Uurides α-osakese läbimist läbi õhukese kuldfooliumi (vt punkt 6.2), jõudis E. Rutherford järeldusele, et aatom koosneb raskest positiivselt laetud tuumast ja seda ümbritsevatest elektronidest.

tuum nimetatakse aatomi keskpunktiks,milles on koondunud peaaegu kogu aatomi mass ja selle positiivne laeng.

AT aatomituuma koostis sisaldab elementaarosakesi : prootonid ja neutronid (nukleonid ladinakeelsest sõnast tuum- tuum). Sellise tuuma prooton-neutronmudeli pakkus välja Nõukogude füüsik 1932. aastal D.D. Ivanenko. Prootonil on positiivne laeng e + = 1,06 10 -19 C ja puhkemass m p\u003d 1,673 10–27 kg \u003d 1836 mina. Neutron ( n) on puhkemassiga neutraalne osake m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 mina(kus elektroni mass mina, võrdub 0,91 10 -31 kg). Joonisel fig. 9.1 näitab heeliumi aatomi struktuuri vastavalt XX sajandi lõpu - XXI sajandi alguse ideedele.

Põhilaeng võrdub Ze, kus e on prootoni laeng, Z- tasu number võrdne seerianumber keemiline element Mendelejevi perioodilises elementide süsteemis, s.o. prootonite arv tuumas. Tähistatud on neutronite arv tuumas N. Tavaliselt Z > N.

Tuumad koos Z= 1 kuni Z = 107 – 118.

Nukleonide arv tuumas A = Z + N helistas massiarv . tuumad samaga Z, kuid erinev AGA helistas isotoobid. Kernelid, mis samal ajal A on erinevad Z, kutsutakse isobaarid.

Tuum on tähistatud sama sümboliga nagu neutraalne aatom, kus X on keemilise elemendi sümbol. Näiteks: vesinik Z= 1-l on kolm isotoopi: – protium ( Z = 1, N= 0), on deuteerium ( Z = 1, N= 1), – triitium ( Z = 1, N= 2), tinal on 10 isotoopi jne. Enamikul sama keemilise elemendi isotoopidest on neil sama keemiline ja lähedased füüsikalised omadused. Kokku on teada umbes 300 stabiilset isotoopi ning enam kui 2000 looduslikku ja kunstlikult saadud isotoopi. radioaktiivsed isotoobid.

Tuuma suurust iseloomustab tuuma raadius, millel on tuumapiiri hägustumise tõttu tinglik tähendus. Isegi E. Rutherford näitas oma katseid analüüsides, et tuuma suurus on ligikaudu 10–15 m (aatomi suurus on 10–10 m). Südamiku raadiuse arvutamiseks on empiiriline valem:

kus R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m.Sellest on näha, et tuuma ruumala on võrdeline nukleonide arvuga.

Tuumaaine tihedus on suurusjärgus 10 17 kg/m 3 ja on kõigi tuumade puhul konstantne. See ületab oluliselt kõige tihedamate tavaliste ainete tihedust.

Prootonid ja neutronid on fermionid, sest keerutada ħ /2.

Aatomi tuumal on enda nurkimpulss – tuuma spin :

,

(9.1.2)

kus I – sisemine(täielik)spin-kvantarv.

Number I aktsepteerib täis- või pooltäisarvu väärtusi 0, 1/2, 1, 3/2, 2 jne. Tuumad koos isegi AGA on täisarvu spin(ühikutes ħ ) ja järgige statistikat Bose–Einstein(bosonid). Tuumad koos kummaline AGA on pooltäisarvu spin(ühikutes ħ ) ja järgige statistikat Fermi–Dirac(need. tuumad on fermioonid).

Tuumaosakestel on oma magnetmomendid, mis määravad tuuma kui terviku magnetmomendi. Tuumade magnetmomentide mõõtmise ühik on tuumamagneton μ mürki:

Siin e on elektroni laengu absoluutväärtus, m p on prootoni mass.

Tuumamagneton sisse m p/mina= 1836,5 korda väiksem kui Bohri magneton, järeldub sellest aatomite magnetilised omadused on määratud tema elektronide magnetiliste omadustega .

Tuuma spinni ja selle magnetmomendi vahel on seos:

kus γ mürk - tuuma güromagnetiline suhe.

Neutronil on negatiivne magnetmoment μ n≈ – 1,913μ mürk, sest neutroni spinni suund ja selle magnetmoment on vastupidised. Prootoni magnetmoment on positiivne ja võrdne μ-ga R≈ 2,793 μ mürki. Selle suund langeb kokku prootoni spinni suunaga.

