A hidrogénizotópok tömegükben kétszer-háromszor különböznek egymástól. A deutérium nem radioaktív, és kis keverékként jut be a közönséges hidrogénbe. Amikor a deutérium oxigénnel egyesül, nehézvíz képződik, annak fizikai tulajdonságai jelentősen eltérnek a közönséges vízétől. Normál légköri nyomáson 101,2 C-on forr, –3,8 C-on megfagy. A trícium atomtömege 3, béta-aktív, felezési ideje 12 év.

Három izotóp keveréke a természetes urán, amely U-238 (99,28%), U-235 (0,714%), U-234 (0,006%), ezen izotópok magjából áll.

Összesen mintegy 2000 természetes és mesterségesen előállított radioaktív izotóp ismert. Egyes természetben található izotópok, és szinte minden mesterségesen előállított izotóp nem élhet túl a végtelenségig. Az ilyen instabil izotópokat általában radionuklidoknak nevezik.

Az "izotópok" kifejezést csak olyan esetekben szabad használni, amikor ugyanazon kémiai elem atomjairól beszélünk. Ha különböző kémiai elemek atomjait értjük, akkor ajánlatos a „nuklidok” kifejezést használni.

Például Sr-90, I-131, Cs-137 radionuklidok keveréke, de C-12, C-14 szénizotópok keveréke. A természetes káliumot három izotóp képviseli: K-39, K-40, K-41; rendre 93,08%, 0,0119% és 6,91%.

Az azonos tömegszámú A és különböző Z atommagokat izobároknak, az azonos számú neutronszámú N (N = A – Z-nél) atommagokat pedig izotóniáknak nevezzük.

Például: a 40 18 Ar, 40 19 K, 40 20 Ca atommagok izobárok (náluk A = 40);

A 136 54 Xe, 138 56 Ba, 139 57 La magok izotóniák (náluk N = 82).

Az izotópok létezése azt bizonyítja, hogy az atommag töltése nem határozza meg az atom összes tulajdonságát, hanem csak a kémiai tulajdonságait és azokat a fizikai tulajdonságokat, amelyek az elektronhéjtól függenek, mint például a méret. Az atom tömegét és radioaktív tulajdonságait nem a periódusos rendszer sorszáma határozza meg.

3.2. Az atommagok kötési energiája

A magokban lévő nukleonok olyan állapotban vannak, amelyek jelentősen eltérnek szabad állapotuktól. A közönséges hidrogénmag kivételével minden atommagnak legalább két nukleonja van, amelyek között

Ezekben az esetekben erős nukleáris kölcsönhatás lép fel – ez a vonzerő biztosítja az atommagok stabilitását, a hasonló töltésű protonok taszítása ellenére, azaz az atommagot alkotó nukleonok között egy speciális erő hat. nukleárisnak nevezik. Ezeknek az erőknek az a sajátossága, hogy csak nagyon kis távolságra hatnak, csak a szomszédos nukleonok között.

Az atommagok erősségét a kötési energia jellemzi. Nagyságrendjét tekintve a kötési energia megegyezik azzal a munkával, amelyet egy magnak az alkotó nukleonokra való feldarabolásához anélkül, hogy kinetikus energiát adna nekik. Ugyanennyi energia szabadul fel, amikor a nukleonokból mag keletkezik. Az atommag kötési energiája az atommagot alkotó összes szabad nukleon energiája és a magban lévő energiájuk közötti különbség.

A nukleonok kötési energiája az atommagban milliószor nagyobb, mint a molekulában lévő atomok kötési energiája. Ezért az anyagok kémiai átalakulása során az atommagok nem változnak.

Az atommag kialakulásakor tömege csökken: az atommag tömege kisebb, mint az azt alkotó nukleonok tömegeinek összege. Az atommag tömegének kialakulása során bekövetkezett csökkenését a kötési energia felszabadulása magyarázza. Az anyagban lévő energia mennyisége az Einstein-féle összefüggés alapján közvetlenül összefügg a tömegével

A magtömegek legpontosabb mérései azt mutatják, hogy az atommag nyugalmi tömege mindig kisebb, mint az azt alkotó protonok és neutronok nyugalmi tömegének összege:

A tömeg csökkenése az atommag nukleonokból történő képződése során azt jelenti, hogy ennek a nukleonrendszernek az energiája az Eb kötési energia mennyiségével csökken:

Amikor a részecskékből mag keletkezik, az utóbbiak a nukleáris erők kis távolságra történő fellépése következtében óriási gyorsulással rohannak egymás felé. A kibocsátott gamma-sugarak energiája Eb és tömege m.

Az egy nukleonra jutó kötési energiát (azaz a teljes kötési energiát osztva a magban lévő nukleonok számával) ún. fajlagos kötési energia:

Minél nagyobb a fajlagos kötési energia abszolút értéke, annál erősebb a kölcsönhatás a nukleonok között, és annál erősebb a mag. A legnagyobb nukleonkénti kötési energia, körülbelül 8,75 MeV, a periódusos rendszer középső részének elemeiben rejlik.

3.3. Radioaktivitás. A radioaktív bomlás törvénye

Az egyik elem atommagjának szerkezetében bekövetkező spontán (spontán) változás és egy másik elem atomjának stabilabb magjává történő átalakulásának jelenségét ún. radioaktivitás, és maga az instabil mag radioaktív.

