Isobarer. Fysiske grundlag for radioøkologi

Opgave 26.
Nikkel-57-isotopen dannes, når partikler bombarderer kernerne af jern-54-atomer. Lav kernereaktionsligningerne og skriv dem i forkortet form.
Løsning:
Isotopen af ​​grundstof 28, nikkel-57, blev opnået ved bombning -partikler af jernatomer-54. Omdannelsen af ​​atomkerner bestemmes af deres interaktion med elementære partikler eller med hinanden. Nukleare reaktioner er forbundet med ændringer i sammensætningen af ​​kernerne af atomer af kemiske elementer. Ved hjælp af kernereaktioner kan andres atomer opnås fra atomer af nogle grundstoffer. Omdannelsen af ​​atomkerner, både under naturlig og kunstig radioaktivitet, er skrevet i form af en ligning af nukleare reaktioner. Det skal huskes, at summen af ​​massetal (tallene ved siden af ​​elementsymbolet øverst til venstre) og algebraiske summer ladningerne (tallene ved siden af ​​grundstofsymbolet nederst til venstre) af partiklerne på venstre og højre side af ligningen skal være ens. Denne nukleare reaktion er udtrykt ved ligningen:

Opgave 28.
Hvad er isotoper? Hvordan kan vi forklare, at de fleste grundstoffer i det periodiske system har atommasser udtrykt som brøker? Kan atomer af forskellige grundstoffer have samme masse? Hvad kaldes sådanne atomer?
Løsning:
Atomer, der har den samme nukleare ladning (og derfor identiske kemiske egenskaber), men et andet antal neutroner (og derfor et andet massetal), kaldes isotoper (fra de græske ord "isos"- identiske og "topos"- sted). Det er blevet fastslået, at hvert element som regel er en kombination af flere isotoper. Dette forklarer de betydelige afvigelser af atommasserne af mange grundstoffer fra heltalværdier. Naturlig klor består således af 75,53% af 35Cl-isotopen og 24,47% af 37Cl-isotopen; som følge heraf er den gennemsnitlige atommasse af klor 35.453.

Et andet fænomen, der opstår i naturen, er, at atomer af forskellige grundstoffer har samme atommasse, men forskellige nukleare ladninger. Sådanne atomer kaldes isobarer. For eksempel har kaliumisotopen og calciumisotopen de samme atommasser (40), men forskellige nukleare ladninger, henholdsvis +19 og +20:

Opgave 29.
Isotopen silicium-30 dannes, når kernerne af aluminium-27 atomer bombarderes af -partikler. Lav en ligning for denne kernereaktion og skriv den i forkortet form.
Løsning:

En forkortet form for notation for en nuklear reaktion bruges ofte. For denne reaktion vil det se sådan ud:

Den bombarderende partikel skrives i parentes, og den partikel, der dannes under en given nuklear proces, er skrevet adskilt af et komma. I de forkortede partikelligninger

betegne henholdsvis p, d, n, e.

Opgave 31.
Isotopen kulstof-11 dannes, når protoner bombarderer kernerne af nitrogenatomer-14. Lav en ligning for denne kernereaktion og skriv den i forkortet form.
Løsning:
Omdannelsen af ​​atomkerner bestemmes af deres interaktion med elementære partikler eller med hinanden. Nukleare reaktioner er forbundet med ændringer i sammensætningen af ​​kernerne af atomer af kemiske elementer. Ved hjælp af nukleare reaktioner kan atomer af andre grundstoffer opnås fra atomer af nogle grundstoffer. Omdannelsen af ​​atomkerner, både under naturlig og kunstig radioaktivitet, er skrevet i form af en ligning af nukleare reaktioner. Det skal huskes, at summen af ​​massetal (tallene ved siden af ​​grundstofsymbolet øverst til venstre) og de algebraiske ladninger (tallene ved siden af ​​grundstofsymbolet nederst til venstre) af partikler på venstre og højre side af ligningen skal være ens. Denne nukleare reaktion er udtrykt ved ligningen:

En forkortet form for notation for en nuklear reaktion bruges ofte. For denne reaktion vil det se sådan ud:

Den bombarderende partikel skrives i parentes, og den partikel, der dannes under en given nuklear proces, er skrevet adskilt af et komma. I de forkortede partikelligninger

betegne henholdsvis p, d, n, e.

Opgave 328
Nævn tre isotoper af brint. Angiv sammensætningen af ​​deres kerner. Hvad er tungt vand? Hvordan opnås det, og hvad er dets egenskaber?
Løsning:
Tre isotoper er kendt for brint: - protium N , - deuterium D , - tritium T . Protium og deuterium forekommer naturligt; tritium fremstilles kunstigt. Protiumkernen består af én proton, deuteriumkernen består af én proton og én neutron, og tritiumkernen består af én proton og to neutroner.

Tungt vand D 2 O– en kombination af deuterium og oxygen. Tungt vand produceres ved elektrolyse naturligt vand. Under elektrolyse af vand sker udledningen af ​​H + ioner meget hurtigere end D +, derfor er resten efter nedbrydning ved elektrolyse stor mængde vand koncentreres D 2 O.

Tungt vand D 2 O Ved fysiske og kemiske egenskaber forskellig fra H 2 O: t pl.= 3,82 0С, t balle. = 101,42 0 C, r tømmerflåde, lig med 1,1050 g/cm3 (20°C). Entalpierne for opløsning af salte i H 2 O og D 2 O, dissociationskonstanter for syrer og andre egenskaber ved opløsninger er markant forskellige.

Kernen i et atom består af protoner og neutroner.

Et kemisk grundstof er unikt karakteriseret ved dets atomnummer Z, der falder sammen med antallet af protoner i kernen.
En kerne med et givet antal protoner Z kan have et andet antal neutroner N. Protoner og neutroner kaldes tilsammen nukleoner. Specifik kerne med data Z, N kaldet en nuklid.
Massenummeret kaldes fuldt antal nukleoner i kernen: A = Z + N.
Da masserne af protoner og neutroner er meget tæt på ( mn/mp = 1,0014)

Nukleare styrker. Eksistensen af ​​kerner er kun mulig, hvis kræfter af en særlig karakter virker mellem nukleoner, modvirker den elektrostatiske frastødning af protoner og komprimerer alle nukleoner i et lille område af rummet. Sådanne kræfter kan hverken være af elektrostatisk karakter (tværtimod skal disse kræfter stærkt tiltrække protoner) eller af gravitationel karakter (numerisk er tyngdekraftens tiltrækningskraft for lille til at forhindre betydelig elektrostatisk frastødning). Disse nye kræfter kaldes kernekræfter, og den interaktion, der genererer disse kræfter, kaldes stærk.

Følgende egenskaber ved nukleare kræfter er blevet eksperimentelt etableret.

1. Disse kræfter er ens i størrelse, uanset om de virker mellem to protoner, en proton og en neutron, eller to neutroner (ladningsuafhængighed af kernekræfter).

