Planete, pa ?ak i samo Sunce su mali u pore?enju sa veli?inom Sun?evog sistema. Tako je, na primjer, udaljenost od Zemlje do Sunca otprilike 100 puta ve?a od pre?nika Sunca, a udaljenost od Sunca do najudaljenije planete Plutona je 4000 puta ve?a od pre?nika Sunca. Volumen sunca je samo

?iwuoiuo'oJ - Zapremina sfere sa polupre?nikom jednakim udaljenosti od Sunca do Plutona. Ista situacija se de?ava i u atomu, uprkos ?injenici da je skoro sva te?ina atoma koncentrisana u njegovom jezgru, 10 dimenzije jezgra su veoma male u pore?enju sa dimenzijama atoma.

Promjeri jezgara atoma razli?itih elemenata se donekle razlikuju jedni od drugih, ali op?enito je pre?nik jezgra otprilike 100 000 puta manji od promjera atoma. Dakle

Dakle, jezgro zauzima samo "T" u atomu

Dio njegovog volumena (sjetite se da je volumen proporcionalan

Nalen na kocku pre?nika). Jezgro u atomu zauzima 2.000 puta manje prostora od Sunca u Sun?evom sistemu.

Kada bi se jezgro pove?alo do veli?ine glave igle, tada bi atom te?ko stao u ogromnu dvoranu od sto metara. Ako bismo jezgro pove?ali na veli?inu zavrtnja za d?epni sat, tada bi atom bio ve?i od ogromnog okeanskog parobroda (slika 3).

Pretpostavimo sada da je bilo mogu?e komprimirati materiju do te mjere da bi jezgra atoma dodirnula jedno drugo. Tada bi ogroman bojni brod deplasmana od 45.000 tona stao u glavu igle!

Na? zadatak je da ispri?amo o atomskom jezgru i njegovoj energiji. Ovdje ne?emo detaljno govoriti o atomu i njegovoj strukturi, a ako smo se gore morali ukratko zadr?ati na ovome

Pitanje je samo zato ?to je jezgro dio atoma. Bez poznavanja strukture atoma, nemogu?e je prou?avati svojstva jezgra. Stoga su fizi?ari prvi energetski preuzeli atom. Prou?avanje jezgra je u fokusu tek prije 15 godina, kada je struktura atoma postala poznata, a danas je upravo prou?avanje svojstava i strukture atomskog jezgra glavno pitanje kojim se bave mnogi fizi?ari.

Znamo da je jezgro sredi?te atoma, ve? znamo njegov naboj, te?inu i veli?inu.

Ali kako je jezgro ure?eno? Da li se jezgro sastoji od drugih jednostavnijih ?estica ili je ono samo po sebi najjednostavnija ?estica? Da li je mogu?e uni?titi jezgro i kako to u?initi? Sva ova pitanja sada se postavljaju pred nama i na njih treba odgovoriti.

Upotreba nuklearne energije je potpuno nova oblast nauke i tehnologije. Toliko toga je jo? uvijek nepoznato. Ne?emo ma?tati o ovoj temi. Upotreba nuklearne energije o kojoj smo pri?ali...

Osim uranijuma, pod uticajem neutrona cijepaju se i jezgra elemenata protaktinija (naboj 91) i torija (naboj 90). Upotreba protaktinija ne ?ini apsolutno nikakvu razliku, jer je ovaj element vrlo rijedak: u ...

235 Fisija jezgara uranijuma 92 u prirodnom uranijumu pome?anom sa grafitom vodi, kao ?to je jasno iz onoga ?to je gore re?eno, do stvaranja plutonijuma. Izvanredno je da plutonijum ima ista svojstva kao ...

Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i okolnih elektrona. Atomska jezgra imaju dimenzije od pribli?no 10 -14 ... 10 -15 m (linearne dimenzije atoma su 10 -10 m).