Az atommagok spontán átalakulásának minden egyes ilyen egyedi aktusát elemi részecskék vagy csoportjaik kibocsátásával ún. radioaktív bomlás. Ha a radioaktív bomlást alfa-részecskék kibocsátása kíséri, akkor az alfa-bomlás; béta részecskék – béta-bomlás. Az alfa- és béta-bomlást általában gamma-sugárzás kíséri.

Az atommagok független átalakulása során keletkező elemi részecskék vagy csoportjaik áramlásai az ionizáló sugárzás. A radioaktív sugárzásnak három típusa van: alfa-, béta- és gamma-sugárzás.

A jelenleg ismert radioaktív nuklidok teljes számából (kb. 2 ezer) csak mintegy 300 természetes, a többit nukleáris reakciók eredményeként mesterségesen nyerik.

A radioaktív atommagok spontán átalakulása az eredeti radionuklid atommagjainak számának folyamatos csökkenéséhez és leánytermékek képződéséhez vezet.

Egy adott radioaktív anyag esetében az egyes atommagok lebomlásának valószínűsége bármikor azonos, mivel az atommagok egymástól függetlenül bomlanak le.

A radioaktív bomlás törvénye bármely nukleáris átalakulás esetén megállapítja, hogy egy adott radionuklid el nem bomlott magjainak ugyanaz a hányada bomlik le egységnyi idő alatt. Ezt a részesedést ún bomlási állandó és kijelölni. Általában ezt a törvényt egy exponenciális kapcsolat fejezi ki:

ahol N az idő alatt elbomló atommagok száma; N 0 az atommagok kezdeti száma

radionuklid; e = 2,718; a bomlási állandó, és a megfelelő felezési idő csak az atommagok stabilitásától függ.

Ezt a törvényt, amely egy radioaktív anyag atommagjai számának időbeli csökkenését fejezi ki, a radioaktív bomlás törvényének nevezzük (4. ábra).

Rizs. 4. Radioaktív bomlási grafikon:

N 0 – a radioaktív anyag kezdeti mennyisége T 1/2 – az anyag felezési ideje

Egy radionuklid átalakulhat másik radionukliddá, ami ún radioaktív láncok.

Az idő bármely pillanatára

ahol N 1 és N 2 az anya- és leány radionuklidok magjainak száma N 0 az anya radionuklid magjainak száma a kezdeti időpontban, 1 és 2 az anya- és leány radionuklidok bomlási állandói;

A radioaktív anyag atommagjainak a bomlás szempontjából való stabilitásának jellemzésére a „felezési idő” fogalmát használjuk. Fél élet radioaktív anyagok - az az időtartam, amely alatt a radioaktív bomlás következtében egy adott radioaktív anyag magjainak száma felére csökken. Ennek megfelelően a radioaktív anyag által kibocsátott ionizáló sugárzás intenzitása felére csökken. Az állandó között

bomlás () és felezési idő (T 1/2) van összefüggés

A különböző radionuklidok felezési ideje a másodperc töredékeitől több milliárd évig terjed. Ennek megfelelően a radioaktív anyagokat rövid (órák, napok) és hosszú élettartamú (sok éves) anyagokra osztják.

Például: 214 84 Po (T 1/2 = 1,6 10–4 s); 238 92 U (T 1/2 = 4,47 1010 év).

A felezési idő a radioaktív anyagok egyik fő jellemzője, amelyet gyakorlati felhasználásuk során figyelembe vesznek. Így a gamma terápiában a hosszú felezési idejű radioaktív anyagokat részesítik előnyben.

Például: 137 55 Cs (T 1/2 = 30 év) (T 1/2 = 5,25 év);

A radioaktív anyagok diagnosztikai célú bejuttatása során törekednek a szervek és szervek sugárdózisának minimalizálására.

Az Egységes Államvizsga kodifikátor témái: nukleonok kötési energiája az atommagban, nukleáris erők.

Az atommag a nukleonmodell szerint nukleonokból - protonokból és neutronokból áll. De milyen erők tartják a nukleonokat az atommagban?

Miért tart például két protont és két neutront egy héliumatom magjában? Hiszen az egymást elektromos erők által taszító protonoknak különböző irányokba kellene szétrepülniük! Lehet, hogy a nukleonok egymáshoz való gravitációs vonzása megakadályozza az atommag bomlását?

Ellenőrizzük. Legyen két proton bizonyos távolságra egymástól. Határozzuk meg az elektromos taszító erejük és a gravitációs vonzásuk arányát:

A proton töltése K, a proton tömege kg, így van:

Az elektromos erő micsoda szörnyű fölénye! A protonok gravitációs vonzása nemcsak hogy nem biztosítja az atommag stabilitását, hanem egyáltalán nem észrevehető kölcsönös elektromos taszításuk hátterében.

Következésképpen vannak más vonzó erők, amelyek összetartják a nukleonokat az atommag belsejében, és nagyságrendjükben meghaladják a protonok elektromos taszításának erejét. Ezek az úgynevezett nukleáris erők.

Nukleáris erők.

Eddig kétféle kölcsönhatást ismertünk a természetben - gravitációs és elektromágneses. A nukleáris erők egy új, harmadik típusú kölcsönhatás - az erős kölcsönhatás - megnyilvánulásaként szolgálnak. Nem térünk ki a nukleáris erők kialakulásának mechanizmusára, csak felsoroljuk a legfontosabb tulajdonságaikat.

