Isobarer. Fysiske grunnlaget for radioøkologi

Oppgave 26.
Nikkel-57-isotopen dannes når partikler bombarderer kjernene til jern-54-atomer. Lag kjernereaksjonslikningene og skriv dem i forkortet form.
Løsning:
Isotopen til element 28, nikkel-57, ble oppnådd ved bombing -partikler av jern-54 atomer. Transformasjonen av atomkjerner bestemmes av deres interaksjon med elementærpartikler eller med hverandre. Kjernereaksjoner er assosiert med endringer i sammensetningen av kjernene til atomer av kjemiske elementer. Ved hjelp av kjernefysiske reaksjoner kan andres atomer oppnås fra atomer til noen grunnstoffer. Transformasjonen av atomkjerner, både under naturlig og kunstig radioaktivitet, er skrevet i form av en ligning av kjernefysiske reaksjoner. Det bør huskes at summene av massetall (tallene ved siden av elementsymbolet øverst til venstre) og algebraiske summer Ladningene (tallene ved siden av elementsymbolet nederst til venstre) av partiklene på venstre og høyre side av ligningen må være like. Denne kjernefysiske reaksjonen uttrykkes ved ligningen:

Oppgave 28.
Hva er isotoper? Hvordan kan vi forklare at de fleste grunnstoffene i det periodiske system har atommasser uttrykt som brøker? Kan atomer av forskjellige grunnstoffer ha samme masse? Hva kalles slike atomer?
Løsning:
Atomer som har samme kjerneladning (og derfor identiske kjemiske egenskaper), men et annet antall nøytroner (og derfor et annet massetall), kalles isotoper (fra de greske ordene) "isos"- identiske og "topos"- sted). Det er fastslått at hvert element som regel er en kombinasjon av flere isotoper. Dette forklarer de betydelige avvikene til atommassene til mange grunnstoffer fra heltallsverdier. Således består naturlig klor av 75,53% av 35Cl-isotopen og 24,47% av 37Cl-isotopen; som et resultat er den gjennomsnittlige atommassen av klor 35.453.

Et annet fenomen som oppstår i naturen er at atomer av forskjellige grunnstoffer har samme atommasse, men forskjellige kjerneladninger. Slike atomer kalles isobarer. For eksempel har kaliumisotopen og kalsiumisotopen de samme atommassene (40), men forskjellige kjerneladninger, henholdsvis +19 og +20:

Oppgave 29.
Isotopen silisium-30 dannes når kjernene til aluminium-27 atomer bombarderes av -partikler. Lag en ligning for denne kjernereaksjonen og skriv den i forkortet form.
Løsning:

En forkortet form for notasjon for en kjernefysisk reaksjon brukes ofte. For denne reaksjonen vil den se slik ut:

Den bombarderende partikkelen er skrevet i parentes, og partikkelen som dannes under en gitt kjernefysisk prosess er skrevet atskilt med komma. I de forkortede partikkelligningene

betegne henholdsvis p, d, n, e.

Oppgave 31.
Isotopen karbon-11 dannes når protoner bombarderer nitrogenatomer-14-kjernene Lag en ligning for denne kjernereaksjonen og skriv den i forkortet form.
Løsning:
Transformasjonen av atomkjerner bestemmes av deres interaksjon med elementærpartikler eller med hverandre. Kjernereaksjoner er assosiert med endringer i sammensetningen av kjernene til atomer av kjemiske elementer. Ved hjelp av kjernefysiske reaksjoner kan atomer av andre grunnstoffer fås fra atomer av noen grunnstoffer. Transformasjonen av atomkjerner, både under naturlig og kunstig radioaktivitet, er skrevet i form av en ligning av kjernefysiske reaksjoner. Det bør huskes at summene av massetall (tallene ved siden av elementsymbolet øverst til venstre) og de algebraiske ladningssummene (tallene ved siden av elementsymbolet nederst til venstre) av partikler på venstre og høyre side av ligningen må være lik. Denne kjernefysiske reaksjonen uttrykkes ved ligningen:

En forkortet form for notasjon for en kjernefysisk reaksjon brukes ofte. For denne reaksjonen vil den se slik ut:

Den bombarderende partikkelen er skrevet i parentes, og partikkelen som dannes under en gitt kjernefysisk prosess er skrevet atskilt med komma. I de forkortede partikkelligningene

betegne henholdsvis p, d, n, e.

Oppgave 328
Nevn tre isotoper av hydrogen. Angi sammensetningen av kjernene deres. Hva er tungtvann? Hvordan oppnås det og hva er dets egenskaper?
Løsning:
Tre isotoper er kjent for hydrogen: - protium N , - deuterium D , - tritium T . Protium og deuterium forekommer naturlig; tritium produseres kunstig. Protiumkjernen består av ett proton, deuteriumkjernen består av ett proton og ett nøytron, og tritiumkjernen består av ett proton og to nøytroner.

Tungtvann D 2 O– en kombinasjon av deuterium og oksygen. Tungtvann produseres ved elektrolyse naturlig vann. Under elektrolyse av vann skjer utladningen av H + -ioner mye raskere enn D +, derfor er resten etter nedbrytning ved elektrolyse stor mengde vann konsentreres D 2 O.

Tungtvann D 2 O Ved fysiske og kjemiske egenskaper forskjellig fra H 2 O: t pl.= 3,82 0С, t balle. = 101,42 0 C, r flåte, lik 1,1050 g/cm3 (20°C). Entalpiene for oppløsning av salter i H 2 O og D 2 O, dissosiasjonskonstantene til syrer og andre egenskaper ved løsninger varierer markant.

Kjernen til et atom består av protoner og nøytroner.

Et kjemisk grunnstoff er unikt karakterisert ved sitt atomnummer Z, sammenfallende med antall protoner i kjernen.
En kjerne med et gitt antall protoner Z kan ha et annet antall nøytroner N. Protoner og nøytroner sammen kalles nukleoner. Spesifikk kjerne med data Z, N kalt en nuklid.
Massenummeret kalles fullt antall nukleoner i kjernen: A = Z + N.
Siden massene av protoner og nøytroner er veldig nære ( mn/mp = 1,0014)

Kjernefysiske styrker. Eksistensen av kjerner er bare mulig hvis krefter av spesiell natur virker mellom nukleoner, motvirker den elektrostatiske frastøtingen av protoner og komprimerer alle nukleoner i et lite område av rommet. Slike krefter kan verken være av elektrostatisk natur (tvert imot, disse kreftene må sterkt tiltrekke seg protoner) eller av gravitasjonskarakter (numerisk er gravitasjonskraften for liten til å forhindre betydelig elektrostatisk frastøting). Disse nye kreftene kalles kjernekrefter, og samspillet som genererer disse kreftene kalles sterke.

Følgende egenskaper til kjernefysiske krefter er eksperimentelt etablert.

1. Disse kreftene er like store, uavhengig av om de virker mellom to protoner, et proton og et nøytron, eller to nøytroner (ladningsuavhengighet av kjernekrefter).