2. Disse kræfter er af kort rækkevidde, dvs. forsvinde, hvis afstanden mellem nukleoner overstiger kernens størrelse.

3. I kernekræfternes virkeområde er disse kræfter meget store (sammenlignet med elektromagnetiske eller endnu mere, gravitationskræfter) og er attraktive kræfter op til rækkefølgen R0, hvor de erstattes af frastødende kræfter. Således holdes nukleoner i kerner i et område af rummet med en radius R > R0 atomkerner kan dog ikke komprimeres til mindre størrelser.

Isotoper – atomer af samme grundstof, der har forskellige massetal

Atomer af isotoper af samme grundstof har det samme antal protoner, men adskiller sig fra hinanden i antallet af neutroner

for eksempel: brint har tre isotoper: protium 1 1 H, deuterium 2 1 H, tritium 3 1 H

Isobarer - nuklider af forskellige grundstoffer med samme massetal; for eksempel er isobarer 40 Ar, 40 K, 40 Ca.

Billet 11. Art og typer af intramolekylære kemiske bindinger. Eksempler på forbindelser med forskellige typer kemisk binding

Der er fire typer kemiske bindinger: ioniske, kovalente, metalliske og hydrogen.

Ionisk kemisk binding er en binding dannet på grund af den elektrostatiske tiltrækning af kationer til anioner.

En kovalent kemisk binding er en binding, der opstår mellem atomer på grund af dannelsen af ​​fælles elektronpar.

Donor-acceptor-dannelsesmekanisme kovalent binding Lad os se på det klassiske eksempel på dannelsen af ​​ammoniumion NH4+:

Metalforbindelse
Binding i metaller og legeringer, som udføres af relativt frie elektroner mellem metalioner i et metal krystalgitter, kaldes metallisk. Denne binding er ikke-retningsbestemt, umættet, karakteriseret ved et lille antal valenselektroner og et stort antal frie orbitaler, hvilket er typisk for metalatomer. Uddannelsesordning metalforbindelse(M - metal):

_
M 0 - nej<->Mn+

Hydrogenbinding

En kemisk binding mellem positivt polariserede brintatomer af et molekyle (eller en del deraf) og negativt polariserede atomer af stærkt elektronegative grundstoffer med enlige elektronpar af et andet molekyle (eller en del deraf) kaldes hydrogenbinding.

I biopolymerer - proteiner (sekundær struktur) er der en intramolekylær hydrogenbinding mellem carbonyloxygen og aminogruppens hydrogen.

Polynukleotidmolekyler - DNA (deoxyribonukleinsyre) er dobbeltspiraler, hvori to kæder af nukleotider er forbundet med hinanden ved hjælp af hydrogenbindinger. I dette tilfælde fungerer komplementaritetsprincippet, det vil sige, at disse bindinger dannes mellem visse par bestående af purin- og pyrimidinbaser: thyminet (T) er placeret overfor adenin-nukleotidet (A), og cytosinet (C) er placeret modsat guaninen (G).

Stoffer med hydrogenbinding har molekylære krystalgitre.

Billet 12. Hovedbestemmelserne for BC-metoden ved hjælp af eksemplet med dannelsen af ​​NH 4-kationen

Emne 1. RADIØKOLOGIENS FYSISKE GRUNDLAG

Foredrag 2: Fysiske karakteristika for atomer og radioaktivt henfald af kerner.

Atomets struktur. Elementære partikler. Typer af radioaktivt henfald. Lov om radioaktivt henfald.

1. Atomets struktur.

Atom – mindste partikel kemisk element, bevarer alle dets egenskaber. Med hensyn til dets struktur er et atom (størrelse ca. 10-8 cm) et komplekst system bestående af en positivt ladet kerne (10-13 cm) placeret i midten af ​​atomet og negativt ladede elektroner, der roterer rundt om kernen i forskellige baner . Radius af et atom er lig med radius af kredsløbet for elektronen længst væk fra kernen. Elektronernes negative ladning er lig med kernens positive ladning, mens atomet som helhed er elektrisk neutralt.

I 1911 foreslog E. Rutherford en planetarisk model af atomets struktur, som blev udviklet af N. Bohr (1913). Ifølge denne model er der i midten af ​​atomet en kerne, der har en positiv elektrisk ladning. Elektroner bevæger sig rundt i kernen i elliptiske baner og danner atomets elektronskal.

Ethvert atom består af elementære partikler: protoner, neutroner og elektroner, som er i fri stat er kendetegnet ved sådanne fysiske mængder, såsom masse, elektrisk ladning (eller mangel på samme), stabilitet, hastighed osv. Massen af ​​kerner og elementarpartikler er normalt udtrykt i atomare masseenheder (amu), 1\12 af massen af ​​kulstofatomer (12C) er taget som en enhed.

1 a. e.m. = 1,67*10-27 kg

Energi udtrykkes i elektronvolt (eV), en elektronvolt er lig med den kinetiske energi, som en elektron (eller enhver elementær partikel af stof med en ladning) erhverver, når den passerer igennem elektrisk felt med en potentialforskel på en volt.

1eV = 1,602*10-19 C

Derudover udtrykkes masse ofte i energiækvivalenter (dette er hvileenergien for en partikel, hvis masse er lig med 1 amu, er 931,5 MeV (106 eV).

Atomkerne – den centrale del af atomet, hvori næsten al massen er koncentreret (99,9%). Atomkernen består af to typer elementarpartikler - protoner og neutroner. Deres almindelige navn er nukleon. Protonen og elektronen hører til de såkaldte stabile og stabile partikler, neutronen er kun stabil når den er i kernen.

Det samlede antal protoner og neutroner i kernen kaldes massetal og er betegnet med bogstavet A (eller M). Da ladningen af ​​en neutron er nul, og protonen har en elementær positiv ladning på +1, er ladningen af ​​kernen lig med antallet af protoner i den, hvilket kaldes opkrævningsnummer(Z) eller atomnummer. Antallet af neutroner i kernen er lig med forskellen mellem massen A-tal og grundstoffets atomnummer Z: N = A-Z (AZX).

Den elektriske ladning (q) af kernen er lig med produktet af den elementære elektriske ladning (e) og atomnummeret (Z) af det kemiske grundstof i det periodiske system:

Nukleare styrker.

Protoner og neutroner holdes inde i atomkernen atomstyrker . Nukleare kræfter udgør den potentielle bindingsenergi af en kerne. Det er blevet fastslået, at summen af ​​energierne af frie protoner og neutroner er større end energien af ​​den kerne, der er sammensat af dem, hvoraf det følger, at der skal bruges energi på at adskille kernen i dens komponenter. Den minimale energi, der kræves til dette, kaldes nuklear bindende energi .

Det samme billede ses, hvis vi sammenlægger masserne af de nukleoner, der udgør kernen i et atom. Den beregnede masse af kernen vil være større end den faktiske masse af kernen. Forskellen mellem den beregnede og faktiske masse af kernen kaldes massefejl.

Nukleare kræfter er ikke afhængige af tilstedeværelsen eller fraværet af en elektrisk ladning på nukleoner, de virker kun på meget små afstande (10-13 cm) og svækkes meget hurtigt, når afstanden mellem kernepartiklerne øges.

Nukleare kræfter er karakteriseret ved egenskaben mætning, hvilket betyder, at en nukleon er i stand til nuklear interaktion samtidigt med kun et lille antal nabonukleoner, hvilket indikerer den mulige natur af kernekræfter som kræfter af udvekslingstype.