Atomsko jezgro se sastoji od elementarnih ?estica protona i neutrona. Proton-neutronski model jezgra predlo?io je ruski fizi?ar D. D. Ivanenko, a potom ga je razvio V. Heisenberg.

proton ( R) ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i mase mirovanja t str = 1,6726?10 -27 kg 1836 m e, gdje m e je masa elektrona. neutron ( n)-neutralna ?estica sa masom mirovanja m n= 1,6749?10 -27 kg 1839t e ,. Masa protona i neutrona se ?esto izra?ava u drugim jedinicama - u jedinicama atomske mase (a.m.u., jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika
). Mase protona i neutrona pribli?no su jednake jednoj jedinici atomske mase. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni(od lat. jezgro-kernel). Ukupan broj nukleona u atomskom jezgru naziva se maseni broj ALI).

Polumjeri jezgara rastu sa pove?anjem masenog broja u skladu sa relacijom R= 1,4ALI 1/3 10 -13 cm.

Eksperimenti pokazuju da jezgra nemaju o?tre granice. U sredi?tu jezgre postoji odre?ena gusto?a nuklearne materije, koja se postepeno smanjuje na nulu s pove?anjem udaljenosti od centra. Zbog nedostatka dobro definirane granice jezgra, njegov "radijus" je definiran kao udaljenost od centra na kojoj je gusto?a nuklearne materije prepolovljena. Pokazalo se da prosje?na distribucija gustine materije za ve?inu jezgara nije samo sferna. Ve?ina jezgara je deformisana. ?esto su jezgra u obliku izdu?enih ili spljo?tenih elipsoida.

Karakterizirano je atomsko jezgro naplatitiZe, gdje Z?broj naplate jezgra, jednak broju protona u jezgru i koji se poklapa sa serijskim brojem hemijskog elementa u Periodnom sistemu elemenata Mendeljejeva.

Jezgro je ozna?eno istim simbolom kao neutralni atom:
, gdje X- simbol hemijskog elementa, Z atomski broj (broj protona u jezgru), ALI- maseni broj (broj nukleona u jezgru). Masovni broj ALI pribli?no jednaka masi jezgra u jedinicama atomske mase.

Po?to je atom neutralan, naelektrisanje jezgra Z odre?uje broj elektrona u atomu. Broj elektrona ovisi o raspodjeli po stanjima u atomu. Naboj jezgra odre?uje specifi?nosti datog hemijskog elementa, odnosno odre?uje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih omota?a, veli?inu i prirodu unutaratomskog elektri?nog polja.

Jezgra sa istim brojevima naboja Z, ali sa razli?itim masenim brojevima ALI(tj. sa razli?itim brojem neutrona N=A-Z) nazivaju se izotopi, a jezgra sa istim ALI, ali druga?ije Z- izobare. Na primjer, vodonik ( Z= l) ima tri izotopa: H - protij ( Z=l, N= 0), H - deuterijum ( Z=l, N= 1), H - tricijum ( Z=l, N\u003d 2), kositar - deset izotopa itd. U velikoj ve?ini slu?ajeva, izotopi istog kemijskog elementa imaju iste kemijske i gotovo iste fizi?ke osobine.

E, MeV

Nivoi energije

i uo?ene prelaze za jezgro atoma bora

Kvantna teorija striktno ograni?ava energetske vrijednosti koje sastavni dijelovi jezgri mogu imati. Skupovi protona i neutrona u jezgrima mogu biti samo u odre?enim diskretnim energetskim stanjima karakteristi?nim za dati izotop.

Kada elektron prelazi iz vi?eg u ni?e energetsko stanje, energetska razlika se emituje u obliku fotona. Energija ovih fotona je reda nekoliko elektron volti. Za jezgra, energije nivoa le?e u rasponu od pribli?no 1 do 10 MeV. Tokom prelaza izme?u ovih nivoa, emituju se fotoni veoma visokih energija (g-kvanta). Da bismo ilustrovali takve prelaze na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet energetskih nivoa jezgra
.Okomite linije ozna?avaju uo?ene prelaze. Na primjer, g-kvant sa energijom od 1,43 MeV se emituje tokom prelaska jezgra iz stanja sa energijom od 3,58 MeV u stanje sa energijom od 2,15 MeV.

