atómová hmotnosť je súčet hmotností všetkých protónov, neutrónov a elektrónov, ktoré tvoria atóm alebo molekulu. Hmotnosť elektrónov je v porovnaní s protónmi a neutrónmi veľmi malá, preto sa s ňou pri výpočtoch nepočíta. Aj keď je z formálneho hľadiska nesprávny, tento termín sa často používa na označenie priemernej atómovej hmotnosti všetkých izotopov prvku. V skutočnosti ide o relatívnu atómovú hmotnosť, ktorá sa tiež nazýva atómová hmotnosť prvok. Atómová hmotnosť je priemer atómových hmotností všetkých prirodzene sa vyskytujúcich izotopov prvku. Chemici musia pri svojej práci rozlišovať medzi týmito dvoma typmi atómovej hmotnosti – nesprávna hodnota atómovej hmotnosti môže napríklad viesť k nesprávnemu výsledku pre výťažok reakčného produktu.

Kroky

Nájdenie atómovej hmotnosti podľa periodickej tabuľky prvkov

Zistite, ako sa píše atómová hmotnosť. Atómovú hmotnosť, teda hmotnosť daného atómu alebo molekuly, možno vyjadriť v štandardných jednotkách SI – gramoch, kilogramoch atď. Avšak vzhľadom na skutočnosť, že atómové hmotnosti vyjadrené v týchto jednotkách sú extrémne malé, sú často zapísané v jednotných jednotkách atómovej hmotnosti alebo v skratke a.u.m. sú jednotky atómovej hmotnosti. Jedna atómová hmotnostná jednotka sa rovná 1/12 hmotnosti štandardného izotopu uhlíka-12.

• Atómová hmotnostná jednotka charakterizuje hmotnosť jeden mól daného prvku v gramoch. Táto hodnota je veľmi užitočná v praktických výpočtoch, pretože sa dá použiť na jednoduchý prevod hmotnosti daného počtu atómov alebo molekúl danej látky na móly a naopak.

1. Nájdite atómovú hmotnosť v Mendelejevovej periodickej tabuľke. Väčšina štandardných periodických tabuliek obsahuje atómové hmotnosti (atómové hmotnosti) každého prvku. Spravidla sa uvádzajú ako číslo v spodnej časti bunky s prvkom, pod písmenami označujúcimi chemický prvok. Zvyčajne to nie je celé číslo, ale desatinné číslo.

   Pamätajte, že periodická tabuľka ukazuje priemerné atómové hmotnosti prvkov. Ako bolo uvedené vyššie, relatívne atómové hmotnosti uvedené pre každý prvok v periodickej tabuľke sú priemery hmotností všetkých izotopov atómu. Táto priemerná hodnota je cenná na mnohé praktické účely: napríklad sa používa pri výpočte molárnej hmotnosti molekúl pozostávajúcich z niekoľkých atómov. Keď sa však zaoberáte jednotlivými atómami, táto hodnota zvyčajne nestačí.

   • Keďže priemerná atómová hmotnosť je priemerom niekoľkých izotopov, hodnota uvedená v periodickej tabuľke nie je presné hodnota atómovej hmotnosti ktoréhokoľvek jednotlivého atómu.
   • Atómové hmotnosti jednotlivých atómov sa musia vypočítať s prihliadnutím na presný počet protónov a neutrónov v jednom atóme.

   Výpočet atómovej hmotnosti jednotlivého atómu

   1. Nájdite atómové číslo daného prvku alebo jeho izotopu. Atómové číslo je počet protónov v atómoch prvku a nikdy sa nemení. Napríklad všetky atómy vodíka a iba majú jeden protón. Sodík má atómové číslo 11, pretože má jedenásť protónov, zatiaľ čo kyslík má atómové číslo osem, pretože má osem protónov. Atómové číslo akéhokoľvek prvku nájdete v periodickej tabuľke Mendelejeva - takmer vo všetkých štandardných verziách je toto číslo uvedené nad písmenom chemického prvku. Atómové číslo je vždy kladné celé číslo.

      • Predpokladajme, že nás zaujíma atóm uhlíka. V atómoch uhlíka je vždy šesť protónov, takže vieme, že jeho atómové číslo je 6. Okrem toho vidíme, že v periodickej tabuľke je v hornej časti bunky s uhlíkom (C) číslo „6“, čo naznačuje, že atómové číslo uhlíka je šesť.
      • Všimnite si, že atómové číslo prvku nie je jednoznačne spojené s jeho relatívnou atómovou hmotnosťou v periodickej tabuľke. Hoci sa najmä pri prvkoch v hornej časti tabuľky môže zdať, že atómová hmotnosť prvku je dvojnásobkom jeho atómového čísla, nikdy sa nevypočítava vynásobením atómového čísla dvomi.

