Energija veze i defekt mase. Defekt mase i nuklearna energija vezivanja

Predavanje 18. Elementi fizike atomskog jezgra

Pregled predavanja

Atomsko jezgro. Defekt mase, nuklearna energija vezivanja.

Radioaktivno zračenje i njegove vrste. Zakon radioaktivnog raspada.

Zakoni očuvanja radioaktivnih raspada i nuklearnih reakcija.

1.Atomsko jezgro. Defekt mase, nuklearna energija vezivanja.

Sastav atomskog jezgra

Nuklearna fizika- nauka o strukturi, svojstvima i transformacijama atomskih jezgara. Godine 1911. E. Rutherford je u eksperimentima s rasipanjem α-čestica dok prolaze kroz materiju ustanovio da se neutralni atom sastoji od kompaktnog pozitivno nabijenog jezgra i oblaka negativnih elektrona. W. Heisenberg i D.D. Ivanenko je (nezavisno) pretpostavio da se jezgro sastoji od protona i neutrona.

Atomsko jezgro- centralni masivni dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona, koji se zajednički nazivaju nukleoni. Gotovo cijela masa atoma koncentrisana je u jezgru (više od 99,95%). Dimenzije jezgara su reda veličine 10 -13 - 10 -12 cm i zavise od broja nukleona u jezgru. Gustoća nuklearne materije i za laka i za teška jezgra je skoro ista i iznosi oko 10 17 kg/m 3 , tj. 1 cm 3 nuklearne materije bio bi težak 100 miliona tona Jezgra imaju pozitivan električni naboj jednak apsolutnoj vrijednosti ukupnog naboja elektrona u atomu.

Proton (simbol p) je elementarna čestica, jezgro atoma vodika. Proton ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona. Masa protona m p = 1,6726 10 -27 kg = 1836 m e, gdje je m e masa elektrona.

U nuklearnoj fizici je uobičajeno da se mase izražavaju u jedinicama atomske mase:

1 amu = 1,65976 10 -27 kg.

Stoga je masa protona, izražena u amu, jednaka

m p = 1,0075957 a.m.u.

Broj protona u jezgru se naziva broj naplate Z. On je jednak atomskom broju datog elementa i stoga određuje mjesto elementa u periodni sistem Mendeljejevljevi elementi.

Neutron (simbol n) je elementarna čestica koja nema električni naboj, čija je masa nešto veća od mase protona.

Masa neutrona m n = 1,675 10 -27 kg = 1,008982 amu Broj neutrona u jezgru označava se N.

Ukupan broj protona i neutrona u jezgru (broj nukleona) se naziva maseni broj i označen je slovom A,

Za označavanje jezgara koristi se simbol, gdje je X hemijski simbol elementa.

Izotopi- vrste atoma istog hemijskog elementa, čija atomska jezgra imaju isti broj protona (Z) i drugačiji broj neutroni (N). Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata. Kao primjer, evo izotopa vodika:

Koncept nuklearnih sila.

Jezgra atoma su izuzetno jake formacije, uprkos činjenici da slično nabijeni protoni, koji se nalaze na vrlo malim udaljenostima u atomskom jezgru, moraju se odbijati ogromnom silom. Posljedično, unutar jezgre djeluju izuzetno jake privlačne sile između nukleona, mnogo puta veće od električnih sila odbijanja između protona. Nuklearne sile su posebna vrsta sile; one su najjača od svih poznatih interakcija u prirodi.

Istraživanja su pokazala da nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:

nuklearne privlačne sile djeluju između bilo kojeg nukleona, bez obzira na njihovo stanje naboja;

nuklearne privlačne sile su kratkog dometa: djeluju između bilo koja dva nukleona na udaljenosti između centara čestica od oko 2·10 -15 m i naglo se smanjuju s povećanjem udaljenosti (na udaljenosti većoj od 3,10 -15 m one su praktično jednako nuli);

Nuklearne sile karakteriše zasićenje, tj. svaki nukleon može komunicirati samo sa nukleonima najbližeg jezgra;

nuklearne sile nisu centralne, tj. oni ne djeluju duž linije koja povezuje centre nukleona u interakciji.

Trenutno, priroda nuklearnih sila nije u potpunosti shvaćena. Utvrđeno je da su to tzv. razmjene. Razmjenske sile su kvantne po prirodi i nemaju analoga u klasičnoj fizici. Nukleoni su međusobno povezani trećom česticom koju neprestano razmjenjuju. Japanski fizičar H. Yukawa je 1935. godine pokazao da nukleoni razmjenjuju čestice čija je masa otprilike 250 puta veća od mase elektrona. Predviđene čestice je 1947. godine otkrio engleski naučnik S. Powell tokom proučavanja kosmičkih zraka i kasnije su nazvani -mezoni ili pioni.

Međusobne transformacije neutrona i protona potvrđene su raznim eksperimentima.

Defekt u masama atomskih jezgara. Energija vezivanja atomskog jezgra.

Nukleoni u atomskom jezgru međusobno su povezani nuklearnim silama, pa je, da bi se jezgro podijelilo na njegove pojedinačne protone i neutrone, potrebno potrošiti mnogo energije.

Minimalna energija potrebna da se jezgro odvoji na njegove sastavne nukleone naziva se nuklearna energija vezivanja. Ista količina energije se oslobađa ako se slobodni neutroni i protoni spoje i formiraju jezgro.