Da li je atomsko jezgro deljivo? I ako jeste, od kojih se ?estica sastoji? Mnogi fizi?ari su poku?ali da odgovore na ovo pitanje.

Godine 1909., britanski fizi?ar Ernest Rutherford, zajedno s njema?kim fizi?arem Hansom Geigerom i novozelandskim fizi?arem Ernstom Marsdenom, izveo je svoj ?uveni eksperiment o rasejanju a-?estica, koji je rezultirao zaklju?kom da atom nije nedjeljiva ?estica na sve. Sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona koji se okre?u oko njega. ?tavi?e, uprkos ?injenici da je veli?ina jezgra pribli?no 10.000 puta manja od veli?ine samog atoma, u njemu je koncentrisano 99,9% mase atoma.

Ali ?ta je jezgro atoma? Koje su ?estice u njemu? Sada znamo da se sr? svakog elementa sastoji od protona i neutroni, ?ije je uobi?ajeno ime nukleoni. A po?etkom 20. veka, nakon pojave planetarnog, odnosno nuklearnog, modela atoma, ovo je bila misterija za mnoge nau?nike. Iznesene su razli?ite hipoteze i predlo?eni su razli?iti modeli. Ali ta?an odgovor na ovo pitanje ponovo je dao Rutherford.

Otkri?e protona

Rutherfordovo iskustvo

Jezgro atoma vodika je atom vodika iz kojeg je uklonjen njegov pojedina?ni elektron.

Do 1913. izra?unati su masa i naboj jezgra atoma vodonika. Osim toga, postalo je poznato da se masa atoma bilo kojeg kemijskog elementa uvijek dijeli bez ostatka s masom atoma vodika. Ova ?injenica navela je Rutherforda na ideju da jezgra atoma vodika ulaze u bilo koje jezgro. I to je uspio eksperimentalno dokazati 1919. godine.

U svom eksperimentu, Rutherford je postavio izvor a-?estica u komoru u kojoj je stvoren vakuum. Debljina folije koja je prekrivala prozor komore bila je takva da a-?estice nisu mogle pobje?i. Izvan prozora komore nalazio se paravan oblo?en cink sulfidom.

Kada se komora napuni du?ikom, na ekranu su zabilje?eni bljeskovi svjetlosti. To je zna?ilo da su pod uticajem a-?estica neke nove ?estice bile izba?ene iz azota, koji je lako prodirao u foliju, koja je bila neprobojna za a-?estice. Pokazalo se da nepoznate ?estice imaju pozitivan naboj jednak po veli?ini naboju elektrona, a njihova masa je jednaka masi jezgra atoma vodika. Rutherford je nazvao ove ?estice protona.

Ali ubrzo je postalo jasno da se jezgra atoma ne sastoje samo od protona. Uostalom, da je to tako, tada bi masa atoma bila jednaka zbroju masa protona u jezgru, a omjer naboja jezgra i mase bio bi konstantna vrijednost. Zapravo, ovo vrijedi samo za najjednostavniji atom vodika. U atomima drugih elemenata sve je druga?ije. Na primjer, u jezgri atoma berilijuma, zbir masa protona je 4 jedinice, a masa samog jezgra je 9 jedinica. To zna?i da u ovom jezgru postoje druge ?estice koje imaju masu od 5 jedinica, ali nemaju naboj.

Otkri?e neutrona

Godine 1930. njema?ki fizi?ar Walter Bothe Bothe i Hans Becker otkrili su tokom eksperimenta da zra?enje koje nastaje bombardiranjem atoma berilijuma a-?esticama ima ogromnu prodornu mo?. Nakon 2 godine, engleski fizi?ar James Chadwick, u?enik Rutherforda, otkrio je da ?ak ni olovna plo?a debljine 20 cm postavljena na putu ovog nepoznatog zra?enja ne slabi niti ga poja?ava. Pokazalo se da elektromagnetno polje nema nikakav uticaj na emitovane ?estice. To je zna?ilo da nisu imali nikakvu optu?bu. Tako je otkrivena jo? jedna ?estica, koja je dio jezgre. Zvali su je neutron. Ispostavilo se da je masa neutrona jednaka masi protona.

