Izotopy

Izotopy- odrody atómov (a jadier) jedného chemického prvku s rôznym počtom neutrónov v jadre. Chemické vlastnosti atómu závisia takmer výlučne od štruktúry elektrónového obalu, ktorá je zase určená hlavne nábojom jadra. Z(teda počet protónov v ňom) a takmer nezávisí od jeho hmotnostného čísla A(to znamená celkový počet protónov Z a neutróny N). Všetky izotopy toho istého prvku majú rovnaký jadrový náboj, líšia sa len počtom neutrónov.

Príklad izotopov: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O - tri stabilné izotopy kyslíka.

88.Štruktúra atómového jadra. Subatomárne častice. Prvky. Izotopy.

Atóm pozostáva z jadra a elektrónového „oblaku“, ktorý ho obklopuje. Nachádza sa v elektronickom cloude elektróny niesť negatívne nabíjačka. Protóny, zahrnuté v jadre, niesť pozitívne poplatok.

V každom atóme je počet protónov v jadre presne rovnaký ako počet elektrónov v elektrónovom oblaku, takže atóm ako celok je neutrálna častica, ktorá nenesie žiadny náboj.

Atóm môže stratiť jeden alebo viac elektrónov alebo naopak získať elektróny od iných. V tomto prípade atóm získa kladný alebo záporný náboj a nazýva sa ión.

Vonkajšie rozmery atómu sú rozmery oveľa menej hustého elektrónového oblaku, ktorý je približne 100 000-krát väčší ako priemer jadra.

Okrem protónov patria medzi jadrá väčšiny atómov neutróny, ktoré nenesú žiadny poplatok. Hmotnosť neutrónu sa prakticky nelíši od hmotnosti protónu. Spolu sa nazývajú protóny a neutróny nukleóny.

Väzbová energia a porucha jadrovej hmoty

Nukleóny v jadre sú pevne držané jadrovými silami. Aby sa z jadra odstránil nukleón, musí sa urobiť veľa práce, to znamená, že musí jadru odovzdať významnú energiu.

Väzbová energia atómového jadra Eb charakterizuje intenzitu interakcie nukleónov v jadre a rovná sa maximálnej energii, ktorú je potrebné vynaložiť na rozdelenie jadra na jednotlivé neinteragujúce nukleóny bez toho, aby sa im udelila kinetická energia. Každé jadro má svoju vlastnú väzbovú energiu. Čím väčšia je táto energia, tým stabilnejšie je atómové jadro. Presné merania jadrových hmôt ukazujú, že pokojová hmotnosť jadra m i je vždy menšia ako súčet pokojových hmotností protónov a neutrónov, ktoré ho tvoria. Tento hmotnostný rozdiel sa nazýva hmotnostný defekt:

Práve táto časť hmoty Dm sa stráca pri uvoľňovaní väzbovej energie. Aplikovaním zákona o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou dostaneme:

*с2 (v skratke tu, vynásobte C na druhú)

kde je rýchlosť svetla vo vákuu.

Ďalším dôležitým parametrom jadra je väzbová energia na nukleón jadra, ktorú možno vypočítať vydelením väzbovej energie jadra počtom nukleónov, ktoré obsahuje:

Táto hodnota predstavuje priemernú energiu, ktorá sa musí vynaložiť na odstránenie jedného nukleónu z jadra, alebo priemernú zmenu väzbovej energie jadra, keď je do neho absorbovaný voľný protón alebo neutrón.

Na obr. je znázornený graf experimentálne stanovenej závislosti Est na A.

Ako je zrejmé z vysvetľujúceho obrázku, pri malých hodnotách hmotnostných čísel sa špecifická väzbová energia jadier prudko zvyšuje a dosahuje maximum pri (približne 8,8 MeV). Nuklidy s takýmito hmotnostnými číslami sú najstabilnejšie. S ďalším rastom priemerná väzbová energia klesá, avšak v širokom rozsahu hmotnostných čísel je energetická hodnota takmer konštantná (MeV), z čoho vyplýva, že môžeme napísať .

Toto správanie priemernej väzbovej energie naznačuje vlastnosť jadrových síl dosiahnuť saturáciu, to znamená možnosť interakcie nukleónu len s malým počtom „partnerov“. Ak by jadrové sily nemali vlastnosť saturácie, potom by každý nukleón v rámci akčného rádia jadrových síl interagoval s každým z ostatných a interakčná energia by bola úmerná , a priemerná väzbová energia jedného nukleónu by nebola konštantná. pre rôzne jadrá, ale zvyšovali by sa so zvyšujúcim sa .

90.Teórie stavby atómového jadra

V procese vývoja fyziky boli predložené rôzne hypotézy o štruktúre atómového jadra. Najznámejšie sú tieto:

· Kvapôčkový model jadra – navrhol v roku 1936 Niels Bohr.

Kvapkový model jadra- jeden z prvých modelov štruktúry atómového jadra, navrhnutý Nielsom Bohrom v roku 1936 v rámci teórie zložených jadier, ktorý vyvinul Jacob Frenkel a následne John Wheeler, na základe ktorého Karl Weizsäcker prvýkrát získal semiempirický vzorec pre väzbovú energiu atómového jadra, nazývaný na jeho počesť Weizsäckerov vzorec.

Podľa tejto teórie môže byť atómové jadro reprezentované ako sférická, rovnomerne nabitá kvapka špeciálnej jadrovej hmoty, ktorá má určité vlastnosti, ako je nestlačiteľnosť, nasýtenie jadrových síl, „vyparovanie“ nukleónov (neutrónov a protónov) a podobá sa kvapalina. V tejto súvislosti možno na takéto jadro kvapky rozšíriť niektoré ďalšie vlastnosti kvapky kvapaliny, napríklad povrchové napätie, fragmentáciu kvapky na menšie (štiepenie jadier) a zlúčenie malých kvapiek do jednej veľkej (fúzia jadier).

