هيكل نواة الذرة. هيكل ومبادئ التركيب الذري هيكل كيمياء النواة الذرية

ذرةهو أصغر جسيم من العنصر الكيميائي. تعتمد الخواص الكيميائية للعنصر على بنية الذرة، وخاصة قدرتها على الاتحاد مع ذرات العناصر الأخرى لتكوين جزيئات من مواد معقدة.

تتكون الذرة من نواة وإلكترونات تدور حولها في مدارات معينة. تحمل النواة الذرية شحنة كهربائية س= زي، أينز – الرقم التسلسلي لعنصر في الجدول الدوري، و ه- ما يسمى الشحنة الكهربائية الأوليةوالتي لا يمكن تقسيمها إلى أجزاء: ه= 1.6 · 10 -19 درجة مئوية (كولوم). شحنة الجسيم الأولي للإلكترون هي - ه، وعدد الإلكترونات في مدارات الذرة يساوي ز، وبالتالي فإن إجمالي رسومهم س ه = – زيتساوي في القيمة المطلقة شحنة النواة، ولكنها معاكسة في الإشارة، وبالتالي فإن الذرة ككل متعادلة كهربائيا.

أبعاد ذرات جميع العناصر متماثلة تقريبًا، ونصف قطرها حوالي ≈ 10 -8 سم.

1.1.2. هيكل وخصائص النواة الذرية

النواة الذرية- الجزء المركزي من الذرة، حيث تتركز كل كتلتها تقريبًا. تتكون النواة الذرية من جسيمات أولية - النيوكليونات، والتي لها نوعان يسمى البروتونات (ص) و النيوترونات (ن) . جميع الخصائص الرئيسية للبروتونات والنيوترونات - الأحجام والكتل وغيرها - هي نفسها تقريبًا، والفرق الرئيسي بينهما يكمن في الشحنة الكهربائية: شحنة البروتون هي + ه، وشحنة النيوترون صفر، أي. النيوترون محايد كهربائيا.

تحتوي النوى الذرية المختلفة على أعداد مختلفة من كل نوع من النيوكليونات. عدد البروتونات في النواة ز يتطابق مع العدد الذري للعنصر الكيميائي ويحدد الشحنة الكهربائية للنواة (انظر أعلاه). عدد النيوترونات ن ولا يؤثر على شحنة النواة، وبالتالي انتماء الذرة إلى عنصر أو آخر. ولذلك، فإن نوى ذرات نفس العنصر لها نفس الشيء ز ، ولكن قد يكون مختلفا ن. تسمى أصناف العنصر نفسه التي تحتوي على أعداد مختلفة من النيوترونات في نواتها النظائرعامي. نظرًا لأن كتل البروتونات والنيوترونات متساوية تقريبًا، يتم تحديد كتلة النواة بالتقريب الأول من خلال العدد الإجمالي لجميع النيوكليونات ن + ز = أ . ولذلك الرقم أمُسَمًّى عدد جماعي. عند الإشارة إلى النظائر، يشار إلى العدد الكتلي في أعلى يسار رمز العنصر الكيميائي. على سبيل المثال، نظائر الهيدروجين معروفة: الهيدروجين العادي، الذي تكون نواته بروتونًا وحيدًا - 1 H، والهيدروجين الثقيل (الديوتيريوم)، الذي يضاف في النواة نيوترون واحد إلى البروتون - 2 H، والهيدروجين فائق الثقل. (التريتيوم) 3H، وتتكون نواته من بروتون واحد ونيوترونين. يُشار أحيانًا إلى الديوتيريوم والتريتيوم بالرمزين D وT، على التوالي. جميع العناصر لها نظائر، وفي بعض الحالات يصل عددها إلى عشرين إلى ثلاثين. اليورانيوم الطبيعي ( ز= 92) هناك ثلاثة نظائر: 234 يو، 235 يو، 238 يو، وبالإضافة إلى ذلك، يتم الحصول على عدة نظائر أخرى بشكل مصطنع: 232 يو، 233 يو، 236 يو، 239 يو وغيرها. جميع نظائر عنصر واحد لها نفس الخصائص الكيميائية - فهي تخضع لنفس التفاعلات الكيميائية، وتشكل نفس المركبات الكيميائية، وما إلى ذلك، ولكن خصائصها النووية يمكن أن تختلف بشكل كبير. على سبيل المثال، تنشطر 235 نواة U بواسطة النيوترونات البطيئة، لكن 238 نواة U لا تنشطر (انظر أدناه).

النوى التي لها نفس العدد من جميع النيوكليونات، وبالتالي لها نفس العدد الكتلي أ،وتسمى خط تساوي الضغط الجويعامي، أي. حبات بنفس الوزن تقريبًا (من الكلمة اليونانية باروس - الوزن). الأيزوبارات هي، على سبيل المثال، النوى 3H و3He، أو 58 Fe و58 Ni. في بعض الأحيان يتم عزل النواة نظائرتحتوي على نفس العدد من النيوترونات والنوى نظائر، والتي سيتم مناقشتها بمزيد من التفصيل أدناه.

إمكانية مجموعات أرقام مختلفة زو ن يؤدي إلى احتمال وجود عدد هائل من أنواع النوى المختلفة. ولكل نوع من النوى معاني محددة زو ن مُسَمًّى نويدة. هناك حوالي 300 نويدات مختلفة في الطبيعة، ويمكن إنتاج أكثر من 2000 نويدات أخرى بشكل مصطنع.

تتنافر الشحنات الكهربائية للبروتونات التي تحمل الاسم نفسه وفقًا لقوانين الكهرباء الساكنة، وتحاول تمزيق النواة إلى أجزاء. ومع ذلك، فمن المعروف أن نوى العديد من النويدات هي كائنات متينة للغاية ويمكن أن توجد إلى الأبد تقريبًا دون أي تغييرات. تشير هذه الحقيقة إلى وجود بعض قوى الجذب القوية بين النيوكليونات في النواة، وهي أكبر بكثير من قوى التنافر الكهروستاتيكي. تسمى هذه القوى القوات النووية. تتمتع القوى النووية بعدد من الخصائص المحددة التي تميزها بشكل حاد عن جميع القوى الأخرى في الطبيعة. ويرتبط حجمها الكبير باحتياطيات الطاقة الهائلة الموجودة في النوى الذرية.

أبعاد النوى الذريةصغيرة للغاية - حوالي 10 - 12 سم، وهذا يعني أن النواة أصغر بـ 10000 مرة من الذرة نفسها. ولكن في هذه النوى يتركز أكثر من 99.9٪ من كتلة المادة بأكملها واحتياطيات الطاقة الهائلة. تظهر التجارب أن أنصاف أقطار جميع النوى تعتمد على عدد النيوكليونات في النواة ويتم التعبير عنها بصيغة بسيطة:

ص=1.4·10 -13 أ 1/3 سم.

الكتلة الأساسية.في البداية، نلاحظ أنه من المعتاد في الفيزياء النووية عدم التعامل مع كتل النوى، ولكن مع كتل الذرات، حيث يسهل قياسها، وإذا لزم الأمر، يمكن دائمًا العثور على كتلة النواة بسهولة وذلك بطرحها من كتلة الذرة مالكتلة الكلية للإلكترونات ZM ه، لأن ومن المعروف جيدا كتلة الإلكترون: م ه= 9.108·10 -28 جم للتعبير عن كتل الذرات في الفيزياء النووية تم اعتماد وحدة خاصة تسمى وحدة كتلة ذرية(amu) وتعرف بأنها جزء من اثني عشر من كتلة ذرة النظير الرئيسي للكربون 12 C. 1 amu = 1.66 10 -27 كجم = 1.66 10 -24 جم، ويعبر عنها بهذه الوحدات هي كتلة الذرة يسمى الكتلة الذرية م.تم اختيار وحدة الكتلة الذرية على وجه التحديد بحيث تتطابق الكتل الذرية، المقربة إلى أعداد صحيحة، مع الأعداد الذرية، أي. مع عدد النيوكليونات في النواة . على سبيل المثال:

م(1 ن) = 1.007825 وحدة الوحدة الإفريقية،

م(238 يو) = 238.05076 اتحاد المغرب العربي

يسمى الفرق بين الكتلة الذرية والعدد الكتلي إفراطأو التناقص الشامل: δ = م-أ.هذه هي الكميات التي يتم تقديمها عادة في الجداول، حتى لا تشوشها بأرقام غير ضرورية، ومعرفة النقصان، يمكنك دائمًا العثور على القيمة الدقيقة لكتلة الذرة م=أ +δ.

يتم قياس الكتل الذرية باستخدام أدوات خاصة أجهزة قياس الطيف الكتليو مطياف الكتلة,يعتمد مبدأ التشغيل على انحراف الحزم الأيونية في المجالات الكهربائية والمغناطيسية: كلما كان الأيون أثقل، قل انحرافه عند الطيران عبر هذه المجالات. ولذلك، يمكن استخدام حجم الانحراف لتحديد كتلة الأيون.

وتعتمد الطرق الفيزيائية المختلفة لفصلها أيضًا على الاختلاف في كتل ذرات النظائر المختلفة، نظرًا لأن الطرق الكيميائية لفصل المواد غير مناسبة تمامًا لفصل النظائر.

طاقة الربط النووية. يمكن التغلب على تأثير القوى النووية عن طريق إدخال كمية كافية من الطاقة إلى النواة. تسمى كمية الطاقة التي يجب إنفاقها لتفكيك النواة إلى نيوكليونات فردية طاقة الربط النووية. سيتم إطلاق نفس الكمية من الطاقة أثناء تكوين النواة من النيوكليونات الفردية، مما يترك النظام على شكل أشعة جاما منبعثة. يتم تحديد طاقة الربط لأي نيوكليون أو مجموعة من النيوكليونات بطريقة مماثلة، على سبيل المثال: طاقة الربط للنيوترون في النواة هي الطاقة التي يجب إنفاقها لإزالة نيوترون واحد من النواة.

طاقة ربط محددة للنيوكليونات في النواةفي . هذا هو الاسم الذي يطلق على جزء من إجمالي طاقة الارتباط للنواة التي تقع في المتوسط ​​لكل نيوكليون في النواة. ويترتب على هذا التعريف: ب = ه شارع. /أ. ضخامة فييعتمد على عدد النيوكليونات في النواة أ(الشكل 1): مع النمو أقيم فيفي البداية تزيد بشكل حاد، ثم بعد اجتياز الحد الأقصى السلس، فإنها تنخفض تدريجيا. علاوة على ذلك، فإن معظم النوى (ما عدا الأخف منها) لها قيم فيلا يختلف كثيرا عن 8 MeV. يشير شكل منحنى طاقة الربط المحدد في الشكل 1.1 إلى أن النوى ذات القيم المتوسطة هي الأكثر ارتباطًا بإحكام أ. لهذا السبب كيف عمليات انشطار النوى الثقيلة،هكذا و عمليات اندماج النوى الخفيفة،مما يؤدي إلى تكوين نوى ذات أعداد كتلية متوسطة "مواتية طاقيًا"، أي. يرافقه إطلاق طاقة هائلة.لذلك، تعتمد طريقتان معروفتان للحصول على الطاقة "النووية" على هذه العمليات - انشطار النوى الثقيلة واندماج النوى الخفيفة (النووية الحرارية)، على التوالي.

