideia completamente diferente da estrutura do núcleo. Foi expresso pela primeira vez por D. D. Ivanenko, e depois desenvolvido, especialmente por Heisenberg, que recebeu o Prêmio Nobel no ano passado. O núcleo pode conter prótons e nêutrons. Pode-se supor que o núcleo é composto apenas de prótons e nêutrons. Em seguida, toda a construção do sistema periódico é apresentada de uma maneira completamente diferente, mas bastante simples. Como, por exemplo, se deve imaginar o urânio? Seu peso atômico é 238, ou seja, existem 238 partículas. Mas alguns deles são prótons, alguns são nêutrons. Cada próton tem uma carga positiva, os nêutrons não têm carga alguma. Se a carga do urânio for 92, isso significa que 92 são prótons e todo o resto são nêutrons. Essa ideia já levou a vários sucessos notáveis, esclarecendo imediatamente várias propriedades do sistema periódico, que anteriormente pareciam completamente misteriosas. Quando há poucos prótons e nêutrons, então, de acordo com os conceitos modernos da mecânica ondulatória, deve-se esperar que o número de prótons e nêutrons no núcleo seja o mesmo. Apenas o próton tem carga, e o número de prótons dá o número atômico. E o peso atômico de um elemento é a soma dos pesos dos prótons e nêutrons, pois ambos possuem uma unidade de peso atômico. Com base nisso, podemos dizer que o número atômico é metade do peso atômico.

Agora ainda resta uma dificuldade, uma contradição. Esta é uma contradição criada por partículas beta.

DESCOBERTA DO POSITRON

Chegamos à conclusão de que não há nada no núcleo além de um próton carregado positivamente. Mas como então os elétrons negativos são ejetados do núcleo, se não há cargas negativas lá? Como você pode ver, estamos em uma posição difícil.

Mais uma vez, um novo fato experimental, uma nova descoberta, nos leva para fora dela. Esta descoberta foi feita, talvez pela primeira vez, por D. V. Skobeltsyn, que, tendo estudado os raios cósmicos por muito tempo, descobriu que entre as cargas emitidas pelos raios cósmicos também existem partículas de luz positivas. Mas essa descoberta era tão contrária a tudo o que havia sido firmemente estabelecido que Skobeltsyn a princípio não deu tal interpretação às suas observações.

O próximo que descobriu esse fenômeno foi o físico americano Andersen em Pasadena (Califórnia), e depois dele na Inglaterra, no laboratório de Rutherford, Blackett. Estes são elétrons positivos ou, como não são muito bem chamados, pósitrons. O que realmente são elétrons positivos pode ser visto mais facilmente por seu comportamento em um campo magnético. Em um campo magnético, os elétrons são desviados em uma direção e os pósitrons na outra, e a direção de sua deflexão determina seu sinal.

A princípio, os pósitrons eram observados apenas durante a passagem dos raios cósmicos. Mais recentemente, as mesmas Irene Curie e Joliot descobriram um novo fenômeno notável. Descobriu-se que existe um novo tipo de radioatividade, que os núcleos de alumínio, boro, magnésio, que não são radioativos em si mesmos, tornam-se radioativos quando bombardeados com raios alfa. Por 2 a 14 minutos, eles continuam a emitir partículas por si mesmos, e essas partículas não são mais raios alfa e beta, mas pósitrons.

A teoria dos pósitrons foi criada muito mais cedo do que o próprio pósitron foi encontrado. Dirac se propôs a dar às equações da mecânica ondulatória uma forma que também satisfizesse a teoria da relatividade.

Essas equações de Dirac, no entanto, levaram a uma consequência muito estranha. A massa entra neles simetricamente, ou seja, quando o sinal da massa é invertido, as equações não mudam. Essa simetria das equações em relação à massa permitiu a Dirac prever a possibilidade da existência de elétrons positivos.

Naquela época, ninguém observava elétrons positivos, e havia uma forte crença de que não havia elétrons positivos (pode-se julgar isso pela cautela com que tanto Skobeltsyn quanto Andersen abordaram essa questão), então a teoria de Dirac foi rejeitada. Dois anos depois, elétrons positivos foram realmente encontrados e, é claro, eles se lembraram da teoria de Dirac, que previa seu aparecimento.

