20. yüzyılın 20'li yıllarında fizikçilerin, 1911'de Rutherford tarafından keşfedilen atom çekirdeğinin yapısının karmaşıklığı konusunda artık hiçbir şüphesi yoktu. Bu gerçek, o zamana kadar gerçekleştirilen çok sayıda farklı deneyle gösterilmiştir:
- radyoaktivite olgusunun keşfi,
- Atomun nükleer modelinin deneysel kanıtı,
- bir elektron, bir α parçacığı ve bir hidrojen atomunun çekirdeği olan bir H parçacığı için e m oranının ölçümü,
- yapay radyoaktivite ve nükleer reaksiyonların keşfi,
- atom çekirdeğinin ve diğerlerinin yüklerinin ölçümü.
Atom çekirdeği hangi parçacıklardan oluşur? Günümüzde çeşitli elementlerin atomlarının çekirdeklerinin nötron ve proton olmak üzere iki tür parçacıktan oluştuğu bir gerçektir. Bu parçacıklardan ikincisi ise tek elektronunu kaybetmiş hidrojen atomudur. Böyle bir parçacık, J. Thomson'un 1907'deki deneylerinde zaten fark edilmişti. Bilim adamı onun em oranını ölçebildi.
Tanım 1
1919'da E. Rutherford, önemli sayıda elementin atom çekirdeğinin fisyon ürünlerinde hidrojen atom çekirdeğini keşfetti. Fizikçi bulunan parçacığa bir isim verdi proton. Herhangi bir atom çekirdeğinin proton içerdiğini öne sürdü.
Rutherford'un deneylerinin şeması Şekil 6'da gösterilmektedir. 5. 1.
Şekil 6. 5. 1. Rutherford'un nükleer fisyon ürünlerindeki protonların saptanmasına ilişkin deneylerinin şeması. K, radyoaktif a parçacıkları kaynağına sahip kurşun bir kaptır, F metal folyodur, E çinko sülfürle kaplanmış bir ekrandır, M bir mikroskoptur.
Rutherford'un cihazı, içinde bir konteynerin bulunduğu boşaltılmış bir odadan oluşuyordu. İLE kaynağın bulunduğu yer α -partiküller Şekilde şu şekilde gösterilen metal folyo F, kamera penceresini engelledi. Folyonun kalınlığı, içinden nüfuz etmesini önleyecek şekilde seçilmiştir. α -partiküller Pencerenin arkasında resim 6'da gösterilen çinko sülfürle kaplı bir ekran vardı. 5. 1 E olarak işaretlenmiştir. Mikroskop kullanma M Ekranda ağır yüklü parçacıkların çarptığı noktalarda ışık parlamalarını veya diğer adıyla sintilasyonları gözlemlemek mümkündü.
Oda düşük basınçlı nitrojenle doldurulurken ekranda ışık parlamaları tespit edildi. Bu olay, deneysel koşullar altında, akışı neredeyse tamamen engelleyen bilinmeyen parçacıklardan oluşan bir akışın nüfuz etme kabiliyetine sahip olduğu gerçeğine işaret etti. α - folyo parçacıkları F. E. Rutherford, ekranı kamera penceresinden defalarca uzaklaştırarak, gözlemlenen parçacıkların havadaki ortalama serbest yolunu ölçebildi. Elde edilen değerin yaklaşık olarak 28 cm'ye eşit olduğu ortaya çıktı; bu, daha önce J. Thomson tarafından gözlemlenen H parçacıklarının yol uzunluğunun tahminiyle örtüşüyordu.
Elektrik ve manyetik alanların nitrojen çekirdeğinden çıkan parçacıklar üzerindeki etkileri incelenerek, temel yüklerinin pozitifliği hakkında veriler elde edildi. Bu tür parçacıkların kütlesinin, hidrojen atomlarının çekirdeklerinin kütlesine eşdeğer olduğu da kanıtlanmıştır.
Daha sonra deney bir dizi başka gaz halindeki maddeyle gerçekleştirildi. Yapılan tüm benzer deneylerde, çekirdeklerinden α Parçacıklar H parçacıklarını veya protonları yok eder.
Modern ölçümlere göre, bir protonun pozitif yükü, e = 1,60217733 · 10 – 19 K l temel yüküne kesinlikle eşdeğerdir. Başka bir deyişle modül olarak elektronun negatif yüküne eşittir. Günümüzde bir proton ve bir elektronun yüklerinin eşitliği 10 – 22 doğrulukla doğrulanmıştır. Birbirinden önemli ölçüde farklı olan iki parçacığın yüklerinin böyle bir tesadüfi, samimi bir şaşkınlığa neden olur ve günümüze kadar modern fiziğin temel gizemlerinden biri olmaya devam etmektedir.
Tanım 2
Modern ölçümlere dayanarak proton kütlesinin m p = 1,67262 10 – 27 kg olduğunu söyleyebiliriz. Nükleer fizikte parçacıklara ait kütle genellikle bir karbon atomunun kütlesine eşit olan atomik kütle birimleri (a.m.u.) cinsinden ifade edilir. kütle numarası 12:
1 a. em = 1,66057 · 10 - 27 kg.
Buna göre m p = 1,007276 a. sabah
Çoğu zaman, bir parçacığın kütlesini ifade etmek, aşağıdaki formüle göre eşdeğer enerji değerleri kullanıldığında en uygunudur: E = m c 2. 1 e V = 1,60218 · 10 – 19 J olması nedeniyle enerji birimlerinde proton kütlesi 938,272331 Me V'ye eşittir.
Sonuç olarak, hızlı a parçacıklarının çarpma koşulları altında nitrojen çekirdeklerinin ve periyodik tablonun diğer elementlerinin bölünmesi olgusunu keşfeden Rutherford deneyi, atom çekirdeklerinin proton içerdiğini de gösterdi.