2. Disse kreftene er kortreiste i naturen, dvs. forsvinne hvis avstanden mellom nukleonene overstiger størrelsen på kjernen.

3. Innenfor kjernefysiske krefters virkeområde er disse kreftene svært store (sammenlignet med elektromagnetiske eller dessuten, gravitasjonskrefter) og er attraktive krefter opp til avstander av orden R0, hvor de erstattes av frastøtende krefter. Dermed holdes nukleoner i kjerner i et område av rommet med en radius R > R0 atomkjerner kan imidlertid ikke komprimeres til mindre størrelser.

Isotoper – atomer av samme grunnstoff som har forskjellige massetall

Atomer av isotoper av samme grunnstoff har samme antall protoner, men skiller seg fra hverandre i antall nøytroner

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

Isobarer - nuklider av forskjellige grunnstoffer med samme massetall; for eksempel er isobarer 40 Ar, 40 K, 40 Ca.

Billett 11. Art og typer av intramolekylære kjemiske bindinger. Eksempler på sammenhenger med ulike typer kjemisk binding

Det er fire typer kjemiske bindinger: ioniske, kovalente, metalliske og hydrogen.

Ionisk kjemisk binding er en binding dannet på grunn av den elektrostatiske tiltrekningen av kationer til anioner.

En kovalent kjemisk binding er en binding som oppstår mellom atomer på grunn av dannelsen av delte elektronpar.

Donor-akseptor mekanisme for dannelse kovalent binding La oss se på det klassiske eksemplet på dannelsen av ammoniumion NH4+:

Metallkobling
Binding i metaller og legeringer, som utføres av relativt frie elektroner mellom metallioner i et metall krystallgitter, kalles metallisk Denne bindingen er ikke-retningsbestemt, umettet, preget av et lite antall valenselektroner og et stort antall frie orbitaler, som er typisk for metallatomer. Utdanningsordning metallforbindelse(M - metall):

_
M 0 - nei<->M n+

Hydrogenbinding

En kjemisk binding mellom positivt polariserte hydrogenatomer av ett molekyl (eller en del av det) og negativt polariserte atomer av sterkt elektronegative elementer som har enslige elektronpar av et annet molekyl (eller en del av det) kalles hydrogenbinding.

I biopolymerer - proteiner (sekundær struktur) er det en intramolekylær hydrogenbinding mellom karbonyloksygen og hydrogenet i aminogruppen.

Polynukleotidmolekyler - DNA (deoksyribonukleinsyre) er doble helixer der to kjeder av nukleotider er koblet til hverandre ved hjelp av hydrogenbindinger. I dette tilfellet fungerer komplementaritetsprinsippet, det vil si at disse bindingene dannes mellom visse par bestående av purin- og pyrimidinbaser: tyminet (T) er plassert overfor adenin-nukleotidet (A), og cytosinet (C) er lokalisert motsatt av guaninen (G).

Stoffer med hydrogenbinding har molekylære krystallgitter.

Billett 12. hovedbestemmelsene i BC-metoden ved å bruke eksemplet på dannelsen av NH 4-kationen

Emne 1. FYSISK GRUNNLAG FOR RADIØKOLOGI

Forelesning 2: Fysiske egenskaper ved atomer og radioaktivt forfall av kjerner.

Strukturen til atomet. Elementærpartikler. Typer radioaktivt forfall. Loven om radioaktivt forfall.

1. Strukturen til atomet.

Atom – minste partikkel kjemisk element, som bevarer alle dets egenskaper. I sin struktur er et atom (størrelse ca. 10-8 cm) et komplekst system som består av en positivt ladet kjerne (10-13 cm) plassert i sentrum av atomet og negativt ladede elektroner som roterer rundt kjernen i forskjellige baner. Radiusen til et atom er lik radiusen til banen til elektronet lengst fra kjernen. Den negative ladningen til elektronene er lik den positive ladningen til kjernen, mens atomet som helhet er elektrisk nøytralt.

I 1911 foreslo E. Rutherford en planetmodell av atomets struktur, som ble utviklet av N. Bohr (1913). I følge denne modellen er det i sentrum av atomet en kjerne som har en positiv elektrisk ladning. Elektroner beveger seg rundt kjernen i elliptiske baner, og danner elektronskallet til atomet.

Ethvert atom består av elementærpartikler: protoner, nøytroner og elektroner, som er i fri stat er preget av slike fysiske mengder, slik som masse, elektrisk ladning (eller mangel på sådan), stabilitet, hastighet osv. Massen av kjerner og elementærpartikler uttrykkes vanligvis i atommasseenheter (amu), 1\12 av massen av karbonatomer (12C) er tatt som en enhet.

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

Energi uttrykkes i elektronvolt (eV), en elektronvolt er lik den kinetiske energien som et elektron (eller en hvilken som helst elementær partikkel av materie med ladning) får når den passerer gjennom elektrisk felt med en potensialforskjell på en volt.

1eV = 1,602*10-19 C

I tillegg uttrykkes masse ofte i energiekvivalenter (dette er hvileenergien til en partikkel hvis masse er lik 1 amu, er 931,5 MeV (106 eV).

Atomkjerne – den sentrale delen av atomet, der nesten all massen er konsentrert (99,9%). Atomkjernen består av to typer elementærpartikler - protoner og nøytroner. Deres vanlige navn er nukleon. Protonet og elektronet tilhører de såkalte stabile og stabile partiklene, nøytronet er stabilt kun når det er i kjernen.

Det totale antallet protoner og nøytroner i kjernen kalles massenummer og er betegnet med bokstaven A (eller M). Siden ladningen til et nøytron er null, og protonet har en elementær positiv ladning på +1, er ladningen til kjernen lik antall protoner i den, som kalles ladenummer(Z) eller atomnummer. Antall nøytroner i kjernen er lik differansen mellom massen A-tallet og atomnummeret Z til grunnstoffet: N = A-Z (AZX).

Den elektriske ladningen (q) til kjernen er lik produktet av den elementære elektriske ladningen (e) og atomnummeret (Z) til det kjemiske elementet i det periodiske systemet:

Kjernefysiske styrker.

Protoner og nøytroner holdes inne i atomkjernen kjernefysiske styrker . Kjernekrefter utgjør den potensielle bindingsenergien til en kjerne. Det er fastslått at summen av energiene til frie protoner og nøytroner er større enn energien til kjernen som er sammensatt av dem, noe som betyr at energi må brukes for å skille kjernen i dens komponenter. Minimumsenergien som kreves for dette kalles atombindende energi .

Det samme bildet observeres hvis vi legger sammen massene til nukleonene som utgjør kjernen til et atom. Den beregnede massen til kjernen vil være større enn den faktiske massen til kjernen. Forskjellen mellom den beregnede og faktiske massen til kjernen kalles massefeil.

Kjernekrefter er ikke avhengige av tilstedeværelse eller fravær av en elektrisk ladning på nukleoner, de virker bare på svært små avstander (10-13 cm) og svekkes veldig raskt ettersom avstanden mellom atompartikler øker.

