masă atomică este suma maselor tuturor protonilor, neutronilor și electronilor care formează un atom sau o moleculă. În comparație cu protoni și neutroni, masa electronilor este foarte mică, deci nu este luată în considerare în calcule. Deși este incorect din punct de vedere formal, acest termen este adesea folosit pentru a se referi la masa atomică medie a tuturor izotopilor unui element. De fapt, aceasta este masa atomică relativă, numită și greutate atomica element. Greutatea atomică este media maselor atomice ale tuturor izotopilor naturali ai unui element. Chimiștii trebuie să facă distincția între aceste două tipuri de masă atomică atunci când își fac treaba - o valoare incorectă a masei atomice poate duce, de exemplu, la un rezultat incorect pentru randamentul unui produs de reacție.

Pași

Aflarea masei atomice conform tabelului periodic al elementelor

Aflați cum se scrie masa atomică. Masa atomică, adică masa unui atom sau a unei molecule date, poate fi exprimată în unități SI standard - grame, kilograme și așa mai departe. Cu toate acestea, datorită faptului că masele atomice exprimate în aceste unități sunt extrem de mici, ele sunt adesea scrise în unități de masă atomică unificate, sau pe scurt a.u.m. sunt unități de masă atomică. O unitate de masă atomică este egală cu 1/12 din masa izotopului standard de carbon-12.

• Unitatea de masă atomică caracterizează masa un mol din elementul dat în grame. Această valoare este foarte utilă în calculele practice, deoarece poate fi folosită pentru a converti cu ușurință masa unui anumit număr de atomi sau molecule ale unei substanțe date în moli și invers.

1. Găsiți masa atomică în tabelul periodic al lui Mendeleev. Majoritatea tabelelor periodice standard conțin masele atomice (greutăți atomice) ale fiecărui element. De regulă, ele sunt date ca un număr în partea de jos a celulei cu elementul, sub literele care denotă elementul chimic. Acesta nu este de obicei un număr întreg, ci o zecimală.

   Amintiți-vă că tabelul periodic arată masele atomice medii ale elementelor. După cum sa menționat mai devreme, masele atomice relative date pentru fiecare element din tabelul periodic sunt mediile maselor tuturor izotopilor unui atom. Această valoare medie este valoroasă pentru multe scopuri practice: de exemplu, este utilizată la calcularea masei molare a moleculelor formate din mai mulți atomi. Cu toate acestea, atunci când aveți de-a face cu atomi individuali, această valoare de obicei nu este suficientă.

   • Deoarece masa atomică medie este o medie a mai multor izotopi, valoarea dată în tabelul periodic nu este exacte valoarea masei atomice a unui singur atom.
   • Masele atomice ale atomilor individuali trebuie calculate luând în considerare numărul exact de protoni și neutroni dintr-un singur atom.

   Calculul masei atomice a unui atom individual

   1. Aflați numărul atomic al unui element dat sau izotopul acestuia. Numărul atomic este numărul de protoni din atomii unui element și nu se modifică niciodată. De exemplu, toți atomii de hidrogen și numai au un proton. Sodiul are un număr atomic de 11 pentru că are unsprezece protoni, în timp ce oxigenul are un număr atomic de opt pentru că are opt protoni. Puteți găsi numărul atomic al oricărui element în tabelul periodic al lui Mendeleev - în aproape toate versiunile sale standard, acest număr este indicat deasupra denumirii literei elementului chimic. Numărul atomic este întotdeauna un număr întreg pozitiv.

      • Să presupunem că suntem interesați de un atom de carbon. Există întotdeauna șase protoni în atomii de carbon, așa că știm că numărul său atomic este 6. În plus, vedem că în tabelul periodic, în partea de sus a celulei cu carbon (C) se află numărul „6”, indicând faptul că numărul de atomi de carbon este șase.
      • Rețineți că numărul atomic al unui element nu este legat în mod unic de masa atomică relativă din tabelul periodic. Deși, în special pentru elementele din partea de sus a tabelului, masa atomică a unui element poate părea a fi de două ori numărul său atomic, nu se calculează niciodată prin înmulțirea numărului atomic cu doi.

   2. Aflați numărul de neutroni din nucleu. Numărul de neutroni poate fi diferit pentru diferiți atomi ai aceluiași element. Când doi atomi ai aceluiași element cu același număr de protoni au un număr diferit de neutroni, ei sunt izotopi diferiți ai acelui element. Spre deosebire de numărul de protoni, care nu se modifică niciodată, numărul de neutroni din atomii unui anumit element se poate schimba adesea, astfel încât masa atomică medie a unui element este scrisă ca o fracție zecimală între două numere întregi adiacente.