Protonların keşfinin bir sonucu olarak, bazı fizikçiler yeni parçacıkların yalnızca atom çekirdeğinin bir parçası olmadığını, aynı zamanda onun olası tek elementi olduğunu varsaymaya başladılar. Bununla birlikte, bir çekirdeğin yükünün kütlesine oranının, çekirdeklerin yalnızca proton içermesi durumunda olduğu gibi, farklı çekirdekler için sabit kalmaması nedeniyle, bu varsayımın savunulamaz olduğu kabul edildi. Daha ağır çekirdekler için bu oranın hafif olanlardan daha küçük olduğu ortaya çıkıyor; bundan, daha ağır çekirdeklere doğru hareket ederken çekirdeğin kütlesinin yükten daha hızlı arttığı sonucu çıkıyor.
1920'de E. Rutherford, bir elektron ve bir protondan oluşan belirli bir kompakt, sıkı bağlı çiftin çekirdeklerinde varlığı hakkında bir hipotez öne sürdü. Bilim insanının anlayışına göre bu paket, neredeyse bir protonun kütlesine eşdeğer bir kütleye sahip bir parçacık olarak elektriksel olarak nötr bir oluşumdu. Ayrıca bu varsayımsal parçacığa bir isim buldu; Rutherford ona nötron adını vermek istedi. Maalesef verilen fikir, güzelliğine rağmen yanlıştı. Elektronun çekirdeğin bir parçası olamayacağı bulundu. Belirsizlik ilişkisine dayalı kuantum mekaniği hesaplamaları, çekirdekte lokalize olan bir elektronun, yani R ≈ 10 – 13 cm büyüklüğündeki bir bölgenin, inanılmaz kinetik enerjiye sahip olması gerektiğini göstermektedir; bu, çekirdeklerin her biri için bağlanma enerjisinden kat kat daha büyük bir kinetik enerjiye sahiptir. parçacık.
Çekirdekte nötr yüklü bazı ağır parçacıkların varlığı fikri Rutherford için son derece çekiciydi. Bilim adamı hemen J. Chadwick liderliğindeki bir grup öğrenciye onu arama teklifiyle başvurdu. 12 yıl sonra, 1932'de Chadwick, berilyumun alfa parçacıklarıyla ışınlanması sırasında üretilen radyasyonun deneysel bir çalışmasını gerçekleştirdi. Bu süreçte, bu radyasyonun kütlesi neredeyse protonun kütlesine eşit olan nötr parçacıklardan oluşan bir akım olduğunu keşfetti. Böylece nötron keşfedildi. Şekil 6'da. 5. Şekil 2, nötronları tespit etmeye yönelik bir düzeneğin basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir.
Şekil 6. 5. 2. Nötronları tespit etmek için bir düzeneğin şeması.
Berilyumun radyoaktif polonyum tarafından yayılan alfa parçacıklarıyla bombalanması sürecinde, 10-20 santimetrelik bir kurşun tabakası şeklindeki bir bariyerden geçebilen güçlü nüfuz eden radyasyon ortaya çıkar. Bu radyasyon, Marie ve Pierre Curie'nin eşleri, kızları, Irene ve Frederic Joliot-Curie tarafından neredeyse Chadwick ile aynı zamanda keşfedildi, ancak bunların yüksek enerjili γ ışınları olduğunu öne sürdüler. Berilyum radyasyonunun yoluna bir parafin plakası yerleştirilirse, bu radyasyonun iyonlaşma yeteneğinin aniden arttığını fark ettiler. Çift, berilyum radyasyonunun, verilen hidrojen içeren maddede bulunan büyük miktarlardaki protonları parafinden yok ettiğini kanıtladı. Bilim adamları, protonların havadaki ortalama serbest yolunu kullanarak, çarpışma koşulları altında protonlara gerekli hızı verme yeteneğine sahip olan γ kuantumun enerjisini tahmin ettiler. Değerlendirme sonucunda elde edilen enerji değerinin çok büyük olduğu ortaya çıktı - yaklaşık 50 MeV.
1932'de J. Chadwick, berilyumun α parçacıklarıyla ışınlanmasıyla ortaya çıkan radyasyonun özelliklerinin kapsamlı bir şekilde incelenmesini amaçlayan bir dizi deney gerçekleştirdi. Chadwick, deneylerinde iyonlaştırıcı radyasyonu incelemek için çeşitli yöntemler kullandı.
Tanım 3
Şekil 6'da. 5. 2 resimli Geiger sayacı yüklü parçacıkları tespit etmek için kullanılan bir cihaz.
Bu cihaz, içi metal bir tabaka (katot) ile kaplanmış bir cam tüp ve tüpün ekseni boyunca uzanan ince bir iplikten (anot) oluşur. Tüp, düşük basınçta genellikle argon olan inert bir gazla doldurulur. Yüklü bir parçacık gaz içerisinde hareket ettiğinde moleküllerin iyonlaşmasına neden olur.
Tanım 4
İyonizasyondan kaynaklanan serbest elektronlar, anot ve katot arasındaki elektrik alanı tarafından darbeli iyonizasyon olgusunun başladığı enerjilere hızlandırılır. Bir iyon çığı belirir ve sayaçtan kısa bir deşarj akımı darbesi geçer.
Tanım 5
Parçacık araştırmaları için son derece önemli olan bir diğer araç ise bulut odası hızlı yüklü bir parçacığın bir iz bıraktığı veya aynı zamanda bir iz olarak da adlandırıldığı gibi.
Parçacığın yörüngesi doğrudan fotoğraflanabilir veya gözlemlenebilir. 1912'de oluşturulan Wilson odasının eyleminin temeli, yüklü bir parçacığın yörüngesi boyunca odanın çalışma hacminde oluşan iyonlar üzerinde aşırı doymuş buharın yoğunlaşması olgusudur. Bir bulut odası kullanarak, yüklü bir parçacığın yörüngesinin elektrik ve manyetik alanlardaki eğriliğini gözlemlemek mümkün hale gelir.