Kernekræfternes hovedegenskaber forklares ved, at nukleoner udveksler partikler med hinanden med en masse på lidt mere end 200 elektronmasser (X. Yukawa, 1935), sådanne partikler blev opdaget eksperimentelt (1947) og kaldte π-mesoner eller pioner (der er positive, negative og neutrale π-mesoner) mesoner). Mesoner er ikke komponenter protoner og neutroner, men udsendes og absorberes af dem (svarende til hvordan atomer udsender og absorberer mængder af elektromagnetisk stråling), mens den proton, der udsendte en positiv pion, bliver til en neutron, og neutronen efter at have fanget pionen bliver til en proton. Alle disse processer sikrer stærk interaktion og dermed stabiliteten af ​​kerner.

Proton(p) – en elementær partikel, der er en del af enhver atomkerne, med en positiv ladning svarende til en elementær ladning +1 (1,602 * 10-19 C). En protons hvilemasse er 1,00758 a. e.m. eller 938,27 MeV.

Antal protoner i kernen ( atomnummer) for hvert element er strengt konstant og svarer serienummer element (Z) i tabellen. Da hver proton har en positiv elementær ladning af elektricitet, viser atomnummeret af et grundstof også antallet af positive elementære ladninger i kernen af ​​ethvert atom af et kemisk element. Elementets serienummer kaldes også opkrævningsnummer. Antallet af protoner i kernen bestemmer antallet af elektroner i atomets skal (men ikke omvendt) og følgelig strukturen af ​​elektronskallerne og grundstoffernes kemiske egenskaber.

Neutron ( n) – en elektrisk neutral elementarpartikel (kun fraværende i kernen af ​​let brint), hvis hvilemasse er 1,00898 a. e.m. eller 939,57 MeV. Massen af ​​en neutron er to elektronmasser større end massen af ​​en proton. I atomkernen kan neutroner være stabile (N) i kernen af ​​et atom af samme grundstof, hvilket stort set kun giver grundstoffets fysiske karakteristika (1).

Elektron – en stabil elementarpartikel med en hvilemasse lig med 0,000548 a. e.m. og i absolutte masseenheder - 9,1 * 10-28 kg. Energiækvivalent a. e.m. elektron er 0,511 MeV og den elementære elektriske ladning er 1,602*10-19 C.

Elektroner bevæger sig rundt om kernen i orbitaler med en bestemt form og radius. Banerne er grupperet i elektroniske lag (der kan maksimalt være syv: K, L, M, N, O, P, Q). Det mindste antal elektroner, der kan være i orbitaler af et lag, bestemmes af kvanteforholdet:

m=2n2,

hvor n er hovedkvantetallet (i dette tilfælde falder det sammen med lagnummeret. Derfor kan K-laget (n=1) indeholde 2 elektroner, L-laget (n=2) kan have 8 elektroner, og så på.

Hovedrollen i interaktionen af ​​elektroner med atomkernen spilles af elektromagnetiske kræfter (Coulomb-tiltrækningskræfter af modsatte elektriske ladninger). Jo tættere en elektron er på kernen, jo mere potentiel energi(bindingsenergi med kernen) og mindre kinetisk energi (elektronrotationsenergi). Derfor er elektroner fra den ydre bane (bindingsenergi ca. 1-2 eV) lettere at rive af end fra den indre.

Overgangen af ​​en individuel elektron fra kredsløb til kredsløb er altid forbundet med absorption eller frigivelse af energi (en energikvantum absorberes eller udsendes). Ifølge Bohrs postulater er atomsystemet i en stationær tilstand, som er karakteriseret ved en vis energi. I uendelig lang tid kan hvert atom kun være i stationær tilstand med minimal energi, hvilket kaldes vigtigste eller normal . Alle andre stationære tilstande af atomet med høje energier kaldes ophidset . Overgangen af ​​en elektron fra et energiniveau til et andet, længere væk fra kernen (med højere energi) kaldes excitationsproces .

Som et resultat af kollisioner med andre atomer, med enhver ladet partikel, eller når det absorberer en foton af elektromagnetisk stråling, kan et atom bevæge sig fra en stationær tilstand med lavere energi til en stationær tilstand med højere energi. Levetiden for et atom i exciteret tilstand overstiger ikke s. Fra enhver exciteret tilstand overgår atomet spontant til grundtilstanden, denne proces ledsages af emission af fotoner (kvantum). Afhængigt af forskellen i atomets energier i de to tilstande, mellem hvilke overgangen sker, kan det udsendte kvantetal af elektromagnetisk stråling tilhøre rækken af ​​radiobølger, infrarød stråling, synligt lys, ultraviolet eller røntgenstråling.

Under stærke elektriske påvirkninger kan elektroner undslippe fra atomets grænser. Et atom, der har mistet en eller flere elektroner, bliver til en positiv ion, og et atom, der har fået en eller flere elektroner, bliver til en negativ ion. Processen med dannelse af ioner fra neutrale atomer kaldes ionisering . Under almindelige forhold eksisterer et atom i iontilstand meget kort tid. Fri plads i kredsløbet af den positive ion er fyldt med en fri elektron, og atomet bliver igen et elektrisk neutralt system. Denne proces kaldes ionrekombination (deionisering) og er ledsaget af frigivelse af overskydende energi i form af stråling.

Isotoper, isotoner, isobarer.

Atomer, der har kerner med det samme antal protoner, men adskiller sig i antallet af neutroner, er varianter af det samme kemiske grundstof og kaldes isotoper. Sådanne elementer har det samme nummer i tabellen, men forskellige massetal (3919K, 4019K, 4119K). Da ladningerne af kernerne i disse atomer er de samme, har deres elementære skaller næsten den samme struktur, og atomer med sådanne kerner er ekstremt ens i kemiske egenskaber. De fleste kemiske grundstoffer i naturen er en blanding af isotoper. Typisk, i en blanding af isotoper af et bestemt grundstof, dominerer én isotop, og resten udgør kun en lille procentdel (for eksempel består kalium af: 39K - 93,08%; 40K - 0,0119%; 41K - 6,91%) (4) ).

For at skelne isotoper af et kemisk grundstof fra hinanden tilføjes et massetal over grundstoffets navn, lig med summen alle partikler af kernen i en given isotop, og derunder - kernens ladning (antal protoner), svarende til ordenstallet for grundstoffet i tabellen. Det mest almindelige lette brint i naturen, 11H (protium), indeholder således 1 proton, som sjældent findes blandt brintatomer 21H (deuterium) - 1 proton og 1 neutron, og 31H (tritium), som aldrig findes i naturen, indeholder 1 proton og 2 neutroner (tritium opnås kunstigt ved at bestråle deuterium med langsomme neutroner) (4).

Adskille stabil Og ustabil (radioaktiv ) isotoper . Den første er de isotoper, hvis kerner ikke undergår nogen transformationer i fravær af ydre påvirkninger, den anden er isotoper, hvis kerner spontant kan (uden ydre påvirkning) desintegreres og danner kerner af atomer af andre grundstoffer. Kernerne i alle isotoper af kemiske grundstoffer kaldes normalt nuklider, ustabile nuklider kaldes radionuklider . I øjeblikket kendes omkring 300 stabile isotoper og omkring 1.500 radioaktive isotoper.