Kjernekrefter er karakterisert ved egenskapen metning, som betyr at et nukleon er i stand til kjernefysisk interaksjon samtidig med bare et lite antall nabonukleoner, noe som indikerer den mulige naturen til kjernekrefter som krefter av utvekslingstype.

Hovedegenskapene til kjernekrefter forklares med at nukleoner utveksler partikler med hverandre med en masse på litt mer enn 200 elektronmasser (X. Yukawa, 1935), slike partikler ble oppdaget eksperimentelt (1947) og kalt π-mesons eller pioner (det finnes positive, negative og nøytrale π-mesoner) mesoner). Mesoner er det ikke komponenter protoner og nøytroner, men sendes ut og absorberes av dem (i likhet med hvordan atomer sender ut og absorberer kvanter av elektromagnetisk stråling), mens protonet som sendte ut en positiv pion blir til et nøytron, og nøytronet etter å ha fanget pionen blir til et proton. Alle disse prosessene sikrer sterk interaksjon og dermed stabiliteten til kjernene.

Proton(p) – en elementær partikkel som er en del av en hvilken som helst atomkjerne, som har en positiv ladning lik en elementær ladning +1 (1,602 * 10-19 C). Hvilemassen til et proton er 1,00758 a. e.m. eller 938,27 MeV.

Antall protoner i kjernen ( atomnummer) for hvert element er strengt konstant og tilsvarer serienummer element (Z) i tabellen. Siden hvert proton har en positiv elementær ladning av elektrisitet, viser atomnummeret til et element også antallet positive elementære ladninger i kjernen til ethvert atom i et kjemisk element. Elementets serienummer kalles også ladenummer. Antall protoner i kjernen bestemmer antall elektroner i atomets skall (men ikke omvendt) og følgelig strukturen til elektronskallene og elementenes kjemiske egenskaper.

nøytron ( n) – en elektrisk nøytral elementarpartikkel (bare fraværende i kjernen av lett hydrogen), hvis hvilemasse er 1,00898 a. e.m. eller 939,57 MeV. Massen til et nøytron er to elektronmasser større enn massen til et proton. I atomkjernen kan antall nøytroner (N) i kjernen til et atom av det samme grunnstoffet svinge, noe som i utgangspunktet bare gir grunnstoffets fysiske karakteristika (1).

Elektron – en stabil elementarpartikkel med en hvilemasse lik 0,000548 a. e.m., og i absolutte masseenheter - 9,1 * 10-28 kg. Energiekvivalent a. e.m. elektronet er 0,511 MeV og den elementære elektriske ladningen er 1,602*10-19 C.

Elektroner beveger seg rundt kjernen i orbitaler med en viss form og radius. Banene er gruppert i elektroniske lag (det kan maksimalt være syv: K, L, M, N, O, P, Q). Det minste antallet elektroner som kan være i orbitalene til ett lag bestemmes av kvanteforholdet:

m=2n2,

hvor n er hovedkvantetallet (i dette tilfellet sammenfaller det med lagnummeret. Derfor kan K-laget (n=1) inneholde 2 elektroner, L-laget (n=2) kan ha 8 elektroner, og så på.

Hovedrollen i samspillet mellom elektroner og atomkjernen spilles av elektromagnetiske krefter (Coulomb-tiltrekningskrefter med motsatte elektriske ladninger). Jo nærmere et elektron er kjernen, jo mer potensiell energi(bindingsenergi med kjernen) og mindre kinetisk energi (elektronrotasjonsenergi). Følgelig er elektroner fra den ytre bane (bindingsenergi ca. 1-2 eV) lettere å fjerne enn fra den indre.

Overgangen til et individuelt elektron fra bane til bane er alltid forbundet med absorpsjon eller frigjøring av energi (et energikvantum absorberes eller sendes ut). I følge Bohrs postulater er atomsystemet i en stasjonær tilstand, som er preget av en viss energi. I uendelig lang tid kan hvert atom bare være i stasjonær tilstand med minimal energi, som kalles hoved- eller normal . Alle andre stasjonære tilstander av atomet med høye energier kalles begeistret . Overgangen til et elektron fra ett energinivå til et annet, mer fjernt fra kjernen (med høyere energi) kalles prosess med eksitasjon .

Som et resultat av kollisjoner med andre atomer, med hvilken som helst ladet partikkel, eller når et foton av elektromagnetisk stråling absorberes, kan et atom bevege seg fra en stasjonær tilstand med lavere energi til en stasjonær tilstand med høyere energi. Levetiden til et atom i eksitert tilstand overstiger ikke s. Fra enhver eksitert tilstand går atomet spontant over i grunntilstanden, denne prosessen er ledsaget av utslipp av fotoner (kvantum). Avhengig av forskjellen i energiene til atomet i de to tilstandene overgangen skjer mellom, kan det utsendte kvantumet av elektromagnetisk stråling tilhøre rekkevidden av radiobølger, infrarød stråling, synlig lys, ultrafiolett eller røntgenstråling.

Under sterk elektrisk påvirkning kan elektroner flykte fra atomets grenser. Et atom som har mistet ett eller flere elektroner blir til et positivt ion, og et som har fått ett eller flere elektroner blir til et negativt ion. Prosessen med dannelse av ioner fra nøytrale atomer kalles ionisering . Under vanlige forhold eksisterer et atom i iontilstand veldig kort tid. Ledig plass i bane av det positive ion fylles med et fritt elektron, og atomet blir igjen et elektrisk nøytralt system. Denne prosessen kalles ionrekombinasjon (avionisering) og er ledsaget av frigjøring av overflødig energi i form av stråling.

Isotoper, isotoner, isobarer.

Atomer som har kjerner med samme antall protoner, men som er forskjellige i antall nøytroner, er varianter av samme kjemiske grunnstoff og kalles isotoper. Slike elementer har samme nummer i tabellen, men forskjellige massetall (3919K, 4019K, 4119K). Siden ladningene til kjernene til disse atomene er de samme, har deres elementære skall nesten samme struktur, og atomer med slike kjerner er ekstremt like i kjemiske egenskaper. De fleste kjemiske grunnstoffer i naturen er en blanding av isotoper. Vanligvis, i en blanding av isotoper av ett bestemt grunnstoff, dominerer én isotop, og resten utgjør bare en liten prosentandel (kalium består for eksempel av: 39K - 93,08%; 40K - 0,0119%; 41K - 6,91%) (4) ).

For å skille isotoper av ett kjemisk grunnstoff fra hverandre, legges det til et massetall over navnet på elementet, lik summen alle partikler av kjernen til en gitt isotop, og under - ladningen til kjernen (antall protoner), som tilsvarer ordensnummeret til elementet i tabellen. Dermed inneholder det vanligste lette hydrogenet i naturen, 11H (protium), 1 proton, som sjelden finnes blant hydrogenatomene 21H (deuterium) - 1 proton og 1 nøytron, og 31H (tritium), som aldri finnes i naturen, inneholder 1 proton og 2 nøytroner (tritium oppnås kunstig ved å bestråle deuterium med langsomme nøytroner) (4).