1. A nukleáris erők bármely két nukleon között hatnak: proton és proton, proton és neutron, neutron és neutron között.
2. A protonok magvonzási ereje az atommagban körülbelül 100-szor nagyobb, mint a protonok elektromos taszító ereje. A nukleáris erőknél erősebb erők nem figyelhetők meg a természetben.
3. A nukleáris vonzerő erők rövid hatótávolságúak: hatássugaruk kb. m. Ekkora az atommag - ilyen távolságra tartják a nukleonokat egymástól. A távolság növekedésével a nukleáris erők nagyon gyorsan csökkennek; ha a nukleonok közötti távolság egyenlő m-rel, a nukleáris erők szinte teljesen eltűnnek.

M-nél kisebb távolságban a nukleáris erők taszító erőkké válnak.

Az erős kölcsönhatás az egyik alapvető – nem magyarázható más típusú interakciókkal. Az erős kölcsönhatások képessége nemcsak a protonokra és neutronokra, hanem néhány más elemi részecskére is jellemzőnek bizonyult; minden olyan részecskét nevezünk hadronok. Az elektronok és fotonok nem tartoznak a hadronokhoz – nem vesznek részt erős kölcsönhatásokban.

Atomtömeg mértékegysége.

Az atomok és elemi részecskék tömege rendkívül kicsi, és kilogrammban mérni kényelmetlen. Ezért az atom- és magfizikában gyakran sokkal kisebb egységet használnak - tehát
atomtömeg-egységnek (rövidítve a.m.u.) nevezik.

Definíció szerint az atomtömeg mértékegysége a szénatom tömegének 1/12-e. Íme az értéke, öt tizedesjegy pontossággal szabványos jelöléssel:

A.e.m.kg g.

(A későbbiekben ilyen pontosságra lesz szükségünk egy nagyon fontos mennyiség kiszámításához, amelyet folyamatosan használnak az atommagok és a magreakciók energiájának számításakor.)

Kiderült, hogy 1 a. e.m. grammban kifejezve számszerűen megegyezik Avogadro konstans móljának reciprokával:

Miért történik ez? Emlékezzünk vissza, hogy Avogadro száma a 12 g szénben lévő atomok száma. Ezenkívül a szénatom tömege 12 a. e.m. Innentől kezdve:

ezért a. e m = g, ami szükséges volt.

Mint emlékszel, minden m tömegű testnek van E nyugalmi energiája, amelyet Einstein képlete fejez ki:

. (1)

Nézzük meg, milyen energiát tartalmaz egy atomtömeg-egység. A számításokat meglehetősen nagy pontossággal kell elvégeznünk, ezért a fénysebességet öt tizedesjegyig vesszük:

Tehát tömeghez a. azaz megvan a megfelelő nyugalmi energiánk:

J. (2)

Kis részecskék esetén kényelmetlen a joule használata - ugyanazon okból, mint a kilogrammokat. Van egy sokkal kisebb energiamértékegység - elektron-volt(rövidítve eV).

Definíció szerint 1 eV az az energia, amelyet az elektron nyer, amikor áthalad egy 1 voltos gyorsuló potenciálkülönbségen:

EV KlV J. (3)

(emlékezz rá, hogy a feladatokban elég az elemi töltés értékét Cl formájában használni, de itt pontosabb számításokra van szükségünk).

És most végre készen állunk arra, hogy kiszámítsuk a fent ígért nagyon fontos mennyiséget - egy atomtömeg-egység energiaegyenértékét, MeV-ben kifejezve. A (2) és (3) pontból a következőket kapjuk:

EV. (4)

Szóval, emlékezzünk: nyugalmi energiája egy a. e.m egyenlő 931,5 MeV. Ezzel a ténnyel sokszor találkozni fog a problémák megoldása során.

A jövőben szükségünk lesz a proton, a neutron és az elektron tömegére és nyugalmi energiájára. Mutassuk be azokat a problémák megoldásához szükséges pontossággal.

A.mu., MeV;
A. e.m., MeV;
A. e.m., MeV.

Tömeghiba és kötési energia.

Megszoktuk, hogy egy test tömege egyenlő azon részek tömegeinek összegével, amelyekből áll. A magfizikában ezt az egyszerű gondolatot el kell tanulnod.

Kezdjük egy példával, és vegyük a számunkra ismerős magrészecskét. A táblázatban (például Rymkevich problémakönyvében) van egy semleges hélium atom tömegének értéke: ez egyenlő 4,00260 a. e.m A héliummag M tömegének meghatározásához ki kell vonni az atomban található két elektron tömegét a semleges atom tömegéből:

Ugyanakkor a héliummagot alkotó két proton és két neutron össztömege egyenlő:

Látjuk, hogy az atommagot alkotó nukleonok tömegének összege meghaladja az atommag tömegét

A mennyiséget ún tömeghiba. Az (1) Einstein-képlet értelmében a tömeghiba energiaváltozásnak felel meg:

A mennyiséget nukleáris kötőenergiának is nevezik. Így a -részecske kötési energiája megközelítőleg 28 MeV.

Mi a kötési energia (és ezért a tömeghiba) fizikai jelentése?