Betingelse for stabiliteten af ​​atomkerner: Kun de atomkerner, der har minimal energi sammenlignet med alle de kerner, som en given kerne spontant kan omdanne til, er stabile.

Atomkerner af forskellige grundstoffer med lige mange neutroner kaldes isotoner . For eksempel har 136C seks protoner og syv neutroner, 147N har syv protoner og også syv neutroner.

Atomkerner af forskellige grundstoffer med samme massetal, men med forskellige atomnumre (dvs. bestående af det samme antal nukleoner ved forskellige forhold protoner og neutroner) kaldes isobarer .

For eksempel: 104Be, 105B, 106C osv.

Forskellen i energien af ​​atomkerner af isobarer bestemmes af tilstedeværelsen af ​​en elektrisk ladning på protoner og eksistensen af ​​forskelle i massen af ​​protonen og neutronen. Således viser kerner, der indeholder væsentligt flere protoner end neutroner, sig at være ustabile, da de har et overskud af Coulomb-interaktionsenergi. Kerner, der har flere neutroner end protoner, er ustabile på grund af det faktum, at neutronens masse er større end protonens masse, og en stigning i kernens masse fører til en stigning i dens energi. Kerner kan frigives fra overskydende energi på to måder:

1. ved spontan opdeling af kerner i mere stabile dele;

2. ved spontant at ændre ladningen af ​​kernen med én (omdannelse af protoner til neutroner eller neutroner til protoner).

Elementære partikler.

Elementære partikler er ikke molekyler, atomer eller kerner. De har en radius (R) på 10-14 - 10-15 m og en energi (W) på omkring 106 - 108 eV. Nu samlet antal kendte elementarpartikler (sammen med antipartikler) nærmer sig 400. Nogle af dem er stabile eller næsten stabile og eksisterer i naturen i en fri eller svagt bundet tilstand. Denne elektroner, inkluderet i sammensætningen af ​​atomer, deres antipartikler - positroner; protoner og neutroner, inkluderet i sammensætningen af ​​atomkerner; fotonerγ, som er kvanta af det elektromagnetiske felt. Dette omfatter også elektronisk (anti)neutrinoνе, født i processer af beta-transformationer og i termonukleære reaktioner, der forekommer i stjerner. Alle andre elementarpartikler er ekstremt ustabile og dannes i det sekundære kosmisk stråling eller fås i laboratoriet. Disse omfatter myoner (mu-mesoner) μ– – en tung analog af elektronen (mμ ≈ 200mе) registreret i kosmiske stråler; pioner (pi-mesoner) π+, π0, π– – bærere af nuklear interaktion og andre.

Hver partikel har en antipartikel, normalt repræsenteret af det samme symbol, men med en "tilde" tilføjet over sig. Masserne, levetiderne og spins af partikler og antipartikler er de samme. De resterende karakteristika, inklusive elektrisk ladning og magnetisk moment, er lige store, men modsatte i fortegn.

2. Typer af radioaktivt henfald.

Radioaktivitet- dette er egenskaben af ​​atomkernerne i visse kemiske grundstoffer til spontant at omdannes til kernerne af andre grundstoffer med udsendelse af en særlig form for stråling kaldet radioaktiv stråling . Selve fænomenet kaldes radioaktivt henfald.

Radioaktive omdannelser, der sker i naturen, kaldes naturlig radioaktivitet. Lignende processer, der forekommer i kunstigt fremstillede stoffer (gennem tilsvarende nukleare reaktioner), er kunstig radioaktivitet. Begge typer radioaktivitet overholder de samme love.

Der er følgende typer af kernetransformationer eller typer af radioaktivt henfald: alfa-henfald, beta-henfald (elektronisk, positronisk), elektronfangst (K-fangst), intern konvertering, nuklear fission.

Alfa henfald er den spontane opdeling af en ustabil atomkerne i en α-partikel (kernen af ​​et heliumatom 42He) og en produktkerne (datterkernen I dette tilfælde falder ladningen af ​​produktkernen med 2 positive enheder). massetal med 4 enheder. I dette tilfælde flyttes det resulterende produktelement til venstre i forhold til den oprindelige en efter to celler i det periodiske system:

Næsten alle (med sjældne undtagelser) kerner af atomer af grundstoffer med atomnummer 82 og højere er alfa-radioaktive (dem i periodiske tabel stå bag bly 82Pb). En alfapartikel, der flygter fra kernen, erhverver sig kinetisk energi omkring 4-9 MeV.

Beta-forfald er en spontan transformation af ustabile atomkerner med emission af en β-partikel, hvor deres ladning ændres med én. Denne proces er baseret på protoners og neutroners evne til at gennemgå gensidige transformationer.

Hvis der er et overskud af neutroner i kernen("neutronoverbelastning" af kernen), så er det, der sker elektron β- henfald, hvor en af ​​neutronerne bliver til en proton, og kernen udsender en elektron og en antineutrino (hvis masse- og ladningstallet er 0).

10n → 11p + e – + ν – || AZX → AZ+1Y + β – + ν – +Q || 4019K → 4020Ca + β – + ν – + Q.

Under dette henfald stiger ladningen af ​​kernen og følgelig grundstoffets atomnummer med én (grundstoffet skifter i det periodiske system med et tal til højre fra det oprindelige), men massetallet forbliver uændret. Elektronisk beta-henfald er karakteristisk for mange naturlige og kunstigt fremstillede radioaktive grundstoffer.

Hvis det ugunstige forhold mellem neutroner og protoner i kernen skyldes overskydende protoner, derefter positroniske ( β+ ) henfald, hvor kernen udsender en positron (en partikel med samme masse som en elektron, men med en ladning på +1) og en neutrino, og en af ​​protonerne bliver til en neutron:

11p → 10n + e+ + ν+ || AZX → AZ-1Y + β+ + ν+ +Q || 3015P → 3014Si + β+ + ν+ +Q

Ladningen af ​​kernen og følgelig elementets atomnummer falder med en, og datterelementet vil indtage en plads i det periodiske system et tal til venstre for det oprindelige, massetallet forbliver uændret. Positron-henfald observeres i nogle kunstigt opnåede isotoper.

En positron, der er fløjet ud af kernen, river en "ekstra" elektron af atomets skal eller interagerer med en fri elektron og danner et "positron-elektron"-par, som øjeblikkeligt bliver til to gammakvanter med en energiækvivalent til massen af ​​partiklerne (e+ og e-) 0,511 MeV. Processen med at transformere et positron-elektron-par til to γ-kvanter kaldes tilintetgørelse(destruktion) og den resulterende elektromagnetiske stråling - tilintetgørelse. Under positronhenfald flyver der således ikke partikler uden for moderatomet, men to gammastråler med en energi på 0,511 MeV.

Energispektret af β-partikler af enhver beta-kilde er kontinuerligt (fra hundrededele af MeV - blød stråling til 2-3 MeV - hård stråling).