خلل جماعي.وفقا للنظرية النسبية فإن أي تغير في طاقة النظام يصاحبه تغير في كتلته: Δ ه =Δ آنسة 2 . نظرًا لأنه يتم إطلاق طاقة الربط أثناء تكوين النواة من النيوكليونات الفردية، وفقًا للعلاقة الأخيرة، فإن مثل هذه العملية يجب أن تؤدي إلى انخفاض في كتلة النظام. ولذلك فإن كتلة النواة تكون دائمًا أقل من مجموع كتل النيوكليونات الفردية التي تشكل النواة:

Δ م= زم ح + (أ - ي) م ن – م(أ,ي) .

الشكل 1.1. اعتماد طاقة الربط المحددة على عدد كتلة النويدة.

يسمى هذا الانخفاض في الكتلة أثناء تكوين النواة خلل جماعي(هنا م ح - كتلة ذرة الهيدروجين، م ن- كتلة النيوترونات، م(أ, ز) - كتلة الذرة المعنية.). ولنتذكر أنه على الرغم من ظهور كتل الذرات في هذا التعبير، فإن الذرة (أ, ز) يحتوي بالضبط على نفس عدد الإلكترونات زذرات الهيدروجين، وبالتالي يتم تقليل كتل الإلكترونات، ويعبر عيب الكتلة في الواقع عن الفرق في كتل النوكليونات الفردية والنواة المعنية.

ويترتب على ما سبق أن الخلل الكتلي يحدد طاقة الربط للنواة: هشارع. =Δ آنسة 2 . يمكن تبسيط هذا التعبير بشكل كبير إذا تم استخدام العلاقة ه= آنسة 2 أوجد كمية الطاقة المقابلة لوحدة الكتلة الذرية الواحدة: 1a.u.m = 931.5 MeV. ثم احسب القيمة Δ مبوحدات الكتلة الذرية، يمكنك بسهولة العثور على قيمة طاقة الربط بوحدة MeV: هالضوء (MeV) = 931.5·Δ م(أ.م).

يمكن أيضًا تبسيط التعبير عن عيب الكتلة من خلال التعبير عن جميع الكتل المضمنة فيه من خلال التناقصات المقابلة: م ح= 1 + δ(Н)، م ن = 1 + δ ن , م(أ, ز) = أ +δ( أ, ز) ، والتي بعد تقليل المصطلحات المشابهة تعطي:

Δ م= زδ(ح) + (أ - ي) δ ن – δ( أ، ض).

حالات الطاقة للنواة.تخضع النيوكليونات والنوى الذرية المكونة لها، مثل جميع الجسيمات الأولية الأخرى، لقوانين ميكانيكا الكم، التي تختلف في كثير من النواحي عن قوانين الفيزياء الكلاسيكية. على وجه الخصوص، يمكن للطاقة في العالم المصغر أن تتغير فقط في أجزاء معينة (الكمات)، وليس بشكل مستمر، كما هو الحال في الميكانيكا الكلاسيكية. وبناء على ذلك، لا يمكن أن تكون النواة إلا في حالات ذات قيم طاقة معينة، والحالات المتوسطة مستحيلة. عادة ما يتم الإشارة إلى هذه الحالات على المخططات بواسطة شرطات، والتي تسمى مستويات الطاقة(الشكل 1.2). يتم ترسيب الطاقة في مثل هذه الدوائر من الأسفل إلى الأعلى. تسمى الحالة ذات أقل طاقة ممكنة رئيسي، آخر - متحمس. عادة ما تكون جميع النوى في حالتها الأساسية، ولكن بعد أن تلقت جزءًا كافيًا من الطاقة، يمكنها الدخول في إحدى الحالات المثارة. طاقة ه أنا ، اللازمة لانتقال النواة إلى أنا- تتم الإشارة إلى الحالة على مخططات المستوى بجوار المستوى المقابل (يتم أخذ طاقة الحالة الأرضية على أنها 0). مرة واحدة أنا-المستوى العاشر، يمكن للنواة أن تذهب إلى أي ل-المستوى الرابع مع طاقة أقل. مع مثل هذا التحول، يتم إطلاق فرق الطاقة، والذي يتم حمله بعيدًا عن طريق كم جاما المتسرب من النواة: ه γ = ه أنا – ه ل. بعد عدة مثل هذه التحولات، ودعا تتالي، تعود النواة إلى حالتها الأرضية. يسمى الزمن الذي تكون فيه النواة في حالة مثارة حياةالمستوى المقابل ويتم تحديده بالحرف τ. بالنسبة للمستويات الأقل إثارة، تكون قيم τ عادة في حدود 10 -10 - 10 -12 ثانية، وبالنسبة للمستويات العليا - أقل من ذلك، في حدود 10 -15 - 10 -17 ثانية. ومع ذلك، فإن بعض النوى لديها مستويات مثارة ذات عمر طويل بشكل غير طبيعي من عدة ثوان إلى ملايين السنين. تسمى هذه المستويات طويلة العمر مستويات متبدلة الاستقراروالظاهرة برمتها - الايزومرية النووية.

الشكل 1.2. مخطط المستوى النووي

وبالإضافة إلى الطاقة، يتميز كل مستوى بعدد من الكميات، منها الزخم الزاوي. في ميكانيكا الكم، الزخم الزاوي هو الكمية ص=ћ√ أنا(أنا+1), أين أنا- ما يسمى عدد الكم الزخم الزاوي. منذ القيمة صيتم تحديده بشكل فريد من خلال العدد أنا، فعادة، عند الحديث عن الزخم الزاوي، يتم استدعاء هذا الرقم فقط. وفقًا لقوانين ميكانيكا الكم، فإن النوى التي تحتوي على عدد زوجي من النيوكليونات لها قيم أنايمكن أن تكون أعدادًا صحيحة فقط: 0، 1، 2، 3،.... وبالنسبة للنوى التي تحتوي على عدد فردي من النيوكليونات - نصف أعداد صحيحة فقط: 1/2، 3/2، 5/2، إلخ. كل مستوى متحمس له قيمة عددية خاصة به أنا، يتم تحديدها، كقاعدة عامة، تجريبيا. أعداد أناتؤثر بقوة على احتمال التحولات الأساسية بين المستويات: كلما زاد الفرق في القيم أنابين المستويين الأولي والنهائي Δ أنا= أنا أنا - أنا ككلما قل احتمال التحول.

كما تعلم، كل مادة في الكون تتكون من ذرات. الذرة هي أصغر وحدة في المادة تحمل خصائصها. وفي المقابل، يتكون هيكل الذرة من ثالوث سحري من الجسيمات الدقيقة: البروتونات والنيوترونات والإلكترونات.

علاوة على ذلك، فإن كل من الجسيمات الدقيقة عالمية. أي أنه لا يمكنك العثور على بروتونين أو نيوترونات أو إلكترونات مختلفين في العالم. كلهم متشابهون تمامًا مع بعضهم البعض. وسوف تعتمد خصائص الذرة فقط على التركيب الكمي لهذه الجسيمات الدقيقة في البنية الشاملة للذرة.

على سبيل المثال، يتكون هيكل ذرة الهيدروجين من بروتون واحد وإلكترون واحد. الذرة التالية الأكثر تعقيدًا هي الهيليوم، وتتكون من بروتونين ونيوترونين وإلكترونين. ذرة الليثيوم - تتكون من ثلاثة بروتونات وأربعة نيوترونات وثلاثة إلكترونات، إلخ.

التركيب الذري (من اليسار إلى اليمين): الهيدروجين، الهيليوم، الليثيوم

تتحد الذرات لتشكل الجزيئات، وتتحد الجزيئات لتشكل المواد والمعادن والكائنات الحية. إن جزيء الحمض النووي، الذي هو أساس كل الكائنات الحية، هو هيكل تم تجميعه من نفس الطوب السحري الثلاثة للكون مثل الحجر الملقى على الطريق. على الرغم من أن هذا الهيكل أكثر تعقيدًا.

يتم الكشف عن المزيد من الحقائق المدهشة عندما نحاول إلقاء نظرة فاحصة على نسب وبنية النظام الذري. من المعروف أن الذرة تتكون من نواة وإلكترونات تتحرك حولها في مسار يصف الكرة. أي أنه لا يمكن حتى تسميتها حركة بالمعنى المعتاد للكلمة. بل إن الإلكترون يتواجد في كل مكان وعلى الفور داخل هذه الكرة، مما يخلق سحابة إلكترونية حول النواة ويشكل مجالًا كهرومغناطيسيًا.

تمثيل تخطيطي لبنية الذرة

تتكون نواة الذرة من البروتونات والنيوترونات، وتتركز فيها كل كتلة النظام تقريبًا. ولكن في الوقت نفسه، فإن النواة نفسها صغيرة جدًا لدرجة أنه إذا تم زيادة نصف قطرها إلى مقياس 1 سم، فإن نصف قطر البنية الذرية بأكملها سيصل إلى مئات الأمتار. وبالتالي، فإن كل ما نعتبره مادة كثيفة يتكون من أكثر من 99% من الروابط النشطة بين الجسيمات الفيزيائية وحدها وأقل من 1% من الأشكال الفيزيائية نفسها.

ولكن ما هي هذه الأشكال المادية؟ مما هي مصنوعة، وما هي المواد التي هي؟ للإجابة على هذه الأسئلة، دعونا نلقي نظرة فاحصة على هياكل البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. لذلك، ننزل خطوة أخرى إلى أعماق العالم الصغير - إلى مستوى الجزيئات دون الذرية.

مما يتكون الإلكترون؟

أصغر جسيم للذرة هو الإلكترون. الإلكترون له كتلة ولكن ليس له حجم. في المفهوم العلمي، لا يتكون الإلكترون من أي شيء، بل هو نقطة لا هيكل لها.

ولا يمكن رؤية الإلكترون تحت المجهر. وهو مرئي فقط على شكل سحابة إلكترونية، تبدو وكأنها كرة ضبابية حول النواة الذرية. وفي الوقت نفسه، من المستحيل أن نقول بدقة مكان تواجد الإلكترون في لحظة ما. الأدوات ليست قادرة على التقاط الجسيم نفسه، ولكن فقط أثر الطاقة الخاص به. جوهر الإلكترون ليس جزءا لا يتجزأ من مفهوم المادة. إنه بالأحرى مثل شكل فارغ لا يوجد إلا في الحركة وبسبب الحركة.

لم يتم اكتشاف أي بنية في الإلكترون حتى الآن. وهو نفس الجسيم النقطي مثل كم الطاقة. في الواقع، الإلكترون عبارة عن طاقة، إلا أنه شكل أكثر استقرارًا منه من الشكل الذي تمثله فوتونات الضوء.

في الوقت الحالي، يعتبر الإلكترون غير قابل للتجزئة. وهذا أمر مفهوم، لأنه من المستحيل تقسيم شيء ليس له حجم. ومع ذلك، فإن النظرية لديها بالفعل تطورات مفادها أن الإلكترون يحتوي على ثالوث من أشباه الجسيمات مثل:

• Orbiton - يحتوي على معلومات حول الموقع المداري للإلكترون؛
• Spinon – المسؤول عن الدوران أو عزم الدوران؛
• حولون - يحمل معلومات عن شحنة الإلكترون.