Skjelne stabil Og ustabil (radioaktive ) isotoper . Den første er de isotoper hvis kjerner ikke gjennomgår noen transformasjoner i fravær av ytre påvirkninger, den andre er isotoper hvis kjerner kan spontant (uten ytre påvirkning) desintegrerer, danner kjerner av atomer av andre grunnstoffer. Kjernene til alle isotoper av kjemiske elementer kalles vanligvis nuklider, ustabile nuklider kalles radionuklider . For tiden er rundt 300 stabile isotoper og rundt 1500 radioaktive isotoper kjent.

Betingelse for stabiliteten til atomkjerner: Bare de atomkjernene som har minimal energi sammenlignet med alle kjernene som en gitt kjerne spontant kan forvandle seg til er stabile.

Atomkjerner av forskjellige grunnstoffer med like mange nøytroner kalles isotoner . For eksempel har 136C seks protoner og syv nøytroner, 147N har syv protoner og også syv nøytroner.

Atomkjerner av forskjellige grunnstoffer med samme massetall, men med forskjellige atomnummer (dvs. bestående av samme antall nukleoner ved forskjellige forhold protoner og nøytroner) kalles isobarer .

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

Forskjellen i energien til isobare atomkjerner bestemmes av tilstedeværelsen av en elektrisk ladning på protoner og eksistensen av forskjeller i massene til protonet og nøytronet. Dermed viser kjerner som inneholder betydelig flere protoner enn nøytroner seg å være ustabile, siden de har et overskudd av Coulomb-interaksjonsenergi. Kjerner som har flere nøytroner enn protoner er ustabile på grunn av at massen til nøytronet er større enn massen til protonet, og en økning i massen til kjernen fører til en økning i energien. Kjerner kan frigjøres fra overflødig energi på to måter:

1. ved spontan deling av kjerner i mer stabile deler;

2. ved spontant å endre ladningen til kjernen med én (konvertering av protoner til nøytroner eller nøytroner til protoner).

Elementærpartikler.

Elementærpartikler er ikke molekyler, atomer eller kjerner. De har en radius (R) på 10-14 - 10-15 m og en energi (W) på ca. 106 - 108 eV. Nå totalt antall kjente elementærpartikler (sammen med antipartikler) nærmer seg 400. Noen av dem er stabile eller kvasistabile og eksisterer i naturen i en fri eller svakt bundet tilstand. Dette elektroner, inkludert i sammensetningen av atomer, deres antipartikler - positroner; protoner og nøytroner, inkludert i sammensetningen av atomkjerner; fotonerγ, som er kvanter av det elektromagnetiske feltet. Dette inkluderer også elektronisk (anti)nøytrinoνе, født i prosessene med beta-transformasjoner og i termonukleære reaksjoner som forekommer i stjerner. Alle andre elementærpartikler er ekstremt ustabile og dannes i sekundæren kosmisk stråling eller fås i laboratoriet. Disse inkluderer myoner (mu-mesons) μ– – en tung analog av elektronet (mμ ≈ 200mе) registrert i kosmiske stråler; pioner (pi-mesoner) π+, π0, π– – bærere av kjernefysisk interaksjon og andre.

Hver partikkel har en antipartikkel, vanligvis representert med det samme symbolet, men med en "tilde" over seg. Massene, levetidene og spinnene til partikler og antipartikler er de samme. De gjenværende egenskapene, inkludert elektrisk ladning og magnetisk moment, er like store, men motsatt i fortegn.

2. Typer radioaktivt forfall.

Radioaktivitet- dette er egenskapen til atomkjernene til visse kjemiske grunnstoffer til å spontant forvandle seg til kjernene til andre grunnstoffer med utslipp av en spesiell type stråling som kalles radioaktiv stråling . Selve fenomenet kalles radioaktivt forfall.

Radioaktive transformasjoner som skjer i naturen kalles naturlig radioaktivitet. Lignende prosesser som forekommer i kunstig produserte stoffer (gjennom tilsvarende kjernereaksjoner) er kunstig radioaktivitet. Begge typer radioaktivitet følger de samme lovene.

Det finnes følgende typer kjernefysiske transformasjoner, eller typer radioaktivt forfall: alfa-forfall, beta-forfall (elektronisk, positronisk), elektronfangst (K-fangst), intern konvertering, kjernefysisk fisjon.

Alfa-forfall- dette er den spontane oppdelingen av en ustabil atomkjerne i en α-partikkel (kjernen til heliumatomet 42He) og en produktkjerne (datterkjernen) I dette tilfellet reduseres ladningen til produktkjernen med 2 positive enheter. og massetallet med 4 enheter. I dette tilfellet blir det resulterende produktelementet forskjøvet til venstre i forhold til den opprinnelige en av to celler i det periodiske systemet:

Nesten alle (med sjeldne unntak) atomkjerner av grunnstoffer med atomnummer 82 og høyere er alfa-radioaktive (de i periodisk system stå bak bly 82Pb). En alfapartikkel, som rømmer fra kjernen, får kinetisk energi ca. 4-9 MeV.

Beta-forfall er en spontan transformasjon av ustabile atomkjerner med utslipp av en β-partikkel, der ladningen deres endres med én. Denne prosessen er basert på evnen til protoner og nøytroner til å gjennomgå gjensidige transformasjoner.

Hvis det er et overskudd av nøytroner i kjernen("nøytronoverbelastning" av kjernen), så er det som skjer elektron β- henfall, der et av nøytronene blir til et proton, og kjernen sender ut et elektron og en antinøytrino (masse- og ladningstallet er 0).

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

Under dette forfallet øker ladningen til kjernen og følgelig elementets atomnummer med én (elementet skifter i det periodiske systemet med ett tall til høyre fra det opprinnelige), men massetallet forblir uendret. Elektronisk beta-forfall er karakteristisk for mange naturlige og kunstig produserte radioaktive grunnstoffer.

Hvis det ugunstige forholdet mellom nøytroner og protoner i kjernen skyldes overskytende protoner, deretter positroniske ( β+ ) forfall, der kjernen sender ut et positron (en partikkel med samme masse som et elektron, men med en ladning på +1) og et nøytrino, og ett av protonene blir til et nøytron:

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

Ladningen til kjernen og følgelig elementets atomnummer reduseres med en, og datterelementet vil innta en plass i det periodiske systemet ett nummer til venstre for det opprinnelige, massetallet forblir uendret. Positronforfall er observert i noen kunstig oppnådde isotoper.

Et positron, som har fløyet ut av kjernen, river av et "ekstra" elektron fra atomets skall eller interagerer med et fritt elektron, og danner et "positron-elektron"-par, som øyeblikkelig blir til to gamma-kvanter med en energiekvivalent til massen av partiklene (e+ og e-) 0,511 MeV. Prosessen med å transformere et positron-elektronpar til to γ-kvanter kalles utslettelse(ødeleggelse), og den resulterende elektromagnetiske strålingen - utslettelse. Under positronforfall flyr altså ikke partikler utenfor moderatomet, men to gammastråler med en energi på 0,511 MeV.

Energispekteret til β-partikler av enhver beta-kilde er kontinuerlig (fra hundredeler av MeV - myk stråling, til 2-3 MeV - hard stråling).