Precizna masena spektroskopska mjerenja nuklearnih masa pokazala su da je masa mirovanja atomskog jezgra manja od zbroja masa mirovanja slobodnih neutrona i protona od kojih je jezgro formirano. Razlika između zbira masa mirovanja slobodnih nukleona od kojih je jezgro formirano i mase jezgra naziva se defekt mase:

Ova razlika mase m odgovara energiji vezivanja jezgra E Sv., određen Einstein relacijom:

ili, zamjenom izraza za  m, dobijamo:

Energija vezivanja se obično izražava u megaelektronvoltima (MeV). Odredimo energiju veze koja odgovara jednoj jedinici atomske mase (, brzina svjetlosti u vakuumu
):

Pretvorimo rezultirajuću vrijednost u elektronvolte:

U tom smislu, u praksi je pogodnije koristiti sljedeći izraz za energiju vezivanja:

gdje je faktor m izražen u jedinicama atomske mase.

Važna karakteristika jezgra je specifična energija vezivanja jezgra, tj. energija vezivanja po nukleonu:

Više , to su nukleoni jače međusobno povezani.

Zavisnost vrijednosti  od masenog broja jezgra prikazana je na slici 1. Kao što se vidi iz grafikona, najjače su vezani nukleoni u jezgrima masenog broja reda 50-60 (Cr-Zn). Energija vezivanja ovih jezgara dostiže

8,7 MeV/nukleon. Kako se A povećava, specifična energija vezivanja postepeno opada.

Radioaktivno zračenje i njegove vrste. Zakon radioaktivnog raspada.

Francuski fizičar A. Becquerel 1896. godine Proučavajući luminescenciju soli uranijuma, slučajno je otkrio njihovu spontanu emisiju zračenja nepoznate prirode, koje je djelovalo na fotografsku ploču, ioniziralo zrak, prolazilo kroz tanke metalne ploče i izazvalo luminiscenciju niza tvari.

Nastavljajući proučavanje ovog fenomena, Curijevi su otkrili da takvo zračenje nije karakteristično samo za uranijum, već i za mnoge druge teške elemente (torijum, aktinijum, polonijum
, radijum
).

Detektovano zračenje nazvano je radioaktivnim, a sam fenomen radioaktivnošću.

Dalji eksperimenti su pokazali da na prirodu zračenja lijeka ne utiče vrsta kemikalije. veze, fizičko stanje, pritisak, temperatura, električna i magnetna polja, tj. svi oni uticaji koji bi mogli dovesti do promene stanja elektronske ljuske atoma. Shodno tome, radioaktivna svojstva elementa određena su samo strukturom njegovog jezgra.

Radioaktivnost je spontana transformacija nekih atomskih jezgara u druge, praćena emisijom elementarne čestice. Radioaktivnost se dijeli na prirodnu (opažena u nestabilnim izotopima koji postoje u prirodi) i umjetnu (opažena u izotopima dobivenim nuklearnim reakcijama). Ne postoji temeljna razlika između njih; zakoni radioaktivne transformacije su isti. Radioaktivno zračenje ima složen sastav (slika 2).

- radijacije je tok jezgara helijuma,
,
, ima visoku jonizujuću sposobnost i nisku sposobnost prodiranja (apsorbuje ga sloj aluminijuma With
mm).

- radijacije– protok brzih elektrona. Jonizujuća sposobnost je otprilike 2 reda veličine manja, a sposobnost prodiranja je mnogo veća; apsorbira je sloj aluminija sa
mm.

- zračenje– kratkotalasno elektromagnetno zračenje sa
m i, kao rezultat, sa izraženim korpuskularnim svojstvima, tj. je potok quanta Ima relativno slabu jonizujuću sposobnost i vrlo visoku sposobnost prodiranja (prolazi kroz sloj olova sa
cm).

Pojedinačna radioaktivna jezgra prolaze transformacije nezavisno jedna od druge. Stoga možemo pretpostaviti da je broj jezgara
, vremenom se raspao
, proporcionalno broju prisutnih radioaktivnih jezgara
i vrijeme
:

,
.

Znak minus odražava činjenicu da se broj radioaktivnih jezgara smanjuje.

- konstanta radioaktivnog raspada, karakteristična za datu radioaktivnu supstancu, određuje brzinu radioaktivnog raspada.

,
,

,
,
,
,

- zakon radioaktivnog raspada

- broj jezgara u početno vrijeme
,

- broj neraspadnutih jezgara u jednom trenutku .

Broj neraspadnutih jezgara opada prema eksponencijalnom zakonu.

Broj jezgara se raspao tokom vremena , određen je izrazom

Vreme tokom kojeg se raspada polovina prvobitnog broja jezgara naziva se poluživot. Odredimo njegovu vrijednost.

At

,

,
,
,

,
.

Poluživot za trenutno poznata radioaktivna jezgra kreće se od 310 -7 s do 510 15 godina.

Naziva se broj raspada jezgara u jedinici vremena aktivnost elementa u radioaktivnom izvoru,

Aktivnost po jedinici mase supstance - specifična aktivnost,

Jedinica aktivnosti u C je bekerel (Bq).

1 Bq – aktivnost elementa, pri kojoj se 1 čin raspada dešava u 1 s;

[A]=1Bq=1 .

Vansistemska jedinica radioaktivnosti je kiri (Ci). 1Ki - aktivnost u kojoj se 3,710 10 događaja raspada dešavaju u 1 s.

Zakoni očuvanja radioaktivnih raspada i nuklearnih reakcija.

Atomsko jezgro koje se raspada naziva se majčinski, jezgro u nastajanju - podružnice.

Radioaktivni raspad se dešava u skladu sa takozvanim pravilima pomeranja, koja omogućavaju da se odredi koje jezgro je rezultat raspada datog matičnog jezgra.

