atomic mass ay ang kabuuan ng masa ng lahat ng proton, neutron at electron na bumubuo sa isang atom o molekula. Kung ikukumpara sa mga proton at neutron, ang masa ng mga electron ay napakaliit, kaya hindi ito isinasaalang-alang sa mga kalkulasyon. Bagama't ito ay hindi tama mula sa isang pormal na pananaw, ang terminong ito ay kadalasang ginagamit upang sumangguni sa average na atomic mass ng lahat ng isotopes ng isang elemento. Sa katunayan, ito ang relatibong atomic mass, na tinatawag ding konting bigat elemento. Ang timbang ng atom ay ang average ng mga atomic na masa ng lahat ng natural na nagaganap na isotopes ng isang elemento. Dapat na makilala ng mga chemist ang dalawang uri ng atomic mass na ito kapag ginagawa ang kanilang trabaho - ang isang hindi tamang halaga para sa atomic mass ay maaaring, halimbawa, ay humantong sa isang hindi tamang resulta para sa ani ng isang produkto ng reaksyon.

Mga hakbang

Paghahanap ng atomic mass ayon sa periodic table ng mga elemento

Alamin kung paano isinusulat ang atomic mass. Ang masa ng atom, iyon ay, ang masa ng isang naibigay na atom o molekula, ay maaaring ipahayag sa karaniwang mga yunit ng SI - gramo, kilo, at iba pa. Gayunpaman, dahil ang mga atomic na masa na ipinahayag sa mga yunit na ito ay napakaliit, ang mga ito ay kadalasang isinusulat sa pinag-isang atomic mass unit, o a.m.u. para sa maikli. ay mga yunit ng atomic mass. Ang isang atomic mass unit ay katumbas ng 1/12 ng masa ng karaniwang carbon-12 isotope.

• Ang atomic mass unit ay nagpapakilala sa masa isang nunal ng ibinigay na elemento sa gramo. Ang halagang ito ay lubhang kapaki-pakinabang sa mga praktikal na kalkulasyon, dahil magagamit ito upang madaling i-convert ang masa ng isang naibigay na bilang ng mga atom o molekula ng isang partikular na sangkap sa mga moles, at kabaliktaran.

1. Hanapin ang atomic mass sa periodic table ni Mendeleev. Karamihan sa mga karaniwang periodic table ay naglalaman ng atomic mass (atomic weights) ng bawat elemento. Bilang isang patakaran, ang mga ito ay ibinibigay bilang isang numero sa ilalim ng cell na may elemento, sa ilalim ng mga titik na nagsasaad ng elemento ng kemikal. Ito ay karaniwang hindi isang integer, ngunit isang decimal.

   Tandaan na ang periodic table ay nagpapakita ng average na atomic na masa ng mga elemento. Gaya ng nabanggit kanina, ang mga relatibong masa ng atomic na ibinigay para sa bawat elemento sa periodic table ay ang mga average ng masa ng lahat ng isotopes ng isang atom. Ang average na halaga na ito ay mahalaga para sa maraming praktikal na layunin: halimbawa, ginagamit ito sa pagkalkula ng molar mass ng mga molekula na binubuo ng ilang mga atomo. Gayunpaman, kapag nakikipag-usap ka sa mga indibidwal na atomo, kadalasang hindi sapat ang halagang ito.

   • Dahil ang average na atomic mass ay isang average ng ilang isotopes, ang halaga na ibinigay sa periodic table ay hindi tumpak ang halaga ng atomic mass ng anumang solong atom.
   • Ang atomic na masa ng mga indibidwal na atom ay dapat kalkulahin na isinasaalang-alang ang eksaktong bilang ng mga proton at neutron sa isang atom.

   Pagkalkula ng atomic mass ng isang indibidwal na atom

   1. Hanapin ang atomic number ng isang ibinigay na elemento o ang isotope nito. Ang atomic number ay ang bilang ng mga proton sa mga atom ng isang elemento at hindi nagbabago. Halimbawa, lahat ng hydrogen atoms, at lamang mayroon silang isang proton. Ang sodium ay may atomic number na 11 dahil mayroon itong labing-isang proton, habang ang oxygen ay may atomic number na walo dahil mayroon itong walong proton. Maaari mong mahanap ang atomic number ng anumang elemento sa periodic table ng Mendeleev - sa halos lahat ng mga karaniwang bersyon nito, ang numerong ito ay ipinahiwatig sa itaas ng pagtatalaga ng titik ng elemento ng kemikal. Ang atomic number ay palaging isang positibong integer.

      • Ipagpalagay na interesado tayo sa isang carbon atom. Palaging mayroong anim na proton sa carbon atoms, kaya alam natin na ang atomic number nito ay 6. Bilang karagdagan, nakikita natin na sa periodic table, sa tuktok ng cell na may carbon (C) ay ang numerong "6", na nagpapahiwatig na ang atomic carbon number ay anim.
      • Tandaan na ang atomic number ng isang elemento ay hindi natatanging nauugnay sa relatibong atomic mass nito sa periodic table. Bagaman, lalo na para sa mga elemento sa tuktok ng talahanayan, ang atomic mass ng isang elemento ay maaaring magmukhang doble sa atomic number nito, hindi ito kailanman kinakalkula sa pamamagitan ng pagpaparami ng atomic number sa dalawa.

   2. Hanapin ang bilang ng mga neutron sa nucleus. Ang bilang ng mga neutron ay maaaring magkaiba para sa iba't ibang mga atomo ng parehong elemento. Kapag ang dalawang atom ng parehong elemento na may parehong bilang ng mga proton ay may magkaibang bilang ng mga neutron, magkaiba sila ng isotopes ng elementong iyon. Hindi tulad ng bilang ng mga proton, na hindi nagbabago, ang bilang ng mga neutron sa mga atomo ng isang partikular na elemento ay kadalasang maaaring magbago, kaya ang average na atomic mass ng isang elemento ay isinusulat bilang isang decimal fraction sa pagitan ng dalawang magkatabing buong numero.