Prootonite elektrilaengu jaotus tuumas on üldiselt asümmeetriline. Selle jaotuse sfääriliselt sümmeetrilisest hälbe mõõt on tuuma kvadrupoolne elektrimoment K. Kui eeldada, et laengutihedus on kõikjal ühesugune, siis K määrab ainult tuuma kuju. Niisiis, revolutsiooni ellipsoidi jaoks

,

(9.1.5)

kus b on ellipsoidi pooltelg piki pöörlemissuunda, a- telg ristisuunas. Pöörlemissuunas venitatud tuuma puhul b > a ja K> 0. Selles suunas laabunud tuuma korral b < a ja K < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a ja K= 0. See kehtib tuumade kohta, mille spinn on 0 või ħ /2.

Demode vaatamiseks klõpsake vastaval hüperlingil:

Iga aatom koosneb tuumad ja aatomi kest, mis sisaldavad mitmesuguseid elementaarosakesi - nukleonid ja elektronid(joonis 5.1). Tuum on aatomi keskosa, mis sisaldab peaaegu kogu aatomi massi ja millel on positiivne laeng. Tuum koosneb prootonid ja neutronid, mis on ühe elementaarosakese – nukleoni topeltlaenguga olekud. Prootonilaeng +1; neutron 0.

Põhilaeng aatom on Z . ē , kus Z – seerianumber elemendid (aatomnumber) Mendelejevi perioodilises süsteemis võrdub prootonite arvuga tuumas; ē on elektroni laeng.

Nukleonide arvu tuumas nimetatakse elemendi massiarv(A):

A = Z + N,

kus Z on prootonite arv; N on neutronite arv aatomituumas.

Prootonite ja neutronite puhul võetakse massiarvuks 1, elektronide puhul 0.

Riis. 5.1. Aatomi struktuur

Järgmised nimetused on üldiselt aktsepteeritud mis tahes keemilise elemendi jaoks X:, siin A- massiarv, Z on elemendi aatomnumber.

Sama elemendi aatomituumades võib olla erinev arv neutroneid. N. Sellised sordid aatomi tuumad helistas isotoobid see element. Seega on isotoopidel: sama aatomnumber, kuid erinevad massiarvud A. Enamik keemilisi elemente on erinevate isotoopide segu, näiteks uraani isotoobid:

.

Erinevate keemiliste elementide aatomituumadel võib olla sama massiarv AGA(erineva arvu prootonitega Z). Seda tüüpi aatomituumi nimetatakse isobaarid. Näiteks:

– – – ; –

Aatommass

Aatomite ja molekulide massi iseloomustamiseks kasutatakse mõistet aatommass M- see on suhteline väärtus, mille määrab seos
süsinikuaatomi massile ja võetakse võrdseks m a = 12 000 000. Sest
võeti kasutusele aatommassi absoluutne määratlus aatomiüksus
massid(a.m.u.), mis on määratletud süsinikuaatomi massi suhtes järgmisel kujul:

.

Seejärel saab elemendi aatommassi määratleda järgmiselt:

kus M on vaadeldava elemendi isotoopide aatommass. Selle avaldise abil on lihtsam määrata elementide tuumade massi, elementaarosakesi, osakesi - radioaktiivsete muundumiste saadusi jne.

Tuumamassi defekt ja tuuma sidumisenergia

Nukleoni sidumisenergia – füüsiline kogus, numbriliselt võrdne tööga, mida tuleb teha nukleoni eemaldamiseks tuumast ilma sellele kineetilist energiat andmata.

Nukleonid on tuumas seotud tuumajõududega, mis on palju suuremad kui prootonite vahel mõjuvad elektrostaatilised tõukejõud. Tuuma poolitamiseks on vaja need jõud ületada, s.t kulutada energiat. Nukleonide ühinemisega tuuma moodustamiseks, vastupidi, kaasneb energia vabanemine, mida nimetatakse tuuma siduv energiaΔ W St:

,

kus on nn tuumamassi defekt; Koos ≈ 3 . 10 8 m/s on valguse kiirus vaakumis.

Tuuma sidumisenergia- füüsikaline suurus, mis on võrdne tööga, mis tuleb teha tuuma jagamiseks üksikuteks nukleoniteks, ilma et nad annaksid neile kineetilist energiat.

Tuuma moodustumisel selle mass väheneb, s.t tuuma mass on väiksem kui seda moodustavate nukleonide masside summa, seda erinevust nimetatakse massivigaΔ m:

kus m p on prootoni mass; m n on neutroni mass; m tuum on tuuma mass.

Üleminekul tuuma massist m tuum elemendi aatommassideks m a, selle avaldise saab kirjutada järgmisel kujul:

kus m H on vesiniku mass; m n on neutroni mass ja m a on läbi määratud elemendi aatommass aatommassi ühik(a.u.m.).

