הרצאה 18.יסודות הפיזיקה של גרעין האטום

מתווה ההרצאה

גרעין אטום. פגם המוני, אנרגיית קישור גרעינית.

קרינה רדיואקטיבית וסוגיה. חוק ההתפרקות הרדיואקטיבית.

חוקי שימור להתפרקות רדיואקטיבית ותגובות גרעיניות.

1.גרעין אטום. פגם המוני, אנרגיית קישור גרעינית.

הרכב גרעין האטום

פיזיקה גרעינית- מדע המבנה, התכונות והטרנספורמציות של גרעיני אטום. בשנת 1911, E. Rutherford קבע בניסויים על פיזור של חלקיקי α בזמן שהם עוברים בחומר כי אטום ניטרלי מורכב מגרעין קומפקטי בעל מטען חיובי ומענן אלקטרונים שלילי. ו. הייזנברג וד.ד. איבננקו (באופן עצמאי) שיער שהגרעין מורכב מפרוטונים ונייטרונים.

גרעין אטום- החלק המסיבי המרכזי של אטום, המורכב מפרוטונים ונויטרונים, הנקראים ביחד נוקלונים. כמעט כל המסה של האטום מרוכזת בגרעין (יותר מ-99.95%). מימדי הגרעינים הם בסדר גודל של 10 -13 - 10 -12 ס"מ ותלויים במספר הגרעינים בגרעין. צפיפות החומר הגרעיני עבור גרעינים קלים וכבדים היא כמעט זהה והיא בערך 10 17 ק"ג/מ"ק, כלומר. 1 ס"מ 3 של חומר גרעיני ישקול 100 מיליון טון גרעינים הם בעלי מטען חשמלי חיובי השווה לערך המוחלט של סך המטען של האלקטרונים באטום.

פּרוֹטוֹן (סמל p) - חלקיק יסודי, גרעין של אטום מימן. לפרוטון יש מטען חיובי השווה בגודלו למטען של אלקטרון. מסת פרוטון m p = 1.6726 10 -27 ק"ג = 1836 m e, כאשר m e היא מסת האלקטרון.

בפיזיקה גרעינית נהוג לבטא מסות ביחידות מסה אטומית:

1 אמו = 1.65976 10 -27 ק"ג.

לכן, מסת הפרוטון, המתבטאת באמו, שווה ל

m p = 1.0075957 אמו

מספר הפרוטונים בגרעין נקרא מספר חיוב Z. זה שווה למספר האטומי של יסוד נתון, ולכן, קובע את מקומו של היסוד בטבלה המחזורית של היסודות של מנדלייב.

נֵיטרוֹן (סימן n) הוא חלקיק יסודי שאין לו מטען חשמלי, שהמסה שלו גדולה מעט ממסה של פרוטון.

מסת ניוטרונים m n = 1.675 10 -27 ק"ג = 1.008982 אמו מספר הנייטרונים בגרעין מסומן N.

המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים בגרעין (מספר נוקלונים) נקרא מספר מסהוהוא מסומן באות א',

כדי לציין גרעינים, נעשה שימוש בסמל, כאשר X הוא הסמל הכימי של היסוד.

איזוטופים- זנים של אטומים של אותו יסוד כימי, שלגרעיני האטום שלהם יש אותו מספרפרוטונים (Z) ומספרים שונים של נויטרונים (N). הגרעינים של אטומים כאלה נקראים גם איזוטופים. איזוטופים תופסים את אותו מקום בטבלה המחזורית של היסודות. כדוגמה, הנה האיזוטופים של מימן:

הרעיון של כוחות גרעיניים.

גרעיני האטומים הם תצורות חזקות ביותר, למרות העובדה שפרוטונים בעלי מטען דומה, הנמצאים במרחקים קטנים מאוד בגרעין האטום, חייבים לדחות זה את זה בכוח עצום. כתוצאה מכך, כוחות משיכה חזקים ביותר בין נוקלונים פועלים בתוך הגרעין, גדולים פי כמה מכוחות הדחייה החשמליים בין פרוטונים. כוחות גרעיניים הם סוג מיוחד של כוח הם החזקים ביותר מכל האינטראקציות המוכרות בטבע.

מחקר הראה שלכוחות גרעיניים יש את התכונות הבאות:

כוחות משיכה גרעיניים פועלים בין נוקלונים כלשהם, ללא קשר למצב המטען שלהם;

כוחות משיכה גרעיניים הם קצרי טווח: הם פועלים בין כל שני גרעינים במרחק בין מרכזי החלקיקים של כ-2·10 -15 מ' ויורדים בחדות עם הגדלת המרחק (במרחקים הגדולים מ-3·10 -15 מ' הם למעשה שווה לאפס);

כוחות גרעיניים מאופיינים ברוויה, כלומר. כל נוקלאון יכול לקיים אינטראקציה רק ​​עם הגרעין הקרוב אליו;

כוחות גרעיניים אינם מרכזיים, כלומר. הם אינם פועלים לאורך הקו המחבר בין מרכזי הגרעינים המקיימים אינטראקציה.

נכון לעכשיו, טבעם של כוחות גרעיניים אינו מובן במלואו. נקבע שהם מה שנקרא כוחות חילופין. כוחות החליפין הם קוונטיים בטבעם ואין להם אנלוגי בפיזיקה הקלאסית. נוקלונים מחוברים זה לזה על ידי חלקיק שלישי, אותו הם מחליפים כל הזמן. בשנת 1935, הפיזיקאי היפני H. Yukawa הראה כי נוקלונים מחליפים חלקיקים שהמסה שלהם גדולה בערך פי 250 ממסה של אלקטרון. החלקיקים החזויים התגלו בשנת 1947 על ידי המדען האנגלי S. Powell תוך כדי חקר קרניים קוסמיות ונקראו לאחר מכן -mesons או pions.

התמורות ההדדיות של הנייטרון והפרוטון מאושרות על ידי ניסויים שונים.

פגם במוניות של גרעיני אטום. אנרגיית קשירה של גרעין האטום.

הגרעינים בגרעין האטום קשורים זה בזה על ידי כוחות גרעיניים, לכן, על מנת לחלק את הגרעין לפרוטונים ולנייטרונים בודדים שלו, יש צורך להוציא הרבה אנרגיה.

האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי להפריד גרעין לגרעין המרכיבים אותו נקראת אנרגיית קישור גרעינית. אותה כמות אנרגיה משתחררת אם נויטרונים ופרוטונים חופשיים מתחברים ויוצרים גרעין.

מדידות ספקטרוסקופיות מסות מדויקות של מסות גרעיניות הראו שמסת המנוחה של גרעין אטום קטנה מסכום מסות המנוחה של נויטרונים ופרוטונים חופשיים שמהם נוצר הגרעין. ההבדל בין סכום המסות המנוחה של נוקלונים חופשיים שמהם נוצר הגרעין לבין מסת הגרעין נקרא פגם המוני:

הפרש המסה הזה m מתאים לאנרגיית הקישור של הגרעין ה רחוב., נקבע על ידי היחס של איינשטיין:

או, החלפת הביטוי ב- M, אנחנו מקבלים:

אנרגיית הקישור מתבטאת בדרך כלל במגה אלקטרוני וולט (MeV). הבה נקבע את אנרגיית הקישור המתאימה ליחידת מסה אטומית אחת (, מהירות האור בוואקום
):

הבה נמיר את הערך המתקבל לאקטרון וולט:

בהקשר זה, בפועל נוח יותר להשתמש בביטוי הבא לאנרגיית הקישור:

כאשר הגורם m מתבטא ביחידות מסה אטומית.

מאפיין חשוב של הגרעין הוא אנרגיית הקישור הספציפית של הגרעין, כלומר. אנרגיית קשירה לנוקלאון:

.

יותר , ככל שהנוקלונים מחוברים זה לזה בצורה חזקה יותר.

התלות של הערך  במספר המסה של הגרעין מוצגת באיור 1. כפי שניתן לראות מהגרף, גרעינים בגרעינים עם מספרי מסה בסדר גודל של 50-60 (Cr-Zn) קשורים בצורה החזקה ביותר. אנרגיית הקישור לגרעינים אלה מגיעה

« פיזיקה - כיתה יא"

מבנה גרעין האטום. כוחות גרעיניים

מיד לאחר שהתגלה הנייטרון בניסויים של צ'דוויק, הציעו הפיזיקאי הסובייטי D.D. Ivanenko והמדען הגרמני W. Heisenberg בשנת 1932 מודל פרוטון-נייטרון של הגרעין.
זה אושר על ידי מחקרים שלאחר מכן על טרנספורמציות גרעיניות וכיום מקובל בדרך כלל.

מודל פרוטון-נייטרון של הגרעין

לפי מודל הפרוטונים-נייטרונים, הגרעינים מורכבים משני סוגים של חלקיקים אלמנטריים - פרוטונים וניוטרונים.

מכיוון שהאטום בכללותו הוא נייטרלי מבחינה חשמלית, והמטען של פרוטון שווה למודול המטען של אלקטרון, מספר הפרוטונים בגרעין שווה למספר האלקטרונים במעטפת האטום.
לכן, מספר הפרוטונים בגרעין שווה למספר האטומי של היסוד זבמערכת היסודות המחזורית מאת D.I.

סכום מספר הפרוטונים זומספר נויטרונים נבקרנל נקרא מספר מסהומסומן במכתב א:

A = Z + N

המסות של פרוטון ונייטרון קרובות זו לזו וכל אחד מהם שווה בקירוב ליחידת מסה אטומית.
מסת האלקטרונים באטום קטנה בהרבה ממסת הגרעין שלו.
לכן, מספר המסה של הגרעין שווה למסה האטומית היחסית של היסוד מעוגל למספר שלם.
ניתן לקבוע מספרי מסה על ידי מדידה בערך של מסת הגרעינים באמצעות מכשירים שאינם מדויקים במיוחד.

איזוטופים הם גרעינים בעלי אותו ערך ז, אבל עם מספרי מסה שונים א, כלומר עם מספר שונה של נויטרונים נ.

כוחות גרעיניים

מכיוון שהגרעינים יציבים מאוד, פרוטונים וניטרונים חייבים להיות מוחזקים בתוך הגרעין על ידי כמה כוחות, וחזקים מאוד.
לא כוחות הכבידה חלשים מדי.
לא ניתן להסביר את יציבות הגרעין גם בכוחות אלקטרומגנטיים, שכן דחייה חשמלית פועלת בין פרוטונים בעלי מטען דומים.
ולנייטרונים אין מטען חשמלי.

