Selle videoõpetuse abil saab igaüks iseseisvalt uurida teemat „Kompositsioon aatomituum. Hulginumber. Tasu number. Tuumajõud. Tunnis räägib õpetaja aatomi ehitusest, samuti viib läbi kõigi eelnevate aatomi ehituse tundide vahesumma.

Füüsika 9. klass

Teema: Aatomi ehitus ja aatomituum. Aatomituumade energia kasutamine

56. õppetund Hulginumber. Lae

number. tuumajõud

Jerjutkin Jevgeni Sergejevitš

Füüsika õpetaja kõrgeim kategooria GOU SOSH №1360

Moskva

Tere! Tänane tund on pühendatud küsimusele, mis on seotud aatomituuma struktuuri, laengu arvu, massiarvu aruteluga, samuti räägime sellest, mis on tuumajõud. Meie õppetund on kokkuvõte mõnest vahetulemusest kõigis varem uuritud küsimustes. Tahaksin öelda, et uurisime aatomi ehituse ja tuuma ehitusega seotud küsimusi. Seetõttu räägime sellest täna. Mõni kokkuvõte eelmistest teemadest, eelnevad küsimused. Enne esimese küsimuse juurde asumist räägime sellest. Eelmises tunnis ütlesime, et Rutherford tegi oma katsetes kindlaks, et on olemas selline osake nagu prooton. Mõni aeg hiljem, 1932. aastal, tegi Chadwick kindlaks, et on veel üks osake, mida nimetatakse neutroniks. Pärast seda avastust, teineteisest sõltumatult, pakkusid kaks inimest, vene teadlane Ivanenko ja saksa teadlane Heisenberg välja aatomituuma struktuuri prooton-neutronmudeli. Selle Ivanenko-Heisenbergi teooria kohaselt sisaldab mis tahes aatomi tuum prootoneid ja neutroneid. Neid prootoneid ja neutroneid koos, neid, mis on aatomi tuumas, otsustati nimetada nukleoniteks. Sellel viisil, "nukleon" (lat. "tuum") - prootonite ja neutronite üldnimetus. Neid osakesi, millel on laeng, ja neid osakesi, millel pole laengut, neutroneid, kõiki neid osakesi koos nimetatakse nukleoniteks. Räägime millestki muust. Tuumalaengu idee pakkus esmakordselt välja 1913. aastal inglise teadlane Henry Moseley. Ta tegi ettepaneku, et kuna aatom on elektriliselt neutraalne, on elemendi aatomnumber korrutatuna elementaarelektrilaenguga tuuma laeng. Kuidas Moseley sellisele järeldusele jõudis? Fakt on see, et elektronide arv aatomis vastab seerianumbrile. See tähendab, et kõigi elektronide laeng on seerianumbri ja ühe elektroni laengu korrutis. Kuna tuumas on koondunud positiivne laeng, siis see tähendab, et sama võib öelda ka tuuma kohta. Vaatame, kuidas see tuli Moseley täpselt sellele, mida me nimetame tasunumbriks. Vaata:

qma = Z . | e|

qma- tuumalaeng

e - elektronide laeng

Z- prootonite arv tuumas, laengu arv

Arvu laeng on selle väite kohaselt määratletud kui seerianumbri ja elementaarelektrilaengu korrutis. Sel juhul e - see on elektroni laeng, seda nimetatakse elementaarelektrilaenguks ja seda võetakse modulo, kuna on selge, et tuuma laeng on positiivne. Sel juhul hakati seerianumbrit nimetama laengunumbriks, seerianumbriks on number, mis vastab tuumas olevate prootonite arvule. Seega, kui me räägime seerianumbrist, saame rääkida prootonite arvust tuumas. Järgmine number, millest rääkida, on massiarv. Seda numbrit tähistatakse tähega A ja see sama number võetakse perioodilisuse tabelist ja ümardatakse täisarvudeks. Siis saame rääkida võrrandist, mida kõikjal maailmas nimetatakse Ivanenko-Heisenbergi võrrandiks. See võrrand koosneb kolmest arvust: massiarv, laengu number ja neutronite arv. Vaatame, kuidas see on kirjutatud ja kuidas neid koguseid tähistatakse.

Ivanenko-Heisenbergi võrrand

A =Z + N

A on massiarv

Z- elemendi seerianumber,

N- neutronite arv tuumas

Vaata: massiarv A näitab, kui palju nukleonid siseneb tuuma. Selgus, et perioodilisuse tabeli järgi, määrates keemilise elemendi massiarvu, määrame nukleonide arvu aatomi tuumas.

Z, nagu me ütlesime, on seerianumber ja prootonite arv tuumas. N on antud juhul neutronite arv. Seega saame sellest võrrandist määrata neutronite arvu, prootonite arvu, teades massi- ja seerianumbrit. Siin tuleb märkida oluline punkt. Fakt on see, et 1913. aastal tuvastas üks teine ​​teadlane Soddy (mäletate, et see mees töötas koos Rutherfordiga) huvitava asja. Leiti, et on olemas täpselt samade keemiliste omadustega, kuid erineva massiarvuga keemilisi elemente. Elemente, millel on samad keemilised omadused, kuid erinev massiarv, nimetatakse isotoopideks. Isotoobid - Need on samade keemiliste omadustega, kuid erineva aatomituuma massiga keemilised elemendid.

Samuti tuleb lisada, et isotoopide radioaktiivsus on erinev. Kõik see kokku viis selle probleemi uurimiseni. See näitab kergete ja raskete keemiliste elementide isotoope. Vaatame. Oleme valinud perioodilisuse tabeli spetsiaalselt erinevad piirkonnad, et näidata, et peaaegu kõigil keemilistel elementidel on isotoobid.