      Pagsamahin ang bilang ng mga proton at neutron. Ito ang magiging atomic mass ng atom na ito. Huwag pansinin ang bilang ng mga electron na pumapalibot sa nucleus - ang kanilang kabuuang masa ay napakaliit, kaya wala silang epekto sa iyong mga kalkulasyon.

   Kinakalkula ang relatibong atomic mass (atomic weight) ng isang elemento

   1. Tukuyin kung aling mga isotopes ang nasa sample. Kadalasang tinutukoy ng mga chemist ang ratio ng isotopes sa isang partikular na sample gamit ang isang espesyal na instrumento na tinatawag na mass spectrometer. Gayunpaman, sa panahon ng pagsasanay, ang data na ito ay ibibigay sa iyo sa mga kondisyon ng mga gawain, kontrol, at iba pa sa anyo ng mga halaga na kinuha mula sa siyentipikong panitikan.

      • Sa aming kaso, sabihin nating nakikipag-usap tayo sa dalawang isotopes: carbon-12 at carbon-13.

   2. Tukuyin ang relatibong kasaganaan ng bawat isotope sa sample. Para sa bawat elemento, ang iba't ibang isotopes ay nangyayari sa iba't ibang mga ratio. Ang mga ratio na ito ay halos palaging ipinahayag bilang isang porsyento. Ang ilang isotopes ay napaka-pangkaraniwan, habang ang iba ay napakabihirang-minsan ay napakabihirang na mahirap matukoy. Ang mga halagang ito ay maaaring matukoy gamit ang mass spectrometry o matatagpuan sa isang reference na libro.

      • Ipagpalagay na ang konsentrasyon ng carbon-12 ay 99% at ang carbon-13 ay 1%. Iba pang mga isotopes ng carbon Talaga umiiral, ngunit sa mga dami na napakaliit na sa kasong ito maaari silang mapabayaan.

   3. I-multiply ang atomic mass ng bawat isotope sa konsentrasyon nito sa sample. I-multiply ang atomic mass ng bawat isotope sa porsyento nito (ipinahayag bilang isang decimal). Upang i-convert ang mga porsyento sa mga decimal, hatiin lang ang mga ito sa 100. Ang mga resultang konsentrasyon ay dapat palaging magdagdag ng hanggang 1.

      • Ang aming sample ay naglalaman ng carbon-12 at carbon-13. Kung ang carbon-12 ay 99% ng sample at ang carbon-13 ay 1%, pagkatapos ay i-multiply ang 12 (atomic mass ng carbon-12) ng 0.99 at 13 (atomic mass ng carbon-13) ng 0.01.
      • Ang mga reference na aklat ay nagbibigay ng mga porsyento batay sa mga kilalang halaga ng lahat ng isotopes ng isang elemento. Karamihan sa mga aklat-aralin sa kimika ay kinabibilangan ng impormasyong ito sa isang talahanayan sa dulo ng aklat. Para sa sample na pinag-aaralan, ang mga relatibong konsentrasyon ng isotopes ay maaari ding matukoy gamit ang mass spectrometer.

   4. Idagdag ang mga resulta. Isama ang mga resulta ng pagpaparami na nakuha mo sa nakaraang hakbang. Bilang resulta ng operasyong ito, makikita mo ang relatibong atomic mass ng iyong elemento - ang average na halaga ng atomic mass ng isotopes ng elementong pinag-uusapan. Kapag ang isang elemento ay isinasaalang-alang bilang isang buo, at hindi isang partikular na isotope ng isang partikular na elemento, ang halagang ito ang ginagamit.

      • Sa aming halimbawa, 12 x 0.99 = 11.88 para sa carbon-12, at 13 x 0.01 = 0.13 para sa carbon-13. Ang kamag-anak na atomic mass sa aming kaso ay 11.88 + 0.13 = 12,01 .
   • Ang ilang isotopes ay hindi gaanong matatag kaysa sa iba: nabubulok sila sa mga atom ng mga elemento na may mas kaunting mga proton at neutron sa nucleus, na naglalabas ng mga particle na bumubuo sa atomic nucleus. Ang ganitong mga isotopes ay tinatawag na radioactive.

Maraming taon na ang nakalilipas, ang mga tao ay nagtaka kung ano ang gawa ng lahat ng mga sangkap. Ang unang sumubok na sagutin ito ay ang sinaunang Griyegong siyentipiko na si Democritus, na naniniwala na ang lahat ng mga sangkap ay binubuo ng mga molekula. Alam na natin ngayon na ang mga molekula ay binuo mula sa mga atomo. Ang mga atom ay binubuo ng mas maliliit na particle. Sa gitna ng isang atom ay ang nucleus, na naglalaman ng mga proton at neutron. Ang pinakamaliit na particle - mga electron - ay gumagalaw sa mga orbit sa paligid ng nucleus. Ang kanilang masa ay bale-wala kumpara sa masa ng nucleus. Ngunit kung paano mahahanap ang masa ng nucleus, makakatulong lamang ang mga kalkulasyon at kaalaman sa kimika. Upang gawin ito, kailangan mong matukoy ang bilang ng mga proton at neutron sa nucleus. Tingnan ang mga tabular na halaga ng mga masa ng isang proton at isang neutron at hanapin ang kanilang kabuuang masa. Ito ang magiging masa ng nucleus.

Kadalasan maaari mong makita ang gayong tanong, kung paano hanapin ang masa, alam ang bilis. Ayon sa mga klasikal na batas ng mekanika, ang masa ay hindi nakasalalay sa bilis ng katawan. Pagkatapos ng lahat, kung ang isang kotse, na lumalayo, ay nagsimulang kunin ang bilis nito, hindi ito nangangahulugan na tataas ang masa nito. Gayunpaman, sa simula ng ikadalawampu siglo, ipinakita ni Einstein ang isang teorya ayon sa kung saan umiiral ang pag-asa na ito. Ang epektong ito ay tinatawag na relativistic increase sa body mass. At ito ay nagpapakita ng sarili kapag ang bilis ng mga katawan ay lumalapit sa bilis ng liwanag. Ginagawang posible ng mga modernong particle accelerator na mapabilis ang mga proton at neutron sa ganoong kabilis na bilis. At sa katunayan, sa kasong ito, isang pagtaas sa kanilang masa ang naitala.