Ahhoz, hogy egy atommagot protonokra és neutronokra bontsa, szükség van dolgozni az atomerők fellépése ellen. Ez a munka nem kisebb, mint egy bizonyos érték; a minimális munka, hogy elpusztítsa az atommagot, amikor a felszabaduló protonok és neutronok nyugalomban vannak.

Nos, ha a rendszeren dolgoznak, akkor a rendszer energiáján növeli az elvégzett munka mennyiségével. Ezért az atommagot alkotó nukleonok teljes nyugalmi energiája külön-külön véve több nukleáris pihenőenergia mennyiségével.

Következésképpen az atommagot alkotó nukleonok össztömege nagyobb lesz, mint magának az atommagnak a tömege. Emiatt tömeghiba lép fel.

Egy -részecskés példánkban két proton és két neutron teljes nyugalmi energiája 28 MeV-tal nagyobb, mint a héliummag nyugalmi energiája. Ez azt jelenti, hogy az atommagnak az alkotó nukleonokra való felosztásához legalább 28 MeV-nak megfelelő munkát kell végezni. Ezt a mennyiséget az atommag kötési energiájának neveztük.

Így, nukleáris megkötő energia - ez a minimális munka, amit el kell végezni, hogy egy sejtmagot alkotó nukleonokra bontsanak.

Az atommag kötési energiája az atommag nukleonjainak külön-külön vett nyugalmi energiái és magának az atommagnak a nyugalmi energiája közötti különbség. Ha a tömegmag protonokból és neutronokból áll, akkor a kötési energiára a következőt kapjuk:

A mennyiséget, mint már tudjuk, tömeghibának nevezzük.

Fajlagos kötési energia.

A magszilárdság fontos jellemzője az fajlagos kötési energia, egyenlő a kötési energia és a nukleonok számának arányával:

A fajlagos kötési energia az egy nukleonra jutó kötési energia, és arra az átlagos munkára utal, amelyet egy nukleonnak a magból való eltávolításához el kell végezni.

ábrán. Az 1. ábra a kémiai elemek természetes (vagyis a természetben előforduló 1) izotópjainak fajlagos kötési energiájának függését mutatja az A tömegszámtól.

Rizs. 1. Természetes izotópok fajlagos kötési energiája

A 210–231, 233, 236, 237 tömegszámú elemek a természetben nem fordulnak elő. Ez magyarázza a grafikon végén lévő hézagokat.

Könnyű elemeknél a fajlagos kötési energia a növekedéssel növekszik, és a vas közelében eléri a 8,8 MeV/nukleon maximális értéket (azaz körülbelül 50-65 változási tartományban). Ezután fokozatosan csökken 7,6 MeV/nukleon értékre az urán esetében.

A fajlagos kötési energia nukleonszámtól való függésének ezt a természetét két eltérő irányú faktor együttes hatása magyarázza.

Az első tényező az felületi hatások. Ha kevés nukleon van a magban, akkor ezek jelentős része található egy felületen kernelek. Ezeket a felszíni nukleonokat kevesebb szomszéd veszi körül, mint a belső nukleonokat, és ennek megfelelően kevesebb szomszédos nukleonnal lépnek kölcsönhatásba. A növekedéssel a belső nukleonok aránya nő, és a felszíni nukleonok frakciója csökken; ezért az egy nukleon magból való eltávolításához szükséges munka átlagosan növekednie kell a növekedéssel.

A nukleonok számának növekedésével azonban megjelenik a második tényező - Protonok Coulomb taszítása. Végtére is, minél több proton van az atommagban, annál nagyobb az elektromos taszító erők hajlamosak széttépni az atommagot; más szóval, minél erősebben taszítják el az egyes protonokat a többi protontól. Ezért a nukleon magból való eltávolításához szükséges munkának átlagosan csökkennie kell a növekedésével.

Míg kevés a nukleon, az első faktor dominál a másodiknál, és ezért a fajlagos kötési energia nő.

A vas közelében mindkét tényező hatását összehasonlítják egymással, aminek eredményeként a fajlagos kötési energia eléri a maximumot. Ez a legstabilabb, legtartósabb magok területe.

Ekkor a második tényező kezd felülmúlni, és a magot szétnyomó, egyre növekvő Coulomb-taszító erők hatására a fajlagos kötési energia csökken.

A nukleáris erők telítettsége.

Az a tény, hogy a második tényező dominál a nehéz atommagokban, a nukleáris erők egy érdekes tulajdonságát jelzi: telítettségi tulajdonsággal rendelkeznek. Ez azt jelenti, hogy egy nagy mag minden egyes nukleonját nukleáris erők kötik össze, nem az összes többi nukleonnal, hanem csak kis számú szomszédjával, és ez a szám nem függ az atommag méretétől.

Valójában, ha nem létezne ilyen telítettség, a fajlagos kötési energia a növekvő növekedéssel tovább nőne – elvégre minden nukleont nukleáris erők tartanának össze, egyre több nukleonnal a magban, így az első tényező változatlanul uralják a másodikat. A Coulomb-taszító erőknek esélyük sem lenne a maguk javára fordítani a helyzetet!

Minden kémiai anyag bizonyos protonokból és neutronokból áll. Azért tartják össze őket, mert az atommag kötési energiája a részecskén belül van jelen.

A nukleáris vonzóerők jellemző tulajdonsága a nagyon nagy erejük viszonylag kis távolságokon (kb. 10-13 cm). A részecskék közötti távolság növekedésével az atomon belüli vonzóerők gyengülnek.