זה אומר שבין חלקיקים גרעיניים - פרוטונים וניוטרונים, הם נקראים נוקלונים- יש כוחות מיוחדים שנקראים כוחות גרעיניים.

מהן התכונות העיקריות של כוחות גרעיניים? כוחות גרעיניים גדולים פי 100 בערך מכוחות חשמליים (קולומב).
אלו הם הכוחות החזקים מכל הקיימים בטבע.
לכן, האינטראקציות של חלקיקים גרעיניים נקראות לעתים קרובות אינטראקציות חזקות.

אינטראקציות חזקות מתבטאות לא רק באינטראקציות של נוקלונים בגרעין.
זהו סוג מיוחד של אינטראקציה הטבועה ברוב החלקיקים היסודיים יחד עם אינטראקציות אלקטרומגנטיות.

אַחֵר תכונה חשובהכוחות גרעיניים הם קצרי פעולה.
כוחות אלקטרומגנטיים נחלשים לאט יחסית עם הגדלת המרחק.
כוחות גרעיניים מתבטאים באופן ניכר רק במרחקים השווים לגודל הגרעין (10 -12 -10 -13 ס"מ), מה שכבר הוכח בניסויים של רתרפורד על פיזור חלקיקי α על ידי גרעיני אטום.
גָמוּר תורת הכמותכוחות גרעיניים עדיין לא פותחו.
התקדמות משמעותית בפיתוחו הושגה די לאחרונה - ב-10-15 השנים האחרונות.

גרעיני האטומים מורכבים מפרוטונים ונויטרונים. חלקיקים אלה מוחזקים בגרעין על ידי כוחות גרעיניים.

איזוטופים

חקר תופעת הרדיואקטיביות הוביל לתגלית חשובה: טבעם של גרעיני האטום הובהר.

כתוצאה מהתבוננות במספר עצום של טרנספורמציות רדיואקטיביות, התגלה בהדרגה כי ישנם חומרים זהים בתכונותיהם הכימיות, אך בעלי תכונות רדיואקטיביות שונות לחלוטין (כלומר, הם מתכלים בצורה שונה).
לא ניתן היה להפריד ביניהם באף אחת מהשיטות הכימיות המוכרות.
על בסיס זה, Soddy בשנת 1911 הציע את האפשרות של קיומם של אלמנטים עם אותו הדבר תכונות כימיות, אך שונים, במיוחד, ברדיואקטיביות שלהם.
אלמנטים אלה חייבים להיות ממוקמים באותו תא של המערכת המחזורית של מנדלייב.
סודי התקשר אליהם איזוטופים(כלומר תופסים את אותם מקומות).

ההנחה של סודי קיבלה אישור מבריק ופרשנות מעמיקה שנה לאחר מכן, כאשר ג'יי ג'יי תומסון ביצע מדידות מדויקות של מסת יוני הניאון על ידי הסטתם בשדות חשמליים ומגנטיים.
הוא גילה שניאון הוא תערובת של שני סוגים של אטומים.
לרובם יש מסה יחסית של 20.
אבל יש חלק קטן של אטומים עם מסה אטומית יחסית של 22.
כתוצאה מכך, המסה האטומית היחסית של התערובת הייתה 20.2.
אטומים בעלי אותן תכונות כימיות שונות במסה.

שני סוגי אטומי הניאון, באופן טבעי, תופסים את אותו מקום בטבלה של מנדלייב, ולכן הם איזוטופים.
לפיכך, איזוטופים יכולים להיות שונים לא רק בתכונות הרדיואקטיביות שלהם, אלא גם במסה.
לכן לאיזוטופים יש אותם מטענים של גרעיני אטום, כלומר מספר האלקטרונים בקליפות האטומים, וכתוצאה מכך, התכונות הכימיות של איזוטופים זהות.
אבל המסות של הגרעינים שונות.
יתר על כן, גרעינים יכולים להיות גם רדיואקטיביים וגם יציבים.
ההבדל בתכונות של איזוטופים רדיואקטיביים נובע מכך שלגרעינים שלהם מסות שונות.

קיומם של איזוטופים עבור רוב היסודות הכימיים הוכח כעת.
לחלק מהיסודות יש רק איזוטופים לא יציבים (כלומר רדיואקטיביים).
ליסוד הכבד ביותר הקיים בטבע - אורניום (מסות אטומיות יחסיות 238, 235 וכו') והקל ביותר - מימן (מסות אטומיות יחסיות 1, 2, 3) הם בעלי איזוטופים.

איזוטופי מימן מעניינים במיוחד, מכיוון שהם שונים במסה פי 2 ו-3.
איזוטופ עם מסה אטומית יחסית של 2 נקרא דאוטריום.
הוא יציב (כלומר, לא רדיואקטיבי) ומופיע כטומאה קטנה (1:4500) במימן רגיל.
כאשר דאוטריום מתחבר עם חמצן, נוצרים מה שנקרא מים כבדים.
התכונות הפיזיקליות שלו שונות באופן ניכר מאלו של מים רגילים.
בלחץ אטמוספרי רגיל, הוא רותח ב-101.2 מעלות צלזיוס וקופא ב-3.8 מעלות צלזיוס.

איזוטופ של מימן עם מסה אטומית 3 נקרא טריטיום.
הוא רדיואקטיבי β ובעל זמן מחצית חיים של כ-12 שנים.

קיומם של איזוטופים מוכיח שהמטען של גרעין האטום אינו קובע את כל תכונות האטום, אלא רק את התכונות הכימיות שלו ואותן תכונות פיזיקליות התלויות בפריפריה של מעטפת האלקטרון, למשל, גודל האטום.
המסה של אטום ותכונותיו הרדיואקטיביות אינן נקבעות לפי המספר הסידורי בטבלה של מנדלייב.

ראוי לציין כי עם מדידה מדויקת של יחסי מסות אטומיותאיזוטופים התברר שהם קרובים למספרים שלמים.
אבל המסות האטומיות של יסודות כימיים לפעמים שונות מאוד ממספרים שלמים.
לפיכך, המסה האטומית היחסית של כלור היא 35.5.
זה אומר שבמצבו הטבעי מבחינה כימית חומר טהורהוא תערובת של איזוטופים בפרופורציות שונות.
השלמות (המשוערת) של המסות האטומיות היחסיות של איזוטופים חשובה מאוד להבהרת המבנה של גרעין האטום.

לרוב היסודות הכימיים יש איזוטופים.
המטענים של הגרעינים האטומיים של איזוטופים זהים, אבל המסות של הגרעינים שונות.

אטום מורכב מגרעין טעון חיובי ואלקטרונים המקיפים אותו. לגרעיני אטום יש ממדים של כ-10 -14 ... 10 -15 מ' (הממדים הליניאריים של אטום הם 10 -10 מ').

גרעין האטום מורכב מחלקיקים יסודיים - פרוטונים וניוטרונים.מודל הפרוטון-נייטרון של הגרעין הוצע על ידי הפיזיקאי הרוסי D. D. Ivanenko, ולאחר מכן פותח על ידי W. Heisenberg.

פרוטון ( ר) בעל מטען חיובי השווה למטען האלקטרונים ומסת מנוחה ט ע = 1.6726∙10 -27 ק"ג 1836 M ה, איפה M המסת אלקטרונים. ניוטרון ( נ) – חלקיק ניטרלי עם מסת מנוחה M נ= 1.6749∙10 -27 ק"ג 1839 ט ה ,. מסת הפרוטונים והנייטרונים מתבטאת לרוב ביחידה אחרת - יחידות מסה אטומית (אמו, יחידת מסה השווה ל-1/12 מסה של אטום פחמן

). המסות של פרוטון ונייטרון שוות ליחידת מסה אטומית אחת בקירוב. פרוטונים וניטרונים נקראים נוקלונים(מ-lat. גַרעִין ליבה). המספר הכולל של נוקלונים בגרעין אטום נקרא מספר המסה א).

רדיוסי הגרעינים גדלים עם מספר המסה עולה בהתאם ליחס R= 1,4א 1/3 10 -13 ס"מ.

ניסויים מראים שלגרעינים אין גבולות חדים. במרכז הגרעין יש צפיפות מסוימת של חומר גרעיני, והיא יורדת בהדרגה לאפס עם המרחק הגדל מהמרכז. בשל היעדר גבול מוגדר בבירור של הגרעין, ה"רדיוס" שלו מוגדר כמרחק מהמרכז שבו צפיפות החומר הגרעיני מצטמצמת לחצי. התפלגות צפיפות החומר הממוצעת עבור רוב הגרעינים מתגלה כיותר מסתם כדורית. רוב הגרעינים מעוותים. לעתים קרובות יש לגרעינים צורה של אליפסואידים מוארכים או שטוחים

גרעין האטום מאופיין לחייבזה,איפה זמספר חיובגרעין, שווה למספר הפרוטונים בגרעין וחופף למספר הסידורי של היסוד הכימי בטבלה המחזורית של היסודות של מנדלייב.

הגרעין מסומן באותו סמל כמו האטום הנייטרלי:

, איפה איקס- סמל של יסוד כימי, זמספר אטומי (מספר הפרוטונים בגרעין), אמספר מסה (מספר נוקלונים בגרעין). מספר מסה אשווה בערך למסה של הגרעין ביחידות מסה אטומית.

מכיוון שהאטום הוא ניטרלי, המטען על הגרעין זקובע את מספר האלקטרונים באטום. התפלגותם בין מצבים באטום תלויה במספר האלקטרונים. המטען הגרעיני קובע את הפרטים הספציפיים של יסוד כימי נתון, כלומר הוא קובע את מספר האלקטרונים באטום, את תצורת קליפות האלקטרונים שלהם, את גודל ואופי השדה החשמלי התוך-אטומי.

גרעינים בעלי אותם מספרי מטען ז, אבל עם מספרי מסה שונים א(כלומר עם מספר שונה של נויטרונים N = A – Z), נקראים איזוטופים, וגרעינים עם אותו הדבר א,אבל שונה Z –איזוברים. לדוגמה, מימן ( ז= l) יש שלושה איזוטופים: N –פרוטיום ( ז= l, N= 0), N –דיוטריום ( ז= l, נ= 1), N –טריטיום ( ז= l, נ= 2), פח - עשרה איזוטופים וכו' ברוב המוחלט של המקרים, לאיזוטופים של אותו יסוד כימי יש אותן תכונות כימיות וכמעט זהות.