Pravila pomjeranja su posljedica dva zakona koji vrijede tokom radioaktivnog raspada.

1. Zakon održanja električnog naboja:

zbir naboja jezgara i čestica u nastajanju jednak je naboju originalnog jezgra.

2. Zakon održanja masenog broja:

zbir masenih brojeva jezgara i čestica u nastajanju jednak je masenom broju originalnog jezgra.

Alfa raspad.

- zraci predstavljaju tok jezgara
. Propadanje se odvija prema shemi

X– hemijski simbol matičnog jezgra, - ćerka.

Alfa raspad je obično praćen emisijom iz kćerke jezgre - zrake.

Iz dijagrama se vidi da je atomski broj kćerke jezgre 2 jedinice manji od matičnog jezgra, a maseni broj 4 jedinice, tj. rezultirajući element - raspadanje, nalaziće se u periodnom sistemu 2 ćelije lijevo od originalnog elementa.

Kao što foton ne postoji u gotovom obliku u dubinama atoma i pojavljuje se tek u trenutku emisije, - čestica takođe ne postoji u gotovom obliku u jezgru, već se pojavljuje u trenutku svog radioaktivnog raspada kada se sretnu 2 protona i 2 neutrona koji se kreću unutar jezgra.

Beta - raspad.

-raspad ili elektronski raspad se odvija prema šemi

Rezultirajući element
će se nalaziti u tabeli jednu ćeliju udesno (pomaknuto) u odnosu na originalni element.

Beta raspad može biti praćen emisijom - zrake.

Gama zračenje . Eksperimentalno je utvrđeno da zračenje nije samostalna vrsta radioaktivnosti, već samo prati - I -raspada, nastaje prilikom nuklearnih reakcija, usporavanja naelektrisanih čestica, njihovog raspada itd.

Nuklearna reakcija je proces snažne interakcije atomskog jezgra sa elementarnom česticom ili drugim jezgrom, što dovodi do transformacije jezgra (ili jezgara). Interakcija reagujućih čestica nastaje kada se one spoje na udaljenosti od 10-15 m, tj. do udaljenosti na kojima je moguće djelovanje nuklearnih sila, r~10 -15 m.

Najčešći tip nuklearna reakcija je reakcija interakcije svjetlosne čestice" "sa jezgrom X, što rezultira formiranjem svjetlosne čestice" V" i kernel Y.

X je početno jezgro, Y je konačno jezgro.

-čestica koja izaziva reakciju

V– čestica nastala reakcijom.

Kao lake čestice A I V može uključivati neutron , proton , deuteron
,- čestica,
,- foton.

U bilo kojoj nuklearnoj reakciji, zakoni očuvanja su zadovoljeni:

1) električni naboji: zbir naelektrisanja jezgara i čestica koje ulaze u reakciju jednak je zbiru naelektrisanja konačnih proizvoda (jezgra i čestica) reakcije;

2) maseni brojevi;

3) energija;

4) impuls;

5) ugaoni moment.

Energetski učinak nuklearne reakcije može se izračunati sastavljanjem energetskog bilansa za reakciju. Količina oslobođene i apsorbirane energije naziva se reakcijska energija i određena je razlikom mase (izraženom u energetskim jedinicama) početnih i konačnih proizvoda nuklearne reakcije. Ako zbir masa nastalih jezgara i čestica premašuje zbir masa početnih jezgara i čestica, reakcija se odvija uz apsorpciju energije (i obrnuto).

Pitanje koje nuklearne transformacije uključuju apsorpciju ili oslobađanje energije može se riješiti pomoću grafikona specifične energije vezivanja u odnosu na maseni broj A (slika 1). Grafikon pokazuje da su jezgra elemenata na početku i kraju periodnog sistema manje stabilna, jer  imaju manje.

Posljedično, oslobađanje nuklearne energije događa se i tijekom reakcija fisije teških jezgara i tijekom reakcija fuzije lakih jezgara.

Ova odredba je izuzetno važna, jer se na njoj zasnivaju industrijske metode proizvodnje nuklearne energije.

Istraživanja pokazuju da su atomska jezgra stabilne formacije. To znači da u jezgru postoji određena veza između nukleona. Proučavanje ove veze može se provesti bez uključivanja informacija o prirodi i svojstvima nuklearnih sila, već na osnovu zakona održanja energije.

Hajde da uvedemo definicije.

Energija vezivanja nukleona u jezgru je fizička veličina jednaka radu koji se mora obaviti da bi se uklonio dati nukleon iz jezgra, a da mu se ne prenese kinetička energija.

Pun nuklearna energija vezivanja je određen radom koji je potrebno obaviti da bi se jezgro podijelilo na sastavne nukleone, a da im se ne prenese kinetička energija.

Iz zakona održanja energije slijedi da kada se jezgro formira od nukleona koji ga čine, energija mora biti oslobođena jednaka energiji vezivanja jezgra. Očigledno, energija vezivanja jezgra jednaka je razlici između ukupne energije slobodnih nukleona koji čine dato jezgro i njihove energije u jezgru.

Iz teorije relativnosti je poznato da postoji veza između energije i mase:

E = ms 2. (250)

Ako prođe ΔE St označavamo energiju oslobođenu prilikom formiranja jezgra, onda ovo oslobađanje energije, prema formuli (250), treba povezati sa smanjenjem ukupne mase jezgra tokom njegovog formiranja od sastavnih čestica:

Δm = ΔE St / od 2 (251)

Ako označimo sa m p , m n , m I odnosno mase protona, neutrona i jezgra, zatim Δm može se odrediti formulom:

Dm = [Zm r + (A-Z)m n]-m ja . (252)

Razlika između zbira masa nukleona koji čine jezgro i mase jezgra naziva se defekt mase jezgra(formula (252)).