· Škrupinový model jadra – navrhnutý v 30. rokoch 20. storočia.

V modeli obalu atómu elektróny vypĺňajú elektrónové obaly a akonáhle je obal naplnený, väzbová energia pre ďalší elektrón sa výrazne zníži.

· Zovšeobecnený Bohr-Mottelsonov model.

O. m. je navrhnutý na základe predpokladu nezávislého pohybu nukleónov v poli s pomaly sa meniacim potenciálom. Vnútorné nukleóny naplnené škrupiny tvoria „kostru“, ktorá má spoločné stupne voľnosti a je opísaná pomocou modelu kvapiek kvapaliny (pozri. kvapôčkový model jadra). Nukleóny vonkajších nenaplnených obalov, ktoré interagujú s povrchom tejto kvapky, tvoria všeobecnú, zvyčajne nesférickú, samokonzistenciu. potenciál. Adiabatická povaha zmeny tohto potenciálu umožňuje oddeliť pohyb jednej častice nukleónov, ku ktorému dochádza fixným spôsobom. potenciál, od kolektívneho pohybu vedúceho k zmene tvaru a orientácie porov. jadrových polí. Tento prístup je podobný oddeleniu pohybu elektrónov a jadier v molekulách.

· Klastrový model jadra

· Model asociácie nukleónov

· Optický model jadra

· Model superfluidného jadra

Štatistický model jadra

Jadrové sily

Jadrové sily sú sily, ktoré držia nukleóny v jadre, predstavujú veľké príťažlivé sily, ktoré pôsobia len na krátke vzdialenosti. Majú saturačné vlastnosti, a preto sa jadrovým silám pripisuje výmenný charakter. Jadrové sily závisia od rotácie, nezávisia od elektrického náboja a nie sú centrálnymi silami.

Rádioaktívny rozpad

Rádioaktívny rozpad(z lat. polomer"lúč" a āctīvus„efektívne“) - spontánna zmena v zložení nestabilných atómových jadier (náboj Z, hmotnostné číslo A) prostredníctvom emisie elementárnych častíc alebo jadrových fragmentov. Proces rádioaktívneho rozpadu sa tiež nazýva rádioaktivita a zodpovedajúce prvky sú rádioaktívne. Látky obsahujúce rádioaktívne jadrá sa tiež nazývajú rádioaktívne.

Zistilo sa, že všetky chemické prvky s poradovým číslom väčším ako 82 sú rádioaktívne (teda počnúc bizmutom) a mnohé ľahšie prvky (prométium a technécium nemajú stabilné izotopy a niektoré prvky ako indium, draslík resp. vápnik, majú niektoré prirodzené, niektoré izotopy sú stabilné, iné sú rádioaktívne).

Prirodzená rádioaktivita- samovoľný rozpad jadier prvkov nachádzajúcich sa v prírode.

Atómové jadro. Hromadný defekt. Väzbová energia atómového jadra

Atómové jadro je centrálna časť atómu, v ktorej je sústredený všetok kladný náboj a takmer všetka hmotnosť.

Jadrá všetkých atómov sú tvorené časticami tzv nukleóny. Nukleóny môžu byť v dvoch stavoch – elektricky nabitom a neutrálnom. Nukleón v nabitom stave sa nazýva protón. Protón (p) je jadrom najľahšieho chemického prvku – vodíka. Protónový náboj sa rovná elementárnemu kladnému náboju, ktorý sa svojou veľkosťou rovná elementárnemu zápornému náboju q e = 1,6 ∙ 10 -19 C., t.j. elektrónový náboj. Nukleón v neutrálnom (nenabitom) stave sa nazýva neutrón (n). Hmotnosti nukleónov v oboch stavoch sa od seba málo líšia, t.j. m n ≈ m p.

Nukleóny nie sú elementárne častice. Majú zložitú vnútornú štruktúru a skladajú sa z ešte menších častíc hmoty – kvarkov.

Hlavnými charakteristikami atómového jadra sú náboj, hmotnosť, spin a magnetický moment.

Jadrový náboj určený počtom protónov (z) obsiahnutých v jadre. Jadrový náboj (zq) je odlišný pre rôzne chemické prvky. Číslo z sa nazýva atómové číslo alebo nábojové číslo. Atómové číslo je poradové číslo chemického prvku v periodickej tabuľke prvkov D. Mendelejeva. Náboj jadra tiež určuje počet elektrónov v atóme. Počet elektrónov v atóme určuje ich distribúciu v energetických obaloch a podobaloch a následne aj všetky fyzikálno-chemické vlastnosti atómu. Náboj jadra určuje špecifickosť daného chemického prvku.

Jadrová hmota Hmotnosť jadra je určená počtom (A) nukleónov, ktoré tvoria jadro. Počet nukleónov v jadre (A) sa nazýva hmotnostné číslo. Počet neutrónov (N) v jadre možno zistiť, ak sa od celkového počtu nukleónov (A) odpočíta počet protónov (z), t.j. N=F-z. V periodickej tabuľke až do jej stredu je počet protónov a neutrónov v jadrách atómov približne rovnaký, t.j. (A-z)/z= 1, do konca tabuľky (A-z)/z= 1,6.

Jadrá atómov sa zvyčajne označujú takto:

X - symbol chemického prvku;

Z – atómové číslo;

A – hmotnostné číslo.