Kanıt 1
J. Chadwick, deneylerinde bir bulut odasında berilyum radyasyonuyla çarpışan nitrojen çekirdeklerinin izlerini gözlemledi. Bu deneylere dayanarak bilim adamı, deneyde gözlemlenen hızı nitrojen çekirdeklerine aktarabilen γ-kuantumun enerjisini tahmin etti. Ortaya çıkan değer 100 – 150 Me V idi. Berilyumun yaydığı γ kuantumu bu kadar büyük bir enerjiye sahip olamazdı. Bu gerçeğe dayanarak Chadwick, berilyumun α parçacıklarına maruz kalması durumunda yayılanın kütlesiz γ kuantası değil, ağır parçacıklar olduğu sonucuna vardı. Bu parçacıklar kayda değer bir nüfuz gücüne sahipti ve Geiger sayacındaki gazı doğrudan iyonize etmiyordu; dolayısıyla elektriksel olarak nötrdüler. Böylece Rutherford'un Chadwick'in deneylerinden 10 yıl önce tahmin ettiği nötronun varlığı kanıtlandı.
Tanım 6
Nötron temel bir parçacığı temsil eder. Rutherford'un başlangıçta varsaydığı gibi, onu kompakt bir proton-elektron çifti olarak temsil etmek yanlış olur.
Modern ölçümlerin sonuçlarına dayanarak nötron kütlesi m n = 1,67493 · 10 – 27 kg = 1,008665 a diyebiliriz. sabah
Enerji birimlerinde bir nötronun kütlesi 939,56563 MeV'ye eşdeğerdir. Bir nötronun kütlesi, bir protonun kütlesinden yaklaşık iki elektron kütlesi daha büyüktür.
Nötronun keşfinden hemen sonra Rus bilim adamı D. D. Ivanenko, Alman fizikçi W. Heisenberg ile birlikte atom çekirdeğinin proton-nötron yapısı hakkında daha sonraki araştırmalarla tamamen doğrulanan bir hipotez öne sürdü.
Tanım 7
Proton ve nötronlara genel olarak denir. nükleonlar.
Atom çekirdeğini karakterize etmek için bir dizi gösterim sunulmuştur.
Tanım 8
Atom çekirdeğini oluşturan protonların sayısı Z sembolü ile gösterilir ve denir. şarj numarası veya atom numarası(Bu, Mendeleev'in periyodik tablosundaki seri numarasıdır).
Çekirdeğin yükü Z e'ye eşittir, burada e temel yüktür. Nötron sayısı N sembolüyle gösterilir.
Tanım 9
Nükleonların (yani proton ve nötronların) toplam sayısına A çekirdeğinin kütle numarası denir:
izotopun tanımı
Kimyasal elementlerin çekirdekleri X Z A sembolü ile gösterilir; burada X, elementin kimyasal sembolüdür. Örneğin,
H 1 1 – hidrojen, He 2 4 – helyum, C 6 12 – karbon, O 8 16 – oksijen, U 92 238 – uranyum.
Tanım 10
Aynı kimyasal elementin çekirdeğindeki nötron sayısı farklı olabilir. Bu tür çekirdeklere denir izotoplar.
Çoğu kimyasal elementin birkaç izotopu vardır. Örneğin, hidrojende bunlardan üçü vardır: H11 - sıradan hidrojen, H12 - döteryum ve H13 - trityum. Karbonun 6 izotopu, oksijenin ise 3 izotopu vardır.
Doğal koşullardaki kimyasal elementler çoğunlukla izotopların bir karışımını temsil eder. İzotopların varlığı, Mendeleev'in periyodik tablosundaki doğal bir elementin atom kütlesinin değerini belirler. Yani örneğin doğal karbonun bağıl atom kütlesi 12.011'dir.
Metinde bir hata fark ederseniz, lütfen onu vurgulayın ve Ctrl+Enter tuşlarına basın.
Atom çekirdeği
Atom çekirdeği
Atom çekirdeği
- atomun neredeyse tüm kütlesinin ve tüm pozitif elektrik yükünün yoğunlaştığı merkezi ve çok kompakt kısmı. Elektronları pozitif yükünü telafi edecek miktarda Coulomb kuvvetleriyle kendisine yakın tutan çekirdek, nötr bir atom oluşturur. Çoğu çekirdek küresele yakın bir şekle ve ≈ 10-12 cm çapa sahiptir; bu, bir atomun çapından (10-8 cm) dört kat daha küçüktür. Çekirdekteki maddenin yoğunluğu yaklaşık 230 milyon ton/cm3'tür.
Atom çekirdeği, 1911 yılında, E. Rutherford başkanlığında Cambridge'de (İngiltere) gerçekleştirilen, alfa parçacıklarının ince altın ve platin folyolar tarafından saçılması üzerine bir dizi deney sonucunda keşfedildi.
1932 yılında J. Chadwick'in nötronu keşfetmesinden sonra çekirdeğin proton ve nötronlardan oluştuğu anlaşıldı.
(V. Heisenberg, D.D. Ivanenko, E. Majorana).
Çekirdek, 10 9 -10 10 cm/sn hızla hareket eden ve güçlü ve kısa menzilli karşılıklı çekim nükleer kuvvetleri tarafından tutulan, yoğun şekilde paketlenmiş proton ve nötronlardan oluşan bir sistemdir (etki alanları ≈ mesafelerle sınırlıdır). 10-13cm).
Protonlar ve nötronlar yaklaşık 10-13 cm büyüklüğündedir ve nükleon adı verilen tek bir parçacığın iki farklı durumu olarak kabul edilir. Çekirdeğin yarıçapı yaklaşık olarak R ≈ (1,0-1,1)·10 -13 A 1/3 cm formülüyle tahmin edilebilir; burada A, çekirdekteki nükleonların sayısıdır (proton ve nötronların toplam sayısı). Şek. Şekil 1, 28 proton ve 30 nötrondan oluşan bir nikel çekirdeğinin içindeki madde yoğunluğunun, merkeze olan uzaklığa (10 -13 cm'lik birimler halinde) bağlı olarak nasıl değiştiğini göstermektedir. çekirdeğin.
Nükleer etkileşim (bir çekirdekteki nükleonlar arasındaki etkileşim), nükleonların mezon alışverişi yapması nedeniyle meydana gelir. Bu etkileşim, nükleonları ve mezonları oluşturan kuarklar arasındaki daha temel güçlü etkileşimin bir tezahürüdür (aynı şekilde, moleküllerdeki kimyasal bağlanma kuvvetlerinin daha temel elektromanyetik kuvvetlerin bir tezahürü olması gibi).
