Isotopes

Isotopes- variétés d'atomes (et de noyaux) d'un élément chimique avec différents nombres de neutrons dans le noyau. Les propriétés chimiques d’un atome dépendent presque exclusivement de la structure de la couche électronique, qui elle-même est déterminée principalement par la charge du noyau. Z(c'est-à-dire le nombre de protons qu'il contient) et ne dépend presque pas de son nombre de masse UN(c'est-à-dire le nombre total de protons Z et les neutrons N). Tous les isotopes d’un même élément ont la même charge nucléaire, ne différant que par le nombre de neutrons.

Exemple d'isotopes : 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O - trois isotopes stables de l'oxygène.

88.Structure du noyau atomique. Particules subatomiques. Éléments. Isotopes.

Un atome est constitué d’un noyau et d’un « nuage » électronique qui l’entoure. Situé dans le cloud électronique électrons porter négatif charge électrique. Protons, inclus dans le noyau, transportez positif charge.

Dans tout atome, le nombre de protons dans le noyau est exactement égal au nombre d’électrons dans le nuage électronique, donc l’atome dans son ensemble est une particule neutre qui ne porte aucune charge.

Un atome peut perdre un ou plusieurs électrons ou, à l’inverse, gagner des électrons auprès des autres. Dans ce cas, l'atome acquiert une charge positive ou négative et est appelé ion.

Les dimensions externes d’un atome sont les dimensions d’un nuage électronique beaucoup moins dense, environ 100 000 fois plus grand que le diamètre du noyau.

En plus des protons, les noyaux de la plupart des atomes comprennent neutrons, qui ne comportent aucun frais. La masse d'un neutron n'est pratiquement pas différente de la masse d'un proton. Ensemble, les protons et les neutrons sont appelés nucléons.

Énergie contraignante et défaut de masse nucléaire

Les nucléons du noyau sont fermement retenus par les forces nucléaires. Afin de retirer un nucléon d'un noyau, il faut faire beaucoup de travail, c'est-à-dire qu'il faut transmettre une énergie importante au noyau.

L'énergie de liaison d'un noyau atomique Eb caractérise l'intensité de l'interaction des nucléons dans le noyau et est égale à l'énergie maximale qui doit être dépensée pour diviser le noyau en nucléons individuels n'interagissant pas sans leur communiquer d'énergie cinétique. Chaque noyau possède sa propre énergie de liaison. Plus cette énergie est grande, plus le noyau atomique est stable. Des mesures précises des masses nucléaires montrent que la masse au repos du noyau mi est toujours inférieure à la somme des masses au repos de ses protons et neutrons constitutifs. Cette différence de masse est appelée défaut de masse :

C'est cette partie de la masse Dm qui est perdue lors de la libération de l'énergie de liaison. En appliquant la loi du rapport entre masse et énergie, on obtient :

*с2 (en bref ici, multipliez par C au carré)

où est la vitesse de la lumière dans le vide.

Un autre paramètre important du noyau est l'énergie de liaison par nucléon du noyau, qui peut être calculée en divisant l'énergie de liaison du noyau par le nombre de nucléons qu'il contient :

Cette valeur représente l'énergie moyenne qui doit être dépensée pour retirer un nucléon d'un noyau, ou la variation moyenne de l'énergie de liaison d'un noyau lorsqu'un proton ou un neutron libre y est absorbé.

En figue. un graphique de la dépendance établie expérimentalement de Est à l'égard de A est présenté.

Comme le montre la figure explicative, à de petites valeurs de nombre de masse, l'énergie de liaison spécifique des noyaux augmente fortement et atteint un maximum à (environ 8,8 MeV). Les nucléides avec de tels nombres de masse sont les plus stables. Avec une croissance ultérieure, l'énergie de liaison moyenne diminue, cependant, sur une large plage de nombres de masse, la valeur de l'énergie est presque constante (MeV), d'où il résulte que nous pouvons écrire .

Ce comportement de l'énergie de liaison moyenne indique la propriété des forces nucléaires d'atteindre la saturation, c'est-à-dire la possibilité d'interaction d'un nucléon avec seulement un petit nombre de « partenaires ». Si les forces nucléaires n'avaient pas la propriété de saturation, alors dans le rayon d'action des forces nucléaires, chaque nucléon interagirait avec chacun des autres et l'énergie d'interaction serait proportionnelle à , et l'énergie de liaison moyenne d'un nucléon ne serait pas constante. pour différents noyaux, mais augmenterait avec l'augmentation de .

90.Théories de la structure du noyau atomique

Au cours du développement de la physique, diverses hypothèses sur la structure du noyau atomique ont été avancées. Les plus connus sont les suivants :

· Modèle de gouttelettes du noyau - proposé en 1936 par Niels Bohr.

Modèle de gouttelettes du noyau- l'un des premiers modèles de la structure du noyau atomique, proposé par Niels Bohr en 1936 dans le cadre de la théorie du noyau composé, développée par Jacob Frenkel puis John Wheeler, sur la base de laquelle Karl Weizsäcker a obtenu pour la première fois un formule semi-empirique pour l'énergie de liaison du noyau atomique, appelée en son honneur Formule Weizsäcker.