Pri meraní hmotností jadier jednoduchých látok sa zistilo, že väčšina chemických prvkov pozostáva zo skupín atómov. Pri rovnakom náboji sa jadrá rôznych skupín líšia hmotnosťou. Nazvali sa odrody atómov daného chemického prvku, ktoré sa líšia jadrovými hmotnosťami izotopy. Izotopové jadrá majú rovnaký počet protónov, ale rôzny počet neutrónov ( a ; , , , ; , , ).

Okrem izotopových jadier (z - rovnaké, A - rôzne) existujú jadrá izobary(z - rôzne, A - rovnaké). (A).

Hmotnosti nukleónov, atómových jadier, atómov, elektrónov a iných častíc v jadrovej fyzike sa zvyčajne nemerajú v „KG“, ale v jednotkách atómovej hmotnosti (amu – inak nazývaná jednotka hmotnosti uhlíka a označovaná ako „e“). Jednotka atómovej hmotnosti (1e) sa považuje za 1/12 hmotnosti atómu uhlíka 1e=1,6603 ∙ 10 -27 kg.

Hmotnosti nukleónov: mp-1,00728e, mn=1,00867e.

Vidíme, že hmotnosť jadra vyjadrená v „e“ bude zapísaná ako číslo blízke A.

Jadrová rotácia. Mechanický moment hybnosti (spin) jadra sa rovná vektorovému súčtu spinov nukleónov, ktoré tvoria jadro. Protón a neutrón majú spin rovný L = ± 1/2ћ. V súlade s tým je spin jadier s párnym počtom nukleónov (A je párne) celé číslo alebo nula. Spin jadra s nepárnym počtom nukleónov (A nepárny) je polovičné celé číslo.

Magnetický moment jadra. Magnetický moment jadra (P m i) jadra v porovnaní s magnetickým momentom elektrónov vypĺňajúcich elektrónové obaly atómu je veľmi malý. Magnetický moment jadra neovplyvňuje magnetické vlastnosti atómu. Jednotkou merania magnetického momentu jadier je jadrový magnetón μ i = 5.05.38 ∙ 10 -27 J/T. Je 1836-krát menší ako magnetický moment elektrónu - Bohrovho magnetónu μ B = 0,927 ∙ 10 -23 J/T.

Magnetický moment protónu je 2,793 μi a je rovnobežný so spinom protónu. Magnetický moment neutrónu je 1,914 μi a je antiparalelný k spinu neutrónu. Magnetické momenty jadier sú rádu jadrového magnetónu.

Na rozdelenie jadra na jeho základné nukleóny je potrebné vykonať určité množstvo práce. Množstvo tejto práce je mierou väzbovej energie jadra.

Väzbová energia jadra sa numericky rovná práci, ktorá sa musí vykonať na rozdelenie jadra na jeho základné nukleóny bez toho, aby sa im odovzdala kinetická energia.

Počas spätného procesu tvorby jadra by sa rovnaká energia mala uvoľniť zo základných nukleónov. Vyplýva to zo zákona zachovania energie. Preto sa väzbová energia jadra rovná rozdielu medzi energiou nukleónov, ktoré tvoria jadro, a energiou jadra:

ΔE = E nuk – E i. (1)

Berúc do úvahy vzťah medzi hmotnosťou a energiou (E = m ∙ c 2) a zložením jadra, prepíšeme rovnicu (1) takto:

ΔE = ∙ s 2 (2)

Rozsah

Δm = zm p +(A-z)m n – Mi, (3)

Rozdiel medzi hmotnosťou nukleónov tvoriacich jadro a hmotnosťou samotného jadra sa nazýva hmotnostný defekt.

Výraz (2) možno prepísať ako:

ΔE = Δm ∙ s 2 (4)

Tie. hmotnostný defekt je mierou väzbovej energie jadra.

V jadrovej fyzike sa hmotnosť nukleónov a jadier meria v amu. (1 amu = 1,6603 ∙ 10 27 kg) a energia sa zvyčajne meria v MeV.

Ak vezmeme do úvahy, že 1 MeV = 10 6 eV = 1,6021 ∙ 10 -13 J, nájdeme energetickú hodnotu zodpovedajúcu jednotke atómovej hmotnosti

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

Jadrová väzbová energia v MeV je teda rovná

ΔE svetlo = Δm ∙931,48 MeV (5)

Vzhľadom na to, že tabuľky zvyčajne neuvádzajú hmotnosť jadier, ale hmotnosť atómov, pre praktický výpočet hmotnostného defektu namiesto vzorca (3)

použiť iný

Δm = zm Н +(A-z)m n – M а, (6)

To znamená, že hmotnosť protónu bola nahradená hmotnosťou ľahkého atómu vodíka, čím sa pridalo z elektrónových hmotností, a hmotnosť jadra bola nahradená hmotnosťou atómu M a, čím sa tieto z elektrónových hmotností odčítali.

Väzbová energia na nukleón v jadre sa nazýva špecifická väzbová energia

(7)

Závislosť špecifickej väzbovej energie od počtu nukleónov v jadre (od hmotnostného čísla A) je uvedená na obr.

Aby sa jadro rozbilo na samostatné (voľné) nukleóny, ktoré spolu neinteragujú, je potrebné vykonať prácu na prekonaní jadrových síl, to znamená dodať jadru určitú energiu. Naopak, keď sa voľné nukleóny spoja do jadra, uvoľní sa rovnaká energia (podľa zákona o zachovaní energie).