Tuuma stabiilsuse kriteeriumiks on selles olevate prootonite ja neutronite arvu range vastavus. Tuumade stabiilsuse kohta kehtib järgmine seos:

,

kus Z on prootonite arv; A on elemendi massiarv.

Ligikaudu 1700 seni teadaolevast tuumatüübist on stabiilsed vaid umbes 270. Veelgi enam, looduses domineerivad paaris-paaritud tuumad (ehk paarisarvu prootonite ja neutronite arvuga), mis on eriti stabiilsed.

Radioaktiivsus

Radioaktiivsus- ühe keemilise elemendi ebastabiilsete isotoopide muutmine mõne teise keemilise elemendi isotoopideks koos mõne elementaarosakese vabanemisega. Eristada: looduslik ja tehislik radioaktiivsus.

Peamised tüübid hõlmavad järgmist:

– α-kiirgus (lagunemine);

– β-kiirgus (lagunemine);

- spontaanne tuuma lõhustumine.

Laguneva elemendi tuumaks nimetatakse emalik, ja saadud elemendi tuum on laps. Aatomituumade spontaanne lagunemine järgib järgmist radioaktiivse lagunemise seadust:

kus N 0 on tuumade arv keemilises elemendis esialgsel ajahetkel; N on tuumade arv korraga t; - nn lagunemise konstant, mis on ajaühikus lagunenud tuumade osa.

Lagunemiskonstanti pöördväärtus iseloomustab isotoobi keskmist eluiga. Tuumade stabiilsuse tunnuseks lagunemise suhtes on pool elu st aeg, mille jooksul tuumade esialgne arv väheneb poole võrra:

Seos ja vahel:

Kell radioaktiivne lagunemine sooritatud tasu säilitamise seadus:

,

kus on lagunenud või tekkinud (moodustunud) "kildude" laeng; ja massi säilitamise reegel:

kus on moodustunud (lagunenud) “kildude” massiarv.

5.4.1. α ja β lagunemine

α-lagunemine on heeliumi tuumade kiirgus. Iseloomulik suure massiarvuga "rasketele" tuumadele A> 200 ja laadige z > 82.

α-lagunemise nihkereegel on järgmisel kujul (moodustub uus element):

.

; .

Pange tähele, et α-lagunemisel (kiirgusel) on kõrgeim ioniseerimisvõime, kuid madalaim läbilaskvus.

Seal on järgmised tüübid β-lagunemine:

– elektrooniline β-lagunemine (β – lagunemine);

– positroni β-lagunemine (β + -lagunemine);

– elektrooniline püüdmine (k-püüdmine).

β - -lagunemine tekib neutronite liigsel hulgal koos elektronide ja antineutriinode vabanemisega:

.

β + -lagunemine tekib prootonite liigsel hulgal koos positronite ja neutriinode vabanemisega:

Elektroonilise pildistamise jaoks ( k- jäädvustada) mida iseloomustab järgmine transformatsioon:

.

β-lagunemise nihkereegel on järgmisel kujul (moodustub uus element):

jaoks β - -lagunemine: ;

jaoks β + -lagunemine: .

β-lagunemisel (kiirgusel) on madalaim ioniseerimisvõime, kuid suurim läbilaskvus.

α- ja β-kiirgusega kaasnevad γ-kiirgus, mis on footonite emissioon ja mitte sõltumatu vaade radioaktiivne kiirgus.

γ-footonid vabanevad ergastatud aatomite energia vähenemisel ega põhjusta massiarvu muutust A ja tasu muutus Z. γ-kiirgusel on suurim läbitungimisvõime.

Radionukliidide aktiivsus

Radionukliidide aktiivsus on radioaktiivsuse mõõt, mis iseloomustab tuuma lagunemiste arvu ajaühikus. Teatud koguse radionukliidide jaoks teatud energiaolekus aastal Sel hetkel ajaline tegevus AGA on antud kujul:

kus on eeldatav spontaansete tuumamuutuste arv (tuuma lagunemiste arv), mis toimub ioniseeriva kiirguse allikas ajavahemiku jooksul .

Tuuma spontaanset transformatsiooni nimetatakse radioaktiivne lagunemine.

Radionukliidide aktiivsuse mõõtühik on vastastikune sekund (), millel on eriline nimi becquerel (Bq).

Becquerel võrdub radionukliidi aktiivsusega allikas, milles 1 sek. toimub üks spontaanne tuumatransformatsioon.

Süsteemiväline tegevusüksus - curie (Ku).

Curie - radionukliidi aktiivsus allikas, milles 1 sek. toimub 3.7 . 10 10 spontaanset tuumatransformatsiooni, st 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.

Näiteks ligikaudu 1 g puhast raadiumi annab aktiivsuseks 3,7 . 10 10 tuumade lagunemist sekundis.