Isotoobid:

H - protiumU

H - deuteeriumU

H - triitium

Vesinikul on kolm neist isotoopidest. Esimest isotoopi H nimetatakse protiumiks. Pange tähele, et seerianumber on paigutatud alla, see on number Z ja massiarv on kirjutatud üleval - see on arv A. Üle A, alla Z ja kui me mõistame, et see tähendab, et tuumas protiumi aatom on lihtsaim keemiline element, universumis kõige laiemalt levinud. Seal on ainult 1 prooton ja selles tuumas pole üldse neutroneid. On olemas teist tüüpi vesinik – see on deuteerium. Tõenäoliselt on paljud seda sõna kuulnud. Pange tähele: seerianumber on 1 ja massinumber 2. Seega koosneb deuteeriumi tuum juba 1 prootonist ja ühest neutronist. Ja on veel üks vesiniku isotoop. Seda nimetatakse triitiumiks. Triitium on lihtsalt (järjekorranumber üks) ja massinumber näitab, et selle isotoobi tuumas on 2 neutronit. Ja veel üks element on uraan. Hoopis teine ​​pool perioodilisustabelist. Need on juba rasked elemendid. Uraanil on 2 tavalist isotoopi. See on uraan 235. Seerianumber on 92 ja massinumber 235. Saate kohe rääkida, kuidas ühe elemendi tuum erineb teisest. Teine isotoop: ka seerianumber 92 ja massinumber 238. Väga sageli ei öelda isotoopidest, eriti uraanist rääkides kunagi seerianumbrit. Nad lihtsalt ütlevad "uraan", nimetavad keemilise elemendi ja ütlevad selle massinumbri - 238. Või uraan 235. Me arutame seda küsimust sel lihtsal põhjusel, et teame, kui oluline on see keemiline element tänapäeval meie riigi ja Eesti energia jaoks. üldine maailma energeetika kui terviku jaoks.

Järgmine küsimus, mida peame puudutama, tuleneb öeldust. Kuidas neid osakesi, neid nukleone tuuma sees hoitakse? Nimetasime erinevaid keemilisi elemente, erinevaid isotoope, eriti raskete elementide puhul, kus nukleonid, s.o. prootoneid ja neutroneid, palju. Kuidas, kuidas neid tuuma sees hoitakse? Teame, et väikese vahemaa korral on südamiku suurus väga-väga väike, seda kogutakse suur hulk nukleoni osakesed. Kuidas on need nukleonid seal nii tihedalt ja tihedalt kinni hoitud, milliste jõududega? Tõepoolest, elektrostaatilise tõuke tõttu peavad need osakesed väga kiiresti lagunema, hajuma. Teame, et tõmbuvad ligi ainult vastaslaengud, vastaslaengutega laetud osakesed. Kui osakesed on laetud sama nimega, on selge, et need peavad tõrjuma. Tuuma sees on prootonid. Nad on positiivselt laetud. Kerneli suurus on väga väike. Samas tuumas on ka neutronid, mis tähendab, et peavad olema jõud, mis neid ja teisi osakesi koos hoiavad. Just neid jõude nimetatakse tuumajõududeks. Tuumajõud on nukleonide vahel mõjuvad tõmbejõud. Võime öelda, et neil jõududel on oma erilised omadused.

Esimene omadus, millest peame rääkima, on see tuumajõud peavad ületama elektrostaatilise tõukejõu. Ja see on nii, kui neid oli võimalik kindlaks teha, selgus, et need on 100 korda suuremad kui elektrostaatilised tõukejõud. Teine väga oluline märkus on see tuumajõud tegutsevad lühikese vahemaa tagant. Näiteks 10–15 m - see on südamiku läbimõõt, need jõud toimivad. Kuid niipea, kui tuuma suurus suureneb 10–14-ni, mis tundus olevat üsna vähe, viib see tõsiasjani, et tuum laguneb tingimata. Sellel kaugusel ei ole tuumajõud enam aktiivsed. Ja elektrostaatilise tõrjumise jõud jätkavad tegutsemist ja just nemad vastutavad selle eest, et tuum laguneb.

Teine asi, mida tuumajõudude kohta öelda, on see need ei ole kesksed, st. need ei toimi mööda neid osakesi ühendavat sirgjoont. Ja see, et tuumajõud ei sõltu sellest, kas osakesel on laeng või mitte, sest tuuma sisenevad nii prootonid kui neutronid. Need osakesed on koos. Seega on järeldus: need osakesed, nukleonid, hoitakse tuumas tuumajõudude toimel ja need jõud toimivad ainult tuumas. Samuti võib märkida, et tuumajõud on tuumastabiilsuse seisukohalt olulised. Vastutab selle elemendi pikaealisuse eest. Kokkuvõtteks võib märkida veel üht asja: kui me räägime energeetikast, siis just siin mängivad põhirolli tuumajõud. Sellest räägime järgmistes tundides. Hüvasti.

Tunni ülesanne.

1. Määrake raua tuumade nukleonide koostis (nukleonite, prootonite, neutronite arv).

2. Keemilise elemendi aatomi tuumas on 22 prootonit ja 26 neutronit. Nimetage see keemiline element.

3. Hinda tugevust gravitatsiooniline interaktsioon kahe neutroni vahel tuumas. Neutroni mass on ligikaudu 1,7 * 10 -27 kg, võta neutronite vaheline kaugus 10 -15 m, on gravitatsioonikonstandi väärtus 6,67 * 10-11 (N * m 2) / kg 2.