Ngunit nabubuhay pa rin tayo sa isang mundo ng mataas na teknolohiya, ngunit mababa ang bilis. Samakatuwid, upang malaman kung paano kalkulahin ang masa ng isang sangkap, hindi kinakailangan na pabilisin ang katawan sa bilis ng liwanag at matutunan ang teorya ni Einstein. Ang bigat ng katawan ay maaaring masukat sa isang sukat. Totoo, hindi lahat ng katawan ay maaaring ilagay sa kaliskis. Samakatuwid, may isa pang paraan upang makalkula ang masa mula sa density nito.

Ang hangin sa paligid natin, ang hangin na lubhang kailangan para sa sangkatauhan, ay mayroon ding sariling masa. At, kapag nilulutas ang problema kung paano matukoy ang masa ng hangin, halimbawa, sa isang silid, hindi kinakailangang bilangin ang bilang ng mga molekula ng hangin at buuin ang masa ng kanilang nuclei. Maaari mo lamang matukoy ang dami ng silid at i-multiply ito sa density ng hangin (1.9 kg / m3).

Natuto na ngayon ang mga siyentipiko na may mahusay na katumpakan upang kalkulahin ang mga masa ng iba't ibang mga katawan, mula sa nuclei ng mga atomo hanggang sa masa ng globo at maging ang mga bituin na matatagpuan sa layo na ilang daang light years mula sa atin. Ang masa, bilang isang pisikal na dami, ay isang sukatan ng pagkawalang-kilos ng isang katawan. Ang mas malalaking katawan, sabi nila, ay mas hindi gumagalaw, iyon ay, binabago nila ang kanilang bilis nang mas mabagal. Samakatuwid, pagkatapos ng lahat, ang bilis at masa ay magkakaugnay. Ngunit ang pangunahing tampok ng dami na ito ay ang anumang katawan o sangkap ay may masa. Walang bagay sa mundo na walang masa!

Ang masa ng atomic nuclei ay partikular na interes para sa pagtukoy ng mga bagong nuclei, pag-unawa sa kanilang istraktura, paghula ng mga katangian ng pagkabulok: habang-buhay, posibleng mga channel ng pagkabulok, atbp.
Sa kauna-unahang pagkakataon, ang paglalarawan ng masa ng atomic nuclei ay ibinigay ni Weizsäcker batay sa modelo ng pagbagsak. Ginagawang posible ng formula ng Weizsäcker na kalkulahin ang masa ng atomic nucleus M(A,Z) at ang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus kung ang mass number A at ang bilang ng mga proton Z sa nucleus ay kilala.
Ang formula ng Weizsacker para sa masa ng nuclei ay may sumusunod na anyo:

kung saan 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), ayon sa pagkakabanggit, para sa odd-odd nuclei, nuclei na may odd A, even-even nuclei.
Ang unang dalawang termino ng formula ay ang mga kabuuan ng masa ng mga libreng proton at neutron. Ang natitirang mga termino ay naglalarawan ng nagbubuklod na enerhiya ng nucleus:

• Isinasaalang-alang ng 1 A ang tinatayang constancy ng tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng nucleus, i.e. sumasalamin sa saturation na ari-arian ng mga puwersang nuklear;
• Inilalarawan ng 2 A 2/3 ang enerhiya sa ibabaw at isinasaalang-alang ang katotohanan na ang mga surface nucleon sa nucleus ay mas mahina ang pagkakatali;
• a 3 Z 2 /A 1/3 inilalarawan ang pagbaba sa nuclear binding energy dahil sa Coulomb interaction ng mga proton;
• a 4 (A - 2Z) 2 /A ay isinasaalang-alang ang pag-aari ng charge independence ng nuclear forces at ang pagkilos ng Pauli principle;
• Isinasaalang-alang ng 5 A -3/4 ang mga epekto ng pagsasama.

Ang mga parameter a 1 - a 5 na kasama sa Weizsäcker formula ay pinili sa paraang mahusay na mailarawan ang masa ng nuclei malapit sa β-stability region.
Gayunpaman, malinaw na sa simula pa lang na hindi isinasaalang-alang ng formula ng Weizsacker ang ilang partikular na detalye ng istruktura ng atomic nuclei.
Kaya, ipinapalagay ng formula ng Weizsäcker ang isang pare-parehong pamamahagi ng mga nucleon sa puwang ng phase, i.e. mahalagang pinababayaan ang istraktura ng shell ng atomic nucleus. Sa katunayan, ang istraktura ng shell ay humahantong sa inhomogeneity sa pamamahagi ng mga nucleon sa nucleus. Ang nagreresultang anisotropy ng mean field sa nucleus ay humahantong din sa pagpapapangit ng nuclei sa ground state.