Mitte kõik radionukliidi tuumad ei lagune üheaegselt. Igas ajaühikus toimub tuumade spontaanne transformatsioon teatud osa tuumadest. Tuumamuutuste osakaal erinevate radionukliidide puhul on erinev. Näiteks alates koguarv raadiumi tuumad lagunevad iga sekund 1.38 . osa ja radoonituumade koguarvust - 2,1 . osa. Ajaühikus lagunevate tuumade osa nimetatakse lagunemiskonstandiks λ .

Ülaltoodud definitsioonidest järeldub, et tegevus AGA seotud radioaktiivsete aatomite arvuga N allikas antud ajahetkel suhtega:

Aja jooksul radioaktiivsete aatomite arv väheneb vastavalt seadusele:

, (3) – 30 aastat, pinnaradoon või lineaarne tegevust.

Konkreetsete tegevusüksuste valiku määrab konkreetne ülesanne. Näiteks õhuaktiivsust väljendatakse bekerellides per kuupmeeter(Bq / m 3) - mahuline aktiivsus. Aktiivsust vees, piimas ja muudes vedelikes väljendatakse ka mahulise aktiivsusena, kuna vee ja piima kogust mõõdetakse liitrites (Bq/L). Leiva, kartuli, liha ja muude toodete aktiivsust väljendatakse eriaktiivsusena (Bq/kg).

Ilmselt sõltub radionukliididega kokkupuute bioloogiline mõju inimkehale nende aktiivsusest, st radionukliidide kogusest. Seetõttu on radionukliidide maht ja eriaktiivsus õhus, vees, toidus, ehitus- ja muudes materjalides standarditud.

Kuna teatud aja jooksul saab inimest kiiritada mitmel viisil (alates radionukliidide sattumisest kehasse kuni väliskiirguseni), on kõik kokkupuutetegurid seotud kindla väärtusega, mida nimetatakse kiirgusdoosiks.

Aatomituuma koostis ja omadused.

Lihtsaima aatomi - vesinikuaatomi - tuum koosneb ühest elementaarosakesest, mida nimetatakse prootoniks. Kõigi teiste aatomite tuumad koosnevad kahte tüüpi elementaarosakestest – prootonitest ja neutronitest. Neid osakesi nimetatakse nukleoniteks.

Prooton . Prootonil (p) on laeng +e ja mass

mp = 938,28 MeV

Võrdluseks näitame, et elektroni mass on võrdne

m e = 0,511 MeV

Võrdlusest järeldub, et m p = 1836m e

Prootoni spinn on võrdne poolega (s= ) ja oma magnetmoment

Magnetmomendi ühik, mida nimetatakse tuumamagnetoniks. Prootonite ja elektronide masside võrdlusest järeldub, et μ i on 1836 korda väiksem kui Bohri magneton μ b. Järelikult on prootoni sisemine magnetmoment ligikaudu 660 korda väiksem kui elektroni magnetmoment.

Neutron . Neutroni (n) avastas 1932. aastal inglise füüsik

D. Chadwick. Selle osakese elektrilaeng on null ja mass

m n = 939,57 MeV

väga lähedal prootoni massile. Neutronite ja prootonite masside erinevus (m n – m p)

on 1,3 MeV, st. 2,5 mina.

Neutroni spinn on võrdne poolega (s= ) ja (hoolimata elektrilaengu puudumisest) oma magnetmoment

μ n = - 1,91 μ i

(miinusmärk näitab, et sisemiste mehaaniliste ja magnetiliste momentide suunad on vastupidised). Selle hämmastava fakti selgitus antakse hiljem.

Pange tähele, et μ p ja μ n eksperimentaalsete väärtuste suhe suure täpsusega on võrdne - 3/2. Seda märgati alles pärast seda, kui selline väärtus oli teoreetiliselt saadud.

Vabas olekus on neutron ebastabiilne (radioaktiivne) - see laguneb spontaanselt, muutudes prootoniks ja eraldades elektroni (e -) ja teise osakese, mida nimetatakse antineutriinoks.
. Poolväärtusaeg (st aeg, mis kulub poole esialgsest neutronite arvust lagunemiseks) on ligikaudu 12 minutit. Lagunemisskeemi saab kirjutada järgmiselt:

Antineutriino ülejäänud mass on null. Neutroni mass on prootoni massist 2,5 m e võrra suurem. Järelikult ületab neutroni mass võrrandi paremal küljel esinevate osakeste kogumassi 1,5 m e võrra, s.o. 0,77 MeV võrra. See energia vabaneb neutroni lagunemisel tekkivate osakeste kineetilise energia kujul.