Elektronisk fangst– spontan transformasjon av en atomkjerne, der ladningen avtar med én på grunn av fangst av et av orbitalelektronene og transformasjonen av et proton til et nøytron.

Dette skjer hvis det er et overskudd av protoner i kjernen, men ikke nok energi for positronforfall. En av protonene i kjernen fanger opp et elektron fra et av atomets skall, oftest fra K-laget nærmest det (K-fangst) eller, mindre vanlig, L-laget (L-fangst) og snur seg til et nøytron med emisjon av nøytrinoer. I dette tilfellet blir datterelementet, som i positronforfall, forskjøvet i det periodiske systemet med en celle til venstre for den opprinnelige.

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

Et elektron hopper til den ledige plassen i K-laget fra L-laget, til plassen til sistnevnte fra neste lag osv. Hver overgang av et elektron fra lag til lag er ledsaget av frigjøring av energi i formen av kvanter av elektromagnetisk stråling (røntgenområde).

Positronforfall og elektronfangst observeres som regel kun i kunstig radioaktive isotoper (4).

Kjernefysisk fisjon- dette er den spontane fisjon av kjernen, der den, uten ytre påvirkning, brytes opp i to, vanligvis ulikt deler. Dermed kan en urankjerne deles inn i barium (56Ba) og krypton (36Kr) kjerner. Denne typen forfall er karakteristisk for isotoper av grunnstoffer utenfor uran i det periodiske systemet. Under påvirkning av elektrostatiske frastøtningskrefter av like ladninger, får fragmentkjernene en kinetisk energi i størrelsesorden 165 MeV og spres inn i forskjellige sider i enorme hastigheter.

Intern konvertering. Den eksiterte kjernen overfører eksitasjonsenergien til et av elektronene i de indre lagene (K-, L- eller M-laget), som som et resultat rømmer utenfor atomet. Så gjør et av elektronene fra fjernere lag (fra høyere energinivåer) en kvanteovergang til det "ledige" stedet med emisjon av karakteristisk røntgenstråling.

3. Loven om radioaktivt forfall.

Mengden av enhver radioaktiv isotop avtar over tid på grunn av radioaktivt forfall (transformasjon av kjerner). Radioaktivt forfall skjer kontinuerlig, hastigheten på denne prosessen og dens natur bestemmes av strukturen til kjernen. Derfor kan denne prosessen ikke påvirkes av noen vanlige fysiske eller kjemiske midler uten å endre tilstanden til atomkjernen. I tillegg er forfall av sannsynlig natur, det vil si at det er umulig å bestemme nøyaktig når og hvilket atom som vil forfalle, men i hver tidsperiode vil i gjennomsnitt et slags atom forfalle. viss del atomer.

For hver radioaktiv isotop gjennomsnittlig hastighet forfallet av atomene er konstant, uforanderlig og karakteristisk bare for en gitt isotop. Den radioaktive forfallskonstanten λ for en bestemt isotop viser hvilken brøkdel av kjerner som vil forfalle per tidsenhet. Forfallskonstanten uttrykkes i resiproke tidsenheter s-1, min-1, h-1 osv., for å vise at antallet radioaktive kjerner avtar over tid, i stedet for å øke.

Den spontane transformasjonen av kjernene til enhver radioaktiv isotop er utsatt for loven om radioaktivt forfall, som fastslår at samme brøkdel av tilgjengelige kjerner henfaller per tidsenhet.

Det matematiske uttrykket for denne loven, som beskriver prosessen med å redusere antall radioaktive kjerner over tid, vises med følgende formel:

Nt = NOe-λt, (Nt = NOe-0,693t/T) (1),

hvor, Nt er antall radioaktive kjerner som er igjen etter tid;

N0 – innledende antall radioaktive kjerner på tidspunktet t=0;

λ – radioaktivt henfallskonstant (=0,693/T);

T er halveringstiden til en gitt radioisotop.

I praksis brukes halveringstiden til å karakterisere nedbrytningshastigheten til radioaktive grunnstoffer.

Halve livet er tiden halvparten av det opprinnelige antallet radioaktive kjerner forfaller. Det er betegnet med bokstaven T og uttrykkes i tidsenheter.

For ulike radioaktive isotoper varierer halveringstiden fra brøkdeler av et sekund til millioner av år. Dessuten kan det samme grunnstoffet ha isotoper med forskjellige halveringstider. Følgelig er radioaktive elementer delt inn i kortlivede (timer, dager) - 13153I (8,05 dager), 21484Po (1,64 * 10-4 sek.) og langlivede (år) - 23892U (T = 4,47 milliarder år), 13755Cs. ( 30 år), 9038Sr (29 år).

Det er et omvendt forhold mellom halveringstiden og forfallskonstanten, dvs. jo større λ, jo mindre T, og omvendt.

Grafisk uttrykkes loven om radioaktivt forfall ved en eksponentiell kurve (fig. 2.1.). Som det kan ses av figuren, med en økning i antall halveringstider, avtar antallet udøde atomer, og nærmer seg gradvis null [et al., 1999].

Ris. 2.1. Grafisk fremstilling av loven om radioaktivt forfall.

Radioaktivt elementaktivitet lik antall henfall per tidsenhet. Jo flere radioaktive transformasjoner oppleve atomene til et gitt stoff, jo høyere aktivitet er det. Som følger av loven om radioaktivt forfall, er aktiviteten til en radionuklid proporsjonal med antall radioaktive atomer, det vil si at den øker med økende mengde av et gitt stoff. Siden nedbrytningshastigheten til radioaktive isotoper er forskjellig, har like mengder forskjellige radionuklider forskjellig aktivitet.

SI-enheten for aktivitet er becquerel (Bq) - desintegrasjoner per sekund (dec/s). Sammen med Bq brukes en ikke-systemisk enhet - curien (Ci). 1Ki er aktiviteten til hvem som helst radioaktivt stoff(isotop) der 3,7 * 1010 henfallshendelser oppstår per sekund. En enhet curie tilsvarer radioaktiviteten til 1 g radium.

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

Aktiviteten til ethvert radioaktivt medikament etter tid t bestemmes av formelen som tilsvarer den grunnleggende loven om radioaktivt forfall:

På =A0e-0,693t/T (2),

hvor At er aktiviteten til medikamentet etter tid t;

A0 - initial aktivitet av stoffet;

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

t er tiden da radioisotopen forfalt;

T – halveringstid; verdiene til T og t må ha samme dimensjon (min., sek., timer, dager, etc.).

(Eksempel: A0-aktiviteten til det radioaktive grunnstoffet 32P på en bestemt dag er 5 mCi. Bestem aktiviteten til dette grunnstoffet etter en uke. Halveringstiden T til grunnstoffet 32P er 14,3 dager. Aktiviteten til 32P etter 7 dager. Ved = 5 * 2 720 693 * 7/14,3 = 5 * 2 720,34 = 3,55 mCi).