Çekirdek dünyası çok çeşitlidir. Proton sayısı, nötron sayısı veya her ikisi bakımından birbirinden farklı olan yaklaşık 3000 çekirdek bilinmektedir.
Çoğu yapay olarak elde edilir.
Proton Z ve nötron sayısının farklı kombinasyonları, farklı atom çekirdeklerine karşılık gelir. Atom çekirdekleri, Z ve N sayılarında oldukça dar bir değişiklik aralığında bulunur (yani ömürleri t> 10 -23 s). Ayrıca, tüm atom çekirdekleri iki büyük gruba ayrılır - kararlı ve radyoaktif (kararsız). Kararlı çekirdekler, denklemle belirlenen kararlılık çizgisinin yakınında gruplandırılır.
|
Pirinç. 2. Atom çekirdeğinin NZ diyagramı. |
Şek. Şekil 2 atom çekirdeğinin NZ diyagramını göstermektedir. Siyah noktalar kararlı çekirdekleri gösterir. Kararlı çekirdeklerin bulunduğu bölgeye genellikle kararlılık vadisi denir. Kararlı çekirdeklerin sol tarafında protonlarla aşırı yüklenmiş çekirdekler (proton açısından zengin çekirdekler), sağda ise nötronlarla aşırı yüklenmiş çekirdekler (nötron açısından zengin çekirdekler) bulunur. Şu anda keşfedilen atom çekirdekleri renkli olarak vurgulanmıştır. Bunlardan yaklaşık 3,5 bin var. Toplamda 7-7,5 bin olması gerektiğine inanılıyor. Proton bakımından zengin çekirdekler (ahududu rengi) radyoaktiftir ve esas olarak β + bozunmaları sonucunda kararlı olanlara dönüşür; çekirdekte bulunan proton bir nötrona dönüşür. Nötronca zengin çekirdekler (mavi renk) de radyoaktiftir ve çekirdekteki bir nötronun protona dönüşmesiyle bozunumlar sonucunda kararlı hale gelir.
En ağır kararlı izotoplar kurşun (Z = 82) ve bizmuttur (Z = 83). Ağır çekirdekler, β + ve β - bozunma işlemleriyle birlikte, ana bozunma kanalları haline gelen α-bozunmasına (sarı) ve kendiliğinden fisyona da maruz kalır. Şekil 2'deki noktalı çizgi. Şekil 2 atom çekirdeğinin olası varlığının bölgesini özetlemektedir. B p = 0 çizgisi (B p, proton ayrılmasının enerjisidir) soldaki atom çekirdeklerinin varoluş bölgesini (proton damlama çizgisi) sınırlar. B çizgisi n = 0 (B n – nötron ayırma enerjisi) – sağda (nötron damlama çizgisi). Bu sınırların dışında atom çekirdekleri var olamaz çünkü karakteristik nükleer süre boyunca (~10 -23 – 10 -22 s) nükleon emisyonuyla bozunurlar.
İki hafif çekirdek birleştiğinde (sentez) ve ağır bir çekirdeği iki daha hafif parçaya böldüğünde, büyük miktarlarda enerji açığa çıkar. Enerji elde etmenin bu iki yöntemi bilinenlerin en etkili olanıdır. Yani 1 gram nükleer yakıt 10 ton kimyasal yakıta eşdeğerdir. Nükleer füzyon (termonükleer reaksiyonlar) yıldızların enerji kaynağıdır. Kontrolsüz (patlayıcı) füzyon, bir termonükleer (veya sözde "hidrojen") bombası patlatıldığında meydana gelir. Kontrollü (yavaş) füzyon, geliştirilmekte olan umut verici bir enerji kaynağının temelini oluşturuyor: termonükleer reaktör.
Kontrolsüz (patlayıcı) fisyon, atom bombası patladığında meydana gelir. Nükleer santrallerin enerji kaynağı olan nükleer reaktörlerde kontrollü fisyon gerçekleştirilmektedir.
Atom çekirdeğini teorik olarak tanımlamak için kuantum mekaniği ve çeşitli modeller kullanılmaktadır.
Çekirdek hem gaz (kuantum gazı) hem de sıvı (kuantum sıvısı) gibi davranabilir. Soğuk nükleer sıvı süperakışkan özelliklere sahiptir.
Yüksek derecede ısıtılmış bir çekirdekte, nükleonlar kendilerini oluşturan kuarklara bozunur.
Bu kuarklar gluon alışverişi yaparak etkileşirler. Bu bozunmanın bir sonucu olarak, çekirdeğin içindeki nükleonların toplanması, maddenin yeni bir durumuna, kuark-gluon plazmasına dönüşür. Bir atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve onu çevreleyen elektronlardan oluşur. Atom çekirdeğinin boyutları yaklaşık 10 -14 ... 10 -15 m'dir (bir atomun doğrusal boyutları 10 -10 m'dir). Atom çekirdeği temel parçacıklardan oluşur.
protonlar ve nötronlar. Çekirdeğin proton-nötron modeli Rus fizikçi D. D. Ivanenko tarafından önerildi ve daha sonra W. Heisenberg tarafından geliştirildi. Proton ( R ) elektron yüküne eşit bir pozitif yüke ve dinlenme kütlesine sahiptir =
T P 1,6726∙10 -27 kg 1836 M P 1,6726∙10 -27 kg 1836 e , Nerede-elektron kütlesi. Nötron ( P , Nerede N 
1839R 1,6726∙10 -27 kg 1836 ,.
) – dinlenme kütlesine sahip nötr parçacık 
= 1,6749∙10 -27 kg nükleonlar Proton ve nötronların kütlesi genellikle başka bir birimle ifade edilir - atomik kütle birimleri (amu, bir karbon atomunun kütlesinin 1/12'sine eşit bir kütle birimi) ). Proton ve nötronun kütleleri yaklaşık olarak bir atomik kütle birimidir. Proton ve nötronlara denir(lat. çekirdek).
çekirdek). Bir atom çekirdeğindeki nükleonların toplam sayısına kütle numarası denir A 1,4çekirdekİlişkiye uygun olarak kütle numarası arttıkça çekirdeklerin yarıçapları artar.