ה, MeV

רמות אנרגיה

וצפה במעברים עבור גרעין האטום בורון

תורת הקוונטים מגבילה בקפדנות את האנרגיות שהחלקים המרכיבים של הגרעינים יכולים להחזיק. אוספים של פרוטונים וניטרונים בגרעינים יכולים להיות רק במצבי אנרגיה בדידים מסוימים האופייניים לאיזוטופ נתון.

כאשר אלקטרון עובר ממצב אנרגיה גבוה לנמוך יותר, הפרש האנרגיה נפלט כפוטון. האנרגיה של פוטונים אלה היא בסדר גודל של מספר וולט אלקטרונים. עבור גרעינים, אנרגיות הרמה נמצאות בטווח שבין 1 ל-10 MeV בקירוב. במהלך מעברים בין רמות אלו, נפלטים פוטונים בעלי אנרגיות גבוהות מאוד (קוואנטה γ). כדי להמחיש מעברים כאלה באיור. 6.1 מציג את חמש הרמות הראשונות של אנרגיה גרעינית

קווים אנכיים מציינים מעברים שנצפו. לדוגמה, γ-קוונטי עם אנרגיה של 1.43 MeV נפלט כאשר גרעין עובר ממצב עם אנרגיה של 3.58 MeV למצב עם אנרגיה של 2.15 MeV.

אטום הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי ששומר על כל התכונות הכימיות שלו. אטום מורכב מגרעין, בעל מטען חשמלי חיובי, ומאלקטרונים בעלי מטען שלילי. המטען של הגרעין של יסוד כימי כלשהו שווה למכפלת Z ו-e, כאשר Z הוא המספר הסידורי של יסוד זה במערכת המחזורית של יסודות כימיים, e הוא ערכו של המטען החשמלי היסודי.

אֶלֶקטרוֹןהוא החלקיק הקטן ביותר של חומר בעל מטען חשמלי שלילי e=1.6·10 -19 קולומב, נלקח כמטען חשמלי יסודי. אלקטרונים, המסתובבים סביב הגרעין, נמצאים בקליפות האלקטרונים K, L, M וכו'. K היא הקליפה הקרובה ביותר לגרעין. גודלו של אטום נקבע לפי גודל מעטפת האלקטרונים שלו. אטום יכול לאבד אלקטרונים ולהפוך ליון חיובי או לצבור אלקטרונים ולהפוך ליון שלילי. המטען של יון קובע את מספר האלקטרונים שאבדו או נרכשו. תהליך הפיכת אטום ניטרלי ליון טעון נקרא יינון.

גרעין אטום(החלק המרכזי של האטום) מורכב מחלקיקים גרעיניים יסודיים - פרוטונים וניוטרונים. רדיוס הגרעין קטן בקירוב פי מאה אלף מרדיוס האטום. הצפיפות של גרעין האטום גבוהה ביותר. פרוטונים- אלו חלקיקים יסודיים יציבים עם מטען חשמלי חיובי יחיד ומסה גדולה פי 1836 ממסה של אלקטרון. פרוטון הוא הגרעין של אטום של היסוד הקל ביותר, מימן. מספר הפרוטונים בגרעין הוא Z. נֵיטרוֹןהוא חלקיק יסודי נייטרלי (ללא מטען חשמלי) בעל מסה קרובה מאוד למסה של פרוטון. מכיוון שמסת הגרעין מורכבת ממסה של פרוטונים וניוטרונים, מספר הנייטרונים בגרעין של אטום שווה ל-A - Z, כאשר A הוא מספר המסה של איזוטופ נתון (ראה). הפרוטון והנייטרון המרכיבים את הגרעין נקראים נוקלונים. בגרעין, נוקלונים מחוברים על ידי כוחות גרעיניים מיוחדים.

גרעין האטום מכיל רזרבה עצומה של אנרגיה, המשתחררת במהלך תגובות גרעיניות. תגובות גרעיניות מתרחשות כאשר גרעיני אטום מקיימים אינטראקציה עם חלקיקים אלמנטרייםאו עם גרעינים של יסודות אחרים. כתוצאה מתגובות גרעיניות נוצרים גרעינים חדשים. לדוגמה, נויטרון יכול להפוך לפרוטון. במקרה זה, חלקיק בטא, כלומר אלקטרון, נפלט מהגרעין.

המעבר של פרוטון לנייטרון בגרעין יכול להתבצע בשתי דרכים: או שחלקיק בעל מסה שווה למסת האלקטרון, אך בעל מטען חיובי, הנקרא פוזיטרון (דעיכת פוזיטרון), נפלט מ הגרעין, או הגרעין לוכד את אחד האלקטרונים ממעטפת ה-K הקרובה אליו (K -capture).

לפעמים לגרעין המתקבל יש עודף אנרגיה (נמצא במצב נרגש) ועם החזרה למצב הנורמלי משחרר אנרגיה עודפת בצורה של קרינה אלקטרומגנטית באורך גל קצר מאוד - . האנרגיה המשתחררת במהלך תגובות גרעיניות משמשת למעשה בתעשיות שונות.

אטום (מיוונית atomos - בלתי ניתן לחלוקה) הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי בעל התכונות הכימיות שלו. כל יסוד מורכב מסוג מסוים של אטומים. האטום מורכב מגרעין, הנושא מטען חשמלי חיובי, ומאלקטרונים בעלי מטען שלילי (ראה), היוצרים את קליפות האלקטרונים שלו. גודל המטען החשמלי של הגרעין שווה ל-Z-e, כאשר e הוא המטען החשמלי היסודי, שווה בגודלו למטען האלקטרון (4.8·10 -10 יחידות חשמליות), ו-Z הוא המספר האטומי של יסוד זה במערכת המחזורית של יסודות כימיים (ראה.). מכיוון שאטום לא מיונן הוא ניטרלי, מספר האלקטרונים הכלולים בו שווה גם הוא ל-Z. הרכב הגרעין (ראה גרעין אטומי) כולל נוקלונים, חלקיקים יסודיים בעלי מסה גדולה פי 1840 בערך ממסת האלקטרון (שווה ל-9.1 10 - 28 גרם), פרוטונים (ראה), בעלי מטען חיובי, וניוטרונים ללא מטען (ראה). מספר הנוקלונים בגרעין נקרא מספר המסה והוא מסומן באות A. מספר הפרוטונים בגרעין, שווה ל-Z, קובע את מספר האלקטרונים הנכנסים לאטום, את מבנה קונכיות האלקטרונים ואת החומר הכימי. תכונות האטום. מספר הנייטרונים בגרעין הוא A-Z. איזוטופים הם זנים של אותו יסוד, שהאטומים שלהם שונים זה מזה במספר המסה A, אך בעלי אותו Z. לפיכך, בגרעיני האטומים של איזוטופים שונים של אותו יסוד ישנם מספרים שונים של נויטרונים בעלי אותו הדבר. מספר פרוטונים. כאשר מציינים איזוטופים, מספר המסה A נכתב מעל סמל היסוד, והמספר האטומי מתחת; לדוגמה, איזוטופים של חמצן מיועדים:

מימדיו של אטום נקבעים לפי מידות קונכיות האלקטרונים והם עבור כל Z ערך בסדר גודל של 10 -8 ס"מ שכן המסה של כל האלקטרונים של אטום קטנה פי כמה אלפי מהמסה של הגרעין , מסת האטום פרופורציונלית למספר המסה. מסה יחסיתשל אטום של איזוטופ נתון נקבע ביחס למסה של אטום של איזוטופ הפחמן C12, נלקח כ-12 יחידות, ונקרא מסת האיזוטופ. מסתבר שהוא קרוב למספר המסה של האיזוטופ המקביל. המשקל היחסי של אטום של יסוד כימי הוא הערך הממוצע (בהתחשב בשפע היחסי של איזוטופים של יסוד נתון) של המשקל האיזוטופי והוא נקרא משקל אטומי (מסה).

האטום הוא מערכת מיקרוסקופית, וניתן להסביר את מבנהו ותכונותיו רק באמצעות תורת הקוונטים, שנוצרה בעיקר בשנות ה-20 של המאה ה-20 ונועדה לתאר תופעות בקנה מידה אטומי. ניסויים הראו שלמיקרו-חלקיקים - אלקטרונים, פרוטונים, אטומים וכו' - בנוסף לאלו הגופיים, יש תכונות גל, המתבטאות בעקיפה והפרעות. בתורת הקוונטים, כדי לתאר את מצבם של מיקרו-אובייקטים, נעשה שימוש בשדה גל מסוים, המאופיין בפונקציית גל (Ψ-function). פונקציה זו קובעת את ההסתברויות למצבים אפשריים של מיקרו-אובייקט, כלומר מאפיינת את האפשרויות הפוטנציאליות לביטוי של תכונות מסוימות שלו. חוק הווריאציה של הפונקציה Ψ במרחב ובזמן (משוואת שרדינגר), המאפשר למצוא פונקציה זו, ממלא בתורת הקוונטים את אותו תפקיד כמו חוקי התנועה של ניוטון במכניקה הקלאסית. פתרון משוואת שרדינגר מוביל במקרים רבים למצבים אפשריים בדידים של המערכת. כך, למשל, במקרה של אטום, מתקבלת סדרה של פונקציות גל עבור אלקטרונים התואמות לערכי אנרגיה שונים (קוונטיים). מערכת רמות אנרגיהאטום, שחושב בשיטות של תורת הקוונטים, קיבל אישור מבריק בספקטרוסקופיה. המעבר של אטום ממצב היסוד המקביל לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר E 0 לכל אחד מהמצבים הנרגשים E i מתרחש עם ספיגת חלק מסוים של האנרגיה E i - E 0 . אטום נרגש עובר למצב פחות נרגש או קרקע, בדרך כלל על ידי פליטת פוטון. במקרה זה, אנרגיית הפוטון hv שווה להפרש האנרגיות של האטום בשני מצבים: hv = E i - E k כאשר h הוא הקבוע של פלאנק (6.62·10 -27 erg·sec), v הוא התדר של אור.