      Adunați numărul de protoni și neutroni. Aceasta va fi masa atomică a acestui atom. Ignorați numărul de electroni care înconjoară nucleul - masa lor totală este extrem de mică, așa că au puțin sau deloc efect asupra calculelor dvs.

   Calcularea masei atomice relative (greutatea atomică) a unui element

   1. Determinați ce izotopi sunt în probă. Chimiștii determină adesea raportul izotopilor dintr-o anumită probă folosind un instrument special numit spectrometru de masă. Cu toate acestea, în timpul antrenamentului, aceste date vă vor fi furnizate în condițiile sarcinilor, controlului și așa mai departe sub formă de valori preluate din literatura științifică.

      • În cazul nostru, să presupunem că avem de-a face cu doi izotopi: carbon-12 și carbon-13.

   2. Determinați abundența relativă a fiecărui izotop din probă. Pentru fiecare element apar izotopi diferiți în rapoarte diferite. Aceste rapoarte sunt aproape întotdeauna exprimate ca procent. Unii izotopi sunt foarte comuni, în timp ce alții sunt foarte rari – uneori atât de rari încât sunt greu de detectat. Aceste valori pot fi determinate folosind spectrometria de masă sau găsite într-o carte de referință.

      • Să presupunem că concentrația de carbon-12 este de 99% și de carbon-13 este de 1%. Alți izotopi ai carbonului într-adevăr există, dar în cantităţi atât de mici încât în ​​acest caz pot fi neglijate.

   3. Înmulțiți masa atomică a fiecărui izotop cu concentrația sa din probă.Înmulțiți masa atomică a fiecărui izotop cu procentul său (exprimat ca zecimală). Pentru a converti procentele în zecimale, pur și simplu împărțiți-le la 100. Concentrațiile rezultate ar trebui să însumeze întotdeauna 1.

      • Eșantionul nostru conține carbon-12 și carbon-13. Dacă carbonul-12 reprezintă 99% din probă și carbonul-13 este 1%, atunci înmulțiți 12 (masa atomică a carbonului-12) cu 0,99 și 13 (masa atomică a carbonului-13) cu 0,01.
      • Cărțile de referință oferă procente bazate pe cantitățile cunoscute ale tuturor izotopilor unui element. Majoritatea manualelor de chimie includ aceste informații într-un tabel de la sfârșitul cărții. Pentru proba studiată, concentrațiile relative ale izotopilor pot fi determinate și folosind un spectrometru de masă.

   4. Adunați rezultatele.Însumați rezultatele înmulțirii pe care le-ați obținut la pasul anterior. Ca rezultat al acestei operațiuni, veți găsi masa atomică relativă a elementului dvs. - valoarea medie a maselor atomice ale izotopilor elementului în cauză. Când un element este considerat ca un întreg, și nu un izotop specific al unui element dat, această valoare este cea care este utilizată.

      • În exemplul nostru, 12 x 0,99 = 11,88 pentru carbon-12 și 13 x 0,01 = 0,13 pentru carbon-13. Masa atomică relativă în cazul nostru este 11,88 + 0,13 = 12,01 .
   • Unii izotopi sunt mai puțin stabili decât alții: se descompun în atomi de elemente cu mai puțini protoni și neutroni în nucleu, eliberând particule care alcătuiesc nucleul atomic. Astfel de izotopi sunt numiți radioactivi.

Cu mulți ani în urmă, oamenii se întrebau din ce sunt făcute toate substanțele. Primul care a încercat să răspundă a fost savantul grec antic Democrit, care credea că toate substanțele sunt compuse din molecule. Acum știm că moleculele sunt construite din atomi. Atomii sunt formați din particule și mai mici. În centrul unui atom se află nucleul, care conține protoni și neutroni. Cele mai mici particule - electronii - se deplasează pe orbite în jurul nucleului. Masa lor este neglijabilă în comparație cu masa nucleului. Dar cum să găsiți masa nucleului, doar calculele și cunoștințele de chimie vă vor ajuta. Pentru a face acest lucru, trebuie să determinați numărul de protoni și neutroni din nucleu. Vizualizați valorile tabelare ale maselor unui proton și unui neutron și găsiți masa lor totală. Aceasta va fi masa nucleului.

Adesea poți întâlni o astfel de întrebare, cum să găsești masa, știind viteza. Conform legilor clasice ale mecanicii, masa nu depinde de viteza corpului. La urma urmei, dacă o mașină, care se îndepărtează, începe să-și ia viteza, asta nu înseamnă deloc că masa ei va crește. Cu toate acestea, la începutul secolului al XX-lea, Einstein a prezentat o teorie conform căreia această dependență există. Acest efect se numește creșterea relativistă a masei corporale. Și se manifestă atunci când vitezele corpurilor se apropie de viteza luminii. Acceleratoarele moderne de particule fac posibilă accelerarea protonilor și neutronilor la viteze atât de mari. Și de fapt, în acest caz, s-a înregistrat o creștere a maselor lor.