Curie-enheter (Ci) er ikke egnet for å karakterisere gammaaktiviteten til kilder. For disse formålene ble en annen enhet introdusert - tilsvarende 1 mg radium (mg-ekv. radium). Milligram ekvivalent av radium - dette er aktiviteten til et hvilket som helst radioaktivt medikament, hvis gammastråling, under identiske måleforhold, skaper samme eksponeringsdosehastighet som gammastrålingen på 1 mg radium i den russiske føderasjonens statlige radiumstandard ved bruk av platina filter 0,5 mm tykt. Den milligramekvivalente enheten radium er ikke etablert av eksisterende standarder, men er mye brukt i praksis.

En punktkilde på 1 mg (1 mCi) radium, i likevekt med henfallsproduktene, etter innledende filtrering gjennom en 0,5 mm tykk platinaplate skaper en dosehastighet på 8,4 R/t i luften i en avstand på 1 cm. Denne mengden kalles ioniserings gammakonstant for radium og merket med bokstaven Kγ . Gammakonstanten til radium er tatt som standard for stråledosehastighet. Kγ for alle andre gamma-emittere sammenlignes med den. Det finnes tabeller over gammakonstanter for de fleste radioaktive isotoper.

Dermed er gammakonstanten til 60Co 13,5 R/t. En sammenligning av gammakonstantene til radium og 60Co viser at 1 mCi av radionuklidet 60Co skaper en stråledose 1,6 ganger større enn 1 mCi radium (13,5/8,4 = 1,6). Med andre ord, når det gjelder strålingsdosen som skapes i luften, tilsvarer 1 mCi radionuklid 60Co 1,6 mCi radium, det vil si at gammastråling som sendes ut av stoffet 60Co med en aktivitet på 0,625 mCi skaper samme stråledose som 1 mCi av radium.

Gamma-ekvivalenten til M-isotopen er relatert til aktiviteten A (mCi) gjennom ioniserings-gamma-konstanten Kγ ved relasjonene:

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

som tillater oss å bevege oss fra aktiviteten til et radioaktivt stoff, uttrykt i mekv. radium til aktivitet uttrykt i mCi og omvendt.

En rekke atomer hvis kjerner har et visst antall nukleoner (protoner og nøytroner) kalles nuklid.

Den symbolske notasjonen for nuklider inkluderer det kjemiske symbolet for kjernen X og indekser nederst til venstre " Z"(antall protoner i kjernen) og " EN"øverst til venstre er det totale antallet nukleoner. For eksempel

Avhengig av nukleoninnholdet kan nuklider kombineres i ulike grupper: isotoper, isobarer, isotoner.

Isotopisk nuklider (isotoper) er nuklider som har samme antall protoner. De skiller seg bare i antall nøytroner. Derfor tilhører alle isotoper det samme kjemiske elementet. For eksempel isotoper

er isotoper av samme grunnstoff uran (Z= const).

Siden isotoper har samme antall protoner og samme struktur av elektronskall, er de tvillingatomer deres kjemiske egenskaper er nesten like. Unntaket er isotopene av hydrogen - protium H, deuterium D, tritium T, som på grunn av den for store relative forskjellen i atommasser avviker betydelig i fysiske og kjemiske egenskaper (tabell 2.1).

Tabell 2.1 Sammenligning av egenskapene til vanlig og tungt vann

	Egenskaper
	Kokepunkt, 0 C
	Kritisk temperatur, 0 C
	Væsketetthet ved 298,15 K, kg/dm 3
	Dielektrisk konstant ved 298,15 K
	Temperatur med maksimal tetthet, 0 C
	Smeltepunkt, 0 C
	Istetthet ved smeltepunkt, kg/dm 3

Kjemiske transformasjoner med tungt hydrogen skjer langsommere enn med dens lette isotop.

Isotonisk nuklider (isotoner) er nuklider med samme antall nøytroner og forskjellig antall protoner. Eksempler på isotoner: Ca og Ti, som tilhører forskjellige nuklider. Dette begrepet brukes ekstremt sjelden.

Isobarer kalles en rekke nuklider hvis kjerner har forskjellig antall protoner og nøytroner, men har samme antall nukleoner. Eksempel på isobarer: Ti og Ca.

Derfor kan vi si at nuklider med samme antall protoner er forskjellige isotoper av samme grunnstoff; nuklider med samme antall nukleoner er isobarer; nuklider med samme antall nøytroner er isotoner.

2.4 Kjerneenergi

Energi er en av de viktigste egenskapene til enhver fysisk prosess. I kjernefysikk dens rolle er spesielt stor, siden ukrenkeligheten til loven om bevaring av energi gjør det mulig å gjøre nøyaktige beregninger selv i tilfeller der mange detaljer om fenomenene forblir ukjente. I forhold til kjernen, la oss se på flere forskjellige energiformer.

2.4.1 Hvileenergi

I følge relativitetsteorien, massen til et atom m du kan sammenligne den totale hvileenergien

Hvis i denne formelen Med uttrykke i meter per sekund, og m- i kilo, da vil E 0 være i joule. La oss betegne med m 0 enhet atommasse, uttrykt i kilogram: m 0 = 1,66∙10 -27 kg . Da m= m 0 EN r og E 0 = EN r m 0 c 2. Størrelse m 0 c 2 lett å beregne i joule og deretter 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 til atomet, MeV.

Tilbake på 500-tallet f.Kr. formulerte de greske tenkerne Leucippus og Demokritos resultatene av sine refleksjoner over materiens struktur i form av en atomhypotese: materie kan ikke uendelig deles inn i mindre og mindre deler, det er "endelige", udelelige partikler av materie. Alle materielle gjenstander består av en rekke atomer

(fra gresk atomer-- "udelelig", "uklippet"). Kobler til ulike typer atomer danner nye stoffer.

Ifølge legenden holdt Demokritus, sittende på en stein ved sjøen, et eple i hånden og tenkte: «Hvis jeg skjærer dette eplet i mindre og mindre biter, vil jeg alltid ha en del i hendene mine som fortsatt har egenskapene til et eple?» Etter å ha vurdert denne hypotesen, kom Demokrit til følgende konklusjoner: "Begynnelsen av universet er atomer og tomhet, alt annet eksisterer bare etter mening. Det finnes utallige verdener, og de har en begynnelse og en slutt i tid. Og ingenting oppstår fra ikke-eksistens, ingenting blir løst til ikke-eksistens. Og atomene er utallige i størrelse og mengde, men de suser rundt i universet, virvlende i en virvelvind, og dermed blir alt komplekst født: ild, vann, luft, jord... Atomer er ikke mottakelige for noen påvirkning og er uforanderlige pga. til deres hardhet."

Begynnelsen av 1800-tallet så fremveksten av teorien om verdens atom-molekylære struktur. Det var mulig å bevise eksperimentelt at hvert kjemisk element består av identiske atomer først i 1808.

Dette ble gjort av den engelske kjemikeren og fysikeren John Dalton, som gikk ned i historien som skaperen av kjemisk atomisme. Dalton så for seg atomer i form av elastiske kuler og trodde så mye på dem ekte eksistens at han til og med tegnet oksygen- og nitrogenatomer på papir.

