JADROVÝ NÁPLŇ
Moseleyho zákon. Elektrický náboj jadra tvoria protóny, ktoré tvoria jeho zloženie. Počet protónov Z nazývaný jeho náboj, čo znamená, že absolútna hodnota náboja jadra sa rovná Ze. Náboj jadra je rovnaký ako sériové číslo Z prvok v Mendelejevovej periodickej sústave prvkov. Prvýkrát náboje atómových jadier určil anglický fyzik Moseley v roku 1913. Meraním vlnovej dĺžky kryštálom λ charakteristické röntgenové žiarenie pre atómy určitých prvkov, Moseley objavil pravidelnú zmenu vlnovej dĺžky λ pre prvky nasledujúce za sebou v periodickej sústave (obr. 2.1). Moseley interpretoval toto pozorovanie ako závislosť λ z nejakej atómovej konštanty Z, meniace sa o jednu z prvku na prvok a rovnajúce sa jednej pre vodík:
kde a sú konštanty. Z pokusov o rozptyle röntgenových kvánt atómovými elektrónmi a α -častice atómovými jadrami, už bolo známe, že náboj jadra sa rovná približne polovici atómovej hmotnosti, a preto je blízky poradovému číslu prvku. Keďže emisia charakteristického röntgenového žiarenia je dôsledkom elektrických procesov v atóme, Moseley dospel k záveru, že atómová konštanta zistená v jeho experimentoch, ktorá určuje vlnovú dĺžku charakteristického röntgenového žiarenia a zhoduje sa so sériovým číslom prvku , môže byť len nábojom atómového jadra (Moseleyho zákon).
Ryža. 2.1. Röntgenové spektrá atómov susedných prvkov získané Moseleym
Meranie röntgenových vlnových dĺžok sa vykonáva s veľkou presnosťou, takže na základe Moseleyho zákona sa príslušnosť atómu k chemickému prvku úplne spoľahlivo určí. Avšak skutočnosť, že konštanta Z v poslednej rovnici je náboj jadra, aj keď je podložený nepriamymi experimentmi, v konečnom dôsledku spočíva na postuláte – Moseleyho zákone. Po Moseleyho objave sa preto náboje jadier opakovane merali v rozptylových experimentoch. α -častice na základe Coulombovho zákona. V roku 1920 Chadwig zdokonalil metódu merania podielu rozptýlených α -častice a prijali náboje jadier atómov medi, striebra a platiny (pozri tabuľku 2.1). Chadwigove údaje nenechávajú žiadne pochybnosti o platnosti Moseleyho zákona. Okrem uvedených prvkov boli pri pokusoch stanovené aj náboje jadier horčíka, hliníka, argónu a zlata.
Tabuľka 2.1. Výsledky Chadwickových experimentov
Definície. Po Moseleyho objave sa ukázalo, že hlavnou charakteristikou atómu je náboj jadra, a nie jeho atómová hmotnosť, ako predpokladali chemici 19. storočia, pretože náboj jadra určuje počet atómových elektrónov, a teda chemické vlastnosti atómov. Dôvodom rozdielu medzi atómami chemických prvkov je práve to, že ich jadrá majú vo svojom zložení rôzny počet protónov. Naopak, iný počet neutrónov v jadrách atómov s rovnakým počtom protónov nijako nemení chemické vlastnosti atómov. Nazývame atómy, ktoré sa líšia iba počtom neutrónov v jadrách izotopy chemický prvok.
Atóm je najmenšia častica chemického prvku, ktorá si zachováva všetky svoje chemické vlastnosti. Atóm pozostáva z kladne nabitého jadra a záporne nabitých elektrónov. Náboj jadra ľubovoľného chemického prvku sa rovná súčinu Z a e, kde Z je poradové číslo tohto prvku v periodickej sústave chemických prvkov, e je hodnota elementárneho elektrického náboja.