Elektronisk optagelse– spontan transformation af en atomkerne, hvor dens ladning falder med én på grund af indfangningen af ​​en af ​​orbitalelektronerne og omdannelsen af ​​en proton til en neutron.

Dette sker, hvis der er et overskud af protoner i kernen, men ikke nok energi til positronhenfald. En af kernens protoner fanger en elektron fra en af ​​atomets skaller, oftest fra K-laget tættest på det (K-fangst) eller, mindre almindeligt, L-laget (L-indfangning) og drejer til en neutron med emission af neutrinoer. I dette tilfælde forskydes datterelementet, som i positronhenfald, i det periodiske system med en celle til venstre for den oprindelige.

11p + 0-1е → 10n + ν+ || AZX + 0-1е → AZ-1Y + ν+ + hν || 12352Te + 0-1е → 12351Sb + ν+ + hν

En elektron springer til det ledige sted i K-laget fra L-laget, til sidstnævntes sted fra næste lag osv. Hver overgang af en elektron fra lag til lag ledsages af frigivelse af energi i formen af kvanta af elektromagnetisk stråling (røntgenområde).

Positronhenfald og elektronindfangning observeres som regel kun i kunstigt radioaktive isotoper (4).

Nuklear fission- dette er kernens spontane fission, hvor den uden nogen ydre påvirkning bryder op i to, sædvanligvis ulige dele. En urankerne kan således opdeles i barium (56Ba) og krypton (36Kr) kerner. Denne form for henfald er typisk for isotoper af grundstoffer ud over uran i det periodiske system. Under påvirkning af elektrostatiske frastødningskræfter af lignende ladninger opnår fragmentkernerne en kinetisk energi af størrelsesordenen 165 MeV og spredes ind i forskellige sider med enorme hastigheder.

Intern konvertering. Den exciterede kerne overfører excitationsenergien til en af ​​elektronerne i de indre lag (K-, L- eller M-lag), som som følge heraf undslipper uden for atomet. Så laver en af ​​elektronerne fra fjernere lag (fra højere energiniveauer) en kvanteovergang til det "ledige" sted med udsendelse af karakteristisk røntgenstråling.

3. Loven om radioaktivt henfald.

Mængden af ​​enhver radioaktiv isotop falder over tid på grund af radioaktivt henfald (transformation af kerner). Radioaktivt henfald sker kontinuerligt, hastigheden af ​​denne proces og dens natur bestemmes af kernens struktur. Derfor kan denne proces ikke påvirkes af nogen almindelige fysiske eller kemiske midler uden at ændre atomkernens tilstand. Derudover er henfald af sandsynlighed af natur, det vil sige, at det er umuligt at afgøre præcist hvornår og hvilket atom der vil henfalde, men i hvert tidsrum vil der i gennemsnit en form for atom henfalde. bestemt del atomer.

For hver radioaktiv isotop gennemsnitshastighed dets atomers henfald er konstant, uforanderligt og kun karakteristisk for en given isotop. Den radioaktive henfaldskonstant λ for en bestemt isotop viser, hvilken brøkdel af kerner der vil henfalde pr. tidsenhed. Henfaldskonstanten er udtrykt i reciproke tidsenheder s-1, min-1, h-1 osv., for at vise at antallet af radioaktive kerner falder over tid i stedet for at øges.

Den spontane transformation af kernerne i enhver radioaktiv isotop er underlagt loven om radioaktivt henfald, som fastslår, at den samme brøkdel af tilgængelige kerner henfalder pr. tidsenhed.

Det matematiske udtryk for denne lov, som beskriver processen med at reducere antallet af radioaktive kerner over tid, vises med følgende formel:

Nt = NOe-λt, (Nt = NOe-0,693t/T) (1),

hvor Nt er antallet af tilbageværende radioaktive kerner efter tid;

N0 – indledende antal radioaktive kerner på tidspunktet t=0;

λ – radioaktiv henfaldskonstant (=0,693/T);

T er halveringstiden for en given radioisotop.

I praksis bruges halveringstiden til at karakterisere nedbrydningshastigheden af ​​radioaktive grundstoffer.

Halveringstid er den tid, hvor halvdelen af ​​det oprindelige antal radioaktive kerner henfalder. Det er angivet med bogstavet T og udtrykkes i tidsenheder.

For forskellige radioaktive isotoper varierer halveringstider fra brøkdele af et sekund til millioner af år. Desuden kan det samme grundstof have isotoper med forskellige halveringstider. Følgelig er radioaktive grundstoffer opdelt i kortlivede (timer, dage) - 13153I (8,05 dage), 21484Po (1,64 * 10-4 sek.) og langlivede (år) - 23892U (T = 4,47 milliarder år), 13755Cs. (30 år), 9038Sr (29 år).

Der er et omvendt forhold mellem halveringstiden og henfaldskonstanten, dvs. jo større λ, jo mindre T og omvendt.

Grafisk er loven om radioaktivt henfald udtrykt ved en eksponentiel kurve (fig. 2.1.). Som det kan ses af figuren, med en stigning i antallet af halveringstider, falder antallet af ikke-forfaldne atomer og nærmer sig gradvist nul [et al., 1999].

Ris. 2.1. Grafisk gengivelse af loven om radioaktivt henfald.

Radioaktivt element aktivitet lig med antallet af henfald pr. tidsenhed. Jo flere radioaktive transformationer opleve atomerne i et givet stof, jo højere dets aktivitet. Som det følger af loven om radioaktivt henfald, er aktiviteten af ​​et radionuklid proportional med antallet af radioaktive atomer, det vil sige, at den stiger med stigende mængde af et givet stof. Da henfaldshastigheden af ​​radioaktive isotoper er forskellig, har lige store mængder af forskellige radionuklider i massevis forskellige aktiviteter.

SI-enheden for aktivitet er becquerel (Bq) - disintegrationer pr. sekund (dec/s). Sammen med Bq anvendes en ikke-systemisk enhed - curien (Ci). 1Ki er enhver aktivitet radioaktivt stof(isotop), hvor 3,7 * 1010 henfaldshændelser forekommer i sekundet. En enhed curie svarer til radioaktiviteten af ​​1 g radium.

1Ci = 3,7*1010 Bq; 1 mCi = 37 MBq 1 μCi = 37 kBq

Aktiviteten af ​​ethvert radioaktivt lægemiddel efter tid t bestemmes af formlen svarende til grundloven for radioaktivt henfald:

Ved =A0e-0,693t/T (2),

hvor At er lægemidlets aktivitet efter tidspunkt t;

A0 - lægemidlets indledende aktivitet;

e – base naturlige logaritmer(e=2,72);

t er den tid, hvor radioisotopen henfaldt;

T – halveringstid; værdierne af T og t skal have samme dimension (min., sek., timer, dage osv.).

(Eksempel: A0-aktiviteten af ​​det radioaktive grundstof 32P på en bestemt dag er 5 mCi. Bestem aktiviteten af ​​dette grundstof efter en uge. Halveringstiden T for grundstoffet 32P er 14,3 dage. Aktiviteten af ​​32P efter 7 dage. Ved = 5 * 2.720.693*7/14,3 = 5 * 2.720,34 = 3,55 mCi).