I 1811 la den italienske fysikeren og kjemikeren Amedeo Avogadro frem en hypotese om at molekylene til enkle gasser består av ett eller flere atomer. Basert på denne hypotesen formulerte Avogadro en av de grunnleggende lovene ideelle gasser og en metode for å bestemme atom- og molekylmasser.

Han oppdaget en av gasslovene, oppkalt etter ham. På grunnlag av dette ble en metode for å bestemme molekylvekter og atomvekter utviklet. Så alle stoffer i naturen består av atomer. De er vanligvis delt inn i enkle, bestående av atomer av de samme elementene (O2, N2, H2, etc.), og komplekse, som inkluderer atomer ulike elementer(H2O, NaCl, H2SO4, etc.).

Et atom er den minste strukturelle enheten av noen av de enkleste kjemikalier, kalt elementer.

Selv om begrepet et atom, i likhet med selve begrepet, er av gammel gresk opprinnelse, var det først i det tjuende århundre at sannheten om atomhypotesen om strukturen til stoffer ble fast etablert.

Størrelsen og massen til atomer er ekstremt små. Dermed er diameteren til det letteste atomet (hydrogen) bare 0,53. 10-8 cm, og massen er 1,67. 10-24 år

Forskningsutvikling radioaktiv stråling, på den ene siden, og kvanteteori, på den andre, førte til skapelsen Rutherfords kvantemodell av atomet-Bora. Etter oppdagelsen av elektronet i 1897 av Joseph John Thomson, oppdaget han at ladede partikler løsnes fra atomer når de utsettes for et sterkt elektrisk felt. I følge hans estimater er massen til et "elektrisitetsatom" omtrent tusen ganger mindre enn massen til et hydrogenatom, og ladningen samsvarer nøyaktig med ladningen til et hydrogenion.

Senere, allerede i 1910 og 1913, forbedret Robert Millikan betraktelig nøyaktigheten av målinger av ladningen og massen til elektronet. Så, til tross for individuelle meninger, ble det på slutten av 1800-tallet klart at partikler som er enda mindre enn atomer faktisk eksisterer, og at de mest sannsynlig er en del av atomer og er bærere av en liten mengde elektrisitet.

Joseph Thomson, som utviklet W. Thomsons modell, foreslo i 1903 sin egen modell av atomet ("pudding med rosiner"): elektroner er innblandet i den positive sfæren. De holdes inne i en positivt ladet kule av elastiske krefter. De av dem som er på overflaten kan "slå ut" ganske enkelt, og etterlater et ionisert atom i fig. 1.

Ris. 1.

I multielektronatomer er elektroner ordnet i stabile konfigurasjoner beregnet av Thomson. Han vurderte hver slik konfigurasjon for å bestemme de kjemiske egenskapene til atomer. J. Thomson forsøkte å forklare teoretisk periodisk system elementer D.I. Mendeleev.

Niels Bohr påpekte senere at siden dette forsøket ble ideen om å dele elektronene i et atom i grupper utgangspunktet. I 1911 utviklet Joseph Thomson den såkalte parabelmetoden for å måle forholdet mellom en partikkels ladning og massen, som spilte en stor rolle i studiet av isotoper.

I 1903 med tanken om planetarisk modell av atomstruktur Den japanske teoretikeren Hantaro Nagaoka snakket ved Tokyo Physics and Mathematics Society, og kalte denne modellen "Saturn-lignende."

H. Nagaoka presenterte strukturen til atomet som lik strukturen til solsystemet: Solens rolle spilles av den positivt ladede sentrale delen av atomet, rundt hvilken "planeter" - elektroner - beveger seg i etablerte ringformede baner. Ved små forskyvninger eksiterer elektroner elektromagnetiske bølger. Men arbeidet hans, som E. Rutherford ikke visste om, ble ikke videreutviklet.

Men det viste seg snart at nye eksperimentelle fakta motbeviser Joseph Thomsons modell og tvert imot vitner til fordel for planetmodellen. Disse fakta ble oppdaget av den fremragende engelske fysikeren E. Rutherford. Først av alt bør det bemerkes at han oppdaget atomets kjernefysiske struktur.

Joseph Thomsons student Ernest Rutherford, som et resultat av hans berømte eksperimenter på spredning av b-partikler med gullfolie, "delte" atomet i en liten positivt ladet kjerne og elektroner som omgir det (fig. 2).

I 1908-1909 Hans Geiger, som jobbet ved University of Victoria (Manchester, England) sammen med Rutherford, som nylig hadde designet en alfapartikkelteller sammen med ham, og Ernest Marsden slo fast at når alfapartikler passerer gjennom tynne plater av gullfolie, vil de aller fleste av de flyr rett gjennom, men enkeltpartikler avbøyes i vinkler større enn 90°, dvs. er fullstendig reflektert.

Ris. 2.

De fleste alfapartikler fløy gjennom folien, bare en liten del av dem ble reflektert, og E. Rutherford innså at alfapartikler ble reflektert når de traff små, massive objekter, og at disse objektene var plassert langt fra hverandre. Slik ble atomkjerner oppdaget. Volumet av kjernen viste seg å være millioner av milliarder ganger mindre enn volumet til atomet, og dette ubetydelig lille volumet inneholdt nesten hele atomets substans.

På dette tidspunktet visste de det allerede elektrisk strøm er en strøm av partikler, disse partiklene kalles elektroner. Og her vendte Rutherford seg til den planetariske modellen for atomets struktur.

Ifølge henne lignet han en miniatyr solsystemet, hvor "planeter" - elektroner roterer rundt "Sol" - kjernen (fig. 3).

Ris. 3.

Takket være Rutherfords arbeid ble det klart hvordan atomer er strukturert: i midten av atomet er det en liten massiv kjerne, og elektroner "svermer" rundt kjernen og danner et lett skall av atomet. I dette tilfellet skaper elektronene, lokalisert og roterende i forskjellige plan, en negativ total ladning, og kjernen skaper en positiv. Generelt forblir atomet elektrisk nøytralt, siden den positive ladningen til kjernen er fullstendig kompensert av den negative ladningen til elektronene.

Imidlertid, i henhold til lovene i klassisk mekanikk og elektrodynamikk, må rotasjonen av et elektron rundt en kjerne være ledsaget av elektromagnetisk stråling med et kontinuerlig spektrum.

Men dette var i strid med linjespektrene til gasser og damper av kjemiske elementer, kjent siden 1880.

Motsetningen ble løst i 1913 av Rutherfords student, den danske fysikeren Niels Bohr, som utviklet en kvantemodell av atomets struktur basert på kvanteteorien om stråling og absorpsjon av lys skapt av Max Planck og Albert Einstein.

(14. desember 1900) Planck demonstrerte utledningen av denne formelen, basert på antakelsen om at energien til oscillatoren er et heltallsmultippel av hv, der v er frekvensen til stråling, og h er en ny universell konstant, kalt av Max Planck det elementære handlingskvantet (nå er det en konstant Planck). Innføringen av denne kvantumet var begynnelsen på æraen med ny kvantefysikk.