Prema formuli (251), energija vezivanja nukleona u jezgru određena je izrazom:

ΔE SV = [Zm p+ (A-Z)m n - m I ]With 2 . (253)

Tablice obično ne prikazuju mase jezgara m I i mase atoma m a. Stoga za energiju vezivanja koristimo formulu:

ΔE SV =[Zm H+ (A-Z)m n - m a ]With 2 (254)

Gdje m H- masa atoma vodonika 1 H 1. Jer m H više gospodin, masom elektrona m e , tada prvi član u uglastim zagradama uključuje masu Z elektrona. Ali, pošto masa atoma m a različito od mase jezgra m I samo po masi Z elektrona, onda proračuni koristeći formule (253) i (254) vode do istih rezultata.

Često, umjesto energije vezivanja jezgara, oni razmatraju specifična energija vezivanjadE NE je energija vezivanja po jednom nukleonu jezgra. Karakterizira stabilnost (snagu) atomskih jezgara, tj dE NE, što je jezgro stabilnije . Specifična energija vezivanja zavisi od masenog broja A element. Za laka jezgra (A £ 12), specifična energija vezivanja naglo raste do 6 ¸ 7 MeV, prolazeći kroz brojne skokove (vidi sliku 93). Na primjer, za dE NE= 1,1 MeV, za -7,1 MeV, za -5,3 MeV. Sa daljim povećanjem masenog broja dE, SV raste sporije do maksimalne vrijednosti od 8,7 MeV za elemente sa A=50¸60, a zatim se postepeno smanjuje za teške elemente. Na primjer, za to je 7,6 MeV. Napomenimo radi poređenja da je energija vezivanja valentnih elektrona u atomima približno 10 eV (10 6 puta manje).

Na krivulji specifične energije vezivanja u odnosu na maseni broj za stabilna jezgra (Slika 93), mogu se uočiti sljedeći obrasci:

a) Ako odbacimo najlakša jezgra, onda je u gruboj, takoreći nultoj aproksimaciji, specifična energija vezivanja konstantna i jednaka približno 8 MeV po

nukleon. Približna nezavisnost specifične energije vezivanja od broja nukleona ukazuje na svojstvo zasićenja nuklearnih sila. Ovo svojstvo je da svaki nukleon može komunicirati samo sa nekoliko susjednih nukleona.

b) Specifična energija vezivanja nije striktno konstantna, ali ima maksimum (~8,7 MeV/nukleon) na A= 56, tj. u području željeznih jezgri, a smanjuje se prema oba ruba. Maksimum krivulje odgovara najstabilnijim jezgrama. Energetski je povoljno da se najlakša jezgra stapaju jedno s drugim, oslobađajući termonuklearnu energiju. Za najteže jezgre, naprotiv, koristan je proces fisije na fragmente, koji se događa oslobađanjem energije, koja se naziva atomska.

Najstabilnije su takozvana magijska jezgra, u kojima je broj protona ili broj neutrona jednak jednom od magijskih brojeva: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Dvostruka magijska jezgra su posebno stabilan, u kojem je i broj protona i broj neutrona. Postoji samo pet ovih jezgri: , , , , .

Istraživanja pokazuju da su atomska jezgra stabilne formacije. To znači da u jezgru postoji određena veza između nukleona.

Masa jezgara može se vrlo precizno odrediti pomoću masenih spektrometara - mjernih instrumenata koji odvajaju snopove nabijenih čestica (obično jona) s različitim specifičnim nabojem koristeći električna i magnetska polja. Q/m. Masena spektrometrijska mjerenja su to pokazala Masa jezgra je manja od zbira masa njegovih nukleona. Ali pošto svaka promjena mase mora odgovarati promjeni energije, slijedi da se prilikom formiranja jezgra mora osloboditi određena energija. Iz zakona održanja energije proizlazi i suprotno: da bi se jezgro razdvojilo na sastavne dijelove, potrebno je potrošiti istu količinu energije koja se oslobađa prilikom njegovog formiranja. Energija koja se mora potrošiti da bi se jezgro podijelilo na pojedinačne nukleone naziva se nuklearna energija vezivanja.

Prema izrazu (40.9), energija vezivanja nukleona u jezgru

Gdje t p, t n, t I - odnosno mase protona, neutrona i jezgra. Tabele obično ne prikazuju mase. T Ja sam jezgra i mase T atomi. Stoga, za energiju vezivanja jezgra koriste formulu

Gdje m H je masa atoma vodika. Jer m H je veći m str po iznosu m e, tada prvi član u uglastim zagradama uključuje masu Z elektrona. Ali pošto je masa atoma T različito od mase jezgra T Ja sam samo na misi Z elektrona, onda proračuni pomoću formula (252.1) i (252.2) vode do istih rezultata.

Magnituda

pozvao defekt mase jezgra. Masa svih nukleona se smanjuje za ovu količinu kada se od njih formira atomsko jezgro.

Često, umjesto energije vezivanja, razmatramo specifična energija vezivanja d E Sv. - energija vezivanja po nukleonu. Karakterizira stabilnost (snagu) atomskih jezgara, tj d E Sv. , što je jezgro stabilnije. Specifična energija vezivanja zavisi od masenog broja A element (sl. 342). Za laka jezgra ( A£ 12) specifična energija vezivanja naglo raste na 6¸ 7 MeV, prolazeći kroz brojne skokove (na primjer, za H d E sv = 1,1 MeV, za He - 7,1 MeV, za Li - 5,3 MeV), zatim sporije raste do maksimalne vrijednosti od 8,7 MeV za elemente sa A=50¸ 60, a zatim postepeno opada za teške elemente (na primjer, za U je 7,6 MeV). Napomenimo radi poređenja da je energija vezivanja valentnih elektrona u atomima približno 10 eV (10 6! puta manje).