Érvelés a magon belüli kötési energia kapcsán

Ha elképzeljük, hogy van egy mód arra, hogy az atommagtól a protonokat és neutronokat sorra leválasztjuk, és olyan távolságra helyezzük el, hogy az atommag kötési energiája megszűnjön, akkor ez nagyon kemény munka. Ahhoz, hogy komponenseit az atommagból kinyerjük, meg kell próbálni legyőzni az atomon belüli erőket. Ezek az erőfeszítések az atom felosztására irányulnak a benne lévő nukleonokra. Ezért úgy ítélhetjük meg, hogy az atommag energiája kisebb, mint azon részecskék energiája, amelyekből áll.

Az atomon belüli részecskék tömege megegyezik egy atom tömegével?

A kutatók már 1919-ben megtanulták megmérni az atommag tömegét. Leggyakrabban tömegspektrométereknek nevezett speciális technikai eszközökkel „mérik le”. Az ilyen eszközök működési elve az, hogy összehasonlítják a különböző tömegű részecskék mozgásának jellemzőit. Ezen túlmenően az ilyen részecskék azonos elektromos töltésekkel rendelkeznek. A számítások azt mutatják, hogy a különböző tömegű részecskék különböző pályákon mozognak.

A modern tudósok nagy pontossággal meghatározták az összes atommag tömegét, valamint az őket alkotó protonokat és neutronokat. Ha összehasonlítjuk egy adott atommag tömegét a benne lévő részecskék tömegének összegével, akkor kiderül, hogy az atommag tömege minden esetben nagyobb lesz, mint az egyes protonok és neutronok tömege. Ez a különbség körülbelül 1% bármely adott vegyszer esetében. Ebből arra következtethetünk, hogy egy atommag kötési energiája nyugalmi energiájának 1%-a.

Az intranukleáris erők tulajdonságai

Az atommag belsejében lévő neutronokat a Coulomb-erők taszítják el egymástól. De ugyanakkor az atom nem esik szét. Ezt elősegíti az atom részecskéi közötti vonzó erő jelenléte. Az ilyen erőket, amelyek nem elektromosak, nukleárisnak nevezzük. A neutronok és protonok kölcsönhatását pedig erős kölcsönhatásnak nevezik.

Röviden, a nukleáris erők tulajdonságai a következők:

• ez a töltésfüggetlenség;
• akció csak rövid távolságokon;
• valamint a telítettség, ami arra utal, hogy csak bizonyos számú nukleon marad egymás közelében.

Az energiamegmaradás törvénye szerint abban a pillanatban, amikor a nukleáris részecskék egyesülnek, energia szabadul fel sugárzás formájában.

Az atommagok kötési energiája: képlet

A fenti számításokhoz az általánosan elfogadott képletet használjuk:

Est=(Z·m p +(A-Z)·m n -Mén)·c²

Itt lent Est az atommag kötési energiájára utal; Val vel- fénysebesség; Z-protonok száma; (A-Z) - neutronok száma; m p a proton tömegét jelöli; A m n- neutron tömeg. M i az atommag tömegét jelöli.

Különféle anyagok magjainak belső energiája

Az atommag kötési energiájának meghatározásához ugyanezt a képletet használjuk. A képlettel számított kötési energia, amint azt korábban említettük, nem több, mint az atom teljes energiájának vagy nyugalmi energiájának 1%-a. Közelebbről megvizsgálva azonban kiderül, hogy ez a szám anyagról anyagra haladva meglehetősen erősen ingadozik. Ha megpróbáljuk meghatározni a pontos értékeit, különösen az úgynevezett könnyű atommagok esetében különböznek.

Például a hidrogénatomon belüli kötési energia nulla, mert csak egy protont tartalmaz. A hélium atommag kötési energiája 0,74%. A trícium nevű anyag magjai esetében ez a szám 0,27%. Az oxigén 0,85%. A körülbelül hatvan nukleont tartalmazó magokban az atomon belüli kötés energiája körülbelül 0,92%. A nagyobb tömegű atommagok esetében ez a szám fokozatosan 0,78%-ra csökken.

A hélium, trícium, oxigén vagy bármely más anyag magjának kötési energiájának meghatározásához ugyanezt a képletet használják.

Protonok és neutronok típusai

Az ilyen különbségek fő okai megmagyarázhatók. A tudósok azt találták, hogy az atommagban található összes nukleon két kategóriába sorolható: felszíni és belső. A belső nukleonok azok, amelyeket minden oldalról más protonok és neutronok vesznek körül. A felületeseket csak belülről veszik körül.

Az atommag kötési energiája a belső nukleonokban kifejezettebb erő. Valami hasonló egyébként történik különféle folyadékok felületi feszültségével.

Hány nukleon fér bele egy magba

Megállapították, hogy a belső nukleonok száma különösen kicsi az úgynevezett könnyű magokban. A legkönnyebb kategóriába tartozóknál pedig szinte minden nukleon felszíni nukleonnak számít. Úgy gondolják, hogy az atommag kötési energiája olyan mennyiség, amelynek növekednie kell a protonok és neutronok számával. De még ez a növekedés sem folytatódhat a végtelenségig. Bizonyos számú nukleonnál - és ez 50 és 60 között van - egy másik erő lép működésbe - az elektromos taszítás. Még akkor is előfordul, ha a mag belsejében van kötési energia.