Ang katumpakan kung saan inilalarawan ng formula ng Weizsäcker ang masa ng atomic nuclei ay maaaring matantya mula sa Fig. 6.1, na nagpapakita ng pagkakaiba sa pagitan ng nasusukat na eksperimental na masa ng atomic nuclei at mga kalkulasyon batay sa Weizsäcker formula. Ang paglihis ay umabot sa 9 MeV, na halos 1% ng kabuuang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus. Kasabay nito, malinaw na nakikita na ang mga paglihis na ito ay sistematiko sa kalikasan, na dahil sa istraktura ng shell ng atomic nuclei.
Ang paglihis ng nuclear binding energy mula sa makinis na curve na hinulaang ng liquid drop model ay ang unang direktang indikasyon ng shell structure ng nucleus. Ang pagkakaiba sa nagbubuklod na enerhiya sa pagitan ng kahit na at kakaibang nuclei ay nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga puwersa ng pagpapares sa atomic nuclei. Ang paglihis mula sa "makinis" na pag-uugali ng mga enerhiya ng paghihiwalay ng dalawang nucleon sa nuclei sa pagitan ng mga punong shell ay isang indikasyon ng pagpapapangit ng atomic nuclei sa ground state.
Ang data sa masa ng atomic nuclei ay sumasailalim sa pagpapatunay ng iba't ibang mga modelo ng atomic nuclei, kaya ang katumpakan ng pag-alam sa masa ng nuclei ay napakahalaga. Ang mga masa ng atomic nuclei ay kinakalkula gamit ang iba't ibang phenomenological o semi-empirical na modelo gamit ang iba't ibang approximation ng macroscopic at microscopic theories. Ang kasalukuyang umiiral na mga pormula ng masa ay lubos na naglalarawan sa mga masa (binding energies) ng nuclei malapit sa -stability valley. (Ang katumpakan ng nagbubuklod na pagtatantya ng enerhiya ay ~100 keV). Gayunpaman, para sa nuclei na malayo sa stability valley, ang kawalan ng katiyakan sa paghula sa nagbubuklod na enerhiya ay tumataas sa ilang MeV. (Larawan 6.2). Sa Fig.6.2 makakahanap ka ng mga sanggunian sa mga gawa kung saan ibinibigay at sinusuri ang iba't ibang mga formula ng masa.

Ang paghahambing ng mga hula ng iba't ibang mga modelo na may sinusukat na masa ng nuclei ay nagpapahiwatig na ang kagustuhan ay dapat ibigay sa mga modelo batay sa isang mikroskopikong paglalarawan na isinasaalang-alang ang istraktura ng shell ng nuclei. Dapat ding tandaan na ang katumpakan ng paghula sa masa ng nuclei sa mga phenomenological na modelo ay madalas na tinutukoy ng bilang ng mga parameter na ginamit sa kanila. Ang pang-eksperimentong data sa masa ng atomic nuclei ay ibinibigay sa pagsusuri. Bilang karagdagan, ang kanilang patuloy na na-update na mga halaga ay matatagpuan sa mga sangguniang materyales ng internasyonal na sistema ng database.
Sa mga nagdaang taon, ang iba't ibang mga pamamaraan ay binuo para sa pang-eksperimentong pagpapasiya ng masa ng atomic nuclei na may maikling buhay.

Mga pangunahing pamamaraan para sa pagtukoy ng masa ng atomic nuclei

Inililista namin, nang hindi naglalagay ng mga detalye, ang mga pangunahing pamamaraan para sa pagtukoy ng mga masa ng atomic nuclei.

• Ang pagsukat ng β-decay energy Q b ay isang medyo karaniwang paraan para sa pagtukoy ng masa ng nuclei na malayo sa limitasyon ng β-stability. Upang matukoy ang hindi kilalang masa na nakakaranas ng β-pagkabulok ng nucleus A

,

ginagamit ang ratio

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

Samakatuwid, ang pag-alam sa masa ng panghuling nucleus B, maaaring makuha ng isa ang masa ng paunang nucleus A. Ang pagkabulok ng beta ay kadalasang nangyayari sa nasasabik na estado ng huling nucleus, na dapat isaalang-alang.

Ang kaugnayang ito ay isinulat para sa α-decays mula sa ground state ng paunang nucleus hanggang sa ground state ng huling nucleus. Ang mga enerhiya ng paggulo ay madaling isaalang-alang. Ang katumpakan kung saan ang mga masa ng atomic nuclei ay tinutukoy mula sa enerhiya ng pagkabulok ay ~ 100 keV. Ang pamamaraang ito ay malawakang ginagamit upang matukoy ang mga masa ng superheavy nuclei at ang kanilang pagkakakilanlan.

1. Pagsukat ng masa ng atomic nuclei sa pamamagitan ng time-of-flight method

Ang pagtukoy sa masa ng nucleus (A ~ 100) na may katumpakan na ~ 100 keV ay katumbas ng relatibong katumpakan ng pagsukat ng masa ΔM/M ~10 -6 . Upang makamit ang katumpakan na ito, ginagamit ang magnetic analysis kasabay ng pagsukat ng oras ng paglipad. Ang pamamaraan na ito ay ginagamit sa spectrometer SPEG - GANIL (Fig. 6.3) at TOFI - Los Alamos. Magnetic rigidity Bρ, particle mass m, particle velocity v, at charge q ay nauugnay sa

Kaya, alam ang magnetic rigidity ng spectrometer B, matutukoy ng isa ang m/q para sa mga particle na may parehong bilis. Ginagawang posible ng pamamaraang ito na matukoy ang mga masa ng nuclei na may katumpakan na ~ 10 -4 . Ang katumpakan ng mga sukat ng masa ng nuclei ay maaaring mapabuti kung ang oras ng paglipad ay sinusukat nang sabay-sabay. Sa kasong ito, ang ion mass ay tinutukoy mula sa kaugnayan

kung saan ang L ay ang flight base, ang TOF ay ang oras ng paglipad. Ang mga span base ay mula sa ilang metro hanggang 10 3 metro at ginagawang posible na taasan ang katumpakan ng pagsukat ng masa ng nuclei sa 10 -6 .
Ang isang makabuluhang pagtaas sa katumpakan ng pagtukoy ng mga masa ng atomic nuclei ay pinadali din ng katotohanan na ang mga masa ng iba't ibang mga nuclei ay sinusukat nang sabay-sabay, sa isang eksperimento, at ang eksaktong mga halaga ng masa ng mga indibidwal na nuclei ay maaaring magamit bilang sanggunian puntos. Ang pamamaraan ay hindi nagpapahintulot sa paghihiwalay sa lupa at isomeric na estado ng atomic nuclei. Ang isang setup na may landas ng paglipad na ~3.3 km ay ginagawa sa GANIL, na magpapahusay sa katumpakan ng pagsukat ng masa ng nuclei sa ilang mga yunit ng 10 -7 .