Deneyler çekirdeklerin keskin sınırlarının olmadığını göstermektedir. Çekirdeğin merkezinde belirli bir nükleer madde yoğunluğu vardır ve merkezden uzaklaştıkça bu yoğunluk giderek sıfıra düşer. Çekirdeğin açıkça tanımlanmış bir sınırının olmaması nedeniyle "yarıçapı", nükleer madde yoğunluğunun yarıya düştüğü merkezden uzaklık olarak tanımlanır. Çoğu çekirdek için ortalama madde yoğunluğu dağılımının küresel olmaktan çok daha fazlası olduğu ortaya çıktı. Çekirdeklerin çoğu deforme olmuştur. Çoğunlukla çekirdekler uzatılmış veya düzleştirilmiş elipsoidlerin şekline sahiptir.
Atom çekirdeği karakterize edilir şarjZe, Nerede Zşarj numarasıçekirdekteki proton sayısına eşit ve Mendeleev'in Periyodik Elementler Tablosundaki kimyasal elementin seri numarasına denk gelen çekirdek.
Çekirdek, nötr atomla aynı sembolle gösterilir: 
, Nerede X- kimyasal bir elementin sembolü, Zatom numarası (çekirdekteki proton sayısı), çekirdekkütle numarası (çekirdekteki nükleonların sayısı). Kütle numarası çekirdek Atomik kütle birimleri cinsinden çekirdeğin kütlesine yaklaşık olarak eşittir.
Atom nötr olduğundan çekirdeğin yükü Z atomdaki elektron sayısını belirler. Bir atomdaki durumlar arasındaki dağılımları elektron sayısına bağlıdır. Nükleer yük, belirli bir kimyasal elementin özelliklerini belirler, yani bir atomdaki elektron sayısını, elektron kabuklarının konfigürasyonunu, atom içi elektrik alanının büyüklüğünü ve doğasını belirler.
Aynı yük numarasına sahip çekirdekler Z fakat kütle numaraları farklı çekirdek(yani farklı sayıda nötronla N = A – Z), izotoplar olarak adlandırılır ve çekirdekler aynı A, ama farklı Z – izobarlar. Örneğin hidrojen ( Z= l)'nin üç izotopu vardır: N - protiyum ( Z= ben, N= 0),
N - döteryum ( Z= ben, N= 1),
N - trityum ( Z= ben, N= 2), kalay - on izotop vb. Vakaların büyük çoğunluğunda, aynı kimyasal elementin izotopları aynı kimyasal ve neredeyse aynı fiziksel özelliklere sahiptir.
e, MeV
Enerji seviyeleri
ve bor atom çekirdeği için gözlemlenen geçişler
Kuantum teorisi, çekirdeği oluşturan parçaların sahip olabileceği enerjileri katı bir şekilde sınırlar. Çekirdeklerdeki proton ve nötronların toplanması, yalnızca belirli bir izotopun karakteristik özelliği olan belirli ayrık enerji durumlarında olabilir.Elektron yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçtiğinde aradaki enerji farkı foton olarak yayılır. Bu fotonların enerjisi birkaç elektron volt mertebesindedir. Çekirdekler için seviye enerjileri yaklaşık 1 ila 10 MeV aralığındadır. Bu seviyeler arasındaki geçişler sırasında çok yüksek enerjili (γ kuantum) fotonlar yayılır. Bu tür geçişleri Şekil 2'de göstermek için. 6.1 nükleer enerjinin ilk beş seviyesini gösterir 
.Dikey çizgiler gözlemlenen geçişleri gösterir. Örneğin, bir çekirdek 3,58 MeV enerjili bir durumdan 2,15 MeV enerjili bir duruma geçtiğinde 1,43 MeV enerjili bir γ-kuantum yayılır.
Her şeyin iç yapısına ilişkin güvenilir verilerin ortaya çıkmasından çok önce, Yunan düşünürler maddeyi sürekli hareket halinde olan küçük ateşli parçacıklar biçiminde hayal ediyorlardı. Muhtemelen dünya düzenine ilişkin bu vizyon, tamamen mantıksal sonuçlardan türetilmiştir. Biraz saflığa ve bu ifadenin mutlak kanıt eksikliğine rağmen, bunun doğru olduğu ortaya çıktı. Her ne kadar bilim adamları bu cesur tahmini ancak yirmi üç yüzyıl sonra doğrulayabildiler.
Atomik yapı
19. yüzyılın sonlarında içinden akım geçen bir deşarj tüpünün özellikleri araştırıldı. Gözlemler bu durumda iki parçacık akışının yayıldığını göstermiştir:
Katot ışınlarının negatif parçacıklarına elektron adı verildi. Daha sonra birçok süreçte aynı yük/kütle oranına sahip parçacıklar keşfedildi. Elektronlar, çeşitli atomların evrensel bileşenleri gibi görünüyordu; iyonlar ve atomlar tarafından bombardımana tutulduğunda oldukça kolay bir şekilde ayrılıyordu.
Pozitif yük taşıyan parçacıklar, bir veya daha fazla elektron kaybettikten sonra atom parçaları olarak temsil edildi. Aslında pozitif ışınlar, negatif parçacıklardan yoksun olan ve dolayısıyla pozitif yüke sahip olan atom gruplarıydı.
Thompson modeli
Deneylere dayanarak pozitif ve negatif parçacıkların atomun özünü temsil ettiği ve onun bileşenleri olduğu bulundu. İngiliz bilim adamı J. Thomson teorisini önerdi. Ona göre, atomun ve atom çekirdeğinin yapısı, tıpkı kuru üzümlerin kek haline gelmesi gibi, negatif yüklerin pozitif yüklü bir top şeklinde sıkıştırıldığı bir tür kütleydi. Şarj dengelemesi "kek"i elektriksel olarak nötr hale getirdi.