ومع ذلك، كما نرى، فإن أشباه الجسيمات ليس لها أي شيء مشترك على الإطلاق مع المادة، وتحمل المعلومات فقط.

صور لذرات المواد المختلفة بالمجهر الإلكتروني

ومن المثير للاهتمام أن الإلكترون يمكنه امتصاص كمات الطاقة، مثل الضوء أو الحرارة. وفي هذه الحالة تنتقل الذرة إلى مستوى طاقة جديد، وتتوسع حدود السحابة الإلكترونية. ويحدث أيضًا أن الطاقة التي يمتصها الإلكترون كبيرة جدًا بحيث يمكنه القفز من النظام الذري ومواصلة حركته كجسيم مستقل. وفي الوقت نفسه، يتصرف مثل فوتون الضوء، أي يبدو أنه يتوقف عن كونه جسيمًا ويبدأ في إظهار خصائص الموجة. وقد ثبت هذا في التجربة.

تجربة يونغ

أثناء التجربة، تم توجيه تيار من الإلكترونات نحو شاشة بها شقان مقطوعان. وبمرور هذه الشقوق، اصطدمت الإلكترونات بسطح شاشة عرض أخرى، تاركة بصماتها عليها. ونتيجة لهذا "القصف" للإلكترونات، ظهر نمط تداخل على شاشة العرض، يشبه ذلك الذي سيظهر إذا مرت الموجات، وليس الجسيمات، عبر شقين.

يحدث هذا النمط لأن الموجة التي تمر بين شقين تنقسم إلى موجتين. ونتيجة لمزيد من الحركة، تتداخل الموجات مع بعضها البعض، وفي بعض المناطق يتم إلغاؤها بشكل متبادل. والنتيجة هي عدة خطوط على شاشة العرض، بدلاً من خط واحد فقط، كما هو الحال إذا تصرف الإلكترون كجسيم.

هيكل نواة الذرة: البروتونات والنيوترونات

تشكل البروتونات والنيوترونات نواة الذرة. وعلى الرغم من حقيقة أن النواة تشغل أقل من 1٪ من الحجم الإجمالي، إلا أنه في هذا الهيكل تتركز كتلة النظام بأكملها تقريبًا. لكن علماء الفيزياء منقسمون حول بنية البروتونات والنيوترونات، وفي الوقت الحالي هناك نظريتان.

• النظرية رقم 1 - المعيار

يقول النموذج القياسي أن البروتونات والنيوترونات تتكون من ثلاثة كواركات متصلة بواسطة سحابة من الجلونات. الكواركات هي جسيمات نقطية، مثل الكوانتا والإلكترونات. والغلوونات هي جسيمات افتراضية تضمن تفاعل الكواركات. ومع ذلك، لم يتم العثور على كواركات ولا غلوونات في الطبيعة، لذلك يتعرض هذا النموذج لانتقادات شديدة.

• النظرية رقم 2 – البديل

ولكن وفقا للنظرية البديلة للمجال الموحد، التي طورها أينشتاين، فإن البروتون، مثل النيوترون، مثل أي جسيم آخر في العالم المادي، هو مجال كهرومغناطيسي يدور بسرعة الضوء.

المجالات الكهرومغناطيسية للإنسان والكوكب

ما هي مبادئ التركيب الذري؟

كل شيء في العالم - رقيق وكثيف، سائل، صلب وغازي - هو مجرد حالات طاقة لعدد لا يحصى من المجالات التي تتخلل مساحة الكون. كلما ارتفع مستوى الطاقة في المجال، كلما كان أقل وضوحًا وأقل إدراكًا. كلما انخفض مستوى الطاقة، كلما كان أكثر استقرارًا وملموسًا. يكمن هيكل الذرة، وكذلك هيكل أي وحدة أخرى في الكون، في تفاعل هذه المجالات - التي تختلف في كثافة الطاقة. اتضح أن المادة هي مجرد وهم العقل.

« فيزياء - الصف الحادي عشر"

هيكل النواة الذرية. القوى النووية

مباشرة بعد اكتشاف النيوترون في تجارب تشادويك، اقترح الفيزيائي السوفييتي د. د. إيفانينكو والعالم الألماني دبليو هايزنبرغ في عام 1932 نموذج بروتون نيوترون للنواة.
وقد تم تأكيد ذلك من خلال الدراسات اللاحقة للتحولات النووية وهو الآن مقبول بشكل عام.

نموذج البروتون النيوتروني للنواة

وفقا لنموذج البروتون النيوتروني، تتكون النواة من نوعين من الجسيمات الأولية - البروتونات والنيوترونات.

وبما أن الذرة ككل محايدة كهربائيا، وشحنة البروتون تساوي معامل شحنة الإلكترون، فإن عدد البروتونات في النواة يساوي عدد الإلكترونات في الغلاف الذري.
ولذلك فإن عدد البروتونات الموجودة في النواة يساوي العدد الذري للعنصر زفي النظام الدوري للعناصر بواسطة D. I. Mendeleev.

مجموع عدد البروتونات زوعدد النيوترونات نفي النواة يسمى عدد جماعيوالمشار إليه بالحرف أ:

أ = ض + ن

كتلتا البروتون والنيوترون قريبتان من بعضهما البعض، ويساوي كل منهما تقريبًا وحدة الكتلة الذرية.
كتلة الإلكترونات في الذرة أقل بكثير من كتلة نواتها.
ومن ثم، فإن العدد الكتلي للنواة يساوي الكتلة الذرية النسبية للعنصر، مقربًا إلى عدد صحيح.
يمكن تحديد الأعداد الكتلية عن طريق قياس كتلة النوى تقريبًا باستخدام أدوات غير دقيقة للغاية.

النظائر هي نوى لها نفس القيمة زولكن بأعداد كتلية مختلفة أأي بأعداد مختلفة من النيوترونات ن.

القوى النووية

وبما أن النوى مستقرة جدًا، فلا بد من احتجاز البروتونات والنيوترونات داخل النواة بواسطة بعض القوى، وتكون قوية جدًا.
ليست قوى الجاذبية هي الضعيفة جدًا.
لا يمكن تفسير استقرار النواة بالقوى الكهرومغناطيسية أيضًا، حيث أن التنافر الكهربائي يعمل بين البروتونات المشحونة بشكل مماثل.
والنيوترونات ليس لها شحنة كهربائية.

وهذا يعني أنه يتم استدعاؤها بين الجزيئات النووية - البروتونات والنيوترونات النيوكليونات- هناك قوات خاصة تسمى القوات النووية.

ما هي الخصائص الرئيسية للقوات النووية؟ القوى النووية أكبر بحوالي 100 مرة من القوى الكهربائية (كولوم).
هذه هي أقوى القوى الموجودة في الطبيعة.
ولذلك، غالبا ما تسمى تفاعلات الجزيئات النووية تفاعلات قوية.

تتجلى التفاعلات القوية ليس فقط في تفاعلات النيوكليونات في النواة.
هذا نوع خاص من التفاعل متأصل في معظم الجسيمات الأولية إلى جانب التفاعلات الكهرومغناطيسية.

ميزة أخرى مهمة للقوات النووية هي قصر مدتها.
تضعف القوى الكهرومغناطيسية ببطء نسبيًا مع زيادة المسافة.
تتجلى القوى النووية بشكل ملحوظ فقط على مسافات تساوي حجم النواة (10 -12 -10 -13 سم)، وهو ما أظهرته بالفعل تجارب رذرفورد على تشتت جسيمات ألفا بواسطة النوى الذرية.
لم يتم بعد تطوير نظرية كمية كاملة للقوات النووية.
تم تحقيق تقدم كبير في تطويره مؤخرًا - في آخر 10-15 عامًا.

تتكون نوى الذرات من البروتونات والنيوترونات. يتم احتجاز هذه الجسيمات في النواة بواسطة القوى النووية.

النظائر

أدت دراسة ظاهرة النشاط الإشعاعي إلى اكتشاف مهم: تم توضيح طبيعة النوى الذرية.

ونتيجة لملاحظة عدد كبير من التحولات الإشعاعية، تم اكتشاف تدريجيا أن هناك مواد متطابقة في خواصها الكيميائية، ولكن لها خصائص إشعاعية مختلفة تماما (أي أنها تتحلل بشكل مختلف).
ولا يمكن فصلهما بأي من الطرق الكيميائية المعروفة.
وعلى هذا الأساس، اقترح سودي عام 1911 إمكانية وجود عناصر لها نفس الخواص الكيميائية، ولكنها تختلف بشكل خاص في نشاطها الإشعاعي.
يجب وضع هذه العناصر في نفس خلية النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev.
اتصل بهم سودي النظائر(أي يشغلون نفس الأماكن).

تلقى افتراض سودي تأكيدًا رائعًا وتفسيرًا عميقًا بعد عام، عندما أجرى جيه جيه طومسون قياسات دقيقة لكتلة أيونات النيون عن طريق حرفها في المجالات الكهربائية والمغناطيسية.
واكتشف أن النيون عبارة عن خليط من نوعين من الذرات.
معظمهم لديهم كتلة نسبية تبلغ 20.
لكن هناك جزءًا صغيرًا من الذرات كتلتها الذرية النسبية 22.
ونتيجة لذلك، اعتبرت الكتلة الذرية النسبية للخليط 20.2.
الذرات التي لها نفس الخواص الكيميائية تختلف في الكتلة.

كلا النوعين من ذرات النيون، بطبيعة الحال، يحتلان نفس المكان في جدول D. I. Mendeleev، وبالتالي، هما نظائر.
وبالتالي، يمكن أن تختلف النظائر ليس فقط في خصائصها الإشعاعية، ولكن أيضًا في الكتلة.
ولهذا السبب فإن النظائر لها نفس شحنات النوى الذرية، مما يعني أن عدد الإلكترونات في أغلفة الذرات، وبالتالي فإن الخواص الكيميائية للنظائر هي نفسها.
لكن كتل النوى مختلفة.
علاوة على ذلك، يمكن أن تكون النوى مشعة ومستقرة.
يرجع الاختلاف في خصائص النظائر المشعة إلى حقيقة أن نواتها لها كتل مختلفة.

لقد تم الآن إثبات وجود نظائر لمعظم العناصر الكيميائية.
تحتوي بعض العناصر على نظائر غير مستقرة (أي مشعة) فقط.
أثقل عنصر موجود في الطبيعة - اليورانيوم (الكتل الذرية النسبية 238، 235، وما إلى ذلك) والأخف - الهيدروجين (الكتل الذرية النسبية 1، 2، 3) له نظائر.

نظائر الهيدروجين مثيرة للاهتمام بشكل خاص، لأنها تختلف في الكتلة بمقدار 2 و 3 مرات.
يسمى النظير الذي كتلته الذرية النسبية 2 الديوتيريوم.
وهو مستقر (أي غير مشع) ويظهر كشوائب صغيرة (1:4500) في الهيدروجين العادي.
عندما يتحد الديوتيريوم مع الأكسجين، يتكون ما يسمى بالماء الثقيل.
تختلف خصائصه الفيزيائية بشكل ملحوظ عن خصائص الماء العادي.
عند الضغط الجوي العادي، يغلي عند 101.2 درجة مئوية ويتجمد عند 3.8 درجة مئوية.