• Minimálna energia potrebná na rozdelenie jadra na jednotlivé nukleóny sa nazýva jadrová väzbová energia

Ako možno určiť hodnotu väzbovej energie jadra?

Najjednoduchší spôsob, ako nájsť túto energiu, je založený na aplikácii zákona o vzťahu medzi hmotou a energiou, ktorý objavil nemecký vedec Albert Einstein v roku 1905.

Albert Einstein (1879-1955)
Nemecký teoretický fyzik, jeden zo zakladateľov modernej fyziky. Objavil zákon o vzťahu medzi hmotnosťou a energiou, vytvoril špeciálne a všeobecné teórie relativity

Podľa tohto zákona existuje priama úmernosť medzi hmotnosťou m časticového systému a pokojovou energiou, t. j. vnútornou energiou E 0 tohto systému:

kde c je rýchlosť svetla vo vákuu.

Ak sa pokojová energia systému častíc v dôsledku akýchkoľvek procesov zmení o hodnotu ΔE 0 1, bude to mať za následok zodpovedajúcu zmenu hmotnosti tohto systému o hodnotu Δm a vzťah medzi týmito veličinami bude vyjadrený podľa rovnosti:

AE 0 = Δmс 2.

Keď sa teda voľné nukleóny spoja do jadra, v dôsledku uvoľnenia energie (ktorá je pri tomto procese unášaná fotónmi emitovanými), by sa mala znížiť aj hmotnosť nukleónov. Inými slovami, hmotnosť jadra je vždy menšia ako súčet hmotností nukleónov, z ktorých pozostáva.

Nedostatok jadrovej hmotnosti Δm v porovnaní s celkovou hmotnosťou nukleónov, z ktorých pozostáva, možno zapísať takto:

Δm = (Zm p + Nm n) - Mi,

kde Mi je hmotnosť jadra, Z a N sú počet protónov a neutrónov v jadre a m p a m n sú hmotnosti voľného protónu a neutrónu.

Množstvo Δm sa nazýva hmotnostný defekt. Prítomnosť hromadného defektu je potvrdená početnými experimentmi.

Vypočítajme napríklad väzbovú energiu ΔE 0 jadra atómu deutéria (ťažkého vodíka), pozostávajúceho z jedného protónu a jedného neutrónu. Inými slovami, vypočítajme energiu potrebnú na rozdelenie jadra na protón a neutrón.

Aby sme to dosiahli, najprv určíme hmotnostný defekt Δm tohto jadra, pričom vezmeme približné hodnoty hmotností nukleónov a hmotnosti jadra atómu deutéria z príslušných tabuliek. Podľa tabuľkových údajov je hmotnosť protónov približne 1,0073 a. e.m., hmotnosť neutrónu - 1,0087 a. e.m., hmotnosť jadra deutéria je 2,0141 am. dopom. Takže Δm = (1,0073 a.m. + 1,0087 a.m.) - 2,0141 a.u.m. e.m. = 0,0019 a. jesť.

Na získanie väzbovej energie v jouloch musí byť hmotnostný defekt vyjadrený v kilogramoch.

Vzhľadom na to, že 1 a. e.m. = 1,6605 10 -27 kg, dostaneme:

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

Dosadením tejto hodnoty hmotnostného defektu do vzorca väzbovej energie dostaneme:

Energiu uvoľnenú alebo absorbovanú počas akýchkoľvek jadrových reakcií možno vypočítať, ak sú známe hmotnosti interagujúcich jadier a častíc vytvorených v dôsledku tejto interakcie.

Otázky

1. Aká je väzbová energia jadra?
2. Napíšte vzorec na určenie hmotnostného defektu ľubovoľného jadra.
3. Napíšte vzorec na výpočet väzbovej energie jadra.

1 Grécke písmeno Δ („delta“) zvyčajne označuje zmenu fyzikálnej veličiny, ktorej symbol predchádza toto písmeno.

Relatívna atómová hmotnosťÁr chemického prvku (je to uvedené spolu so symbolom prvku a jeho poradovým číslom v každej bunke periodického systému D.I. Mendelejeva) je priemerná hodnota relatívnych izotopových hmotností, berúc do úvahy obsah izotopov. Relatívna atómová hmotnosť v skutočnosti ukazuje, koľkokrát je hmotnosť daného atómu väčšia ako hmotnosť 1/12 izotopu uhlíka. Ako každá relatívna veličina, Ar je bezrozmerná veličina.

Na jednotku atómovej hmotnosti ( atómová hmotnostná jednotka - a.m.u.) je v súčasnosti akceptovaná ako 1/12 hmotnosti nuklidu 12 C. Tomuto nuklidu je priradená hmotnosť 12 0000 amu. Skutočná hodnota jednotky atómovej hmotnosti je 1,661· 10-27 kg.

Hmotnosti troch základných častíc vyjadrené v amu majú nasledujúce hodnoty:

hmotnosť protónu – 1,007277 amu, hmotnosť neutrónu – 1,008665 amu, hmotnosť elektrónu – 0,000548 amu.

1.9.4. Hromadný defekt

Ak vypočítate hmotnosť izotopu (izotopovú hmotnosť) súčtom hmotností zodpovedajúceho počtu protónov, neutrónov a elektrónov, výsledok nebude presne zodpovedať experimentu. Rozdiel medzi výpočtami

namerané a experimentálne zistené hodnoty hmotností izotopov sa nazývajú

hromadný defekt.

Takže napríklad izotopová hmotnosť jedného z izotopov chlóru 35 Cl získaná sčítaním hmotností sedemnástich protónov, osemnástich neutrónov a sedemnástich elektrónov sa rovná:

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

Presné experimentálne stanovenie tejto hodnoty však dáva výsledok 34,96885 amu. Hromadná chyba je 0,32016 amu.