Dar încă trăim într-o lume a tehnologiei înalte, dar cu viteze reduse. Prin urmare, pentru a ști să calculăm masa unei substanțe, nu este deloc necesar să accelerezi corpul la viteza luminii și să înveți teoria lui Einstein. Greutatea corporală poate fi măsurată pe o cântar. Adevărat, nu orice trup poate fi pus pe cântar. Prin urmare, există o altă modalitate de a calcula masa din densitatea acesteia.

Aerul din jurul nostru, aerul atât de necesar omenirii, are și propria sa masă. Și, atunci când rezolvați problema modului de determinare a masei de aer, de exemplu, într-o cameră, nu este necesar să numărați numărul de molecule de aer și să însumați masa nucleelor ​​lor. Puteți determina pur și simplu volumul camerei și îl puteți înmulți cu densitatea aerului (1,9 kg / m3).

Oamenii de știință au învățat acum cu mare precizie să calculeze masele diferitelor corpuri, de la nucleele atomilor până la masa globului și chiar stelele situate la o distanță de câteva sute de ani lumină de noi. Masa, ca mărime fizică, este o măsură a inerției unui corp. Corpurile mai masive, spun ei, sunt mai inerte, adică își schimbă viteza mai încet. Prin urmare, până la urmă, viteza și masa sunt interconectate. Dar principala caracteristică a acestei cantități este că orice corp sau substanță are masă. Nu există materie pe lume care să nu aibă masă!

Masele de nuclee atomice prezintă un interes deosebit pentru identificarea de noi nuclee, înțelegerea structurii acestora, prezicerea caracteristicilor de dezintegrare: durata de viață, posibilele canale de dezintegrare etc.
Pentru prima dată, descrierea maselor nucleelor ​​atomice a fost dată de Weizsäcker pe baza modelului de picătură. Formula Weizsäcker face posibilă calcularea masei nucleului atomic M(A,Z) și a energiei de legare a nucleului dacă sunt cunoscute numărul de masă A și numărul de protoni Z din nucleu.
Formula Weizsacker pentru masele nucleelor ​​are următoarea formă:

unde m p = 938,28 MeV/c 2 , m n = 939,57 MeV/c 2 , a 1 = 15,75 MeV, a 2 = 17,8 MeV, a 3 = 0,71 MeV, a 4 = 23,7 MeV, a 5 = 34 MeV, = (+ 1, 0, -1), respectiv, pentru nuclee impar-impare, nuclee cu A impar, nuclee pare-pare.
Primii doi termeni ai formulei sunt sumele maselor de protoni și neutroni liberi. Termenii rămași descriu energia de legare a nucleului:

• a 1 A ia în considerare constanta aproximativă a energiei specifice de legare a nucleului, i.e. reflectă proprietatea de saturație a forțelor nucleare;
• a 2 A 2/3 descrie energia de suprafață și ia în considerare faptul că nucleonii de suprafață din nucleu sunt legați mai slab;
• a 3 Z 2 /A 1/3 descrie scăderea energiei de legare nucleară datorită interacțiunii coulombiane a protonilor;
• a 4 (A - 2Z) 2 /A ține cont de proprietatea independenței de sarcină a forțelor nucleare și de acțiunea principiului Pauli;
• a 5 A -3/4 ia în considerare efectele de împerechere.

Parametrii a 1 - a 5 incluși în formula Weizsäcker sunt aleși în așa fel încât să descrie optim masele de nuclee din apropierea regiunii de stabilitate β.
Cu toate acestea, a fost clar de la bun început că formula Weizsacker nu a ținut cont de unele detalii specifice ale structurii nucleelor ​​atomice.
Astfel, formula Weizsäcker presupune o distribuție uniformă a nucleonilor în spațiul de fază, i.e. neglijează în esență structura învelișului nucleului atomic. De fapt, structura învelișului duce la neomogenitate în distribuția nucleonilor în nucleu. Anizotropia rezultată a câmpului mediu din nucleu duce, de asemenea, la deformarea nucleelor ​​în starea fundamentală.