1. Direktang Pagtukoy ng Masa ng Nucleus sa pamamagitan ng Pagsukat sa Dalas ng Cyclotron

Para sa isang particle na umiikot sa isang pare-parehong magnetic field B, ang dalas ng pag-ikot ay nauugnay sa masa at singil nito sa pamamagitan ng kaugnayan

Sa kabila ng katotohanan na ang mga pamamaraan 2 at 3 ay batay sa parehong ratio, ang katumpakan sa paraan 3 ng pagsukat ng dalas ng cyclotron ay mas mataas (~ 10 -7), dahil ito ay katumbas ng paggamit ng mas mahabang span base.

2. Pagsukat ng masa ng atomic nuclei sa isang storage ring

   Ginagamit ang paraang ito sa singsing na imbakan ng ESR sa GSI (Darmstadt, Germany). Gumagamit ang pamamaraan ng Schottky detector. Naaangkop ito upang matukoy ang mga masa ng nuclei na may panghabambuhay na > 1 min. Ang paraan ng pagsukat ng cyclotron frequency ng mga ion sa isang storage ring ay ginagamit kasama ng on-the-fly ion pre-separation. Ang FRS-ESR setup sa GSI (Larawan 6.4) ay gumawa ng katumpakan na mga sukat ng masa ng isang malaking bilang ng nuclei sa isang malawak na hanay ng mga numero ng masa.

   Ang 209 Bi nuclei na pinabilis sa isang enerhiya na 930 MeV/nucleon ay nakatuon sa isang target na beryllium na 8 g/cm 2 ang kapal na matatagpuan sa pasukan ng FRS. Bilang resulta ng 209 Bi fragmentation, isang malaking bilang ng mga pangalawang particle ang nabuo sa hanay mula 209 Bi hanggang 1 H. Ang mga produkto ng reaksyon ay pinaghihiwalay sa mabilisang ayon sa kanilang magnetic hardness. Ang target na kapal ay pinili upang mapalawak ang hanay ng nuclei nang sabay-sabay na nakuha ng magnetic system. Ang pagpapalawak ng hanay ng nuclei ay nangyayari dahil sa ang katunayan na ang mga particle na may iba't ibang mga singil ay pinapabagal sa ibang paraan sa isang target na beryllium. Ang FRS separator fragment ay nakatutok para sa pagpasa ng mga particle na may magnetic hardness na ~350 MeV/nucleon. Sa pamamagitan ng system sa napiling hanay ng singil ng nakitang nuclei (52 < Z < 83) ay maaaring sabay na magpasa ng ganap na ionized atoms (bare ions), hydrogen-like (hydrogen-like) ions na may isang electron o helium-like ions (helium-like) na may dalawang electron. Dahil ang bilis ng mga particle sa panahon ng pagpasa ng FRS ay halos hindi nagbabago, ang pagpili ng mga particle na may parehong magnetic rigidity ay pumipili ng mga particle na may halaga ng M/Z na may katumpakan na ~ 2%. Samakatuwid, ang dalas ng pag-ikot ng bawat ion sa singsing na imbakan ng ESR ay tinutukoy ng ratio ng M/Z. Pinagbabatayan nito ang pamamaraan ng katumpakan para sa pagsukat ng masa ng atomic nuclei. Ang dalas ng rebolusyon ng ion ay sinusukat gamit ang pamamaraang Schottky. Ang paggamit ng paraan ng paglamig ng ion sa isang singsing ng imbakan ay nagdaragdag din sa katumpakan ng pagpapasiya ng masa sa pamamagitan ng isang pagkakasunud-sunod ng magnitude. Sa fig. Ipinapakita ng 6.5 ang balangkas ng masa ng atomic nuclei na pinaghihiwalay ng pamamaraang ito sa GSI. Dapat itong isipin na ang nuclei na may kalahating buhay na higit sa 30 segundo ay maaaring makilala gamit ang inilarawan na pamamaraan, na tinutukoy ng oras ng paglamig ng beam at ang oras ng pagsusuri.

   Sa fig. Ipinapakita ng 6.6 ang mga resulta ng pagtukoy sa masa ng 171 Ta isotope sa iba't ibang estado ng pagsingil. Ang iba't ibang mga isotopes ng sanggunian ay ginamit sa pagsusuri. Ang mga sinusukat na halaga ay inihambing sa data ng talahanayan (Wapstra).

3. Pagsukat ng Masa ng Nucleus Gamit ang Penning Trap

   Ang mga bagong eksperimentong posibilidad para sa katumpakan na mga sukat ng masa ng atomic nuclei ay nagbubukas sa isang kumbinasyon ng mga pamamaraan ng ISOL at mga ion traps. Para sa mga ion na may napakakaunting kinetic energy at samakatuwid ay isang maliit na radius ng pag-ikot sa isang malakas na magnetic field, ginagamit ang mga Penning traps. Ang pamamaraang ito ay batay sa tumpak na pagsukat ng dalas ng pag-ikot ng butil

   ω = B(q/m),

   nakulong sa isang malakas na magnetic field. Ang katumpakan ng pagsukat ng masa para sa mga light ions ay maaaring umabot sa ~ 10 -9 . Sa fig. Ipinapakita ng Figure 6.7 ang ISOLTRAP spectrometer na naka-mount sa ISOL - CERN separator.
   Ang mga pangunahing elemento ng setup na ito ay ang mga seksyon ng paghahanda ng ion beam at dalawang Penning traps. Ang unang Penning trap ay isang silindro na inilagay sa isang magnetic field na ~4 T. Ang mga ion sa unang bitag ay karagdagang pinalamig dahil sa mga banggaan sa buffer gas. Sa fig. Ipinapakita ng Figure 6.7 ang mass distribution ng mga ions na may A = 138 sa unang Penning trap bilang isang function ng rotational speed. Pagkatapos ng paglamig at pagdalisay, ang ion cloud mula sa unang bitag ay itinuturok sa pangalawa. Dito, ang masa ng ion ay sinusukat ng resonant frequency ng pag-ikot. Ang resolution na makakamit sa paraang ito para sa panandaliang mabibigat na isotopes ay ang pinakamataas at umaabot sa ~ 10 -7 .

   kanin. 6.7 ISOLTRAP spectrometer

§1 Charge at mass, atomic nuclei

Ang pinakamahalagang katangian ng isang nucleus ay ang singil at masa nito. M.