Rutherford modeli
Alfa parçacıklarının geride bıraktığı izleri analiz eden genç Amerikalı bilim adamı Rutherford, Thompson'ın modelinin kusurlu olduğu sonucuna vardı. Bazı alfa parçacıkları küçük açılarla - 5-10 o - saptırıldı. Nadir durumlarda, alfa parçacıkları 60-80 o'luk geniş açılarda saptırıldı ve istisnai durumlarda açılar çok büyüktü - 120-150 o. Thompson'ın atom modeli aradaki farkı açıklayamadı.
Rutherford, atomun ve atom çekirdeğinin yapısını açıklayan yeni bir model önerir. Sürecin fiziği, bir atomun %99'unun boş olması gerektiğini, küçük bir çekirdeğin ve onun etrafında dönen, yörüngelerde hareket eden elektronların olması gerektiğini belirtir.
Çarpma sırasındaki sapmaları, atom parçacıklarının kendi elektrik yüklerine sahip olmasıyla açıklıyor. Yüklü parçacıkların bombardımanının etkisi altında, atomik elementler makrokozmosta sıradan yüklü cisimler gibi davranır: aynı yüke sahip parçacıklar birbirini iter ve zıt yüklere sahip olanlar çeker.
Atomların durumu
Geçen yüzyılın başında, ilk parçacık hızlandırıcılar piyasaya sürüldüğünde, atom çekirdeğinin ve atomun yapısını açıklayan tüm teoriler deneysel olarak doğrulanmayı bekliyordu. O zamana kadar alfa ve beta ışınlarının atomlarla etkileşimleri zaten kapsamlı bir şekilde araştırılmıştı. 1917 yılına kadar atomların ya kararlı ya da radyoaktif olduğuna inanılıyordu. Kararlı atomlar bölünemez ve radyoaktif çekirdeklerin bozunması kontrol edilemez. Ancak Rutherford bu görüşü çürütmeyi başardı.
İlk proton
1911'de E. Rutherford, tüm çekirdeklerin aynı elementlerden oluştuğu ve bunun temeli hidrojen atomu olduğu fikrini ortaya attı. Bilim adamı, maddenin yapısına ilişkin önceki çalışmalardan elde edilen önemli bir sonuçla bu fikre yöneldi: tüm kimyasal elementlerin kütleleri, hidrojen kütlesine kalan olmadan bölünür. Yeni varsayım, benzeri görülmemiş olasılıkların önünü açarak atom çekirdeğinin yapısını yeni bir şekilde görmemize olanak sağladı. Nükleer reaksiyonların yeni hipotezi doğrulaması veya çürütmesi gerekiyordu.
1919'da nitrojen atomlarıyla deneyler yapıldı. Rutherford onları alfa parçacıklarıyla bombalayarak şaşırtıcı bir sonuç elde etti.
N atomu bir alfa parçacığını emdi, ardından bir oksijen atomu O 17'ye dönüştü ve bir hidrojen çekirdeği yaydı. Bu, bir elementin atomunun diğerine ilk yapay dönüşümüydü. Böyle bir deneyim, atom çekirdeğinin yapısının ve mevcut süreçlerin fiziğinin başka nükleer dönüşümlerin gerçekleştirilmesini mümkün kılacağı umudunu verdi.
Bilim adamı deneylerinde sintilasyon flaş yöntemini kullandı. Parlamaların sıklığına dayanarak atom çekirdeğinin bileşimi ve yapısı, üretilen parçacıkların özellikleri, atom kütlesi ve atom numarası hakkında sonuçlar çıkardı. Bilinmeyen parçacığa Rutherford tarafından proton adı verildi. Tek bir elektrondan (tek bir pozitif yük ve buna karşılık gelen kütle) yoksun bir hidrojen atomunun tüm özelliklerine sahipti. Böylece proton ve hidrojen çekirdeğinin aynı parçacıklar olduğu kanıtlandı.
1930'da, ilk büyük hızlandırıcılar üretilip piyasaya sürüldüğünde, Rutherford'un atom modeli test edildi ve kanıtlandı: her hidrojen atomu, konumu belirlenemeyen yalnız bir elektron ve içinde yalnız bir pozitif proton bulunan gevşek bir atomdan oluşur. . Protonlar, elektronlar ve alfa parçacıkları bombardıman sırasında atomun dışına uçabildiği için bilim insanları bunların herhangi bir atom çekirdeğinin bileşenleri olduğunu düşündüler. Ancak çekirdeğin atomunun böyle bir modeli kararsız görünüyordu - elektronlar çekirdeğe sığamayacak kadar büyüktü, ayrıca momentum yasasının ihlali ve enerjinin korunumuyla ilgili ciddi zorluklar vardı. Bu iki yasa, katı muhasebeciler gibi, bombardıman sırasında momentum ve kütlenin bilinmeyen bir yönde kaybolduğunu söylüyordu. Bu yasalar genel kabul gördüğü için böyle bir sızıntıya açıklama bulmak gerekiyordu.
Nötronlar
Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, atom çekirdeğinin yeni bileşenlerini keşfetmeyi amaçlayan deneyler yaptılar. 1930'larda Alman fizikçiler Becker ve Bothe berilyum atomlarını alfa parçacıklarıyla bombaladılar. Aynı zamanda, G-ışınları olarak adlandırılmasına karar verilen bilinmeyen radyasyon da kaydedildi. Ayrıntılı çalışmalar, yeni ışınların bazı özelliklerini ortaya çıkardı: Kesinlikle düz bir çizgide yayılıyorlardı, elektrik ve manyetik alanlarla etkileşime girmiyorlardı ve yüksek nüfuz gücüne sahiplerdi. Daha sonra, bu tür radyasyonu oluşturan parçacıklar, alfa parçacıklarının diğer elementlerle (bor, krom ve diğerleri) etkileşimi sırasında bulundu.
Chadwick'in varsayımı
Daha sonra Rutherford'un meslektaşı ve öğrencisi James Chadwick, Nature dergisinde daha sonra genel olarak tanınan kısa bir mesaj verdi. Chadwick, yeni radyasyonun, her birinin kütlesi yaklaşık olarak bir protonun kütlesine eşit olan nötr parçacıklardan oluşan bir akım olduğunu varsayarsak, korunum yasalarındaki çelişkilerin kolayca çözülebileceğine dikkat çekti. Bu varsayımı dikkate alan fizikçiler, atom çekirdeğinin yapısını açıklayan hipotezi önemli ölçüde genişlettiler. Kısaca, eklemelerin özü yeni bir parçacığa ve onun atomun yapısındaki rolüne indirgenmiştir.