Precizia cu care formula Weizsäcker descrie masele nucleelor ​​atomice poate fi estimată din Fig. 6.1, care arată diferența dintre masele măsurate experimental ale nucleelor ​​atomice și calculele bazate pe formula Weizsäcker. Deviația ajunge la 9 MeV, ceea ce reprezintă aproximativ 1% din energia totală de legare a nucleului. În același timp, se vede clar că aceste abateri sunt de natură sistematică, ceea ce se datorează structurii învelișului nucleelor ​​atomice.
Abaterea energiei de legare nucleară de la curba netedă prezisă de modelul picăturii de lichid a fost prima indicație directă a structurii învelișului nucleului. Diferența de energii de legare dintre nucleele pare și impare indică prezența forțelor de împerechere în nucleele atomice. Abaterea de la comportamentul „neted” al energiilor de separare a doi nucleoni în nuclee între învelișuri umplute este un indiciu al deformării nucleelor ​​atomice în starea fundamentală.
Datele privind masele nucleelor ​​atomice stau la baza verificării diferitelor modele de nuclee atomice, astfel încât acuratețea cunoașterii maselor nucleelor ​​este de mare importanță. Masele nucleelor ​​atomice sunt calculate folosind diverse modele fenomenologice sau semiempirice folosind diverse aproximări ale teoriilor macroscopice și microscopice. Formulele de masă existente în prezent descriu destul de bine masele (energiile de legare) ale nucleelor ​​din apropierea văii -stabilităţii. (Precizia estimării energiei de legare este de ~100 keV). Cu toate acestea, pentru nucleele departe de valea stabilității, incertitudinea în prezicerea energiei de legare crește la câțiva MeV. (Fig. 6.2). În Fig.6.2 puteți găsi referințe la lucrări în care sunt date și analizate diverse formule de masă.

Compararea predicțiilor diferitelor modele cu masele nucleare măsurate indică faptul că ar trebui să se acorde preferință modelelor bazate pe o descriere microscopică care ia în considerare structura învelișului nucleelor. De asemenea, trebuie avut în vedere faptul că acuratețea prezicerii maselor de nuclee în modelele fenomenologice este adesea determinată de numărul de parametri utilizați în acestea. Datele experimentale despre masele nucleelor ​​atomice sunt date în recenzie. În plus, valorile lor actualizate constant pot fi găsite în materialele de referință ale sistemului internațional de baze de date.
În ultimii ani s-au dezvoltat diverse metode pentru determinarea experimentală a maselor de nuclee atomice cu durată scurtă de viață.

Metode de bază pentru determinarea maselor nucleelor ​​atomice

Enumerăm, fără a intra în detalii, principalele metode de determinare a maselor nucleelor ​​atomice.

• Măsurarea energiei de dezintegrare β Q b este o metodă destul de comună pentru determinarea maselor de nuclee departe de limita de stabilitate β. Pentru a determina masa necunoscută care experimentează dezintegrarea β a nucleului A

,

se utilizează raportul

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

Prin urmare, cunoscând masa nucleului final B, se poate obține masa nucleului inițial A. Dezintegrarea beta are loc adesea în starea excitată a nucleului final, de care trebuie luată în considerare.

Această relație este scrisă pentru descompunerea α de la starea fundamentală a nucleului inițial la starea fundamentală a nucleului final. Energiile de excitație pot fi ușor luate în considerare. Precizia cu care se determină masele nucleelor ​​atomice din energia de dezintegrare este de ~ 100 keV. Această metodă este utilizată pe scară largă pentru a determina masele de nuclee supergrele și identificarea acestora.

1. Măsurarea maselor nucleelor ​​atomice prin metoda timpului de zbor

Determinarea masei nucleului (A ~ 100) cu o precizie de ~ 100 keV este echivalentă cu precizia relativă a măsurării masei ΔM/M ~10 -6 . Pentru a obține această precizie, analiza magnetică este utilizată împreună cu măsurarea timpului de zbor. Această tehnică este utilizată în spectrometrul SPEG - GANIL (Fig. 6.3) și TOFI - Los Alamos. Rigiditatea magnetică Bρ, masa particulei m, viteza particulelor v și sarcina q sunt legate prin

Astfel, cunoscând rigiditatea magnetică a spectrometrului B, se poate determina m/q pentru particulele cu aceeași viteză. Această metodă face posibilă determinarea maselor de nuclee cu o precizie de ~ 10 -4 . Precizia măsurătorilor maselor de nuclee poate fi îmbunătățită dacă timpul de zbor este măsurat simultan. În acest caz, masa ionică este determinată din relație

unde L este baza de zbor, TOF este timpul de zbor. Bazele span variază de la câțiva metri la 10 3 metri și fac posibilă creșterea preciziei de măsurare a maselor nucleelor ​​la 10 -6 .
O creștere semnificativă a preciziei determinării maselor nucleelor ​​atomice este facilitată și de faptul că masele diferitelor nuclee sunt măsurate simultan, într-un experiment, iar valorile exacte ale maselor nucleelor ​​individuale pot fi folosite ca referință. puncte. Metoda nu permite separarea stărilor fundamentale și izomerice ale nucleelor ​​atomice. La GANIL este creată o configurație cu o traiectorie de zbor de ~3,3 km, care va îmbunătăți acuratețea măsurării maselor de nuclee la mai multe unități cu 10 -7 .