Vysvetlenia fenoménu hromadného defektu možno poskytnúť pomocou konceptov formulovaných Albertom Einsteinom v teórii relativity. Hmotnostný defekt zodpovedá energii potrebnej na prekonanie odpudivých síl medzi protónmi.

Inými slovami, hmotnostný defekt je mierou väzbovej energie jadrových častíc. Ak by bolo možné rozdeliť jadro na jeho jednotlivé nukleóny, potom by sa hmotnosť systému zvýšila o veľkosť defektu hmoty. Väzbová energia ukazuje rozdiel medzi energiou nukleónov v jadre a ich energiou vo voľnom stave, t.j. väzbová energia je energia, ktorá sa musí vynaložiť na oddelenie jadra na jeho jednotlivé nukleóny.

Väzbovú energiu možno vypočítať pomocou vzorca A. Einsteina:

E = mc2,

kde: m – hmotnosť v kg, s – rýchlosť svetla – 2,9979·108 m/s, E – energia v J. Napríklad väzbová energia pre jeden mól (4 g) nuklidu 4 He (mol.

hmotnostná chyba je 3,0378·10-5 kg) sa rovná:

∆ E = (3,0378·10-5 kg/mol)·(2,9979·108 m/s)2 = 2,730·1012 J/mol Táto energia prevyšuje energiu konvenčnej kovalentnej väzby o viac ako

10 miliónov krát. Na získanie takejto energie chemickou reakciou by bolo potrebné použiť desiatky ton látky.

Pretože väzbová energia je extrémne vysoká, je zvykom vyjadrovať ju v megaelektrónvoltoch (1 MeV = 9,6·1010 J/mol) na nukleón. Väzbová energia na nukleón v jadre 4 He je teda približne 7 MeV, v jadre 35 Cl je to 8,5 MeV.

1.9.5. Jadrové sily

Jadro atómu je špeciálny objekt na štúdium. Aj pri povrchnom vyšetrení vzniká veľa nejasností. Prečo sa protóny, ktoré tvoria jadro, navzájom neodpudzujú podľa základných zákonov elektrostatiky? Jednoduchý výpočet pomocou Coulombovho zákona ukazuje, že na nukleárne vzdialenosti by sa dva protóny mali odpudzovať silou asi 6000 N, ale sú k sebe priťahované silou 40-krát väčšou, ako je táto hodnota. Okrem toho táto sila pôsobí rovnako medzi dvoma protónmi a medzi dvoma neutrónmi, ako aj medzi protónom a neutrónom, t.j. úplne nezávislé od náboja častice.

Je zrejmé, že jadrové sily predstavujú úplne inú triedu síl, nemožno ich zredukovať na elektrostatické interakcie. Energia sprevádzajúca jadrové reakcie je miliónkrát vyššia ako energia charakterizujúca chemické premeny.

Aplikácia princípov kvantovej mechaniky na popis pohybu elektrónov v súčasnosti dáva veľmi uspokojivé výsledky. Dá sa táto teória použiť na modelovanie procesov prebiehajúcich v jadre atómu? Najdôležitejšou vlastnosťou jadrových síl je ich extrémne krátky dosah. Pohyb elektrónu sa skutočne vyskytuje v oblasti priestoru odhadovanej na hodnoty rádovo 10-8 cm a všetky vnútrojadrové javy sa vyskytujú vo vzdialenostiach rádovo 10-12 cm a menej. Tieto hodnoty sú o niečo väčšie ako vnútorné veľkosti nukleónov. Pomer stupníc charakterizujúcich pohyb elektrónu na jednej strane a vnútrojadrové javy na strane druhej rádovo možno porovnať s rovnakým pomerom

pre makrosvet, ktorý sa riadi zákonmi klasickej mechaniky a mikrosvet, ktorý žije podľa zákonov kvantovej mechaniky.

Pri tak malej veľkosti jadra je v ňom sústredená takmer celá hmotnosť atómu. Keď poznáme približný objem jadra a hmotnosť atómu, môžeme odhadnúť hustotu jadrovej hmoty: presahuje priemernú hustotu bežnej hmoty 2·1017-krát a je rádovo 1013 - 1014 g/cm3. Pokus o skutočné pochopenie takýchto množstiev vedie k nasledujúcej ilustrácii: pri podobnej hustote hmoty by objem hlavičky zápalky (približne 5 mm3) mal obsahovať hmotnosť rovnajúcu sa hmotnosti 1 milióna ton vody. Ak by takáto hlavička zápalky dopadla na povrch Zeme, prerazila by všetky skaly a prenikla by do stredu planéty.

1.9.6. Jadrové transformácie

Premeny atómových jadier spôsobené ich interakciami s elementárnymi časticami alebo navzájom sa nazývajú jadrové reakcie.

Spontánny jadrový rozpad - prirodzená rádioaktivita– sprevádzané tromi druhmi žiarenia.

Alfa žiarenie je prúd jadier atómov hélia s nábojom +2 a hmotnostným číslom 4 (4 He). Pozitívny náboj týchto častíc vysvetľuje skutočnosť, že alfa lúče sú v elektrickom poli vychyľované smerom k záporne nabitej platni a pomerne veľká veľkosť atómov hélia odôvodňuje ich penetračnú schopnosť, ktorá je výrazne nižšia ako u ostatných dvoch typov žiarenia. .

Je zrejmé, že keď je takáto častica emitovaná, jadro stratí dva protóny a dva neutróny. Strata dvoch protónov znižuje atómové číslo o dve jednotky, výsledkom čoho je vznik nového chemického prvku.