A különböző anyagokban lévő atommag kötési energiáját a tudósok nukleáris energia felszabadítására használják fel.

Sok tudóst mindig is érdekelt a kérdés: honnan származik az energia, amikor a könnyebb atommagok nehezebbekké egyesülnek? Valójában ez a helyzet hasonlít az atomhasadáshoz. A könnyű atommagok fúziója során, akárcsak a nehéz magok hasadása során, mindig erősebb típusú magok keletkeznek. Ahhoz, hogy a bennük lévő összes nukleont „kihozzuk” a könnyű magokból, kevesebb energiát kell elkölteni, mint amennyi az egyesülésükkor felszabadul. Ennek fordítva is igaz. Valójában a fúzió energiája, amely egy bizonyos tömegegységre esik, nagyobb lehet, mint a hasadás fajlagos energiája.

A maghasadási folyamatokat tanulmányozó tudósok

A folyamatot Hahn és Strassman tudósok fedezték fel 1938-ban. A Berlini Kémiai Egyetem kutatói felfedezték, hogy az urán más neutronokkal való bombázása során könnyebb elemekké alakul át, amelyek a periódusos rendszer közepén helyezkednek el.

Ennek a tudásterületnek a fejlődéséhez jelentős mértékben hozzájárult Lise Meitner is, akinek Hahn egy időben a radioaktivitás közös tanulmányozását javasolta. Hahn csak azzal a feltétellel engedélyezte Meitnernek, hogy dolgozzon, ha az alagsorban folytatja kutatásait, és soha nem megy fel a felsőbb emeletekre, ami diszkrimináció volt. Ez azonban nem akadályozta meg abban, hogy jelentős sikereket érjen el az atommag kutatásában.

Annak érdekében, hogy az atommagok stabilak legyenek, a protonokat és a neutronokat hatalmas erőknek kell tartaniuk az atommagban, sokszorosan nagyobb erőknek, mint a protonok Coulomb-taszításának erői. A nukleonokat az atommagban tartó erőket ún nukleáris . Ezek a fizika által ismert legintenzívebb kölcsönhatás-típus - az úgynevezett erős kölcsönhatás - megnyilvánulási formái. A nukleáris erők körülbelül 100-szor nagyobbak, mint az elektrosztatikus erők, és több tíz nagyságrenddel nagyobbak, mint a nukleonok közötti gravitációs kölcsönhatás erői. Az atomerők fontos jellemzője rövid hatótávolságuk. A nukleáris erők – amint azt Rutherford α-részecskék szóródásával kapcsolatos kísérletei is kimutatták – csak az atommag nagyságrendjének megfelelő távolságban mutatkoznak meg (10 –12 –10 –13 cm). Nagy távolságokon a viszonylag lassan csökkenő Coulomb-erők hatása nyilvánul meg.

Kísérleti adatok alapján megállapíthatjuk, hogy az atommag protonjai és neutronjai az erős kölcsönhatás tekintetében azonosan viselkednek, azaz a nukleáris erők nem függenek a részecskéken lévő elektromos töltés jelenlététől vagy hiányától.

A magfizikában a legfontosabb szerepet a koncepció játssza nukleáris megkötő energia .

Az atommag kötési energiája megegyezik azzal a minimális energiával, amelyet az atommagnak az egyes részecskékre történő teljes felosztásához el kell fordítani. Az energiamegmaradás törvényéből az következik, hogy a kötési energia egyenlő azzal az energiával, amely az egyes részecskékből való magképzés során felszabadul.

Bármely mag kötési energiája meghatározható a tömegének pontos mérésével. Jelenleg a fizikusok megtanulták a részecskék - elektronok, protonok, neutronok, atommagok stb. - tömegét nagyon nagy pontossággal mérni. Ezek a mérések azt mutatják bármely mag tömege M énmindig kisebb, mint az alkotó protonok és neutronok tömegének összege:

Ez az energia az atommag kialakulása során szabadul fel γ-kvantumsugárzás formájában.

Példaként számítsuk ki a hélium atommag kötési energiáját, például az ionizációs energia 13,6 eV.

A táblázatokban szokás feltüntetni fajlagos kötési energia , azaz nukleononkénti kötési energia. Egy héliummag esetében a fajlagos kötési energia körülbelül 7,1 MeV/nukleon. ábrán. A 6.6.1 grafikont mutatja a fajlagos kötési energia tömegszám függvényében A. A grafikonon látható, hogy a nukleonok fajlagos kötési energiája nem azonos a különböző atommagoknál. A könnyű atommagok esetében a fajlagos kötési energia először meredeken növekszik a deutérium 1,1 MeV/nukleon értékéről a hélium esetében 7,1 MeV/nukleonra. Ezután egy sor ugrás után a fajlagos energia lassan 8,7 MeV/nukleon maximális értékre nő a tömegszámú elemeknél. A= 50-60, majd a nehéz elemeknél viszonylag lassan csökken. Például az urán esetében ez 7,6 MeV/nukleon.

A fajlagos kötési energia csökkenése a nehéz elemekre való átálláskor a protonok Coulomb-taszítási energiájának növekedésével magyarázható. A nehéz magokban a nukleonok közötti kötés gyengül, maguk az atommagok pedig kevésbé erősek.