Electron- je to najmenšia častica látky so záporným elektrickým nábojom e=1,6·10 -19 coulombov, braná ako elementárny elektrický náboj. Elektróny, rotujúce okolo jadra, sú umiestnené na elektrónových obaloch K, L, M atď. K je obal najbližšie k jadru. Veľkosť atómu je určená veľkosťou jeho elektrónového obalu. Atóm môže stratiť elektróny a stať sa pozitívnym iónom alebo získať elektróny a stať sa negatívnym iónom. Náboj iónu určuje počet stratených alebo získaných elektrónov. Proces premeny neutrálneho atómu na nabitý ión sa nazýva ionizácia.
atómové jadro(centrálna časť atómu) pozostáva z elementárnych jadrových častíc - protónov a neutrónov. Polomer jadra je asi stotisíckrát menší ako polomer atómu. Hustota atómového jadra je extrémne vysoká. Protóny- Sú to stabilné elementárne častice s jednotkovým kladným elektrickým nábojom a hmotnosťou 1836-krát väčšou ako hmotnosť elektrónu. Protón je jadrom najľahšieho prvku, vodíka. Počet protónov v jadre je Z. Neutrón je neutrálna (bez elektrického náboja) elementárna častica s hmotnosťou veľmi blízkou hmotnosti protónu. Keďže hmotnosť jadra je súčtom hmotnosti protónov a neutrónov, počet neutrónov v jadre atómu je A - Z, kde A je hmotnostné číslo daného izotopu (pozri). Protón a neutrón, ktoré tvoria jadro, sa nazývajú nukleóny. V jadre sú nukleóny viazané špeciálnymi jadrovými silami.
Atómové jadro má obrovskú zásobu energie, ktorá sa uvoľňuje pri jadrových reakciách. Jadrové reakcie sa vyskytujú, keď atómové jadrá interagujú s elementárnymi časticami alebo s jadrami iných prvkov. V dôsledku jadrových reakcií vznikajú nové jadrá. Napríklad neutrón sa môže premeniť na protón. V tomto prípade je beta častica, teda elektrón, vyvrhnutá z jadra.
Prechod v jadre protónu na neutrón sa môže uskutočniť dvoma spôsobmi: buď častica s hmotnosťou rovnajúcou sa hmotnosti elektrónu, ale s kladným nábojom, nazývaná pozitrón (pozitrónový rozpad), je emitovaná z jadro, alebo jadro zachytí jeden z elektrónov z najbližšieho K-obalu (K -zachytenie).
Niekedy má vytvorené jadro prebytok energie (je v excitovanom stave) a pri prechode do normálneho stavu uvoľňuje prebytočnú energiu vo forme elektromagnetického žiarenia s veľmi krátkou vlnovou dĺžkou -. Energia uvoľnená pri jadrových reakciách sa prakticky využíva v rôznych priemyselných odvetviach.
Atóm (grécky atomos – nedeliteľný) je najmenšia častica chemického prvku, ktorá má svoje chemické vlastnosti. Každý prvok sa skladá z určitých typov atómov. Štruktúra atómu zahŕňa jadro nesúce kladný elektrický náboj a záporne nabité elektróny (pozri), ktoré tvoria jeho elektronické obaly. Hodnota elektrického náboja jadra sa rovná Z-e, kde e je elementárny elektrický náboj, ktorý sa svojou veľkosťou rovná náboju elektrónu (4,8 10 -10 e.-st. jednotiek) a Z je atómové číslo. tohto prvku v periodickom systéme chemických prvkov (pozri .). Keďže neionizovaný atóm je neutrálny, počet elektrónov v ňom obsiahnutých sa tiež rovná Z. Zloženie jadra (pozri. Atómové jadro) zahŕňa nukleóny, elementárne častice s hmotnosťou približne 1840-krát väčšou ako hmotnosť atómu elektrón (rovnajúci sa 9,1 10 - 28 g), protóny (pozri), kladne nabité a neutróny bez náboja (pozri). Počet nukleónov v jadre sa nazýva hmotnostné číslo a označuje sa písmenom A. Počet protónov v jadre, rovný Z, určuje počet elektrónov vstupujúcich do atómu, štruktúru elektrónových obalov a chemickú látku. vlastnosti atómu. Počet neutrónov v jadre je A-Z. Izotopy sa nazývajú odrody toho istého prvku, ktorých atómy sa navzájom líšia hmotnostným číslom A, ale majú rovnaké Z. V jadrách atómov rôznych izotopov jedného prvku je teda rôzny počet neutrónov s tzv. rovnaký počet protónov. Pri označovaní izotopov je hmotnostné číslo A napísané v hornej časti symbolu prvku a atómové číslo v dolnej časti; napríklad izotopy kyslíka sú označené: 
Rozmery atómu sú určené rozmermi elektrónových obalov a pre všetky Z sú asi 10 -8 cm Keďže hmotnosť všetkých elektrónov atómu je niekoľko tisíckrát menšia ako hmotnosť jadra, hmotnosť atóm je úmerný hmotnostnému číslu. Relatívna hmotnosť atómu daného izotopu sa určuje vo vzťahu k hmotnosti atómu izotopu uhlíka C 12, berie sa ako 12 jednotiek a nazýva sa izotopová hmotnosť. Ukázalo sa, že je blízko k hmotnostnému číslu zodpovedajúceho izotopu. Relatívna hmotnosť atómu chemického prvku je priemerná (pri zohľadnení relatívneho množstva izotopov daného prvku) hodnota izotopovej hmotnosti a nazýva sa atómová hmotnosť (hmotnosť).