Protonsko-neutronska teorija jezgra

Nakon eksperimentalnog otkri?a neutrona, ruski nau?nik D. D. Ivanenko i njema?ki fizi?ar W. Heisenberg nezavisno su predlo?ili protonsko-neutronsku teoriju jezgra, ?to je dalo nau?no opravdanje za sastav jezgra. Prema ovoj teoriji, jezgro bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od protona i neutrona. Njihov zajedni?ki naziv je nukleoni.

Ukupan broj nukleona u jezgru je ozna?en slovom A. Ako je broj protona u jezgru ozna?en slovom Z, i broj neutrona po slovu N, tada dobijamo izraz:

A=Z+N

Ova jedna?ina se zove Ivanenko-Heisenbergova jednad?ba.

Po?to je naboj jezgra atoma jednak broju protona u njemu, onda Z tako?e pozvan broj naplate. Broj naboja, ili atomski broj, poklapa se sa njegovim serijskim brojem u Mendeljejevljevom periodi?nom sistemu elemenata.

U prirodi postoje elementi ?ija su hemijska svojstva potpuno ista, ali su maseni brojevi razli?iti. Takvi elementi se nazivaju izotopi. Izotopi imaju isti broj protona i razli?it broj neutrona.

Na primjer, vodonik ima tri izotopa. Svi oni imaju serijski broj jednak 1, a broj neutrona u jezgru im je razli?it. Dakle, najjednostavniji izotop vodonika, protij, ima maseni broj 1, u jezgru se nalazi 1 proton i ni jedan neutron. To je najjednostavniji hemijski element.

atomsko jezgro je sredi?nji dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona (zajedno nazvani nukleoni).

Jezgro je otkrio E. Rutherford 1911. dok je prou?avao prolaz a -?estice kroz materiju. Pokazalo se da je gotovo cijela masa atoma (99,95%) koncentrisana u jezgru. Veli?ina atomskog jezgra je reda veli?ine 10 -1 3 -10 - 12 cm, ?to je 10.000 puta manje od veli?ine elektronske ljuske.

Planetarni model atoma koji je predlo?io E. Rutherford i njegovo eksperimentalno promatranje jezgri vodika su uni?teni a -?estice iz jezgara drugih elemenata (1919-1920), dovelo je nau?nika do ideje o proton. Termin proton je uveden po?etkom 20-ih godina XX veka.

Proton (od gr?. protona- prvo, simbol str) je stabilna elementarna ?estica, jezgro atoma vodika.

Proton- pozitivno nabijena ?estica ?iji je naboj po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Masa protona je 1836 puta ve?a od mase elektrona. Masa mirovanja protona m str= 1,6726231 10 -27 kg = 1,007276470 amu

Druga ?estica u jezgru je neutron.

Neutron (od lat. neuter- ni jedno ni drugo, simbol n) je elementarna ?estica koja nema naboj, odnosno neutralna.

Masa neutrona je 1839 puta ve?a od mase elektrona. Masa neutrona je skoro jednaka (ne?to ve?a od) mase protona: masa mirovanja slobodnog neutrona m n= 1,6749286 10 -27 kg = 1,0008664902 amu i prema?uje masu protona za 2,5 mase elektrona. Neutron, zajedno sa protonom pod zajedni?kim imenom nukleon dio je atomskog jezgra.