Amikor stabil tüdő atommagok, ahol a Coulomb-kölcsönhatás szerepe kicsi, a protonok és neutronok száma ZÉs N azonosnak bizonyul (, , ). A nukleáris erők hatására proton-neutron párok jönnek létre. A nagyszámú protont tartalmazó nehéz atommagok esetében azonban a Coulomb-taszítási energia növekedése miatt további neutronokra van szükség a stabilitás biztosításához. ábrán. A 6.6.2 ábra egy diagram, amely a protonok és neutronok számát mutatja stabil atommagokban. A bizmutot követő magokhoz ( Z> 83), a protonok nagy száma miatt a teljes stabilitás általában lehetetlen.

ábrából 6.6.1 világos, hogy energetikai szempontból a periódusos rendszer középső részében lévő elemek magjai a legstabilabbak. Ez azt jelenti, hogy két lehetőség van a nukleáris átalakulásból származó pozitív energiahozam elérésére:

1. nehéz magok könnyebbekre osztódása;

2. könnyű atommagok fúziója nehezebbekké.

Mindkét folyamat hatalmas mennyiségű energiát szabadít fel. Jelenleg mindkét folyamat gyakorlatilag megvalósul: a hasadási reakciók és a termonukleáris reakciók.

Csináljunk néhány becslést. Például egy uránmagot két azonos, 119-es tömegszámú magra osztunk. 6.6.1, a fajlagos kötési energia körülbelül 8,5 MeV/nukleon. Az uránmag fajlagos kötési energiája 7,6 MeV/nukleon. Következésképpen az uránmag hasadása 0,9 MeV/nukleon vagy több mint 200 MeV/uránatom energia szabadul fel.

Nézzünk most egy másik folyamatot. Bizonyos feltételek mellett két deutériummag egyesüljön egy héliummaggá. A deutériummagok fajlagos kötési energiája 1,1 MeV/nukleon, a héliummagok fajlagos kötési energiája 7,1 MeV/nukleon. Következésképpen egy héliummag szintézise két deutériummagból 6 MeV/nukleon vagy 24 MeV/héliumatom energia szabadul fel.

Megjegyzendő, hogy a könnyű atommagok szintézise a nehéz atommagok hasadásához képest hozzávetőleg hatszor nagyobb nukleononkénti energiafelszabadulással jár.

Az atommag az A elemi részecskék - nukleonok - rendszere, amelyeket vonzó erők tartanak össze, és nem relativisztikus sebességgel mozognak az atommag belsejében. Egy ilyen rendszert jó közelítéssel ír le a nemrelativisztikus kvantummechanika. Bármely kvantumrendszert, beleértve az atommagot is, egy bizonyos állapotspektrum jellemez.

Nyilvánvaló, hogy egy izolált rendszer állapotainak jellemzői lehetnek olyan fizikai mennyiségek, amelyek nem, vagy csak alig változnak az időben.

Az első esetben mozgásintegrálokkal van dolgunk, vagy ahogy néha mondják, „jó kvantumszámokkal”, a másodikban közelítő mozgásintegrálokkal vagy „pontatlan kvantumszámokkal”. Bármely kvantumrendszer, különösen az atommag mozgási integrálja az energia, a teljes impulzusimpulzus, a hullámfüggvény paritása (az atommag úgynevezett „belső” állapotáról beszélünk, amelyet a koordináta-rendszerben írunk le. a tehetetlenségi középpont, ezért az olyan mozgásállandók, mint az impulzusmagok összességében nem vehetők figyelembe). Tekintsük ezeket a mennyiségeket külön-külön.

A különböző állapotú atommagok általában eltérő összenergiával rendelkeznek. Azt az állapotot, amely egy adott mag esetében a lehető legkisebb energiának felel meg, földnek nevezzük; az összes többi állapotot izgatottnak nevezzük.

Normál körülmények között az atommagok alapállapotban vannak. Ha az atommag állapotában van energiája, akkor azt mondjuk, hogy az atommag energiaszinten van. Ha a kvantumszámokkal meghatározott állapotok ugyanannak az energiának felelnek meg, de néhány más kvantumszám eltérő (pl. szögimpulzus vetülete valamelyik koordinátatengelyre), akkor ezekben a kvantumszámokban a szintet többszörösen degeneráltnak mondjuk. A kötött állapotú atommagok energiaszintjének spektrumai diszkrétek, vagyis minden szint újraszámozható a természetes sorozatból származó számok segítségével.

A mag bármely gerjesztett állapota instabil. Ha az atommag egy magasabb (gerjesztett) kvantumállapotba kerül, akkor egy vagy több elektromágneses kvantum – y-sugarak vagy egyéb részecskék – kibocsátásával tér vissza az alapállapotba.

Az atommag teljes energiája a tömegével van összefüggésben az Einstein-féle összefüggés alapján:

Az atommagok tömegének pontos mérése azt mutatta, hogy egy komplex atommag tömege nem egyenlő a magban lévő részecskék tömegének összegével, hanem mindig

több tized százalékkal kevesebb, mint ez az érték. A mag tömegét a kifejezés határozza meg

hol van a proton és a neutron tömege.

A nukleontömegek összege és az atommag tömege közötti különbség jellemzi ezen nukleonok kötési energiáját az atommagban, vagyis azt az energiát, amelyet egy adott magnak az alkotó nukleonokra való felosztásához kell fordítani.