Curie-enheder (Ci) er ikke egnede til at karakterisere kildernes gammaaktivitet. Til disse formål blev der indført en anden enhed - svarende til 1 mg radium (mg-ækv. radium). Milligram ækvivalent af radium - dette er aktiviteten af ​​ethvert radioaktivt lægemiddel, hvis gammastråling under identiske måleforhold skaber den samme eksponeringsdosishastighed som gammastrålingen på 1 mg radium i den russiske føderations statsstandard for radium ved brug af platin filter 0,5 mm tykt. Den milligramækvivalente radiumenhed er ikke fastlagt af eksisterende standarder, men er meget udbredt i praksis.

En punktkilde på 1 mg (1 mCi) radium, i ligevægt med henfaldsprodukterne, skaber efter indledende filtrering gennem en 0,5 mm tyk platinplade en dosishastighed på 8,4 R/h i luften i en afstand på 1 cm. Denne mængde kaldes ioniserings gamma konstant for radium og angivet med bogstavet Ky . Gammakonstanten for radium tages som standard for strålingsdosishastighed. Kγ for alle andre gamma-emittere sammenlignes med den. Der er tabeller over gammakonstanter for de fleste radioaktive isotoper.

Gammakonstanten for 60Co er således 13,5 R/h. En sammenligning af gammakonstanterne for radium og 60Co viser, at 1 mCi af radionuklidet 60Co skaber en strålingsdosis 1,6 gange større end 1 mCi radium (13,5/8,4 = 1,6). Med andre ord, hvad angår den strålingsdosis, der skabes i luften, svarer 1 mCi radionuklid 60Co til 1,6 mCi radium, dvs. gammastråling udsendt af lægemidlet 60Co med en aktivitet på 0,625 mCi skaber den samme strålingsdosis som 1 mCi af radium.

Gammaækvivalenten af ​​M-isotopen er relateret til dens aktivitet A (mCi) gennem ioniseringsgammakonstanten Kγ ved relationerne:

M = AKy/8,4 eller A = 8,4M/Ky (3),

som tillader os at bevæge os fra aktiviteten af ​​et radioaktivt stof, udtrykt i mekv. radium til aktivitet udtrykt i mCi og omvendt.

En række atomer, hvis kerner har et vist antal nukleoner (protoner og neutroner), kaldes nuklid.

Den symbolske notation for nuklider inkluderer det kemiske symbol for kernen X og indekser nederst til venstre " Z"(antal protoner i kernen) og " EN"øverst til venstre er det samlede antal nukleoner. f.eks.

Afhængigt af nukleonindholdet kan nuklider kombineres i forskellige grupper: isotoper, isobarer, isotoner.

Isotopisk nuklider (isotoper) er nuklider, der har det samme antal protoner. De adskiller sig kun i antallet af neutroner. Derfor tilhører alle isotoper det samme kemiske grundstof. For eksempel isotoper

er isotoper af det samme grundstof uran (Z= const).

Da isotoper har det samme antal protoner og den samme struktur af elektronskaller, er de tvillingeatomer, deres kemiske egenskaber er næsten de samme. Undtagelsen er isotoper af brint - protium H, deuterium D, tritium T, som på grund af den for store relative forskel i atommasser adskiller sig væsentligt i fysiske og kemiske egenskaber (tabel 2.1).

Tabel 2.1 Sammenligning af egenskaberne ved almindeligt og tungt vand

	Egenskaber
	Kogepunkt, 0 C
	Kritisk temperatur, 0 C
	Væskedensitet ved 298,15 K, kg/dm 3
	Dielektrisk konstant ved 298,15 K
	Temperatur af maksimal massefylde, 0 C
	Smeltepunkt, 0 C
	Isdensitet ved smeltepunkt, kg/dm 3

Kemiske omdannelser med tung brint sker langsommere end med dens lette isotop.

Isotonisk nuklider (isotoner) er nuklider med samme antal neutroner og forskelligt antal protoner. Eksempler på isotoner: Ca og Ti, som hører til forskellige nuklider. Dette udtryk bruges yderst sjældent.

Isobarer kaldes en række nuklider, hvis kerner har forskelligt antal protoner og neutroner, men har det samme antal nukleoner. Eksempel på isobarer: Ti og Ca.

Derfor kan vi sige, at nuklider med det samme antal protoner er forskellige isotoper af det samme grundstof; nuklider med det samme antal nukleoner er isobarer; nuklider med det samme antal neutroner er isotoner.

2.4 Kerneenergi

Energi er en af ​​de vigtigste egenskaber ved enhver fysisk proces. I kernefysik dens rolle er særlig stor, da ukrænkeligheden af ​​loven om bevarelse af energi gør det muligt at foretage nøjagtige beregninger selv i tilfælde, hvor mange detaljer om fænomenerne forbliver ukendte. Lad os i forhold til kernen se på flere forskellige energiformer.

2.4.1 Hvileenergi

Ifølge relativitetsteorien, massen af ​​et atom m du kan sammenligne den samlede hvileenergi

Hvis i denne formel Med udtrykke i meter per sekund, og m- i kilogram, så vil E 0 være i joule. Lad os betegne med m 0 enhed atommasse, udtrykt i kilogram: m 0 = 1,66∙10 -27 kg . Så m = m 0 EN r og E0= EN r m0c2. Størrelse m 0 c 2 let at beregne i joule og derefter i elektronvolt: m 0 c 2 = 931,5 MeV. Herfra

E 0 = 931,5A r . (2.6)

Her EN r- relativ atommasse, E 0 - total hvileenergi for atomet, MeV.

Tilbage i det 5. århundrede f.Kr. formulerede de græske tænkere Leucippus og Demokritus resultaterne af deres refleksioner over stoffets struktur i form af en atomhypotese: stof kan ikke uendeligt opdeles i mindre og mindre dele, der er "endelige", udelelige stofpartikler. Alle materielle genstande består af en række atomer

(fra græsk atomer-- "udelelig", "uskåret"). Forbinder forskellige typer atomer danner nye stoffer.

Ifølge legenden holdt Demokrit, der sad på en klippe ved havet, et æble i hånden og tænkte: "Hvis jeg skærer dette æble med en kniv i mindre og mindre stykker, vil jeg altid have en del i mine hænder, som stadig har egenskaberne ved et æble?” Efter at have overvejet denne hypotese kom Demokrit til følgende konklusioner: "Begyndelsen af ​​universet er atomer og tomhed, alt andet eksisterer kun i mening. Der er utallige verdener, og de har en begyndelse og en ende i tiden. Og intet opstår af ikke-eksistens, intet bliver løst til ikke-eksistens. Og atomerne er utallige i størrelse og mængde, men de suser rundt i universet, hvirvlende i en hvirvelvind, og dermed fødes alt komplekst: ild, vand, luft, jord... Atomer er ikke modtagelige for nogen påvirkning og er uforanderlige pga. til deres hårdhed."

Begyndelsen af ​​det 19. århundrede så fremkomsten af ​​teorien om verdens atomare-molekylære struktur. Det var først muligt at bevise eksperimentelt, at hvert kemisk element består af identiske atomer i 1808.