1. Determinarea directă a maselor nucleului prin măsurarea frecvenței ciclotronului

Pentru o particulă care se rotește într-un câmp magnetic constant B, frecvența de rotație este legată de masa și sarcina ei prin relația

În ciuda faptului că metodele 2 și 3 se bazează pe același raport, acuratețea în metoda 3 de măsurare a frecvenței ciclotronului este mai mare (~ 10 -7), deoarece este echivalent cu utilizarea unei baze mai lungi.

2. Măsurarea maselor nucleelor ​​atomice dintr-un inel de stocare

   Această metodă este utilizată pe inelul de stocare ESR la GSI (Darmstadt, Germania). Metoda folosește un detector Schottky.Este aplicabilă pentru determinarea maselor de nuclee cu o durată de viață > 1 min. Metoda de măsurare a frecvenței ciclotronului ionilor într-un inel de stocare este utilizată în combinație cu pre-separarea ionilor din mers. Configurația FRS-ESR la GSI (Fig. 6.4) a realizat măsurători de precizie ale maselor unui număr mare de nuclee pe o gamă largă de numere de masă.

   209 nuclee Bi accelerate la o energie de 930 MeV/nucleon au fost concentrate pe o țintă de beriliu de 8 g/cm 2 grosime situată la intrarea FRS. Ca rezultat al fragmentării 209 Bi, se formează un număr mare de particule secundare în intervalul de la 209 Bi la 1 H. Produșii de reacție sunt separați din mers în funcție de duritatea lor magnetică. Grosimea țintei este aleasă astfel încât să extindă gama de nuclee capturate simultan de sistemul magnetic. Extinderea gamei de nuclee are loc datorită faptului că particulele cu sarcini diferite sunt decelerate într-un mod diferit într-o țintă de beriliu. Fragmentul separator FRS este reglat pentru trecerea particulelor cu o duritate magnetică de ~350 MeV/nucleon. Prin intermediul sistemului la intervalul ales de sarcină a nucleelor ​​detectate (52 < Z < 83) pot trece simultan atomi complet ionizați (ioni goli), ioni de tip hidrogen (asemănător hidrogenului) având un electron sau ioni asemănători heliului (asemănător heliului) având doi electroni. Deoarece viteza particulelor în timpul trecerii FRS practic nu se modifică, selecția particulelor cu aceeași rigiditate magnetică selectează particule cu valoarea M/Z cu o precizie de ~ 2%. Prin urmare, frecvența de rotație a fiecărui ion din inelul de stocare ESR este determinată de raportul M/Z. Aceasta stă la baza metodei de precizie pentru măsurarea maselor nucleelor ​​atomice. Frecvența de revoluție a ionilor este măsurată folosind metoda Schottky. Utilizarea metodei de răcire cu ioni într-un inel de stocare crește în plus precizia determinării masei cu un ordin de mărime. Pe fig. 6.5 prezintă graficul maselor de nuclee atomice separate prin această metodă în GSI. Trebuie avut în vedere că nucleele cu un timp de înjumătățire mai mare de 30 de secunde pot fi identificate folosind metoda descrisă, care este determinată de timpul de răcire a fasciculului și timpul de analiză.

   Pe fig. 6.6 arată rezultatele determinării masei izotopului 171 Ta în diferite stări de sarcină. În analiză au fost utilizați diverși izotopi de referință. Valorile măsurate sunt comparate cu datele din tabel (Wapstra).

3. Măsurarea maselor nucleului folosind capcana Penning

   Noi posibilități experimentale pentru măsurarea de precizie a maselor nucleelor ​​atomice se deschid într-o combinație de metode ISOL și capcane de ioni. Pentru ionii care au energie cinetică foarte mică și, prin urmare, o rază mică de rotație într-un câmp magnetic puternic, se folosesc capcane Penning. Această metodă se bazează pe măsurarea precisă a frecvenței de rotație a particulelor

   ω = B(q/m),

   prins într-un câmp magnetic puternic. Precizia de măsurare a masei pentru ionii de lumină poate ajunge la ~ 10 -9 . Pe fig. Figura 6.7 prezintă spectrometrul ISOLTRAP montat pe separatorul ISOL - CERN.
   Elementele principale ale acestei configurații sunt secțiunile de pregătire a fasciculului de ioni și două capcane Penning. Prima capcană Penning este un cilindru plasat într-un câmp magnetic de ~4 T. Ionii din prima capcană sunt răciți suplimentar din cauza ciocnirilor cu gazul tampon. Pe fig. Figura 6.7 prezintă distribuția de masă a ionilor cu A = 138 în prima capcană Penning în funcție de viteza de rotație. După răcire și purificare, norul de ioni din prima capcană este injectat în a doua. Aici, masa ionului este măsurată prin frecvența de rezonanță a rotației. Rezoluția care poate fi atinsă în această metodă pentru izotopii grei de scurtă durată este cea mai mare și se ridică la ~ 10 -7 .