Aatomituuma omadused . Aatomituuma üks olulisemaid omadusi on laenguarv Z. See võrdub tuuma moodustavate prootonite arvuga ja määrab selle laengu, mis on võrdne + Z e . Arv Z määrab keemilise elemendi järjekorranumbri Mendelejevi perioodilisustabelis. Seetõttu nimetatakse seda ka tuuma aatomnumbriks.

Nukleonite arv (st prootonite ja neutronite koguarv) tuumas on tähistatud tähega A ja seda nimetatakse tuuma massinumbriks. Neutronite arv tuumas on N=A–Z.

Sümbol, mida kasutatakse tuumade tähistamiseks

kus X on elemendi keemiline sümbol. Vasakus ülanurgas on massiarv, all vasakul aatomnumber (viimane ikoon jäetakse sageli välja). Mõnikord kirjutatakse massiarv keemilise elemendi sümbolist mitte vasakule, vaid paremale

Nimetatakse tuumasid, millel on sama Z, kuid erinev A isotoobid. Enamikul keemilistel elementidel on mitu stabiilset isotoopi. Näiteks hapnikul on kolm stabiilset isotoopi:

, tinal on kümme jne.

Vesinikul on kolm isotoopi:

- tavaline vesinik või protium (Z=1, N=0),

– raske vesinik või deuteerium (Z=1, N=1),

– triitium (Z=1, N=2).

Protium ja deuteerium on stabiilsed, triitium on radioaktiivne.

Nimetatakse tuumasid, millel on sama massiarv A isobaarid. Näide on
ja
. Nimetatakse tuumasid, millel on sama arv neutroneid N = A – Z isotonid (
,
Lõpuks on radioaktiivsed tuumad, millel on samad Z ja A ning mille poolestusaeg on erinev. Neid kutsutakse isomeerid. Näiteks on tuumal kaks isomeeri
, ühel neist on poolväärtusaeg 18 minutit, teine ​​- 4,4 tundi.

Tuntud on umbes 1500 tuuma, mis erinevad kas Z või A või mõlema poolest. Ligikaudu 1/5 nendest tuumadest on stabiilsed, ülejäänud on radioaktiivsed. Paljud tuumad saadi kunstlikult, kasutades tuumareaktsioone.

Looduses leidub elemente aatomnumbriga Z 1 kuni 92, välja arvatud tehneetsium (Tc, Z = 43) ja promeetium (Pm, Z = 61). Plutooniumi (Pu, Z = 94) leiti pärast kunstlikku saamist looduslikus mineraali-vaigusegus tühised kogused. Ülejäänud transuraani (st transuraani) elemendid (cZ 93 kuni 107) saadi kunstlikult erinevate tuumareaktsioonide kaudu.

Transuraani elemendid kuurium (96 cm), einsteinium (99 Es), fermium (100 Fm) ja mendeleevium (101 Md) nimetati silmapaistvate teadlaste II auks. ja M. Curie, A. Einstein, Z. Fermi ja D.I. Mendelejev. Lawrencium (103 Lw) on oma nime saanud tsüklotroni leiutaja E. Lawrence'i järgi. Kurchatovy (104 Ku) sai oma nime silmapaistva füüsiku I. V. auks. Kurtšatov.

Mõned transuraanielemendid, sealhulgas kurchatovium ning elemendid 106 ja 107, saadi Dubnas asuva Tuumauuringute Ühisinstituudi tuumareaktsioonide laborist.

N.N. Flerov ja tema kaaskond.

Südamiku suurused . Esimeses lähenduses võib tuuma pidada sfääriks, mille raadius on valemiga üsna täpselt määratud

(fermi on tuumafüüsikas kasutatava pikkuseühiku nimi, mis on võrdne

10-13 cm). Valemist järeldub, et tuuma ruumala on võrdeline tuumas olevate nukleonide arvuga. Seega on aine tihedus kõigis tuumades ligikaudu sama.

Tuuma pöörlemine . Nukleonite spinnid liidetakse kokku saadud tuuma spinniga. Nukleoni spin on 1/2. Seetõttu on tuumaspinni kvantarv paaritu arvu nukleonide A korral pooltäisarv ja paarisarvulise A korral täisarv või null. Tuumade J spinnid ei ületa paari ühikut. See näitab, et enamiku tuumas olevate nukleonide spinnid tühistavad üksteist, olles paralleelsed. Kõik paaris-paaris tuumad (st paarisarvu prootonite ja paarisarv neutroneid sisaldav tuum) on nulli spinniga.

Tuuma mehaaniline moment M J liidetakse elektronkihi momendile
aatomi summaarses nurkimpulsis M F, mis on määratud kvantarvuga F.