Aatomituuma koostis
Nukleonide koguarv antud tuumas
nimetatakse massinumbriks, tähistatakse
Prootonite arvu tuumas nimetatakse
laengu number, tähistatud
(see võrdub keemilise elemendi arvuga)
Tähistatud on neutronite arv tuumas
Aatomi tuum on tähistatud samamoodi nagu
vastav keemiline element,
pannes selle ette ülaossa - massiarv,
ja allpool on tasu number
207
Näiteks: 235
Pb
82
92
U

Tuuma prooton-neutron mudel
1
1
lk
prooton
+
Tuum
Z on prootonite arv tuumas
N on neutronite arv tuumas
m p mN 1a.u.m.
mina tuum
neutron 1
0
n
A \u003d Z + N - massiarv
A \u003d M (ümarda kuni täisarvuni)
Mitu prootonit ja neutronit on uraani isotoobi tuumas?
A) 235
92
U
A = 235
B) 238
Z=92
92
N = A-Z = 235-92 = 143
U
A = 238
Z=92
N = A-Z = 238-92 = 146

isotoobid

Sama keemilise elemendi jaoks
Seal on erineva massiga aatomeid
südamikud.
Sama laenguga, kuid erineva massiga tuumad
nimetatakse isotoopideks.
Isotoobid (kreeka sõnadest isos - sama ja topos
– koht), millel on sama seerianumber
perioodilisustabel
Isotoobid sama number prootonid, kuid erinevad
neutronite arv.
isotoobid
füüsiline
3 kinnisvara
1 on erinevad
2
Näiteks:
vesinik1 on kolm isotoopi
1
1
H
protium
H
H
deuteerium
triitium

99,985%
0,015%
H looduslik isotoopkoostis
10 15 10 16%

17
Tuntud aastast 1906
35
17
Cl
Cl
37
17
M = 35,457
Cl
92
U
239
92
U
234
92
U
235
92
U
238
92
U
M = 238,0289

Millised jõud tagavad aatomituuma stabiilsuse?

Vastus: Gravitatsioonijõud
Vastus on vale, kuna need jõud
palju vähem elektrostaatilisi jõude
tõrjumine prootonite vahel.
Kaasaegsed teadlased selgitama
tuuma stabiilsuse kontseptsiooni kasutamine
tuumajõud
Tuumajõud on mõjuvad jõud
nukleonite vahel tuumas ja pakkudes
stabiilsete tuumade olemasolu
Tuumajõud on tugevad
interaktsiooni

Tuumajõudude omadused

Tuumajõud on tõmbejõud, nagu nad
hoida nukleone tuuma sees (väga tugevate
nukleonide lähenemine, on nendevahelised tuumajõud
tõrjuv iseloom).
Tuumajõud ei ole elektrilised jõud, nagu nad on
ei toimi mitte ainult prootonite, vaid ka nende vahel
laetud neutronid, mitte gravitatsioonilised,
mis on tuumamõjude selgitamiseks liiga väikesed.
Nukleonide seondumisastme uurimine erinevates tuumades
näitavad, et tuumajõududel on vara
küllastus, mis sarnaneb keemiliste jõudude valentsiga.
Selle tuumajõudude omaduse kohaselt on üks
ja sama nukleon ei suhtle kõigiga
teised tuuma nukleonid, kuid ainult mõne üksikuga
naaber.

Tuumajõudude omadused

Kõige olulisem vara tuumajõud on nende ülesanne
iseseisvus, see tähendab kolme tüübi identiteet
tuuma interaktsioon: kahe prootoni vahel, vahel
prootoni ja neutroni ning kahe neutroni vahel.
Tuumajõudude toimeala on tühine.
Nende tegevusraadius on 10 -13 m Suurtel vahemaadel
osakeste vahel ei toimu tuuma vastasmõju.
Tuumajõud (piirkonnas, kus nad tegutsevad) on väga
intensiivne. Nende intensiivsus on palju suurem
elektromagnetiliste jõudude intensiivsus, kuna tuumajõud
hoiavad tuuma sees sarnaselt laetud prootoneid,
tõrjudes üksteist tohutu
elektrilised jõud.
Vahemaa suurenedes vähenevad need väga kiiresti.
(1,4 10 15 m kaugusel võib nende tegevus
hooletusse jätmine)

Probleemi lahendamine
1. Mitu nukleoni sisaldavad tuumasid:
6
3
Li
64
29
108
47
Cu
Ag
207
82
Pb
2. Määrake tuumade nukleonide koostis:
4
2
Ta
16
8
O
79
34
Se
3. Nimetage aatomituumas sisalduv keemiline element
mis sisaldab nukleone:
AGA). 7p + 7n
14
7
N
B). 18p + 22n 40 Ar
18
IN). 33p+42n
75
33
G). 84p+126n
210
84
Nagu
Po

RADIOAKTIIVSUS

Röntgenikiirguse avastamine
andis uuele tõuke
uurimine. Nende uuring viis uute avastusteni, üks
millest radioaktiivsuse avastamine.
Umbes üheksateistkümnenda keskel
paistma hakkas
eksperimentaalsed faktid, mis seadsid kahtluse alla
ideed aatomite jagamatuse kohta. Nende tulemused
katsed näitasid, et aatomitel on
keeruline struktuur ja et need hõlmavad elektriliselt
laetud osakesed.
Kõige säravam
keeruline
aatomi struktuur oli
nähtuse avastamine
tekitatud radioaktiivsus
Prantsuse füüsik Henri
Becquerel 1896. aastal.

Teadlased jõudsid järeldusele, et
radioaktiivsus on
spontaanne protsess, mis toimub aatomites
radioaktiivsed elemendid. Nüüd need nähtused
defineeritud kui spontaanset transformatsiooni
ühe keemilise elemendi ebastabiilne isotoop
teise elemendi isotoobile; kuni see juhtub
elektronide, prootonite, neutronite või
heeliumi tuumad (α-osakesed).

10 aastat ühist
nad tegid väga head tööd
palju uurida
nähtusi
radioaktiivsus.
See oli ennastsalgav
töötada teaduse nimel
halvasti varustatud
laborid ja
vajaliku puudumine
rahalised vahendid.
Marie ja Pierre Curie laboris

a - kiired
- kiired
b - kiired

a - osake - heeliumi aatomi tuum. a-kiired
on kõige vähem läbitungiv
võime. Paberikiht u.
0,1 mm pole nende jaoks enam läbipaistev. Nõrk
magnetväljas kõrvale kaldunud.
At a-osake mõlema jaoks
on kaks elementaarlaengut
aatomi massiühikud. Rutherford
tõestas, et radioaktiivse a - lagunemise ajal
moodustub heelium.