   Orez. 6.7 Spectrometru ISOLTRAP

§1 Sarcina si masa, nucleele atomice

Cele mai importante caracteristici ale unui nucleu sunt sarcina și masa acestuia. M.

Z- sarcina nucleului este determinata de numarul de sarcini elementare pozitive concentrate in nucleu. Un purtător al unei sarcini elementare pozitive R= 1,6021 10 -19 C în nucleu este un proton. Atomul în ansamblu este neutru, iar sarcina nucleului determină simultan numărul de electroni din atom. Distribuția electronilor într-un atom peste învelișuri și subînvelișuri energetice depinde în esență de numărul lor total în atom. Prin urmare, sarcina nucleului determină în mare măsură distribuția electronilor asupra stărilor lor în atom și poziția elementului în sistemul periodic al lui Mendeleev. Sarcina nucleară esteqeu = z· e, Unde z- numărul de sarcină al nucleului, egal cu numărul ordinal al elementului din sistemul Mendeleev.

Masa nucleului atomic coincide practic cu masa atomului, deoarece masa electronilor tuturor atomilor, cu exceptia hidrogenului, este de aproximativ 2,5 10 -4 mase de atomi. Masa atomilor este exprimată în unități de masă atomică (a.m.u.). Pentru a.u.m. acceptat 1/12 masa atomului de carbon.

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

meu = m a -Z pe mine.

Izotopii sunt varietăți de atomi ai unui element chimic dat care au aceeași sarcină, dar diferă ca masă.

Numărul întreg cel mai apropiat de masa atomică, exprimat în a.u. m . numit număr de masă m și notat cu litera DAR. Denumirea unui element chimic: DAR- numărul de masă, X - simbolul unui element chimic,Z-numar de incarcare -numar de serie in tabelul periodic ():

Beriliu; Izotopi: , ", .

Raza miezului:

unde A este numărul de masă.

§2 Compunerea miezului

Nucleul unui atom de hidrogennumit proton

mproton= 1,00783 amu , .

Diagrama atomului de hidrogen

În 1932, a fost descoperită o particulă numită neutron, care are o masă apropiată de cea a unui proton (mneutroni= 1,00867 a.m.u.) și nu are sarcină electrică. Apoi D.D. Ivanenko a formulat o ipoteză despre structura proton-neutron a nucleului: nucleul este format din protoni și neutroni, iar suma lor este egală cu numărul de masă DAR. 3 număr ordinalZdetermină numărul de protoni din nucleu, numărul de neutroniN \u003d A - Z.

Particule elementare - protoni și neutroni care intrăîn miez, sunt cunoscuți colectiv ca nucleoni. Nucleonii nucleilor sunt în stări, semnificativ diferite de stările lor libere. Între nucleoni există o specială i de r interacțiune nouă. Ei spun că un nucleon poate fi în două „stări de încărcare” - o stare de proton cu o sarcină+ e, și neutron cu sarcina 0.

§3 Energia de legare a nucleului. defect de masă. forte nucleare

Particulele nucleare - protoni și neutroni - sunt ținute ferm în interiorul nucleului, prin urmare, între ele acționează forțe atractive foarte mari, capabile să reziste forțelor de respingere uriașe dintre protonii încărcați similar. Aceste forțe speciale care apar la distanțe mici între nucleoni se numesc forțe nucleare. Forțele nucleare nu sunt electrostatice (Coulomb).

Studiul nucleului a arătat că forțele nucleare care acționează între nucleoni au următoarele caracteristici:

a) acestea sunt forțe cu rază scurtă de acțiune - manifestate la distanțe de ordinul 10 -15 m și în scădere bruscă chiar și cu o ușoară creștere a distanței;

b) forțele nucleare nu depind de faptul dacă particula (nucleonul) are o sarcină - independență de sarcină a forțelor nucleare. Forțele nucleare care acționează între un neutron și un proton, între doi neutroni, între doi protoni sunt egale. Protonii și neutronii în raport cu forțele nucleare sunt aceleași.

Energia de legare este o măsură a stabilității unui nucleu atomic. Energia de legare a nucleului este egală cu munca care trebuie făcută pentru a împărți nucleul în nucleonii săi constituenți fără a le conferi energie cinetică.