"MATERIALIZAÇÃO" E "ANIMILAÇÃO"

Esta teoria está associada a uma série de interpretações infundadas que a cercam por todos os lados. Aqui gostaria de analisar o processo de materialização, assim denominado por iniciativa de Madame Curie - o aparecimento de um par de elétrons positivos e negativos durante a passagem de raios gama pela matéria. Este fato experimental é interpretado como a transformação da energia eletromagnética em duas partículas de matéria, que antes não existiam. Este fato, portanto, é interpretado como a criação e desaparecimento da matéria sob a influência desses outros raios.

Mas se olharmos mais de perto o que realmente observamos, é fácil ver que tal interpretação da aparência dos pares não tem base. Em particular, no trabalho de Skobeltsyn, é perfeitamente claro que o aparecimento de um par de cargas sob a influência de raios gama não ocorre no espaço vazio, o aparecimento de pares é sempre observado apenas em átomos. Conseqüentemente, aqui não estamos lidando com a materialização da energia, não com o aparecimento de alguma nova matéria, mas apenas com a separação de cargas dentro da matéria que já existe no átomo. Onde ela estava? Deve-se pensar que o processo de divisão das cargas positivas e negativas ocorre não muito longe do núcleo, dentro do átomo, mas não dentro do núcleo (a uma distância relativamente não muito grande de 10 -10 -10 -11 cm, enquanto o raio do núcleo é 10-12-10-13 cm).

Exatamente o mesmo pode ser dito sobre o processo inverso de "aniquilação da matéria" - a conexão de um elétron negativo e positivo com a liberação de um milhão de elétron-volts de energia na forma de dois quanta de raios gama eletromagnéticos. E esse processo sempre ocorre no átomo, aparentemente próximo ao seu núcleo.

Aqui chegamos à possibilidade de resolver a contradição que já observamos, que resulta da emissão de raios beta de elétrons negativos por um núcleo que, como pensamos, não contém elétrons.

Obviamente, as partículas beta não saem do núcleo, mas graças ao núcleo; devido à liberação de energia dentro do núcleo, ocorre um processo de divisão em cargas positivas e negativas perto dele, e a carga negativa é ejetada, e a positiva é puxada para dentro do núcleo e se liga ao nêutron, formando um próton positivo. Esta é a sugestão que tem sido feita ultimamente.

Aqui está o que sabemos sobre a composição do núcleo atômico.

CONCLUSÃO

Para concluir, digamos algumas palavras sobre as perspectivas futuras.

Se, no estudo dos átomos, atingimos certos limites, além dos quais as mudanças quantitativas passaram para novas propriedades qualitativas, então, nas fronteiras do núcleo atômico, as leis da mecânica ondulatória que descobrimos na camada atômica deixam de funcionar; esboços muito vagos de uma nova teoria ainda mais geral, em relação à qual a mecânica ondulatória é apenas um lado do fenômeno, o outro lado do qual agora começa a se abrir - e começa, como sempre, com contradições, estão começando a ser sentida no âmago.

O trabalho no núcleo atômico também tem outro lado muito interessante, intimamente ligado ao desenvolvimento da tecnologia. O núcleo está muito bem protegido pela barreira Gamow de influências externas. Se, não se limitando apenas a observar o decaimento de núcleos em processos radioativos, gostaríamos de penetrar no núcleo de fora, para reconstruí-lo, isso exigiria um impacto extremamente poderoso.

O problema do núcleo exige insistentemente um maior desenvolvimento da tecnologia, uma transição daquelas tensões que já foram dominadas pela tecnologia de alta tensão, de tensões de várias centenas de milhares de volts, para milhões de volts. Uma nova etapa também está sendo criada na tecnologia. Este trabalho sobre a criação de novas fontes de tensão, milhões de volts, está sendo realizado em todos os países - tanto no exterior quanto aqui, em particular no laboratório de Kharkov, que foi o primeiro a iniciar esse trabalho, e no Instituto de Leningrado Física e Tecnologia, e em outros lugares.