   2. Zistite počet neutrónov v jadre. Počet neutrónov môže byť rôzny pre rôzne atómy toho istého prvku. Keď dva atómy toho istého prvku s rovnakým počtom protónov majú rôzny počet neutrónov, sú to rôzne izotopy tohto prvku. Na rozdiel od počtu protónov, ktorý sa nikdy nemení, sa počet neutrónov v atómoch konkrétneho prvku môže často meniť, takže priemerná atómová hmotnosť prvku sa zapisuje ako desatinný zlomok medzi dve susedné celé čísla.

      Spočítajte počet protónov a neutrónov. Toto bude atómová hmotnosť tohto atómu. Ignorujte počet elektrónov, ktoré obklopujú jadro – ich celková hmotnosť je extrémne malá, takže nemajú na vaše výpočty žiadny vplyv.

   Výpočet relatívnej atómovej hmotnosti (atómovej hmotnosti) prvku

   1. Určte, ktoré izotopy sú vo vzorke. Chemici často určujú pomer izotopov v konkrétnej vzorke pomocou špeciálneho prístroja nazývaného hmotnostný spektrometer. Počas školenia vám však tieto údaje budú poskytnuté v podmienkach úloh, kontroly a pod. vo forme hodnôt prevzatých z odbornej literatúry.

      • V našom prípade povedzme, že máme do činenia s dvoma izotopmi: uhlík-12 a uhlík-13.

   2. Určte relatívne zastúpenie každého izotopu vo vzorke. Pre každý prvok sa vyskytujú rôzne izotopy v rôznych pomeroch. Tieto pomery sú takmer vždy vyjadrené v percentách. Niektoré izotopy sú veľmi bežné, zatiaľ čo iné sú veľmi zriedkavé – niekedy také zriedkavé, že je ťažké ich odhaliť. Tieto hodnoty možno určiť pomocou hmotnostnej spektrometrie alebo nájsť v referenčnej knihe.

      • Predpokladajme, že koncentrácia uhlíka-12 je 99% a uhlíka-13 je 1%. Iné izotopy uhlíka naozaj existujú, ale v množstvách tak malých, že v tomto prípade ich možno zanedbať.

   3. Vynásobte atómovú hmotnosť každého izotopu jeho koncentráciou vo vzorke. Vynásobte atómovú hmotnosť každého izotopu jeho percentom (vyjadrené ako desatinné číslo). Ak chcete previesť percentá na desatinné miesta, jednoducho ich vydeľte číslom 100. Výsledné koncentrácie by mali byť vždy 1.

      • Naša vzorka obsahuje uhlík-12 a uhlík-13. Ak uhlík-12 tvorí 99 % vzorky a uhlík-13 je 1 %, potom vynásobte 12 (atómová hmotnosť uhlíka-12) 0,99 a 13 (atómová hmotnosť uhlíka-13) 0,01.
      • Referenčné knihy uvádzajú percentá založené na známych množstvách všetkých izotopov prvku. Väčšina učebníc chémie obsahuje tieto informácie v tabuľke na konci knihy. Pre študovanú vzorku možno tiež určiť relatívne koncentrácie izotopov pomocou hmotnostného spektrometra.

   4. Sčítajte výsledky. Spočítajte výsledky násobenia, ktoré ste získali v predchádzajúcom kroku. V dôsledku tejto operácie nájdete relatívnu atómovú hmotnosť vášho prvku - priemernú hodnotu atómových hmotností izotopov príslušného prvku. Keď sa prvok považuje za celok a nie za konkrétny izotop daného prvku, použije sa táto hodnota.

      • V našom príklade 12 x 0,99 = 11,88 pre uhlík-12 a 13 x 0,01 = 0,13 pre uhlík-13. Relatívna atómová hmotnosť je v našom prípade 11,88 + 0,13 = 12,01 .
   • Niektoré izotopy sú menej stabilné ako iné: rozpadajú sa na atómy prvkov s menším počtom protónov a neutrónov v jadre, pričom sa uvoľňujú častice, ktoré tvoria atómové jadro. Takéto izotopy sa nazývajú rádioaktívne.

Pred mnohými rokmi sa ľudia čudovali, z čoho sú všetky látky vyrobené. Prvý, kto sa na to pokúsil odpovedať, bol staroveký grécky vedec Democritus, ktorý veril, že všetky látky sú zložené z molekúl. Teraz vieme, že molekuly sú postavené z atómov. Atómy sa skladajú z ešte menších častíc. V strede atómu je jadro, ktoré obsahuje protóny a neutróny. Najmenšie častice – elektróny – sa pohybujú po dráhach okolo jadra. Ich hmotnosť je v porovnaní s hmotnosťou jadra zanedbateľná. Ale ako zistiť hmotnosť jadra, pomôžu iba výpočty a znalosti chémie. Aby ste to dosiahli, musíte určiť počet protónov a neutrónov v jadre. Pozrite si tabuľkové hodnoty hmotností jedného protónu a jedného neutrónu a nájdite ich celkovú hmotnosť. Toto bude hmotnosť jadra.