M I< Σ( m p + m n)

Eu - masa nucleului

Măsurarea maselor de nuclee arată că masa de repaus a nucleului este mai mică decât suma maselor de repaus ale nucleonilor săi constitutivi.

Valoare

servește ca măsură a energiei de legare și se numește defect de masă.

Ecuația lui Einstein în relativitatea specială raportează energia și masa în repaus a unei particule.

În cazul general, energia de legare a nucleului poate fi calculată prin formula

Unde Z - numărul de sarcină (numărul de protoni din nucleu);

DAR- numărul de masă (numărul total de nucleoni din nucleu);

m p, , m n și M i- masa de proton, neutron și nucleu

Defect de masă (Δ m) sunt egale cu 1 a.u. m. (a.m.u. - unitate de masă atomică) corespunde energiei de legare (E St) egală cu 1 a.u.e. (a.u.e. - unitate atomică de energie) și egal cu 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Reacții nucleare

Modificările nucleelor ​​în timpul interacțiunii lor cu particulele individuale și între ele sunt de obicei numite reacții nucleare.

Există următoarele, cele mai frecvente reacții nucleare.

1. Reacția de transformare . În acest caz, particula incidentă rămâne în nucleu, dar nucleul intermediar emite o altă particule, astfel încât nucleul produs diferă de nucleul țintă.

1. Reacție de captare radiativă . Particula incidentă rămâne blocată în nucleu, dar nucleul excitat emite energie în exces, emițând un foton γ (utilizat în funcționarea reactoarelor nucleare)

Un exemplu de reacție de captare a neutronilor de către cadmiu

sau fosfor

1. Risipirea. Nucleul intermediar emite o particulă identică cu

cu cel zburat și poate fi:

Imprăștire elastică neutroni cu carbon (utilizați în reactoare pentru a modera neutroni):

Imprăștire inelastică :

1. reacție de fisiune. Aceasta este o reacție care continuă întotdeauna cu eliberarea de energie. Este baza pentru producția tehnică și utilizarea energiei nucleare. În timpul reacției de fisiune, excitația nucleului compus intermediar este atât de mare încât este împărțit în două fragmente, aproximativ egale, cu eliberarea mai multor neutroni.

Dacă energia de excitație este scăzută, atunci separarea nucleului nu are loc, iar nucleul, după ce a pierdut excesul de energie prin emiterea unui γ - foton sau neutron, va reveni la starea sa normală (Fig. 1). Dar dacă energia introdusă de neutron este mare, atunci nucleul excitat începe să se deformeze, în el se formează o constricție și, ca urmare, este împărțit în două fragmente care zboară separat cu viteze extraordinare, în timp ce doi neutroni sunt emiși.
(Fig. 2).

Reacție în lanț- reacție de fisiune de auto-dezvoltare. Pentru a o implementa, este necesar ca dintre neutronii secundari produși în timpul unui eveniment de fisiune, cel puțin unul poate provoca următorul eveniment de fisiune: (deoarece unii neutroni pot participa la reacții de captare fără a provoca fisiune). Cantitativ, condiția existenței unei reacții în lanț exprimă factor de multiplicare

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - reacții în lanț cu un număr constant de neutroni (într-un reactor nuclear),k > 1 (m > m kr ) sunt bombe nucleare.

RADIOACTIVITATE

§1 Radioactivitatea naturală

Radioactivitatea este transformarea spontană a nucleelor ​​instabile ale unui element în nuclee ale altui element. radioactivitate naturală numită radioactivitate observată în izotopii instabili care există în natură. Radioactivitatea artificială se numește radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare.

Tipuri de radioactivitate:

1. α-degradare.

Emiterea de către nuclee a unor elemente chimice ale sistemului α a doi protoni și doi neutroni conectați între ele (particulă a - nucleul unui atom de heliu)

Dezintegrarea α este inerentă nucleelor ​​grele cu DAR> 200 șiZ > 82. Când se deplasează într-o substanță, particulele α produc ionizare puternică a atomilor pe drumul lor (ionizarea este desprinderea electronilor dintr-un atom), acționând asupra lor cu câmpul lor electric. Se numește distanța pe care o particulă α zboară în materie până când se oprește complet gama de particule sau putere de pătrundere(notatR, [R] = m, cm). . În condiții normale, se formează o particulă αîn aer 30.000 de perechi de ioni pe cale de 1 cm. Ionizarea specifică este numărul de perechi de ioni formate pe 1 cm din lungimea căii. Particula α are un efect biologic puternic.

Regula de schimbare pentru dezintegrarea alfa:

2. β-degradare.

a) electronic (β -): nucleul emite un electron și un electron antineutrin

b) pozitron (β +): nucleul emite un pozitron și un neutrin

Aceste procese apar prin conversia unui tip de nucleon într-un nucleu în altul: un neutron într-un proton sau un proton într-un neutron.