O problema do núcleo é um dos problemas mais urgentes do nosso tempo na física; deve ser trabalhado com extrema intensidade e perseverança, e neste trabalho é preciso ter muita coragem de pensamento. Em minha exposição, indiquei vários casos em que, passando a novos padrões, nos convencemos de que nossos hábitos lógicos, todas as nossas idéias construídas sobre experiência limitada, não são adequadas para novos fenômenos e novos padrões. É preciso superar esse conservadorismo de bom senso inerente a cada um de nós. O senso comum é uma experiência concentrada do passado; não se pode esperar que esta experiência abranja totalmente o futuro. Na área do núcleo, mais do que em qualquer outra, é preciso ter em mente constantemente a possibilidade de novas propriedades qualitativas e não ter medo delas. Parece-me que é precisamente aqui que se deve sentir a força do método dialético, desprovido desse conservadorismo do método, que também previa todo o curso de desenvolvimento da física moderna. É claro que por método dialético não quero dizer aqui a totalidade das frases tiradas de Engels. Não suas palavras, mas seu significado deve ser transferido para nosso trabalho; apenas um método dialético pode nos levar adiante em uma área completamente nova e avançada como o problema do kernel.

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A estrutura do núcleo atômico. forças nucleares

Imediatamente após a descoberta do nêutron nos experimentos de Chadwick, o físico soviético D. D. Ivanenko e o cientista alemão W. Heisenberg em 1932 propuseram um modelo próton-nêutron do núcleo.
Foi confirmado por estudos subsequentes de transformações nucleares e agora é geralmente aceito.

Modelo próton-nêutron do núcleo

De acordo com o modelo próton-nêutron, os núcleos consistem em partículas elementares de dois tipos - prótons e nêutrons.

Como o átomo como um todo é eletricamente neutro e a carga do próton é igual ao módulo da carga do elétron, o número de prótons no núcleo é igual ao número de elétrons na camada atômica.
Portanto, o número de prótons no núcleo é igual ao número atômico do elemento Z no sistema periódico de elementos de D. I. Mendeleev.

A soma do número de prótons Z e número de nêutrons N no núcleo é chamado Número de massa e indicado pela letra MAS:

A=Z+N

As massas do próton e do nêutron são próximas uma da outra e cada uma delas é aproximadamente igual a uma unidade de massa atômica.
A massa dos elétrons em um átomo é muito menor que a massa de seu núcleo.
Portanto, o número de massa do núcleo é igual à massa atômica relativa do elemento, arredondada para o inteiro mais próximo.
Os números de massa podem ser determinados pela medição aproximada da massa dos núcleos com instrumentos que não possuem alta precisão.

Isótopos são núcleos com o mesmo valor Z, mas com números de massa diferentes MAS, ou seja, com diferentes números de nêutrons N.

forças nucleares

Como os núcleos são muito estáveis, os prótons e nêutrons devem ser mantidos dentro do núcleo por algumas forças, e muito grandes.
Não são as forças gravitacionais que são muito fracas.
A estabilidade do núcleo também não pode ser explicada por forças eletromagnéticas, pois há uma repulsão elétrica entre prótons de mesma carga.
E os nêutrons não têm carga elétrica.

Então, entre partículas nucleares - prótons e nêutrons, eles são chamados núcleons- existem forças especiais chamadas forças nucleares.

Quais são as principais propriedades das forças nucleares? As forças nucleares são cerca de 100 vezes maiores que as forças elétricas (Coulomb).
Estas são as forças mais poderosas de todas as existentes na natureza.
Portanto, as interações de partículas nucleares são frequentemente chamadas de interações fortes.

As interações fortes se manifestam não apenas nas interações de nucleons no núcleo.
Este é um tipo especial de interação inerente à maioria das partículas elementares, juntamente com interações eletromagnéticas.

Outra característica importante das forças nucleares é o seu curto alcance.
As forças eletromagnéticas enfraquecem relativamente lentamente com o aumento da distância.
As forças nucleares tornam-se perceptíveis apenas a distâncias iguais ao tamanho do núcleo (10 -12 -10 -13 cm), o que já foi demonstrado pelos experimentos de Rutherford sobre o espalhamento de partículas α por núcleos atômicos.
Uma teoria quantitativa completa das forças nucleares ainda não foi desenvolvida.
Um progresso significativo em seu desenvolvimento foi alcançado recentemente - nos últimos 10 a 15 anos.