Napríklad nuklid rádia-226 sa po strate častice alfa zmení na nuklid radónu-222, ktorý môže byť reprezentovaný ako rovnice jadrovej reakcie:

88 Ra→ 86 Rn +2 He.

Pri skladaní takýchto rovníc treba dodržať rovnosť súčtov atómových čísel a súčtov hmotnostných čísel na ľavej a pravej strane (treba zabezpečiť zachovanie náboja a hmotnosti).

V mnohých prípadoch sa používa skrátená forma zápisu rovnice jadrovej reakcie: vľavo sa píše počiatočný nuklid, vpravo konečný nuklid, v zátvorkách medzi nimi sa najprv uvádza častica, ktorá túto premenu spôsobuje, a potom emitované ako výsledok. V tomto prípade sa pre takéto častice používajú tieto písmenové označenia: α (častica alfa), p (protón), n (neutrón), d (jadro deutéria - deuterón) atď. Napríklad pre rozpad alfa diskutovaný vyššie:

Ra (-, a) Rn.

Znamienko "-" označuje neprítomnosť bombardujúcej častice (rozpad jadra nastáva spontánne).

Beta žiarenie sa zase delí na β - (zvyčajne sa nazýva

Sú to jednoducho β -žiarenie) a β + -žiarenie. β - - žiarenie je prúd elektrónov pohybujúcich sa rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla. Tieto elektróny vznikajú rozpadom neutrónu:

90 Th→ 91 Pa + -1 e.

Nuklidy tórium-234 a protaktínium-234 majú rovnaké hmotnostné čísla. Takéto nuklidy sa nazývajú izobary.

Výskyt žiarenia β + je spôsobený premenou protónu na neutrón sprevádzaný emisiou pozitrónu - elementárnej častice, ktorá je analógom elektrónu, ale má kladný náboj:

19 K→ 18 Ar ++1 e.

Gama žiarenie je tvrdé elektromagnetické žiarenie s kratšími vlnovými dĺžkami ako röntgenové žiarenie. V elektrických a magnetických poliach sa neodchyľuje a má vysokú penetračnú silu.

Emisia γ lúčov sprevádza α - a β - rozpad, ako aj proces zachytávania elektrónov v jadre. V druhom prípade jadro zachytí elektrón z nízkej energetickej hladiny (K- alebo L-elektrón) a jeden z protónov sa zmení na neutrón:

Hmotnostné číslo nuklidu sa nemení, ale atómové číslo sa zníži o jednu, napríklad:

23 V + -1 e → 22 Ti.

Nestabilné, spontánne sa rozpadajúce nuklidy sa nazývajú ra-

dionuklidy alebo rádioaktívne izotopy . Ich rozpad pokračuje, kým sa nevytvoria stabilné izotopy. Stabilné izotopy už nepodliehajú rádioaktívnemu rozpadu, preto v prírode pretrvávajú. Príklady zahŕňajú 160 a 12C.

Polovičný život Nestabilný izotop je čas, počas ktorého jeho rádioaktivita klesne na polovicu pôvodnej hodnoty. Polčasy sa môžu pohybovať od milióntin sekundy až po milióny rokov (tabuľka 1.2).

Tabuľka 1.2

Polčasy niektorých izotopov

Mnohé reakcie rádioaktívneho rozpadu sú zložkami zložitejších sekvenčných jadrových reakcií – tzv séria rádioaktívnych premien alebo rádioaktívne série.

Každá transformácia v tejto sérii vedie k vytvoreniu nestabilného izotopu, ktorý následne podlieha rádioaktívnemu rozpadu. Materský nuklid je tzv rodičovský izotop a výsledná je dcérsky izotop. V ďalšej fáze sa dcérsky izotop stane rodičovským izotopom a zmení sa na ďalšiu dcéru atď. Tento reťazec postupných premien pokračuje, kým sa výsledok jadrovej reakcie nestane stabilným izotopom.

Rádioaktívna séria uránu teda začína izotopom 238 U a v dôsledku štrnástich po sebe idúcich reakcií jadrového rozpadu končí stabilným izotopom 206 Pb. V tomto prípade je celková strata hmotnosti 32 jednotiek.

Stabilné aj nestabilné nuklidy sa dajú vyrobiť pomocou jadrových reakcií bombardovaním jadier vysokoenergetickými časticami. Za-

zavýjať umelá jadrová transformácia vykonal E. Rutherford: v roku 1915

Prechodom alfa lúčov cez dusík získal stabilný izotop kyslíka 17 O. V roku 1935 Irène a Frédéric Joliot-Curie dokázali, že bombardovaním hliníka alfa časticami vzniká rádioaktívny izotop fosforu, ktorý emituje pozitróny. Na objavenie umelá rádioaktivita vedci dostali Nobelovu cenu.

Pri vykonávaní jadrových reakcií je jadrový cieľ bombardovaný protónmi, neutrónmi a elektrónmi, čo vedie k zmene jadrového zloženia a vzniku nového chemického prvku. Bombardujúce častice musia mať vysokú kinetickú energiu, aby prekonali elektrostatické odpudivé sily z cieľa. Preto sa častice urýchľujú na vysoké rýchlosti v špeciálnych zariadeniach nazývaných urýchľovače (ich dva hlavné typy sú lineárny urýchľovač a cyklotrón).

Umelé jadrové premeny možno klasifikovať podľa typu častíc bombardujúcich a emitovaných v dôsledku reakcie (tabuľka 1.3.).