Neutron je 1932. godine otkrio D. Chadwig, u?enik E. Rutherforda, tokom bombardiranja berilijuma a -?estice. Rezultiraju?e zra?enje velike prodorne mo?i (savladalo je prepreku od olovne plo?e debljine 10–20 cm) poja?alo je svoj u?inak pri prolasku kroz parafinsku plo?u (vidi sliku). Procjena energije ovih ?estica sa tragova u komori oblaka koju je izvr?io Joliot-Curies i dodatna zapa?anja omogu?ili su da se isklju?i po?etna pretpostavka da je ovo g -quanta. Velika prodorna mo? novih ?estica, zvanih neutroni, obja?njena je njihovom elektri?nom neutralno??u. Uostalom, nabijene ?estice aktivno stupaju u interakciju s materijom i brzo gube energiju. Postojanje neutrona je predvidio E. Rutherford 10 godina prije eksperimenata D. Chadwiga. Na udaru a -?estice u jezgri berilija dolazi do sljede?e reakcije:

Evo simbola neutrona; njegov naboj je jednak nuli, a relativna atomska masa je pribli?no jednaka jedan. Neutron je nestabilna ?estica: slobodni neutron u vremenu od ~ 15 min. raspada na proton, elektron i neutrino - ?esticu bez mase mirovanja.

Nakon otkri?a neutrona od strane J. Chadwicka 1932., D. Ivanenko i W. Heisenberg su nezavisno predlo?ili proton-neutronski (nukleonski) model jezgra. Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Broj protona Z poklapa se sa serijskim brojem elementa u tabeli D. I. Mendeljejeva.

Core charge Q odre?ena brojem protona Z, koji su dio jezgra, a umno?ak je apsolutne vrijednosti naboja elektrona e:

Q = + Ze.

Broj Z pozvao broj nuklearnog punjenja ili atomski broj.

Maseni broj jezgra ALI naziva se ukupan broj nukleona, odnosno protona i neutrona sadr?anih u njemu. Broj neutrona u jezgru je ozna?en slovom N. Dakle, maseni broj je:

A = Z + N.

Nukleonima (protonu i neutronu) se dodjeljuje maseni broj jednak jedan, a elektronu nula vrijednost.

Otkri?e je olak?alo i ideju o sastavu jezgra izotopi.

Izotopi (od gr?. isos jednaki, isti i topoa- mjesto) - to su vrste atoma istog hemijskog elementa, ?ija atomska jezgra imaju isti broj protona ( Z) i razli?it broj neutrona ( N).

Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi su nuklidi jedan element. Nuklid (od lat. jezgro- nukleus) - bilo koje atomsko jezgro (odnosno, atom) sa datim brojevima Z i N. Op?ta oznaka nuklida je ……. gdje X- simbol hemijskog elementa, A=Z+N- maseni broj.

Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata, pa otuda i njihovo ime. U pravilu, izotopi se zna?ajno razlikuju po svojim nuklearnim svojstvima (na primjer, u njihovoj sposobnosti da u?u u nuklearne reakcije). Hemijska (i gotovo podjednako fizi?ka) svojstva izotopa su ista. To se obja?njava ?injenicom da su kemijska svojstva elementa odre?ena nabojem jezgre, jer upravo taj naboj utje?e na strukturu elektronske ljuske atoma.

Izuzetak su izotopi lakih elemenata. Izotopi vodonika 1 H — protium, 2 H— deuterijum, 3 H — tricijum toliko se razlikuju po masi da su im fizi?ka i hemijska svojstva razli?ita. Deuterijum je stabilan (tj. nije radioaktivan) i uklju?en je kao mala ne?isto?a (1:4500) u obi?ni vodonik. Deuterijum se spaja sa kiseonikom i formira te?ku vodu. Vri pri normalnom atmosferskom pritisku na 101,2°C i smrzava se na +3,8°C. Tritium v je radioaktivan s vremenom poluraspada od oko 12 godina.

Svi hemijski elementi imaju izotope. Neki elementi imaju samo nestabilne (radioaktivne) izotope. Za sve elemente, radioaktivni izotopi su umjetno dobiveni.

Izotopi uranijuma. Element uranijum ima dva izotopa - masenih brojeva 235 i 238. Izotop je samo 1/140 uobi?ajeniji.