β - osakesed on elektronid,
liigub väga suurel kiirusel
valguse kiirusele lähedal. Nad tugevalt
hälbivad nii magnetiliselt kui
elektriväli. β - kiiri on palju
imendub läbimise ajal vähem
läbi mateeria. alumiiniumplaat
viivitab neid täielikult ainult siis, kui
mõne millimeetri paksune.

- kiired on
elektromagnetlained. Nende enda järgi
omadused on väga sarnased
röntgen, vaid ainult nende läbitungiv
palju rohkem võimeid kui
röntgenikiirgus. Ei lükatud tagasi
magnetväli. on kõige rohkem
läbitungimisvõime. plii kiht
1 cm paksune pole nende jaoks
ületamatu barjäär. Mööda minnes
- kiired läbi sellise kihi plii neid
intensiivsus on ainult poole võrra väiksem.

α - ja b - kiirgust kiirgavad aatomid
radioaktiivsete elementide muutus,
muutudes uue elemendi aatomiteks.
Selles mõttes radioaktiivsete ainete emissioon
kiirgust nimetatakse radioaktiivseks lagunemiseks.
Reeglid, mis määravad nihke
element sisse perioodiline süsteem põhjustatud
lagunemist nimetatakse nihkereegliteks.

a - lagunemine
- lagunemine
b-lagunemine

a - nimetatakse lagunemiseks
aatomituuma spontaanne lagunemine
a – osake (heeliumi aatomi tuum 24 He) ja tuumaprodukt. A-lagunemisprodukt osutub
nihutas kaks lahtrit algusesse
Mendelejevi perioodiline süsteem.
M
Z
X
M4
Z2
Y Tema
4
2

b - nimetatakse lagunemiseks
aatomi spontaanne muundumine
tuuma kiirgades elektroni. Tuum -
beeta-lagunemisprodukt on tuum
üks elemendi isotoope järgarvuga
arv perioodilisuse tabelis ühiku kohta
originaali suur seerianumber
tuumad.
M
Z
X Y e
M
Z1
0
1

- kiiritus ei kaasne
laengu muutmine; tuuma mass muutub
ebaoluline.
M
Z
X Y
M
Z
0
0

radioaktiivne lagunemine -
radioaktiivne (spontaanne)
algse (vanema) tuuma transformatsioon
uutesse (laps)tuumadesse.
Iga radioaktiivse aine kohta
on teatud intervall
aeg, mille jooksul
aktiivsus väheneb poole võrra.

Poolväärtusaeg T on
aeg, mille jooksul
pool läheb laiali
sularaha
radioaktiivsed aatomid.
N0 on radioaktiivsete aatomite arv
esialgne ajahetk.
N on lagunemata aatomite arv
mis tahes ajahetkel.

§1 Laeng ja mass, aatomituumad

Tuuma kõige olulisemad omadused on selle laeng ja mass. M.

Z- tuuma laengu määrab tuumasse koondunud positiivsete elementaarlaengute arv. Positiivse elementaarlaengu kandja R= 1,6021 10 -19 C tuumas on prooton. Aatom tervikuna on neutraalne ja tuuma laeng määrab samaaegselt elektronide arvu aatomis. Elektronide jaotus aatomis energiakihtide ja alamkihtide vahel sõltub põhiliselt nende koguarvust aatomis. Seetõttu määrab tuuma laeng suuresti elektronide jaotuse nende olekute järgi aatomis ja elemendi asukoha Mendelejevi perioodilises süsteemis. Tuumalaeng onqma = z· e, kus z- tuuma laengu number, mis on võrdne elemendi järjekorranumbriga Mendelejevi süsteemis.

Aatomituuma mass langeb praktiliselt kokku aatomi massiga, sest kõigi aatomite, välja arvatud vesiniku, elektronide mass on ligikaudu 2,5 10 -4 aatomite massi. Aatomite massi väljendatakse aatommassi ühikutes (a.m.u.). A.u.m. aktsepteeritud 1/12 süsinikuaatomi massist.

1 amu \u003d 1,6605655 (86) 10–27 kg.

mma = m a - Z mina.

Isotoobid on teatud keemilise elemendi aatomite sordid, millel on sama laeng, kuid mille mass on erinev.

Aatommassile lähim täisarv, väljendatuna a.u. m . nimetatakse massinumbriks m ja tähistatakse tähega AGA. Keemilise elemendi nimetus: AGA- massiarv, X - keemilise elemendi sümbol,Z-laadimisnumber - seerianumber perioodilisuse tabelis ():

Berüllium; Isotoobid: , ", .

Tuuma raadius:

kus A on massiarv.

§2 Tuuma koosseis

Vesiniku aatomi tuumhelistas prooton

mprooton= 1,00783 amu , .

Vesiniku aatomi diagramm

1932. aastal avastati osake nimega neutron, mille mass on lähedane prootoni massile (mneutron= 1,00867 a.m.u.) ja sellel puudub elektrilaeng. Siis D.D. Ivanenko sõnastas hüpoteesi tuuma prooton-neutron struktuuri kohta: tuum koosneb prootonitest ja neutronitest ning nende summa on võrdne massiarvuga AGA. 3 järjekorranumberZmäärab prootonite arvu tuumas, neutronite arvuN \u003d A–Z.