Dette blev gjort af den engelske kemiker og fysiker John Dalton, der gik over i historien som skaberen af ​​kemisk atomisme. Dalton forestillede sig atomer i form af elastiske kugler og troede så meget på dem virkelige eksistens at han endda tegnede ilt- og nitrogenatomer på papir.

I 1811 fremsatte den italienske fysiker og kemiker Amedeo Avogadro en hypotese, hvorefter simple gassers molekyler består af et eller flere atomer. Ud fra denne hypotese formulerede Avogadro en af ​​de grundlæggende love ideelle gasser og en metode til bestemmelse af atomare og molekylære masser.

Han opdagede en af ​​gaslovene, opkaldt efter ham. På grundlag heraf blev der udviklet en metode til bestemmelse af molekylvægte og atomvægte. Så alle stoffer i naturen består af atomer. De er normalt opdelt i simple, bestående af atomer af de samme grundstoffer (O2, N2, H2 osv.), og komplekse, som omfatter atomer forskellige elementer(H2O, NaCl, H2SO4 osv.).

Et atom er den mindste strukturelle enhed af nogen af ​​de simpleste kemikalier, kaldet elementer.

Selvom begrebet et atom, ligesom udtrykket selv, er af oldgræsk oprindelse, var det først i det tyvende århundrede, at sandheden om atomhypotesen om stoffers struktur blev fast etableret.

Størrelsen og massen af ​​atomer er ekstremt små. Diameteren af ​​det letteste atom (brint) er således kun 0,53. 10-8 cm, og dens masse er 1,67. 10-24 år

Forskningsudvikling radioaktiv stråling på den ene side og kvanteteorien på den anden side førte til skabelsen Rutherfords kvantemodel af atomet-Bora. Efter opdagelsen af ​​elektronen i 1897 af Joseph John Thomson opdagede han, at ladede partikler løsnes fra atomer, når de udsættes for et stærkt elektrisk felt. Ifølge hans skøn er massen af ​​"elektricitetsatomet" omkring tusind gange mindre end massen af ​​et brintatom, og ladningen svarer nøjagtigt til ladningen af ​​hydrogenionen.

Senere, allerede i 1910 og 1913, forbedrede Robert Millikan i høj grad nøjagtigheden af ​​målingerne af elektronens ladning og masse. Så på trods af individuelle meninger blev det i slutningen af ​​det 19. århundrede klart, at der faktisk eksisterer partikler, der er endnu mindre end atomer, og at de højst sandsynligt er en del af atomer og er bærere af en lille mængde elektricitet.

Joseph Thomson, der udviklede W. Thomsons model, foreslog i 1903 sin egen model af atomet ("budding med rosiner"): elektroner er spredt i den positive sfære. De holdes inde i en positivt ladet kugle af elastiske kræfter. De af dem, der er på overfladen, kan "slå ud" ganske let, hvilket efterlader et ioniseret atom i fig. 1.

Ris. 1.

I multielektronatomer er elektroner arrangeret i stabile konfigurationer beregnet af Thomson. Han overvejede hver sådan konfiguration for at bestemme atomernes kemiske egenskaber. J. Thomson forsøgte at forklare teoretisk periodiske tabel elementer D.I. Mendeleev.

Niels Bohr påpegede senere, at siden dette forsøg blev ideen om at opdele elektronerne i et atom i grupper udgangspunktet. I 1911 udviklede Joseph Thomson den såkaldte parabelmetode til at måle forholdet mellem en partikels ladning og dens masse, hvilket spillede en stor rolle i studiet af isotoper.

I 1903 med tanken om planetarisk model af atomstruktur Den japanske teoretiker Hantaro Nagaoka talte ved Tokyo Physics and Mathematics Society og kaldte denne model "Saturn-lignende."

H. Nagaoka præsenterede atomets struktur som lig med solsystemets struktur: Solens rolle spilles af den positivt ladede centrale del af atomet, omkring hvilken "planeter" - elektroner - bevæger sig i etablerede ringformede kredsløb. Ved små forskydninger exciterer elektroner elektromagnetiske bølger. Men hans arbejde, som E. Rutherford ikke kendte til, blev ikke videreudviklet.

Men det viste sig hurtigt, at nye eksperimentelle fakta modbeviser Joseph Thomsons model og tværtimod vidner til fordel for planetmodellen. Disse fakta blev opdaget af den fremragende engelske fysiker E. Rutherford. Først og fremmest skal det bemærkes, at han opdagede atomets nukleare struktur.

Joseph Thomsons elev Ernest Rutherford, som et resultat af hans berømte eksperimenter med spredning af b-partikler med guldfolie, "delte" atomet i en lille positivt ladet kerne og elektroner omkring det (fig. 2).

I 1908-1909 Hans Geiger, der arbejdede på University of Victoria (Manchester, England) sammen med Rutherford, som for nylig havde designet en alfapartikeltæller sammen med ham, og Ernest Marsden slog fast, at når alfapartikler passerer gennem tynde plader af guldfolie, de flyver lige igennem, men enkelte partikler afbøjes i vinkler større end 90°, dvs. er fuldstændig afspejlet.

Ris. 2.

De fleste af alfapartiklerne fløj gennem folien, kun en lille del af dem blev reflekteret, og E. Rutherford indså, at alfapartikler blev reflekteret, når de ramte små, massive objekter, og at disse objekter var placeret langt fra hinanden. Sådan blev atomkerner opdaget. Rumfanget af kernen viste sig at være millioner af milliarder gange mindre end atomets rumfang, og dette ubetydeligt lille volumen indeholdt næsten alt atomets stof.

På dette tidspunkt vidste de det allerede elektrisk strøm er en strøm af partikler, disse partikler kaldes elektroner. Og her henvendte Rutherford sig til den planetariske model for atomets struktur.

Ifølge hende lignede han en miniature solsystemet, hvor "planeter" - elektroner roterer rundt om "Sol" - kernen (fig. 3).

Ris. 3.

Takket være Rutherfords arbejde blev det klart, hvordan atomer er opbygget: i midten af ​​atomet er der en lillebitte massiv kerne, og elektroner "sværmer" rundt om kernen og danner en let skal af atomet. I dette tilfælde skaber elektronerne, der er placeret og roterer i forskellige planer, en negativ total ladning, og kernen skaber en positiv. Generelt forbliver atomet elektrisk neutralt, da kernens positive ladning kompenseres fuldstændigt af elektronernes negative ladning.

Men ifølge lovene for klassisk mekanik og elektrodynamik skal en elektrons rotation omkring en kerne ledsages af elektromagnetisk stråling med et kontinuerligt spektrum.

Men dette var i modstrid med linjespektrene for gasser og dampe af kemiske grundstoffer, kendt siden 1880.

Modsigelsen blev løst i 1913 af Rutherfords elev, den danske fysiker Niels Bohr, som udviklede en kvantemodel af atomets struktur baseret på kvanteteorien om stråling og absorption af lys skabt af Max Planck og Albert Einstein.

(14. december 1900) Planck demonstrerede udledningen af ​​denne formel, baseret på den antagelse, at oscillatorens energi er et heltal af hv, hvor v er strålingsfrekvensen, og h er en ny universel konstant, kaldet af Max. Plank det elementære handlingskvantum (nu er det en konstant Planck). Introduktionen af ​​denne mængde var begyndelsen på en æra med ny kvantefysik.