Nötronun özellikleri
Keşfedilen parçacığa “nötron” adı verildi. Yeni keşfedilen parçacıklar kendi etraflarında elektromanyetik alan oluşturmuyorlardı ve enerji kaybetmeden maddenin içinden kolaylıkla geçiyorlardı. Hafif atom çekirdekleriyle nadir çarpışmalarda, bir nötron, enerjisinin önemli bir bölümünü kaybederek çekirdeği atomun dışına çıkarabilir. Atom çekirdeğinin yapısı, her maddede farklı sayıda nötronun varlığını varsayıyordu. Çekirdek yükü aynı fakat nötron sayıları farklı olan atomlara izotop denir.
Nötronlar, alfa parçacıklarının yerini mükemmel bir şekilde aldı. Şu anda atom çekirdeğinin yapısını incelemek için kullanılıyorlar. Bunların bilim açısından önemini kısaca anlatmak imkansızdır, ancak atom çekirdeklerinin nötronlar tarafından bombardımanı sayesinde fizikçiler bilinen hemen hemen tüm elementlerin izotoplarını elde edebildiler.
Bir atom çekirdeğinin bileşimi
Şu anda atom çekirdeğinin yapısı, nükleer kuvvetler tarafından bir arada tutulan proton ve nötronların bir koleksiyonudur. Örneğin, bir helyum çekirdeği iki nötron ve iki protondan oluşan bir yığındır. Hafif elementler neredeyse eşit sayıda proton ve nötron içerirken, ağır elementler çok daha fazla sayıda nötron içerir.
Çekirdeğin yapısına ilişkin bu tablo, hızlı protonlara sahip modern büyük hızlandırıcılarda yapılan deneylerle doğrulanmaktadır. Protonların elektriksel itici kuvvetleri, yalnızca çekirdeğin kendisinde etkili olan nükleer kuvvetler tarafından dengelenir. Nükleer kuvvetlerin doğası henüz tam olarak araştırılmamış olsa da, bunların varlığı pratik olarak kanıtlanmıştır ve atom çekirdeğinin yapısını tamamen açıklamaktadır.
Kütle ve enerji arasındaki ilişki
1932'de Wilson'ın kamerası, elektron kütlesine sahip pozitif yüklü parçacıkların varlığını kanıtlayan muhteşem bir fotoğraf yakaladı.
Bundan önce pozitif elektronlar teorik olarak P. Dirac tarafından tahmin ediliyordu. Kozmik ışınlarda da gerçek bir pozitif elektron keşfedildi. Yeni parçacığa pozitron adı verildi. Çifti olan bir elektronla çarpıştığında, yok olma meydana gelir - iki parçacığın karşılıklı yok edilmesi. Bu belli miktarda enerji açığa çıkarır.
Böylece makrokozmos için geliştirilen teori, maddenin en küçük elementlerinin davranışlarını açıklamaya tamamen uygundu.
“Madde nelerden oluşur?”, “Maddenin doğası nedir?” soruları insanlığı her zaman meşgul etmiştir. Antik çağlardan beri filozoflar ve bilim adamları, hem gerçekçi hem de tamamen şaşırtıcı ve fantastik teoriler ve hipotezler yaratarak bu soruların yanıtlarını arıyorlar. Ancak kelimenin tam anlamıyla bir asır önce insanlık, maddenin atomik yapısını keşfederek bu gizemi çözmeye mümkün olduğunca yaklaştı. Peki bir atomun çekirdeğinin bileşimi nedir? Her şey neyden oluşur?
Teoriden gerçeğe
Yirminci yüzyılın başlarında atomun yapısı artık sadece bir hipotez değil, mutlak bir gerçekti. Bir atomun çekirdeğinin bileşiminin çok karmaşık bir kavram olduğu ortaya çıktı. Bileşimi şunları içerir Ancak şu soru ortaya çıktı: Atomun bileşimi bu yüklerden farklı sayıda içeriyor mu, içermiyor mu?
Gezegen modeli
Başlangıçta atomun güneş sistemimize çok benzer şekilde inşa edildiği düşünülüyordu. Ancak kısa sürede bu fikrin tamamen doğru olmadığı ortaya çıktı. Bir resmin astronomik ölçeğinin milimetrenin milyonda birini kaplayan bir alana tamamen mekanik olarak aktarılması sorunu, olgunun özelliklerinde ve niteliklerinde önemli ve dramatik bir değişikliğe yol açtı. Temel fark, atomun inşasında kullanılan çok daha katı yasa ve kurallardı.
Gezegen modelinin dezavantajları
Birincisi, aynı tür ve elementteki atomların parametre ve özellikleri bakımından tamamen aynı olması gerektiğine göre, bu atomların elektronlarının yörüngelerinin de aynı olması gerekir. Ancak astronomik cisimlerin hareket yasaları bu sorulara cevap veremiyordu. İkinci çelişki, eğer iyi çalışılmış fizik yasalarını ona uygularsak, bir elektronun yörüngesindeki hareketine mutlaka kalıcı bir enerji salınımının eşlik etmesi gerektiğidir. Sonuç olarak, bu süreç elektronun tükenmesine yol açacak ve elektron sonunda bozunacak ve hatta çekirdeğe düşecektir.
Annenin dalga yapısı Ve
1924'te genç aristokrat Louis de Broglie, bilim camiasının atom çekirdeğinin bileşimi gibi konulara ilişkin anlayışında devrim yaratan bir fikir ortaya attı. Buradaki fikir, elektronun sadece çekirdeğin etrafında dönen hareketli bir top olmadığıydı. Bu, dalgaların uzayda yayılmasını anımsatan yasalara göre hareket eden bulanık bir maddedir. Oldukça hızlı bir şekilde, bu fikir herhangi bir bedenin hareketini bir bütün olarak kapsayacak şekilde genişletildi ve bu hareketin yalnızca bir tarafını fark ettiğimizi, ancak ikincisinin aslında görünmediğini açıkladı. Dalgaların yayılımını görebiliriz ama bir parçacığın hareketini fark edemeyiz veya tam tersi. Aslında hareketin bu iki tarafı da her zaman mevcuttur ve bir elektronun yörüngedeki dönüşü yalnızca yükün hareketi değil, aynı zamanda dalgaların yayılmasıdır. Bu yaklaşım daha önce kabul edilen gezegen modelinden kökten farklıdır.