Pomocou jadrových reakcií boli syntetizované nové chemické prvky s atómovými číslami 99 alebo viac. Na tento účel je jadrový terč bombardovaný ťažkými časticami, napríklad 7 N alebo 12 C. Prvok einsteinium sa teda získal bombardovaním uránu-238 jadrami dusíka-14:

MATERIÁLY NA OPAKOVANIE

Rozmery atómu: ≈ 10 -8 cm Jadrové rozmery: ≈ 10 -12 – 10 -13 cm

Hustota jadrovej hmoty: ≈ 10 14 g/cm 3

Subatomárne častice

Kvantové čísla

Elektrónové vzorce atómov

Na zostavenie elektronického vzorca atómu potrebujete vedieť nasledovné:

1. Systém notácie: nℓх (n – číslo energetickej hladiny: 1,2,3,..., ℓ – písmeno označenie podhladiny: s, p, d, f; x – počet elektrónov Príklady: 5s2 – dva elektróny). na s – podúrovni piatej energetickej hladiny (n = 5, ℓ = 0), 4d8 - osem elektrónov v d-podúrovni štvrtej energetickej hladiny (n = 4, ℓ = 2).

2. Postupnosť podúrovní plniacej energie : 1 s< 2s < 2p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f < 5d < 6p < 7s < 5f...

(každá podúroveň sa vyplní až po úplnom vybudovaní predchádzajúcej v tomto rade).

3. Maximálna kapacita podúrovní:

Príklad: Elektrónový vzorec atómu chlóru je distribúcia sedemnástich elektrónov tohto atómu na energetických podúrovniach a má tvar:

17 Cl 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5

Krátka forma písania elektronického vzorca : nájdené elektróny-

pri plne vybudovaných energetických hladinách sú reprezentované symbolom zodpovedajúceho vzácneho plynu a potom je vyznačená distribúcia zostávajúcich elektrónov.

Príklad: stručný elektrónový vzorec atómu chlóru:

17 Cl 3s2 3p5

Distribúcia elektrónov v kvantových bunkách

Kvantové bunky

s-podúroveň

p-podúroveň

d-podúroveň

f-podúroveň

V súlade s Hundovým pravidlom: na začiatku je každému elektrónu pridelená samostatná kvantová bunka (nespárované elektróny s paralelnými spinmi), ďalšie elektróny vstupujú do už obsadených buniek, pre ktoré majú hodnoty ms opačné znamienko - spárované elektróny) .

Zápis: ms = +½ ,↓ ms = -½

Príklady: 6 elektrónov zaberá kvantové bunky podúrovne f:

f-podúroveň

pre deväť elektrónov má diagram tvar:

f-podúroveň

Elektrónové grafické vzorce atómov

valenčné elektróny- elektróny vonkajšej energetickej hladiny, ako aj predposlednej d-podúrovne, ak nie je úplne vybudovaná.

Označenie nuklidov:

horný index je hmotnostné číslo nuklidu, dolný index je atómové číslo zodpovedajúceho prvku.

Príklad: izotop chlóru:

17Cl

Skratka: 36 Cl

Zloženie jadra Počet protónov – atómové číslo, poradové číslo prvku v perióde

ditický systém D. I. Mendelejeva; Počet neutrónov je rozdiel medzi hmotnostným číslom a počtom pro-

Príklad: počet protónov a neutrónov pre izotop chlóru

17 Cl je: počet protónov = 17, počet neutrónov = 36-17 = 19.

Izotopy – rovnaké atómové číslo, rôzne atómové hmotnosti (jadro obsahuje rovnaký počet protónov, rôzny počet neutrónov)

Jadrové reakcie

Na ľavej a pravej strane rovnice jadrovej reakcie sa musí udržiavať rovnováha medzi:

– súčty hmotnostných čísel (horné indexy),

– súčty atómových čísel (dolné indexy).

Príklad:

Skrátená forma zápisu rovnice jadrovej reakcie:

vľavo - pôvodný nuklid,

vpravo je konečný nuklid,

v zátvorkách medzi nimi: častica spôsobujúca danú premenu, potom častica, ktorá je jej výsledkom emitovaná.

Označenia písmen:α (alfa častica), p (protón), n (neutrón), d (jadro deutéria - deuterón) atď.

Príklad: 23 Na (p,n)23 Mg pre reakciu

11 Na +1 H→ 12 Mg +0 n

Ako už bolo uvedené (pozri § 138), nukleóny sú pevne viazané v jadre atómu jadrovými silami. Na prerušenie tejto väzby, teda na úplné oddelenie nukleónov, je potrebné vynaložiť určité množstvo energie (vykonať nejakú prácu).

Energiu potrebnú na oddelenie nukleónov tvoriacich jadro sa nazýva väzbová energia jadra Veľkosť väzbovej energie možno určiť na základe zákona zachovania energie (pozri § 18) a zákona úmernosti hmotnosti. a energetiky (pozri § 20).

Podľa zákona zachovania energie musí byť energia nukleónov viazaných v jadre menšia ako energia oddelených nukleónov o množstvo väzbovej energie jadra 8. Na druhej strane, podľa zákona úmernosti hmotnosti a energie, je zmena energie sústavy sprevádzaná úmernou zmenou hmotnosti sústavy

kde c je rýchlosť svetla vo vákuu. Keďže v uvažovanom prípade ide o väzbovú energiu jadra, hmotnosť atómového jadra musí byť menšia ako súčet hmotností nukleónov, ktoré tvoria jadro, o množstvo nazývané defekt jadrovej hmoty. Pomocou vzorca (10) môžete vypočítať väzbovú energiu jadra, ak je známy hmotnostný defekt tohto jadra

V súčasnosti sa hmotnosti atómových jadier zisťujú s vysokou presnosťou pomocou hmotnostného spektrografu (pozri § 102); známe sú aj hmotnosti nukleónov (pozri § 138). To umožňuje určiť hmotnostný defekt ľubovoľného jadra a vypočítať väzbovú energiu jadra pomocou vzorca (10).