Niels Bohr fremsatte den antagelse, at brintatomet (proton-elektronsystemet) kun kan være i bestemte stationære energitilstande (elektroner i bestemte baner), og en af ​​dem svarer til minimumsenergien og er jordet (uexciteret). Et atoms emission eller absorption af energi kan ifølge Bohrs teori kun forekomme under elektronovergange fra en energitilstand til en anden (fra en bane til en anden).

Ud fra dette formulerede Bohr sine postulater:

• 1. En elektron i et atom er i en "stationær" tilstand (bevæger sig i en stationær bane) og udsender ingen energi.
• 2. Ved at blive fjernet fra den stationære tilstand (overført til en anden bane), udsender elektronen, der vender tilbage, et kvantum af lys hn = E2 - E1.
• 3. En elektron i et atom kan kun være i de "tilladte" baner, hvor vinkelmomentet (mvr) antager bestemte diskrete værdier, nemlig mvr = nh/2p, hvor n er et heltal 1, 2, 3...

Atomladningen viste sig at være den vigtigste egenskab atom. I 1913 blev det vist, at ladningen af ​​kernen falder sammen med tallet på grundstoffet i det periodiske system.

Bohrs teori gjorde det muligt meget nøjagtigt at beregne positionen af ​​linjer i atomart brints emissionsspektrum. Hun kunne dog ikke forudsige forholdet mellem linjeintensiteter selv i dette enkleste system.

For systemer, der indeholder mere end én elektron, for eksempel et heliumatom, gav Bohrs teori ikke længere nøjagtige værdier spektrale linjer.

Derfor i 1923-26 Louis de Broglie (Frankrig), Werner Heisenberg (Tyskland) og Erwin Schrödinger (Østrig) udviklede en ny teori om kvante (bølge) mekanik.

Den geniale idé, som Heisenberg udtrykte, var at behandle kvantebegivenheder som fænomener på et helt andet niveau end i klassisk fysik. Han nærmede sig dem som fænomener, der ikke tillod præcis visuel repræsentation, for eksempel ved at bruge et billede af elektroner, der roterer i baner.

Et par måneder senere foreslog E. Schrödinger en anden formulering af kvantemekanik, der beskrev disse fænomener i bølgebegrebernes sprog.

Schrödingers tilgang opstod i arbejdet af Louis de Broglie, som antog de såkaldte bølger af stof: Ligesom lys, traditionelt betragtet som bølger, kan have korpuskulære egenskaber (fotoner eller strålingskvanter), kan partikler have bølgeegenskaber. Det blev senere bevist, at matrix- og bølgemekanik i det væsentlige er ækvivalente. Tilsammen danner de det, der nu kaldes kvantemekanik. Snart blev denne mekanik udvidet af den engelske teoretiske fysiker fra det 20. århundrede, Paul Dirac (Nobelprisen i fysik, 1933), som inkluderede elementer af Einsteins relativitetsteori i bølgeligningen, idet man tog elektronspin i betragtning.

I kernen moderne teori Atomets struktur er baseret på følgende grundlæggende principper:

1). elektronen har en dobbelt (partikel-bølge) natur. Det kan både opføre sig som en partikel og som en bølge. Ligesom en partikel har en elektron en vis masse og ladning. Samtidig udviser en bevægelig elektron bølgeegenskaber, dvs. for eksempel er det karakteriseret ved diffraktionsevne. Elektronbølgelængden l og dens hastighed v er relateret af de Broglie-relationen:

hvor m er elektronmassen;

• 2). Det er umuligt for en elektron på samme tid nøjagtigt at måle sin position og hastighed. Jo mere præcist vi måler hastigheden, jo større er usikkerheden i koordinaten, og omvendt. Det matematiske udtryk for usikkerhedsprincippet er relationen: ?x m ?v > ћ/2, hvor?x er koordinatpositionens usikkerhed; ?v - hastighedsmålefejl;
• 3). elektron i et atom bevæger sig ikke langs bestemte baner, men kan

være i en hvilken som helst del af det perinukleære rum, men sandsynligheden for, at det er i forskellige dele dette rum er ikke det samme. Rummet omkring kernen, hvor sandsynligheden for at finde en elektron er ret stor, kaldes en orbital;

4). atomkerner består af protoner og neutroner ( almindeligt navn- nukleoner). Antallet af protoner i kernen er lig med grundstoffets atomnummer, og summen af ​​antallet af protoner og neutroner svarer til dets massetal.

I 1932 foreslog vores hjemlige fysiker Dmitry Dmitrievich Ivanenko og den tyske videnskabsmand Werner Heisenberg (Heisenberg) uafhængigt af hinanden, at neutronen sammen med protonen er et strukturelt element i kernen.

Imidlertid blev proton-neutron-modellen af ​​kernen mødt med skepsis af de fleste fysikere. Selv E. Rutherford mente, at en neutron blot er en kompleks dannelse af en proton og en elektron.

I 1933 gav Dmitry Ivanenko en rapport om atommodellen, hvori han forsvarede proton-neutron-modellen og formulerede hovedtesen: der er kun tunge partikler i kernen. Ivanenko afviste ideen om en kompleks struktur af neutronen og protonen. Efter hans mening burde begge partikler have samme grad af elementaritet, dvs. Både en neutron og en proton er i stand til at omdanne sig til hinanden.

Efterfølgende begyndte protonen og neutronen at blive betragtet som to tilstande af en partikel - nukleonen, og Ivanenkos idé blev generelt accepteret, og i 1932 blev en anden elementær partikel opdaget i kosmiske stråler - positronen.

I øjeblikket er der en hypotese om deleligheden af ​​et antal elementarpartikler i kvark-underpartikler.

Kvarker er hypotetiske partikler, hvoraf det antages, at alle kendte elementarpartikler, der deltager i stærke vekselvirkninger (hadroner), kan bestå.

Hypotesen om eksistensen af ​​kvarker blev fremsat i 1964 uafhængigt af den amerikanske fysiker Marie Gell-Mann og den østrigske (og efterfølgende amerikanske) videnskabsmand Georg(George) Zweig for at forklare de love, der er etableret for hadroner.

Forresten har udtrykket "kvark" ikke en nøjagtig oversættelse. Den har en rent litterær oprindelse: den er lånt af Gell-Mann fra J. Joyces roman "Finnegans Wake", hvor den betød "noget vagt", "mystisk". Dette navn for partiklerne blev naturligvis valgt, fordi kvarker udviste en række usædvanlige egenskaber, der adskiller dem fra alle kendte elementarpartikler (for eksempel fraktioneret elektrisk ladning).

Figur 4 viser moderne model atomets struktur.

Ris. 4.

Så atomer består af tre typer elementarpartikler. I midten af ​​atomet er der en kerne dannet af protoner og neutroner. Elektroner roterer hurtigt omkring det og danner såkaldte elektronskyer. Antallet af protoner i kernen er lig med antallet af elektroner, der bevæger sig rundt om den. Massen af ​​en proton er omtrent lig med massen af ​​en neutron. Massen af ​​en elektron er meget mindre end deres masser (1836 gange).