يسمى نظير الهيدروجين ذو الكتلة الذرية 3 التريتيوم.
وهو مشع، وله عمر نصف يبلغ حوالي 12 عامًا.

إن وجود النظائر يثبت أن شحنة النواة الذرية لا تحدد كل خواص الذرة، بل فقط خواصها الكيميائية وتلك الخواص الفيزيائية التي تعتمد على محيط الغلاف الإلكتروني، مثل حجم الذرة.
لا يتم تحديد كتلة الذرة وخصائصها المشعة من خلال الرقم التسلسلي في جدول D.I. Mendeleev.

من الجدير بالذكر أنه عند قياس الكتل الذرية النسبية للنظائر بدقة، اتضح أنها كانت قريبة من الأعداد الصحيحة.
لكن الكتل الذرية للعناصر الكيميائية تختلف أحيانًا بشكل كبير عن الأعداد الصحيحة.
وبالتالي، فإن الكتلة الذرية النسبية للكلور هي 35.5.
وهذا يعني أن المادة النقية كيميائيا في حالتها الطبيعية هي خليط من النظائر بنسب مختلفة.
تعد السلامة (التقريبية) للكتل الذرية النسبية للنظائر مهمة جدًا لتوضيح بنية النواة الذرية.

معظم العناصر الكيميائية لها نظائر.
شحنات النوى الذرية للنظائر هي نفسها، ولكن كتل النوى مختلفة.

تم إثبات وجود النوى الذرية لأول مرة تجريبيًا في تجارب رذرفورد الشهيرة لتشتت جسيمات ألفا. وفي هذه التجارب كان من الممكن أيضًا تحديد حجم النواة. اتضح أن القطر الأساسي هو في حدود . ونتيجة لذلك، ظهر نموذج كوكبي للذرة، والذي تم تطويره بالتفصيل بواسطة N. Bohr. لقد مكنت نظرية بور من تفسير العديد من الخصائص المرصودة للذرات.

النواة الذرية على الأرض وفي الفضاء.تشير العديد من الحقائق التجريبية، مثل النشاط الإشعاعي الطبيعي والاصطناعي، والتفاعلات النووية، إلى البنية المعقدة للنواة. ومع ذلك، في العالم الأرضي من حولنا، توجد النوى الذرية، كقاعدة عامة، فقط في حالات الطاقة الأساسية الخاصة بها. تتصرف معظم النوى بشكل سلبي تمامًا، حيث تعمل فقط كحاملة للشحنة الكهربائية والكتلة، ولا تظهر خصائصها الديناميكية الداخلية بأي شكل من الأشكال. في الواقع، على الأرض، تحدث جميع الظواهر النووية المثيرة للاهتمام فقط في العالم الاصطناعي للمفاعلات النووية ومسرعات الجسيمات المشحونة. تحدث الظواهر الأكثر إثارة للإعجاب في المسرعات العملاقة، القادرة على نقل طاقات هائلة إلى الجسيمات المتسارعة - "المقذوفات" - التي لا يمكن مواجهتها في الظروف العادية.

الوضع مختلف على نطاق الكون. تعد تحولات الطاقة التي تحدث في أعماق النجوم والكوازارات والأجسام الفضائية الأخرى بمثابة ساحة لإظهار الخصائص الديناميكية للنوى والجسيمات الأولية. وفي نهاية المطاف، فإن هذه العمليات هي التي ندين بها لجميع مصادر الطاقة المتوفرة على الأرض. وتكوين العالم المادي من حولنا اليوم هو نتاج التفاعلات النووية التي تحدث عبر تاريخ الكون.

تكوين النواة الذرية.ووفقا للمفاهيم الحديثة، فإن نواة ذرة أي عنصر تتكون من بروتونات ونيوترونات، تسمى النيوكلونات. الخصائص الرئيسية للنوى المستقرة هي عدد الشحنة، الذي يساوي عدد البروتونات التي تشكل النواة، والعدد الكتلي، A، الذي يساوي العدد الإجمالي للنيوكليونات في النواة. ومن الواضح أن عدد النيوترونات في النواة يساوي الفرق

بما أن شحنة البروتون هي شحنة أولية موجبة Cl، فإن الشحنة الكهربائية للنواة تساوي . في الذرة المحايدة يكون مجموع عدد الإلكترونات في الغلاف الإلكتروني متساويا، ولذلك فإن عدد شحنة النواة يتطابق مع العدد الذري للعنصر في النظام الدوري لمندليف ويحدد جميع خواصه الكيميائية.

جنبا إلى جنب مع مصطلح "النواة الذرية"، يتم استخدام مصطلح النويدة أيضا. تسمى النويدات التي لها نفس أرقام الشحنة ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات نظائر، لأنها تتوافق مع نفس العنصر الكيميائي، أي نفس المكان في الجدول الدوري. تحتوي العناصر الكيميائية على عدة نظائر وتوجد في الطبيعة على شكل مخاليط ذات نسبة معينة من التركيب. تسمى النويدات التي لها نفس الأعداد الكتلية A، ولكن بأعداد مختلفة، إيزوبار (أي ثقيلة بنفس القدر).

كتل البروتونات والنيوترونات متقاربة جدًا: كتلة البروتون هي كتلة النيوترون، حيث كجم هي كتلة الإلكترون. لذلك، يتم تحديد كتلة النويدة عمليا من خلال العدد الإجمالي A للنيوكليونات الموجودة فيها، وليس من خلال قيم و وحدة الكتلة الذرية هي 1/12 من كتلة نويدات نظير الكربون تحتوي على 12 نيوكليون. لذلك، في الوحدات الذرية، لا تختلف كتلة أي نيوكليون تقريبًا عن الوحدة. وفي هذه الوحدات، تكون كتلة النواة مساوية تقريبًا لعدد الكتلة A.

طاقة الاتصالات.إن المصادفة غير الدقيقة بين كتلة النويدة وعددها الكتلي لا ترجع فقط إلى الاختلاف في كتل البروتونات والنيوترونات، ولكن أيضًا إلى حقيقة أن كتلتها لا تضيف إضافة إلى كتلة النويدة M التي تشكلها :

ويسمى الفرق بين مجموع كتل البروتونات والنيوترونات وكتلة النواة M بعيب الكتلة. يحدد العيب الكتلي طاقة الربط للنواة، أي الطاقة التي يجب إنفاقها لتقسيم النواة إلى نويات فردية:

العلاقة (1) هي نتيجة للصيغة النسبية العامة التي تربط طاقة الراحة لأي جسم بكتلته، ومن الواضح أن طاقة الربط تميز التفاعل بين النيوكليونات في النواة.

القوى النووية.تسمى القوى التي تحمل النيوكليونات في النواة بالقوى النووية. هذه القوى هي مظهر من مظاهر التفاعلات الأكثر كثافة المعروفة في الفيزياء - ما يسمى

تفاعل قوي. إن القوى النووية المؤثرة بين بروتونين في النواة أكبر بمقدار ضعفين تقريبًا من قوى كولوم الكهروستاتيكية المؤثرة بينهما، وأكبر بـ 103 مرات من قوى تفاعل الجاذبية بينهما.

بناءً على البيانات التجريبية، يمكننا أن نستنتج أن النيوترونات والبروتونات في النواة تتصرف بشكل متطابق تقريبًا فيما يتعلق بالتفاعل القوي: لا يمكن تمييز القوى النووية بين بروتونين، أو نيوترونين، أو بروتون ونيوترون. لذلك، تعتبر البروتونات والنيوترونات الموجودة في النواة بمثابة حالتين مختلفتين من الشحنة لنفس الجسيم النوكليون. ويسمى استقلال القوى النووية عن الحالة المشحونة للنيوكليونات بالثبات النظائري.

ويتضاءل تأثير القوى النووية بسرعة مع المسافة: فعلى مسافات أكبر من سم لا يظهر تأثيرها. حتى مسافة من حيث الحجم، تظهر نفسها كقوى جذابة، على مسافات أصغر - كقوى تنافر. تنمو القوى التنافرية بسرعة كبيرة مع تناقص المسافة بحيث يمكن اعتبار النيوكليونات الموجودة في النواة بمثابة جسيمات متلامسة ذات حجم ثابت.

أحجام النواة.يعتمد حجم النوى على عدد النيوكليونات التي تحتوي عليها. متوسط ​​تركيز النيوكليونات في النواة لجميع النوى هو نفسه تقريبًا. وهذا يعني أن حجم النواة يتناسب تقريبًا مع عدد النيوكليونات A، وبالتالي فإن نصف قطرها يتناسب

حيث سم كثافة المادة النووية عالية للغاية مقارنة بكثافة المواد العادية وتبلغ حوالي هذه الكثافة للمادة هي أيضًا سمة من سمات بعض الأجسام الكونية، على سبيل المثال، النجوم النيوترونية - النجوم النابضة.

وتبين أن طاقة الربط تتناسب أيضًا تقريبًا مع العدد A من النيوكليونات في النواة، بحيث تختلف طاقة الربط المحددة (أي طاقة الربط لكل نيوكليون) قليلًا مع التغيرات في A. بالنسبة لمعظم النوى، تكمن القيمة في النطاق من 6 إلى

علاقات الطاقة وعدم اليقين الملزمة.يمكن تقدير طاقة الربط المحددة من الأبعاد المعروفة للنواة باستخدام علاقات عدم اليقين لهايزنبرغ. عندما يكون النيوكليون داخل النواة، أي متمركزًا في منطقة ذات حجم مرتب، فإن عدم اليقين في قيمة زخمه يكون

وبما أن قيمة الزخم نفسها لا يمكن أن تكون أقل من عدم اليقين هذا، فيمكن استخدام نفس التقدير

زخم النوكليون قيمة سرعة كتلة النوكليون المقابلة لهذا الزخم هي عدة أعشار سرعة الضوء. لذلك، يتم تحديد طاقتها الحركية بتعبير غير نسبي وهي تساوي

وبما أن النوكليون الموجود في النواة في حالة مقيدة، فإن عمق البئر المحتمل الذي يتحرك فيه يكون على الأقل بنفس الترتيب من حيث الحجم.

على افتراض أن عدم اليقين في قيمة الزخم له نفس حجم الزخم نفسه، فمن الواضح أننا نعتقد أن سلوك النوكليون في النواة لا يمكن وصفه بأنه حركة جسيم كلاسيكي. ويمكن التوصل إلى نفس النتيجة على أساس الأفكار المتعلقة بموجات دي برولي. إذا قمنا بتقدير قيمة زخم النيوكليون على أساس طاقة الربط المعروفة تجريبيًا لكل نيوكليون وحساب طول موجة دي برولي المتوافق مع هذا الزخم، فسوف يتبين أن له نفس حجم الحجم. من النواة.

طاقة الارتباط المحددة أقل من واحد بالمائة من الطاقة الباقية لنواة GeV. ولذلك، يمكننا بالفعل أن نفترض أن النواة تتكون من نيوكليونات فردية، والتي تحتفظ بفرديتها داخل النواة.

