Физика атомного ядра

Физика атомного ядра. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Физика атомного ядра

Протон— нуклон в заряженном состоянии, нейтрон — в нейтральном. Протон и нейтрон обладают полуцелым спином, равным h/2. Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Химические свойства элемента определяются зарядовым числом Z, или числом протонов в ядре.

Изотопы — атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов N.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия друг с другом.

Протон— нуклон в заряженном состоянии, нейтрон — в нейтральном. Протон и нейтрон обладают полуцелым спином, равным h/2. Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. Химические свойства элемента определяются зарядовым числом Z, или числом протонов в ядре.

Изотопы — атомы одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число Z) и разное число нейтронов N.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре в результате сильного взаимодействия друг с другом.

Зарядовая симметрия сильного взаимодействия — независимость сил взаимодействия между нуклонами от их электрических зарядов.

Энергетически выгодно парное расположение нуклонов с антипараллельными спинами в одном энергетическом состоянии ядра.

Наиболее стабильными являются четно-четные ядра (состоящие из четного числа протонов и нейтронов), а среди них — «магические» ядра, у которых число протонов и нейтронов равно одному из чисел 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126

Максимальной устойчивостью и поэтому наибольшей распространенностью в природе обладают дважды магические ядра

у которых магическим является как число протонов, так и число нейтронов.

Радиус ядра зависит от массового числа по закону:

где r0= 1,2 фм.

Удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на один нуклон.

Радиоактивность — явление самопроизвольного (спонтанного) превращения одних ядер в другие с испусканием различных частиц.

Естественная радиоактивность — радиоактивность, наблюдаемая у неустойчивых изотопов, существующих в природе.

Искусственная радиоактивность — радиоактивность изотопов, полученных искусственно при ядерных реакциях.

Альфа-распад — спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием α-частицы.

Бета(минус)-распад — спонтанное превращение радиоактивного ядра в новое ядро с испусканием электрона и антинейтрино.

Энергия распада— суммарная кинетическая энергия продуктов распада.

Гамма-излучение — электромагнитное излучение, возникающее при переходе ядер из возбужденного в более низкое энергетическое состояние.

Период полураспада — промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

Закон радиоактивного распада — закон убывания числа N радиоактивных атомов со временем:

где

— первоначальное число атомов (при t = 0), T1/2 — период полураспада.

Активность радиоактивного вещества — число распадов радиоактивных ядер за 1 с.

Единица активности — беккерель (1 Бк).

1 Бк — активность радиоактивного вещества, в котором за 1 с происходит 1 распад:

Энергетический выход реакции деления — энергия, выделяющаяся при делении одного ядра.

Цепная реакция деления — реакция, при которой число делящихся ядер лавинообразно нарастает. Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов — отношение числа нейтронов Nt в данном поколении цепной реакции к их числу Nt-1 в предыдущем поколении:

При k = 1 реакция протекает стационарно: число нейтронов сохраняется неизменным.

При k > 1 реакция нестационарна: число нейтронов лавинообразно нарастает.

Критическая масса — минимальная масса урана, начиная с которой реакция деления ядер становится самоподдерживающейся. Самоподдерживающаяся реакция деления ядер возникает, если за время пролета нейтроном среды успевает образоваться новый нейтрон в результате реакции деления.

Ядерный реактор — устройство, в котором выделяется тепловая энергия в результате управляемой цепной реакции деления ядер.

Мощность реактора — количество тепловой энергии, выделяющейся в единицу времени.

Термоядерный синтез— реакция, в которой при высокой температуре, большей 107К, из легких ядер синтезируются более тяжелые Характер воздействия радиоактивного излучения на живой организм зависит от дозы поглощенного излучения и его вида

Доза поглощенного излучения — отношение энергии Eизл излучения, поглощенной облучаемым телом, к его массе m:

Единица дозы поглощенного излучения — грэй (1 Гр); 1 Гр = 1 Дж/кг.

Коэффициент относительной биологической активности, или коэффициент качества k, характеризует различие биологического действия различных видов излучения. Эквивалентная доза поглощенного излучения — произведение дозы поглощенного излучения на коэффициент качества

Единица эквивалентной дозы — зиверт(1 Зв).

Среднее значение эквивалентной дозы поглощенного излучения, обусловленной естественным радиационным фоном, составляет около 2 мЗв в год

Источник: https://5terka.com/fizika-atomnogo-yadra-osnovnye-polozheniya

Физика атомного ядра

Физика атомного ядра

Атомная физика как одно из основных направлений в науке появилась на рубеже 19-20 вв. базе экспериментов в области оптических спектров.

Данное научное течение занималась тщательным изучением строения самого атома и исследованием его свойств. Была создана количественная гипотеза атома.

Последующие опыты, которые были направлены на определение ключевых свойств электронов, завершились формированием квантовой механики — физической теории, определяющей законы микромира.

Квантовая механика выполняет роль теоретического фундамент физика атомного ядра, поэтому выступает неким опытным полигоном в этом вопросе.

Атомным учением были установлены важные оптические спектры строения атомов и разнообразие их химических элементов, закономерность связи интенсивности их движения с системой энергетических показателей.

Это течение в науке подтвердила то, что внутренняя энергия атома всегда квантуется и параллельно изменяется.

В результате изучения аспекта радиоактивности возникло особое направление ядерной физики, которая изучает трансформацию простых веществ — физика элементарных частиц.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Определение 1

Атомное ядро — это основная центральная часть атома, которая состоит из нейтронов и протонов и нейтронов в виде нуклонов.

Замечание 1

Атомная физика в процессе своего становления смогла добиться огромных успехов в исследовании явлений, происходящих в ядрах и взаимодополняющих элементарных частиц. Но данная дисциплина направлена на изучение, в первую очередь, изменений с самим ядром и с электронной оболочкой.

Эта сфера тщательно демонстрирует следствия превращения атомных ядер, которые происходят при распадах различных ядерных и радиоактивных процессах.

Достижения атомной физики невозможны без применения инновационных технологий в виде ускорителей положительно заряженных частиц. Именно разработка уникальных установок частиц помогли ученым изучить многие проблемы строения атомных ядер и их трансформаций.

Центральной частью ядерной физики считается нейтронное направление, занимающееся ядерными реакциями, которые происходят под влиянием нейтронов.

Современная ядерная наука условно распадается на две взаимодополняющие ветви — экспериментальную и теоретическую атомную физику.

Посредством указанного течения возможно исследовать:

  • первичный постоянный нуклеосинтез;
  • термоядерные опасные реакции в звёздах;
  • строение ядерной энергетики.

Физика атомного ядра имеет принципиально важное значение для многих разделов науки, в числе которое астрофизика.

Структура атомных ядер

Характер взаимосвязанной концепции микрообъекта, как и любой другой системы, непосредственно зависит от состава и строения ее элементов, а также от их трансформации. Именно такие критерии определяет целостную связанность всех принципов работы этих явлений.

С уровнем получаемых знаний кардинально менялось и представления о самой структуре элементарного вещества. В качестве принципов взаимодействия микрообъектов сначала рассматривались только молекулы как самые маленькие единицы частиц.

Согласно протонно-нейтронной модели ядра состоят из простых элементов двух видов — нейтронов и протонов.

Так как в целом атом электрически нейтрален, а интенсивность протона равна модулю заряда электрона, то количество этих частиц в ядре пропорционально числу электронов в атомной оболочке.

Следующим важным шагом в данном направлении было исследование того, какую роль в создании молекул из атомов играет коэффициент напряженности и силы, с которой они постоянно связываются друг с другом.

Из всего этого стоит уяснить основное: структура этих процессов представляет собой систематическую и упорядоченную связь, а взаимодействие между элементами концепции возникает с помощью новых целостных свойств.

В такой химической формуле именно специфический характер трансформации определяет важные особенности строения молекулы.

Атомное ядро как комплексная система существует только при наличии притяжения, объединяющего протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти процессы определяют сильное взаимодействие всех частиц, поэтому их необходимо рассматривать как одно целое вещество — нуклон.

Радиоактивные мощные излучения включают в себя три типа лучей:

  • бета-лучи состоят только из отрицательных электронов;
  • альфа-лучи реализуют положительно заряженные частиц;
  • гамма-лучи действуют по принципу работы лучей Рентгена (не имеют заряда), только их излучение значительно более жесткое.

Атомного ядро в физике состоит из элементов, которые имеют положительный заряд, равный абсолютной величине заряда электрона и спин, а также электро-нейтральных частица c таким же как у протона строением.

Ядерные силы

Состав ядра достаточно устойчиво, поэтому все частицы удерживаться внутри него определенными силами, причем очень большими. Устойчивость данного элемента невозможно объяснить простыми силами электромагнитов, так как между одинаково заряженными частицами всегда действует электрическое отталкивание.

Определение 2

Нейтроны в ядре не имеют электрического заряда, следовательно, между атомными частицами-нуклонами будут фиксироваться особые силы, называемые ядерными частицами.

Указанные элементы приблизительно в 100 раз превышают электрические кулоновские силы, и являются самым мощным потенциалом в этой сфере.

Полноценное взаимосвязь ядерных частиц зачастую называют сильными взаимодействиями, который в основном проявляются в большинстве элементарных частиц путем поглощения электромагнитных составляющих.

Еще одна ключевая особенность атомных сил — их кратковременность действия. Электрические магнитные силы значительно ослабевают с увеличением общего расстояния. Ядерная интенсивность проявляется только на равных интервалах ядра (10-12 — 10-13 см). Окончательно количественная теория ядерных сил еще не разработана, так как значительные успехи в ее изучении были достигнуты только 15 лет назад.

Закон радиоактивного распада

Вероятность распада радиоактивных ядер одинакова, если в самой системе имеется большое количество одинаковых элементов. Радиоактивный распад определенного ядра считается случайным явлением, поэтому точный момент его расщепления предсказать невозможно.Однако для значительного количества частиц, находящихся в образце вещества, действует статистический закон радиоактивного тления.

Закон радиоактивного распада:

  • число оставшихся атомных ядер при обычном радиоактивном распаде автоматически уменьшается с течением времени;
  • период полураспада может варьироваться в зависимости от количества элементов;
  • в начальный момент времени число атомных имеет одинаковые показатели.

Замечание 2

Благодаря ядерным силам ядра обладают огромной потенциальной связью, поэтому превращение легких частиц в более тяжелые предоставляет еще особый энергетический выигрыш в расчете на один нуклон.

Большинство процессов в окружающем мире можно отнести к явлениям, действующих в открытых динамических концепциях, в противоположность учениям классического естествознания о важной роли изолированных или замкнутых систем.

Это понимание крайне важно в области самоорганизации в живой и неживой Природе, а также в полноценной взаимосвязи двух компонент культуры – гуманитарной и естественнонаучной.

Развитие представлений и знаний о самой сути строения мира шло и продолжает идти от открытия одного класса структурных элементов к другому, более сложному для восприятия на конкретном историческом этапе.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_atomnogo_yadra/

Характеристики ядра

Физика атомного ядра

Основными характеристиками атомных ядер являются электрический заряд, масса, спин, энергия связи и так далее.

Заряд ядра

Ядро каждого из атомов обладает положительным зарядом. В качестве носителя положительного заряда выступает протон.

По той причине, что заряд протона численно эквивалентен заряду электрона e, можно записать, что заряд ядра элемента равен +Ze (Z выражает собой целое число, которое указывает на порядковый номер химического элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева).

Значение Z также характеризует число протонов, входящих в состав ядра и количество электронов в атоме. Именно из-за этого его определяют как атомный номер ядра. Электрический заряд представляет собой одну из основных характеристик атомного ядра, от которой зависят оптические, химические и иные свойства атомов.

Масса ядра

Существует также другая значимая характеристика ядра, а именно масса. Массу атомов и ядер принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.), в качестве атомной единицы массы выступает 112 массы нуклида углерода C612:

где NA=6,022·1023 моль-1 обозначает число Авогадро.

Кроме того, есть другой способ выражения атомной массы: исходя из соотношения Эйнштейна E=mc2, ее выражают в единицах энергии. По той причине, что масса протона mp=1.00728 а.е.м.=938,28 МэВ, масса нейтрона mn=1.00866а.е.м.=939,57МэВ, а масса электрона me=5,49⋅10-4 а.е.м.=0,511МэВ,

Из приведенных выше значений видно, что масса электрона несущественно мала, если сравнивать ее с массой ядра, поэтому масса ядра практически эквивалентна массе всего атома и отлична от целых чисел.

Определение 1

Масса ядра, которая выражается в а.е.м. и округляется до целого числа носит название массового числа и обозначается с помощью буквы A. Она характеризует количество нуклонов, находящихся в составе ядра.

Количество нейтронов в ядре эквивалентно N=A−Z. В качестве обозначения ядер используют символ XZA, в котором X определяется как химический символ этого элемента.

Определение 2

Атомные ядра, обладающие одинаковым числом протонов, однако при этом отличающимися друг от друга массовыми числами, носят название изотопов.

В некоторых элементах количество стабильных и нестабильных изотопов достигает десятков, в качестве примера, уран обладает 14 изотопами: от U92227 до U92240. Большая часть химических элементов, которые существуют в природе, являются смесью нескольких изотопов.

Как раз наличие изотопов объясняет следующее явление: некоторые природные элементы обладают массой, которая является отличной от целых чисел. В качестве примера рассмотрим природный хлор, который состоит из 75% C1735l и 24% C1737l, а его атомная масса эквивалентна 35,5 а.е.м.

В большей части атомов, исключая водород, изотопы обладают практически равными физическими и химическими свойствами. Однако, за своими, исключительно ядерными свойствами, изотопы значительно отличаются друг от друга.

Какие-то из них могут представлять собой стабильные изотопы, а другие – радиоактивные.

Определение 3

Ядра с эквивалентными массовыми числами, но отличающимися значениями Z носят название изобар, в качестве примера, A1840r, C2040a.

Определение 4

Ядра с одинаковым числом нейтронов определяют как изотоны.

Определение 5

Среди легких ядер встречаются и так называемые «зеркальные» пары ядер. Это такие пары ядер, в которых числа Z и A−Z меняются местами. В качестве примера подобных ядер можно привести C613 и N713 или H13 и H23e.

Размер атомного ядра

Принимая форму атомного ядра приблизительно сферической, мы имеем возможность ввести понятие его радиуса R. Обратим внимание на то, что в некоторых ядрах есть небольшое отклонение от симметрии в распределении электрического заряда. Более того, атомные ядра представляют собой не статические, а динамические системы, и понятие радиуса ядра нельзя представлять как радиус шара.

Именно из-за этого факта, в качестве размеров атомного ядра нужно принимать ту область, в которой проявляются ядерные силы. В процессе создания количественной теории рассеивания α-частиц Э. Резерфорд исходил из тех предположений, что атомное ядро и α — частица взаимодействуют по закону Кулона, Другими словами из того, что электрическое поле вокруг ядра обладает сферической симметрией.

Это работает в отношении α — частиц, обладающих достаточно малым значением энергии E.

При этом частица не имеет возможности преодолеть кулоновский потенциальный барьер и в последствии не достигает области, в которой наблюдается действие ядерных сил.

Одновременно с повышением энергии частицы до некоторого граничного значения Eгр, α-частица достигает данной границы. В таком случае в рассеянии α-частиц возникает некоторое отклонение от формулы Резерфорда.

Опытным путем было определено, что радиус R ядра является зависимым от числа нуклонов, которые входят в состав ядра.

Размеры ядер определяют экспериментальным путем по рассеянию протонов, быстрых нейтронов или же электронов высоких энергий. Существует также целый список иных косвенных способов получения значений размеров ядер. Они основываются:

  • на связи времени жизни α — радиоактивных ядер с энергией выпущенных ими α — частиц;
  • на оптических свойствах, носящих название мезоатомов, в которых один из электронов временно захвачен мюоном;
  • на сравнении энергий связи парных зеркальных атомов.

Данные способы подтверждают эмпирическую зависимость R=R0A1/3, а также благодаря таким измерениям определено значение постоянной R0=1,2-1,5·10-15 м.

Обратим свое внимание также на тот факт, что за единицу расстояний в атомной физике и физике элементарных частиц принимают единицу измерения «ферми», которая равняется 10-15 м 1 ф=10-15 м.

Радиусы атомных ядер определяются их массовым числом и находятся в промежутке от 2·10-15 до 10-14 м. Если из формулы R=R0A1/3 выразить R0 и записать его в следующем виде 4πR33A=const, то можно заметить, что на каждый нуклон приходится примерно одинаковый объем.

Из данного факта можно сделать вывод о том, что плотность ядерного вещества для всех ядер так же приблизительно одинакова. Как можно заметить, плотность ядерного вещества довольно велика. Этот факт основывается на действие ядерных сил.

Энергия связи. Дефект масс ядер

Определение 6

Величину ∆m, что определяет разницу масс между массой нуклонов, которые формируют ядро, и массой ядра, называют дефектом массы ядра.

Важные сведения о свойствах ядра могут быть получены даже при отсутствии знаний о подробностях взаимодействия между нуклонами ядра, на основании закона сохранения энергии и закона пропорциональности массы и энергии.

Поскольку в результате каждого изменения массы ∆m происходит соответствующее изменение энергии ∆E(∆E=∆mc2), то при образовании ядра выделяется некоторое количество энергии.

Исходя из закона сохранения энергии можно сделать вывод о том, что ровно такое же количество энергии необходимо для того, чтобы разделить ядро на составляющие его элементы, другими словами отдалить нуклоны друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействия между ними не происходит. Данную энергию определяют как энергию связи ядра.

Замечание 1

Заметим, что данная формула довольно неудобная в применении, так как в таблицах приводиться не массы ядер, а массы, которые относятся к массам нейтральных атомов.

По этой причине ради удобства вычислений формулу преобразуют таким образом, чтобы в нее входили не массы атомов, а массы ядер. Для достижения этой цели в правой части формулы добавим и отнимем массу Z электронов (me).

В таком случае Eсв=Zmp+me+A-Zmn-mя+Zmec2=ZmH11+A-Zmn-mac2 — масса атома водорода, ma — масса атома.

В ядерной физике энергию зачастую выражают в мегаэлектрон-вольтах (МэВ). Если речь идет о практическом применении ядерной энергии, то ее измеряют в джоулях. В случае сравнения энергии двух ядер используют массовую единицу энергии — соотношение между массой и энергией (E=mc2). Массовая единица энергии (le) равняется энергии, что соответствует массе в одну а.е.м. Она равняется 931,502 МэВ.

Рисунок 1

Определение 7

Кроме энергии, важное значение имеет удельная энергия связи ядра — энергия связи, которая припадает на один нуклон: ω=Ecв/A. Эта величина меняется сравнительно медленно по сравнению со сменой массового числа A, имея почти постоянную величину 8.6 МэВ в средней части периодической системы и уменьшается до ее краев.

Дефект массы

Энергия связи в МэВ: Eсв=∆m·931,502=0,030359·931,502=28,3 МэВ;

Удельная энергия связи: ω=EсвA=28,3 МэВ4≈7.1 МэВ.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/atomy-jadra/harakteristiki-jadra/

Ядерные силы. модели атомного ядра

Физика атомного ядра

Тема «Ядерная физика»

38.1. Характеристики ядра. Ядерные силы . Модели атомного ядра

Ядром называется центральная часть атома, в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный электрический заряд. (см. лекцию с опытами Резерфорда).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц — протонов ( p) и нейтронов (n), которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы — нуклона (от лат.

nucleus — ядро).

Общее число нуклонов в атомном ядре A называетсямассовым числом.

Заряд ядра равен величине Ze , где e— заряд протона, Zзарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре (совпадает с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов — атомным номером). Ядро химического элемента X с атомным номером Z и массовым

числом A обозначается .

Изотопами называются ядра с одинаковым атомным номером Z(зарядом или числом протонов), но разными A (т. е. разным числом нейтронов N = A — Z).

Например, изотопы водорода (Z= 1): протий — (Z =1, N = 0) , дейтерий — (Z =1, N =1) , тритий — (Z =1, N = 2).

Изобарами называются ядра с одинаковым массовым числом A, но разными Z . Например, .

Изотонами называются ядра с одинаковым числом нейтронов N = A Z . Например, .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границ ядра. Эмпирическая формула для радиуса ядра (38.1) , где R0 = (1,3 ÷1,7)10-15 м, может быть истолкована как пропорциональность объема ядра числу нуклонов в нем. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (≈1017 кг/м3).

Поскольку большинство ядер устойчиво, то между нуклонами существует особоеядерное (сильное) взаимодействие — притяжение, которое обеспечивает устойчивость ядер, несмотря на отталкивание одноименно заряженных протонов.

Энергией связи ядра Eсв называется физическая величина, равная работе, которую надо совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны.

Энергия связи ядра является разностью между энергией всех нуклонов в ядре и их энергией в свободном состоянии. Энергия связи нуклонов в атомном ядре:

(38.2)

Масса Δm, соответствующая энергии связи: (38.3)

называется дефектом массы ядра.

На эту величину уменьшается масса всех нуклонов при образовании из них ядра.

Удельной энергией связи называется энергия связи, приходящаяся на один нуклон:

(38.4). Она характеризует устойчивость (прочность) атомных ядер, т. е.чем больше Δε св , тем прочнее ядро.

Собственный момент импульса ядра спин ядра — векторная сумма спинов нуклонов (равен 1/2) и орбитальных моментов импульса нуклонов (момента импульса, обусловленных движением нуклонов внутри ядра). Спин ядра квантуется по закону:

(38.5), где I — спиновое квантовое число, которое принимает значения 0, ½, 1, 3/2, … .

Атомное ядро кроме спина обладает магнитным моментом (38.6), где — коэффициент пропорциональности, называемый ядерным гиромагнитным отношением. Единицей магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон: .

Ядерный магнетон в раз меньше магнетона Бора, поэтому магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными свойствами его электронов.

Наличие магнитного момента ядра объясняетсверхтонкую структуру в спектрах атомов во внешнем магнитном поле.

Свойства ядерных сил:

1) ядерные силы являются силами притяжения;

2) ядерные являются короткодействующими — их действие проявляется только на расстояниях порядка 10 –15 м;

3) ядерным силам свойственна зарядовая независимость: притяжение между любыми двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов (протонного или нейтронного); ядерные силы имеют неэлектрическую природу;

4) ядерным силам свойственно насыщение: каждый нуклон в ядре взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов;

5) ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов взаимодействующих нуклонов. Например, протон и нейтрон образуют дейтрон — ядро изотопа дейтерия — только при условии

параллельной ориентации их спинов;

6) ядерные силы не являются центральными, т. е. действующими по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

1. Капельная модель. Эта модель основана на аналогии между поведением молекул в капле жидкости и нуклонов в ядре — короткодействие ядерных взаимодействий, одинаковая плотность ядерного вещества в разных ядрах (несжимаемость), свойство насыщения ядерных сил. Она трактует ядро как каплю электрически заряженной несжимаемой жидкости, подчиняющуюся законам квантовой механики.

2. Оболочечная модель. В этой модели нуклоны считаются движущимися независимо друг от друга в усредненном центрально-симметричном поле. В соответствии с этим имеются дискретные энергетические уровни, заполняемые нуклонами с учетом принципа Паули.

Эти уровни группируются в оболочки, в каждой из которых может находиться определенное число нуклонов.

Ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми — магические ядра, у которых число протонов Z или нейтронов N равно одному из магических чисел: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.

Ядра, у которых магическими являются и Z , и N , называются дважды магическими. Дважды магических ядер известно всего пять: .

38.2. Радиоактивность и его виды. Закон радиоактивного распада

Самопроизвольное изменение состава атомного ядра, происходящее за время существенно большее характерного ядерного времени 10 -22 с (время, в течение которого α-частица пролетает диаметр ядра) называют радиоактивностью .

Радиоактивным распадом называется естественное радиоактивное превращение ядер, происходящее самопроизвольно. Различают:

1. α — распад

2. β — распад

3. Спонтанное деление атомных ядер

4. Протонный распад и др. …

Остановимся более подробно на первых трех видах радиоактивности.

α — распад — самопроизвольный процесс испускания α-частиц, в результате которого массовое число ядра уменьшается на единицу, а зарядовое на две единицы заряда.

Схема реакции: (38.7)

β — распад – самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядро изобар (A – cst) – меняет заряд в результате превращения нейтрона в протон или наоборот протона в нейтрон). Различают:

а) Электронный β — распад – ядро испускает электрон (38.8)

Источник: http://fiziku5.ru/uchebnye-materialy-po-fizike/yadernye-sily-modeli-atomnogo-yadra

Состав атомного ядра. Массовое число.Зарядовое число. Ядерные силы. урок. Физика 9 Класс

Физика атомного ядра

Физика 9 класс

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 56. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое

число. Ядерные силы

Ерюткин Евгений Сергеевич

учитель физики высшей категории ГОУ СОШ №1360

Москва

2011

Здравствуйте! Сегодняшний урок будет посвящен вопросу, связанному с обсуждением строения ядра атома, зарядовому числу, массовому числу, поговорим также о том, что такое ядерные силы. Наш урок – это подведение некоторого промежуточного итога по всем ранее изученным вопросам.

Мне бы хотелось сказать то, что мы изучали вопросы, связанные со строением атома и строением ядра. Поэтому сегодня мы поговорим именно об этом. Некоторый итог предыдущим темам, предыдущим вопросам. Прежде чем мы перейдем к тому вопросу, который обозначен первым, мы поговорим вот о чем.

На предыдущем уроке мы говорили, что Резерфорд в своих экспериментах установил, что существует такая частица, как протон. Через некоторое время в 1932 году Чедвик установил, что существует еще одна частица, которая называется нейтрон.

После этого открытия независимо друг от друга два человека, русский ученый Иваненко и немецкий ученый Гейзенберг, предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома. По этой теории Иваненко – Гейзенберга, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны.

Эти протоны и нейтроны вместе, те, которые находятся в ядре атома, было решено называть нуклонами. Таким образом, «нуклон» (от лат. «ядро») – общее название для протонов и нейтронов. Те частицы, которые имеют заряд, и те частицы, которые заряд не имеют, нейтроны, эти все частицы вместе называются нуклонами.

Давайте еще вот о чем поговорим. Идея о заряде ядра была впервые выдвинута в 1913 году английским ученым Генри Мозли. Он предложил, что, раз атом электронейтрален, порядковый номер элемента, умноженный на элементарный электрический заряд, это и есть заряд ядра.

Каким образом Мозли пришел к такому заключению? Дело в том, что количество электронов в атоме соответствует порядковому номеру. Значит, заряд всех электронов – это произведение порядкового номера на заряд одного электрона. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, значит, то же самое можно говорить и о ядре. Давайте посмотрим на то, как пришел Мозли именно к тому, что мы называем зарядовым числом. Посмотрите:

qЯ = Z. |e|

qЯ – заряд ядра

е – заряд электрона

Z – число протонов в ядре, зарядовое число

Заряд числа, по такому утверждению, определяется как произведение порядкового номера на элементарный электрический заряд. В данном случае е – это заряд электрона, элементарный электрический заряд его называют, и взят он по модулю, потому что понятно, что заряд ядра у нас положительный.

В этом случае порядковый номер стали называть зарядовым числом, порядковый номер – это число, соответствующее числу протонов в ядре. Таким образом, мы, говоря о порядковом номере, можем говорить о количестве протонов в ядре. Следующее число, о котором необходимо сказать, – это число массы.

Оно, это число, обозначено буквой А, и это самое число берут то же из таблицы Менделеева и округляют его до целых. Дальше мы можем говорить о том уравнении, которое называется во всем мире уравнением Иваненко – Гейзенберга. Это уравнение состоит из трех чисел: массового числа, зарядового числа и числа нейтронов.

Давайте посмотрим, как оно записывается и как обозначаются данные величины.

Уравнение Иваненко — Гейзенберга

А = Z + N

А – массовое число,

Z – порядковый номер элемента,

N – число нейтронов в ядре

Посмотрите: массовое число А говорит о том, какое количество нуклонов входит в ядро. Оказалось, что, по таблице Менделеева определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

Z, как мы говорили, будет порядковый номер и число протонов в ядре. N в данном случае – это число нейтронов. Таким образом, мы можем из этого уравнения определить число нейтронов, число протонов, зная массовое число и порядковый номер. Здесь необходимо отметить важный момент.

Дело в том, что в 1913 году еще один ученый Содди (вы помните, что этот человек работал вместе с Резерфордом) установил интересную вещь. Выяснено было, что существуют химические элементы с абсолютно одинаковыми химическими свойствами, но разным массовым числом. Такие элементы, у которых одинаковые химические свойства, но разное массовое число, стали называть изотопами.

Изотопы – это химические элементы с одинаковыми химическими свойствами, но с различной массой атомных ядер.

Еще надо добавить, что у изотопов разная радиоактивность. Все это вместе привело к изучению этого вопроса. Здесь показаны изотопы легких и тяжелых элементов химических. Давайте посмотрим. Мы выбрали специально разные области таблицы Менделеева, чтобы показать, что практически все элементы химические имеют изотопы.

Изотопы:

Н – протий U

H – дейтерий U

Н – тритий

У водорода этих изотопов три. Первый изотоп Н называется протий. Обратите внимание, что порядковый номер ставится внизу, вот это число Z, а сверху пишется массовое число – это число А. Сверху А, внизу Z, и если мы понимаем, что это обозначает, что в ядре атома протия самый простой химический элемент, самый распространенный во вселенной.

Там всего лишь 1 протон, а нейтронов в этом ядре совсем нет. Есть второй вид водорода – это дейтерий. Наверное, многие слышали такое слово. Обратите внимание: порядковый номер 1, а массовое число равно 2. Так что ядро дейтерия состоит уже из 1 протона и из одного нейтрона. И есть еще один изотоп водорода. Называется тритий.

Тритий как раз (порядковый номер первый), а массовое число говорит о том, что в ядре этого изотопа находятся 2 нейтрона. И еще один элемент – это уран. Совсем другая сторона таблицы Менделеева. Это уже тяжелые элементы. У урана 2 изотопа распространенных. Это уран 235. Порядковый номер 92, а массовое число 235.

Сразу можно говорить о том, чем отличается ядро одного элемента от другого. Второй изотоп: тоже порядковый номер 92, а массовое число 238. Очень часто, когда идет речь об изотопах, в частности урана, никогда не говорят порядкового номера. Просто говорят «уран», называют химический элемент и говорят его массовое число – 238. Или уран 235.

Мы обсуждаем этот вопрос по той простой причине, что знаем, как сегодня этот химический элемент важен для энергетики нашей страны и вообще мировой энергетики в целом.

Следующий вопрос, который мы должны затронуть, вытекает из сказанного. Как эти частицы, эти нуклоны удерживаются внутри ядра? Мы назвали различные химические элементы, изотопы различные, особенно у тяжелых элементов, там, где нуклонов, т.е. протонов и нейтронов, много.

Как, каким образом они удерживаются внутри ядра? Мы знаем, что в маленьком ядре расстояния, размеры ядра очень и очень малы, бывает собрано большое количество частиц нуклонов. Как эти нуклоны там так плотно, тесно удерживаются, какими силами? Ведь за счет электростатического отталкивания эти частицы должны очень быстро распадаться, разлетаться.

Мы знаем, что разноименные только заряды притягиваются, частицы, заряженные разноименными зарядами. Если частицы заряжены одноименно, понятно, что они должны отталкиваться. Внутри ядра находятся протоны. Они положительно заряжены. Размер ядра очень мал. В этом же ядре находятся еще и нейтроны, значит, должны быть силы, которые удерживают вместе те и другие частицы.

Эти самые силы называют ядерными силами. Ядерные силы – это силы притяжения, действующие между нуклонами. Можно сказать, что у этих сил существуют свои особые свойства.

Первое свойство, о котором мы должны сказать, – это то, что ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. И это так, когда удалось их определить, то выяснилось, что они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания.

Еще одно очень важное замечание, что действуют ядерные силы на малом расстоянии. Например, 10-15м – это и есть диаметр ядра, эти силы действуют. Но стоит только увеличиться размеру ядра до 10-14, казалось, совсем немного, то это приводит к тому, что ядро обязательно распадется. На этом расстоянии уже ядерные силы не действуют.

А силы электростатического отталкивания продолжают действовать и именно они отвечают за то, что ядро распадается.

Еще можно сказать о ядерных силах то, что они не центральны, т.е. они не действуют вдоль прямой, соединяющей эти частицы. И то, что ядерные силы не зависят от того, обладает частица зарядом или не обладает, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны. Вместе эти частицы находятся.

Таким образом, вывод: эти частицы, нуклоны, удерживаются в ядре за счет ядерных сил, и эти силы действуют только в ядре. Еще можно отметить, что ядерные силы имеют важное значение в плане стабильности ядра. Отвечают за долговременность существования этого элемента.

В заключение мы можем отметить еще одно: когда мы будем говорить об энергетике, вот здесь именно ядерные силы будут играть основную роль. Об этом мы поговорим на следующих уроках. До свидания.

Задание к уроку.

1. Определите нуклонный состав ядер железа  (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

2. В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.

3. Оцените силу гравитационного взаимодействия между двумя нейтронами в ядре. Масса нейтрона примерно равна 1,7*10-27 кг, расстояние между нейтронами  примите равным  10-15 м, значение гравитационной постоянной 6,67*10-11 (Н*м2)/кг2.

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/stroenie-atoma-i-atomnogo-yadra-ispolzovanie-energii-atomnyh-yader/sostav-atomnogo-yadra-massovoe-chislo-zaryadovoe-chislo-yadernye-sily

Физика атомного ядра. Состав ядра

Физика атомного ядра

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами).

Ядро было открыто Э. Резерфордом в 1911 г. при исследовании прохождения α-частиц через вещество. Оказалось, что почти вся масса атома (99,95%) сосредоточена в ядре. Размер атомного ядра имеет порядок величины 10-13-10-12 см, что в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки.

Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода, выбитых α -частицами из ядер других элементов (1919-1920 гг.), привели уче­ного к представлению о протоне. Термин протон был введен в начале 20-х гг XX ст.

Протон (от греч. protons — первый, символ p) — стабильная элементарная частица, ядро ато­ма водорода.

Протон — положительно заряженная частица, заряд которой по абсолютной величине равен заряду электрона e= 1,6 · 10-19 Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона mр= 1,6726231 · 10-27 кг = 1,007276470 а.е.м.

Второй частицей, входящей в состав ядра, является нейтрон.

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ви другой, символ n) — это эле­ментарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная.

Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: масса покоя свободного нейтрона mn = 1,6749286 · 10-27 кг = 1,0008664902 а.е.м. и превосходит массу протона па 2,5 массы электрона. Нейтрон, наря­ду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардировке бериллия α-частицами.

Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало пре­граду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало свое действие при прохождении через парафиновую пластину (см. рисунок).

Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это γ-кванты.

Большая проникающая способность новых частиц, названных ней­тронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвига. При попадании α-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Здесь  — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса прибли­зительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время ~ 15 мин. распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.

После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра. Согласно этой моде­ли, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.

Заряд ядра Q определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона e:

Q = +Ze.

Число Z называется зарядовым числом ядра или атомным номером.

Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содер­жащихся в нем. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N. Таким образом, массовое число равно:

А = Z + N.

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.

Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов.

Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый и topoa — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число прото­нов (Z) и различное число нейтронов (N).

Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного эле­мента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно атом) с заданными числами Z и N. Общее обозначение нуклидов имеет вид ……. где X — символ химического эле­мента, A = Z + N — массовое число.

Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и про­изошло их название.

По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (b почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы.

Это объясняется тем, что химические свойства элемен­та определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1Н — протий, 2Н— дейтерий, 3Н — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и хими­ческие свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е.

не радиоактивен) и входит в качестве неболь­шой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода. Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °С и замерзает при +3,8 ºС.

Тритий β-радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактив­ные изотопы.

Изотопы урана. У элемента урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп  составляет всего 1/140 часть от более распространенного .

Источник: https://www.calc.ru/Fizika-Atomnogo-Yadra-Sostav-Yadra.html

Booksm
Добавить комментарий