Smanjenje specifične energije vezivanja pri prelasku na teške elemente objašnjava se činjenicom da s povećanjem broja protona u jezgru raste i njihova energija. Kulonova odbojnost. Stoga, veza između nukleona postaje manje jaka, a sama jezgra postaju manje jaka.

Najstabilnije su tzv magična jezgra, u kojoj je broj protona ili broj neutrona jednak jednom od magičnih brojeva: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Posebno stabilan dvaput magična jezgra, u kojem su i broj protona i broj neutrona magični (ima samo pet ovih jezgara: He, O, Ca, Ca, Pb).

Od sl. 342 proizilazi da su sa energetskog stanovišta najstabilnija jezgra u srednjem dijelu periodnog sistema. Teška i lagana zrna su manje stabilna. To znači da su energetski povoljni sledeći procesi: 1) fisija teških jezgara na lakša; 2) fuzija lakih jezgara jedna sa drugom u teža. Oba procesa oslobađaju ogromne količine energije; Ovi procesi se trenutno izvode praktično: reakcije fisije i termonuklearne reakcije.

Izotopi

Izotopi- varijeteti atoma (i jezgara) jednog hemijskog elementa sa različitim brojem neutrona u jezgru. Hemijska svojstva atomi zavise gotovo isključivo od strukture elektronske ljuske, koja je, zauzvrat, uglavnom određena nabojem jezgra Z(to jest, broj protona u njemu) i gotovo ne zavisi od njegovog masenog broja A(to jest, ukupan broj protona Z i neutrone N). Svi izotopi istog elementa imaju isti nuklearni naboj, razlikuju se samo po broju neutrona.

Primjer izotopa: 16 8 O, 17 8 O, 18 8 O - tri stabilna izotopa kisika.

88.Struktura atomskog jezgra. Subatomske čestice. Elementi. Izotopi.

Atom se sastoji od jezgra i elektronskog "oblaka" koji ga okružuje. Nalazi se u elektronskom oblaku elektrona nositi negativan električni naboj. Protoni, uključeno u jezgro, nosi pozitivno naplatiti.

U bilo kojem atomu, broj protona u jezgru je tačno jednak broju elektrona u elektronskom oblaku, tako da je atom kao cjelina neutralna čestica koja nema naboj.

Atom može izgubiti jedan ili više elektrona ili, obrnuto, dobiti elektrone od drugih. U tom slučaju, atom dobiva pozitivan ili negativan naboj i naziva se ion.

Vanjske dimenzije atoma su dimenzije mnogo manje gustog elektronskog oblaka, koji je otprilike 100 000 puta veći od prečnika jezgra.

Osim protona, jezgra većine atoma uključuju neutroni, koji ne nose nikakvu naknadu. Masa neutrona se praktično ne razlikuje od mase protona. Zajedno se nazivaju protoni i neutroni nukleoni.

Energija vezivanja i defekt nuklearne mase

Nukleone u jezgru čvrsto drže nuklearne sile. Da bi se nukleon uklonio iz jezgra, mora se obaviti dosta posla, odnosno mora prenijeti značajnu energiju jezgru.

Energija vezivanja atomskog jezgra Eb karakterizira intenzitet interakcije nukleona u jezgri i jednaka je maksimalnoj energiji koja se mora utrošiti da se jezgro podijeli na pojedinačne nukleone koji nisu u interakciji, a da im se ne prenese kinetička energija. Svako jezgro ima svoju energiju vezivanja. Što je ova energija veća, to je atomsko jezgro stabilnije. Precizna mjerenja nuklearnih masa pokazuju da je masa mirovanja jezgra m i uvijek manja od zbira masa mirovanja njegovih sastavnih protona i neutrona. Ova razlika mase naziva se defekt mase:

To je dio Dm mase koji se gubi tokom oslobađanja energije vezivanja. Primjenom zakona odnosa mase i energije dobijamo:

*s2 (ukratko ovdje, pomnožite sa C na kvadrat)

gdje je brzina svjetlosti u vakuumu.

Drugi važan parametar jezgra je energija vezivanja po nukleonu jezgra, koja se može izračunati dijeljenjem energije vezivanja jezgra sa brojem nukleona koje sadrži:

Ova vrijednost predstavlja prosječnu energiju koja se mora potrošiti da se jedan nukleon ukloni iz jezgra, ili prosječnu promjenu energije vezivanja jezgra kada se slobodni proton ili neutron apsorbuje u njega.

Na sl. prikazan je graf eksperimentalno utvrđene zavisnosti Est od A.

Kao što se može vidjeti iz objašnjenja slike, pri malim vrijednostima masenih brojeva, specifična energija vezivanja jezgara naglo raste i dostiže maksimum na (približno 8,8 MeV). Nuklidi sa takvim masenim brojevima su najstabilniji. Daljnjim rastom, prosječna energija vezivanja opada, međutim, u širokom rasponu masenih brojeva, vrijednost energije je gotovo konstantna (MeV), iz čega slijedi da možemo napisati .