Selon cette théorie, le noyau atomique peut être représenté comme une goutte sphérique, uniformément chargée, de matière nucléaire spéciale, qui possède certaines propriétés, telles que l'incompressibilité, la saturation des forces nucléaires, « l'évaporation » des nucléons (neutrons et protons), et ressemble à un liquide. À cet égard, certaines autres propriétés d'une goutte de liquide peuvent être étendues à un tel noyau-goutte, par exemple la tension superficielle, la fragmentation de la goutte en gouttes plus petites (fission des noyaux), la fusion de petites gouttes en une seule grande (fusion de noyaux).

· Modèle en coque du noyau - proposé dans les années 30 du 20e siècle.

Dans le modèle de couche d'un atome, les électrons remplissent les couches électroniques et, une fois la couche remplie, l'énergie de liaison de l'électron suivant est considérablement réduite.

· Modèle de Bohr-Mottelson généralisé.

O. m. I. il est proposé sur la base de l'hypothèse d'un mouvement indépendant des nucléons dans un champ dont le potentiel varie lentement. Nucléons internes les coquilles remplies forment un « squelette », qui possède des degrés de liberté collectifs et est décrit à l’aide du modèle de goutte liquide (voir. Modèle de gouttelettes du noyau). Les nucléons des coquilles externes non remplies, interagissant avec la surface de cette goutte, forment une auto-consistance générale, généralement non sphérique. potentiel. La nature adiabatique du changement de ce potentiel permet de séparer le mouvement des particules uniques des nucléons qui se produit de manière fixe. potentiel, du mouvement collectif conduisant à un changement de forme et d’orientation cf. domaines centraux. Cette approche est similaire à la séparation du mouvement des électrons et des noyaux dans les molécules.

· Modèle de noyau de cluster

· Modèle d'associations de nucléons

· Modèle optique du noyau

· Modèle de noyau superfluide

Modèle de noyau statistique

Forces nucléaires

Les forces nucléaires sont les forces qui retiennent les nucléons dans le noyau, représentant de grandes forces attractives qui n'agissent qu'à de courtes distances. Ils ont des propriétés de saturation et on attribue donc aux forces nucléaires un caractère d'échange. Les forces nucléaires dépendent du spin, ne dépendent pas de la charge électrique et ne sont pas des forces centrales.

Désintégration radioactive

Désintégration radioactive(de lat. rayon"poutre" et actif« efficace ») - un changement spontané dans la composition des noyaux atomiques instables (charge Z, nombre de masse A) par l'émission de particules élémentaires ou de fragments nucléaires. Le processus de désintégration radioactive est également appelé radioactivité, et les éléments correspondants sont radioactifs. Les substances contenant des noyaux radioactifs sont également appelées radioactives.

Il a été établi que tous les éléments chimiques dont le numéro de série est supérieur à 82 sont radioactifs (c'est-à-dire à commencer par le bismuth) et de nombreux éléments plus légers (le prométhium et le technétium n'ont pas d'isotopes stables, et certains éléments, comme l'indium, le potassium ou calcium, certains isotopes naturels sont stables, d'autres sont radioactifs).

Radioactivité naturelle- la désintégration spontanée des noyaux d'éléments présents dans la nature.

Noyau atomique. Défaut de masse. Énergie de liaison d'un noyau atomique

Le noyau atomique est la partie centrale de l’atome, dans laquelle sont concentrées toute la charge positive et presque toute la masse.

Les noyaux de tous les atomes sont constitués de particules appelées nucléons. Les nucléons peuvent être dans deux états : un état chargé électriquement et un état neutre. Un nucléon chargé s’appelle un proton. Le proton (p) est le noyau de l'élément chimique le plus léger : l'hydrogène. La charge du proton est égale à la charge élémentaire positive, qui est égale en ampleur à la charge élémentaire négative q e = 1,6 ∙ 10 -19 C., c'est-à-dire charge électronique. Un nucléon dans un état neutre (non chargé) est appelé un neutron (n). Les masses de nucléons dans les deux états diffèrent peu les unes des autres, c'est-à-dire m n ≈ m p .

Les nucléons ne sont pas des particules élémentaires. Ils ont une structure interne complexe et sont constitués de particules de matière encore plus petites – les quarks.

Les principales caractéristiques du noyau atomique sont la charge, la masse, le spin et le moment magnétique.

Frais de base déterminé par le nombre de protons (z) inclus dans le noyau. La charge nucléaire (zq) est différente pour différents éléments chimiques. Le nombre z est appelé numéro atomique ou numéro de charge. Le numéro atomique est le numéro de série d’un élément chimique dans le tableau périodique des éléments de D. Mendeleïev. La charge du noyau détermine également le nombre d’électrons de l’atome. Le nombre d'électrons dans un atome détermine leur répartition sur les couches et sous-couches énergétiques et, par conséquent, toutes les propriétés physico-chimiques de l'atome. La charge du noyau détermine la spécificité d'un élément chimique donné.

Masse centrale La masse du noyau est déterminée par le nombre (A) de nucléons qui composent le noyau. Le nombre de nucléons dans un noyau (A) est appelé nombre de masse. Le nombre de neutrons (N) dans le noyau peut être trouvé si le nombre de protons (z) est soustrait du nombre total de nucléons (A), c'est-à-dire N=F-z. Dans le tableau périodique, jusqu'au milieu, le nombre de protons et de neutrons dans les noyaux des atomes est approximativement le même, c'est-à-dire (A-z)/z= 1, jusqu'à la fin du tableau (A-z)/z= 1,6.

Les noyaux des atomes sont généralement désignés comme suit :

X - symbole d'un élément chimique ;

Z – numéro atomique ;

A – nombre de masse.