وتظهر اعتبارات مماثلة أن النواة لا يمكن أن تحتوي على إلكترونات. إذا كان الإلكترون متمركزًا في النواة، أي في منطقة بحجم سم، فباستخدام علاقات عدم اليقين يمكن للمرء أن يقتنع بأنه سيكون نسبيًا للغاية مع طاقة حركية تبلغ GeV. وتتجاوز هذه القيمة بشكل كبير طاقة الراحة للإلكترون، والتي تساوي 0.5 ميجا إلكترون فولت، وطاقة ربط النواة لكل جسيم. وهذا الأخير يتعارض بطبيعة الحال مع افتراض وجود الإلكترون داخل النواة.

نموذج القطرة للنواة.يتم التحدث عن الثبات التقريبي لطاقة الربط المحددة للأنوية المختلفة على أنه تشبع القوى النووية. إنه يعني في الواقع أن كل نيوكليون يتفاعل بشكل فعال ليس مع جميع نيوكليونات النواة (في هذه الحالة، عند A» 1، ستكون طاقة الربط متناسبة، ولكن فقط مع بيئتها المباشرة. وهذا الوضع مشابه إلى حد ما لما واجهناه عند وصف تفاعل الجزيئات السائلة، كان هذا القياس في وقت ما بمثابة الأساس لإنشاء ما يسمى بنموذج قطرة النواة، حيث يفترض أن النواة تتصرف مثل قطرة من سائل مشحون غير قابل للضغط. (2)، من الممكن تحديد بعض معلمات مثل هذا السائل النووي.بالنسبة لتركيز النيوكليونات في النواة، من الواضح أنه يمكنك الكتابة

وبالتالي بالنسبة لكثافة المادة النووية التي لدينا

وهي نفس القيمة المذكورة أعلاه. ليس من الصعب تقدير متوسط ​​المسافة بين النيوكليونات في النواة:

نظرًا لأن تركيز النيوكليونات، وكثافة المادة في النواة، وكذلك متوسط ​​المسافة بين النيوكليونات هي نفسها تقريبًا في جميع النوى، يمكن اعتبار المادة النووية في نموذج قطيرة النواة غير قابلة للضغط عمليًا.

لقد جعل نموذج القطرة من الممكن وصف ليس فقط الحالة الأرضية للنواة، ولكن أيضًا بعض الحالات المثارة، معتبرًا إياها تقلبات في شكل سطح القطرة. ومع ذلك، فإن هذا النموذج البسيط للغاية غير قادر على تفسير التنوع الكامل للخصائص المرصودة للنوى الذرية.

تنافر كولوم للبروتوناتتنخفض طاقة ربط النيوكليونات في النواة بسبب تنافر كولوم بين البروتونات. إن تنافر كولوم هذا طويل المدى، على عكس تفاعل "الاتصال" القوي، الذي يعمل فقط بين النيوكليونات الملامسة. بالنسبة للنوى الخفيفة، لا يلعب تأثير تنافر كولوم دورًا مهمًا، أما بالنسبة للنوى الثقيلة فإن الوضع مختلف. في الواقع، يتم تحديد طاقة تنافر كولوم من خلال التفاعل الزوجي لجميع بروتونات النواة وبالتالي فهي متناسبة، أي متناسبة مع طاقة جذب النيوكليونات بسبب التفاعل القوي، كما ذكرنا سابقًا، تتناسب مع العدد الإجمالي. أ. بما أن عدد البروتونات والنيوترونات في النوى المستقرة هو نفسه تقريبًا، فإن هذه الطاقة متناسبة بالفعل، لذلك، مع النمو، يوجد بالفعل عدد كبير من البروتونات بحيث يصبح استقرارها الكامل مستحيلًا تمامًا.

الأكثر استقرارًا وانتشارًا في الطبيعة هي النوى التي يكون فيها عدد البروتونات أو عدد النيوترونات مساويًا لأحد ما يسمى بالأرقام السحرية: 2، 8، 20، 28، 50، 82، 126. إذا كانت النواة تحتوي على كل من عدد النيوترونات وعدد البروتونات، فإن هذه النوى السحرية المضاعفة تكون مستقرة بشكل خاص. لا يوجد سوى خمسة نوى من هذا القبيل: تم شرح الثبات المتزايد للنوى السحرية في ما يسمى بنموذج الصدفة للنواة.

كيف تظهر النواة الذرية نفسها في ظل الظروف الأرضية وعلى نطاق الكون؟

كيف يرتبط العدد الذري لعنصر ما في الجدول الدوري بشحنة نواته؟

ما هي النظائر والإيزوبارات؟

لماذا لا تساوي كتلة النواة مجموع كتل البروتونات والنيوترونات التي تشكلها؟

كيف يمكننا تقدير طاقة الربط للنيوكليونات في النواة باستخدام علاقات عدم اليقين؟

ما هو النموذج القطيري للنواة؟

لماذا يكون العدد النسبي للنيوترونات في النواة أكبر بالنسبة للنوى الثقيلة؟

ما هي النوى الذرية الأكثر استقرارا؟

محتوى المقال

هيكل النواة الذرية.النواة هي الجزء المركزي من الذرة. تتركز فيه الشحنة الكهربائية الموجبة والجزء الأكبر من كتلة الذرة. بالمقارنة مع نصف قطر مدارات الإلكترون، فإن أبعاد النواة صغيرة للغاية: 10-15-10-14 م، وتتكون نوى جميع الذرات من البروتونات والنيوترونات، والتي لها نفس الكتلة تقريبًا، ولكن البروتون فقط هو الذي يحمل الشحنة الكهربائية. العدد الإجمالي للبروتونات يسمى العدد الذري زالذرة، وهو ما يطابق عدد الإلكترونات الموجودة في الذرة المحايدة. الجسيمات النووية (البروتونات والنيوترونات)، والتي تسمى النيوكلونات، متماسكة معًا بواسطة قوى قوية جدًا؛ وبحكم طبيعتها، لا يمكن لهذه القوى أن تكون كهربائية ولا جاذبية، ومن حيث الحجم فهي أكبر بكثير من القوى التي تربط الإلكترونات بالنواة.

تم تقديم الفكرة الأولى عن الحجم الحقيقي للنواة من خلال تجارب رذرفورد حول تشتت جسيمات ألفا في رقائق معدنية رقيقة. اخترقت الجسيمات بعمق أغلفة الإلكترونات وانحرفت عندما اقتربت من النواة المشحونة. أشارت هذه التجارب بوضوح إلى صغر حجم النواة المركزية وأشارت إلى طريقة تحديد الشحنة النووية. وجد رذرفورد أن جسيمات ألفا تقترب من مركز الشحنة الموجبة على مسافة 10-14 مترًا تقريبًا، مما سمح له باستنتاج أن هذا هو أقصى نصف قطر ممكن للنواة.

بناءً على هذه الافتراضات، بنى بور نظريته الكمية للذرة، والتي نجحت في شرح الخطوط الطيفية المنفصلة، ​​والتأثير الكهروضوئي، والأشعة السينية، والجدول الدوري للعناصر. ومع ذلك، في نظرية بور، اعتبرت النواة شحنة نقطية موجبة.

تبين أن نوى معظم الذرات ليست صغيرة جدًا فحسب، ولكنها لم تتأثر بأي شكل من الأشكال بوسائل الظواهر البصرية المثيرة مثل تفريغ شرارة القوس، واللهب، وما إلى ذلك. كان مؤشر وجود بنية داخلية معينة للنواة هو اكتشاف النشاط الإشعاعي في عام 1896 على يد أ. بيكريل. اتضح أن اليورانيوم، ثم الراديوم، والبولونيوم، والرادون، وما إلى ذلك. لا تنبعث منها فقط الإشعاعات الكهرومغناطيسية قصيرة الموجة، والأشعة السينية والإلكترونات (أشعة بيتا)، ولكن أيضًا جسيمات أثقل (أشعة ألفا)، ولا يمكن أن تأتي هذه إلا من الجزء الضخم من الذرة. استخدم رذرفورد جسيمات ألفا الراديوم في تجاربه للتشتت، والتي كانت بمثابة الأساس لتكوين أفكار حول الذرة النووية. (في ذلك الوقت كان معروفًا أن جسيمات ألفا هي ذرات هيليوم مجردة من إلكتروناتها؛ لكن السؤال عن سبب انبعاثها من بعض الذرات الثقيلة تلقائيًا لم تتم الإجابة عليه بعد، كما لم تكن هناك فكرة دقيقة عن حجم النواة).

اكتشاف النظائر.

قياسات كتل "أشعة القناة" التي أجراها J. Thomson و F. Aston وباحثون آخرون باستخدام مقاييس الطيف الكتلي الأكثر تقدمًا وبدقة أكبر أعطت المفتاح لبنية النواة وكذلك الذرة ككل . على سبيل المثال، أظهرت قياسات نسبة الشحنة إلى الكتلة أن الشحنة الموجودة على نواة الهيدروجين تبدو وكأنها وحدة شحنة موجبة، تساوي عدديًا شحنة الإلكترون، والكتلة م ص = 1837أنا، أين أنا- كتلة الإلكترون. يمكن للهيليوم أن ينتج أيونات بشحنة مضاعفة، لكن كتلته أكبر بأربعة أضعاف من كتلة الهيدروجين. وهكذا، فإن الفرضية التي أعرب عنها سابقًا دبليو بروت بأن جميع الذرات مبنية من ذرات الهيدروجين قد اهتزت بشكل خطير.

وبمقارنة كتلة ذرة النيون بالكتل المعروفة للعناصر الأخرى على مطياف الكتلة الخاص به، اكتشف طومسون في عام 1912 بشكل غير متوقع أنه بدلاً من واحد، فإن النيون يتوافق مع قطعين مكافئين. أظهرت حسابات كتل الجسيمات أن أحد القطع المكافئة يتوافق مع جزيئات كتلتها 20، والآخر كتلته 22. وكان هذا أول دليل على أن ذرات عنصر كيميائي معين يمكن أن يكون لها أعداد كتلية مختلفة. وبما أن العدد الكتلي المقاس (المتوسط) وجد أنه 20.2، فقد اقترح طومسون أن النيون يتكون من نوعين من الذرات، 90% بكتلة 20 و10% بكتلة 22. وبما أن كلا النوعين من الذرات موجودان في الطبيعة على شكل مخلوط ولا يمكن فصلهما كيميائيا، فتبين أن العدد الكتلي للنيون هو 20.2.

ويشير وجود نوعين من ذرات النيون إلى أن العناصر الأخرى يمكن أن تكون عبارة عن خليط من الذرات. وأظهرت قياسات مطياف الكتلة اللاحقة أن معظم العناصر الطبيعية عبارة عن خليط من اثنين إلى عشرة أنواع مختلفة من الذرات. تسمى ذرات العنصر نفسه ذات الكتل المختلفة بالنظائر. فبعض العناصر لها نظير واحد فقط، وهو ما يتطلب تفسيرًا نظريًا، كما هو الحال مع حقيقة اختلاف وفرة العناصر، وكذلك وجود النشاط الإشعاعي في مواد معينة فقط.