Ovakvo ponašanje prosječne energije vezivanja ukazuje na svojstvo nuklearnih sila da dođu do zasićenja, odnosno na mogućnost interakcije nukleona sa samo malim brojem „partnera“. Da nuklearne sile nemaju svojstvo zasićenja, tada bi unutar radijusa djelovanja nuklearnih sila svaki nukleon interagirao sa svakim od ostalih i energija interakcije bi bila proporcionalna , a prosječna energija vezivanja jednog nukleona ne bi bila konstantna za različita jezgra, ali bi se povećavala s povećanjem .

90.Teorije strukture atomskog jezgra

U procesu razvoja fizike postavljane su različite hipoteze o strukturi atomskog jezgra. Najpoznatije su sljedeće:

· Kapljični model jezgra - koji je 1936. predložio Niels Bohr.

Kapljični model jezgra- jedan od najranijih modela strukture atomskog jezgra, koji je predložio Niels Bohr 1936. godine u okviru teorije složenog jezgra, koju su razvili Jacob Frenkel, a potom i John Wheeler, na osnovu koje je Karl Weizsäcker prvi dobio poluempirijska formula za energiju vezivanja atomskog jezgra, nazvana u njegovu čast Weizsäcker formula.

Prema ovoj teoriji, atomsko jezgro se može predstaviti kao sferična, jednolično nabijena kap posebne nuklearne materije, koja ima određena svojstva, kao što su nestišljivost, zasićenost nuklearnih sila, „isparavanje“ nukleona (neutrona i protona), i podsjeća na tečnost. S tim u vezi, na takvu jezgro-kap mogu se proširiti i neka druga svojstva kapljice tekućine, na primjer površinska napetost, fragmentacija kapi na manje (fisija jezgara), spajanje malih kapi u jednu veliku (fuzija jezgara).

· Model ljuske jezgra - predložen 30-ih godina 20. vijeka.

U modelu ljuske atoma, elektroni ispunjavaju elektronske ljuske, a kada se ljuska napuni, energija vezivanja za sljedeći elektron je značajno smanjena.

· Generalizirani Bohr-Mottelsonov model.

O. m. I. predlaže se na osnovu pretpostavke o nezavisnom kretanju nukleona u polju sa sporo promenljivim potencijalom. Nukleoni unutrašnji ispunjene ljuske formiraju „kostur“, koji ima kolektivne stepene slobode i opisan je pomoću modela kap tečnosti (vidi. Kapljični model jezgra). Nukleoni vanjske, neispunjene ljuske, u interakciji s površinom ove kapi, formiraju opću, obično nesferičnu, samokonzistenciju. potencijal. Adijabatska priroda promjene ovog potencijala omogućava da se odvoji jednočestično kretanje nukleona koje se događa na fiksan način. potencijal, od kolektivnog kretanja koje vodi do promjene oblika i orijentacije usp. jezgra polja. Ovaj pristup je sličan razdvajanju kretanja elektrona i jezgara u molekulima.

· Model kernela klastera

· Model nukleonskih asocijacija

· Optički model jezgra

· Model superfluidnog jezgra

Statistički model kernela

Nuklearne sile

Nuklearne sile su sile koje drže nukleone u jezgru, koje predstavljaju velike privlačne sile koje djeluju samo na kratkim udaljenostima. Imaju svojstva zasićenja, pa se nuklearnim silama pripisuje razmjenski karakter. Nuklearne sile zavise od spina, ne zavise od električnog naboja i nisu centralne sile.

Radioaktivni raspad

Radioaktivni raspad(od lat. radijus"greda" i āctīvus"efikasno") - spontana promjena sastava nestabilnih atomskih jezgri (naboj Z, maseni broj A) emisijom elementarnih čestica ili nuklearnih fragmenata. Naziva se i proces radioaktivnog raspada radioaktivnost, a odgovarajući elementi su radioaktivni. Supstance koje sadrže radioaktivna jezgra nazivaju se i radioaktivnim.

Utvrđeno je da svi hemijski elementi sa serijski broj, veći od 82 (dakle, počevši od bizmuta), i mnogi lakši elementi (prometijum i tehnecijum nemaju stabilne izotope, a za neke elemente, kao što su indij, kalij ili kalcijum, neki od prirodnih izotopa su stabilni, dok su drugi su radioaktivni).

Prirodna radioaktivnost- spontani raspad jezgara elemenata koji se nalaze u prirodi.

Dio 5. Defekt mase-energija vezivanja-nuklearne snage.

5.1. Prema trenutnom modelu nukleona, atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona, koji se unutar jezgre drže nuklearnim silama.

Citat: „Atomsko jezgro se sastoji od gusto zbijenih nukleona - pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona, međusobno povezanih moćnim i kratkim dometima nuklearne snage uzajamno privlačenje... (Atomsko jezgro. Wikipedia. Atomsko jezgro. TSB).
Međutim, uzimajući u obzir principe pojave defekta mase u neutronu izložene u dijelu 3, informacije o nuklearnim silama zahtijevaju pojašnjenje.

5.2. Školjke neutrona i protona su gotovo identične u svom "dizajnu". Imaju talasnu strukturu i zbijene su elektromagnetni talas, koji ima energiju magnetsko polje potpuno ili djelomično pretvaraju u električnu energiju ( + /-) polja. Međutim, iz još uvijek nepoznatih razloga, ove dvije različite čestice imaju ljuske iste mase - 931,57 MeV. To jest: protonska ljuska je "kalibrirana" i klasičnim beta preuređivanjem protona masa njegove ljuskeje potpuno i potpuno “naslijeđen” neutronom (i obrnuto).