A legtöbb kísérletben a mért mennyiség a Mat atom tömege, amely az elektronok tömegével különbözik az atommag tömegétől. Mivel az atomban lévő elektronok száma mindig megegyezik az atommagban lévő protonok számával, az atom tömege így írható fel.

ahol a hidrogénatom tömege

Az elektronok kötési energiája egy atomban elhanyagolható az atommag kötési energiájához képest, ezért nem veszik figyelembe a (15) és (16) kifejezésekben.

A (14) kifejezésből az következik, hogy az atommag energiája eltér az azt alkotó részecskéinek összenergiájától, amelyek nyugalmi állapotban vannak és nincsenek egymással kapcsolatban.

Ezen értékek közötti különbség a mag teljes kötési energiája

Így az atommagok és a nukleonok tömegének ismeretében lehetőség nyílik az atommagok kötési energiáinak számszerű meghatározására. Ha ismert a semleges atomok tömege, akkor

Amikor az atommagok nukleonok kombinálásával jönnek létre, akkor az atommag kötési energiájával egyenlő energiát kell felszabadítani.

Mutassuk be néhány atommag kötési energia értékét

Sok esetben például az atommagok stabilitásának összehasonlítására alkalmazzák a fajlagos kötési energia fogalmát - amely egy magban lévő nukleon átlagos kötési energiáját jellemzi.

Az érték megegyezik a teljes energia és az A mag nukleonjainak teljes számának arányával:

Más szóval, ez az az energia, amelyet átlagosan el kell fordítani egy nukleon eltávolítására az atommagból anélkül, hogy kinetikus energiát adna neki. Minél magasabb az érték, annál stabilabb a mag. ábrán. A 7. ábra a tömegszámtól való függést mutatja stabil magok esetén

Rizs. 7. A 8-as nukleonra jutó átlagos kötési energia függése az A tömegszámtól

ábrán láthatóból. A kísérleti függőség 7. ábráján látható, hogy kis A-nál az érték szabálytalanul változik, és az átlagos értékhez képest rendellenesen kicsi.

A nukleonkötési energiák ilyen nagy értékei kolosszális erőkre utalnak, amelyek szilárdan tartják a protonokat és a neutronokat az atommagban, a protonok nagy elektrosztatikus taszítása ellenére. A protonok elektrosztatikus taszításának energiája például egy héliummagban az

A függőség lefolyásából számos nagyon fontos következtetés következik, amelyekre az atomerők elméletének alapoznia kell.

1. Egy mag teljes kötési energiája nagyjából arányosnak tekinthető a magban lévő nukleonok számával, mivel a legtöbb atommag esetében a 8 szinte állandó, és

Ez azt jelenti, hogy egy nukleon nem az összes körülvevő nukleonnal képes kölcsönhatásba lépni, hanem csak korlátozott számú nukleonnal. Valójában, ha a mag minden nukleonja kölcsönhatásba lépne az összes többi nukleonnal, akkor a teljes kötési energia arányos lenne

Ez azt jelzi, hogy a nukleáris erők telítettségi tulajdonsággal rendelkeznek.

2. A 8 mint függvény viselkedésének részletesebb vizsgálata azt mutatja, hogy a kötési energia a páros-páros atommagok, azaz a páros számú proton és páros számú neutron atommagok esetén a legnagyobb.

Ez a körülmény a rendszer különleges erejét jelzi

négy nukleon: azonos nukleonok csoportokba való kombinációjának létezése a magban.

3. A fajlagos kötési energiának kicsi a maximuma azoknál a magoknál, amelyek protonjainak vagy neutronjainak száma 2, 8, 20, 50, 82, 126. Ezeket a számokat „varázslatnak” nevezik: Ez a körülmény arra utal, hogy az atommagnak, akárcsak az atomnak, van héja. szerkezetű, és akkor a legstabilabb, ha a héj teljesen meg van töltve.

4. Ha a könnyű atommagok fajlagos kötési energiájának függését egy fix értéken ábrázoljuk, akkor a maximuma

Ez azt jelzi, hogy a könnyű atommagok akkor a legstabilabbak, ha a protonok száma megegyezik a neutronok számával.

Nehéz magoknál a maximum felé tolódik

vagyis a nehéz atommagok stabilabbak, ha a neutronok száma meghaladja a protonok számát.

5. A görbe menetéből (7. ábra) az is jól látható, hogy ha két könnyű atommagot egyesítünk egy közepes tömegű magba, vagy egy nehéz magot osztunk két közepes méretű magra, akkor energia szabadul fel egy az újonnan képződött magok kötési energiájának növekedése.

Az első típusú folyamatok - a könnyű atommagok szintézisének folyamatai folyamatosan előfordulnak az Univerzumban, amely a csillagok sugárzó energiájának forrása, és a termonukleáris fúzió (hidrogénbomba) alapját képezi. A második típusú folyamatokat - a nehéz atommagok hasadását - energiatermelésre használják az atomenergiában.

Eddig az atommag kötési energiájáról beszéltünk az összes alkotó nukleonhoz viszonyítva. Hasonló módon meghatározhatja az atommag kötési energiáját bármely más komponenshez viszonyítva. Kiszámításához ki kell vonni a teljes mag nyugalmi energiáját az alkotórészeinek nyugalmi energiájából. Például egy oxigénmag négy héliummagra osztásához annyi energiát kell elkölteni, mint

A kernel elosztásához költeni kell, ami egyenlő