فيما يتعلق باكتشاف النظائر، نشأت مشكلة التوحيد القياسي، حيث كان الكيميائيون قد اختاروا سابقًا "الأكسجين" (16.000000 وحدة كتلة ذرية) كمعيار، والذي تبين أنه خليط من أربعة نظائر. ونتيجة لذلك، تقرر إنشاء مقياس كتلة "فيزيائي"، حيث تم تعيين قيمة نظير الأكسجين الأكثر شيوعًا بقيمة 16.000000 amu. ومع ذلك، في عام 1961، تم التوصل إلى اتفاق بين الكيميائيين والفيزيائيين، والذي بموجبه تم تخصيص النظير الأكثر شيوعًا للكربون 12 بـ 12.00000 amu. حيث أن عدد الذرات الموجودة في 1 مول من النظير يساوي عدد أفوجادرو ن 0، نحصل على

لاحظ أن وحدة الكتلة الذرية تتضمن كتلة إلكترون واحد، وكتلة أخف نظائر الهيدروجين أكبر بنسبة 1% تقريبًا من 1 amu.

اكتشاف النيوترون.

اكتشاف النظائر لم يوضح مسألة بنية النواة. بحلول هذا الوقت، كانت البروتونات فقط - نوى الهيدروجين والإلكترونات - معروفة، وبالتالي كان من الطبيعي محاولة تفسير وجود النظائر من خلال مجموعات مختلفة من هذه الجزيئات المشحونة إيجابيا وسلبيا. قد يعتقد المرء أن النوى تحتوي على أالبروتونات، حيث أ- العدد الكتلي، و من الألف إلى الياءالإلكترونات. في هذه الحالة، إجمالي الشحنة الموجبة يتزامن مع العدد الذري ز.

مثل هذه الصورة البسيطة للنواة المتجانسة في البداية لم تتعارض مع الاستنتاج حول صغر حجم النواة الذي أعقب تجارب رذرفورد. "نصف القطر الطبيعي" للإلكترون ص 0 = ه 2 /مولودية 2 (والتي يتم الحصول عليها إذا قمنا بمساواة الطاقة الكهروستاتيكية ه 2 /ص 0 شحنة موزعة على غلاف كروي، طاقة الإلكترون الخاصة مولودية 2) هو ص 0 = 2.82 × 10 –15 م، مثل هذا الإلكترون صغير بما يكفي ليكون داخل نواة نصف قطرها 10 –14 م، على الرغم من أنه سيكون من الصعب وضع عدد كبير من الجسيمات هناك. في عام 1920، نظر رذرفورد وعلماء آخرون في إمكانية وجود مزيج مستقر من البروتون والإلكترون، مما ينتج جسيمًا محايدًا بكتلة تساوي تقريبًا كتلة البروتون. ومع ذلك، بسبب نقص الشحنة الكهربائية، سيكون من الصعب اكتشاف هذه الجسيمات. ومن غير المرجح أن يتمكنوا من إخراج الإلكترونات من الأسطح المعدنية، مثل الموجات الكهرومغناطيسية في التأثير الكهروضوئي.

وبعد عقد من الزمن فقط، وبعد دراسة النشاط الإشعاعي الطبيعي بعمق، وبدأ استخدام الإشعاع الإشعاعي على نطاق واسع لإحداث التحول الاصطناعي للذرات، تم إثبات وجود مكون جديد للنواة بشكل موثوق. في عام 1930، قام دبليو بوث وجي. بيكر من جامعة جيسن بتشعيع الليثيوم والبريليوم بجسيمات ألفا وسجلوا الإشعاع المخترق الناتج باستخدام عداد جيجر. وبما أن هذا الإشعاع لم يتأثر بالمجالات الكهربائية والمغناطيسية وكان يتمتع بقوة اختراق عالية، فقد استنتج الباحثون أن إشعاع غاما الصلب ينبعث. في عام 1932، كرر ف. جوليو وإ. كوري تجاربهما مع البريليوم، حيث مررا مثل هذا الإشعاع المخترق من خلال كتلة البارافين. ووجدوا أن بروتونات عالية الطاقة بشكل غير عادي تنبثق من البارافين، وخلصوا إلى أن أشعة جاما تنتشر عبر البارافين وتنتج البروتونات. (في عام 1923 تم اكتشاف أن الأشعة السينية تنتشر بواسطة الإلكترونات، مما أدى إلى ظهور تأثير كومبتون).

كرر ج. تشادويك التجربة. كما استخدم البارافين، وباستخدام غرفة التأين (الشكل 1)، حيث تم جمع الشحنة المتولدة عند إخراج الإلكترونات من الذرات، وقام بقياس نطاق البروتونات الارتدادية.

استخدم تشادويك أيضًا غاز النيتروجين (في غرفة السحاب، حيث تتكثف قطرات الماء على طول مسار الجسيم المشحون) لامتصاص الإشعاع وقياس مدى ذرات ارتداد النيتروجين. ومن خلال تطبيق قوانين حفظ الطاقة والزخم على نتائج كلتا التجربتين، توصل إلى استنتاج مفاده أن الإشعاع المحايد المكتشف كان لاإشعاع جاما، ولكنه عبارة عن تيار من الجسيمات ذات كتلة قريبة من كتلة البروتون. أظهر تشادويك أيضًا أن المصادر المعروفة لإشعاع جاما لا تطرد البروتونات.

وهذا يؤكد وجود جسيم جديد يسمى الآن النيوترون. وقد حدث انشطار معدن البريليوم على النحو التالي:

اصطدمت جسيمات ألفا 4 2 He (الشحنة 2، عدد الكتلة 4) بنواة البريليوم (الشحنة 4، عدد الكتلة 9)، مما أدى إلى تكوين الكربون والنيوترون.

كان اكتشاف النيوترون خطوة مهمة إلى الأمام. يمكن الآن تفسير الخصائص المرصودة للنوى من خلال اعتبار النيوترونات والبروتونات أجزاء مكونة للنواة. في التين. يوضح الشكل 2 بشكل تخطيطي بنية العديد من النوى الخفيفة.

ومن المعروف الآن أن النيوترون أثقل بنسبة 0.1% من البروتون. تخضع النيوترونات الحرة (خارج النواة) للتحلل الإشعاعي، لتصبح بروتونًا وإلكترونًا. وهذا يذكرنا بالفرضية الأصلية للجسيم المركب المحايد. ومع ذلك، داخل النواة المستقرة، ترتبط النيوترونات بالبروتونات ولا تضمحل تلقائيًا.

الاتصالات النووية.

إن افتراض بروت الأصلي بأن جميع الكتل الذرية يجب أن تكون مضاعفات صحيحة لكتلة ذرة الهيدروجين قريب جدًا من الحقيقة، خاصة عند تطبيقه على النظائر. الانحرافات صغيرة للغاية، دائمًا لا تزيد عن 1%، وفي معظم الحالات لا تزيد عن 0.1%. لقد وصلت الدراسة التفصيلية لكتل ​​النظائر إلى أعلى درجة من الكمال: خطأ القياس حاليًا، كقاعدة عامة، لا يتجاوز عدة أجزاء من المليون.

لقد ثبت أن عدد النيوترونات يتطابق تقريباً مع عدد البروتونات في الذرة، أي.

في الواقع، تحتوي النوى الأثقل على بعض النيوترونات الزائدة. نظرًا لأن النيوترون غير مشحون، فإن القوى التي تحمل النيوترونات والبروتونات في النواة ليست ذات طبيعة كهروستاتيكية؛ بالإضافة إلى ذلك، فإن الرسوم المتشابهة تتنافر. تشير حقيقة صعوبة انقسام النوى إلى وجود قوى جاذبة نووية قوية. وعلى الرغم من المسافات الصغيرة، فإن جاذبية الجاذبية بين النيوكليونات لا تزال ضعيفة للغاية بحيث لا تضمن استقرار النواة.

وفقا لأينشتاين، فإن الطاقة الإجمالية للنظام المعزول محفوظة، والكتلة هي شكل من أشكال الطاقة: ه = مولودية 2. من أجل تقسيم نظام مرتبط مثل نواة الذرة المستقرة إلى النيوترونات والبروتونات المكونة لها، يجب أن يعطى طاقة. وهذا يعني أن كتلة النيوترونات والبروتونات تتجاوز كتلة النواة بنسبة

د M = ZM p + NM n – M A,Z,

أين النائبو م ن- كتل البروتونات والنيوترونات الحرة، و م أ,ز– كتلة النواة المشحونة زوالعدد الكتلي أ. ويسمى هذا الاختلاف في الكتلة، المعبر عنه بوحدات الطاقة، طاقة الربط. عامل التحويل هو:

1 أمو = 931.14 ميجا فولت،

حيث 1 MeV = 10 6 eV. وبالتالي فإن الطاقة الملزمة إي ب=د مولودية 2 هي الطاقة اللازمة لتقسيم النواة إلى نيوترونات وبروتونات فردية.

متوسط ​​طاقة الربط لكل نيوكليون هو إي ب/أيتغير بشكل منتظم تمامًا مع زيادة عدد النيوكليونات في النواة (الشكل 3). أخف نواة بعد البروتون هي الديوترون 2 1 H، ويتطلب انشطارها طاقة قدرها 2.2 ميغا إلكترون فولت، أي 2.2 ميغا إلكترون فولت. 1.1 ميجا فولت لكل نيوكليون. يرتبط جسيم ألفا 4 2 بقوة أكبر بكثير من جيرانه: تبلغ طاقة ربطه 28 MeV. بالنسبة للنوى ذات العدد الكتلي الأكبر من 20، يظل متوسط ​​طاقة الارتباط لكل نيوكليون ثابتًا تقريبًا، أي ما يعادل 8 ميجا إلكترون فولت تقريبًا.

طاقة الربط للنواة أعلى بعدة مرات من طاقة الربط لإلكترونات التكافؤ في الذرة والذرات في الجزيء. ولإزالة الإلكترون الوحيد من ذرة الهيدروجين، تكون طاقة قدرها 13.5 فولت كافية؛ ولإزالة الإلكترونات الداخلية في الرصاص، والتي تكون شديدة الارتباط، يلزم طاقة قدرها 0.1 MeV. وبالتالي فإن جميع العمليات النووية تنطوي على طاقات أعلى بكثير من تلك التي نتعامل معها في التفاعلات الكيميائية العادية أو في درجات الحرارة والضغوط العادية.

النشاط الإشعاعي الطبيعي.

بدأت الفيزياء النووية بظاهرة النشاط الإشعاعي الطبيعي. إن إشعاعات ألفا وبيتا وجاما المنبعثة من اليورانيوم هي من أصل نووي، في حين أن الأطياف الضوئية والأشعة السينية تتوافق مع البنية الإلكترونية للذرة. وتبين أن جسيمات ألفا هي نواة الهيليوم. تتطابق جسيمات بيتا في الشحنة والكتلة مع إلكترونات غلاف الذرة، لكن أصلها النووي ظهر بوضوح من خلال التغير في شحنة النواة المتحللة. بالإضافة إلى ذلك، فإن طاقة إشعاع جاما تتجاوز بشكل كبير الطاقة التي يمكن أن تنبعث من الإلكترونات من الغلاف الخارجي للذرة، وبالتالي فإن هذا الإشعاع المخترق هو من أصل نووي.