Nu există electroni în nucleu, ei se formează ca urmare a transformării reciproce a nucleonilor.

Pozitron - o particulă care diferă de un electron doar prin semnul sarcinii (+e = 1,6 10 -19 C)

Din experiment rezultă că în timpul dezintegrarii β, izotopii pierd aceeași cantitate de energie. Prin urmare, pe baza legii conservării energiei, W. Pauli a prezis că o altă particulă de lumină, numită antineutrino, este ejectată. Un antineutrino nu are sarcină sau masă. Pierderile de energie de către particulele β în timpul trecerii lor prin materie sunt cauzate în principal de procesele de ionizare. O parte din energie este pierdută în raze X în timpul decelerării particulelor β de către nucleii substanței absorbante. Deoarece particulele β au o masă mică, o sarcină unitară și viteze foarte mari, capacitatea lor de ionizare este mică (de 100 de ori mai mică decât cea a particulelor α), prin urmare, puterea de penetrare (kilometrajul) a particulelor β este semnificativ mai mare decât particule α.

Rβ aer = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - dezintegrarea are loc în nucleele radioactive naturale și artificiale. β + - numai cu radioactivitate artificială.

Regula deplasării pentru dezintegrarea β - -:

c) K - captare (captură electronică) - nucleul absoarbe unul dintre electronii aflați pe învelișul K (mai rarLsau M) atomului său, în urma căruia unul dintre protoni se transformă într-un neutron, în timp ce emite un neutrin

Schema K - captare:

Spațiul din învelișul de electroni eliberat de electronul capturat este umplut cu electroni din straturile de deasupra, rezultând raze X.

• razele γ.

De obicei, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de raze γ. Razele γ sunt radiații electromagnetice cu lungimi de undă de la una la sutimi de angstrom λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. Energia razelor γ atinge milioane de eV.

W γ ~ MeV

1eV=1,6 10 -19 J

Un nucleu care suferă dezintegrare radioactivă, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția lui la starea fundamentală este însoțită de emisia unui foton γ. În acest caz, energia fotonului γ este determinată de condiție

unde E 2 și E 1 este energia nucleului.

E 2 - energie în stare excitată;

E 1 - energie în starea fundamentală.

Absorbția razelor γ de către materie se datorează a trei procese principale:

• efect fotoelectric (cu hv < l MэB);
• formarea perechilor electron-pozitron;

sau

• împrăștiere (efect Compton) -

Absorbția razelor γ are loc conform legii lui Bouguer:

unde μ este un coeficient de atenuare liniar, în funcție de energiile razelor γ și de proprietățile mediului;

І 0 este intensitatea fasciculului paralel incident;

eueste intensitatea fasciculului după trecerea printr-o substanță de grosime X cm.

Razele γ sunt una dintre cele mai penetrante radiații. Pentru cele mai dure raze (hvmax) grosimea stratului de semiabsorbție este de 1,6 cm în plumb, 2,4 cm în fier, 12 cm în aluminiu și 15 cm în pământ.

§2 Legea fundamentală a dezintegrarii radioactive.

Numărul de nuclee degradatedN proporțional cu numărul inițial de nuclee Nși timpul de decăderedt, dN~ N dt. Legea de bază a dezintegrarii radioactive în formă diferențială:

Coeficientul λ se numește constantă de dezintegrare pentru un anumit tip de nucleu. Semnul „-” înseamnă cădNtrebuie să fie negativ, deoarece numărul final de nuclee nedezintegrate este mai mic decât cel inițial.

prin urmare, λ caracterizează fracția de nuclee care se descompun pe unitatea de timp, adică determină rata dezintegrarii radioactive. λ nu depinde de condițiile externe, ci este determinat doar de proprietățile interne ale nucleelor. [λ]=s -1.

Legea de bază a dezintegrarii radioactive în formă integrală

Unde N 0 - numărul inițial de nuclee radioactive lat=0;

N- numărul de nuclee nedegradate la un moment datt;

λ este constanta dezintegrarii radioactive.

Rata de dezintegrare în practică este apreciată folosind nu λ, ci T 1/2 - timpul de înjumătățire - timpul în care jumătate din numărul inițial de nuclee se descompune. Relația T 1/2 și λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 ani, T 1/2 Ra = 1590 ani, T 1/2 Rn = 3,825 zile Numărul de dezintegrari pe unitatea de timp A \u003d -dN/ dtse numește activitatea unei substanțe radioactive date.

Din

urmează,

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

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

Legea schimbarii activitatii

unde A 0 = λ N 0 - activitatea iniţială la timpt= 0;

A - activitate la un moment datt.