Často sa môžete stretnúť s takouto otázkou, ako nájsť hmotnosť, poznať rýchlosť. Podľa klasických zákonov mechaniky hmotnosť nezávisí od rýchlosti telesa. Koniec koncov, ak sa vozidlo, ktoré sa vzďaľuje, začne zvyšovať svoju rýchlosť, vôbec to neznamená, že sa jeho hmotnosť zvýši. Na začiatku dvadsiateho storočia však Einstein predložil teóriu, podľa ktorej táto závislosť existuje. Tento efekt sa nazýva relativistický nárast telesnej hmotnosti. A prejavuje sa to vtedy, keď sa rýchlosti telies priblížia rýchlosti svetla. Moderné urýchľovače častíc umožňujú urýchliť protóny a neutróny na také vysoké rýchlosti. A v skutočnosti bol v tomto prípade zaznamenaný nárast ich hmotnosti.

Stále však žijeme vo svete špičkových technológií, ale nízkych rýchlostí. Preto, aby sme vedeli vypočítať hmotnosť látky, nie je vôbec potrebné zrýchľovať teleso na rýchlosť svetla a učiť sa Einsteinovu teóriu. Telesnú hmotnosť možno merať na stupnici. Pravda, nie každé telo sa dá postaviť na váhu. Preto existuje ďalší spôsob, ako vypočítať hmotnosť z jej hustoty.

Vzduch okolo nás, vzduch, ktorý je pre ľudstvo taký potrebný, má tiež svoju hmotnosť. A pri riešení problému, ako určiť hmotnosť vzduchu, napríklad v miestnosti, nie je potrebné počítať počet molekúl vzduchu a sčítať hmotnosť ich jadier. Môžete jednoducho určiť objem miestnosti a vynásobiť ho hustotou vzduchu (1,9 kg / m3).

Vedci sa teraz s veľkou presnosťou naučili vypočítať hmotnosti rôznych telies, od jadier atómov až po hmotnosť zemegule a dokonca aj hviezd nachádzajúcich sa vo vzdialenosti niekoľkých stoviek svetelných rokov od nás. Hmotnosť ako fyzikálna veličina je mierou zotrvačnosti telesa. Masívnejšie telesá sú vraj inertnejšie, to znamená, že menia svoju rýchlosť pomalšie. Preto je koniec koncov rýchlosť a hmotnosť prepojené. Ale hlavnou črtou tohto množstva je, že každé telo alebo látka má hmotnosť. Na svete neexistuje hmota, ktorá by nemala hmotnosť!

Hmotnosti atómových jadier sú mimoriadne zaujímavé pre identifikáciu nových jadier, pochopenie ich štruktúry, predpovedanie charakteristík rozpadu: životnosť, možné kanály rozpadu atď.
Prvýkrát popis hmotností atómových jadier podal Weizsäcker na základe modelu kvapky. Weizsäckerov vzorec umožňuje vypočítať hmotnosť atómového jadra M(A,Z) a väzbovú energiu jadra, ak je známe hmotnostné číslo A a počet protónov Z v jadre.
Weizsackerov vzorec pre hmotnosti jadier má nasledujúci tvar:

kde mp = 938,28 MeV/c2, mn = 939,57 MeV/c2, a1 = 15,75 MeV, a2 = 17,8 MeV, a3 = 0,71 MeV, a4 = 23,7 MeV, a5 = (+34 MeV) 1, 0, -1), pre nepárne-nepárne jadrá, jadrá s nepárnym A, párne-párne jadrá.
Prvé dva členy vzorca sú súčty hmotností voľných protónov a neutrónov. Zvyšné výrazy popisujú väzbovú energiu jadra:

• a 1 A zohľadňuje približnú stálosť špecifickej väzbovej energie jadra, t.j. odráža saturačné vlastnosti jadrových síl;
• a 2 A 2/3 opisuje povrchovú energiu a berie do úvahy skutočnosť, že povrchové nukleóny v jadre sú slabšie viazané;
• a 3 Z 2 /A 1/3 opisuje pokles jadrovej väzbovej energie v dôsledku Coulombovej interakcie protónov;
• a 4 (A - 2Z) 2 /A zohľadňuje vlastnosť nábojovej nezávislosti jadrových síl a pôsobenie Pauliho princípu;
• a 5 A -3/4 zohľadňuje párovacie efekty.

Parametre a 1 - a 5 zahrnuté vo Weizsäckerovom vzorci sú zvolené tak, aby optimálne opísali hmotnosti jadier v blízkosti oblasti β-stability.
Od samého začiatku však bolo jasné, že Weizsackerov vzorec neberie do úvahy niektoré špecifické detaily štruktúry atómových jadier.
Weizsackerov vzorec teda predpokladá rovnomerné rozloženie nukleónov vo fázovom priestore, t.j. v podstate zanedbáva štruktúru obalu atómového jadra. V skutočnosti štruktúra obalu vedie k nehomogenite v distribúcii nukleónov v jadre. Výsledná anizotropia stredného poľa v jadre tiež vedie k deformácii jadier v základnom stave.