Elementaarosakesed – prootonite ja neutronite sisenemine tuuma sisse, on ühiselt tuntud kui nukleonid. Tuumade nukleonid on olekutes, oluliselt erinevad nende vabadest osariikidest. Nukleonide vahel on eriline i de r uus suhtlus. Nad ütlevad, et nukleon võib olla kahes "laengu olekus" - prootoni olekus koos laenguga+ e, Ja neutron laenguga 0.

§3 Tuuma sidumisenergia. massiviga. tuumajõud

Tuumaosakesed – prootonid ja neutronid – hoitakse kindlalt tuuma sees, mistõttu nende vahel mõjuvad väga suured tõmbejõud, mis suudavad vastu pidada tohututele tõukejõududele sarnase laenguga prootonite vahel. Neid erijõude, mis tekivad väikestel vahemaadel nukleonide vahel, nimetatakse tuumajõududeks. Tuumajõud ei ole elektrostaatilised (Coulomb).

Tuuma uurimine näitas, et nukleonide vahel mõjuvatel tuumajõududel on järgmised omadused:

a) need on lühiulatusega jõud - avalduvad 10–15 m kaugusel ja vähenevad järsult isegi kauguse vähesel suurenemisel;

b) tuumajõud ei sõltu sellest, kas osakesel (nukleonil) on laeng - laeng tuumajõudude sõltumatus. Neutroni ja prootoni, kahe neutroni ja kahe prootoni vahel mõjuvad tuumajõud on võrdsed. Prooton ja neutron tuumajõudude suhtes on samad.

Seondumisenergia on aatomituuma stabiilsuse mõõt. Tuuma sidumisenergia on võrdne tööga, mis tuleb teha tuuma jagamiseks selle koostisosadeks ilma neile kineetilist energiat andmata

M I< Σ( m p + m n)

Mina - tuuma mass

Tuumade masside mõõtmine näitab, et tuuma puhkemass on väiksem kui seda moodustavate nukleonide ülejäänud masside summa.

Väärtus

on sidumisenergia mõõt ja seda nimetatakse massidefektiks.

Einsteini võrrand erirelatiivsusteoorias seob osakese energia ja puhkemassi.

Üldjuhul saab tuuma sidumisenergiat arvutada valemiga

kus Z - laengu number (prootonite arv tuumas);

AGA- massiarv (nukleonide koguarv tuumas);

m p, , m n Ja M i- prootoni, neutroni ja tuuma mass

Massi defekt (Δ m) on võrdsed 1 a.u. m (a.m.u. – aatommassi ühik) vastab sidumisenergiale (E St), mis on võrdne 1 a.u.e. (a.u.e. – aatomi energiaühik) ja võrdub 1a.u.m. s 2 = 931 MeV.

§ 4 Tuumareaktsioonid

Tuumade muutusi nende koostoimel üksikute osakestega ja üksteisega nimetatakse tavaliselt tuumareaktsioonideks.

Kõige tavalisemad tuumareaktsioonid on järgmised.

1. Transformatsiooni reaktsioon . Sellisel juhul jääb langev osake tuumasse, kuid vahepealne tuum kiirgab mõnda muud osakest, mistõttu produktituum erineb sihttuumast.

1. Kiirguspüüdmise reaktsioon . Langev osake jääb tuuma kinni, kuid ergastatud tuum eraldab liigset energiat, kiirgades γ-footoni (kasutatakse tuumareaktorite töös)

Näide kaadmiumi neutronite püüdmise reaktsioonist

või fosforit

1. Hajumine. Vahetuum kiirgab osakest, mis on identne

lennuga ja see võib olla:

Elastne hajumine süsinikuga neutronid (kasutatakse reaktorites kuni mõõdukate neutroniteni):

Ebaelastne hajumine :

1. lõhustumise reaktsioon. See on reaktsioon, mis kulgeb alati koos energia vabanemisega. See on tuumaenergia tehnilise tootmise ja kasutamise aluseks. Lõhustumisreaktsiooni käigus on vaheühendtuuma ergastus nii suur, et mitme neutroni vabanemisega jaguneb see kaheks, ligikaudu võrdseks killuks.

Kui ergastusenergia on madal, siis tuuma eraldumist ei toimu ja tuum, olles kaotanud liigse energia γ - footoni või neutroni kiirgamisel, naaseb oma normaalolekusse (joonis 1). Kui aga neutroni poolt sisestatav energia on suur, hakkab ergastatud tuum deformeeruma, selles tekib ahenemine ja selle tulemusena jaguneb see kaheks killuks, mis lendavad tohutul kiirusel laiali, samas kiirgub kaks neutronit.
(joonis 2).

Ahelreaktsioon- isearenev lõhustumisreaktsioon. Selle rakendamiseks on vajalik, et ühe lõhustumissündmuse käigus tekkivatest sekundaarsetest neutronitest võiks vähemalt üks põhjustada järgmise lõhustumissündmuse: (kuna mõned neutronid võivad osaleda püüdmisreaktsioonides ilma lõhustumist põhjustamata). Kvantitatiivselt väljendab ahelreaktsiooni olemasolu tingimus korrutustegur

k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = m kr ) - konstantse neutronite arvuga ahelreaktsioonid (tuumareaktoris),k > 1 (m > m kr ) on tuumapommid.

RADIOAKTIIVSUS

§1 Looduslik radioaktiivsus

Radioaktiivsus on ühe elemendi ebastabiilsete tuumade spontaanne muundumine teise elemendi tuumadeks. looduslik radioaktiivsus nimetatakse radioaktiivsuseks, mida täheldatakse looduses eksisteerivates ebastabiilsetes isotoopides. Kunstlikuks radioaktiivsuseks nimetatakse tuumareaktsioonide tulemusena saadud isotoopide radioaktiivsust.

Radioaktiivsuse tüübid:

1. α-lagunemine.