5.3. Međutim, u unutrašnjosti zvijezda, prilikom beta prestrojavanja protona u neutrone, koristi se sopstvena materija protonske ljuske, zbog čega svi nastali neutroni u početku imaju defekt mase. S tim u vezi, u svakoj prilici, "defektni" neutron nastoji obnoviti na bilo koji način referenca mase njegove ljuske i pretvoriti se u "punopravnu" česticu. I ova želja neutrona da obnovi svoje parametre (da nadoknadi nedostatak) potpuno je razumljiva, opravdana i „zakonita“. Stoga, u najmanjoj prilici, „defektan“ neutron se jednostavno „zalijepi“ (zalijepi, zalijepi, itd.) za ljusku najbližeg protona.

5.4. Stoga: energija veze i nuklearne sile su inherentne su ekvivalent sile, kojim neutron nastoji da protonu „oduzme“ nedostajući deo svoje ljuske. Mehanizam ovaj fenomen još nije sasvim jasan i ne može se predstaviti u okviru ovog rada. Međutim, može se pretpostaviti da je neutron, sa svojom „defektnom“ ljuskom, djelomično isprepleten sa netaknutom (i jačom) ljuskom protona.

5.5.ovako:

a) defekt mase neutrona - nisu apstraktni, nepoznato je kako i gdje su se pojavili nuklearne snage . Defekt mase neutrona je vrlo stvaran nedostatak neutronske materije, čije prisustvo (preko njenog energetskog ekvivalenta) osigurava pojavu nuklearnih sila i vezujuće energije;

b) energija vezivanja i nuklearne sile su različiti nazivi za isti fenomen - defekt mase neutrona. To je:
defekt mase (a.m.u.* E 1 ) = energija veze (MeV) = nuklearne sile (MeV), gdje je E 1 - energetski ekvivalent jedinice atomske mase.

Dio 6. Parne veze između nukleona.

6.1. Citat: „Prihvaćeno je da su nuklearne sile manifestacija snažne interakcije i da imaju sljedeća svojstva:

a) nuklearne sile djeluju između bilo koja dva nukleona: protona i protona, neutrona i neutrona, protona i neutrona;

b) nuklearne sile privlačenja protona unutar jezgra su približno 100 puta veće od sile električnog odbijanja protona. Jače sile od nuklearnih se ne primjećuju u prirodi;

c) nuklearne privlačne sile su kratkog dometa: njihov radijus djelovanja je oko 10 - 15 m". (I.V. Yakovlev. Nuklearna energija vezivanja).

Međutim, uzimajući u obzir navedene principe pojave defekta mase u neutronu, odmah se javljaju prigovori u vezi sa tačkom a) i zahtijevaju detaljnije razmatranje.

6.2. Prilikom formiranja deuterona (i jezgara drugih elemenata), koristi se samo defekt mase prisutan u neutronu. Protoni uključeni u ove reakcije imaju defekt mase nije formirana. Osim toga - protoni uopće ne mogu imati defekt mase, zbog:

prvo: nema "tehnološke" potrebe za njegovim formiranjem, jer za formiranje deuterona i drugih jezgara hemijski elementi Sam defekt mase neutrona je sasvim dovoljan;

drugo: proton je jača čestica od neutrona "rođenog" na njegovoj osnovi. Stoga, čak i kada se ujedini sa "defektnim" neutronom, proton nikada, ni pod kojim okolnostima, neće dati "ni jedan gram" svoje materije neutronu. Upravo na ova dva fenomena - "nepopustljivosti" protona i prisutnosti defekta mase u neutronu, temelji se postojanje energije vezivanja i nuklearnih sila.

6.3. U vezi sa gore navedenim, proizilaze sledeći jednostavni zaključci:

a) nuklearne sile mogučin samo između protona i „defektnog“ neutrona, budući da imaju ljuske s različitim distribucijama naboja i različite jačine (ljuska protona je jača);

b) nuklearne sile ne mogu djeluju između proton-protona, budući da protoni ne mogu imati defekt mase. Stoga je isključeno stvaranje i postojanje diprotona. Potvrda - diproton još nije eksperimentalno otkriven (i nikada neće biti otkriven). Štaviše, kada bi postojala (hipotetička) veza proton-proton, onda jednostavno pitanje postaje legitimno: zašto je onda prirodi potreban neutron? Odgovor je jasan – u ovom slučaju neutron uopšte nije potreban za izgradnju složenih jezgara;

c) nuklearne sile ne mogu djeluju između neutrona i neutrona, budući da neutroni imaju ljuske koje su “istog tipa” po snazi i raspodjeli naboja. Stoga je nastanak i postojanje dineutrona isključeno. Potvrda - dineutron još nije eksperimentalno otkriven (i nikada neće biti otkriven). Štaviše, kada bi postojala (hipotetička) veza neutron-neutron, tada bi jedan od dva neutrona („jači“) gotovo trenutno obnovio integritet svoje ljuske na račun ljuske drugog („slabijeg“).

6.4. ovako:

a) protoni imaju naboj i, prema tome, Kulonove odbojne sile. Zbog toga jedina svrha neutrona je njegova sposobnost (vještina) da stvori defekt mase i svojom veznom energijom (nuklearnim silama) „zalijepi“ nabijene protone i zajedno sa njima formira jezgra hemijskih elemenata;

b) energija vezivanja može djelovati samo između protona i neutrona, And ne mogu djeluju između proton-proton i neutron-neutron;

c) isključeno je prisustvo defekta mase u protonu, kao i formiranje i postojanje diprotona i dineutrona.

dio 7. "Mezonske struje".