Presnosť, s akou Weizsäckerov vzorec popisuje hmotnosti atómových jadier, možno odhadnúť z obr. 6.1, ktorý ukazuje rozdiel medzi experimentálne nameranými hmotnosťami atómových jadier a výpočtami na základe Weizsäckerovho vzorca. Odchýlka dosahuje 9 MeV, čo je asi 1 % z celkovej väzbovej energie jadra. Zároveň je jasne vidieť, že tieto odchýlky sú systematického charakteru, čo je spôsobené štruktúrou obalu atómových jadier.
Odchýlka jadrovej väzbovej energie od hladkej krivky predpovedanej modelom kvapiek kvapaliny bola prvou priamou indikáciou štruktúry obalu jadra. Rozdiel vo väzbových energiách medzi párnymi a nepárnymi jadrami naznačuje prítomnosť párových síl v atómových jadrách. Odchýlka od "hladkého" správania separačných energií dvoch nukleónov v jadrách medzi naplnenými obalmi je indikáciou deformácie atómových jadier v základnom stave.
Údaje o hmotnostiach atómových jadier sú základom overovania rôznych modelov atómových jadier, takže presnosť poznania hmotností jadier má veľký význam. Hmotnosti atómových jadier sa vypočítavajú pomocou rôznych fenomenologických alebo semiempirických modelov pomocou rôznych aproximácií makroskopických a mikroskopických teórií. V súčasnosti existujúce hmotnostné vzorce celkom dobre opisujú hmotnosti (väzbové energie) jadier v blízkosti údolia stability. (Presnosť odhadu väzbovej energie je ~100 keV). Avšak pre jadrá ďaleko od údolia stability sa neistota pri predpovedaní väzbovej energie zvyšuje na niekoľko MeV. (obr. 6.2). Na obr.6.2 nájdete odkazy na diela, v ktorých sú uvedené a analyzované rôzne hmotnostné vzorce.

Porovnanie predpovedí rôznych modelov s nameranými hmotnosťami jadier naznačuje, že by sa mali uprednostniť modely založené na mikroskopickom popise, ktorý zohľadňuje štruktúru obalu jadier. Malo by sa tiež pamätať na to, že presnosť predpovedania hmotností jadier vo fenomenologických modeloch je často určená počtom parametrov, ktoré sa v nich používajú. Experimentálne údaje o hmotnostiach atómových jadier sú uvedené v prehľade. Okrem toho ich neustále aktualizované hodnoty možno nájsť v referenčných materiáloch medzinárodného databázového systému.
V posledných rokoch boli vyvinuté rôzne metódy na experimentálne stanovenie hmotností atómových jadier s krátkou životnosťou.

Základné metódy určovania hmotností atómových jadier

Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností, uvádzame hlavné metódy určovania hmotností atómových jadier.

• Meranie β-rozpadovej energie Q b je pomerne bežnou metódou na určovanie hmotností jadier ďaleko od β-limity stability. Na určenie neznámej hmoty zažívajúcej β-rozpad jadra A

,

používa sa pomer

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

Preto, keď poznáme hmotnosť konečného jadra B, môžeme získať hmotnosť počiatočného jadra A. Beta rozpad často nastáva v excitovanom stave konečného jadra, čo je potrebné vziať do úvahy.

Tento vzťah je napísaný pre α-rozpady zo základného stavu počiatočného jadra do základného stavu konečného jadra. Energie budenia sa dajú ľahko zohľadniť. Presnosť, s akou sú hmotnosti atómových jadier určené z rozpadovej energie, je ~ 100 keV. Táto metóda je široko používaná na určenie hmotnosti superťažkých jadier a ich identifikáciu.

1. Meranie hmotností atómových jadier metódou time-of-flight

Určenie hmotnosti jadra (A ~ 100) s presnosťou ~ 100 keV je ekvivalentné relatívnej presnosti merania hmotnosti ΔM/M ~10-6. Na dosiahnutie tejto presnosti sa používa magnetická analýza v spojení s meraním času letu. Táto technika je použitá v spektrometri SPEG - GANIL (obr. 6.3) a TOFI - Los Alamos. Magnetická tuhosť Bρ, hmotnosť častice m, rýchlosť častice v a náboj q spolu súvisia

Pri znalosti magnetickej tuhosti spektrometra B je možné určiť m/q pre častice s rovnakou rýchlosťou. Táto metóda umožňuje určiť hmotnosti jadier s presnosťou ~ 10 -4 . Presnosť meraní hmotnosti jadier sa môže zlepšiť, ak sa súčasne meria čas letu. V tomto prípade sa hmotnosť iónu určí zo vzťahu

kde L je základňa letu, TOF je čas letu. Základy rozpätia sa pohybujú od niekoľkých metrov do 10 3 metrov a umožňujú zvýšiť presnosť merania hmotností jadier na 10 -6.
K výraznému zvýšeniu presnosti určovania hmotností atómových jadier prispieva aj skutočnosť, že hmotnosti rôznych jadier sa merajú súčasne, v jednom experimente a presné hodnoty hmotností jednotlivých jadier môžu byť použité ako referenčné. bodov. Metóda neumožňuje oddelenie základných a izomérnych stavov atómových jadier. Na GANIL sa vytvára nastavenie s dráhou letu ~3,3 km, ktoré zlepší presnosť merania hmotností jadier na niekoľko jednotiek o 10 -7.