En mesurant les masses des noyaux de substances simples, il a été découvert que la plupart des éléments chimiques sont constitués de groupes d'atomes. Ayant la même charge, les noyaux des différents groupes diffèrent en masse. Les variétés d'atomes d'un élément chimique donné, différant par leurs masses nucléaires, étaient appelées isotopes. Les noyaux isotopiques ont le même nombre de protons, mais un nombre différent de neutrons ( et ; , , , ; , , ).

En plus des noyaux isotopiques (z - identiques, A - différents), il existe des noyaux isobares(z - différent, A - pareil). ( Et ).

Les masses des nucléons, noyaux atomiques, atomes, électrons et autres particules en physique nucléaire ne sont généralement pas mesurées en « KG », mais en unités de masse atomique (amu – autrement appelée unité de masse du carbone et notée « e »). L'unité de masse atomique (1e) est considérée comme étant 1/12 de la masse d'un atome de carbone 1e=1,6603 ∙ 10 -27 kg.

Masses des nucléons : m p -1,00728 e, m n =1,00867 e.

On voit que la masse du noyau exprimée en « e » s’écrira sous la forme d’un nombre proche de A.

Spin nucléaire. Le moment cinétique mécanique (spin) du noyau est égal à la somme vectorielle des spins des nucléons qui composent le noyau. Le proton et le neutron ont un spin égal à L = ± 1/2ћ. Conformément à cela, le spin des noyaux avec un nombre pair de nucléons (A est pair) est un nombre entier ou nul. Le spin d’un noyau avec un nombre impair de nucléons (A impair) est demi-entier.

Moment magnétique du noyau. Le moment magnétique du noyau (P m i) du noyau par rapport au moment magnétique des électrons remplissant les couches électroniques de l'atome est très petit. Le moment magnétique du noyau n’affecte pas les propriétés magnétiques d’un atome. L'unité de mesure du moment magnétique des noyaux est le magnéton nucléaire μ i = 5,05,38 ∙ 10 -27 J/T. Il est 1836 fois inférieur au moment magnétique de l'électron - magnéton de Bohr μ B = 0,927 ∙ 10 -23 J/T.

Le moment magnétique du proton est de 2,793 μi et est parallèle au spin du proton. Le moment magnétique du neutron est de 1,914 μi et est antiparallèle au spin du neutron. Les moments magnétiques des noyaux sont de l’ordre d’un magnéton nucléaire.

Pour diviser un noyau en ses nucléons constitutifs, un certain travail doit être effectué. La quantité de ce travail est une mesure de l’énergie de liaison du noyau.

L'énergie de liaison d'un noyau est numériquement égale au travail qui doit être effectué pour diviser un noyau en ses nucléons constitutifs sans leur communiquer d'énergie cinétique.

Au cours du processus inverse de formation nucléaire, la même énergie devrait être libérée par les nucléons constitutifs. Cela découle de la loi de conservation de l’énergie. Par conséquent, l’énergie de liaison du noyau est égale à la différence entre l’énergie des nucléons qui composent le noyau et l’énergie du noyau :

ΔE = E nuk – E i. (1)

Compte tenu de la relation entre la masse et l'énergie (E = m ∙ c 2) et de la composition du noyau, nous réécrivons l'équation (1) comme suit :

ΔE = ∙ s 2 (2)

Ordre de grandeur

Δm = zm p +(A-z)m n – M i, (3)

La différence entre la masse des nucléons qui composent le noyau et la masse du noyau lui-même est appelée défaut de masse.

L'expression (2) peut être réécrite comme suit :

ΔE = Δm ∙ s 2 (4)

Ceux. le défaut de masse est une mesure de l'énergie de liaison du noyau.

En physique nucléaire, la masse des nucléons et des noyaux se mesure en amu. (1 amu = 1,6603 ∙ 10 27 kg), et l'énergie est généralement mesurée en MeV.

En considérant que 1 MeV = 10 6 eV = 1,6021 ∙ 10 -13 J, on trouve la valeur d'énergie correspondant à l'unité de masse atomique

1.a.e.m. ∙ s 2 = 1,6603 ∙10 -27 ∙9 ∙10 16 = 14,9427 ∙ 10 -11 J = 931,48 MeV

Ainsi, l’énergie de liaison nucléaire en MeV est égale à

ΔE lumière = Δm ∙931,48 MeV (5)

Considérant que les tableaux donnent généralement non pas la masse des noyaux, mais la masse des atomes, pour le calcul pratique du défaut de masse, au lieu de la formule (3)

en utiliser un autre

Δm = zm Н +(A-z)m n – M a, (6)

C'est-à-dire que la masse du proton a été remplacée par la masse d'un atome d'hydrogène léger, ajoutant ainsi z masses d'électrons, et la masse du noyau a été remplacée par la masse de l'atome M a, soustrayant ainsi ces z masses d'électrons.

L'énergie de liaison par nucléon dans le noyau est appelée énergie de liaison spécifique.

(7)

La dépendance de l'énergie de liaison spécifique sur le nombre de nucléons dans le noyau (sur le nombre de masse A) est donnée sur la figure 1.

Afin de diviser un noyau en nucléons séparés (libres) qui n'interagissent pas les uns avec les autres, il est nécessaire d'effectuer un travail pour vaincre les forces nucléaires, c'est-à-dire conférer une certaine énergie au noyau. Au contraire, lorsque des nucléons libres se combinent en un noyau, la même énergie est libérée (selon la loi de conservation de l'énergie).

• L'énergie minimale requise pour diviser un noyau en nucléons individuels est appelée énergie de liaison nucléaire.

Comment déterminer la valeur de l’énergie de liaison d’un noyau ?

La manière la plus simple de trouver cette énergie repose sur l’application de la loi sur la relation entre masse et énergie, découverte par le scientifique allemand Albert Einstein en 1905.

Albert Einstein (1879-1955)
Physicien théoricien allemand, l'un des fondateurs de la physique moderne. Découverte de la loi de la relation entre masse et énergie, création des théories restreinte et générale de la relativité

Selon cette loi, il existe une relation proportionnelle directe entre la masse m d'un système de particules et l'énergie au repos, c'est-à-dire l'énergie interne E 0 de ce système :

où c est la vitesse de la lumière dans le vide.

Si l'énergie au repos d'un système de particules à la suite de tout processus change de la valeur ΔE 0 1, cela entraînera une modification correspondante de la masse de ce système de la valeur Δm, et la relation entre ces quantités sera exprimée par l'égalité :

ΔE 0 = Δmс 2.

Ainsi, lorsque des nucléons libres fusionnent dans un noyau, suite à la libération d'énergie (qui est emportée par les photons émis au cours de ce processus), la masse des nucléons devrait également diminuer. Autrement dit, la masse d’un noyau est toujours inférieure à la somme des masses des nucléons qui le composent.

L’absence de masse nucléaire Δm par rapport à la masse totale de ses nucléons constitutifs peut s’écrire ainsi :

Δm = (Zm p + Nm n) - M i,

où M i est la masse du noyau, Z et N sont le nombre de protons et de neutrons dans le noyau, et m p et m n sont les masses du proton et du neutron libres.

La quantité Δm est appelée défaut de masse. La présence d'un défaut de masse est confirmée par de nombreuses expériences.

Calculons, par exemple, l'énergie de liaison ΔE 0 du noyau d'un atome de deutérium (hydrogène lourd), constitué d'un proton et d'un neutron. En d’autres termes, calculons l’énergie nécessaire pour diviser un noyau en un proton et un neutron.

Pour ce faire, on détermine d'abord le défaut de masse Δm de ce noyau, en prenant les valeurs approximatives des masses des nucléons et de la masse du noyau de l'atome de deutérium dans les tableaux correspondants. Selon les données tabulaires, la masse du proton est d'environ 1,0073 a. e.m., masse des neutrons - 1,0087 a. e.m., la masse du noyau de deutérium est de 2h0141. matin Donc, Δm = (1,0073 a.u.m. + 1,0087 a.u.m.) - 2,0141 a.u.m. em = 0,0019 a. manger.

Pour obtenir l’énergie de liaison en joules, il faut exprimer le défaut de masse en kilogrammes.

Considérant qu'il est 1 heure du matin. e.m. = 1,6605 10 -27 kg, on obtient :

Δm = 1,6605 10 -27 kg 0,0019 = 0,0032 10 -27 kg.

En substituant cette valeur du défaut de masse dans la formule de l'énergie de liaison, on obtient :

L'énergie libérée ou absorbée lors de toute réaction nucléaire peut être calculée si les masses de noyaux et de particules en interaction formées à la suite de cette interaction sont connues.

Des questions

1. Quelle est l’énergie de liaison d’un noyau ?
2. Écrivez la formule pour déterminer le défaut de masse de n’importe quel noyau.
3. Écrivez la formule pour calculer l’énergie de liaison d’un noyau.

1 La lettre grecque Δ (« delta ») désigne généralement un changement dans la grandeur physique dont le symbole est précédé de cette lettre.

Masse atomique relativeАr d'un élément chimique (c'est celui-ci qui est donné avec le symbole de l'élément et son numéro de série dans chaque cellule du système périodique de D.I. Mendeleev) est la valeur moyenne des masses isotopiques relatives, en tenant compte du contenu isotopique. La masse atomique relative montre en fait combien de fois la masse d’un atome donné est supérieure à la masse de 1/12 de l’isotope du carbone. Comme toute quantité relative, Ar est une quantité sans dimension.

Par unité de masse atomique ( unité de masse atomique - a.m.u.) est actuellement accepté comme 1/12 de la masse du nucléide 12 C. Ce nucléide se voit attribuer une masse de 12,0000 amu. La vraie valeur de l'unité de masse atomique est de 1,661 · 10-27 kg.

Les masses des trois particules fondamentales, exprimées en amu, ont les valeurs suivantes :

masse des protons – 1,007277 amu, masse des neutrons – 1,008665 amu, masse des électrons – 0,000548 amu.

1.9.4. Défaut de masse

Si vous calculez la masse d'un isotope (masse isotopique) en additionnant les masses du nombre correspondant de protons, de neutrons et d'électrons, le résultat ne donnera pas une correspondance exacte avec l'expérience. L'écart entre les calculs

les valeurs mesurées et trouvées expérimentalement des masses isotopiques sont appelées

défaut de masse.

Ainsi, par exemple, la masse isotopique de l'un des isotopes du chlore 35 Cl, obtenue en additionnant les masses de dix-sept protons, dix-huit neutrons et dix-sept électrons est égale à :

17· 1,007277 + 18· 1,008665 + 17· 0,000548 = 35,289005 uma

Cependant, des déterminations expérimentales précises de cette valeur donnent le résultat de 34,96885 uma. Le défaut de masse est de 0,32016 amu.

Les explications du phénomène de défaut de masse peuvent être données à l'aide des concepts formulés par Albert Einstein dans la théorie de la relativité. Le défaut de masse correspond à l’énergie nécessaire pour vaincre les forces répulsives entre protons.

En d’autres termes, le défaut de masse est une mesure de l’énergie de liaison des particules nucléaires. S’il était possible de diviser le noyau en ses nucléons constitutifs, alors la masse du système augmenterait de la quantité du défaut de masse. L'énergie de liaison montre la différence entre l'énergie des nucléons dans le noyau et leur énergie à l'état libre, c'est-à-dire L'énergie de liaison est l'énergie qui doit être dépensée pour séparer un noyau en ses nucléons constitutifs.

L’énergie de liaison peut être calculée à l’aide de la formule d’A. Einstein :

E = mc2,

où : m – masse en kg, s – vitesse de la lumière – 2,9979·108 m/s, E – énergie en J. Par exemple, l'énergie de liaison pour une mole (4 g) de nucléide 4 He (molaire

le défaut de masse est 3,0378·10-5 kg) est égal à :

∆ E = (3,0378·10-5 kg/mol)·(2,9979·108 m/s)2 = 2,730·1012 J/mol Cette énergie dépasse l'énergie d'une liaison covalente conventionnelle de plus de

10 millions de fois. Pour obtenir une telle énergie par une réaction chimique, il faudrait utiliser des dizaines de tonnes de substance.

L’énergie de liaison étant extrêmement élevée, il est d’usage de l’exprimer en mégaélectronvolts (1 MeV = 9,6·1010 J/mol) par nucléon. Ainsi, l'énergie de liaison par nucléon dans le noyau 4 He est d'environ 7 MeV, dans le noyau 35 Cl elle est de 8,5 MeV.

1.9.5. Forces nucléaires

Le noyau d’un atome est un objet d’étude particulier. Même avec un examen superficiel, de nombreuses perplexités surgissent. Pourquoi les protons qui composent le noyau ne se repoussent-ils pas selon les lois élémentaires de l’électrostatique ? Un calcul simple utilisant la loi de Coulomb montre qu'à des distances nucléaires, deux protons devraient se repousser avec une force d'environ 6 000 N, mais ils sont attirés l'un vers l'autre avec une force 40 fois supérieure à cette valeur. De plus, cette force agit également aussi bien entre deux protons qu'entre deux neutrons, ainsi qu'entre un proton et un neutron, c'est-à-dire complètement indépendant de la charge des particules.

Évidemment, les forces nucléaires représentent une classe de forces complètement différente ; elles ne peuvent être réduites à des interactions électrostatiques. L’énergie qui accompagne les réactions nucléaires est des millions de fois supérieure à l’énergie qui caractérise les transformations chimiques.

L'application des principes de la mécanique quantique à la description du mouvement des électrons donne actuellement des résultats très satisfaisants. Cette théorie peut-elle être utilisée pour modéliser les processus se produisant dans le noyau d’un atome ? La caractéristique la plus importante des forces nucléaires est leur rayon d’action extrêmement court. En effet, le mouvement d'un électron se produit dans une région de l'espace estimée à des valeurs de l'ordre de 10 à 8 cm, et tous les phénomènes intranucléaires se produisent à des distances de l'ordre de 10 à 12 cm et moins. Ces valeurs sont légèrement supérieures aux tailles intrinsèques des nucléons. Le rapport des échelles caractérisant le mouvement de l'électron d'une part et les phénomènes intranucléaires d'autre part en ordre de grandeur peut être comparé au même rapport

pour le macromonde, qui obéit aux lois de la mécanique classique, et le micromonde, qui vit selon les lois de la mécanique quantique.

Avec une si petite taille du noyau, presque toute la masse de l'atome y est concentrée. Connaissant le volume approximatif du noyau et la masse de l'atome, on peut estimer la densité de la matière nucléaire : elle dépasse la densité moyenne de la matière ordinaire de 2,1 017 fois et est de l'ordre de 1 013 à 1 014 g/cm3. Une tentative de réellement comprendre de telles quantités conduit à l'illustration suivante : à densité de matière similaire, le volume d'une tête d'allumette (environ 5 mm3) devrait contenir une masse égale à la masse de 1 million de tonnes d'eau. Si une telle tête d’allumette tombait à la surface de la Terre, elle briserait toutes les roches et pénétrerait jusqu’au centre de la planète.

1.9.6. Transformations nucléaires

Les transformations des noyaux atomiques provoquées par leurs interactions avec des particules élémentaires ou entre elles sont appelées réactions nucléaires.

Désintégration nucléaire spontanée - radioactivité naturelle– accompagné de trois types de rayonnements.

Le rayonnement alpha est un flux de noyaux d'atomes d'hélium de charge +2 et de masse 4 (4 He). La charge positive de ces particules explique le fait que les rayons alpha sont déviés dans un champ électrique vers une plaque chargée négativement, et la taille relativement grande des atomes d'hélium justifie leur capacité de pénétration, nettement inférieure à celle des deux autres types de rayonnement. .

Évidemment, lorsqu’une telle particule est émise, le noyau perd deux protons et deux neutrons. La perte de deux protons réduit le numéro atomique de deux unités, d’où la formation d’un nouvel élément chimique.

Par exemple, le nucléide du radium-226, lors de la perte d'une particule alpha, se transforme en nucléide du radon-222, qui peut être représenté par équations de réaction nucléaire:

88 Ra → 86 Rn +2 He.

Lors de la composition de telles équations, l'égalité des sommes des nombres atomiques et des sommes des nombres de masse sur les côtés gauche et droit doit être observée (la conservation de la charge et de la masse doit être assurée).

Dans certains cas, une forme abrégée d'écriture de l'équation de la réaction nucléaire est utilisée : le nucléide initial est écrit à gauche, le nucléide final à droite, entre parenthèses entre eux la particule qui provoque cette transformation est indiquée en premier, puis émis en conséquence. Dans ce cas, pour de telles particules, les désignations de lettres suivantes sont utilisées : α (particule alpha), p (proton), n (neutron), d (noyau de deutérium - deutéron), etc. Par exemple, pour la désintégration alpha évoquée ci-dessus :

Ra (-,α)Rn.

Le signe "-" indique l'absence de particule bombardante (la désintégration du noyau se produit spontanément).

Le rayonnement bêta, à son tour, est divisé en β - (on l'appelle généralement

Il s’agit simplement du rayonnement β) et du rayonnement β +. Le rayonnement β - - est un flux d'électrons se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière. Ces électrons proviennent de la désintégration d’un neutron :

90 Th → 91 Pa + -1 e.

Les nucléides thorium-234 et protactinium-234 ont les mêmes nombres de masse. Ces nucléides sont appelés isobares.

L'apparition du rayonnement β + est due à la transformation d'un proton en neutron, accompagnée de l'émission d'un positon - une particule élémentaire qui est un analogue d'un électron, mais qui a une charge positive :

19 K → 18 Ar ++1 e.

Le rayonnement gamma est un rayonnement électromagnétique dur dont les longueurs d’onde sont plus courtes que les rayons X. Il ne dévie pas dans les champs électriques et magnétiques et possède une capacité de pénétration élevée.

L'émission de rayons γ accompagne les désintégrations α et β, ainsi que le processus de capture électronique par le noyau. Dans ce dernier cas, le noyau capture un électron d'un faible niveau d'énergie (électron K ou L), et l'un des protons se transforme en neutron :

Le numéro de masse du nucléide ne change pas, mais le numéro atomique diminue de un, par exemple :

23 V + -1 e → 22 Ti.

Les nucléides instables en décomposition spontanée sont appelés ra-

dionnucléides ou isotopes radioactifs . Leur désintégration se poursuit jusqu'à la formation d'isotopes stables. Les isotopes stables ne sont plus sujets à la désintégration radioactive et persistent donc dans la nature. Les exemples comprennent 16° et 12°C.

Demi-vie Un isotope instable est le temps pendant lequel sa radioactivité diminue jusqu'à la moitié de sa valeur initiale. Les demi-vies peuvent varier de quelques millionièmes de seconde à des millions d'années (tableau 1.2).

Tableau 1.2

Demi-vies de certains isotopes

De nombreuses réactions de désintégration radioactive sont des composants de réactions nucléaires séquentielles plus complexes - ce qu'on appelle série de transformations radioactives ou série radioactive.

Chaque transformation dans cette série conduit à la formation d’un isotope instable, qui subit à son tour une désintégration radioactive. Le nucléide parent est appelé isotope parent, et le résultat est isotope fille. À l'étape suivante, l'isotope fille devient l'isotope parent, se transformant en la fille suivante, etc. Cette chaîne de transformations successives se poursuit jusqu'à ce que le résultat d'une réaction nucléaire devienne un isotope stable.

Ainsi, la série radioactive de l'uranium commence par l'isotope 238 U et, à la suite de quatorze réactions de désintégration nucléaire consécutives, se termine par l'isotope stable 206 Pb. Dans ce cas, la perte de masse totale est de 32 unités.

Des nucléides stables et instables peuvent être produits à l’aide de réactions nucléaires en bombardant les noyaux avec des particules à haute énergie. Par-

hurler transformation nucléaire artificielle réalisé par E. Rutherford : en 1915

En faisant passer des rayons alpha dans l'azote, il obtient l'isotope stable de l'oxygène 17 O. En 1935, Irène et Frédéric Joliot-Curie prouvent que le bombardement de l'aluminium avec des particules alpha produit un isotope radioactif du phosphore qui émet des positons. Pour la découverte radioactivité artificielle les scientifiques ont reçu le prix Nobel.

Lors de réactions nucléaires, une cible nucléaire est bombardée de protons, de neutrons et d'électrons, ce qui entraîne une modification de la composition nucléaire et la formation d'un nouvel élément chimique. Les particules bombardantes doivent avoir une énergie cinétique élevée pour vaincre les forces de répulsion électrostatiques de la cible. Par conséquent, les particules sont accélérées à des vitesses élevées dans des installations spéciales appelées accélérateurs (leurs deux principaux types sont un accélérateur linéaire et un cyclotron).

Les transformations nucléaires artificielles peuvent être classées selon le type de particules bombardées et émises à la suite de la réaction (tableau 1.3.).

À l’aide de réactions nucléaires, de nouveaux éléments chimiques dotés de numéros atomiques de 99 ou plus ont été synthétisés. A cet effet, la cible nucléaire est bombardée avec des particules lourdes, par exemple 7 N ou 12 C. Ainsi, l'élément einsteinium a été obtenu en bombardant l'uranium 238 avec des noyaux d'azote 14 :

MATÉRIAUX À RÉPÉTITION

Dimensions de l'atome : ≈ 10 -8 cm Dimensions du nucléaire : ≈ 10 -12 – 10 -13 cm

Densité de matière nucléaire : ≈ 10 14 g/cm 3

Particules subatomiques

Nombres quantiques

Formules électroniques d'atomes

Pour composer la formule électronique d'un atome, vous devez connaître les éléments suivants :

1. Système de notation: nℓх (n – numéro du niveau d'énergie : 1,2,3,..., ℓ – lettre de désignation du sous-niveau : s, p, d, f ; x – nombre d'électrons). Exemples : 5s2 – deux électrons sur le sous-niveau s du cinquième niveau d'énergie (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - huit électrons dans le sous-niveau d du quatrième niveau d'énergie (n = 4, ℓ = 2).

2. Séquence de remplissage des sous-niveaux d'énergie : 1s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(chaque sous-niveau n'est rempli qu'une fois que le précédent de cette ligne est complètement construit).

3. Capacité maximale des sous-niveaux:

Exemple : la formule électronique de l'atome de chlore est la répartition des dix-sept électrons de cet atome à travers les sous-niveaux d'énergie et a la forme :

17 Classe 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Une forme courte d'écriture de la formule électronique : électrons trouvés-

aux niveaux d'énergie pleinement développés, sont représentés par le symbole du gaz noble correspondant, et la répartition des électrons restants est alors indiquée.

Exemple : brève formule électronique de l'atome de chlore :

17 Classe 3s2 3p5

Distribution des électrons dans les cellules quantiques

Cellules quantiques

sous-couche s

sous-niveau p

sous-niveau d

f-sous-niveau

Conformément à la règle de Hund : initialement, chaque électron reçoit une cellule quantique distincte (électrons non appariés avec des spins parallèles), les électrons suivants entrent dans les cellules déjà occupées, pour lesquelles les valeurs ms ​​​​ont le signe opposé - électrons appariés) .

Notation : ms = +½ ,↓ ms = -½

Exemples : 6 électrons occupent des cellules quantiques du sous-niveau f :

f-sous-niveau

pour neuf électrons, le diagramme prend la forme :

f-sous-niveau

Formules graphiques électroniques des atomes

électrons de valence- les électrons du niveau d'énergie externe, ainsi que l'avant-dernier sous-niveau d, s'il n'est pas complètement construit.

Désignations des nucléides :

l'indice supérieur est le numéro de masse du nucléide, l'indice inférieur est le numéro atomique de l'élément correspondant.

Exemple : isotope du chlore :

17Cl

Abréviation : 36 Cl

Composition du noyau Nombre de protons – numéro atomique, numéro ordinal d’un élément dans la période

système ditique de D. I. Mendeleev ; Le nombre de neutrons est la différence entre le nombre de masse et le nombre de pro-

Exemple : nombre de protons et de neutrons pour l'isotope du chlore

17 Cl est : nombre de protons = 17, nombre de neutrons = 36-17 = 19.

Isotopes – même numéro atomique, masses atomiques différentes (le noyau contient le même nombre de protons, un nombre différent de neutrons)

Réactions nucléaires

Aux côtés gauche et droit de l’équation de la réaction nucléaire, un équilibre doit être maintenu entre :

– sommes de nombres de masse (exposants),

– sommes de nombres atomiques (indices).

Exemple:

Une forme abrégée d’écriture de l’équation de la réaction nucléaire :

à gauche - le nucléide d'origine,

à droite le nucléide final,

entre parenthèses entre eux : la particule provoquant la transformation donnée, puis la particule émise en conséquence.

Désignations des lettres:α (particule alpha), p (proton), n (neutron), d (noyau de deutérium - deutéron), etc.

Exemple : 23 Na (p,n)23 Mg pour la réaction

11 Na +1 H → 12 Mg +0 n

Comme nous l'avons déjà noté (voir § 138), les nucléons sont fermement liés dans le noyau d'un atome par les forces nucléaires. Pour rompre cette liaison, c’est-à-dire séparer complètement les nucléons, il faut dépenser une certaine quantité d’énergie (faire du travail).

L'énergie nécessaire pour séparer les nucléons qui composent le noyau est appelée énergie de liaison du noyau. L'ampleur de l'énergie de liaison peut être déterminée sur la base de la loi de conservation de l'énergie (voir § 18) et de la loi de proportionnalité de la masse. et l'énergie (voir § 20).

Selon la loi de conservation de l'énergie, l'énergie des nucléons liés dans un noyau doit être inférieure à l'énergie des nucléons séparés de la quantité de l'énergie de liaison du noyau 8. D'autre part, selon la loi de proportionnalité de masse et énergie, un changement dans l'énergie du système s'accompagne d'un changement proportionnel dans la masse du système

où c est la vitesse de la lumière dans le vide. Puisque dans le cas considéré il s’agit de l’énergie de liaison du noyau, la masse du noyau atomique doit être inférieure à la somme des masses des nucléons qui composent le noyau, d’une quantité appelée défaut de masse nucléaire. A l'aide de la formule (10), on peut calculer l'énergie de liaison d'un noyau si le défaut de masse de ce noyau est connu

Actuellement, les masses des noyaux atomiques sont déterminées avec une grande précision à l'aide d'un spectrographe de masse (voir § 102) ; les masses des nucléons sont également connues (voir § 138). Cela permet de déterminer le défaut de masse de n'importe quel noyau et de calculer l'énergie de liaison du noyau à l'aide de la formule (10).

A titre d'exemple, calculons l'énergie de liaison du noyau d'un atome d'hélium. Il est constitué de deux protons et de deux neutrons. La masse du proton est la masse du neutron. Par conséquent, la masse des nucléons formant le noyau est égale à la masse du noyau de l'atome d'hélium. Ainsi, le défaut du noyau atomique d'hélium est égal à

Alors l’énergie de liaison du noyau d’hélium est

La formule générale pour calculer l'énergie de liaison d'un noyau quelconque en joules à partir de son défaut de masse aura évidemment la forme

où est le numéro atomique et A est le nombre de masse. Exprimant la masse des nucléons et des noyaux en unités de masse atomique et en tenant compte de cela

Vous pouvez écrire la formule de l’énergie de liaison d’un noyau en mégaélectronvolts :

L’énergie de liaison d’un noyau par nucléon est appelée énergie de liaison spécifique.

Au noyau d'hélium

L'énergie de liaison spécifique caractérise la stabilité (force) des noyaux atomiques : plus v est grand, plus le noyau est stable. D'après les formules (11) et (12),

Soulignons encore une fois que dans les formules et (13) les masses des nucléons et des noyaux sont exprimées en unités de masse atomique (voir § 138).

À l'aide de la formule (13), vous pouvez calculer l'énergie de liaison spécifique de n'importe quel noyau. Les résultats de ces calculs sont présentés graphiquement sur la Fig. 386 ; L'axe des ordonnées montre les énergies de liaison spécifiques, l'axe des abscisses montre les nombres de masse A. Il ressort du graphique que l'énergie de liaison spécifique est maximale (8,65 MeV) pour les noyaux avec des nombres de masse de l'ordre de 100 ; pour les noyaux lourds et légers, c'est un peu moins (par exemple l'uranium, l'hélium). Le noyau atomique de l'hydrogène a une énergie de liaison spécifique nulle, ce qui est tout à fait compréhensible, puisqu'il n'y a rien à séparer dans ce noyau : il est constitué d'un seul nucléon (proton).

Toute réaction nucléaire s'accompagne d'une libération ou d'une absorption d'énergie. Le graphique de dépendance ici A vous permet de déterminer à quelles transformations nucléaires l'énergie est libérée et à laquelle elle est absorbée. Lorsqu'un noyau lourd est divisé en noyaux de nombre de masse A de l'ordre de 100 (ou plus), de l'énergie (énergie nucléaire) est libérée. Expliquons cela avec le raisonnement suivant. Supposons, par exemple, que le noyau d'uranium se divise en deux

noyaux atomiques (« fragments ») avec nombres de masse Énergie de liaison spécifique d'un noyau d'uranium énergie de liaison spécifique de chacun des nouveaux noyaux Pour séparer tous les nucléons qui composent le noyau atomique de l'uranium, il est nécessaire de dépenser une énergie égale à la liaison énergie du noyau d'uranium :

Lorsque ces nucléons se combinent en deux nouveaux noyaux atomiques de nombre de masse 119), une énergie sera libérée égale à la somme des énergies de liaison des nouveaux noyaux :

Par conséquent, à la suite de la réaction de fission d'un noyau d'uranium, l'énergie nucléaire sera libérée en quantité égale à la différence entre l'énergie de liaison des nouveaux noyaux et l'énergie de liaison du noyau d'uranium :

La libération d'énergie nucléaire se produit également lors de réactions nucléaires d'un type différent - lors de la combinaison (synthèse) de plusieurs noyaux légers en un seul noyau. En fait, supposons par exemple qu'il y ait une synthèse de deux noyaux de sodium en un noyau de numéro de masse Énergie de liaison spécifique d'un noyau de sodium Énergie de liaison spécifique d'un noyau synthétisé Pour séparer tous les nucléons formant deux noyaux de sodium, il faut dépenser une énergie égale à deux fois l'énergie de liaison d'un noyau de sodium :

Lorsque ces nucléons se combinent en un nouveau noyau (de masse numéro 46), une énergie sera libérée égale à l’énergie de liaison du nouveau noyau :

Par conséquent, la réaction de fusion des noyaux de sodium s'accompagne de la libération d'énergie nucléaire en quantité égale à la différence entre l'énergie de liaison du noyau synthétisé et l'énergie de liaison des noyaux de sodium :

Ainsi, nous arrivons à la conclusion que

La libération d'énergie nucléaire se produit à la fois lors de réactions de fission de noyaux lourds et lors de réactions de fusion de noyaux légers. La quantité d'énergie nucléaire libérée par chaque noyau ayant réagi est égale à la différence entre l'énergie de liaison 8 2 du produit de réaction et l'énergie de liaison 81 de la matière nucléaire d'origine :

Cette disposition est extrêmement importante puisque les méthodes industrielles de production d’énergie nucléaire reposent sur elle.

A noter que la plus favorable, en termes de rendement énergétique, est la réaction de fusion de noyaux d'hydrogène ou de deutérium.

Parce que, comme le montre le graphique (voir Fig. 386), dans ce cas, la différence entre les énergies de liaison du noyau synthétisé et des noyaux d'origine sera la plus grande.