Kahe prootoni ja kahe omavahel ühendatud neutroni α-süsteemi mõnede keemiliste elementide tuumade emissioon (a-osake - heeliumi aatomi tuum)

α-lagunemine on omane rasketele tuumadele AGA> 200 jaZ > 82. Aines liikudes tekitavad α-osakesed oma teel olevate aatomite tugevat ionisatsiooni (ionisatsioon on elektronide eraldamine aatomist), mõjudes neile oma elektriväljaga. Nimetatakse vahemaad, mille võrra α-osake aines lendab, kuni see täielikult peatub osakeste vahemik või läbitungiv jõud(tähistatudR, [ R ] = m, cm). . Normaalsetes tingimustes moodustub α-osake sisse õhk 30 000 paari ioone 1 cm tee kohta. Spetsiifiline ionisatsioon on ioonide paaride arv, mis moodustuvad tee pikkuse 1 cm kohta. α-osakesel on tugev bioloogiline toime.

Alfa-lagunemise nihkereegel:

2. β-lagunemine.

a) elektrooniline (β -): tuum kiirgab elektroni ja elektroni antineutriinot

b) positron (β +): tuum kiirgab positroni ja neutriino

Need protsessid toimuvad üht tüüpi nukleoni muundamisel tuumaks teiseks: neutron prootoniks või prooton neutroniks.

Tuumas ei ole elektrone, need tekivad nukleonide vastastikuse muundumise tulemusena.

Positron - osake, mis erineb elektronist ainult laengu märgi poolest (+e = 1,6 10 -19 C)

Eksperimendist järeldub, et β - lagunemise ajal kaotavad isotoobid sama palju energiat. Seetõttu ennustas W. Pauli energia jäävuse seaduse alusel, et välja paiskub veel üks kerge osake, mida nimetatakse antineutriinoks. Antineutriinol pole laengut ega massi. β-osakeste energiakadu aine läbimisel põhjustavad peamiselt ionisatsiooniprotsessid. Osa energiast läheb röntgenkiirtele kaduma β-osakeste aeglustamisel neelava aine tuumade poolt. Kuna β-osakestel on väike mass, ühiklaeng ja väga suured kiirused, on nende ioniseerimisvõime väike (100 korda väiksem kui α-osakestel), mistõttu on β-osakeste läbitungimisvõime (läbisõit) oluliselt suurem kui α-osakesed.

Rβ õhk = 200 m, Rβ Pb ≈ 3 mm

β - - lagunemine toimub looduslikes ja tehislikes radioaktiivsetes tuumades. β + - ainult kunstliku radioaktiivsusega.

β - - lagunemise nihkereegel:

c) K - püüdmine (elektrooniline püüdmine) - tuum neelab ühte kesta K-l asuvatest elektronidest (harveminiLvõi M) oma aatomist, mille tulemusena muutub üks prootonitest neutroniks, kiirgades samal ajal neutriino

Skeem K – püüdmine:

Püütud elektroni poolt vabastatud ruum elektronkihis täidetakse ületavate kihtide elektronidega, mille tulemuseks on röntgenikiirgus.

• γ-kiired.

Tavaliselt kaasneb igat tüüpi radioaktiivsusega γ-kiirte emissioon. γ-kiired on elektromagnetkiirgus, mille lainepikkus on üks kuni sajandik angströmi λ’=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 m. γ-kiirte energia ulatub miljoniteni eV.

W γ ~ MeV

1eV = 1,6 10 -19 J

Radioaktiivset lagunemist läbiv tuum osutub reeglina erutatuks ja selle üleminekuga põhiolekusse kaasneb γ - footoni emissioon. Sel juhul määrab γ-footoni energia tingimus

kus E 2 ja E 1 on tuuma energia.

E 2 - energia ergastatud olekus;

E 1 - põhiolekus olev energia.

γ-kiirte neeldumine aine poolt on tingitud kolmest peamisest protsessist:

• fotoelektriline efekt (koos hv < l MэB);
• elektron-positroni paaride moodustumine;

või

• hajumine (Comptoni efekt) -

γ-kiirte neeldumine toimub vastavalt Bougueri seadusele:

kus μ on lineaarne sumbumiskoefitsient, mis sõltub γ-kiirte energiatest ja keskkonna omadustest;

І 0 on langeva paralleelse kiire intensiivsus;

maon kiire intensiivsus pärast paksuse aine läbimist X cm.

γ-kiired on üks kõige läbitungivamaid kiirgusi. Kõige tugevamate kiirte jaoks (hvmax) poolabsorptsioonikihi paksus on pliis 1,6 cm, rauas 2,4 cm, alumiiniumis 12 cm ja mullas 15 cm.

§2 Radioaktiivse lagunemise põhiseadus.

Lagunenud tuumade arvdN võrdeline südamike algse arvuga N ja lagunemisaegdt, dN~ N dt. Radioaktiivse lagunemise põhiseadus diferentsiaalsel kujul:

Koefitsienti λ nimetatakse teatud tüüpi tuumade lagunemiskonstandiks. Märk "-" tähendab sedadNpeab olema negatiivne, kuna lagunemata tuumade lõplik arv on väiksem kui esialgne.

seetõttu iseloomustab λ tuumade lagunemise osa ajaühikus, st määrab radioaktiivse lagunemise kiiruse. λ ei sõltu välistingimustest, vaid selle määravad ainult tuumade sisemised omadused. [λ]=s -1.

Radioaktiivse lagunemise põhiseadus terviklikul kujul

kus N 0 - radioaktiivsete tuumade esialgne arv juurest=0;

N- lagunemata tuumade arv korragat;

λ on radioaktiivse lagunemise konstant.

Lagunemiskiiruse hindamisel kasutatakse praktikas mitte λ, vaid T 1/2 - poolestusaega - aega, mille jooksul pool tuumade algsest arvust laguneb. Seos T 1/2 ja λ

T 1/2 U 238 = 4,5 10 6 aastat, T 1/2 Ra = 1590 aastat, T 1/2 Rn = 3,825 päeva Lagunemiste arv ajaühikus A \u003d -dN/ dtnimetatakse antud radioaktiivse aine aktiivsuseks.