1. Priame stanovenie hmotnosti jadra meraním frekvencie cyklotrónu

Pre časticu rotujúcu v konštantnom magnetickom poli B frekvencia rotácie súvisí s jej hmotnosťou a nábojom podľa vzťahu

Napriek tomu, že metódy 2 a 3 sú založené na rovnakom pomere, presnosť v metóde 3 merania cyklotrónovej frekvencie je vyššia (~ 10 -7), pretože je to ekvivalentné použitiu základne s dlhším rozpätím.

2. Meranie hmotností atómových jadier v zásobnom kruhu

   Táto metóda sa používa na úložnom kruhu ESR v GSI (Darmstadt, Nemecko). Metóda využíva Schottkyho detektor a je použiteľná na určenie hmotností jadier so životnosťou > 1 min. Metóda merania cyklotrónovej frekvencie iónov v zásobnom prstenci sa používa v kombinácii s predseparáciou iónov za chodu. Nastavenie FRS-ESR v GSI (obr. 6.4) vykonalo presné merania hmotností veľkého počtu jadier v širokom rozsahu hmotnostných čísel.

   209 bi jadier zrýchlených na energiu 930 MeV/nukleón sa zameralo na berýliový terč s hrúbkou 8 g/cm 2 umiestnený pri vstupe do FRS. V dôsledku fragmentácie 209Bi vzniká veľké množstvo sekundárnych častíc v rozsahu od 209Bi do 1H. Produkty reakcie sa oddeľujú za chodu podľa ich magnetickej tvrdosti. Cieľová hrúbka je zvolená tak, aby sa rozšíril rozsah zárodkov súčasne zachytených magnetickým systémom. Rozšírenie rozsahu jadier nastáva v dôsledku skutočnosti, že častice s rôznym nábojom sú v berýliovom terči spomaľované iným spôsobom. Fragment separátora FRS je vyladený na prechod častíc s magnetickou tvrdosťou ~350 MeV/nukleón. Prostredníctvom systému vo zvolenom rozsahu náboja detegovaných jadier (52 < Z < 83) môžu súčasne prechádzať plne ionizované atómy (holé ióny), ióny podobné vodíku (podobné vodíku) s jedným elektrónom alebo ióny podobné héliu (podobné héliu) s dvoma elektrónmi. Keďže sa rýchlosť častíc pri prechode FRS prakticky nemení, výber častíc s rovnakou magnetickou tuhosťou vyberá častice s hodnotou M/Z s presnosťou ~ 2 %. Preto je frekvencia rotácie každého iónu v úložnom prstenci ESR určená pomerom M/Z. To je základom presnej metódy na meranie hmotnosti atómových jadier. Frekvencia otáčok iónov sa meria pomocou Schottkyho metódy. Použitie metódy iónového chladenia v zásobnom prstenci dodatočne zvyšuje presnosť stanovenia hmotnosti o rád. Na obr. 6.5 znázorňuje graf hmotností atómových jadier oddelených touto metódou v GSI. Treba mať na pamäti, že pomocou opísanej metódy je možné identifikovať jadrá s polčasom rozpadu dlhším ako 30 sekúnd, ktorý je určený časom ochladzovania lúča a časom analýzy.

   Na obr. 6.6 sú uvedené výsledky stanovenia hmotnosti izotopu 171 Ta v rôznych stavoch náboja. Pri analýze sa použili rôzne referenčné izotopy. Namerané hodnoty sa porovnávajú s tabuľkovými údajmi (Wapstra).

3. Meranie hmotnosti jadier pomocou Penning Trap

   Kombináciou metód ISOL a iónových pascí sa otvárajú nové experimentálne možnosti pre presné merania hmotností atómových jadier. Pre ióny, ktoré majú veľmi malú kinetickú energiu, a teda malý polomer rotácie v silnom magnetickom poli, sa používajú Penningove pasce. Táto metóda je založená na presnom meraní frekvencie rotácie častíc

   ω = B(q/m),

   uväznené v silnom magnetickom poli. Presnosť merania hmotnosti pre ľahké ióny môže dosiahnuť ~ 10-9. Na obr. Obrázok 6.7 ukazuje spektrometer ISOLTRAP namontovaný na separátore ISOL - CERN.
   Hlavnými prvkami tohto nastavenia sú sekcie na prípravu iónového lúča a dva Penningove pasce. Prvý Penningov lapač je valec umiestnený v magnetickom poli ~4 T. Ióny v prvom lapači sú dodatočne ochladzované v dôsledku zrážok s vyrovnávacím plynom. Na obr. Obrázok 6.7 ukazuje distribúciu hmotnosti iónov s A = 138 v prvom Penningovom pasci ako funkciu rýchlosti otáčania. Po ochladení a vyčistení sa iónový oblak z prvého lapača vstrekne do druhého. Tu sa hmotnosť iónu meria pomocou rezonančnej frekvencie rotácie. Rozlíšenie dosiahnuteľné touto metódou pre ťažké izotopy s krátkou životnosťou je najvyššie a predstavuje ~ 10-7.