بعض العناصر الطبيعية ذات الأعداد الذرية العالية (اليورانيوم، الثوريوم، الأكتينيوم) لها نظائر مشعة، والتي تتحلل لتنتج نظائر مشعة أخرى (مثل الراديوم) وفي النهاية الرصاص المستقر. إن عمر النظير "الأم" في كل حالة يمكن مقارنته بعمر الأرض، والذي يقدر بـ 10 مليارات سنة. من المفترض أن عددا كبيرا من المواد المشعة كانت موجودة أثناء تكوين الأرض، لكن العناصر قصيرة العمر تحولت منذ فترة طويلة إلى منتجات نهائية مستقرة. من الممكن أن بعض النظائر التي تسمى "المستقرة" تضمحل بالفعل، ولكن فترات اضمحلالها ("أوقات الحياة") طويلة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بالطرق الحالية.

يرجع الدور المهم للنشاط الإشعاعي في الفيزياء النووية إلى حقيقة أن الإشعاع الإشعاعي يحمل معلومات حول أنواع الجزيئات ومستويات الطاقة في النواة. على سبيل المثال، يشير انبعاث جسيمات ألفا من النواة والثبات النسبي لتكوين بروتونين ونيوترونين بشكل غير مباشر إلى احتمال وجود جسيمات ألفا داخل النواة.

إن التمييز بين النشاط الإشعاعي الطبيعي والنشاط الإشعاعي الاصطناعي ليس مهمًا جدًا لفهم بنية النواة، لكن دراسة السلاسل الإشعاعية الطبيعية سمحت باستنتاجات مهمة حول عمر الأرض واستخدام مثل هذه العناصر كمصادر لقصف الجسيمات قبل وقت طويل من عمر الجسيمات. تم اختراع المسرعات.

التحولات الاصطناعية للنوى.

أظهرت التجارب التي أجريت على العناصر المشعة بشكل طبيعي أن معدل الانحلال الإشعاعي لا يمكن أن يتأثر بالوسائل الفيزيائية العادية: الحرارة والضغط وما إلى ذلك. وهكذا، بدا في البداية أنه لا توجد طريقة فعالة لدراسة بنية النظائر المستقرة طبيعيا. ومع ذلك، في عام 1919، اكتشف رذرفورد أنه يمكن تقسيم النوى عن طريق قصفها بجسيمات ألفا. وكان العنصر الأول الذي تم تقسيمه هو النيتروجين، الذي ملأ حجرة السحابة على شكل غاز. اصطدمت جسيمات ألفا المنبعثة من مصدر الثوريوم مع نوى النيتروجين وامتصتها، مما أدى إلى انبعاث البروتونات السريعة. وفي الوقت نفسه كان هناك رد فعل

ونتيجة لهذا التفاعل تتحول ذرة النيتروجين إلى ذرة أكسجين. في هذا المثال، طاقات الارتباط للنواة تشبه، على الرغم من أنها أعلى بكثير، من الحرارة المنبعثة في التفاعل الكيميائي. وبعد ذلك تم الحصول على نتائج مماثلة مع العديد من العناصر الأخرى. باستخدام طرق مختلفة، من الممكن قياس طاقات وزوايا انبعاث الجسيمات المشحونة المنبعثة، مما يسمح بإجراء تجارب كمية.

كانت الخطوة التالية هي الاكتشاف الذي قام به جي كوكروفت وإي. والتون في عام 1932. فقد أثبتا أن حزم البروتونات المتسارعة صناعيًا والتي تبلغ طاقتها 120 كيلو إلكترون فولت (أي أقل بكثير من طاقة جسيمات ألفا في تجارب رذرفورد) قادرة على التسبب في عملية تقسيم ذرات الليثيوم جارية

يتم إطلاق نواتي الهيليوم (جسيمات ألفا) في وقت واحد في اتجاهين متعاكسين. السبب وراء حدوث هذا التفاعل عند الطاقة المنخفضة هو الترابط القوي بين جسيمات ألفا؛ إن إضافة بروتون إلى كتلة نواة 7 Li يضفي طاقة تساوي تقريبًا كتلتي جسيمات ألفا. الطاقة المتبقية اللازمة لحدوث التفاعل تأتي من الطاقة الحركية للبروتونات المقذوفة.

يمكن تحويل جميع العناصر المعروفة والنظائر الموجودة بشكل طبيعي إلى عناصر مجاورة "بشكل مصطنع". وتبين أن كل هذه النظائر الجديدة مشعة، ولكنها تتحول نتيجة الاضمحلال اللاحق إلى نظائر مستقرة. تم الحصول على عناصر جديدة، حتى العنصر ذو الرقم التسلسلي 103؛ وتبين أنها جميعها مشعة ولها نصف عمر قصير نسبيًا. حاليا، أكثر من 1000 نظائر معروفة.

مستويات الطاقة للنوى والنماذج النووية.

لقد أثبتت دراسة التفاعلات النووية بشكل مقنع وجود مستويات الطاقة النووية. تمثل هذه المستويات حالات النواة ذات طاقة معينة، والتي يتم تعيين أرقام كمية معينة لها، تمامًا مثل مستويات الطاقة في الذرة. قياسا على التحليل الطيفي البصري، فإن دراسة الإشعاع المنبعث من النواة أثناء التحولات بين مستويات الطاقة تسمى التحليل الطيفي النووي. ومع ذلك، كما يتبين من الشكل. 4. المسافة بين مستويات الطاقة للنوى أكبر بكثير منها بين المستويات الإلكترونية للذرات، والإشعاع النووي، بالإضافة إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي، يشمل أيضًا إشعاع الإلكترونات والبروتونات وجسيمات ألفا والجسيمات بأنواعها الأخرى.

ومما يدل على وجود مستويات طاقة منفصلة في النواة أن إثارة النواة المؤدي إلى انبعاث الإشعاع لا يحدث إلا عند طاقات معينة للجسيمات القاذفة، كما أن طاقات الجسيمات المنبعثة تتوافق مع التحولات بين مستويات معينة. على سبيل المثال، يمكن قياس عدد البروتونات المنتجة عند قصف البورون-10 بالديوترونات أحادية الطاقة نتيجة للتفاعل

وتحديد نبضاتها عن طريق الانحراف في المجال المغناطيسي. يظهر في الشكل 1 الطيف المسجل للبروتونات من هدف يحتوي على البورون مع شوائب من الكربون والنيتروجين والسيليكون. 4. تظهر القمم الحادة بوضوح أن طاقة النواة مكممة مثل طاقة الذرة.

في التين. يوضح الشكل 5 رسمًا تخطيطيًا لمستويات الطاقة لنواة البورون-11 (11 فولت)، مع التعبير عن طاقات الإثارة بوحدة MeV. التوزيع غير المتكافئ لمستويات الطاقة النووية، وهو أمر غير نموذجي لتوزيع مستويات الطاقة الذرية، يرجع إلى التعبئة الأكثر كثافة للنوى والتفاعل الأقوى بين الجزيئات داخل النواة. من المستويات المثارة المقابلة لنواة 10B التي تقصفها الديوترونات بطاقة 1.51 ميغا إلكترون فولت، يمكن أن تحدث التحولات إلى أي من المستويات الموجودة أدناه، مصحوبة بانبعاث البروتونات. إذا ظلت النواة 11B، بعد انبعاث البروتون، في حالة مثارة، فمن الممكن أن تضمحل، وتمر إلى الحالة "الأرضية" الأدنى مع انبعاث واحد أو أكثر من أشعة جاما.

في الوقت الحاضر، لا يوجد تفسير ثابت وموحد لأسباب ظهور مستويات الطاقة النووية، ولكن هناك عدد من النظريات التي يمكن أن تفسر بعض الظواهر. أحدها هو "نموذج القشرة"، الذي استعار من الفيزياء الذرية فكرة بنية قشرة الذرة، وطبقها على تحليل تكوينات النيوترونات والبروتونات داخل النواة.

في عام 1932، لاحظ ج. بارتليت أن جميع النوى المستقرة الواقعة بين 4 He و16 O تنتمي إلى التسلسل

4هو + ن + ع + ن + ص +...,

بينما بين 16 O و36 Ar يأخذ تسلسل مماثل الشكل

16 س+ ن + ن + ع + ع + ن + ن +....

واقترح أن هذه التغييرات في التسلسل تعكس الترتيب الذي تمتلئ به الأصداف بالنيوترونات والبروتونات. يعمل مبدأ استبعاد باولي في حالة الجسيمات النووية بنفس الطريقة تمامًا كما في حالة الإلكترونات، ويؤدي في نموذج الغلاف إلى حقيقة أن الغلاف الأول يمكن أن يحتوي على بروتونين ونيوترونين فقط، أما الثاني فيمكن أن يحتوي على بروتونين ونيوترونين ستة من كلا الجزيئين (مملوءة بـ 16 O) وعلى الثالث بعشرة (مملوءة بـ 36 Ar). يستمر وجود الدورية في بنية النواة في الظهور، على الرغم من وجود بعض الانحرافات. يمكن تفسير وجود "أرقام سحرية" معينة (2، 8، 20، 28، 50، 82 و126) من النيوترونات والبروتونات في النوى التي تتوافق مع قمم منحنى طاقة الربط على أساس نموذج الغلاف المعدل (يسمى نموذج الجسيمات المستقلة)، والذي يسمح بالتنبؤ بشكل صحيح بالدوران والعزوم المغناطيسية للنواة. على سبيل المثال، فإن دورات النوى ذات الأغلفة المملوءة، كما تنبأ هذا النموذج، تساوي الصفر. ومع ذلك، وعلى الرغم من المزايا العديدة، فإن الإصدارات المتاحة من نموذج القشرة لا تزال لا تفسر جميع الظواهر النووية، وهو أمر ليس مفاجئا في ضوء البنية المعقدة للنواة.

النواة المركبة والنموذج القطرى

في النوى الأثقل، يكون عدد النيوكليونات كبيرًا جدًا بحيث يمكن إعادة إنتاج العديد من أنماط سلوك هذه النوى بشكل أفضل من خلال نموذج القطرة. تم اقتراح هذا النموذج في عام 1936 من قبل ن. بور لشرح العمر الطويل للنوى المثارة التي تكونت أثناء التقاط النيوترونات البطيئة. (في هذه الحالة، يُفهم العمر على أنه الوقت من لحظة إثارة النواة حتى اللحظة التي تفقد فيها طاقة الإثارة نتيجة لانبعاث الإشعاع.) وتبين أن العمر أطول بمليون مرة من الوقت اللازمة لعبور النيوترون النواة (10-22 ثانية). وهذا يدل على أن النواة المثارة هي نظام معين ("النواة المركبة")، وعمرها أطول بكثير من وقت تكوينها.

اقترح بور أن التفاعل النووي يتم على مرحلتين. في المرحلة الأولى، يدخل الجسيم الحادث إلى النواة المستهدفة، ويشكل "نواة مركبة"، حيث يفقد طاقته الأولية في العديد من الاصطدامات، ويوزعها بين النوى الأخرى للنواة. ونتيجة لذلك، لا يمتلك أي من الجسيمات الطاقة اللازمة للهروب من النواة. المرحلة الثانية، وهي اضمحلال نواة المركب، وتحدث بعد مرور بعض الوقت عندما تتركز الطاقة بالخطأ على أحد الجزيئات أو تفقد على شكل إشعاع غاما. ويعتقد أن المرحلة الثانية مستقلة عن تفاصيل آلية تكوين النواة المركبة. يتم تحديد نوع الاضمحلال فقط من خلال تشغيل الخيارات الممكنة.