Atóm je mikroskopický systém a jeho štruktúru a vlastnosti je možné vysvetliť len pomocou kvantovej teórie, ktorá vznikla najmä v 20. rokoch 20. storočia a ktorej cieľom je popísať javy v atómovom meradle. Experimenty ukázali, že mikročastice – elektróny, protóny, atómy atď. – majú okrem korpuskulárnych aj vlnové vlastnosti, ktoré sa prejavujú difrakciou a interferenciou. V kvantovej teórii sa na popis stavu mikroobjektov používa určité vlnové pole charakterizované vlnovou funkciou (Ψ-funkcia). Táto funkcia určuje pravdepodobnosti možných stavov mikroobjektu, t.j. charakterizuje potenciálne možnosti prejavu jednej alebo druhej z jeho vlastností. Zákon variácie funkcie Ψ v priestore a čase (Schrödingerova rovnica), ktorý umožňuje túto funkciu nájsť, zohráva v kvantovej teórii rovnakú úlohu ako Newtonove pohybové zákony v klasickej mechanike. Riešenie Schrödingerovej rovnice v mnohých prípadoch vedie k diskrétnym možným stavom systému. Takže napríklad v prípade atómu sa získa séria vlnových funkcií pre elektróny, ktoré zodpovedajú rôznym (kvantovaným) energetickým hodnotám. Systém energetických hladín atómu, vypočítaný metódami kvantovej teórie, získal vynikajúce potvrdenie v spektroskopii. Prechod atómu zo základného stavu zodpovedajúceho najnižšej energetickej hladine E 0 do niektorého z excitovaných stavov E i nastáva, keď je absorbovaná určitá časť energie E i - E 0 . Excitovaný atóm prechádza do menej excitovaného alebo základného stavu, zvyčajne s emisiou fotónu. V tomto prípade sa energia fotónu hv rovná rozdielu medzi energiami atómu v dvoch stavoch: hv= E i - E k kde h je Planckova konštanta (6,62·10 -27 erg·sec), v je frekvencia svetla.
Okrem atómových spektier umožnila kvantová teória vysvetliť aj ďalšie vlastnosti atómov. Vysvetlila sa najmä valencia, podstata chemickej väzby a štruktúra molekúl, vznikla teória periodickej sústavy prvkov.
Jadrový náboj () určuje umiestnenie chemického prvku v tabuľke D.I. Mendelejev. Číslo Z je počet protónov v jadre. Cl je náboj protónu, ktorý sa svojou veľkosťou rovná náboju elektrónu.
Ešte raz zdôrazňujeme, že jadrový náboj určuje počet kladných elementárnych nábojov nesených protónmi. A keďže atóm je vo všeobecnosti neutrálny systém, náboj jadra určuje aj počet elektrónov v atóme. A pamätáme si, že elektrón má záporný elementárny náboj. Elektróny v atóme sú rozmiestnené po energetických obaloch a podplášťoch v závislosti od ich počtu, preto má náboj jadra významný vplyv na rozloženie elektrónov v ich stavoch. Chemické vlastnosti atómu závisia od počtu elektrónov na poslednej energetickej úrovni. Ukazuje sa, že náboj jadra určuje chemické vlastnosti látky.
Teraz je obvyklé označovať rôzne chemické prvky takto: , kde X je symbol chemického prvku v periodickej tabuľke, ktorý zodpovedá náboju.
Prvky, ktoré majú rovnaké Z, ale rôznu atómovú hmotnosť (A) (čo znamená, že jadro má rovnaký počet protónov, ale iný počet neutrónov), sa nazývajú izotopy. Takže vodík má dva izotopy: 11H-vodík; 21H-deutérium; 31H-trícium
Existujú stabilné a nestabilné izotopy.
Jadrá s rovnakou hmotnosťou, ale rôznym nábojom sa nazývajú izobary. Izobary sa nachádzajú hlavne medzi ťažkými jadrami a v pároch alebo trojiciach. Napríklad a .