Alates

järgib,

[A] \u003d 1 Becquerel \u003d 1 lagunemine / 1 s;

[A] \u003d 1Ci \u003d 1 Curie \u003d 3,7 10 10 Bq.

Tegevuse muutumise seadus

kus A 0 = λ N 0 - esialgne tegevus ajahetkelt= 0;

A – tegevus korragat.

Aatomi tuum koosneb nukleonitest, mis jagunevad prootoniteks ja neutroniteks.

Aatomi tuuma sümboolne tähis:

A on nukleonide arv, st. prootonid + neutronid (või aatommass)
Z on prootonite arv (võrdne elektronide arvuga)
N on neutronite arv (või aatomarv)

TUUMAJÕUD

Nad toimivad kõigi tuuma nukleonide vahel;
- tõmbejõud;
- lühimaa

Nukleone tõmbavad üksteise poole tuumajõud, mis on täiesti erinevad kas gravitatsiooni- või elektrostaatilistest jõududest. . Tuumajõud kukuvad kaugusega väga kiiresti maha. Nende tegevuse raadius on umbes 0,000 000 000 000 001 meetrit.
Selle üliväikese pikkuse jaoks, mis iseloomustab aatomituumade suurust, võeti kasutusele spetsiaalne tähistus - 1 Fm (itaalia füüsiku E. Fermi auks, 1901-1954). Kõik tuumad on mitme fermi suurused. Tuumajõudude raadius on võrdne nukleoni suurusega, seetõttu on tuumad väga tiheda ainega trombid. Võib-olla kõige tihedam maapealsetes tingimustes.
Tuumajõud on tugev vastastikmõju. Need on mitu korda suuremad kui Coulombi jõud (samal kaugusel). Lühimaa piirab tuumajõudude toimet. Nukleonide arvu suurenemisega muutuvad tuumad ebastabiilseks ja seetõttu on enamik raskeid tuumasid radioaktiivsed ja väga raskeid ei saa üldse eksisteerida.
Looduses leiduvate elementide piiratud arv on tuumajõudude väikese ulatuse tagajärg.

Aatomi struktuur – Lahe! Füüsika

Kas sa teadsid?

20. sajandi keskel ennustas tuumateooria stabiilsete elementide olemasolu järjekorranumbritega Z = 110 -114.
Dubnas saadi 114. element aatommassiga A = 289, mis "elas" vaid 30 sekundit, mis on sellise suurusega tuumaga aatomi kohta uskumatult pikk.
Täna arutavad teoreetikud juba üliraskete tuumade omadusi massiga 300 ja isegi 500.

Sama aatomnumbriga aatomeid nimetatakse isotoopideks: perioodilisustabelis
nad asuvad ühes lahtris (kreeka keeles isos - võrdne, topos - koht).
Isotoopide keemilised omadused on peaaegu identsed.
Kui looduses on umbes 100 elementi, siis isotoope on üle 2000. Paljud neist on ebastabiilsed, st radioaktiivsed ja lagunevad, kiirgavad. erinevat tüüpi kiirgust.
Sama elemendi isotoobid erinevad koostiselt ainult neutronite arvu poolest tuumas.

Vesiniku isotoobid.

Kui ruum eemaldatakse kõikidest aatomitest Inimkeha, siis see, mis järele jääb, suudab läbi nõelasilma pugeda.

uudishimulik

"Liuglevad" autod

Kui märjal teel suurel kiirusel sõites pidurdate järsult, käitub auto nagu purilennuk; selle rehvid hakkavad õhukese veekihi peal libisema, praktiliselt ilma teed puudutamata. Miks see juhtub? Miks ei libise auto alati märjal teel isegi siis, kui pidurid on maha võetud? Kas on olemas turvisemuster, mis seda efekti vähendab?

Tuleb välja...
On pakutud välja mitu turvisemustrit, et vähendada "hüdroplaneerimise" võimalust. Näiteks võib soon viia vee turvise tagumisse kokkupuutepunkti teega, kust vesi välja paiskub. Teistel, väiksematel soontel võib vesi voolata külgedele. Lõpuks võivad turvise väikesed sooned teel oleva veekihi "märjaks teha", puudutades seda vahetult enne turvise peamist kokkupuutetsooni teepinnaga. Kõikidel juhtudel on eesmärk võimalikult kiiresti kontakttsoonist vesi eemaldada ja vesiplaneerimist vältida.

18. loeng Tuumafüüsika elemendid

Loengu kava

Aatomituum. Massi defekt, tuuma siduv energia.

Radioaktiivne kiirgus ja selle liigid. Radioaktiivse lagunemise seadus.

Radioaktiivsete lagunemiste ja tuumareaktsioonide säilitusseadused.

1. Aatomituum. Massi defekt, tuuma siduv energia.

Aatomituuma koostis

Tuumafüüsika– teadus aatomituumade ehitusest, omadustest ja transformatsioonidest. 1911. aastal tegi E. Rutherford α-osakeste hajumise katsetes aine läbimisel kindlaks, et neutraalne aatom koosneb kompaktsest positiivselt laetud tuumast ja negatiivsest elektronipilvest. W. Heisenberg ja D.D. Ivanenko (iseseisvalt) püstitas hüpoteesi, et tuum koosneb prootonitest ja neutronitest.

aatomituum- aatomi keskne massiivne osa, mis koosneb prootonitest ja neutronitest, mis sai üldnimetuse nukleonid. Peaaegu kogu aatomi mass on koondunud tuumasse (üle 99,95%). Tuumade suurused on suurusjärgus 10 -13 - 10 -12 cm ja sõltuvad tuumas olevate nukleonide arvust. Tuumaaine tihedus nii kergete kui ka raskete tuumade puhul on peaaegu sama ja on umbes 10 17 kg/m 3, s.o. 1 cm 3 tuumaainet kaaluks 100 miljonit tonni.Tuumade positiivne elektrilaeng on võrdne aatomi elektronide kogulaengu absoluutväärtusega.