Elektronide ja tuuma magnetmomentide vastastikmõju viib selleni, et erinevatele vastastikustele orientatsioonidele vastavad aatomi olekud M J ja
(st erinevad F) on veidi erineva energiaga. Momentide μ L ja μ S vastastikmõju määrab spektrite peenstruktuuri. Interaktsioonμ J ja määratakse aatomispektrite hüperpeenstruktuur. Hüperpeenstruktuurile vastavate spektrijoonte lõhenemine on nii väike (suurusjärgus mõni sajandik angströmi), et seda saab jälgida vaid kõrgeima lahutusvõimega instrumentidega.

Kas aatomituum on jagatav? Ja kui jah, siis millistest osakestest see koosneb? Paljud füüsikud on püüdnud sellele küsimusele vastata.

1909. aastal viisid Briti füüsik Ernest Rutherford koos saksa füüsiku Hans Geigeri ja Uus-Meremaa füüsiku Ernst Marsdeniga läbi oma kuulsa α-osakeste hajumise katse, mille tulemusena jõuti järeldusele, et aatom ei ole jagamatu osake. kõik. See koosneb positiivselt laetud tuumast ja selle ümber tiirlevatest elektronidest. Veelgi enam, hoolimata asjaolust, et tuuma suurus on umbes 10 000 korda suurem väiksem suurus aatom ise, see sisaldab 99,9% aatomi massist.

Aga mis on aatomi tuum? Millised osakesed selles on? Nüüd teame, et mis tahes elemendi tuum koosneb prootonid ja neutronid, mille üldnimetus on nukleonid. Ja 20. sajandi alguses, pärast aatomi planetaarse ehk tuumamudeli ilmumist, oli see paljude teadlaste jaoks mõistatus. On püstitatud erinevaid hüpoteese ja pakutud välja erinevaid mudeleid. Kuid õige vastuse sellele küsimusele andis taas Rutherford.

Prootoni avastamine

Rutherfordi kogemus

Vesinikuaatomi tuum on vesinikuaatom, millest on eemaldatud tema üksik elektron.

1913. aastaks oli välja arvutatud vesinikuaatomi tuuma mass ja laeng. Lisaks sai teatavaks, et mis tahes keemilise elemendi aatomi mass jagatakse alati ilma jäägita vesinikuaatomi massiga. See asjaolu viis Rutherfordi ideeni, et vesinikuaatomite tuumad sisenevad igasse tuuma. Ja tal õnnestus seda 1919. aastal eksperimentaalselt tõestada.

Oma katses asetas Rutherford α-osakeste allika kambrisse, milles tekkis vaakum. Kambri akent katva fooliumi paksus oli selline, et α-osakesed ei pääsenud välja. Kambri aknast väljas oli tsinksulfiidiga kaetud ekraan.

Kui kamber täitus lämmastikuga, registreeriti ekraanile valgussähvatusi. See tähendas, et α-osakeste mõjul löödi lämmastikust välja mõned uued osakesed, mis tungisid kergesti α-osakeste jaoks läbitungimatust fooliumist. Selgus, et tundmatute osakeste positiivne laeng on suuruselt võrdne elektroni laenguga ja nende mass on võrdne vesinikuaatomi tuuma massiga. Rutherford nimetas neid osakesi prootonid.

Kuid peagi sai selgeks, et aatomite tuumad ei koosne ainult prootonitest. Lõppude lõpuks, kui see nii oleks, oleks aatomi mass võrdne tuumas olevate prootonite masside summaga ja tuuma laengu ja massi suhe oleks konstantne väärtus. Tegelikult kehtib see ainult kõige lihtsama vesinikuaatomi kohta. Teiste elementide aatomites on kõik teisiti. Näiteks berülliumi aatomi tuumas on prootonite masside summa 4 ühikut ja tuuma enda mass on 9 ühikut. See tähendab, et selles tuumas on teisi osakesi, mille mass on 5 ühikut, kuid millel puudub laeng.

Neutroni avastamine

1930. aastal avastasid Saksa füüsik Walter Bothe Bothe ja Hans Becker eksperimendi käigus, et berülliumi aatomite α-osakestega pommitamisel tekkival kiirgusel on tohutu läbitungiv jõud. 2 aasta pärast avastas Rutherfordi õpilane inglise füüsik James Chadwick, et isegi 20 cm paksune pliiplaat, mis on asetatud selle tundmatu kiirguse teele, ei nõrgenda ega võimenda seda. Selgus, et elektromagnetväli ei avalda eralduvatele osakestele mingit mõju. See tähendas, et neil polnud tasu. Nii avastati veel üks osake, mis on osa tuumast. Nad kutsusid teda neutron. Neutroni mass osutus võrdseks prootoni massiga.