Z- ang singil ng nucleus ay tinutukoy ng bilang ng mga positibong elementary charge na nakakonsentra sa nucleus. Isang carrier ng positibong elementary charge R= 1.6021 10 -19 C sa nucleus ay isang proton. Ang atom sa kabuuan ay neutral at ang singil ng nucleus ay sabay na tinutukoy ang bilang ng mga electron sa atom. Ang pamamahagi ng mga electron sa isang atom sa mga shell ng enerhiya at subshell ay mahalagang nakasalalay sa kanilang kabuuang bilang sa atom. Samakatuwid, ang singil ng nucleus ay higit na tinutukoy ang pamamahagi ng mga electron sa kanilang mga estado sa atom at ang posisyon ng elemento sa periodic system ng Mendeleev. Ang nuclear charge ayqako = z· e, saan z- ang numero ng singil ng nucleus, katumbas ng ordinal na numero ng elemento sa sistema ng Mendeleev.

Ang masa ng atomic nucleus ay halos tumutugma sa masa ng atom, dahil ang masa ng mga electron ng lahat ng mga atomo, maliban sa hydrogen, ay humigit-kumulang 2.5 10 -4 na masa ng mga atomo. Ang masa ng mga atom ay ipinahayag sa atomic mass units (a.m.u.). Para sa a.u.m. tinanggap ang 1/12 mass ng carbon atom.

1 amu \u003d 1.6605655 (86) 10 -27 kg.

mako = m a -Z ako.

Ang mga isotopes ay mga uri ng mga atomo ng isang partikular na elemento ng kemikal na may parehong singil, ngunit naiiba sa masa.

Ang integer na pinakamalapit sa atomic mass, na ipinahayag sa a.u. m . tinawag ang mass number m at tinutukoy ng liham PERO. Pagtatalaga ng isang elemento ng kemikal: PERO- numero ng masa, X - simbolo ng elemento ng kemikal,Z-charging number - serial number sa periodic table ():

Beryllium; Isotopes: , ", .

Core Radius:

kung saan ang A ay ang mass number.

§2 Komposisyon ng core

Ang nucleus ng isang hydrogen atomtinawag proton

mproton= 1.00783 amu , .

diagram ng hydrogen atom

Noong 1932, natuklasan ang isang particle na tinatawag na neutron, na may mass na malapit sa isang proton (mneutron= 1.00867 a.m.u.) at walang electric charge. Tapos si D.D. Bumuo si Ivanenko ng hypothesis tungkol sa istruktura ng proton-neutron ng nucleus: ang nucleus ay binubuo ng mga proton at neutron at ang kanilang kabuuan ay katumbas ng mass number PERO. 3 ordinal na numeroZtinutukoy ang bilang ng mga proton sa nucleus, ang bilang ng mga neutronN \u003d A - Z.

Elementary particle - pumapasok ang mga proton at neutron sa kaibuturan, ay sama-samang kilala bilang mga nucleon. Ang mga nucleon ng nuclei ay nasa mga estado, makabuluhang naiiba sa kanilang mga malayang estado. Sa pagitan ng mga nucleon ay may espesyal i de r bagong pakikipag-ugnayan. Sabi nila na ang nucleon ay maaaring nasa dalawang "charge states" - isang proton state na may charge+ e, at neutron na may singil na 0.

§3 Binding energy ng nucleus. masa depekto. pwersang nukleyar

Ang mga nuklear na particle - mga proton at neutron - ay mahigpit na nakahawak sa loob ng nucleus, kaya ang napakalaking kaakit-akit na pwersa ay kumikilos sa pagitan nila, na may kakayahang makatiis sa malalaking puwersang nakakasuklam sa pagitan ng mga katulad na sisingilin na mga proton. Ang mga espesyal na pwersang ito na nagmumula sa maliliit na distansya sa pagitan ng mga nucleon ay tinatawag na mga puwersang nuklear. Ang mga puwersang nuklear ay hindi electrostatic (Coulomb).

Ang pag-aaral ng nucleus ay nagpakita na ang mga puwersang nuklear na kumikilos sa pagitan ng mga nucleon ay may mga sumusunod na katangian:

a) ang mga ito ay mga short-range na pwersa - ipinakita sa mga distansya ng pagkakasunud-sunod ng 10 -15 m at matalim na bumababa kahit na may bahagyang pagtaas sa distansya;

b) ang mga puwersang nuklear ay hindi nakasalalay sa kung ang butil (nucleon) ay may singil - singil sa pagsasarili ng mga puwersang nukleyar. Ang mga puwersang nuklear na kumikilos sa pagitan ng isang neutron at isang proton, sa pagitan ng dalawang neutron, sa pagitan ng dalawang proton ay pantay. Ang proton at neutron na may kaugnayan sa mga puwersang nuklear ay pareho.

Ang nagbubuklod na enerhiya ay isang sukatan ng katatagan ng isang atomic nucleus. Ang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus ay katumbas ng gawaing dapat gawin upang hatiin ang nucleus sa mga bumubuo nitong mga nucleon nang hindi nagbibigay ng kinetic energy sa kanila.

M I< Σ( m p + m n)

Ako - ang masa ng nucleus

Ang pagsukat ng mga masa ng nuclei ay nagpapakita na ang natitirang masa ng nucleus ay mas mababa kaysa sa kabuuan ng mga natitirang masa ng mga bumubuo nitong nucleon.

Halaga

nagsisilbing sukatan ng nagbubuklod na enerhiya at tinatawag na mass defect.

Ang equation ni Einstein sa espesyal na relativity ay nag-uugnay sa enerhiya at rest mass ng isang particle.