בנוסף לספקטרום האטום, תורת הקוונטיםאפשרו להסביר תכונות אחרות של אטומים. במיוחד הוסברו הערכיות, אופי הקשרים הכימיים ומבנה המולקולות, ונוצרה התיאוריה של הטבלה המחזורית של היסודות.

גרעין האטום, הנחשב כמחלקה של חלקיקים עם מספר מסוים של פרוטונים וניטרונים, נקרא בדרך כלל נוקליד.
במקרים נדירים מסוימים, יכולים להיווצר אטומים אקזוטיים קצרי מועד, שבהם חלקיקים אחרים משמשים כגרעין במקום נוקלאון.

מספר הפרוטונים בגרעין נקרא מספר המטען שלו Z (\displaystyle Z) - מספר זה שווה למספר הסידורי של היסוד שאליו משתייך האטום בטבלה של מנדלייב (טבלת יסודות תקופתית). מספר הפרוטונים בגרעין קובע את המבנה של מעטפת האלקטרונים של אטום ניטרלי, ובכך את התכונות הכימיות של היסוד המקביל. מספר הנייטרונים בגרעין נקרא שלו מספר איזוטופי N (\displaystyle N) . גרעינים בעלי אותו מספר פרוטונים ומספר שונה של נויטרונים נקראים איזוטופים. גרעינים בעלי אותו מספר נויטרונים אך מספר שונה של פרוטונים נקראים איזוטונים. המונחים איזוטופ ואיזוטון משמשים גם להתייחסות לאטומים המכילים גרעינים אלה, כמו גם לאפיון זנים לא כימיים של יסוד כימי בודד. המספר הכולל של נוקלונים בגרעין נקרא מספר המסה שלו A (\displaystyle A) ( A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) והוא שווה בקירוב למסה האטומית הממוצעת המצוינת בטבלה המחזורית. נוקלידים בעלי אותו מספר מסה אך הרכב פרוטון-נויטרונים שונה נקראים בדרך כלל איזוברים.

כמו כל מערכת קוונטית, גרעינים יכולים להיות במצב נרגש גרם-סטסיבי, ובמקרים מסוימים ניתן לחשב את משך החיים של מצב כזה בשנים. מצבים נרגשים כאלה של גרעינים נקראים איזומרים גרעיניים.

יוטיוב אנציקלופדית

מבנה גרעין האטום. כוחות גרעיניים

כוחות גרעיניים קשירת אנרגיה של חלקיקים בגרעין ביקוע של גרעיני אורניום תגובת שרשרת

מבנה גרעין האטום כוחות גרעיניים

כִּימִיָה. מבנה אטום: גרעין אטום. מרכז הלמידה המקוון של פוקספורד

תגובות גרעיניות

כתוביות

כַּתָבָה

ניתן להסביר את פיזור החלקיקים הטעונים בהנחה של אטום המורכב ממטען חשמלי מרכזי המרוכז בנקודה ומוקף בחלוקה כדורית אחידה של חשמל מנוגד בגודל שווה. עם סידור זה של האטום, חלקיקי α ו-β, כאשר הם עוברים במרחק קרוב ממרכז האטום, חווים סטיות גדולות, אם כי ההסתברות לסטייה כזו קטנה.

כך גילה רתרפורד את גרעין האטום, ומרגע זה החלה פיזיקה גרעינית, שחקרה את המבנה והתכונות של גרעיני האטום.

לאחר גילוי איזוטופים יציבים של יסודות, לגרעין האטום הקל ביותר הוקצה תפקיד של חלקיק מבני של כל הגרעינים. מאז 1920, לגרעין אטום המימן יש שם רשמי - פרוטון. לאחר תורת הפרוטון-אלקטרון הביניים של מבנה הגרעין, שהיו לה חסרונות ברורים רבים, קודם כל, היא סתרה את תוצאות הניסוי של מדידות הספינים והמומנטים המגנטיים של הגרעינים, ב-1932 גילה ג'יימס צ'דוויק חלקיק נייטרלי חדש מבחינה חשמלית. נקרא הנייטרון. באותה שנה שיערו איבננקו ובאופן עצמאי הייזנברג את מבנה הפרוטון-נייטרון של הגרעין. לאחר מכן, עם התפתחות הפיזיקה הגרעינית ויישומיה, השערה זו אוששה לחלוטין.

תיאוריות של מבנה גרעין האטום

בתהליך התפתחות הפיזיקה הועלו השערות שונות למבנה גרעין האטום; עם זאת, כל אחד מהם מסוגל לתאר רק קבוצה מוגבלת של תכונות גרעיניות. דגמים מסוימים עשויים להיות סותרים זה את זה.

המפורסמים ביותר הם הבאים:

• דגם טיפות של הגרעין - הוצע בשנת 1936 על ידי נילס בוהר.
• דגם מעטפת של הליבה - הוצע בשנות ה-30 של המאה ה-20.
• מודל בוהר-מוטלסון כללי
• מודל גרעין אשכול
• מודל איגוד נוקלאון
• דגם ליבה סופר נוזלי
• מודל סטטיסטי של הגרעין

מאפיינים פיסיקליים גרעיניים

המטענים של גרעיני אטום נקבעו לראשונה על ידי הנרי מוסלי ב-1913. המדען פירש את תצפיות הניסוי שלו לפי התלות של אורך הגל של רנטגן בקבוע Z (\displaystyle Z), המשתנה באחד מיסוד ליסוד ושווה לאחד עבור מימן:

1 / λ = a Z − b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda ))=aZ-b), איפה

A (\displaystyle a) ו-b (\displaystyle b) הם קבועים.

ממנו הסיק מוסלי שהקבוע האטומי שנמצא בניסויים שלו, שקובע את אורך הגל של המאפיין קרינת רנטגןובמקביל למספר האטומי של היסוד, יכול להיות רק המטען של גרעין האטום, שנודע בשם חוק מוזלי .

מִשׁקָל

בשל ההבדל במספר הנייטרונים A - Z (\displaystyle A-Z)לאיזוטופים של יסוד יש מסות שונות M (A, Z) (\displaystyle M(A,Z)), כלומר מאפיין חשובגרעינים. בפיזיקה גרעינית, מסת הגרעינים נמדדת בדרך כלל ביחידות מסה אטומית ( א. לאכול.), לאחד א. e.m. קח 1/12 מהמסה של הגרעין 12 C. יש לציין כי המסה הסטנדרטית הניתנת בדרך כלל עבור נוקליד היא המסה של אטום ניטרלי. כדי לקבוע את מסת הגרעין צריך להחסיר את סכום המסות של כל האלקטרונים ממסת האטום (ערך מדויק יותר יתקבל אם לוקחים בחשבון גם את אנרגיית הקישור של האלקטרונים עם הגרעין) .

בנוסף, בפיזיקה גרעינית נעשה שימוש לעתים קרובות בשווי האנרגיה של מסה. לפי הקשר של איינשטיין, כל ערך של מסה M (\displaystyle M) מתאים לאנרגיה הכוללת:

E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), כאשר c (\displaystyle c) היא מהירות האור בוואקום.

הקשר בין א. e.m. ושווי האנרגיה שלו בג'אול:

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1.660518 (7.660539) \ cdot 10^(8))^(2)=1.492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

רַדִיוּס

ניתוח של ריקבון של גרעינים כבדים חידד את ההערכה של רתרפורד וקשר את רדיוס הגרעין למספר המסה על ידי יחס פשוט:

R = r 0 A 1 / 3 (\displaystyle R=r_(0)A^(1/3)),

איפה קבוע.

מכיוון שרדיוס הגרעין אינו מאפיין גיאומטרי גרידא והוא קשור בעיקר לרדיוס הפעולה של כוחות גרעיניים, הערך של r 0 (\displaystyle r_(0)) תלוי בתהליך שבמהלך הניתוח שלו הערך R (\displaystyle R) התקבל, הערך הממוצע r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1.23\cdot 10^(-15)) m, אז רדיוס הליבה במטרים:

R = 1, 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 (\displaystyle R=1,23\cdot 10^(-15)A^(1/3)) .

רגעי גרעין

כמו הגרעינים המרכיבים אותו, לגרעין יש רגעים משלו.

סיבוב

מכיוון שלנוקלונים יש מומנט מכני משלהם, או ספין, שווה ל 1/2 (\displaystyle 1/2), אז לגרעינים חייבים להיות גם מומנטים מכניים. בנוסף, נוקלונים משתתפים בגרעין בתנועה מסלולית, המתאפיינת גם בתנע זוויתי מסוים של כל גרעין. רגעי מסלול לוקחים רק ערכים שלמים ℏ (\displaystyle \hbar) (הקבוע של דיראק). כל המומנטים המכניים של הגרעין, הן ספין והן מסלול, מסוכמים באופן אלגברי ומהווים את הספין של הגרעין.

למרות העובדה שמספר הגרעינים בגרעין יכול להיות גדול מאוד, הספינים של הגרעינים הם בדרך כלל קטנים ומסתכמים בלא יותר מכמה ℏ (\displaystyle \hbar), מה שמוסבר על ידי המוזרות של האינטראקציה של גרעינים בעלי אותו שם. כל הפרוטונים והנייטרונים המזווגים מקיימים אינטראקציה רק ​​בצורה כזו שהספינים שלהם מבטלים זה את זה, כלומר, זוגות תמיד מקיימים אינטראקציה עם ספינים אנטי מקבילים. גם התנע המסלולי הכולל של הזוג הוא תמיד אפס. כתוצאה מכך, לגרעינים המורכבים ממספר זוגי של פרוטונים ומספר זוגי של נויטרונים אין מומנט מכני. ספינים שאינם אפס קיימים רק עבור גרעינים המכילים גרעינים לא מזווגים הספין של גרעין כזה מסוכם עם התנע המסלולי שלו ויש לו ערך חצי שלם: 1/2, 3/2, 5/2. לגרעינים אי-זוגיים יש ספינים שלמים: 1, 2, 3 וכו'.

רגע מגנטי

מדידות של ספינים מתאפשרות על ידי נוכחותם של רגעים מגנטיים הקשורים אליהם ישירות. הם נמדדים במגנטונים ועבור גרעינים שונים הם שווים ל-2 עד +5 מגנטונים גרעיניים. בשל המסה הגדולה יחסית של נוקלונים, המומנטים המגנטיים של הגרעינים קטנים מאוד בהשוואה לרגעים המגנטיים של אלקטרונים, ולכן המדידה שלהם קשה הרבה יותר. כמו ספינים, מומנטים מגנטיים נמדדים בשיטות ספקטרוסקופיות, כשהמדויק ביותר הוא שיטת התהודה המגנטית הגרעינית.

המומנט המגנטי של זוגות זוגיים, כמו הספין, הוא אפס. המומנטים המגנטיים של גרעינים עם גרעינים לא מזווגים נוצרים על ידי המומנטים הפנימיים של גרעינים אלה והרגע הקשור לתנועת המסלול של הפרוטון הבלתי מזווג.

מומנט קוואדרופול חשמלי

לגרעיני אטום שהספין שלהם גדול או שווה לאחדות יש מומנטים מרובע פולים שאינם אפס, מה שמצביע על כך שהם לא בדיוק כדוריים בצורתם. למומנט המרובע יש סימן פלוס אם הגרעין מוארך לאורך ציר הספין (גוף fusiform), וסימן מינוס אם הגרעין מורחב במישור מאונך לציר הספין (גוף עדשה). ידועים גרעינים עם מומנטים מרובע-פולים חיוביים ושליליים. היעדר סימטריה כדורית בשדה החשמלי שנוצר על ידי גרעין בעל מומנט מרובע-פול שאינו אפס מוביל להיווצרות רמות אנרגיה נוספות של אלקטרונים אטומיים ולהופעה בספקטרום האטומים של קווים בעלי מבנה היפר-דק, שהמרחקים ביניהם תלויים. ברגע המרובע.

אנרגיית תקשורת

יציבות של גרעינים

מהעובדה שאנרגיית הקישור הממוצעת יורדת עבור גרעינים עם מספרי מסה גדולים או פחות מ-50-60, נובע שעבור גרעינים עם A קטן (\displaystyle A) תהליך ההיתוך חיובי מבחינה אנרגטית - היתוך תרמו-גרעיני, המוביל לעלייה ב- מספר מסה, ולגרעינים בעלי A גדול (\displaystyle A) - תהליך חלוקה. נכון לעכשיו, שני התהליכים הללו המובילים לשחרור אנרגיה יושמו, כאשר האחרון הוא הבסיס לאנרגיה גרעינית מודרנית, והראשון נמצא בפיתוח.

מחקרים מפורטים הראו שיציבות הגרעינים תלויה באופן משמעותי גם בפרמטר N/Z (\displaystyle N/Z)- יחס מספרי נויטרונים ופרוטונים. בממוצע עבור הגרעינים היציבים ביותר N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\בערך 1+0.015A^(2/3)), לכן הגרעינים של גרעינים קלים הם הכי יציבים ב N ≈ Z (\displaystyle N\approx Z), ועם הגדלת מספר המסה, הדחייה האלקטרוסטטית בין פרוטונים הופכת בולטת יותר ויותר, ואזור היציבות עובר לכיוון N>Z (\displaystyle N>Z)(ראה תמונת הסבר).

אם אתה מסתכל על טבלה של נוקלידים יציבים שנמצאים בטבע, אתה יכול לשים לב להתפלגות שלהם על ערכים זוגיים ואי-זוגיים של Z (\displaystyle Z) ו-N (\displaystyle N). כל הגרעינים עם ערכים מוזרים של כמויות אלה הם גרעינים של גרעינים קלים 1 2 H (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))), 3 6 Li (\displaystyle ()_(3)^(6)(\textrm (Li))), 5 10 B (\displaystyle ()_(5)^(10)(\textrm (B))), 7 14 N (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))). בין איזוברים עם A אי זוגי, ככלל, רק אחד יציב. במקרה של זוגי A (\displaystyle A), יש לעתים קרובות שניים, שלושה או יותר איזוברים יציבים, לכן, זוגי-זוגי הם היציבים ביותר, אי-זוגיים הם הפחות יציבים. תופעה זו מצביעה על כך שגם נויטרונים וגם פרוטונים נוטים להתקבץ בזוגות עם ספינים אנטי מקבילים, מה שמוביל להפרה של החלקות של התלות שתוארה לעיל של אנרגיית הקישור ב-A (\displaystyle A).

לפיכך, השוויון של מספר הפרוטונים או הנייטרונים יוצר מרווח יציבות מסוים, מה שמוביל לאפשרות לקיומם של מספר נוקלידים יציבים, הנבדלים, בהתאמה, במספר הנייטרונים לאיזוטופים ובמספר הפרוטונים לאיזוטונים. . כמו כן, השוויון של מספר הנייטרונים בהרכב של גרעינים כבדים קובע את יכולתם להתבקע בהשפעת נויטרונים.

כוחות גרעיניים

כוחות גרעיניים הם הכוחות המחזיקים גרעינים בגרעין, המייצגים כוחות משיכה גדולים הפועלים רק במרחקים קצרים. יש להם תכונות רוויה, ולכן לכוחות הגרעיניים מיוחס אופי חילופי (בעזרת פי-מזונים). כוחות גרעיניים תלויים בספין, אינם תלויים במטען חשמלי ואינם כוחות מרכזיים.

רמות ליבה

בניגוד לחלקיקים חופשיים, שעבורם האנרגיה יכולה לקבל כל ערך (מה שנקרא ספקטרום רציף), חלקיקים קשורים (כלומר, חלקיקים שהאנרגיה הקינטית שלהם קטנה מהערך המוחלט של האנרגיה הפוטנציאלית), על פי מכניקת הקוונטים, יכולים להיות רק במצבים עם ערכי אנרגיה נפרדים מסוימים, הספקטרום הבדיד כביכול. מכיוון שהגרעין הוא מערכת של נוקלונים קשורים, יש לו ספקטרום אנרגיה נפרד. הוא נמצא בדרך כלל במצב האנרגיה הנמוך ביותר שלו, הנקרא רָאשִׁי. אם תעביר אנרגיה לגרעין, היא תיכנס מצב נרגש.

מיקום רמות האנרגיה של הגרעין כקירוב ראשון:

D = a e − b E ∗ (\displaystyle D=ae^(-b(\sqrt (E^(*)))))), איפה:

D (\displaystyle D) - מרחק ממוצע בין רמות,

הרכב ומאפיינים של גרעין האטום.

הגרעין של האטום הפשוט ביותר - אטום המימן - מורכב מחלקיק יסודי אחד הנקרא פרוטון. הגרעינים של כל שאר האטומים מורכבים משני סוגים של חלקיקים יסודיים - פרוטונים ונויטרונים. חלקיקים אלו נקראים נוקלונים.

פּרוֹטוֹן . לפרוטון (p) יש מטען +e ומסה

m p = 938.28 MeV

לשם השוואה, נציין שמסת האלקטרונים שווה ל

m e = 0.511 MeV

מההשוואה עולה כי m p = 1836m e

לפרוטון יש ספין השווה לחצי (s=) ומומנט מגנטי משלו

יחידה של מומנט מגנטי הנקראת מגנטון גרעיני. מהשוואה של המסות של פרוטון ואלקטרון, יוצא ש-μ i קטן פי 1836 מהמגנטון בוהר μ b. כתוצאה מכך, המומנט המגנטי של הפרוטון עצמו קטן פי 660 בערך מהמומנט המגנטי של האלקטרון.

נֵיטרוֹן . הנייטרון (n) התגלה בשנת 1932 על ידי פיזיקאי אנגלי

ד צ'דוויק. המטען החשמלי של חלקיק זה הוא אפס, והמסה

m n = 939.57 MeV

קרוב מאוד למסה של פרוטון. הבדל מסה בין נויטרון לפרוטון (m n -m p)

הוא 1.3 MeV, כלומר. 2.5 מ' ה.

לנייטרון יש ספין השווה למחצית (s=) ולמרות היעדר מטען חשמלי מומנט מגנטי משלו.

μ n = - 1.91μ i

(סימן המינוס מציין שהכיוונים של המומנטים המכניים והמגנטיים המהותיים מנוגדים). הסבר לעובדה המדהימה הזו יינתן בהמשך.

שימו לב שהיחס בין ערכי הניסוי μ p ו- μ n ברמת דיוק גבוהה שווה ל- 3/2. זה הבחין רק לאחר שערך כזה הושג באופן תיאורטי.

במצב חופשי, נויטרון אינו יציב (רדיואקטיבי) - הוא מתפרק באופן ספונטני, הופך לפרוטון ופולט אלקטרון (e -) וחלקיק נוסף הנקרא אנטי-נייטרינו

. זמן מחצית החיים (כלומר, הזמן שבו מחצית ממספר הנייטרונים המקורי מתפורר) הוא כ-12 דקות. ניתן לכתוב את סכימת הדעיכה באופן הבא:

מסת המנוחה של אנטינויטרינו היא אפס. המסה של נויטרון גדולה ב-2.5m e ממסה של פרוטון. כתוצאה מכך, מסת הנייטרון עולה על המסה הכוללת של החלקיקים המופיעים בצד ימין של המשוואה ב-1.5m e, כלומר. ב-0.77 MeV. אנרגיה זו משתחררת במהלך דעיכה של נויטרון בצורה של אנרגיה קינטית של החלקיקים המתקבלים.

מאפיינים של גרעין האטום . אחד המאפיינים החשובים ביותר של גרעין האטום הוא מספר המטען Z. הוא שווה למספר הפרוטונים המרכיבים את הגרעין וקובע את המטען שלו, ששווה ל-+Z e. המספר Z קובע את המספר הסידורי של יסוד כימי בטבלה המחזורית של מנדלייב. לכן, הוא נקרא גם המספר האטומי של הגרעין.

מספר הנוקלונים (כלומר המספר הכולל של פרוטונים וניטרונים) בגרעין מסומן באות A ונקרא מספר המסה של הגרעין. מספר הנייטרונים בגרעין הוא N=A–Z.

הסמל המשמש לציון גרעינים הוא

כאשר X מציין את הסמל הכימי של היסוד. מספר המסה ממוקם בפינה השמאלית העליונה, המספר האטומי בפינה השמאלית התחתונה (לעיתים קרובות הסמל האחרון מושמט). לפעמים מספר המסה נכתב לא משמאל, אלא מימין לסמל של יסוד כימי

נקראים גרעינים עם אותו Z אך A שונה איזוטופים. לרוב היסודות הכימיים יש כמה איזוטופים יציבים. לדוגמה, לחמצן יש שלושה איזוטופים יציבים:

, לפח - עשר וכו'.

למימן שלושה איזוטופים:

- מימן רגיל, או פרוטיום (Z=1, N=0),

- מימן כבד, או דאוטריום (Z=1, N=1),

– טריטיום (Z=1, N=2).

פרוטיום ודוטריום יציבים, טריטיום רדיואקטיבי.

גרעינים בעלי אותה מסה A נקראים איזוברים. דוגמה היא

ו

. נקראים גרעינים עם מספר זהה של נויטרונים N = A – Z איזוטונים (

,

לבסוף, ישנם גרעינים רדיואקטיביים בעלי אותו Z ו-A, הנבדלים במחצית חיים. קוראים להם איזומרים. לדוגמה, ישנם שני איזומרים של הגרעין

, לאחד מהם זמן מחצית חיים של 18 דקות, לשני - 4.4 שעות.

ידועים כ-1500 גרעינים, שונים זה מזה ב-Z או ב-A, או בשניהם. כ-1/5 מהגרעינים הללו יציבים, השאר רדיואקטיביים. גרעינים רבים נוצרו באופן מלאכותי באמצעות תגובות גרעיניות.

יסודות עם מספרים אטומיים Z מ-1 עד 92 נמצאים בטבע, למעט טכנציום (Tc, Z = 43) ופרומתיום (Pm, Z = 61). פלוטוניום (Pu, Z = 94), לאחר שהושג באופן מלאכותי, נמצא בכמויות זניחות במינרל הטבעי - תערובת שרף. יתר היסודות הטרנס-אוראניים (כלומר, סובורניום) (cZ מ-93 עד 107) הושגו באופן מלאכותי באמצעות תגובות גרעיניות שונות.

יסודות הטרנסאורניום קוריום (96 ס"מ), איינשטיין (99 Es), פרמיום (100 Fm) ומנדלביום (101 Md) נקראו לכבוד מדענים מצטיינים II. ו-M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi and D.I. מנדלייב. לורנס (103 Lw) נקרא על שמו של ממציא הציקלוטרון, E. Lawrence. קורצ'אטובי (104 קו) קיבל את שמו לכבוד הפיזיקאי המצטיין I.V. קורצ'טובה.

כמה אלמנטים טרנסאורניים, כולל Kurchatovium ואלמנטים שמספרם 106 ו-107, הושגו במעבדה לתגובות גרעיניות של המכון המשותף למחקר גרעיני בדובנה על ידי מדען

נ.נ. פלרוב וצוותו.

גדלי גרעין . לקירוב ראשון, הגרעין יכול להיחשב ככדור, שהרדיוס שלו נקבע במדויק למדי על ידי הנוסחה

(Fermi הוא שמה של יחידת אורך המשמשת בפיזיקה גרעינית, שווה ל

10 -13 ס"מ). מהנוסחה עולה שנפח הגרעין פרופורציונלי למספר הגרעינים בגרעין. לפיכך, צפיפות החומר בכל הגרעינים זהה בערך.

ספין גרעיני . הספינים של הגרעין מסתכמים לספין שנוצר של הגרעין. הספין של נוקלאון הוא 1/2. לכן, המספר הקוונטי של הספין הגרעיני יהיה חצי שלם עבור מספר אי זוגי של נוקלונים A ומספר שלם או אפס עבור A זוגי. ספינים גרעיניים אינם עולים על מספר יחידות. זה מצביע על כך שהספינים של רוב הנוקלונים בגרעין מבטלים זה את זה, בהיותם אנטי-מקבילים. לכל הגרעינים הזוגיים (כלומר, גרעין עם מספר זוגי של פרוטונים ומספר זוגי של נויטרונים) יש ספין של אפס.

המומנט המכני של הליבה M J מתווסף לרגע של מעטפת האלקטרון

בתנע הזוויתי הכולל של האטום M F, אשר נקבע על ידי המספר הקוונטי F.

האינטראקציה בין המומנטים המגנטיים של האלקטרונים והגרעין מובילה לעובדה שמצבי האטום התואמים לכיוונים הדדיים שונים M J ו

(כלומר F שונה) יש אנרגיה מעט שונה. האינטראקציה של המומנטים μ L ו- μ S קובעת את המבנה העדין של הספקטרום. אינטראקציהμ J ו המבנה היפר-דק של הספקטרום האטומי נקבע. הפיצול של קווים ספקטרליים המקבילים למבנה היפר-דק הוא כה קטן (בסדר גודל של כמה מאיות אנגסטרם) שניתן לצפות בו רק באמצעות מכשירים ברזולוציה הגבוהה ביותר.

תכונה של זיהום רדיואקטיבי, בניגוד לזיהום על ידי מזהמים אחרים, היא שלא הרדיונוקליד (המזהם) עצמו משפיע מזיקה על בני אדם וחפצים סביבתיים, אלא הקרינה ממנה הוא מקור.

עם זאת, ישנם מקרים בהם רדיונוקליד הוא יסוד רעיל. לדוגמה, לאחר התאונה בתחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל ב סביבהפלוטוניום 239, 242 Pu שוחררו עם חלקיקי דלק גרעיני. בנוסף לעובדה שפלוטוניום הוא פולט אלפא ומהווה סכנה משמעותית בבליעה, הפלוטוניום עצמו הוא יסוד רעיל.

מסיבה זו, נעשה שימוש בשתי קבוצות של אינדיקטורים כמותיים: 1) להערכת תכולת הרדיונוקלידים ו-2) להערכת השפעת הקרינה על עצם.
פעילות- מדד כמותי של תכולת הרדיונוקלידים באובייקט המנותח. הפעילות נקבעת לפי מספר ההתפרקות הרדיואקטיבית של אטומים ליחידת זמן. יחידת הפעילות SI היא ה-Becquerel (Bq) השווה לדעיכה אחת בשנייה (1Bq = 1 דעיכה/s). לפעמים משתמשים ביחידת מדידה לא מערכתית של פעילות - Curie (Ci); 1Ci = 3.7 ×1010 Bq.

מינון קרינה- מדד כמותי של השפעת הקרינה על עצם.
בשל העובדה שניתן להעריך את השפעת הקרינה על עצם על ידי רמות שונות: פיזיקלי, כימי, ביולוגי; ברמת מולקולות בודדות, תאים, רקמות או אורגניזמים וכו', נעשה שימוש במספר סוגים של מינונים: נספג, שווה ערך יעיל, חשיפה.

כדי להעריך את השינוי במינון הקרינה לאורך זמן, נעשה שימוש במדד "קצב המינון". שיעור מינוןהוא יחס המינון-זמן. לדוגמה, שיעור המינון של קרינה חיצונית ממקורות קרינה טבעיים ברוסיה הוא 4-20 μR/h.

התקן העיקרי לבני אדם - מגבלת המינון העיקרי (1 mSv/שנה) - מוכנס ביחידות של מינון שווה ערך יעיל. ישנם תקנים ביחידות פעילות, רמות זיהום קרקע, VDU, GGP, SanPiN וכו'.

מבנה גרעין האטום.

אטום הוא החלקיק הקטן ביותר של יסוד כימי ששומר על כל תכונותיו. במבנה שלו, אטום הוא מערכת מורכבת המורכבת מגרעין טעון חיובי בגודל קטן מאוד (10 -13 ס"מ) הממוקם במרכז האטום ומאלקטרונים טעונים שלילי המסתובבים סביב הגרעין במסלולים שונים. המטען השלילי של האלקטרונים שווה למטען החיובי של הגרעין, בעוד שבאופן כללי מתברר שהוא ניטרלי מבחינה חשמלית.

גרעיני אטום מורכבים נוקלונים -פרוטונים גרעיניים ( Z-מספר פרוטונים) ונויטרונים גרעיניים (N - מספר נויטרונים). פרוטונים וניוטרונים "גרעיניים" שונים מחלקיקים במצב חופשי. לדוגמה, נויטרון חופשי, שלא כמו אחד הקשור בגרעין, אינו יציב והופך לפרוטון ואלקטרון.

מספר הנוקלונים Am (מספר מסה) הוא סכום מספרי הפרוטונים והנייטרונים: Am = Z+N.

פרוטון -חלקיק יסודי של כל אטום, יש לו מטען חיובי השווה למטען של אלקטרון. מספר האלקטרונים במעטפת של אטום נקבע על פי מספר הפרוטונים בגרעין.

ניוטרון -סוג אחר של חלקיקים גרעיניים של כל היסודות. הוא נעדר רק בגרעין של מימן קל, המורכב מפרוטון אחד. אין לו מטען והוא ניטרלי מבחינה חשמלית. בגרעין האטום, הנייטרונים יציבים, אך במצב חופשי הם לא יציבים. מספר הנייטרונים בגרעיני האטומים של אותו יסוד יכול להשתנות, ולכן מספר הנייטרונים בגרעין אינו מאפיין את היסוד.

נוקלונים (פרוטונים + נויטרונים) מוחזקים בתוך גרעין האטום על ידי כוחות משיכה גרעיניים. כוחות גרעיניים חזקים פי 100 מכוחות אלקטרומגנטיים ולכן מחזיקים פרוטונים טעונים באופן דומה בתוך הגרעין. כוחות גרעיניים מתבטאים רק במרחקים קצרים מאוד (10 -13 ס"מ), הם מסתכמים אנרגיה פוטנציאליתקשרים גרעיניים, המשתחררים חלקית במהלך טרנספורמציות מסוימות, הופכים לאנרגיה קינטית.

עבור אטומים הנבדלים בהרכב הגרעין, נעשה שימוש בשם "נוקלידים", ועבור אטומים רדיואקטיביים - "רדיונוקלידים".

נוקלידיםנקראים אטומים או גרעינים עם מספר נתון של גרעינים ומטען גרעיני נתון (כינוי נוקלידים A X).

נקראים נוקלידים בעלי אותו מספר של נוקליאונים (Am = const). איזוברים.לדוגמה, נוקלידים 96 Sr, 96 Y, 96 Zr שייכים לסדרה של איזוברים עם מספר הנוקליאונים Am = 96.

נוקלידים בעלי אותו מספר פרוטונים (Z = const), נקראים איזוטופים.הם נבדלים רק במספר הנייטרונים, ולכן הם שייכים לאותו יסוד: 234 U , 235 U, 236 U , 238 U .

איזוטופים- נוקלידים בעלי אותו מספר נויטרונים (N = Am -Z = const). נוקלידים: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca שייכים לסדרה של איזוטופים עם 20 נויטרונים.

איזוטופים מסומנים בדרך כלל בצורה Z X M, כאשר X הוא הסמל של היסוד הכימי; M הוא מספר המסה השווה לסכום מספר הפרוטונים והנייטרונים בגרעין; Z הוא המספר האטומי או המטען של הגרעין, שווה למספר הפרוטונים בגרעין. מכיוון שלכל יסוד כימי יש מספר אטומי קבוע משלו, לרוב מושמטים אותו ומוגבלים לכתיבת מספר המסה בלבד, למשל: 3 H, 14 Cs, 137 Cs, 90 Sr וכו'.

אטומים של הגרעין בעלי אותם מספרי מסה, אך מטענים שונים, וכתוצאה מכך, תכונות שונות נקראים "איזוטופים", למשל, לאחד האיזוטופים של זרחן יש מספר מסה של 32 - 15 P 32, אחד האיזוטופים של גופרית יש אותו מספר מסה - 16 S 32.

גרעינים יכולים להיות יציבים (אם הגרעינים שלהם יציבים ואינם מתכלים) ובלתי יציבים (אם הגרעינים שלהם אינם יציבים ועוברים שינויים שבסופו של דבר מביאים לעלייה ביציבות הגרעין). נקראים גרעיני אטום לא יציבים שיכולים להתפרק באופן ספונטני רדיונוקלידים.התופעה של ריקבון ספונטני של גרעין האטום, המלווה בפליטת חלקיקים ו(או) קרינה אלקטרומגנטית, נקראת רדיואקטיבי.

כתוצאה מהדעיכה הרדיואקטיבית יכול להיווצר גם איזוטופ יציב וגם איזוטופ רדיואקטיבי, שבתורו מתפרק באופן ספונטני. שרשראות כאלה יסודות רדיואקטיבייםמחוברים על ידי סדרה של טרנספורמציות גרעיניות נקראות משפחות רדיואקטיביות.

נכון לעכשיו, IUPAC (האיחוד הבינלאומי לכימיה טהורה ויישומית) מינה רשמית 109 יסודות כימיים. מתוכם, רק ל-81 יש איזוטופים יציבים, הכבד שבהם הוא ביסמוט (ז= 83). עבור 28 היסודות הנותרים, ידועים רק איזוטופים רדיואקטיביים, עם אורניום (U~ 92) הוא היסוד הכבד ביותר שנמצא בטבע. לנוקליד הטבעי הגדול ביותר יש 238 נוקלונים. בסך הכל, הוכח כעת קיומם של כ-1,700 נוקלידים מ-109 היסודות הללו, ומספר האיזוטופים הידועים ליסודות בודדים נע בין 3 (למימן) ל-29 (לפלטינה).

גילוי הנייטרון נתן תנופה להבנה כיצד בנויים גרעיני האטומים.

באותה שנה, 1932, כאשר התגלה הנייטרון, הציעו הפיזיקאי הסובייטי דמיטרי דמיטריביץ' איוננקו והפיזיקאי הגרמני ורנר הייזנברג מודל פרוטון-נייטרון של מבנה הגרעינים, שתוקפו אושר לאחר מכן בניסוי.

פרוטונים וניטרונים נקראים נוקלונים (מהגרעין הלטיני - גרעין). באמצעות מונח זה, אנו יכולים לומר שגרעיני אטום מורכבים מנוקלונים.

• המספר הכולל של נוקלונים בגרעין נקרא מספר המסה והוא מסומן באות A

כך, למשל, עבור חנקן מספר המסה A = 14, עבור ברזל A = 56, עבור אורניום A = 235.

ברור שמספר המסה A שווה מספרית למסת הגרעין m, מבוטאת ביחידות מסה אטומית ומעוגלת למספרים שלמים (שכן המסה של כל נוקלאון שווה בערך ל-1 אמו). לדוגמה, עבור חנקן m ≈ 14 א. u.m., עבור ברזל m ≈ 56 am. א.מ. וכו'.

• מספר הפרוטונים בגרעין נקרא מספר המטען ומסומן ב-Z

לדוגמה, עבור חנקן מספר המטען הוא Z = 7, עבור ברזל Z = 26, עבור אורניום Z = 92, וכו'.

המטען של כל פרוטון שווה למטען החשמלי היסודי. לכן, מספר המטען Z שווה מספרית למטען הגרעין, המתבטא במטענים חשמליים יסודיים. עבור כל יסוד כימי, מספר המטען שווה למספר האטומי (אורדיאלי) בטבלה של מנדלייב.

הגרעין של כל יסוד כימי מסומן בדרך כלל באופן הבא: (X פירושו סמל היסוד הכימי).

מספר הנייטרונים בגרעין מסומן בדרך כלל באות N. מכיוון שמספר המסה A הוא מספר כוללפרוטונים וניטרונים בגרעין, אז נוכל לכתוב: A = Z + N.

בהתבסס על מודל הפרוטון-נייטרון של מבנה גרעיני אטום, ניתן הסבר לכמה עובדות ניסויות שהתגלו בשני העשורים הראשונים של המאה ה-20.

כך, במהלך חקר התכונות של יסודות רדיואקטיביים, התגלה כי אותו יסוד כימי מכיל אטומים עם גרעינים בעלי מסות שונות.

אותו מטען של הגרעינים מציין שיש להם אותו מספר סידורי בטבלה של מנדלייב, כלומר, הם תופסים את אותו תא, באותו מקום בטבלה. מכאן מגיע השם של כל הזנים של יסוד כימי אחד: איזוטופים (מהמילים היווניות isos - זהה ו-topos - מקום).

• איזוטופים הם זנים של יסוד כימי נתון הנבדלים במסה של גרעיני אטום

הודות ליצירת מודל הפרוטון-נייטרון של הגרעין (כלומר, כשני עשורים לאחר גילוי האיזוטופים), ניתן היה להסביר מדוע לגרעיני אטום בעלי אותו מטען יש מסות שונות. ברור שגרעיני איזוטופים מכילים מספר זהה של פרוטונים, אך מספר שונה של נויטרונים.

לדוגמה, ישנם שלושה איזוטופים של מימן: (פרוטיום), . (דוטריום) ו-(טריטיום). לגרעין האיזוטופ אין נויטרונים כלל - הוא מייצג פרוטון אחד. גרעין הדאוטריום מכיל שני חלקיקים: פרוטון ונויטרון. גרעין הטריטיום מורכב משלושה חלקיקים: פרוטון אחד ושני נויטרונים.

ההשערה שגרעיני אטום מורכבים מפרוטונים ונייטרונים אושרה על ידי עובדות ניסויות רבות.

אבל עלתה השאלה: מדוע גרעינים אינם מתפרקים לגרעין בודדים בהשפעת כוחות דחייה אלקטרוסטטיים בין פרוטונים בעלי מטען חיובי?

חישובים מראים שלא ניתן להחזיק נוקלונים יחד בשל כוחות משיכה בעלי אופי כבידה או מגנטי, שכן כוחות אלו נמוכים משמעותית מאלקטרוסטטיים.

בחיפוש אחר תשובה לשאלת היציבות של גרעיני אטום, הניחו מדענים שכמה כוחות משיכה מיוחדים פועלים בין כל הגרעינים בגרעינים, אשר עולים משמעותית על כוחות הדחייה האלקטרוסטטיים בין פרוטונים. כוחות אלו נקראו גרעיניים.

ההשערה לגבי קיומם של כוחות גרעיניים התבררה כנכונה. התברר גם שכוחות גרעיניים הם קצרי טווח: במרחק של 10-15 מ' הם גדולים פי 100 בערך מכוחות האינטראקציה האלקטרוסטטית, אבל כבר במרחק של 10-14 מ' הם מתגלים כזנחים. במילים אחרות, כוחות גרעיניים פועלים במרחקים הדומים לגודל הגרעינים עצמם.

שאלות

1. איך נקראים פרוטונים וניוטרונים ביחד?
2. מהו מספר מסה? מה ניתן לומר על הערך המספרי של המסה של אטום (ב-a.m.u) ומספר המסה שלו?
3. מה ניתן לומר על מספר המטען, מטען הגרעין (המתבטא במטענים חשמליים יסודיים) והמספר הסידורי בטבלה של מנדלייב לכל יסוד כימי?
4. כיצד מספר המסה, מספר המטען ומספר הנייטרונים בגרעין קשורים זה לזה?
5. כיצד נוכל להסביר את קיומם של גרעינים בעלי מטענים זהים ומסות שונות במסגרת מודל הפרוטון-נייטרון של הגרעין?
6. איזו שאלה עלתה בקשר להשערה שגרעיני האטומים מורכבים מפרוטונים ונייטרונים? איזו הנחה היו צריכים מדענים לעשות כדי לענות על שאלה זו?
7. איך נקראים כוחות המשיכה בין נוקלונים בגרעין ומהם המאפיינים האופייניים להם?

נושא: הרכב גרעין האטום. כוחות גרעיניים.

מטרת השיעור: להכיר לתלמידים את המאפיינים המבניים של גרעין האטום.

מטרות השיעור:

חינוכי:

) חזרה, הכללה והעמקת הידע על הרכב גרעיני אטום;

) יוצרים את המושג "איזוטופים של חומרים";

) יוצרים את המושג "כוח גרעיני";

) למד את תכונותיהם של כוחות גרעיניים;

חינוכי:

) לפתח את היכולת לבצע פעולות מנטליות: ניתוח, סינתזה, סיסטמטיזציה, השוואה, מפרט;

) לפתח עניין בפיזיקה;

) הראה את הקשר בין ידע תיאורטי לפרקטיקה;

) ללמד להשתמש במערכת המחזורית של מנדלייב כדי לקבוע את הרכב גרעין האטום;

) המשך לפתח את היכולת ליישם ידע תיאורטי בעת פתרון בעיות;

) לתרום לפיתוח חשיבה גמישה אצל תלמידים;

) לתרום לפיתוח תשומת הלב של התלמידים;

מחנכים:

) חינוך לתמונה הוליסטית של העולם;

) לפתח את היכולת להשתמש בידע שרכשו התלמידים בלימוד מקצועות אחרים.

ציוד: הטבלה המחזורית של מנדלייב, מצגת לשיעור, דפי מידע.