Tuuma prooton-neutroniteooria

Pärast neutroni eksperimentaalset avastamist pakkusid vene teadlane D. D. Ivanenko ja saksa füüsik W. Heisenberg iseseisvalt välja tuuma prooton-neutroniteooria, mis andis tuuma koostisele teadusliku põhjenduse. Selle teooria kohaselt koosneb mis tahes keemilise elemendi tuum prootonitest ja neutronitest. Nende üldnimetus on nukleonid.

Nukleonide koguarv tuumas on tähistatud tähega A. Kui prootonite arv tuumas on tähistatud tähega Z ja neutronite arv tähe järgi N, siis saame väljendi:

A=Z+N

Seda võrrandit nimetatakse Ivanenko-Heisenbergi võrrand.

Kuna aatomi tuuma laeng võrdub selles olevate prootonite arvuga, siis Z nimetatud ka laengu number. Laengu number ehk aatomnumber ühtib selle seerianumbriga Mendelejevi perioodilises elementide süsteemis.

Looduses on elemente Keemilised omadused mis on täpselt samad, kuid massinumbrid on erinevad. Selliseid elemente nimetatakse isotoobid. Isotoopides on sama palju prootoneid ja erinev summa neutronid.

Näiteks vesinikul on kolm isotoopi. Kõigi nende seerianumber on 1 ja neutronite arv tuumas on nende jaoks erinev. Niisiis, vesiniku lihtsaima isotoobi protiumi massiarv on 1, tuumas on 1 prooton ja mitte ükski neutron. See on kõige lihtsam keemiline element.

Aatom on väikseim osake keemiline element, mis säilitab kõik oma keemilised omadused. Aatom koosneb positiivselt laetud tuumast ja negatiivselt laetud elektronidest. Mis tahes keemilise elemendi tuuma laeng võrdub Z korrutisega e-ga, kus Z on selle elemendi järjekorranumber keemiliste elementide perioodilises süsteemis, e on elementaarelektrilaengu väärtus.

elektron- see on aine väikseim negatiivse elektrilaenguga osake e=1,6·10 -19 kuloni, võetuna elementaarelektrilaenguna. Tuuma ümber pöörlevad elektronid paiknevad elektronkihtidel K, L, M jne. K on tuumale lähim kest. Aatomi suuruse määrab selle elektronkihi suurus. Aatom võib kaotada elektrone ja muutuda positiivseks iooniks või saada elektrone ja saada negatiivne ioon. Iooni laeng määrab kaotatud või saadud elektronide arvu. Neutraalse aatomi laetud iooniks muutmise protsessi nimetatakse ionisatsiooniks.

aatomituum(aatomi keskosa) koosneb elementaarsetest tuumaosakestest – prootonitest ja neutronitest. Tuuma raadius on umbes sada tuhat korda väiksem kui aatomi raadius. Aatomituuma tihedus on äärmiselt kõrge. Prootonid- Need on stabiilsed elementaarosakesed, millel on ühik positiivne elektrilaeng ja mass, mis on 1836 korda suurem kui elektroni mass. Prooton on kõige kergema elemendi, vesiniku tuum. Prootonite arv tuumas on Z. Neutron on neutraalne (ilma elektrilaenguta) elementaarosake, mille mass on väga lähedane prootoni massile. Kuna tuuma mass on prootonite ja neutronite masside summa, siis on neutronite arv aatomi tuumas A - Z, kus A on antud isotoobi massiarv (vt.). Prootoneid ja neutroneid, mis moodustavad tuuma, nimetatakse nukleoniteks. Tuumas on nukleonid seotud spetsiaalsete tuumajõududega.

Aatomituumas on tohutu energiavaru, mis vabaneb tuumareaktsioonide käigus. Tuumareaktsioonid tekivad siis, kui aatomituumad interakteeruvad elementaarosakeste või teiste elementide tuumadega. Tuumareaktsioonide tulemusena tekivad uued tuumad. Näiteks neutron võib muutuda prootoniks. Sel juhul paiskub tuumast välja beetaosake, st elektron.

Üleminek prootoni tuumas neutroniks saab toimuda kahel viisil: kas elektroni massiga, kuid positiivse laenguga osake, mida nimetatakse positroniks (positroni lagunemine), emiteeritakse tuum ehk tuum püüab kinni ühe lähimast K-kestast elektronidest (K -püüdmine).

Mõnikord on moodustunud tuumal energia ülejääk (see on ergastatud olekus) ja normaalsesse olekusse minnes vabastab liigse energia vormis. elektromagnetiline kiirgus väga lühikese lainepikkusega. Tuumareaktsioonides vabanev energia kasutatakse praktiliselt ära erinevatest tööstusharudest tööstusele.