Os núcleos dos átomos são formados por prótons e nêutrons. Essas partículas são mantidas no núcleo por forças nucleares.

isótopos

O estudo do fenômeno da radioatividade levou a uma importante descoberta: a natureza dos núcleos atômicos foi elucidada.

Como resultado da observação de um grande número de transformações radioativas, gradualmente ficou claro que existem substâncias que são idênticas em suas propriedades químicas, mas têm propriedades radioativas completamente diferentes (ou seja, decaem de maneiras diferentes).
Eles não podem ser separados por nenhum dos métodos químicos conhecidos.
Com base nisso, Soddy em 1911 sugeriu a possibilidade da existência de elementos com as mesmas propriedades químicas, mas diferindo, em particular, em sua radioatividade.
Esses elementos devem ser colocados na mesma célula do sistema periódico de D. I. Mendeleev.
Soddy os nomeou isótopos(ou seja, ocupando os mesmos lugares).

A suposição de Soddy foi brilhantemente confirmada e profundamente interpretada um ano depois, quando J. J. Thomson fez medições precisas da massa de íons de néon desviando-os em campos elétricos e magnéticos.
Ele descobriu que o néon é uma mistura de dois tipos de átomos.
A maioria deles tem uma massa relativa igual a 20.
Mas há uma pequena fração de átomos com uma massa atômica relativa de 22.
Como resultado, a massa atômica relativa da mistura foi considerada como 20,2.
Átomos com as mesmas propriedades químicas diferem em massa.

Ambos os tipos de átomos de néon, é claro, ocupam o mesmo lugar na tabela de D. I. Mendeleev e, portanto, são isótopos.
Assim, os isótopos podem diferir não apenas em suas propriedades radioativas, mas também em massa.
É por isso que as cargas dos núcleos atômicos nos isótopos são as mesmas, o que significa que o número de elétrons nas camadas dos átomos e, consequentemente, as propriedades químicas dos isótopos são as mesmas.
Mas as massas dos núcleos são diferentes.
Além disso, os núcleos podem ser radioativos e estáveis.
A diferença nas propriedades dos isótopos radioativos se deve ao fato de seus núcleos terem massas diferentes.

Atualmente, a existência de isótopos na maioria dos elementos químicos foi estabelecida.
Alguns elementos têm apenas isótopos instáveis ​​(ou seja, radioativos).
Os isótopos estão no mais pesado dos elementos existentes na natureza - urânio (massas atômicas relativas 238, 235, etc.) e o mais leve - hidrogênio (massas atômicas relativas 1, 2, 3).

Os isótopos de hidrogênio são de particular interesse, pois diferem em massa por um fator de 2 e 3.
Um isótopo com uma massa atômica relativa de 2 é chamado deutério.
É estável (ou seja, não radioativo) e entra como uma pequena impureza (1: 4500) no hidrogênio comum.
Quando o deutério se combina com o oxigênio, forma-se a chamada água pesada.
Suas propriedades físicas diferem marcadamente daquelas da água comum.
À pressão atmosférica normal, ferve a 101,2°C e congela a 3,8°C.

Um isótopo de hidrogênio com uma massa atômica de 3 é chamado trítio.
É β-radioativo e tem uma meia-vida de cerca de 12 anos.

A existência de isótopos prova que a carga do núcleo atômico não determina todas as propriedades do átomo, mas apenas suas propriedades químicas e aquelas propriedades físicas que dependem da periferia da camada eletrônica, por exemplo, o tamanho do átomo.
A massa de um átomo e suas propriedades radioativas não são determinadas pelo número de série na tabela de D. I. Mendeleev.

Vale ressaltar que, ao medir com precisão as massas atômicas relativas dos isótopos, descobriu-se que eles estão próximos de números inteiros.
Mas as massas atômicas dos elementos químicos às vezes são muito diferentes dos números inteiros.
Assim, a massa atômica relativa do cloro é 35,5.
Isso significa que, no estado natural, uma substância quimicamente pura é uma mistura de isótopos em várias proporções.
O número inteiro (aproximado) das massas atômicas relativas dos isótopos é muito importante para elucidar a estrutura do núcleo atômico.

A maioria dos elementos químicos tem isótopos.
As cargas dos núcleos atômicos dos isótopos são as mesmas, mas as massas dos núcleos são diferentes.