Niels Bohr la frem antakelsen om at hydrogenatomet (proton-elektronsystemet) bare kan være i visse stasjonære energitilstander (elektroner i visse baner), og en av dem tilsvarer minimumsenergien og er jordet (ueksitert). Utslipp eller absorpsjon av energi fra et atom kan, ifølge Bohrs teori, bare skje under elektronoverganger fra en energitilstand til en annen (fra en bane til en annen).

Basert på dette formulerte Bohr sine postulater:

• 1. Et elektron i et atom er i en "stasjonær" tilstand (beveger seg i en stasjonær bane) og avgir ingen energi.
• 2. Ved å bli fjernet fra den stasjonære tilstanden (overført til en annen bane), sender elektronet, tilbake, ut et kvantum av lys hn = E2 - E1.
• 3. Et elektron i et atom kan bare være i de "tillatte" banene der vinkelmomentet (mvr) antar visse diskrete verdier, nemlig mvr = nh/2p, der n er et heltall 1, 2, 3...

Atomladningen viste seg å være den viktigste egenskapen atom. I 1913 ble det vist at ladningen til kjernen sammenfaller med tallet på grunnstoffet i det periodiske system.

Bohrs teori gjorde det mulig å meget nøyaktig beregne plasseringen av linjer i utslippsspekteret til atomært hydrogen. Hun kunne imidlertid ikke forutsi forholdet mellom linjeintensiteter selv i dette enkleste systemet.

For systemer som inneholder mer enn ett elektron, for eksempel et heliumatom, ga Bohrs teori ikke lenger eksakte verdier spektrallinjer.

Derfor i 1923-26 Louis de Broglie (Frankrike), Werner Heisenberg (Tyskland) og Erwin Schrödinger (Østerrike) utviklet en ny teori om kvante (bølge) mekanikk.

Den geniale ideen Heisenberg uttrykte var å behandle kvantehendelser som fenomener på et helt annet nivå enn i klassisk fysikk. Han nærmet seg dem som fenomener som ikke tillot presis visuell representasjon, for eksempel ved å bruke et bilde av elektroner som roterer i baner.

Noen måneder senere foreslo E. Schrödinger en annen formulering av kvantemekanikk, og beskrev disse fenomenene på bølgekonseptets språk.

Schrödingers tilnærming oppsto i arbeidet til Louis de Broglie, som antok de såkalte bølgene av materie: akkurat som lys, tradisjonelt betraktet som bølger, kan ha korpuskulære egenskaper (fotoner eller strålingskvanter), kan partikler ha bølgeegenskaper. Det ble senere bevist at matrise- og bølgemekanikk i hovedsak er likeverdige. Til sammen danner de det som nå kalles kvantemekanikk. Snart ble denne mekanikken utvidet av den engelske teoretiske fysikeren på 1900-tallet, Paul Dirac (Nobelprisen i fysikk, 1933), som inkluderte elementer av Einsteins relativitetsteori i bølgeligningen, og tok hensyn til elektronspinnet.

I kjernen moderne teori Strukturen til atomet er basert på følgende grunnleggende prinsipper:

1). elektronet har en dobbel (partikkelbølge) natur. Den kan oppføre seg både som en partikkel og som en bølge. Som en partikkel har et elektron en viss masse og ladning. Samtidig viser et elektron i bevegelse bølgeegenskaper, dvs. for eksempel er det preget av diffraksjonsevne. Elektronbølgelengden l og dens hastighet v er relatert av de Broglie-relasjonen:

hvor m er elektronmassen;

• 2). Det er umulig for et elektron å nøyaktig måle sin posisjon og hastighet samtidig. Jo mer nøyaktig vi måler hastigheten, jo større er usikkerheten i koordinaten, og omvendt. Det matematiske uttrykket for usikkerhetsprinsippet er relasjonen: ?x m ?v > ћ/2, hvor?x er usikkerheten til koordinatposisjonen; ?v - hastighetsmålefeil;
• 3). elektron i et atom beveger seg ikke langs visse baner, men kan

være i hvilken som helst del av det perinukleære rommet, men sannsynligheten for at det er i forskjellige deler denne plassen er ikke den samme. Rommet rundt kjernen der sannsynligheten for å finne et elektron er ganske stor kalles en orbital;

4). atomkjerner er bygd opp av protoner og nøytroner ( vanlig navn- nukleoner). Antall protoner i kjernen er lik grunnstoffets atomnummer, og summen av antall protoner og nøytroner tilsvarer massetallet.

I 1932 foreslo vår hjemlige fysiker Dmitry Dmitrievich Ivanenko og den tyske forskeren Werner Heisenberg (Heisenberg) uavhengig at nøytronet, sammen med protonet, er et strukturelt element i kjernen.

Imidlertid ble proton-nøytronmodellen til kjernen møtt med skepsis av de fleste fysikere. Selv E. Rutherford mente at et nøytron bare er en kompleks formasjon av et proton og et elektron.

I 1933 ga Dmitry Ivanenko en rapport om kjernefysisk modell, der han forsvarte proton-nøytronmodellen, og formulerte hovedoppgaven: det er bare tunge partikler i kjernen. Ivanenko avviste ideen om en kompleks struktur av nøytronet og protonet. Etter hans mening bør begge partiklene ha samme grad av elementaritet, dvs. Både et nøytron og et proton er i stand til å forvandle seg til hverandre.

Deretter begynte protonet og nøytronet å bli betraktet som to tilstander av en partikkel - nukleonet, og Ivanenkos idé ble generelt akseptert, og i 1932 ble en annen elementær partikkel oppdaget i kosmiske stråler - positronet.

For tiden er det en hypotese om delbarheten av en rekke elementærpartikler i kvark-underpartikler.

Kvarker er hypotetiske partikler som det antas at alle kjente elementærpartikler som deltar i sterke interaksjoner (hadroner) kan bestå av.

Hypotesen om eksistensen av kvarker ble fremmet i 1964 uavhengig av den amerikanske fysikeren Marie Gell-Mann og den østerrikske (og senere amerikanske) vitenskapsmann Georg(George) Zweig for å forklare lovene etablert for hadroner.

Forresten, begrepet "kvark" har ikke en eksakt oversettelse. Den har en rent litterær opprinnelse: den ble lånt av Gell-Mann fra J. Joyces roman «Finnegans Wake», der den betydde «noe vagt», «mystisk». Dette navnet på partiklene ble åpenbart valgt fordi kvarker viste en rekke uvanlige egenskaper som skiller dem fra alle kjente elementærpartikler (for eksempel brøkelektrisk ladning).

Figur 4 viser moderne modell strukturen til atomet.

Ris. 4.

Så, atomer består av tre typer elementærpartikler. I sentrum av atomet er det en kjerne dannet av protoner og nøytroner. Elektroner roterer raskt rundt den, og danner såkalte elektronskyer. Antall protoner i kjernen er lik antallet elektroner som beveger seg rundt den. Massen til et proton er omtrent lik massen til et nøytron. Massen til et elektron er mye mindre enn massene deres (1836 ganger).