Sa pangkalahatang kaso, ang nagbubuklod na enerhiya ng nucleus ay maaaring kalkulahin ng formula

saan Z - numero ng singil (bilang ng mga proton sa nucleus);

PERO- numero ng masa (kabuuang bilang ng mga nucleon sa nucleus);

m p, , m n at M i- masa ng proton, neutron at nucleus

Mass depekto (Δ m) ay katumbas ng 1 a.u. m. (a.m.u. - atomic mass unit) ay tumutugma sa nagbubuklod na enerhiya (E St) na katumbas ng 1 a.u.e. (a.u.e. - atomic unit ng enerhiya) at katumbas ng 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Mga reaksyong nuklear

Ang mga pagbabago sa nuclei sa panahon ng kanilang pakikipag-ugnayan sa mga indibidwal na particle at sa isa't isa ay karaniwang tinatawag na nuclear reactions.

Mayroong mga sumusunod, ang pinakakaraniwang mga reaksyong nuklear.

1. Reaksyon ng pagbabago . Sa kasong ito, ang particle ng insidente ay nananatili sa nucleus, ngunit ang intermediate nucleus ay naglalabas ng ibang particle, kaya ang nucleus ng produkto ay naiiba sa target na nucleus.

1. Radiative capture reaction . Ang particle ng insidente ay naipit sa nucleus, ngunit ang excited na nucleus ay naglalabas ng labis na enerhiya, na naglalabas ng γ-photon (ginagamit sa pagpapatakbo ng mga nuclear reactors)

Isang halimbawa ng neutron capture reaction sa pamamagitan ng cadmium

o posporus

1. Nagkalat. Ang intermediate nucleus ay naglalabas ng particle na kapareho ng

kasama ang nilipad, at ito ay maaaring:

Nababanat na pagkakalat mga neutron na may carbon (ginagamit sa mga reactor hanggang sa mga katamtamang neutron):

Inelastic scattering :

1. reaksyon ng fission. Ito ay isang reaksyon na palaging nagpapatuloy sa paglabas ng enerhiya. Ito ang batayan para sa teknikal na produksyon at paggamit ng nuclear energy. Sa panahon ng reaksyon ng fission, ang paggulo ng intermediate compound nucleus ay napakahusay na nahahati ito sa dalawa, humigit-kumulang pantay na mga fragment, na may paglabas ng ilang mga neutron.

Kung ang enerhiya ng paggulo ay mababa, kung gayon ang paghihiwalay ng nucleus ay hindi mangyayari, at ang nucleus, na nawalan ng labis na enerhiya sa pamamagitan ng paglabas ng isang γ - photon o neutron, ay babalik sa normal nitong estado (Larawan 1). Ngunit kung ang enerhiya na ipinakilala ng neutron ay malaki, kung gayon ang nasasabik na nucleus ay nagsisimulang mag-deform, ang isang constriction ay nabuo sa loob nito at bilang isang resulta ito ay nahahati sa dalawang mga fragment na lumilipad nang hiwalay sa napakalaking bilis, habang ang dalawang neutron ay ibinubuga.
(Larawan 2).

Chain reaction- self-developing fission reaksyon. Upang maipatupad ito, kinakailangan na sa mga pangalawang neutron na ginawa sa isang kaganapan ng fission, kahit isa man lang ay maaaring maging sanhi ng susunod na kaganapan ng fission: (dahil ang ilang mga neutron ay maaaring lumahok sa mga reaksyon ng pagkuha nang hindi nagiging sanhi ng fission). Sa dami, ipinapahayag ang kundisyon para sa pagkakaroon ng chain reaction salik ng pagpaparami

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - mga reaksyon ng kadena na may palaging bilang ng mga neutron (sa isang nuclear reactor),k > 1 (m > m kr ) ay mga bombang nuklear.

RADIOACTIVITY

§1 Likas na radyaktibidad

Ang radioactivity ay ang kusang pagbabago ng hindi matatag na nuclei ng isang elemento sa nuclei ng isa pang elemento. likas na radyaktibidad tinatawag na radioactivity na naobserbahan sa hindi matatag na isotopes na umiiral sa kalikasan. Ang artificial radioactivity ay tinatawag na radioactivity ng isotopes na nakuha bilang resulta ng nuclear reactions.

Mga uri ng radyaktibidad:

1. α-pagkabulok.

Paglabas ng nuclei ng ilang kemikal na elemento ng α-system ng dalawang proton at dalawang neutron na magkakaugnay (a-particle - ang nucleus ng helium atom)

Ang α-decay ay likas sa mabigat na nuclei na may PERO> 200 atZ > 82. Kapag gumagalaw sa isang substansiya, ang mga α-particle ay gumagawa ng malakas na ionization ng mga atom sa kanilang daan (ang ionization ay ang paghihiwalay ng mga electron mula sa isang atom), na kumikilos sa kanila gamit ang kanilang electric field. Tinatawag ang distansya kung saan lumilipad ang isang α-particle sa matter hanggang sa ganap itong tumigil saklaw ng butil o kapangyarihang tumagos(tinutukoyR, [ R ] = m, cm). . Sa ilalim ng normal na mga kondisyon, isang α-particle ang bumubuo sa magpahangin ng 30,000 pares ng mga ion sa bawat 1 cm na landas. Ang partikular na ionization ay ang bilang ng mga pares ng mga ion na nabuo sa bawat 1 cm ng haba ng landas. Ang α-particle ay may malakas na biological effect.

Shift rule para sa alpha decay:

2. β-pagkabulok.

a) electronic (β -): ang nucleus ay naglalabas ng isang electron at isang electron antineutrino

b) positron (β +): ang nucleus ay naglalabas ng isang positron at isang neutrino

Ang mga prosesong ito ay nangyayari sa pamamagitan ng pag-convert ng isang uri ng nucleon sa isang nucleus sa isa pa: isang neutron sa isang proton o isang proton sa isang neutron.

Walang mga electron sa nucleus, nabuo sila bilang isang resulta ng magkaparehong pagbabago ng mga nucleon.