Prooton (sümbol p) - elementaarosake, vesinikuaatomi tuum. Prootonil on positiivne laeng, mis on suuruselt võrdne elektroni laenguga. Prootoni mass m p = 1,6726 10 -27 kg = 1836 m e , kus m e on elektroni mass.

Tuumafüüsikas on tavaks massi väljendada aatommassi ühikutes:

1 amu = 1,65976 10 -27 kg.

Seetõttu on prootoni mass a.m.u.-des

mp = 1,0075957 amu

Prootonite arvu tuumas nimetatakse laengu number Z. See võrdub antud elemendi aatomnumbriga ja määrab seetõttu elemendi koha Mendelejevi elementide perioodilises süsteemis.

Neutron (sümbol n) - elektrilaenguta elementaarosake, mille mass on veidi suurem kui prootoni mass.

Neutroni mass m n \u003d 1,675 10 -27 kg \u003d 1,008982 a.m.u. Neutronite arvu tuumas tähistatakse N.

Prootonite ja neutronite koguarvu tuumas (nukleonite arvu) nimetatakse massiarv ja seda tähistatakse tähega A,

Sümbolit kasutatakse tuumade tähistamiseks, kus X on elemendi keemiline sümbol.

isotoobid- sama keemilise elemendi aatomite sordid, mille aatomituumades on sama arv prootoneid (Z) ja erinev arv neutroneid (N). Selliste aatomite tuumasid nimetatakse ka isotoopideks. Isotoobid hõivavad elementide perioodilises tabelis sama koha. Näitena toome vesiniku isotoobid:

Tuumajõudude mõiste.

Aatomite tuumad on äärmiselt tugevad moodustised, hoolimata sellest, et sarnaselt laetud prootonid, olles aatomituumas väga väikeste vahemaade kaugusel, peavad üksteist suure jõuga tõrjuma. Järelikult toimivad tuuma sees ülitugevad tõmbejõud nukleonite vahel, mis on kordades suuremad kui prootonitevahelised elektrilised tõukejõud. Tuumajõud on jõudude eriliik, need on kõige tugevamad looduses teadaolevatest vastasmõjudest.

Uuringud on näidanud, et tuumajõududel on järgmised omadused:

tuumatõmbejõud toimivad mis tahes nukleonite vahel, sõltumata nende laengu olekust;

tuuma tõmbejõud on lühikese ulatusega: nad toimivad mis tahes kahe nukleoni vahel osakeste keskpunktide vahelisel kaugusel umbes 2 10-15 m ja langevad järsult maha kauguse suurenedes (kaugemal kui 3 10-15 m kaugusel on nad juba praktiliselt võrdne nulliga);

tuumajõude iseloomustab küllastus, s.o. iga nukleon saab suhelda ainult talle kõige lähemal asuvate tuumanukleonidega;

tuumajõud ei ole kesksed, s.t. nad ei toimi piki joont, mis ühendab interakteeruvate nukleonide keskusi.

Praegu ei ole tuumajõudude olemus täielikult mõistetav. On kindlaks tehtud, et need on nn vahetusjõud. Vahetusjõud on kvantloomulised ja neil pole klassikalises füüsikas analoogi. Nukleonid seob kokku kolmas osake, mida nad pidevalt vahetavad. 1935. aastal näitas Jaapani füüsik H. Yukawa, et nukleonid vahetavad osakesi, mille mass on ligikaudu 250 korda suurem elektroni massist. Ennustatud osakesed avastas 1947. aastal inglise teadlane S. Powell kosmilisi kiiri uurides ja nimetas need hiljem  mesoniteks või pionideks.

Neutroni ja prootoni vastastikust muundumist kinnitavad erinevad katsed.

Aatomituumade massidefekt. Aatomituuma sidumisenergia.

Aatomituumas olevad nukleonid on omavahel ühendatud tuumajõududega, seetõttu on tuuma jagamiseks üksikuteks prootoniteks ja neutroniteks vaja kulutada palju energiat.

Nimetatakse minimaalset energiat, mis on vajalik tuuma jagamiseks nukleonideks tuuma siduv energia. Sama palju energiat vabaneb vabade neutronite ja prootonite ühinemisel tuumaks.

Tuumade masside täpsed massispektroskoopilised mõõtmised on näidanud, et aatomituuma puhkemass on väiksem kui nende vabade neutronite ja prootonite ülejäänud masside summa, millest tuum tekkis. Vahet vabade nukleonide ülejäänud masside summa vahel, millest tuum moodustub, ja tuuma massi vahel nn. massiviga:

See massivahe m vastab tuuma sidumisenergiale E St., mille määrab Einsteini seos:

või asendades avaldise -ga m, saame:

Seondumisenergiat väljendatakse tavaliselt megaelektronvoltides (MeV). Määrame ühele aatommassiühikule (, valguse kiirusele vaakumis) vastava sidumisenergia
):

Tõlgime saadud väärtuse elektronvoltidesse:

Sellega seoses on praktikas mugavam kasutada sidumisenergia jaoks järgmist avaldist:

kus tegur m on väljendatud aatommassi ühikutes.

Tuuma oluliseks tunnuseks on tuuma spetsiifiline sidumisenergia, s.o. sidumisenergia nukleoni kohta:

.

Rohkem , seda tugevamalt on nukleonid üksteisega seotud.

 väärtuse sõltuvus tuuma massiarvust on näidatud joonisel 1. Nagu graafikult näha, on tuumade nukleonid massiarvuga suurusjärgus 50-60 (Cr-Zn) kõige tugevamalt seotud. . Nende tuumade sidumisenergia jõuab