Aatom (kreeka keeles atomos – jagamatu) on keemilise elemendi väikseim osake, millel on oma keemilised omadused. Iga element koosneb teatud tüüpi aatomitest. Aatomi struktuur sisaldab positiivset elektrilaengut kandvat tuuma ja negatiivselt laetud elektrone (vt), mis moodustavad selle elektroonilised kestad. Tuuma elektrilaengu väärtus võrdub Z-e, kus e on elementaarelektrilaeng, mis on suuruselt võrdne elektroni laenguga (4,8 10 -10 e.-st. ühikut) ja Z on aatomarv selle elemendi keemiliste elementide perioodilises süsteemis (vt .). Kuna ioniseerimata aatom on neutraalne, on ka temas sisalduvate elektronide arv võrdne Z-ga. Tuuma (vt. Aatomituum) koostis sisaldab nukleone, elementaarosakesi massiga ligikaudu 1840 korda suurem kui aatomi mass. elektron (võrdub 9,1 10 - 28 g), prootonid (vt), positiivselt laetud ja laenguta neutronid (vt). Nukleonide arvu tuumas nimetatakse massiarvuks ja seda tähistatakse tähega A. Prootonite arv tuumas, mis võrdub Z-ga, määrab aatomisse sisenevate elektronide arvu, elektronkestade struktuuri ja kemikaali. aatomi omadused. Neutronite arv tuumas on A-Z. Isotoope nimetatakse sama elemendi sortideks, mille aatomid erinevad üksteisest massiarvult A, kuid neil on sama Z. Seega on ühe elemendi erinevate isotoopide aatomite tuumades erinev arv neutroneid. sama number prootonid. Isotoopide tähistamisel kirjutatakse elemendi tähise ülaossa massiarv A ja alla aatomnumber; Näiteks tähistatakse hapniku isotoope:

Aatomi mõõtmed on määratud elektronkihtide mõõtmetega ja kõigi Z puhul on see umbes 10 -8 cm. Kuna aatomi kõigi elektronide mass on mitu tuhat korda väiksem tuuma massist, siis on ka aatomi mass. aatom on võrdeline massiarvuga. Antud isotoobi aatomi suhteline mass määratakse süsiniku isotoobi C 12 aatomi massi suhtes, võttes 12 ühikut, ja seda nimetatakse isotoobi massiks. Selgub, et see on lähedane vastava isotoobi massinumbrile. Keemilise elemendi aatomi suhteline kaal on isotoobi massi keskmine (arvestades antud elemendi isotoopide suhtelist arvukust) väärtus ja seda nimetatakse aatommassiks (massiks).

Aatom on mikroskoopiline süsteem, mille ehitust ja omadusi saab selgitada vaid peamiselt 20. sajandi 20. aastatel loodud kvantteooria abil, mis on mõeldud nähtuste kirjeldamiseks aatomiskaalal. Katsed on näidanud, et mikroosakestel – elektronidel, prootonitel, aatomitel jne – on lisaks korpuskulaarsetele lainelised omadused, mis avalduvad difraktsioonis ja interferentsis. Kvantteoorias kasutatakse mikroobjektide oleku kirjeldamiseks teatud lainevälja, mida iseloomustab lainefunktsioon (Ψ-funktsioon). See funktsioon määrab ära mikroobjekti võimalike olekute tõenäosused, st iseloomustab selle ühe või teise omaduse võimalikke avaldumisvõimalusi. Funktsiooni Ψ ruumis ja ajas varieerumisseadus (Schrödingeri võrrand), mis võimaldab seda funktsiooni leida, mängib kvantteoorias sama rolli nagu Newtoni liikumisseadused klassikalises mehaanikas. Schrödingeri võrrandi lahendus viib paljudel juhtudel süsteemi diskreetsete võimalike olekuteni. Nii näiteks saadakse aatomi puhul elektronide lainefunktsioonide jada, mis vastab erinevatele (kvanteeritud) energiaväärtustele. Aatomi energiatasemete süsteem, mis on arvutatud kvantteooria meetoditega, on saanud spektroskoopias hiilgava kinnituse. Aatomi üleminek madalaimale vastavast põhiolekust energia tase E 0, igas ergastatud olekus E i tekib siis, kui teatud osa energiast E i - E 0 neeldub. Ergastatud aatom läheb vähem ergastatud või põhiolekusse, tavaliselt koos footoni emissiooniga. Sel juhul on footoni energia hv võrdne aatomi energiate vahega kahes olekus: hv= E i - E k kus h Plancki konstant (6,62·10 -27 erg·sek), v on sagedus valgusest.

Lisaks aatomispektritele on kvantteooria võimaldanud selgitada aatomite muid omadusi. Eelkõige selgitati valentsust, keemilise sideme olemust ja molekulide ehitust ning loodi elementide perioodilise süsteemi teooria.