Temel temel
Atomun çekirdeği merkezdir. Elektronlar onun etrafında döner. Çekirdeğin özellikleri diğer her şeyi belirler. Atom çekirdeğinin bileşimi gibi bir kavramdan en önemli noktadan - yükten - bahsetmek gerekir. Atomun bileşiminde negatif yük taşıyan belirli elementler vardır. Çekirdeğin kendisi pozitif bir yüke sahiptir. Bundan belirli sonuçlar çıkarabiliriz:
- Çekirdek pozitif yüklü bir parçacıktır.
- Çekirdeğin çevresinde yüklerin yarattığı titreşen bir atmosfer var.
- Bir atomdaki elektron sayısını belirleyen çekirdek ve onun özellikleridir.
Çekirdek özellikleri
Bakır, cam, demir, tahta aynı elektronlara sahiptir. Bir atom birkaç elektronu, hatta hepsini kaybedebilir. Çekirdek pozitif yüklü kalırsa, diğer cisimlerden gerekli miktarda negatif yüklü parçacıkları çekebilir ve bu da onun hayatta kalmasını sağlar. Bir atom belirli sayıda elektronu kaybederse, çekirdekteki pozitif yük, geri kalan negatif yüklerden daha büyük olacaktır. Bu durumda atomun tamamı aşırı yük alacaktır ve buna pozitif iyon denilebilir. Bazı durumlarda bir atom daha fazla elektron çekebilir ve bu da onun negatif yüklü olmasına neden olabilir. Bu nedenle negatif iyon olarak adlandırılabilir.
Bir atomun ağırlığı ne kadardır? ?
Bir atomun kütlesi esas olarak çekirdek tarafından belirlenir. Atomu ve atom çekirdeğini oluşturan elektronların ağırlığı toplam kütlenin binde birinden azdır. Kütle, bir maddenin sahip olduğu enerji rezervinin bir ölçüsü olarak kabul edildiğinden, atom çekirdeğinin bileşimi gibi bir konuyu incelerken bu gerçeğin inanılmaz derecede önemli olduğu düşünülmektedir.
Radyoaktivite
En zor sorular, radyoaktif elementlerin alfa, beta ve gama dalgaları yaydığının keşfedilmesinden sonra ortaya çıktı. Ancak bu tür radyasyonun bir kaynağı olması gerekir. Rutherford 1902'de böyle bir kaynağın atomun kendisi, daha doğrusu çekirdek olduğunu gösterdi. Öte yandan radyoaktivite, yalnızca ışınların yayılması değil, aynı zamanda bir elementin tamamen yeni kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip bir başka elemente dönüşmesidir. Yani radyoaktivite çekirdekte meydana gelen bir değişikliktir.
Nükleer yapı hakkında ne biliyoruz?
Neredeyse yüz yıl önce fizikçi Prout, periyodik tablodaki elementlerin tutarsız formlar değil, kombinasyonlar olduğu fikrini ortaya attı. Bu nedenle çekirdeklerin hem yüklerinin hem de kütlelerinin bütün ve kütle cinsinden ifade edilmesi beklenebilir. hidrojenin birden fazla yükü. Ancak bu tamamen doğru değil. Fizikçi Aston, elektromanyetik alanları kullanarak atom çekirdeğinin özelliklerini inceleyerek, atom ağırlıkları tam ve katları olmayan elementlerin aslında tek bir madde değil, farklı atomların birleşimi olduğunu buldu. Atom ağırlığının tam sayı olmadığı tüm durumlarda farklı izotopların karışımını görüyoruz. Nedir? Bir atomun çekirdeğinin bileşiminden bahsedersek, izotoplar aynı yüklere sahip ancak farklı kütlelere sahip atomlardır.
Einstein ve atomun çekirdeği
Görelilik teorisi, kütlenin madde miktarını belirleyen bir ölçü değil, maddenin sahip olduğu enerjinin bir ölçüsü olduğunu söylüyor. Buna göre madde kütle ile değil, bu maddeyi oluşturan yük ve yükün enerjisi ile ölçülebilir. Aynı yük başka bir benzer yüke yaklaştığında enerji artacak, aksi takdirde azalacaktır. Bu kesinlikle maddenin değişmesi anlamına gelmez. Buna göre bu konumdan atomun çekirdeği bir enerji kaynağı değil, salınmasından sonraki bir kalıntıdır. Bu, bir çeşit çelişki olduğu anlamına gelir.
Nötronlar
Curie'ler berilyumu alfa parçacıklarıyla bombalarken, bir atomun çekirdeğiyle çarpıştığında onu muazzam bir kuvvetle iten bazı tuhaf ışınlar keşfettiler. Ancak çok kalın bir maddeden geçebilirler. Bu çelişki, bu parçacığın nötr bir elektrik yüküne sahip olduğunun ortaya çıkmasıyla çözüldü. Buna göre buna nötron adı verildi. Daha fazla araştırma sayesinde protonunkiyle neredeyse aynı olduğu ortaya çıktı. Genel olarak konuşursak, nötron ve proton inanılmaz derecede benzerdir. Bu keşif dikkate alındığında, bir atomun çekirdeğinin hem protonları hem de nötronları eşit miktarlarda içerdiğini tespit etmek kesinlikle mümkündü. Her şey yavaş yavaş yerine oturdu. Proton sayısı atom numarasıdır. Atom ağırlığı, nötron ve proton kütlelerinin toplamıdır. Bir izotop, nötron ve proton sayısının birbirine eşit olmadığı bir element olarak adlandırılabilir. Yukarıda tartışıldığı gibi böyle bir durumda element esas olarak aynı kalsa da özellikleri önemli ölçüde değişebilir.