Ako príklad si vypočítajme väzbovú energiu jadra atómu hélia. Pozostáva z dvoch protónov a dvoch neutrónov. Hmotnosť protónu je hmotnosť neutrónu Preto sa hmotnosť nukleónov tvoriacich jadro rovná hmotnosti jadra atómu hélia

Potom je väzbová energia jadra hélia

Všeobecný vzorec na výpočet väzbovej energie akéhokoľvek jadra v jouloch z jeho hmotnostného defektu bude mať samozrejme tvar

kde je atómové číslo a A je hmotnostné číslo. Vyjadrenie hmotnosti nukleónov a jadier v atómových hmotnostných jednotkách a zohľadnenie toho

Môžete napísať vzorec pre väzbovú energiu jadra v megaelektrónvoltoch:

Väzbová energia jadra na nukleón sa nazýva špecifická väzbová energia.

V jadre hélia

Špecifická väzbová energia charakterizuje stabilitu (pevnosť) atómových jadier: čím väčšie je v, tým je jadro stabilnejšie. Podľa vzorcov (11) a (12),

Ešte raz zdôraznime, že vo vzorcoch a (13) sú hmotnosti nukleónov a jadier vyjadrené v atómových hmotnostných jednotkách (pozri § 138).

Pomocou vzorca (13) môžete vypočítať špecifickú väzbovú energiu akéhokoľvek jadra. Výsledky týchto výpočtov sú graficky znázornené na obr. 386; Zvislá os znázorňuje špecifické väzbové energie; na vodorovnej osi sú hmotnostné čísla A. Z grafu vyplýva, že špecifická väzbová energia je maximálna (8,65 MeV) pre jadrá s hmotnostnými číslami rádovo 100; pre ťažké a ľahké jadrá je to o niečo menej (napríklad urán, hélium). Špecifická väzbová energia atómového jadra vodíka je nulová, čo je celkom pochopiteľné, keďže v tomto jadre nie je čo oddeľovať: pozostáva len z jedného nukleónu (protónu).

Každá jadrová reakcia je sprevádzaná uvoľňovaním alebo absorpciou energie. Graf závislosti tu A umožňuje určiť, pri ktorých jadrových transformáciách sa energia uvoľňuje a pri ktorých sa absorbuje. Keď sa ťažké jadro rozdelí na jadrá s hmotnostnými číslami A rádovo 100 (alebo viac), uvoľní sa energia (jadrová energia). Vysvetlíme si to nasledujúcou úvahou. Nech sa napríklad jadro uránu rozdelí na dve časti

atómové jadrá („fragmenty“) s hmotnostnými číslami Špecifická väzbová energia jadra uránu Špecifická väzbová energia každého z nových jadier Na oddelenie všetkých nukleónov, ktoré tvoria atómové jadro uránu, je potrebné vynaložiť energiu rovnajúcu sa väzbe energia jadra uránu:

Keď sa tieto nukleóny spoja do dvoch nových atómových jadier s hmotnostnými číslami 119), uvoľní sa energia rovnajúca sa súčtu väzbových energií nových jadier:

V dôsledku štiepnej reakcie jadra uránu sa jadrová energia uvoľní v množstve, ktoré sa rovná rozdielu medzi väzbovou energiou nových jadier a väzbovou energiou jadra uránu:

K uvoľňovaniu jadrovej energie dochádza aj pri jadrových reakciách iného typu – pri spojení (syntéze) viacerých ľahkých jadier do jedného jadra. V skutočnosti nech dôjde napríklad k syntéze dvoch sodíkových jadier do jadra s hmotnostným číslom Špecifická väzbová energia sodíkového jadra Špecifická väzbová energia syntetizovaného jadra Na oddelenie všetkých nukleónov tvoriacich dve sodíkové jadrá je potrebné vynaložiť energiu rovnajúcu sa dvojnásobku väzbovej energie jadra sodíka:

Keď sa tieto nukleóny spoja do nového jadra (s hmotnostným číslom 46), uvoľní sa energia rovnajúca sa väzbovej energii nového jadra:

V dôsledku toho je fúzna reakcia jadier sodíka sprevádzaná uvoľňovaním jadrovej energie v množstve, ktoré sa rovná rozdielu medzi väzbovou energiou syntetizovaného jadra a väzbovou energiou jadier sodíka:

Dostávame sa teda k záveru, že

K uvoľňovaniu jadrovej energie dochádza tak pri štiepnych reakciách ťažkých jadier, ako aj pri fúznych reakciách ľahkých jadier. Množstvo jadrovej energie uvoľnenej každým zreagovaným jadrom sa rovná rozdielu medzi väzbovou energiou 8 2 reakčného produktu a väzbovou energiou 81 pôvodného jadrového materiálu:

Toto ustanovenie je mimoriadne dôležité, keďže priemyselné metódy výroby jadrovej energie sú na ňom založené.

Všimnite si, že najpriaznivejšia z hľadiska energetického výťažku je fúzna reakcia jadier vodíka alebo deutéria

Pretože, ako vyplýva z grafu (pozri obr. 386), v tomto prípade bude rozdiel väzbových energií syntetizovaného jadra a pôvodných jadier najväčší.