Nukleus je centralni dio atoma. Jezgro sadr?i pozitivni elektri?ni naboj i ve?inu mase atoma.
U pore?enju sa veli?inom atoma, koja je odre?ena radijusom orbita elektrona, veli?ina Izuzetno malog jezgra je 10 -15 -10 -14 m, odnosno oko 10 miliona puta manja od veli?ine atoma sebe.
Jezgra svih atoma sastoje se od protona i neutrona, sli?nih po masi i drugim svojstvima ?estica, od kojih samo protoni nose elektri?ni naboj. Ukupan broj protona naziva se atomski broj Z atoma i poklapa se s brojem elektrona u neutralnom atomu. Protone i neutrone, koji se nazivaju i nukleoni, dr?e zajedno vrlo jake sile. Po svojoj prirodi, ove sile ne mogu biti ni elektri?ne ni gravitacijske, a po veli?ini su za mnogo redova veli?ine ve?e od sila koje ve?u elektrone za jezgro. Ova interakcija se naziva sna?na interakcija.
Jezgro najjednostavnijeg atoma, atoma vodika, je jedan proton.
Masa jezgra je ne?to manja od ukupne mase protona i neutrona koji ga ?ine, ?to je zbog privla?enja izme?u nukleona. Privla?enje smanjuje ukupnu energiju jezgra, ?to je povezano sa Ajn?tajnovom formulom mase. Smanjenje mase jezgra u odnosu na masu njegovih sastojaka naziva se defekt mase.
Broj protona u jezgru odre?uje hemijski element. Uz konstantan broj protona, jezgro odre?enog hemijskog elementa mo?e imati razli?it broj neutrona. Jezgra s razli?itim brojem neutrona, ali istim brojem protona nazivaju se izotopi nekog kemijskog elementa. Na primjer, jezgro vodika ima tri izotopa: bez ijednog neutrona - Me?utim, s jednim neutronom - deuterijum i sa dva neutrona - tricij. Za ve?inu elemenata u periodnom sistemu, broj neutrona neznatno prema?uje broj protona.
Izotopi se dijele na stabilne i nestabilne. Nestabilni izotopi se pretvaraju u jezgra drugih elemenata kao rezultat jedne od vrsta radioaktivnog raspada. Neki te?ki hemijski elementi nemaju stabilne izotope.
Jedan element se mo?e pretvoriti u drugi pomo?u nuklearne reakcije. Nuklearne reakcije, osim reakcija radioaktivnog raspada koje se javljaju kada se vrlo brze jezgre sudare. Energija sudara bi trebala biti dovoljna da se savlada Kulonova barijera, odnosno Kulonove sile odbijanja izme?u pozitivno nabijenih jezgara. Izuzetak su reakcije u kojima je jedan od reaktanata nenabijena ?estica - neutron.
Jezgro karakterizira nabojni broj Z, broj neutrona N, a njihov zbir masenim brojem A. Protoni i neutroni koji ?ine jezgro su fermioni, odnosno imaju polucijeli spin. Spin jezgra je zbir spinova nukleona, ali ovaj zbir nije algebarski, s obzirom na posebna pravila za sabiranje spinova i orbitalnih momenata u kvantnoj mehanici. U skladu s tim, jezgre imaju magnetne momente povezane sa ?iromagnetskim odnosom nuklearnog spina, u kojem je Borov magneton zamijenjen nuklearnim magnetonom.
Jezgra ve?ine hemijskih elemenata prona?enih u prirodi nastala su kao rezultat nuklearnih reakcija u zvijezdama. Veliki prasak je proizveo protone i elektrone. Preostali elementi su proizvodi nukleosinteze, koja se odvijala unutar zvijezda. Formirane hemijske elemente zvijezde izbacuju u me?uzvjezdani prostor kada se pojave nove i supernove. Vremenom, ispljunuta od strane zvijezda, materija se ponovo sjedinjuje, formiraju?i nove zvijezde i planete.
Koncept jezgra atoma uveo je 1911. Ernest Rutherford, koji je proveo eksperimente o raspr?enju alfa ?estica na metalnoj foliji i predlo?io planetarni model atoma.
Jezgra atoma i njihove transformacije prou?ava nuklearna fizika.