אפיגרף לשיעור:

"אינטליגנציה טמונה לא רק בידע, אלא גם ביכולת ליישם ידע בפועל"

אריסטו.

במהלך השיעורים.

א. רגע ארגוני.

הפילוסוף היווני הקדום אריסטו אמר: "האינטליגנציה טמונה לא רק בידע, אלא גם ביכולת ליישם ידע הלכה למעשה". תן למילים הללו, שנאמרו עוד במאה הרביעית לפני הספירה, להפוך למוטו של השיעור שלנו היום (שקופית 1)

II. שלב בדיקת שיעורי הבית

סקר פרונטלי:

1. מי היה הראשון שהעלה את ההשערה שגרעיני האטום של כל היסודות הכימיים כוללים גרעין של אטום מימן? (הפיזיקאי האנגלי ארנסט רתרפורד)

2. באיזו שנה התקבלו העובדות המאששות את תקפותה של השערה זו? (בשנת 1919, כאשר צופים באינטראקציה של α - חלקיקים עם גרעינים של אטומי חנקן)

3. מהו שם נוסף לגרעין של אטום מימן? (פרוטון מהמילה היוונית protos - ראשון)

4. בזכות המצאת איזה מכשיר הוכח סוף סוף קיומו של הפרוטון? (תא ענן)

5. רשום את הייעוד הסמלי של הפרוטון על הלוח (11H, 11p)

6. ארנסט רתרפורד העלה השערה לגבי קיומם של אילו חלקיקים כלולים בגרעין האטום ב-1920? (נֵיטרוֹן)

7. על ידי מי ומתי הוכחה הנחה זו? (ב-1932 - הפיזיקאי האנגלי ג'יימס צ'דוויג (תלמידו של ראתרפורד))

8. כתוב את הסמל לנייטרון (10n) על הלוח.

קח את דפי ההערכה (נספח 1) ותן לעצמך ציון לשלב זה של השיעור

III. השלב של לימוד חומר חדש.

1. לכל אחד צריך להיות לפחות מושג כללי כיצד פועל העולם בו הוא חי. לכן, חשוב לדעת שהעולם ניתן לדעת, שככל שהידע מעמיק, תמונת העולם הופכת מורכבת יותר.

חברים, על מה לדעתכם נדבר היום בכיתה?

ואני חושב שנחקור את מבנה האטום.)

כן, נמשיך בעבודתנו על חקר המבנה של גרעין האטום. נושא השיעור שלנו: "מבנה גרעין האטום. כוחות גרעיניים". רשום את נושא השיעור במחברת שלך (שקופית 2).

בואו ננסה לקבוע את המטרות והיעדים של השיעור.

(למד את המבנה של גרעיני אטום. אילו כוחות מחזיקים את החלקיקים המרכיבים את הגרעינים) (שקופית 3)

יש שנה בהיסטוריה של הפיזיקה המודרנית שנקראת "שנת הניסים". זה 1932. אחד ה"ניסים" שלו היה גילוי הנייטרון ויצירת מודל נויטרונים-פרוטון של גרעין האטום (על ידי הפיזיקאים הסובייטים - וגאפון; הפיזיקאי הגרמני - ורנר הייזנברג; הפיזיקאי האיטלקי - מיורנה).

לגרעין יש צורה של כדור R ≈ 10-15 מ', כ-99.96% מהמסה הכוללת של האטום מרוכזת בו, ρ = 2.7∙1017 ק"ג/מ³.

פרוטון: p (1919), משך חיים 10³¹ שנים, m = 1836.2me, qp = +e

נויטרון: n, q=0, משך חיים מחוץ לגרעין 15 דקות, m=1838.7me

ואדים סקרובוגאטקו הכין לנו הודעה על הרכב גרעין האטום.

שני החלקיקים האלה נקראים לעתים קרובות נוקלונים (שקופית 4.)

כל יסוד כימי מוגדר באופן קונבנציונלי - X (שקופית 5).

מספר החלקיקים המרכיבים את גרעין האטום נקרא מספר המסה ומסומן A. (שקופית 6).

מספר הפרוטונים בגרעין נקרא מספר המטען ומסומן ב-Z. (שקופית 7)

מספר הנייטרונים הכלולים בגרעין מסומן N.

A= N + Z (שקופית 8).

2. מחקר נוסף של גרעיני אטום הוביל לגילוי שלאטומים של אותו יסוד כימי יכולים להיות גרעינים בעלי מסות שונות.

יתר על כן, לכל האטומים הללו היו אותן תכונות כימיות, ולכן יש להם אותו מטען גרעיני. אם המטענים של הגרעינים זהים, זה אומר שיש להם אותו מספר סידורי בטבלה, כלומר, הם תופסים את אותו תא בטבלה.

(שקופית 9). כל הזנים של יסוד כימי אחד נקראים איזוטופים.

כעת הוכח בניסוי שכמעט לכל היסודות הכימיים יש איזוטופים.

לדוגמה:

11H - פרוטיום 21H - דאוטריום 31Н - טריטיום.

נוכחותם של אילו חלקיקים הכלולים בהרכב הגרעין שונה עבור איזוטופים? (נייטרונים)

נוכחותם של מספרים שונים של נויטרונים בגרעיני האיזוטופים היא שגורמת לשונות תכונות גשמיות חומרים כימיים, שיילמד ביתר פירוט בכיתה יא.

3. ההשערה לגבי הרכב הפרוטון-נייטרונים של גרעין האטום אוששה, אך נשאלת השאלה הבאה: מדוע הגרעין אינו מתכלה לחלקיקים בודדים?

כדי לענות על שאלה זו, נזכיר את החומר שנלמד בעבר:

יש משיכה הדדית בין כל הגופים בעלי מסה. כוח הכבידה מחושב לפי חוק הכבידה האוניברסלית: F=Gm1m2/r2.

לפרוטונים המרכיבים את הגרעין יש מטען חיובי, כלומר מתרחשת הדחייה ביניהם, וכוח הדחייה החשמלי גדול פי 1039 מכוח המשיכה הכבידה. רק מעובדה זו ניתן להסיק שבין החלקיקים המרכיבים את הגרעין מתרחשת אינטראקציה שהיא אפילו חזקה יותר מאשר חשמלית, אחרת הפרוטונים המרכיבים את הגרעין היו עפים משם במהירות עצומה.

מדענים הגיעו למסקנה שיש סוג אחר של אינטראקציה בטבע, שנקרא חזק.

(שקופית 10). כוחות המשיכה בין החלקיקים המרכיבים את הגרעין נקראים גרעיניים.

(שקופית 11). מאפיינים של כוחות גרעיניים:

Ø הם רק כוחות משיכה;

Ø גדול פי כמה מכוחות קולומב;

Ø לא תלויים בנוכחות של מטען;

Ø טווח קצר: מורגש במרחק r ≈ 2.2∙10 -15 מ';

Ø אינטראקציה עם מספר מוגבל של נוקלונים (תכונת רוויה).

https://pandia.ru/text/80/367/images/image003_45.gif" width="31" height="13">0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

שם החומר

מספר מסה, א

מספר מטען, Z

מספר נויטרונים, N

גרמניום

בדקו כיצד ביצעתם את המשימה ותנו לעצמכם ציון בדף הניקוד. הסוג הזהעֲבוֹדָה.

2. שקופית 14. זהה את היסוד הכימי החסר.

שקופית 15. בדקו כיצד ביצעתם את המשימה ותנו לעצמכם ציון בגיליון ההערכה לעבודה מסוג זה.

Mg

לא

לי

ג

O

3. המציא שאלות לתשבץ (אפשרות 1 - למילים הממוקמות אופקית, אפשרות 2 - למילים הממוקמות אנכית) (נספח 1)

תן לעצמך ציון בגיליון ההערכה עבור סוג זה של עבודה.

VI. מסכם את השיעור

תסיים את המשפט:

1. אטום של כל יסוד כימי מורכב מ...

2. הגרעין של כל יסוד כימי מורכב מ...

3. סכום הפרוטונים והנייטרונים נקרא..., בטבלה המחזורית מספר המסה הוא....

4. במערכת המחזורית מספר הפרוטונים בגרעין הוא ..., ונקרא ....

5. מספר הנייטרונים בגרעין שווה ל... (ההבדל בין המסה והמטען)

6. פרוטונים וניוטרונים מוחזקים בגרעין... (כוחות גרעיניים)

7. איזוטופים הם... (זנים של אותו יסוד כימי הנבדלים במסה של גרעיני אטום).

8. אנרגיה מחייבת היא... (האנרגיה הנדרשת לפיצול גרעין לגרעין בודד).

9. תגובה גרעינית נקראת... (שינוי בגרעיני האטום כאשר הם מקיימים אינטראקציה עם חלקיקים אלמנטריים או זה עם זה).

אילו יעדים הצבת לעצמך והצלחת להשיג אותם? תן לעצמך ציון בדף הניקוד עבור סוג זה של עבודה.

חשב את הציון הממוצע שלך לשיעור.

VII. שקופית 17. D/z: §61, 62 ex. 45 (ספר לימוד: ,)

VIII. הִשׁתַקְפוּת.

המשך את המשפט

היום בכיתה

) הרגשתי …
אני מבין …
אני א…

פיזיקה היא מדע הטבע - מראה לנו עד כמה העולם בו אנו חיים גדול, אבל העולם הזה ניתן לזיהוי, כלומר הפיזיקה מעניקה לאדם כוח יוצא דופן.

מהמחשבה על החלקיקים הקטנים ביותר, בסופו של דבר, צצו כל היתרונות שיש לנו היום: חומרים חדשים, טלוויזיות, לייזרים, מחשבים. א רעיון מרכזיעל החלקיקים הקטנים ביותר עזרו להבין את העולם מנקודת מבט אחת.

חבר'ה, השיעור שלנו הגיע לסיומו. אני רוצה לסיים את זה במילות הפתגם "זה לא בושה לא לדעת, זה בושה לא ללמוד!" וכמה עדיין לא ידוע מסביב! איזה תחום פעילות למוח סקרן. אז הפעל את "מכונת התנועה התמידית" שלך ולך!

נספח 1.

נייר הערכה __________________________________________________

	סוג העבודה
	בודק שיעורי בית
	לימוד חומר חדש
	קונסולידציה
	הכנה לבחינת המדינה א) מילוי הטבלה