7.1. Citat: „Vezu nukleona vrše ekstremno kratkotrajne sile koje nastaju kao rezultat kontinuirane razmjene čestica zvanih pi-mezoni... Interakcija nukleona se svodi na ponovljene aktove emisije mezona od strane jednog nukleona i njegove apsorpcije od strane drugog... Najizrazitija manifestacija struja razmjene mezona nalazi se u reakcijama cijepanja deuterona visokoenergetskim elektronima i g-kvantima.” (Atomsko jezgro. Wikipedia, TSB, itd.).

Mišljenje da nuklearne sile „...nastaju usled kontinuirane razmene čestica zvanih pi-mezoni..."zahtijeva pojašnjenje iz sljedećih razloga:

7.2. Pojava mezonskih struja tokom uništavanja deuterona (ili drugih čestica) ni pod kojim okolnostima ne može se uzeti u obzir pouzdana činjenica stalno prisustvo ovih čestica (mezona) u stvarnosti, jer:

a) u procesu destrukcije, stabilne čestice na bilo koji način pokušavaju da sačuvaju (rekreiraju, „poprave“ itd.) svoju strukturu. Stoga, prije konačnog raspada, formiraju brojne slični sebi fragmenti srednja struktura sa raznim kombinacijama kvarkova - miona, mezona, hiperona itd. i tako dalje.

b) ovi fragmenti su samo srednji produkti raspadanja sa čisto simboličnim životnim vijekom („privremeni stanovnici“) i stoga ne može se uzeti u obzir kao trajni i stvarno postojeći strukturne komponente stabilnije formacije (elementi periodnog sistema i njihovi sastavni protoni i neutroni).

7.3. Osim toga: mezoni su kompozitne čestice s masom od oko 140 MeV, koje se sastoje od kvarkova-antikvarkova u-d i školjke. A pojava takvih čestica "unutar" deuterona jednostavno je nemoguća iz sljedećih razloga:

a) pojava jednog minus mezona ili plus mezona je potpuno kršenje zakona održanja naelektrisanja;

b) formiranje mezon kvarkova će biti praćeno pojavom nekoliko srednjih parova elektron-pozitron i neopoziv oslobađanje energije (materije) u obliku neutrina. Ovi gubici, kao i trošak protonske materije (140 MeV) za formiranje najmanje jednog mezona, predstavljaju 100% kršenje kalibracije protona (masa protona - 938,27 MeV, ni više ni manje).

7.4. ovako:

A ) dvije čestice - proton i neutron, koje formiraju deuteron, drže se zajedno samo energijom vezivanja, čija je osnova nedostatak materije (defekt mase) neutronske ljuske;

b) povezivanje nukleona pomoću “ više radnji» razmjena pi-mezona (ili drugih "privremenih" čestica) - isključeno, jer je to potpuno kršenje zakona održanja i integriteta protona.

Dio 8. Solarni neutrini.

8.1. Trenutno, kada se izračunava broj solarnih neutrina, u skladu sa formulom p + p = D + e + +v e+ 0,42 MeV, pretpostavimo da se njihova energija nalazi u rasponu od 0 do 0,42 MeV. Međutim, ovo ne uzima u obzir sljedeće nijanse:

8.1.1. U-prvo. Kao što je navedeno u paragrafu 4.3, energetske vrijednosti (+0,68 MeV) i (-0,26 MeV) ne mogu se zbrajati, jer je to apsolutno različite vrste(vrste) energije koju oslobađa/troši različite faze proces (u različitim vremenskim intervalima). Energija (0,68 MeV) se oslobađa do početna faza proces formiranja deuterona i odmah se raspoređuje između pozitrona i neutrina u proizvoljnim omjerima. Shodno tome, izračunate vrijednosti solarne energije neutrina su u rasponu od 0 do 0,68 MeV.

8.1.2. U-sekunda. U dubinama Sunca materija je pod uticajem monstruoznog pritiska, koji se kompenzuje Kulonovskim silama odbijanja protona. Kada se jedan od protona podvrgne beta preuređivanju, njegovo Kulonovo polje (+1) nestaje, ali na njegovom mjestu ne samo da se odmah pojavljuje električni neutralni neutron, već i nova čestica - pozitron sa potpuno istim Coulomb poljem (+1). “Novorođeni” neutron je dužan da izbaci “nepotrebne” pozitrone i neutrine, ali je sa svih strana okružen (komprimiran) Kulombovim (+1) poljima drugih protona. A pojava nove čestice (pozitron) sa potpuno istim poljem (+1) teško da će biti "dočekana sa oduševljenjem". Dakle, da bi pozitron napustio reakcionu zonu (neutron), potrebno je savladati kontraotpor „vanzemaljskih” Kulombovih polja. Za to, pozitron mora ( mora) imaju značajnu rezervu kinetičke energije i stoga će se većina energije oslobođene tokom reakcije prenijeti na pozitron.

8.2. ovako:

a) distribucija energije koja se oslobađa tokom beta preuređenja između pozitrona i neutrina zavisi ne samo od prostornog rasporeda elektron-pozitronskog para koji se pojavljuje unutar kvarka i lokacije kvarkova unutar protona, već i od prisustva vanjske sile koje sprečavaju oslobađanje pozitrona;

b) da savlada vanjska Kulonova polja najveći deo iz energije oslobođene tokom beta preuređenja (od 0,68 MeV) će se prenijeti na pozitron. U ovom slučaju, prosječna energija ogromnog broja neutrina bit će nekoliko puta (ili čak nekoliko desetina puta) manja od prosječne energije pozitrona;

c) vrijednost njihove energije od 0,42 MeV, koja je trenutno prihvaćena kao osnova za izračunavanje broja solarnih neutrina, ne odgovara stvarnosti.