   Ryža. 6.7 Spektrometer ISOLTRAP

§1 Náboj a hmotnosť, atómové jadrá

Najdôležitejšie vlastnosti jadra sú jeho náboj a hmotnosť. M.

Z- náboj jadra je určený počtom kladných elementárnych nábojov sústredených v jadre. Nosič kladného elementárneho náboja R= 1,6021 10 -19 C v jadre je protón. Atóm ako celok je neutrálny a náboj jadra súčasne určuje počet elektrónov v atóme. Rozloženie elektrónov v atóme v energetických obaloch a podobaloch v podstate závisí od ich celkového počtu v atóme. Preto náboj jadra do značnej miery určuje distribúciu elektrónov v ich stavoch v atóme a polohu prvku v periodickom systéme Mendelejeva. Jadrový náboj jeqja = z· e, kde z- nábojové číslo jadra, ktoré sa rovná poradovému číslu prvku v Mendelejevovom systéme.

Hmotnosť atómového jadra sa prakticky zhoduje s hmotnosťou atómu, pretože hmotnosť elektrónov všetkých atómov okrem vodíka je približne 2,5 10 -4 hmotnosti atómov. Hmotnosť atómov je vyjadrená v jednotkách atómovej hmotnosti (am.m.u.). Pre a.u.m. prijatá 1/12 hmotnosti atómu uhlíka.

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

mja = m a - Z ja.

Izotopy sú druhy atómov daného chemického prvku, ktoré majú rovnaký náboj, ale líšia sa hmotnosťou.

Celé číslo najbližšie k atómovej hmotnosti, vyjadrené v a.u. m . nazývané hromadné číslo m a označené písmenom ALE. Označenie chemického prvku: ALE- hmotnostné číslo, X - symbol chemického prvku,Z-číslo nabíjania - sériové číslo v periodickej tabuľke ():

berýlium; Izotopy: , ", .

Polomer jadra:

kde A je hmotnostné číslo.

§2 Zloženie jadra

Jadro atómu vodíkavolal protón

mprotón= 1,00783 amu , .

Schéma atómu vodíka

V roku 1932 bola objavená častica nazývaná neutrón, ktorá má hmotnosť blízku hmotnosti protónu (mneutrón= 1,00867 am.u.) a nemá elektrický náboj. Potom D.D. Ivanenko formuloval hypotézu o protón-neutrónovej štruktúre jadra: jadro pozostáva z protónov a neutrónov a ich súčet sa rovná hmotnostnému číslu ALE. 3 poradové čísloZurčuje počet protónov v jadre, počet neutrónovN \u003d A – Z.

Elementárne častice - vstupujúce protóny a neutróny do jadra, sú súhrnne známe ako nukleóny. Nukleóny jadier sú v stavoch, výrazne odlišné od ich slobodných štátov. Medzi nukleónmi je špeciálna ja de r nová interakcia. Hovorí sa, že nukleón môže byť v dvoch "stavoch náboja" - v protónovom stave s nábojom+ e a neutrón s nábojom 0.

§3 Väzbová energia jadra. hromadný defekt. jadrové sily

Jadrové častice – protóny a neutróny – sú pevne držané vo vnútri jadra, takže medzi nimi pôsobia veľmi veľké príťažlivé sily, schopné odolať obrovským odpudivým silám medzi podobne nabitými protónmi. Tieto špeciálne sily vznikajúce v malých vzdialenostiach medzi nukleónmi sa nazývajú jadrové sily. Jadrové sily nie sú elektrostatické (Coulomb).

Štúdium jadra ukázalo, že jadrové sily pôsobiace medzi nukleónmi majú tieto vlastnosti:

a) sú to sily krátkeho dosahu - prejavujúce sa vo vzdialenostiach rádovo 10 -15 m a prudko klesajúce aj s miernym zväčšením vzdialenosti;

b) jadrové sily nezávisia od toho, či má častica (nukleón) náboj - nábojová nezávislosť jadrových síl. Jadrové sily pôsobiace medzi neutrónom a protónom, medzi dvoma neutrónmi, medzi dvoma protónmi sú rovnaké. Protón a neutrón sú vo vzťahu k jadrovým silám rovnaké.

Väzbová energia je mierou stability atómového jadra. Väzbová energia jadra sa rovná práci, ktorú je potrebné vykonať, aby sa jadro rozdelilo na jednotlivé nukleóny bez toho, aby sa im odovzdala kinetická energia.

M I< Σ( m p + m n)

Ja - hmotnosť jadra

Meranie hmotností jadier ukazuje, že pokojová hmotnosť jadra je menšia ako súčet pokojových hmotností nukleónov, ktoré ho tvoria.

Hodnota

slúži ako miera väzbovej energie a nazýva sa hmotnostný defekt.

Einsteinova rovnica špeciálnej teórie relativity dáva do súvislosti energiu a pokojovú hmotnosť častice.

Vo všeobecnom prípade možno väzbovú energiu jadra vypočítať podľa vzorca

kde Z - nábojové číslo (počet protónov v jadre);

ALE- hmotnostné číslo (celkový počet nukleónov v jadre);

m p, , m n a M i- hmotnosť protónu, neutrónu a jadra

Hromadný defekt (Δ m) sa rovnajú 1 a.u. m.(a.m.u. - atómová hmotnostná jednotka) zodpovedá väzbovej energii (E St) rovnajúcej sa 1 a.u.e. (a.u.e. - atómová jednotka energie) a rovná sa 1 a.u.m s 2 = 931 MeV.

§ 4 Jadrové reakcie

Zmeny v jadrách pri ich interakcii s jednotlivými časticami a navzájom sa zvyčajne nazývajú jadrové reakcie.

Najbežnejšie jadrové reakcie sú nasledujúce.

1. Transformačná reakcia . V tomto prípade dopadajúca častica zostáva v jadre, ale intermediárne jadro emituje nejakú inú časticu, takže jadro produktu sa líši od cieľového jadra.

1. Radiačná záchytná reakcia . Dopadajúca častica uviazne v jadre, ale excitované jadro vyžaruje prebytočnú energiu a vyžaruje γ-fotón (používaný pri prevádzke jadrových reaktorov)

Príklad reakcie zachytávania neutrónov kadmiom

alebo fosfor

1. Rozptyľovanie. Stredné jadro emituje časticu identickú s

s uleteným a môže to byť:

Pružný rozptyl neutróny s uhlíkom (používané v reaktoroch na moderovanie neutrónov):

Nepružný rozptyl :

1. štiepna reakcia. Ide o reakciu, ktorá vždy prebieha s uvoľňovaním energie. Je základom pre technickú výrobu a využitie jadrovej energie. Pri štiepnej reakcii je excitácia jadra intermediárnej zlúčeniny taká veľká, že sa rozdelí na dva, približne rovnaké fragmenty, pričom sa uvoľní niekoľko neutrónov.

Ak je excitačná energia nízka, nedochádza k oddeleniu jadra a jadro, ktoré stratilo prebytočnú energiu vyžiarením y - fotónu alebo neutrónu, sa vráti do normálneho stavu (obr. 1). Ak je však energia vnesená neutrónom veľká, excitované jadro sa začne deformovať, vytvorí sa v ňom zúženie a v dôsledku toho sa rozdelí na dva fragmenty, ktoré sa rozletia obrovskou rýchlosťou, pričom sa vyžarujú dva neutróny.
(obr. 2).

Reťazová reakcia- samovyvíjajúca sa štiepna reakcia. Na jeho realizáciu je potrebné, aby zo sekundárnych neutrónov produkovaných počas jednej štiepnej udalosti mohol aspoň jeden spôsobiť ďalšiu štiepnu udalosť: (keďže niektoré neutróny sa môžu zúčastniť zachytávacích reakcií bez toho, aby spôsobili štiepenie). Kvantitatívne podmienku existencie reťazovej reakcie vyjadruje multiplikačný faktor

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - reťazové reakcie s konštantným počtom neutrónov (v jadrovom reaktore),k > 1 (m > m kr ) sú jadrové bomby.

RÁDIOAKTIVITA

§1 Prírodná rádioaktivita

Rádioaktivita je spontánna premena nestabilných jadier jedného prvku na jadrá iného prvku. prirodzená rádioaktivita nazývaná rádioaktivita pozorovaná v nestabilných izotopoch, ktoré existujú v prírode. Umelá rádioaktivita sa nazýva rádioaktivita izotopov získaných v dôsledku jadrových reakcií.

Druhy rádioaktivity:

1. α-rozpad.

Emisia jadrami niektorých chemických prvkov α-systému dvoch protónov a dvoch neutrónov spolu spojených (a-častica - jadro atómu hélia)

α-rozpad je vlastný ťažkým jadrám s ALE> 200 aZ > 82. Pri pohybe v látke α-častice na svojej ceste silne ionizujú atómy (ionizácia je oddelenie elektrónov od atómu), pričom na ne pôsobí svojím elektrickým poľom. Vzdialenosť, ktorú preletí α-častica v hmote, kým sa úplne nezastaví, sa nazýva rozsah častíc alebo prenikavú silu(označenéR[R] = m, cm). . Za normálnych podmienok sa tvorí α-častica v vzduch 30 000 párov iónov na 1 cm dráhu. Špecifická ionizácia je počet párov iónov vytvorených na 1 cm dĺžky dráhy. α-častica má silný biologický účinok.

Pravidlo posunu pre rozpad alfa:

2. β-rozpad.

a) elektrónové (β -): jadro emituje elektrón a elektrónové antineutríno

b) pozitrón (β +): jadro emituje pozitrón a neutríno

Tieto procesy prebiehajú premenou jedného typu nukleónu na jadro na iný: neutrón na protón alebo protón na neutrón.