وكتشبيه بسيط لهذه الصورة للتفاعل النووي، اقترح بور النظر في سلوك القطرة. تعمل القوى بين جزيئات هذه القطرة، وتربطها ببعضها البعض وتمنع التبخر حتى يتم توفير الحرارة من الخارج. يؤدي ظهور جزيء آخر ذو طاقة حركية إضافية، نتيجة لإعادة توزيعه إحصائيا، إلى زيادة درجة حرارة القطرة ككل. وبعد مرور بعض الوقت، يمكن أن يؤدي التركيز العشوائي للطاقة على الجزيء إلى تبخره. تم تطوير نظرية بور بالتفصيل وجعلت من الممكن بناء صورة متسقة لمجموعة متنوعة من التفاعلات النووية، بما في ذلك التفاعلات تحت تأثير النيوترونات والجسيمات المشحونة ذات الطاقات المتوسطة (تصل إلى 100 ميغا إلكترون فولت). وتبين أن مفاهيم درجة الحرارة النووية، والسعة الحرارية النوعية، وتبخر الجسيمات، التي تم تقديمها عن طريق القياس، كانت مفيدة. على سبيل المثال، تبين أن التوزيع الزاوي للجسيمات "المتبخرة" مستقل عن اتجاه الجسيم الساقط، أي. متناحي الخواص، حيث يتم فقدان جميع المعلومات المتعلقة بالاتجاه الأصلي في مرحلة وجود النواة المركبة.

تبين أن نموذج القطرة له قيمة خاصة في تفسير ظاهرة الانشطار النووي، عندما يكون امتصاص نيوترون بطيء واحد كافيا لتقسيم نواة اليورانيوم إلى جزأين متساويين تقريبا مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة. يسبب التنافر الكهروستاتيكي للبروتونات بعض عدم الاستقرار النووي، والذي يتم التغلب عليه عادةً بواسطة القوى النووية التي توفر طاقة ملزمة. ولكن عندما تزداد درجة الحرارة النووية لـ "قطرة" كروية، قد تحدث تذبذبات فيها، ونتيجة لذلك يتشوه القطرة إلى شكل إهليلجي. وإذا استمر تشوه النواة، فقد يسود التنافر الكهروستاتيكي بين نصفيها المشحونين إيجابيا، ومن ثم يحدث انقسامها.

أبعاد وشكل النواة.

لأول مرة، تم تقدير حجم النواة بشكل صحيح بواسطة رذرفورد، باستخدام تشتت جسيمات ألفا لهذا الغرض. أظهرت تجاربه الأولى أن أبعاد الجزء المشحون من النواة تبلغ حوالي 10-14 مترًا، وقد مكنت التجارب اللاحقة والأكثر دقة من إثبات أن نصف قطر النواة يتناسب تقريبًا مع A 1/3، وبالتالي، كثافة المادة النووية ثابتة تقريبًا. (إنه ضخم: 100.000 طن/ملم 3.)

ومع اكتشاف النيوترون، أصبح من الواضح أنه يمثل وسيلة مثالية لدراسة النواة، حيث أن الجسيمات المحايدة، التي تمر على مسافة كبيرة من النواة، لا تنحرف بالشحنة النووية. بمعنى آخر، يصطدم النيوترون بالنواة إذا كانت المسافة بين مراكزها أقل من مجموع أنصاف أقطارها، وبخلاف ذلك لا ينحرف. أظهرت تجارب تشتيت شعاع النيوترونات أن نصف قطر النواة (بافتراض الشكل الكروي) يساوي:

ر = ص 0 أ 1/3 ,

ص 0 » 1.4 س 10 -15 م.

وبالتالي فإن نصف قطر نواة اليورانيوم 238 هو 8.5 × 10 -15 م، والقيمة الناتجة تتوافق مع نصف قطر عمل القوى النووية؛ فهو يميز المسافة من مركز النواة التي يبدأ عندها النوكليون الخارجي المحايد في "الشعور" بتأثيره لأول مرة. هذه القيمة لنصف القطر النووي قابلة للمقارنة بالمسافة من مركز النوى التي تنتشر فيها جسيمات ألفا والبروتونات.

إن تشتت جسيمات ألفا والبروتونات والنيوترونات بواسطة النوى يرجع إلى عمل القوى النووية؛ وبالتالي، فإن قياسات نصف القطر النووي هذه توفر تقديرًا لنصف قطر عمل القوى النووية. يتم تحديد تفاعل الإلكترونات مع النوى بالكامل تقريبًا بواسطة القوى الكهربائية. ولذلك، يمكن استخدام تشتت الإلكترون لدراسة شكل توزيع الشحنة في النواة. قدمت التجارب التي أجريت على الإلكترونات ذات الطاقة العالية جدًا والتي أجراها ر. هوفستاتر في جامعة ستانفورد معلومات مفصلة حول توزيع الشحنة الموجبة على طول نصف قطر النواة. في التين. يوضح الشكل 6 التوزيع الزاوي للإلكترونات بطاقة 154 MeV متناثرة بواسطة نوى الذهب. يصف المنحنى العلوي التوزيع الزاوي المحسوب على افتراض أن الشحنة الموجبة تتركز عند نقطة ما؛ ومن الواضح أن البيانات التجريبية لا تتوافق مع هذا الافتراض. يتم التوصل إلى اتفاق أفضل بكثير في ظل افتراض التوزيع الموحد للبروتونات في جميع أنحاء حجم النواة (المنحنى السفلي). ومع ذلك، تبين أن "نصف قطر الشحنة" أصغر بحوالي 20% من نصف قطر "القوة النووية" الذي تم الحصول عليه من بيانات تشتت النيوترونات. وهذا قد يعني أن توزيع البروتونات في النواة يختلف عن توزيع النيوترونات.

القوى النووية والميزونات.

تم الكشف بوضوح عن نصف قطر عمل القوى النووية لأول مرة في تجارب التشتت التي أجراها رذرفورد. تواجه جسيمات ألفا التي تقترب من مركز النواة ما يصل إلى 10-14 مترًا قوى تختلف علامتها وحجمها عن التنافر الكهروستاتيكي العادي. أظهرت التجارب اللاحقة باستخدام النيوترونات وجود قوى كبيرة قصيرة المدى بين جميع النيوكليونات. وتختلف هذه القوى عن القوى الكهروستاتيكية وقوى الجاذبية المعروفة، والتي لا تختفي حتى على مسافات كبيرة جدًا. القوى النووية هي قوى الجذب، والتي تنبع مباشرة من حقيقة وجود نوى مستقرة، على الرغم من التنافر الكهروستاتيكي للبروتونات فيها. القوى النووية بين أي زوج من النيوكليونات (النيوترونات والبروتونات) هي نفسها؛ ويظهر ذلك من خلال مقارنة مستويات الطاقة في “النوى المرآة” التي تختلف عن بعضها البعض حيث يتم استبدال البروتونات فيها بالنيوترونات والعكس صحيح. تصل القوى النووية ضمن نطاق عملها إلى أحجام كبيرة جدًا. تبلغ الطاقة الكامنة الكهروستاتيكية لبروتونين يقعان على مسافة 1.5 × 10 -15 مترًا عن بعضهما البعض 1 ميجا فولت فقط، وهو أقل بـ 40 مرة من الطاقة الكامنة النووية. تُظهر القوى النووية أيضًا التشبع، نظرًا لأن النوكليون المعين لا يمكنه التفاعل إلا مع عدد محدود من النوكليونات الأخرى. ومن هنا النمو الأولي السريع (مع تزايد أ) متوسط ​​طاقة الربط لكل نيوكليون (الشكل 3)، والثبات النسبي لهذه الطاقة في المستقبل. (إذا تفاعل كل نيوكليون مع جميع النيوكليونات الموجودة في النواة، فإن طاقة الارتباط لكل نيوكليون ستزداد دائمًا بما يتناسب مع أ.)

حتى الآن لا توجد نظرية مرضية للقوى النووية، وتجري دراسة المشكلة بشكل مكثف تجريبيا ونظريا. ومع ذلك، فإن العديد من الأفكار التي تقوم عليها "نظرية الميزون للقوى النووية"، التي نشرها هـ. يوكاوا عام 1935، تبين أنها تتفق مع الحقائق التجريبية. وافترض يوكاوا أن الجذب الذي يحمل النيوكلونات داخل النواة ينشأ بسبب وجود "كمات" مجال معين، تشبه الفوتونات (الكمات الضوئية) للمجال الكهرومغناطيسي وتضمن تفاعل الشحنات الكهربائية. ويترتب على نظرية المجال الكمي أن نصف قطر عمل القوة يتناسب عكسيا مع كتلة الكم المقابل؛ في حالة المجال الكهرومغناطيسي، تكون كتلة الكوانتا - الفوتونات - صفرًا، ونصف قطر عمل القوى لا نهائي. وتبين أن كتلة كمات المجال النووي (التي تسمى "الميزونات")، المحسوبة من نطاق القوى النووية المقاسة تجريبيا، أكبر بحوالي 200 مرة من كتلة الإلكترون.

تم تعزيز موقف نظرية يوكاوا بعد أن اكتشف K. Anderson وS. Neddermeyer في عام 1936 جسيمًا جديدًا بكتلة تبلغ حوالي 200 كتلة إلكترون (يُسمى الآن الميون)، والذي اكتشفوه باستخدام غرفة السحابة في الأشعة الكونية. (في عام 1932 اكتشف أندرسون "البوزيترون"، وهو إلكترون موجب). في البداية بدا أنه تم العثور على كوانتا القوى النووية، لكن التجارب اللاحقة كشفت عن ظرف محبط: "مفتاح القوى النووية" لا يتفاعل مع النوى! ولم يتضح هذا الوضع المربك إلا بعد أن اكتشف س. باول جسيمًا له كتلة مناسبة يتفاعل مع النوى في عام 1947. وتبين أن هذا الجسيم (الذي يُسمى بي ميسون، أو بيون) غير مستقر ويتحلل تلقائيًا، ويتحول إلى ميون. وكان البي ميسون مناسبًا لدور جسيم يوكاوا، وقد تمت دراسة خصائصه بتفصيل كبير من قبل الفيزيائيين الذين استخدموا الأشعة الكونية والمسرعات الحديثة لهذه الأغراض.

على الرغم من أن وجود الميزونات باي شجع مؤيدي نظرية يوكاوا، فقد ثبت أنه من الصعب جدًا التنبؤ بشكل صحيح بمثل هذه الخصائص التفصيلية للقوى النووية مثل تشبعها، وطاقات الارتباط، وطاقات المستوى النووي. لقد منعتنا الصعوبات الرياضية من تحديد ما تتنبأ به هذه النظرية بالضبط. وقد أصبح الوضع أكثر تعقيدا مع اكتشاف أنواع جديدة من الميزونات التي يعتقد أنها مرتبطة بالقوى النووية.