Prvé nepriame meranie jadrového náboja urobil Moseley v roku 1913. Stanovil vzťah medzi frekvenciou charakteristického röntgenového žiarenia () a jadrovým nábojom (Z):
kde C a B sú konštanty nezávislé od prvku pre sériu uvažovaného žiarenia.
Náboj jadra priamo určil Chadwick v roku 1920 pri štúdiu rozptylu jadier atómu hélia na kovových filmoch.
Zloženie jadra
Jadro atómu vodíka sa nazýva protón. Hmotnosť protónu je:
Jadro sa skladá z protónov a neutrónov (súhrnne nazývaných nukleóny). Neutrón bol objavený v roku 1932. Hmotnosť neutrónu je veľmi blízka hmotnosti protónu. Neutrón nemá elektrický náboj.
Súčet počtu protónov (Z) a počtu neutrónov (N) v jadre sa nazýva hmotnostné číslo A:
Keďže hmotnosti neutrónu a protónu sú veľmi blízke, každá z nich sa rovná takmer jednotke atómovej hmotnosti. Hmotnosť elektrónov v atóme je oveľa menšia ako hmotnosť jadra, takže sa predpokladá, že hmotnostné číslo jadra sa približne rovná relatívnej atómovej hmotnosti prvku, ak je zaokrúhlené na najbližšie celé číslo.
Príklady riešenia problémov
PRÍKLAD 1
| Cvičenie | Jadrá sú veľmi stabilné systémy, preto musia byť protóny a neutróny udržiavané vo vnútri jadra nejakou silou. Čo môžete povedať o týchto silách? |
| rozhodnutie | Okamžite možno poznamenať, že sily, ktoré viažu nukleóny, nepatria medzi gravitačné, ktoré sú príliš slabé. Stabilita jadra sa nedá vysvetliť prítomnosťou elektromagnetických síl, pretože medzi protónmi, ako časticami nesúcimi náboje rovnakého znamienka, môže dôjsť iba k elektrickému odpudzovaniu. Neutróny sú elektricky neutrálne častice. Medzi nukleónmi pôsobí zvláštny druh sily, ktoré sa nazývajú jadrové sily. Tieto sily sú takmer 100-krát silnejšie ako elektrické sily. Jadrové sily sú najsilnejšie zo všetkých známych síl v prírode. Interakcia častíc v jadre sa nazýva silná. Ďalšou črtou jadrových síl je, že majú krátky dosah. Jadrové sily sa prejavia až vo vzdialenosti rádovo cm, teda vo vzdialenosti veľkosti jadra. |
PRÍKLAD 2
| Cvičenie | Na akú minimálnu vzdialenosť sa môže jadro atómu hélia, ktorého kinetická energia sa rovná energii pri čelnej zrážke, priblížiť k nehybnému jadru atómu olova? |
| rozhodnutie | Urobme si kresbu. Uvažujme o pohybe jadra atómu hélia ( - častíc) v elektrostatickom poli, ktoré vytvára nehybné jadro atómu olova. - častica sa pohybuje smerom k jadru atómu olova rýchlosťou klesajúcou k nule, keďže medzi rovnako nabitými časticami pôsobia odpudivé sily. Kinetická energia, ktorú má častica, sa zmení na potenciálnu energiu interakcie - častice a polia (), čo vytvára jadro atómu olova: Potenciálnu energiu častice v elektrostatickom poli vyjadrujeme takto: kde je náboj jadra atómu hélia; - intenzita elektrostatického poľa, ktoré vytvára jadro atómu olova.
Z (2.1) - (2.3) dostaneme: |
E. Rutherford pri skúmaní prechodu α-častice cez tenkú zlatú fóliu (pozri časť 6.2) dospel k záveru, že atóm pozostáva z ťažkého kladne nabitého jadra a elektrónov, ktoré ho obklopujú.
jadro nazývaný stred atómu,v ktorom je sústredená takmer všetka hmotnosť atómu a jeho kladný náboj.
AT zloženie atómového jadra zahŕňa elementárne častice : protóny a neutróny (nukleóny z latinského slova jadro- jadro). Takýto protón-neutrónový model jadra navrhol sovietsky fyzik v roku 1932 D.D. Ivanenko. Protón má kladný náboj e + = 1,06 10 -19 C a pokojovú hmotnosť m p\u003d 1,673 10 -27 kg \u003d 1836 ja. Neutrón ( n) je neutrálna častica s pokojovou hmotnosťou m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 ja(kde hmotnosť elektrónu ja, sa rovná 0,91 10 -31 kg). Na obr. 9.1 ukazuje štruktúru atómu hélia podľa predstáv z konca XX - začiatku XXI storočia.