V jadre nie sú žiadne elektróny, vznikajú ako výsledok vzájomnej premeny nukleónov.

Pozitrón - častica, ktorá sa od elektrónu líši len znamienkom náboja (+e = 1,6 10 -19 C)

Z experimentu vyplýva, že pri β - rozpade strácajú izotopy rovnaké množstvo energie. W. Pauli preto na základe zákona zachovania energie predpovedal, že dôjde k vyvrhnutiu ďalšej svetelnej častice, nazývanej antineutríno. Antineutríno nemá náboj ani hmotnosť. Straty energie β-častíc pri ich prechode hmotou sú spôsobené najmä ionizačnými procesmi. Časť energie sa stráca röntgenovým žiarením pri spomaľovaní β-častíc jadrami absorbujúcej látky. Keďže β-častice majú malú hmotnosť, jednotkový náboj a veľmi vysoké rýchlosti, ich ionizačná schopnosť je malá (100-krát menšia ako u α-častíc), preto je penetračná sila (najazdené kilometre) β-častíc výrazne väčšia ako a-častice.

Rp vzduch = 200 m, Rp Pb ≈ 3 mm

β - - rozpad prebieha v prirodzených a umelých rádioaktívnych jadrách. β + - len s umelou rádioaktivitou.

Pravidlo posunu pre β - - rozpad:

c) K - záchyt (elektronický záchyt) - jadro pohltí jeden z elektrónov umiestnených na obale K (menej častoLalebo M) jeho atómu, v dôsledku čoho sa jeden z protónov zmení na neutrón, pričom vyžaruje neutríno

Schéma K - zachytávanie:

Priestor v elektrónovom obale uvoľnený zachyteným elektrónom je vyplnený elektrónmi z nadložných vrstiev, čo vedie k röntgenovému žiareniu.

• γ-lúče.

Zvyčajne sú všetky typy rádioaktivity sprevádzané emisiou γ-lúčov. γ-lúče sú elektromagnetické žiarenie s vlnovými dĺžkami od jednej do stotín angstromu λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m Energia γ-lúčov dosahuje milióny eV.

W y ~ MeV

1 eV = 1,6 10-19 J

Jadro prechádzajúce rádioaktívnym rozpadom je spravidla excitované a jeho prechod do základného stavu je sprevádzaný emisiou y - fotónu. V tomto prípade je energia y-fotónu určená podmienkou

kde E 2 a E 1 je energia jadra.

E 2 - energia v excitovanom stave;

E 1 - energia v základnom stave.

Absorpcia γ-lúčov hmotou je spôsobená tromi hlavnými procesmi:

• fotoelektrický efekt (s hv < l MэB);
• tvorba elektrón-pozitrónových párov;

alebo

• rozptyl (Comptonov efekt) -

Absorpcia γ-lúčov prebieha podľa Bouguerovho zákona:

kde μ je lineárny koeficient útlmu v závislosti od energií lúčov γ a vlastností média;

І 0 je intenzita dopadajúceho paralelného lúča;

jaje intenzita lúča po prechode látkou o hrúbke X cm.

γ-lúče sú jedným z najprenikavejších žiarení. Pre najtvrdšie lúče (hvmax) hrúbka poloabsorpčnej vrstvy je 1,6 cm v olove, 2,4 cm v železe, 12 cm v hliníku a 15 cm v zemi.

§2 Základný zákon rádioaktívneho rozpadu.

Počet rozpadnutých jadierdN úmerné pôvodnému počtu jadier N a čas rozpadudt, dN~ N dt. Základný zákon rádioaktívneho rozpadu v diferenciálnej forme:

Koeficient λ sa nazýva rozpadová konštanta pre daný typ jadier. Znak "-" to znamenádNmusí byť záporné, pretože konečný počet nerozpadnutých jadier je menší ako počiatočný.

preto λ charakterizuje podiel rozpadu jadier za jednotku času, t.j. určuje rýchlosť rádioaktívneho rozpadu. λ nezávisí od vonkajších podmienok, ale je určené iba vnútornými vlastnosťami jadier. [A] = s-1.

Základný zákon rádioaktívneho rozpadu v integrálnej forme

kde N 0 - počiatočný počet rádioaktívnych jadier prit=0;

N- počet nerozpadnutých jadier narazt;

λ je konštanta rádioaktívneho rozpadu.

Rýchlosť rozpadu sa v praxi neposudzuje pomocou λ, ale T 1/2 - polčas rozpadu - čas, počas ktorého sa rozpadne polovica pôvodného počtu jadier. Vzťah T 1/2 a λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 rokov, T 1/2 Ra = 1590 rokov, T 1/2 Rn = 3,825 dňa Počet rozpadov za jednotku času A \u003d -dN/ dtsa nazýva aktivita danej rádioaktívnej látky.

Od

nasleduje,

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

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

Zmena zákona o činnosti

kde A 0 = λ N 0 - počiatočná činnosť v časet= 0;

A - činnosť v časet.