Positron - isang particle na naiiba sa isang electron lamang sa tanda ng singil (+e = 1.6 10 -19 C)

Ito ay sumusunod mula sa eksperimento na sa panahon ng β - pagkabulok, ang mga isotopes ay nawawalan ng parehong dami ng enerhiya. Samakatuwid, sa batayan ng batas ng konserbasyon ng enerhiya, hinulaang ni W. Pauli na ang isa pang liwanag na butil, na tinatawag na antineutrino, ay ilalabas. Ang isang antineutrino ay walang bayad o masa. Ang pagkawala ng enerhiya ng mga β-particle sa panahon ng kanilang pagpasa sa bagay ay pangunahing sanhi ng mga proseso ng ionization. Ang bahagi ng enerhiya ay nawawala sa X-ray sa panahon ng pagbabawas ng bilis ng mga β-particle ng nuclei ng sumisipsip na substansiya. Dahil ang mga β-particle ay may maliit na masa, isang unit charge at napakataas na bilis, ang kanilang kakayahang mag-ionize ay maliit (100 beses na mas mababa kaysa sa α-particles), samakatuwid, ang penetrating power (mileage) ng β-particles ay mas malaki kaysa sa α-mga particle.

Rβ hangin = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

Ang β - - ay nangyayari sa natural at artipisyal na radioactive nuclei. β + - lamang na may artipisyal na radyaktibidad.

Panuntunan sa paglilipat para sa β - - decay:

c) K - capture (electronic capture) - ang nucleus ay sumisipsip ng isa sa mga electron na matatagpuan sa shell K (mas madalasLo M) ng atom nito, bilang isang resulta kung saan ang isa sa mga proton ay nagiging isang neutron, habang naglalabas ng isang neutrino

Scheme K - pagkuha:

Ang puwang sa shell ng elektron na nabakante ng nakuhang elektron ay puno ng mga electron mula sa nakapatong na mga layer, na nagreresulta sa mga X-ray.

• γ-ray.

Karaniwan, ang lahat ng uri ng radyaktibidad ay sinamahan ng paglabas ng γ-ray. Ang mga γ-ray ay electromagnetic radiation na may mga wavelength mula isa hanggang sandaang bahagi ng isang angstrom λ’=~ 1-0.01 Å=10 -10 -10 -12 m. Ang enerhiya ng mga γ-ray ay umaabot sa milyun-milyong eV.

W γ ~ MeV

1eV=1.6 10 -19 J

Ang isang nucleus na sumasailalim sa radioactive decay, bilang isang panuntunan, ay lumalabas na nasasabik, at ang paglipat nito sa ground state ay sinamahan ng paglabas ng isang γ - photon. Sa kasong ito, ang enerhiya ng γ-photon ay tinutukoy ng kondisyon

kung saan ang E 2 at E 1 ay ang enerhiya ng nucleus.

E 2 - enerhiya sa nasasabik na estado;

E 1 - enerhiya sa ground state.

Ang pagsipsip ng γ-ray sa pamamagitan ng bagay ay dahil sa tatlong pangunahing proseso:

• photoelectric effect (na may hv < l MэB);
• ang pagbuo ng mga pares ng electron-positron;

o

• scattering (Compton effect) -

Ang pagsipsip ng γ-ray ay nangyayari ayon sa batas ni Bouguer:

kung saan ang μ ay isang linear attenuation coefficient, depende sa mga energies ng γ ray at ang mga katangian ng medium;

І 0 ay ang intensity ng insidente parallel beam;

akoay ang intensity ng beam pagkatapos dumaan sa isang substance na may kapal X cm.

Ang mga γ-ray ay isa sa mga pinaka-matalim na radiation. Para sa pinakamahirap na sinag (hvmax) ang kapal ng half-absorption layer ay 1.6 cm sa tingga, 2.4 cm sa bakal, 12 cm sa aluminyo, at 15 cm sa lupa.

§2 Batayang batas ng radioactive decay.

Bilang ng nabubulok na nucleidN proporsyonal sa orihinal na bilang ng mga core N at oras ng pagkabulokdt, dN~ N dt. Ang pangunahing batas ng radioactive decay sa differential form:

Ang coefficient λ ay tinatawag na decay constant para sa isang partikular na uri ng nucleus. Ang sign na "-" ay nangangahulugan nadNDapat ay negatibo, dahil ang huling bilang ng hindi nabubulok na nuclei ay mas mababa kaysa sa una.

samakatuwid, ang λ ay nagpapakilala sa fraction ng nuclei decaying sa bawat unit time, ibig sabihin, tinutukoy ang rate ng radioactive decay. Ang λ ay hindi nakasalalay sa mga panlabas na kondisyon, ngunit tinutukoy lamang ng mga panloob na katangian ng nuclei. [λ]=s -1 .

Ang pangunahing batas ng radioactive decay sa integral form

saan N 0 - ang paunang bilang ng radioactive nuclei sat=0;

N- ang bilang ng hindi nabubulok na nuclei sa isang pagkakataont;

Ang λ ay ang radioactive decay constant.

Ang rate ng pagkabulok sa pagsasanay ay hinuhusgahan gamit ang hindi λ, ngunit T 1/2 - ang kalahating buhay - ang oras kung saan ang kalahati ng orihinal na bilang ng nuclei ay nabubulok. Relasyon T 1/2 at λ

T 1/2 U 238 = 4.5 10 6 na taon, T 1/2 Ra = 1590 taon, T 1/2 Rn = 3.825 araw Ang bilang ng mga pagkabulok sa bawat yunit ng oras A \u003d -dN/ dtay tinatawag na aktibidad ng isang ibinigay na radioactive substance.

Mula sa

sumusunod,

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

[A] \u003d 1Ci \u003d 1Curie \u003d 3.7 10 10 Bq.

Pagbabago ng batas ng aktibidad

kung saan A 0 = λ N 0 - paunang aktibidad sa orast= 0;

A - aktibidad sa isang pagkakataont.