Jadrový náboj rovná sa Ze, kde e je náboj protónu, Z- číslo poplatku rovná sériové číslo chemický prvok v Mendelejevovej periodickej sústave prvkov, t.j. počet protónov v jadre. Označuje sa počet neutrónov v jadre N. Zvyčajne Z > N.
Jadrá s Z= 1 až Z = 107 – 118.
Počet nukleónov v jadre A = Z + N volal hromadné číslo . jadrá s tým istým Z, ale inak ALE volal izotopy. Jadrá, ktoré zároveň A mať rôzne Z, sa volajú izobary.
Jadro je označené rovnakým symbolom ako neutrálny atóm, kde X je symbol pre chemický prvok. Napríklad: vodík Z= 1 má tri izotopy: – protium ( Z = 1, N= 0), je deutérium ( Z = 1, N= 1), – trícium ( Z = 1, N= 2), cín má 10 izotopov atď. Prevažná väčšina izotopov toho istého chemického prvku má rovnaké chemické a podobné fyzikálne vlastnosti. Celkovo je známych asi 300 stabilných izotopov a viac ako 2000 prírodných a umelo získaných. rádioaktívne izotopy.
Veľkosť jadra je charakterizovaná polomerom jadra, ktorý má podmienený význam v dôsledku rozmazania hranice jadra. Dokonca aj E. Rutherford pri analýze svojich experimentov ukázal, že veľkosť jadra je približne 10–15 m (veľkosť atómu je 10–10 m). Existuje empirický vzorec na výpočet polomeru jadra:
| , | (9.1.1) |
kde R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. Z toho je vidieť, že objem jadra je úmerný počtu nukleónov.
Hustota jadrovej látky je rádovo 10 17 kg/m 3 a je konštantná pre všetky jadrá. Vysoko prevyšuje hustotu najhustejších bežných látok.
Protóny a neutróny sú fermióny, pretože mať spin ħ /2.
Jadro atómu má vlastný uhlový moment – jadrový spin :
 ,
|
(9.1.2) |
kde ja – interné(kompletný)spinové kvantové číslo.
číslo ja akceptuje celočíselné alebo polovičné hodnoty 0, 1/2, 1, 3/2, 2 atď. Jadrá s dokonca ALE mať rotácia celého čísla(v jednotkách ħ ) a riadiť sa štatistikami Bose–Einstein(bozóny). Jadrá s zvláštny ALE mať polovičné celé číslo(v jednotkách ħ ) a riadiť sa štatistikami Fermi–Dirac(tie. jadrá sú fermióny).
Jadrové častice majú svoje vlastné magnetické momenty, ktoré určujú magnetický moment jadra ako celku. Jednotkou na meranie magnetických momentov jadier je jadrový magnetón μ jed:
| . | (9.1.3) |
Tu e je absolútna hodnota náboja elektrónu, m p je hmotnosť protónu.
Jadrový magnetón v m p/ja= 1836,5-krát menší ako Bohr magnetón, z toho teda vyplýva, že magnetické vlastnosti atómov sú určené magnetickými vlastnosťami jeho elektrónov .
Existuje vzťah medzi rotáciou jadra a jeho magnetickým momentom:
| , | (9.1.4) |
kde γ jed - jadrový gyromagnetický pomer.
Neutrón má negatívny magnetický moment μ n≈ – 1,913μ jed, pretože smer spinu neutrónu a jeho magnetický moment sú opačné. Magnetický moment protónu je kladný a rovný μ R≈ 2,793μ jed. Jeho smer sa zhoduje so smerom rotácie protónov.
Rozloženie elektrického náboja protónov v jadre je vo všeobecnosti asymetrické. Miera odchýlky tohto rozdelenia od sféricky symetrického je štvorpólový elektrický moment jadra Q. Ak sa predpokladá, že hustota náboja je všade rovnaká Q určený iba tvarom jadra. Takže pre elipsoid revolúcie
 ,
|
(9.1.5) |
kde b je poloos elipsoidu pozdĺž smeru rotácie, a- os v kolmom smere. Pre jadro natiahnuté v smere rotácie, b > a a Q> 0. Pre jadro sploštené v tomto smere, b < a a Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a a Q= 0. Toto platí pre jadrá so spinom rovným 0 resp ħ /2.
Ak chcete zobraziť ukážky, kliknite na príslušný hypertextový odkaz:
