ساختار هسته یک اتم. ساختار و اصول ساختار اتمی ساختار شیمی هسته اتم

اتمکوچکترین ذره یک عنصر شیمیایی است. خواص شیمیایی یک عنصر به ساختار اتم، به ویژه توانایی آن در ترکیب با اتم های عناصر دیگر برای تشکیل مولکول های مواد پیچیده بستگی دارد.

یک اتم شامل یک هسته و الکترون هایی است که در مدارهای خاصی به دور آن می چرخند. هسته اتم حامل بار الکتریکی است q= Ze، جایی کهز – شماره سریال یک عنصر در جدول تناوبی و ه- باصطلاح بار الکتریکی اولیه، که نمی توان آن را به بخش های زیر تقسیم کرد: ه= 1.6 · 10 -19 درجه سانتیگراد (کولن). بار یک ذره بنیادی الکترون برابر است با هو تعداد الکترون های موجود در مدار یک اتم برابر است با ز، بنابراین کل شارژ آنها q ه = – Zeاز نظر مقدار مطلق برابر با بار هسته است، اما از نظر علامت مخالف است، بنابراین اتم به عنوان یک کل از نظر الکتریکی خنثی است.

ابعاد اتم های همه عناصر تقریباً یکسان است و شعاع آنها تقریباً ≈ 10-8 سانتی متر است.

1.1.2. ساختار و خواص هسته اتم

هسته اتمی- قسمت مرکزی اتم که تقریباً تمام جرم آن در آن متمرکز است. هسته اتم از ذرات بنیادی تشکیل شده است - نوکلئون ها، که دارای دو نوع هستند به نام پروتون ها (پ) و نوترون ها (n) . تمام ویژگی های اصلی پروتون ها و نوترون ها - اندازه ها، جرم ها و دیگران - عملاً یکسان هستند و تفاوت اصلی آنها در بار الکتریکی نهفته است: بار پروتون + هو بار نوترون صفر است، یعنی. نوترون از نظر الکتریکی خنثی است.

هسته های مختلف اتم شامل تعداد متفاوتی از هر نوع نوکلئون هستند. تعداد پروتون ها در هسته ز با عدد اتمی عنصر شیمیایی منطبق است و بار الکتریکی هسته را تعیین می کند (به بالا مراجعه کنید). تعداد نوترون ها ن بر بار هسته و در نتیجه تعلق اتم به یک یا عنصر دیگر تأثیر نمی گذارد. بنابراین، هسته های اتم های یک عنصر یکسان هستند ز ، اما ممکن است متفاوت باشد ن. انواع یک عنصر با تعداد نوترون های مختلف در هسته آنها نامیده می شود ایزوتوپآمی. از آنجایی که جرم پروتون ها و نوترون ها تقریباً یکسان است، جرم هسته با تقریب اول با تعداد کل تمام نوکلئون ها تعیین می شود. ن + ز = A . بنابراین تعداد آتماس گرفت عدد جرمی. هنگام نشان دادن ایزوتوپ ها، عدد جرمی در سمت چپ بالای نماد عنصر شیمیایی نشان داده می شود. به عنوان مثال، ایزوتوپ های هیدروژن شناخته شده اند: هیدروژن معمولی، هسته آن یک پروتون تنها است - 1 H، هیدروژن سنگین (دوتریوم)، که در هسته آن یک نوترون به پروتون اضافه می شود - 2 H، و هیدروژن فوق سنگین. (تریتیوم) 3 H که هسته های آن از یک پروتون و دو نوترون تشکیل شده است. دوتریوم و تریتیوم گاهی اوقات به ترتیب با نمادهای D و T مشخص می شوند. همه عناصر دارای ایزوتوپ هستند و در برخی موارد تعداد آنها به دو تا سه ده می رسد. اورانیوم طبیعی ( ز= 92) سه ایزوتوپ وجود دارد: 234 U، 235 U و 238 U، و علاوه بر این، چندین ایزوتوپ دیگر به طور مصنوعی به دست می آید: 232 U، 233 U، 236 U، 239 U و دیگران. همه ایزوتوپ های یک عنصر دارای خواص شیمیایی یکسانی هستند - آنها تحت واکنش های شیمیایی یکسانی قرار می گیرند، ترکیبات شیمیایی مشابهی را تشکیل می دهند و غیره، اما خواص هسته ای آنها می تواند بسیار متفاوت باشد. به عنوان مثال، 235 هسته U توسط نوترون های آهسته شکافته می شوند، اما 238 هسته U این گونه نیستند (به زیر مراجعه کنید).

هسته هایی با تعداد یکسان از همه نوکلئون ها و بنابراین با تعداد جرمی یکسان آ،نامیده می شوند ایزوبارآمی، یعنی هسته های تقریباً هم وزن (از کلمه یونانی baros - وزن). ایزوبارها به عنوان مثال هسته های 3 H و 3 He یا 58 Fe و 58 Ni هستند. گاهی اوقات هسته ها جدا می شوند ایزوتون ها، حاوی همان تعداد نوترون و هسته است ایزومرها، که در ادامه با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

امکان ترکیب اعداد مختلف زو ن منجر به احتمال وجود تعداد زیادی از انواع مختلف هسته می شود. هر نوع هسته با معانی خاص زو ن تماس گرفت هسته. حدود 300 هسته مختلف در طبیعت وجود دارد و بیش از 2000 نوکلید دیگر را می توان به صورت مصنوعی تولید کرد.

بارهای الکتریکی پروتون هایی به همین نام مطابق قوانین الکترواستاتیک یکدیگر را دفع می کنند و سعی می کنند هسته را تکه تکه کنند. با این حال، مشخص است که هسته بسیاری از هسته‌ها اشیایی بسیار بادوام هستند که می‌توانند تقریباً برای همیشه و بدون هیچ تغییری وجود داشته باشند. این واقعیت نشان می‌دهد که در هسته تعدادی نیروهای جاذبه قوی بین نوکلئون‌ها وجود دارد که قدر آنها بسیار بیشتر از نیروهای دافعه الکترواستاتیکی است. این نیروها نامیده می شوند نیروهای هسته ای. نیروهای هسته ای دارای تعدادی ویژگی خاص هستند که به شدت آنها را از سایر نیروهای موجود در طبیعت متمایز می کند. اندازه بزرگ آنها با ذخایر انرژی عظیم موجود در هسته اتم مرتبط است.

ابعاد هسته اتمبسیار کوچک - حدود 10-12 سانتی متر این بدان معنی است که هسته 10000 بار کوچکتر از خود اتم است. اما در این هسته هاست که بیش از 99.9 درصد از جرم کل ماده و ذخایر عظیم انرژی متمرکز شده است. آزمایش ها نشان می دهد که شعاع همه هسته ها به تعداد نوکلئون های هسته بستگی دارد و با یک فرمول ساده بیان می شوند:

R=1.4·10 -13 آ 1/3 سانتی متر.

توده هسته.در ابتدا متذکر می شویم که در فیزیک هسته ای مرسوم است که نه با جرم هسته ها، بلکه با جرم اتم ها سروکار داشته باشیم، زیرا اندازه گیری آنها آسان تر است و در صورت لزوم، جرم هسته را همیشه می توان به راحتی پیدا کرد. با کم کردن آن از جرم اتم مجرم کل الکترون ها Zm ه، زیرا جرم الکترون به خوبی شناخته شده است: متر ه= 9.108·10 -28 گرم برای بیان جرم اتم ها در فیزیک هسته ای، یک واحد خاص اتخاذ شده است که به آن می گویند واحد جرم اتمی(amu) و به عنوان یک دوازدهم جرم یک اتم از ایزوتوپ اصلی کربن 12 C تعریف می شود نامیده میشود جرم اتمی M..واحد جرم اتمی به طور خاص به گونه ای انتخاب شد که جرم های اتمی، گرد شده به اعداد کامل، با اعداد اتمی منطبق شوند، یعنی. با تعداد نوکلئون های موجود در هسته مثلا:

م(1 N) = 1.007825 amu،

م(238 U) = 238.05076 a.m.u.

تفاوت بین جرم اتمی و عدد جرمی نامیده می شود اضافییا کاهش توده: δ = M–A.این مقادیر هستند که معمولاً در جداول آورده می شوند تا آنها را با اعداد غیر ضروری در هم نریزید و با دانستن کاهش ، همیشه می توانید مقدار دقیق جرم اتم را پیدا کنید. م=آ +δ.

جرم اتمی با استفاده از ابزارهای خاص اندازه گیری می شود طیف نگارهای جرمیو طیف سنج جرمی،اصل عملکرد آن مبتنی بر انحراف پرتوهای یونی در میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی است: هر چه یون سنگین‌تر باشد، هنگام پرواز در چنین میدان‌هایی کمتر منحرف می‌شود. بنابراین، می توان از بزرگی انحراف برای تعیین جرم یون استفاده کرد.

روش های فیزیکی مختلف برای جداسازی آنها نیز بر اساس تفاوت در جرم اتم های ایزوتوپ های مختلف است، زیرا روش های شیمیایی برای جداسازی مواد برای جداسازی ایزوتوپ ها کاملاً نامناسب است.

انرژی اتصال هسته ای. با وارد کردن مقدار کافی انرژی به هسته می توان بر اثر نیروهای هسته ای غلبه کرد. مقدار انرژی که باید برای شکستن یک هسته به نوکلئون های منفرد صرف شود، نامیده می شود انرژی اتصال هسته ای. همان مقدار انرژی در طول تشکیل یک هسته از تک تک نوکلئون ها آزاد می شود و سیستم را به شکل پرتوهای گاما ساطع می کند. انرژی پیوند هر نوکلئون یا گروهی از نوکلئون ها به طور مشابه تعیین می شود، به عنوان مثال: انرژی اتصال یک نوترون در یک هسته، انرژی است که باید برای حذف یک نوترون از هسته صرف شود.

انرژی اتصال ویژه نوکلئون ها در یک هستهکه در . این نامی است که به کسری از کل انرژی اتصال یک هسته داده می شود که به طور متوسط ​​به ازای هر نوکلئون در هسته می افتد. از این تعریف به دست می آید: B = E St. /آ. اندازه که دربه تعداد نوکلئون های هسته بستگی دارد آ(شکل 1): با رشد آارزش های که دردر ابتدا به شدت افزایش می یابند و سپس پس از عبور از حداکثر صاف به تدریج کاهش می یابند. علاوه بر این، بیشتر هسته ها (به جز سبک ترین) دارای مقادیر هستند که درتفاوت چندانی با 8 مگا ولت ندارد. شکل منحنی انرژی اتصال ویژه در شکل 1.1 نشان می دهد که هسته هایی با مقادیر متوسط ​​محکم ترین محدود هستند. آ. به همین دلیل است که چگونه فرآیندهای شکافت هسته های سنگین،بنابراین و فرآیندهای همجوشی هسته های سبک،منجر به تشکیل هسته‌هایی با تعداد جرم متوسط ​​می‌شود که از نظر انرژی مطلوب هستند، یعنی. همراه با آزاد شدن انرژی عظیمبنابراین، دو روش شناخته شده برای به دست آوردن انرژی "هسته ای" بر اساس این فرآیندها است - به ترتیب شکافت هسته های سنگین و همجوشی هسته های سبک (گرما هسته ای).

نقص انبوهطبق نظریه نسبیت، هر تغییری در انرژی یک سیستم با تغییر جرم آن همراه است: Δ E =Δ ام‌اس 2 . از آنجایی که انرژی اتصال در هنگام تشکیل یک هسته از تک نوکلئون ها آزاد می شود، طبق آخرین رابطه، چنین فرآیندی باید منجر به کاهش جرم سیستم شود. بنابراین، جرم هسته همیشه کمتر از مجموع جرم تک تک نوکلئون هایی است که هسته را تشکیل می دهند:

Δ م= ZM اچ + (A - Z)m n - M(A,Z).

شکل 1.1. وابستگی انرژی اتصال ویژه به عدد جرمی نوکلید.

به این کاهش جرم در هنگام تشکیل هسته می گویند نقص انبوه(اینجا م اچ - جرم اتم هیدروژن، متر n- جرم نوترون، م(آ, ز) – جرم اتم مورد نظر.). به یاد بیاوریم که اگرچه جرم اتم ها در این عبارت ظاهر می شود، اتم (آ, ز) حاوی دقیقاً همان تعداد الکترون است زاتم‌های هیدروژن، بنابراین جرم الکترون کاهش می‌یابد و نقص جرمی در واقع بیانگر تفاوت جرم هر نوکلئون و هسته مورد نظر است.

از موارد فوق چنین استنباط می شود که نقص جرمی انرژی اتصال هسته را تعیین می کند: E St. =Δ ام‌اس 2 . اگر با استفاده از رابطه، این عبارت را می توان به طور قابل توجهی ساده کرد E= ام‌اس 2 مقدار انرژی مربوط به یک واحد جرم اتمی را پیدا کنید: 1a.u.m = 931.5 MeV. سپس مقدار Δ را محاسبه کنید مدر واحدهای جرم اتمی، می توانید به راحتی مقدار انرژی اتصال را در MeV پیدا کنید: Eنور (MeV) = 931.5·Δ م(آ.م).

بیان نقص جرم را نیز می توان با بیان تمام جرم های موجود در آن از طریق کاهش های مربوطه ساده کرد: م اچ= 1 + δ(Н)، متر n = 1 + δ n , م(آ, ز) = A +δ( آ, ز) که پس از کاهش عبارت های مشابه به دست می آید:

Δ م= زδ(H) + (A - Z) δ n – δ( A، Z).

حالات انرژی هسته هانوکلئون ها و هسته های اتمی متشکل از آنها، مانند سایر ذرات بنیادی، تابع قوانین مکانیک کوانتومی هستند که از جهات مختلف با قوانین فیزیک کلاسیک متفاوت است. به طور خاص، انرژی در جهان خرد فقط در بخش های خاصی (کوانتا) و نه به طور مداوم، مانند مکانیک کلاسیک، می تواند تغییر کند. بر این اساس، هسته فقط می تواند در حالت هایی با مقادیر انرژی مشخص باشد و حالت های میانی غیرممکن است. این حالت ها معمولا در نمودارها با خط تیره نشان داده می شوند که نامیده می شوند سطوح انرژی(شکل 1.2). انرژی در چنین مدارهایی از پایین به بالا رسوب می کند. حالتی با کمترین انرژی ممکن نامیده می شود اصلی، دیگر - برانگیخته. معمولاً همه هسته ها در حالت پایه خود هستند، اما با دریافت انرژی کافی، می توانند به یکی از حالت های برانگیخته بروند. انرژی E من ، برای انتقال هسته به منحالت -ام در نمودارهای سطح در کنار سطح مربوطه نشان داده شده است (انرژی حالت پایه 0 در نظر گرفته می شود). یک بار منسطح -ام، هسته می تواند به هر کدام برود بهسطح -ام با انرژی کمتر. با چنین انتقالی، اختلاف انرژی آزاد می شود که توسط یک کوانتوم گاما که از هسته فرار می کند، منتقل می شود: E γ = E من - E به. پس از چندین چنین انتقال، نامیده می شود آبشار، هسته به حالت اولیه باز می گردد. زمانی که هسته در حالت برانگیخته است نامیده می شود طول عمرسطح مربوطه و با حرف τ مشخص می شود. برای سطوح برانگیخته پایین تر، مقادیر τ معمولاً در مرتبه 10 -10 - 10 -12 ثانیه، برای سطوح بالا - حتی کمتر، در مرتبه 10 -15 - 10 -17 ثانیه است. با این حال، برخی از هسته‌ها سطوح هیجان‌انگیز با طول عمر غیرعادی طولانی از چند ثانیه تا میلیون‌ها سال دارند. چنین سطوح با عمر طولانی نامیده می شود سطوح غیر پایدارو کل پدیده به عنوان یک کل - ایزومریسم هسته ای.

شکل 1.2. نمودار سطح هسته ای

علاوه بر انرژی، هر سطح با تعدادی کمیت مشخص می شود، از جمله حرکت زاویه ای. در مکانیک کوانتومی تکانه زاویه ای کمیت است پ=ћ√ من(من+1), جایی که من- باصطلاح عدد کوانتومی تکانه زاویه ای. از آنجایی که ارزش پبه طور منحصر به فرد توسط تعداد تعیین می شود من، پس معمولاً هنگام صحبت در مورد تکانه زاویه ای فقط این عدد فراخوانی می شود. طبق قوانین مکانیک کوانتومی، هسته هایی با تعداد نوکلئون زوج دارای مقادیر هستند منفقط می تواند اعداد صحیح باشد: 0، 1، 2، 3، ...، و برای هسته هایی با تعداد فرد نوکلئون - فقط اعداد نیمه صحیح: 1/2، 3/2، 5/2، و غیره. هر سطح هیجان‌زده مقدار عددی خاص خود را دارد من، تعیین می شود، به عنوان یک قاعده، تجربی. شماره منبه شدت بر احتمال انتقال هسته بین سطوح تأثیر می گذارد: تفاوت در مقادیر بیشتر است منبین سطوح اولیه و نهایی Δ من= من من - من ک، احتمال انتقال کمتر است.

همانطور که می دانید، همه چیز در جهان از اتم تشکیل شده است. اتم کوچکترین واحد ماده است که دارای خواص آن است. به نوبه خود، ساختار اتم از سه گانه جادویی ریزذرات تشکیل شده است: پروتون، نوترون و الکترون.

علاوه بر این، هر یک از ریزذرات جهانی است. یعنی شما نمی توانید دو پروتون، نوترون یا الکترون متفاوت در جهان پیدا کنید. همه آنها کاملاً شبیه یکدیگر هستند. و خواص اتم فقط به ترکیب کمی این ریزذرات در ساختار کلی اتم بستگی دارد.

به عنوان مثال، ساختار یک اتم هیدروژن از یک پروتون و یک الکترون تشکیل شده است. پیچیده ترین اتم بعدی هلیوم از دو پروتون، دو نوترون و دو الکترون تشکیل شده است. اتم لیتیوم - از سه پروتون، چهار نوترون و سه الکترون و غیره ساخته شده است.

ساختار اتمی (از چپ به راست): هیدروژن، هلیوم، لیتیوم

اتم ها با هم ترکیب می شوند و مولکول ها را تشکیل می دهند و مولکول ها با هم ترکیب می شوند و مواد، مواد معدنی و موجودات را تشکیل می دهند. مولکول DNA، که اساس همه موجودات زنده است، ساختاری است که از همان سه آجر جادویی جهان به عنوان سنگی که روی جاده قرار دارد، جمع شده است. اگرچه این ساختار بسیار پیچیده تر است.

حقایق شگفت‌انگیز تری نیز آشکار می‌شوند که سعی می‌کنیم نگاه دقیق‌تری به نسبت‌ها و ساختار سیستم اتمی بیندازیم. مشخص است که یک اتم شامل یک هسته و الکترون هایی است که در امتداد مسیری که یک کره را توصیف می کند در اطراف آن حرکت می کنند. یعنی حتی نمی توان آن را یک حرکت به معنای معمول کلمه نامید. در عوض، الکترون در همه جا و بلافاصله در این کره قرار دارد و یک ابر الکترونی در اطراف هسته ایجاد می کند و یک میدان الکترومغناطیسی را تشکیل می دهد.

نمایش شماتیک از ساختار اتم

هسته یک اتم از پروتون و نوترون تشکیل شده است و تقریباً تمام جرم سیستم در آن متمرکز است. اما در عین حال، خود هسته آنقدر کوچک است که اگر شعاع آن به مقیاس 1 سانتی متر افزایش یابد، شعاع کل ساختار اتمی به صدها متر می رسد. بنابراین، هر چیزی که ما به عنوان ماده متراکم درک می کنیم از بیش از 99٪ پیوندهای انرژی بین ذرات فیزیکی به تنهایی و کمتر از 1٪ از خود اشکال فیزیکی تشکیل شده است.

اما این اشکال فیزیکی چیست؟ از چه چیزی ساخته شده اند و از چه موادی تشکیل شده اند؟ برای پاسخ به این سوالات، اجازه دهید نگاهی دقیق تر به ساختار پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها بیندازیم. بنابراین، ما یک پله دیگر به اعماق ریزجهان فرود می آییم - تا سطح ذرات زیراتمی.

الکترون از چه چیزی تشکیل شده است؟

کوچکترین ذره یک اتم یک الکترون است. الکترون جرم دارد اما حجم ندارد. در مفهوم علمی، الکترون از چیزی تشکیل نمی شود، بلکه یک نقطه بدون ساختار است.

الکترون را نمی توان زیر میکروسکوپ دید. این فقط به شکل یک ابر الکترونی قابل مشاهده است که شبیه یک کره تار در اطراف هسته اتم است. در عین حال، نمی توان با دقت گفت که الکترون در یک لحظه از زمان در کجا قرار دارد. ابزارها می توانند نه خود ذره، بلکه فقط ردپای انرژی آن را بگیرند. جوهر الکترون در مفهوم ماده گنجانده نشده است. بیشتر شبیه یک شکل خالی است که فقط در حرکت و به دلیل حرکت وجود دارد.

هنوز هیچ ساختاری در الکترون کشف نشده است. این همان ذره نقطه ای یک کوانتوم انرژی است. در واقع، یک الکترون انرژی است، اما شکل پایدارتری از آن نسبت به شکلی است که توسط فوتون های نور نشان داده می شود.

در حال حاضر، الکترون غیر قابل تقسیم در نظر گرفته می شود. این قابل درک است، زیرا تقسیم چیزی که حجم ندارد غیرممکن است. با این حال، این نظریه قبلاً پیشرفت هایی دارد که براساس آن الکترون شامل سه گانه ای از شبه ذرات است مانند:

• اوربیتون - حاوی اطلاعاتی در مورد موقعیت مداری الکترون است.
• اسپینون - مسئول چرخش یا گشتاور است.
• هولون - حامل اطلاعاتی در مورد بار الکترون است.

با این حال، همانطور که می بینیم، شبه ذرات مطلقاً هیچ شباهتی با ماده ندارند و فقط حاوی اطلاعات هستند.

عکس هایی از اتم های مواد مختلف در میکروسکوپ الکترونی

جالب اینجاست که یک الکترون می تواند کوانتوم های انرژی مانند نور یا گرما را جذب کند. در این حالت، اتم به سطح انرژی جدید حرکت می کند و مرزهای ابر الکترونی گسترش می یابد. همچنین اتفاق می افتد که انرژی جذب شده توسط یک الکترون آنقدر زیاد است که می تواند از سیستم اتمی به بیرون بپرد و به عنوان یک ذره مستقل به حرکت خود ادامه دهد. در عین حال، مانند یک فوتون نور رفتار می کند، یعنی به نظر می رسد که دیگر ذره نیست و شروع به نشان دادن ویژگی های یک موج می کند. این در یک آزمایش ثابت شد.

آزمایش یونگ

در طول آزمایش، جریانی از الکترون ها به صفحه ای که دو شکاف در آن بریده شده بود هدایت شد. با عبور از این شکاف ها، الکترون ها با سطح صفحه نمایش برآمده دیگری برخورد کردند و اثر خود را بر روی آن باقی گذاشتند. در نتیجه این "بمباران" الکترون ها، یک الگوی تداخلی روی صفحه نمایش ظاهر شد، شبیه به آنچه که اگر امواج، اما نه ذرات، از دو شکاف عبور کنند، ظاهر می شود.

این الگو به این دلیل رخ می دهد که موجی که از بین دو شکاف عبور می کند به دو موج تقسیم می شود. در نتیجه حرکت بیشتر، امواج با یکدیگر همپوشانی دارند و در برخی مناطق به طور متقابل لغو می شوند. نتیجه به جای یک خط، بسیاری از خطوط روی صفحه نمایش است، همانطور که اگر الکترون مانند یک ذره رفتار می کرد.

ساختار هسته اتم: پروتون و نوترون

پروتون ها و نوترون ها هسته یک اتم را تشکیل می دهند. و با وجود این واقعیت که هسته کمتر از 1٪ از حجم کل را اشغال می کند، در این ساختار است که تقریبا کل جرم سیستم متمرکز شده است. اما فیزیکدانان در مورد ساختار پروتون ها و نوترون ها اختلاف نظر دارند و در حال حاضر دو نظریه وجود دارد.

• نظریه شماره 1 - استاندارد

مدل استاندارد می گوید که پروتون ها و نوترون ها از سه کوارک تشکیل شده اند که توسط ابری از گلوئون ها به هم متصل شده اند. کوارک ها ذرات نقطه ای هستند، درست مانند کوانتوم ها و الکترون ها. و گلوئون ها ذرات مجازی هستند که برهمکنش کوارک ها را تضمین می کنند. با این حال، نه کوارک و نه گلوئون هرگز در طبیعت یافت نشد، بنابراین این مدل در معرض انتقاد شدید قرار دارد.

• نظریه شماره 2 - جایگزین

اما بر اساس نظریه جایگزین میدان یکپارچه که توسط انیشتین ارائه شد، پروتون نیز مانند نوترون، مانند هر ذره دیگری از جهان فیزیکی، یک میدان الکترومغناطیسی است که با سرعت نور در حال چرخش است.

میدان های الکترومغناطیسی انسان و سیاره

اصول ساختار اتمی چیست؟

همه چیز در جهان - نازک و متراکم، مایع، جامد و گاز - فقط حالت های انرژی میدان های بی شماری است که در فضای کیهان نفوذ می کند. هر چه سطح انرژی در میدان بالاتر باشد، نازک تر و کمتر قابل درک است. هر چه سطح انرژی کمتر باشد، پایدارتر و ملموس تر است. ساختار اتم، و همچنین ساختار هر واحد دیگری از کیهان، در تعامل چنین میدان هایی نهفته است - از نظر چگالی انرژی متفاوت است. معلوم می شود که ماده فقط یک توهم ذهن است.

« فیزیک - پایه یازدهم"

ساختار هسته اتم. نیروهای هسته ای

بلافاصله پس از کشف نوترون در آزمایشات چادویک، فیزیکدان شوروی D. D. Ivanenko و دانشمند آلمانی W. Heisenberg در سال 1932 یک مدل پروتون-نوترون از هسته را پیشنهاد کردند.
این توسط مطالعات بعدی تحولات هسته ای تأیید شد و اکنون به طور کلی پذیرفته شده است.

مدل پروتون-نوترونی هسته

بر اساس مدل پروتون-نوترون، هسته ها از دو نوع ذرات بنیادی تشکیل شده اند - پروتون ها و نوترون ها.

از آنجایی که اتم به عنوان یک کل از نظر الکتریکی خنثی است و بار پروتون برابر با مدول بار یک الکترون است، تعداد پروتون های هسته برابر با تعداد الکترون های پوسته اتمی است.
بنابراین تعداد پروتون های هسته برابر با عدد اتمی عنصر است زدر سیستم تناوبی عناصر توسط D.I.

مجموع تعداد پروتون ها زو تعداد نوترون ها ندر هسته نامیده می شود عدد جرمیو با حرف مشخص می شود آ:

A = Z + N

جرم پروتون و نوترون به هم نزدیک است و هر کدام تقریباً برابر با یک واحد جرم اتمی است.
جرم الکترون های یک اتم بسیار کمتر از جرم هسته آن است.
بنابراین، تعداد جرمی هسته برابر با جرم اتمی نسبی عنصر است که به یک عدد کامل گرد شده است.
اعداد جرمی را می توان با اندازه گیری تقریباً جرم هسته ها با استفاده از ابزارهایی که دقت بالایی ندارند تعیین کرد.

ایزوتوپ ها هسته هایی با همان ارزش هستند ز، اما با اعداد جرمی متفاوت آ، یعنی با تعداد مختلف نوترون ن.

نیروهای هسته ای

از آنجایی که هسته‌ها بسیار پایدار هستند، پروتون‌ها و نوترون‌ها باید توسط برخی نیروها و در عین حال نیروهای بسیار قوی درون هسته نگه داشته شوند.
این نیروهای گرانشی نیستند که خیلی ضعیف هستند.
پایداری هسته را نمی توان با نیروهای الکترومغناطیسی نیز توضیح داد، زیرا دافعه الکتریکی بین پروتون های دارای بار مشابه عمل می کند.
و نوترون ها بار الکتریکی ندارند.

این بدان معنی است که بین ذرات هسته ای - پروتون و نوترون، آنها نامیده می شوند نوکلئون ها- نیروهای ویژه ای هستند که نامیده می شوند نیروهای هسته ای.

خواص اصلی نیروهای هسته ای چیست؟ نیروهای هسته ای تقریباً 100 برابر بیشتر از نیروهای الکتریکی (کولن) هستند.
اینها قدرتمندترین نیروهای موجود در طبیعت هستند.
بنابراین، فعل و انفعالات ذرات هسته ای اغلب نامیده می شود تعاملات قوی.

برهمکنش های قوی نه تنها در برهمکنش های نوکلئون ها در هسته خود را نشان می دهند.
این نوع خاصی از برهمکنش ذاتی بیشتر ذرات بنیادی همراه با برهمکنش های الکترومغناطیسی است.

یکی دیگر از ویژگی های مهم نیروهای هسته ای مدت کوتاه آنهاست.
نیروهای الکترومغناطیسی با افزایش فاصله نسبتاً آهسته ضعیف می شوند.
نیروهای هسته ای به طور قابل توجهی خود را فقط در فواصل برابر با اندازه هسته (10-12-10-13 سانتی متر) نشان می دهند، که قبلاً توسط آزمایش های رادرفورد در مورد پراکندگی ذرات α توسط هسته های اتمی نشان داده شده بود.
یک نظریه کمی کامل در مورد نیروهای هسته ای هنوز ایجاد نشده است.
پیشرفت قابل توجهی در توسعه آن به تازگی - در 10-15 سال گذشته - به دست آمده است.

هسته اتم ها از پروتون و نوترون تشکیل شده است. این ذرات توسط نیروهای هسته ای در هسته نگه داشته می شوند.

ایزوتوپ ها

مطالعه پدیده رادیواکتیویته منجر به کشف مهمی شد: ماهیت هسته های اتم روشن شد.

در نتیجه مشاهده تعداد زیادی از تبدیلات رادیواکتیو، به تدریج کشف شد که موادی وجود دارند که از نظر خواص شیمیایی یکسان هستند، اما دارای خواص رادیواکتیو کاملاً متفاوت هستند (یعنی به طور متفاوتی تجزیه می شوند).
آنها را نمی توان با هیچ یک از روش های شیمیایی شناخته شده جدا کرد.
بر این اساس، سودی در سال 1911 امکان وجود عناصری با خواص شیمیایی یکسان، اما به ویژه در رادیواکتیویته آنها را پیشنهاد کرد.
این عناصر باید در همان سلول سیستم تناوبی مندلیف قرار گیرند.
سودی به آنها زنگ زد ایزوتوپ ها(یعنی اشغال همان مکان ها).

فرض سودی یک سال بعد، زمانی که جی جی تامسون با انحراف آنها در میدان های الکتریکی و مغناطیسی، اندازه گیری های دقیقی از جرم یون های نئون انجام داد، تأیید درخشان و تفسیر عمیقی دریافت کرد.
او کشف کرد که نئون مخلوطی از دو نوع اتم است.
اکثر آنها دارای جرم نسبی 20 هستند.
اما کسر کوچکی از اتم ها با جرم اتمی نسبی 22 وجود دارد.
در نتیجه، جرم اتمی نسبی مخلوط 20.2 در نظر گرفته شد.
اتم هایی که خواص شیمیایی یکسانی دارند از نظر جرم با هم تفاوت دارند.

هر دو نوع اتم نئون، به طور طبیعی، یک مکان را در جدول D.I اشغال می کنند و بنابراین، ایزوتوپ هستند.
بنابراین، ایزوتوپ ها می توانند نه تنها از نظر خواص رادیواکتیو، بلکه از نظر جرم نیز متفاوت باشند.
به همین دلیل است که ایزوتوپ ها دارای بارهای یکسانی از هسته اتم هستند، به این معنی که تعداد الکترون های موجود در لایه اتم ها و در نتیجه خواص شیمیایی ایزوتوپ ها یکسان است.
اما جرم هسته ها متفاوت است.
علاوه بر این، هسته ها می توانند هم رادیواکتیو و هم پایدار باشند.
تفاوت در خواص ایزوتوپ های رادیواکتیو به این دلیل است که هسته آنها دارای جرم های مختلف است.

وجود ایزوتوپ برای اکثر عناصر شیمیایی اکنون ثابت شده است.
برخی از عناصر فقط ایزوتوپ های ناپایدار (یعنی رادیواکتیو) دارند.
سنگین ترین عنصر موجود در طبیعت - اورانیوم (جرم اتمی نسبی 238، 235، و غیره) و سبک ترین - هیدروژن (جرم اتمی نسبی 1، 2، 3) دارای ایزوتوپ هستند.

ایزوتوپ های هیدروژن به ویژه جالب هستند، زیرا جرم آنها 2 و 3 برابر است.
ایزوتوپی با جرم اتمی نسبی 2 نامیده می شود دوتریوم.
پایدار است (یعنی رادیواکتیو نیست) و به صورت ناخالصی کوچک (1:4500) در هیدروژن معمولی ظاهر می شود.
هنگامی که دوتریوم با اکسیژن ترکیب می شود، به اصطلاح آب سنگین تشکیل می شود.
خواص فیزیکی آن به طور قابل توجهی با خواص آب معمولی متفاوت است.
در فشار معمولی اتمسفر، در 101.2 درجه سانتیگراد می جوشد و در 3.8 درجه سانتیگراد یخ می زند.

ایزوتوپ هیدروژن با جرم اتمی 3 نامیده می شود تریتیوم.
بتا رادیواکتیو است و نیمه عمر آن حدود 12 سال است.

وجود ایزوتوپ‌ها ثابت می‌کند که بار هسته اتم تمام خواص اتم را تعیین نمی‌کند، بلکه فقط ویژگی‌های شیمیایی آن و آن دسته از خواص فیزیکی را تعیین می‌کند که به محیط پوسته الکترونی، به عنوان مثال، اندازه اتم بستگی دارد.
جرم یک اتم و خواص رادیواکتیو آن با شماره سریال در جدول مندلیف تعیین نمی شود.

قابل توجه است که هنگام اندازه گیری دقیق جرم اتمی ایزوتوپ ها، مشخص شد که آنها به اعداد کامل نزدیک هستند.
اما جرم اتمی عناصر شیمیایی گاهی با اعداد کامل تفاوت زیادی دارد.
بنابراین، جرم اتمی نسبی کلر 35.5 است.
این بدان معناست که در حالت طبیعی خود، یک ماده شیمیایی خالص مخلوطی از ایزوتوپ ها به نسبت های مختلف است.
یکپارچگی (تقریبی) جرم اتمی نسبی ایزوتوپ ها برای روشن شدن ساختار هسته اتم بسیار مهم است.

اکثر عناصر شیمیایی ایزوتوپ دارند.
بارهای هسته اتمی ایزوتوپ ها یکسان است، اما جرم هسته ها متفاوت است.

وجود هسته های اتمی اولین بار به صورت تجربی در آزمایش های معروف پراکندگی ذرات آلفای رادرفورد به اثبات رسید. در این آزمایش ها می توان اندازه هسته را نیز تعیین کرد. معلوم شد که قطر هسته از مرتبه . در نتیجه یک مدل سیاره ای از اتم پدیدار شد که توسط N. Bohr به تفصیل توسعه داده شد. نظریه بور توضیح بسیاری از خواص مشاهده شده اتم ها را ممکن ساخت.

هسته اتم در زمین و در فضا.حقایق تجربی متعدد، مانند رادیواکتیویته طبیعی و مصنوعی، واکنش های هسته ای، ساختار پیچیده هسته را نشان می دهد. با این حال، در دنیای زمینی اطراف ما، هسته های اتمی، به عنوان یک قاعده، فقط در حالت های انرژی اولیه خود وجود دارند. بیشتر هسته ها کاملاً منفعل عمل می کنند و فقط به عنوان حامل بار و جرم الکتریکی عمل می کنند و به هیچ وجه خصوصیات دینامیکی درونی خود را نشان نمی دهند. در واقع، بر روی زمین، همه پدیده های هسته ای جالب تنها در دنیای مصنوعی ساخت بشر از راکتورهای هسته ای و شتاب دهنده های ذرات باردار رخ می دهند. تأثیرگذارترین پدیده‌ها در شتاب‌دهنده‌های غول‌پیکر اتفاق می‌افتند که می‌توانند انرژی‌های عظیمی را به ذرات شتاب‌دار - «پرتابه‌ها» - که در شرایط عادی با آن‌ها مواجه نمی‌شوند، منتقل کنند.

وضعیت در مقیاس کیهان متفاوت است. دگرگونی‌های انرژی که در اعماق ستارگان، اختروش‌ها و دیگر اجرام فضایی رخ می‌دهند، عرصه‌ای برای تجلی ویژگی‌های دینامیکی هسته‌ها و ذرات بنیادی هستند. در نهایت، همه منابع انرژی موجود در زمین را مدیون این فرآیندها هستیم. و خود ترکیب دنیای مادی اطراف ما امروز محصول واکنش های هسته ای است که در طول تاریخ کیهان رخ می دهد.

ترکیب هسته اتم.بر اساس مفاهیم مدرن، هسته اتم هر عنصر از پروتون و نوترون تشکیل شده است که نوکلئون نامیده می شود. مشخصه های اصلی هسته های پایدار تعداد بار است که برابر با تعداد پروتون های تشکیل دهنده هسته و عدد جرمی A است که برابر با تعداد کل نوکلئون های هسته است. تعداد نوترون های هسته آشکارا برابر با تفاوت است

از آنجایی که بار پروتون یک بار مثبت اولیه Cl است، بار الکتریکی هسته برابر است با . در یک اتم خنثی، تعداد کل الکترون‌های لایه الکترونی برابر است، بنابراین تعداد بار هسته با عدد اتمی عنصر در سیستم تناوبی مندلیف منطبق است و تمام خواص شیمیایی آن را تعیین می‌کند.

همراه با عبارت "هسته اتمی"، از اصطلاح هسته نیز استفاده می شود. هسته‌هایی با تعداد بار یکسان، اما تعداد نوترون‌های متفاوت، ایزوتوپ نامیده می‌شوند، زیرا آنها با یک عنصر شیمیایی، یعنی همان مکان در جدول تناوبی مطابقت دارند. عناصر شیمیایی چندین ایزوتوپ دارند و در طبیعت به صورت مخلوط هایی با درصد خاصی یافت می شوند. نوکلئیدهایی با اعداد جرمی یکسان A، اما با اعداد متفاوت، ایزوبار (یعنی به همان اندازه سنگین) نامیده می شوند.

جرم پروتون ها و نوترون ها بسیار نزدیک هستند: جرم پروتون جرم یک نوترون است که کیلوگرم جرم یک الکترون است. بنابراین، جرم یک نوکلید عملاً با تعداد کل A از نوکلئون های موجود در آن تعیین می شود و نه با مقادیر و واحد جرم اتمی 1/12 جرم یک هسته ایزوتوپ کربن در نظر گرفته می شود. حاوی 12 نوکلئون بنابراین، در واحدهای اتمی، جرم هر نوکلئونی تقریباً هیچ تفاوتی با واحد ندارد. در این واحدها جرم هسته تقریباً برابر با عدد جرمی A است.

انرژی ارتباطات.همزمانی نادرست جرم یک هسته با عدد جرمی آن نه تنها به دلیل تفاوت در جرم پروتون ها و نوترون ها است، بلکه به این دلیل است که جرم آنها به طور افزایشی به جرم هسته ای M که تشکیل می دهند جمع نمی شود. :

تفاوت مجموع جرم پروتون ها و نوترون ها و جرم هسته M را نقص جرم می گویند. نقص جرمی انرژی اتصال هسته را تعیین می کند، یعنی انرژی ای که باید برای تقسیم هسته به نوکلئون های منفرد صرف شود:

رابطه (1) نتیجه فرمول نسبیتی کلی است که انرژی باقیمانده هر جسم را با جرم آن مرتبط می کند.

نیروهای هسته اینیروهایی که نوکلئون ها را در هسته نگه می دارند هسته ای نامیده می شوند. این نیروها مظهر شدیدترین تعامل شناخته شده در فیزیک هستند - به اصطلاح

تعامل قوی نیروهای هسته ای که بین دو پروتون در هسته عمل می کنند تقریباً دو مرتبه بزرگتر از نیروهای الکترواستاتیک کولنی هستند که بین آنها عمل می کنند و 103 برابر بیشتر از نیروهای برهمکنش گرانشی آنها.

بر اساس داده‌های تجربی، می‌توان نتیجه گرفت که نوترون‌ها و پروتون‌ها در هسته نسبت به برهمکنش قوی تقریباً یکسان رفتار می‌کنند: نیروهای هسته‌ای بین دو پروتون، دو نوترون، یا یک پروتون و یک نوترون قابل تشخیص نیستند. بنابراین پروتون ها و نوترون ها در هسته به عنوان دو حالت بار متفاوت از یک ذره-نوکلئون در نظر گرفته می شوند. استقلال نیروهای هسته ای از حالت بار نوکلئون ها را ناتغییر ایزوتوپی می نامند.

اثر نیروهای هسته ای به سرعت با فاصله کاهش می یابد: در فواصل بزرگتر از سانتی متر، اثر آنها ظاهر نمی شود. تا فاصله ای از مرتبه قدر، آنها خود را به عنوان نیروهای جذاب، در فواصل کوچکتر - به عنوان نیروهای دافعه نشان می دهند. نیروهای دافعه با کاهش فاصله چنان سریع رشد می کنند که می توان نوکلئون های هسته را به عنوان ذرات لمس کننده با اندازه ثابت در نظر گرفت.

اندازه های هستهاندازه هسته ها به تعداد نوکلئون های آنها بستگی دارد. میانگین غلظت نوکلئون ها در هسته برای همه هسته های c تقریباً یکسان است. این بدان معنی است که حجم هسته تقریباً متناسب با تعداد نوکلئون های A است و بنابراین، شعاع آن متناسب است.

که در آن سانتی متر چگالی ماده هسته ای در مقایسه با چگالی مواد معمولی بسیار زیاد است و در حدود است.

به نظر می رسد که انرژی اتصال نیز تقریباً متناسب با تعداد A از نوکلئون ها در هسته است، به طوری که انرژی اتصال ویژه (یعنی انرژی اتصال در هر نوکلئون) با تغییرات A کمی تغییر می کند. برای بیشتر هسته ها، مقدار در محدوده از 6 تا

روابط با انرژی و عدم قطعیت.انرژی اتصال ویژه را می توان از ابعاد شناخته شده هسته با استفاده از روابط عدم قطعیت هایزنبرگ تخمین زد. هنگامی که نوکلئون در داخل هسته قرار دارد، یعنی در ناحیه ای با اندازه مرتبه محلی شده است، عدم قطعیت در مقدار تکانه آن است.

از آنجایی که مقدار تکانه به خودی خود نمی تواند کمتر از این عدم قطعیت باشد، می توان از همین تخمین برای آن استفاده کرد

تکانه یک نوکلئون مقدار سرعت یک جرم نوکلئونی متناظر با چنین تکانه ای چند دهم سرعت نور است. بنابراین انرژی جنبشی آن با یک عبارت غیرنسبیتی تعیین می شود و برابر است با

از آنجایی که نوکلئون در هسته در حالت محدود است، عمق چاه پتانسیلی که در آن حرکت می کند حداقل به همان ترتیب بزرگی است.

با فرض اینکه عدم قطعیت در مقدار تکانه از همان مرتبه بزرگی خود تکانه است، آشکارا معتقد بودیم که رفتار یک نوکلئون در هسته را نمی توان به عنوان حرکت یک ذره کلاسیک توصیف کرد. به همین نتیجه می توان بر اساس ایده هایی در مورد امواج دو بروگلی رسید. اگر مقدار تکانه یک نوکلئون را بر اساس انرژی پیوندی شناخته شده تجربی در هر نوکلئون تخمین بزنیم و طول موج دو بروگلی مربوط به چنین تکانه ای را محاسبه کنیم، آنگاه معلوم می شود که همان مرتبه بزرگی با اندازه است. از هسته

انرژی اتصال ویژه کمتر از یک درصد انرژی باقیمانده یک نوکلئون GeV است. بنابراین، ما واقعاً می توانیم فرض کنیم که هسته از نوکلئون های منفرد تشکیل شده است که فردیت خود را در داخل هسته حفظ می کنند.

ملاحظات مشابه نشان می دهد که هسته نمی تواند حاوی الکترون باشد. اگر الکترون در هسته، یعنی در ناحیه ای به اندازه سانتی متر قرار گیرد، با استفاده از روابط عدم قطعیت می توان متقاعد شد که با انرژی جنبشی GeV فوق نسبیتی خواهد بود. این مقدار به طور قابل توجهی هم از انرژی استراحت الکترون برابر با 0.5 مگا الکترون ولت و هم از انرژی اتصال هسته در هر ذره فراتر می رود. دومی به طور طبیعی با این فرض که الکترون در داخل هسته قرار دارد ناسازگار است.

مدل قطره ای هسته.ثبات تقریبی انرژی اتصال ویژه برای هسته های مختلف به عنوان اشباع نیروهای هسته ای گفته می شود. این در واقع به این معنی است که هر نوکلئون به طور مؤثر با تمام نوکلئون های هسته تعامل ندارد (در این مورد، در A» 1، انرژی اتصال متناسب است، بلکه فقط با محیط نزدیک آن است. هنگام توصیف برهمکنش مولکول های مایع، این قیاس در یک زمان به عنوان پایه ای برای ایجاد مدل به اصطلاح قطره ای از هسته عمل می کند، که در آن فرض می شود که هسته مانند یک قطره از یک مایع باردار تراکم ناپذیر رفتار می کند با فرمول (2)، می توان برخی از پارامترهای یک چنین مایع هسته ای را تعیین کرد

از این رو برای چگالی ماده هسته ای داریم

که همان مقدار فوق است. تخمین فاصله متوسط ​​بین نوکلئون ها در هسته دشوار نیست:

از آنجایی که غلظت نوکلئون ها، چگالی ماده در هسته و همچنین فاصله متوسط ​​بین نوکلئون ها در همه هسته ها عملاً یکسان است، ماده هسته ای در مدل قطره ای هسته را می توان عملاً تراکم ناپذیر در نظر گرفت.

مدل قطره امکان توصیف نه تنها حالت پایه هسته، بلکه برخی از حالات برانگیخته را نیز با در نظر گرفتن آنها به عنوان نوسانات در شکل سطح قطره فراهم می کند. با این حال، این مدل بسیار ساده قادر به توضیح کل تنوع خواص مشاهده شده هسته اتم نیست.

دفع پروتون های کولن.انرژی اتصال نوکلئون ها در هسته به دلیل دافعه کولن بین پروتون ها کاهش می یابد. این دافعه کولنی بر خلاف برهم کنش قوی «تماسی» که فقط بین نوکلئون‌های لمسی عمل می‌کند، دوربرد است. برای هسته های سبک اثر دافعه کولن نقش مهمی ندارد، اما برای هسته های سنگین وضعیت متفاوت است. در واقع، انرژی دافعه کولن با برهمکنش جفتی همه پروتون‌های هسته تعیین می‌شود و بنابراین متناسب است، یعنی متناسب با انرژی جذب نوکلئون‌ها به دلیل برهمکنش قوی، همانطور که قبلاً اشاره شد، متناسب با تعداد کل است. از آنجایی که تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته‌های پایدار تقریباً یکسان است، پس این انرژی در واقع متناسب است.

پایدارترین و گسترده ترین در طبیعت هسته هایی هستند که در آنها تعداد پروتون ها یا تعداد نوترون ها برابر با یکی از اعداد جادویی است: 2، 8، 20، 28، 50، 82، 126. اگر هسته دارای هم تعداد نوترون ها و هم تعداد پروتون ها، پس چنین هسته های جادویی مضاعف پایدار هستند. تنها پنج هسته از این دست وجود دارد: افزایش پایداری هسته‌های جادویی در به اصطلاح مدل پوسته هسته توضیح داده شده است.

هسته اتم در شرایط زمینی و در مقیاس کیهان چگونه خود را نشان می دهد؟

عدد اتمی یک عنصر در جدول تناوبی چگونه با بار هسته آن مرتبط است؟

ایزوتوپ ها و ایزوبارها چیست؟

چرا جرم هسته با مجموع جرم پروتون ها و نوترون های تشکیل دهنده آن برابر نیست؟

چگونه می توان انرژی اتصال نوکلئون ها را در یک هسته با استفاده از روابط عدم قطعیت تخمین زد؟

مدل قطره ای هسته چیست؟

چرا تعداد نسبی نوترون های هسته برای هسته های سنگین بیشتر است؟

کدام هسته های اتمی پایدارتر هستند؟

محتوای مقاله

ساختار هسته اتم.هسته بخش مرکزی یک اتم است. بار الکتریکی مثبت و بخش عمده ای از جرم اتم در آن متمرکز شده است. در مقایسه با شعاع مدارهای الکترون، ابعاد هسته بسیار کوچک است: 10-15-10-14 متر هسته تمام اتم ها از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است که جرم آنها تقریباً یکسان است، اما فقط پروتون حامل یک عدد است. شارژ الکتریکی. به تعداد کل پروتون ها عدد اتمی می گویند زاتم، که با تعداد الکترون های یک اتم خنثی مطابقت دارد. ذرات هسته ای (پروتون ها و نوترون ها) که نوکلئون نامیده می شوند، توسط نیروهای بسیار قوی کنار هم نگه داشته می شوند. این نیروها بنا به ماهیت خود نمی توانند الکتریکی و گرانشی باشند و از نظر بزرگی مرتبه های بزرگی بیشتر از نیروهایی هستند که الکترون ها را به هسته متصل می کنند.

اولین ایده اندازه واقعی هسته توسط آزمایش های رادرفورد در مورد پراکندگی ذرات آلفا در ورق های فلزی نازک ارائه شد. ذرات عمیقاً در لایه های الکترونی نفوذ کردند و با نزدیک شدن به هسته باردار منحرف شدند. این آزمایش ها به وضوح اندازه کوچک هسته مرکزی را نشان می دهد و روشی را برای تعیین بار هسته ای نشان می دهد. رادرفورد دریافت که ذرات آلفا در فاصله تقریباً 10 تا 14 متری به مرکز بار مثبت نزدیک می شوند و این به او اجازه داد تا نتیجه بگیرد که این حداکثر شعاع ممکن هسته است.

بر اساس این مفروضات، بور نظریه کوانتومی خود را در مورد اتم ساخت، که با موفقیت خطوط طیفی گسسته، اثر فوتوالکتریک، پرتوهای ایکس و جدول تناوبی عناصر را توضیح داد. با این حال، در نظریه بور، هسته به عنوان یک بار نقطه مثبت در نظر گرفته شد.

هسته‌های اکثر اتم‌ها نه تنها بسیار کوچک بودند، بلکه به هیچ وجه تحت تأثیر پدیده‌های نوری هیجان‌انگیز مانند تخلیه جرقه قوس، شعله و غیره قرار نگرفتند. نشانه ای از وجود ساختار داخلی خاصی از هسته، کشف رادیواکتیویته در سال 1896 توسط A. Becquerel بود. معلوم شد که اورانیوم و سپس رادیوم، پلونیوم، رادون و غیره. نه تنها تشعشعات الکترومغناطیسی موج کوتاه، پرتوهای ایکس و الکترون‌ها (اشعه بتا)، بلکه ذرات سنگین‌تر (اشعه آلفا) را نیز ساطع می‌کنند و اینها فقط می‌توانند از بخش عظیم اتم بیایند. رادرفورد در آزمایش های پراکندگی خود از ذرات آلفای رادیوم استفاده کرد که به عنوان پایه ای برای شکل گیری ایده ها در مورد اتم هسته ای عمل کرد. (در آن زمان مشخص بود که ذرات آلفا اتم‌های هلیوم هستند که الکترون‌های خود را از بین می‌برند؛ اما این سؤال که چرا برخی اتم‌های سنگین خود به خود آنها را ساطع می‌کنند هنوز پاسخ داده نشده بود، و همچنین ایده دقیقی از اندازه هسته وجود نداشت.)

کشف ایزوتوپ ها

اندازه‌گیری‌های جرم «پرتوهای کانالی» که توسط جی. تامسون، اف. آستون و سایر محققان با استفاده از طیف‌سنج‌های جرمی پیشرفته‌تر و با دقت بیشتر انجام شد، کلید ساختار هسته و همچنین کل اتم را داد. . به عنوان مثال، اندازه گیری نسبت بار به جرم نشان داد که به نظر می رسد بار روی هسته هیدروژن یک واحد بار مثبت است که از نظر عددی برابر با بار الکترون و جرم است. m p = 1837m e، جایی که m e- جرم الکترون هلیم می توانست با بار مضاعف یون تولید کند، اما جرم آن 4 برابر جرم هیدروژن بود. بنابراین، فرضیه‌ای که قبلاً توسط W. Prout بیان شده بود مبنی بر اینکه همه اتم‌ها از اتم‌های هیدروژن ساخته شده‌اند، به‌طور جدی متزلزل شد.

تامسون در سال 1912 با مقایسه جرم یک اتم نئون با جرم های شناخته شده سایر عناصر در طیف نگار جرمی خود، به طور غیرمنتظره ای کشف کرد که به جای یک، نئون با دو سهمی مطابقت دارد. محاسبات جرم ذرات نشان داد که یکی از سهمی‌ها مربوط به ذرات با جرم 20 و دیگری با جرم 22 است. از آنجایی که عدد جرمی اندازه‌گیری شده (متوسط) 20.2 بود، تامسون پیشنهاد کرد که نئون از دو نوع اتم تشکیل شده است، 90٪ با جرم 20 و 10٪ با جرم 22. از آنجایی که هر دو نوع اتم در طبیعت وجود دارند. یک مخلوط است و نمی توان آنها را از نظر شیمیایی جدا کرد.

وجود دو نوع اتم نئون نشان می دهد که عناصر دیگر می توانند مخلوطی از اتم ها باشند. اندازه گیری های بعدی طیف سنجی جرمی نشان داد که بیشتر عناصر طبیعی مخلوطی از دو تا ده نوع مختلف اتم هستند. اتم های یک عنصر با جرم های متفاوت را ایزوتوپ می گویند. برخی از عناصر تنها یک ایزوتوپ دارند که نیاز به توضیح نظری دارد، همانطور که واقعیت فراوانی عناصر مختلف و همچنین وجود رادیواکتیویته فقط در برخی مواد وجود دارد.

در ارتباط با کشف ایزوتوپ ها، مشکل استانداردسازی به وجود آمد، زیرا شیمیدانان قبلا "اکسیژن" (16.000000 واحد جرم اتمی) را به عنوان استاندارد انتخاب کرده بودند که معلوم شد مخلوطی از چهار ایزوتوپ است. در نتیجه، تصمیم گرفته شد مقیاس جرمی "فیزیکی" ایجاد شود که در آن به رایج ترین ایزوتوپ اکسیژن مقدار 16.000000 amu اختصاص داده شد. با این حال، در سال 1961، توافق نامه ای بین شیمیدانان و فیزیکدانان به دست آمد که بر اساس آن رایج ترین ایزوتوپ کربن-12 12.00000 amu تعیین شد. از آنجایی که تعداد اتم ها در 1 مول از یک ایزوتوپ برابر با عدد آووگادرو است ن 0، دریافت می کنیم

توجه داشته باشید که واحد جرم اتمی شامل جرم یک الکترون است و جرم سبک ترین ایزوتوپ هیدروژن تقریباً 1٪ بیشتر از 1 amu است.

کشف نوترون

کشف ایزوتوپ ها مسئله ساختار هسته را روشن نکرد. در این زمان، فقط پروتون ها - هسته های هیدروژن و الکترون ها - شناخته شده بودند، و بنابراین طبیعی بود که سعی کنیم وجود ایزوتوپ ها را با ترکیب های مختلف این ذرات باردار مثبت و منفی توضیح دهیم. ممکن است کسی فکر کند که هسته ها حاوی آپروتون ها، جایی که آ- عدد جرمی و A-Zالکترون ها در این حالت، بار مثبت کل با عدد اتمی منطبق است ز.

چنین تصویر ساده ای از یک هسته همگن در ابتدا با نتیجه گیری در مورد اندازه کوچک هسته که از آزمایش های رادرفورد به دست آمد، تناقض نداشت. "شعاع طبیعی" یک الکترون r 0 = ه 2 /mc 2 (که اگر انرژی الکترواستاتیک را معادل سازی کنیم به دست می آید ه 2 /r 0 بار توزیع شده روی یک پوسته کروی، انرژی خود الکترون mc 2) است r 0 = 2.82 × 10-15 متر چنین الکترونی به اندازه کافی کوچک است که درون هسته ای با شعاع 14-10 متر قرار گیرد، اگرچه قرار دادن تعداد زیادی ذره در آنجا دشوار است. در سال 1920، رادرفورد و سایر دانشمندان امکان ترکیب پایدار پروتون و الکترون را در نظر گرفتند و ذره‌ای خنثی با جرم تقریباً برابر با پروتون تولید کرد. با این حال، به دلیل کمبود بار الکتریکی، تشخیص چنین ذرات دشوار است. بعید است که آنها بتوانند الکترون‌ها را مانند امواج الکترومغناطیسی در اثر فوتوالکتریک از سطوح فلزی خارج کنند.

تنها یک دهه بعد، پس از بررسی عمیق رادیواکتیویته طبیعی، و استفاده گسترده از تشعشعات رادیواکتیو برای ایجاد دگرگونی مصنوعی اتم‌ها، وجود یک جزء جدید از هسته به طور قابل اعتمادی مشخص شد. در سال 1930، W. Bothe و G. Becker از دانشگاه گیسن، لیتیوم و بریلیم را با ذرات آلفا تابش کردند و تابش نافذ حاصل را با استفاده از شمارنده گایگر ثبت کردند. از آنجایی که این تابش تحت تأثیر میدان های الکتریکی و مغناطیسی قرار نگرفت و قدرت نفوذ بالایی داشت، نویسندگان به این نتیجه رسیدند که تشعشعات گامای سخت ساطع می شود. در سال 1932، F. Joliot و I. Curie آزمایشاتی را با بریلیوم تکرار کردند و چنین تشعشعات نافذی را از یک بلوک پارافین عبور دادند. آنها دریافتند که پروتون‌های پرانرژی غیرعادی از پارافین بیرون می‌آیند و به این نتیجه رسیدند که پرتوهای گاما در پارافین پراکنده شده و پروتون تولید می‌کنند. (در سال 1923 کشف شد که پرتوهای ایکس توسط الکترون ها پراکنده می شوند و اثر کامپتون را ایجاد می کنند.)

جی چادویک آزمایش را تکرار کرد. او همچنین از پارافین استفاده کرد و با استفاده از یک محفظه یونیزاسیون (شکل 1) که در آن بار ایجاد شده هنگام کوبیدن الکترون ها از اتم ها جمع آوری می شد، محدوده پروتون های پس زدن را اندازه گرفت.

چادویک همچنین از گاز نیتروژن (در یک محفظه ابر، جایی که قطرات آب در امتداد دنباله یک ذره باردار متراکم می شوند) برای جذب تشعشع و اندازه گیری محدوده اتم های پس زدن نیتروژن استفاده کرد. با اعمال قوانین بقای انرژی و تکانه در نتایج هر دو آزمایش، او به این نتیجه رسید که تشعشع خنثی شناسایی شده نهتابش گاما، اما جریانی از ذرات با جرمی نزدیک به جرم یک پروتون. چادویک همچنین نشان داد که منابع شناخته شده تابش گاما پروتون ها را از بین نمی برند.

این امر وجود ذره جدیدی را تأیید کرد که اکنون نوترون نامیده می شود. شکافت فلز بریلیم به صورت زیر رخ داد:

ذرات آلفا 4 2 او (بار 2، جرم شماره 4) با هسته های بریلیم (بار 4، جرم شماره 9) برخورد کرد و در نتیجه کربن و یک نوترون به وجود آمد.

کشف نوترون گام مهمی به جلو بود. ویژگی‌های مشاهده‌شده هسته‌ها را می‌توان با در نظر گرفتن نوترون‌ها و پروتون‌ها به عنوان اجزای سازنده هسته‌ها تفسیر کرد. در شکل شکل 2 به صورت شماتیک ساختار چندین هسته نوری را نشان می دهد.

اکنون مشخص شده است که نوترون 0.1٪ از پروتون سنگین تر است. نوترون های آزاد (خارج از هسته) تحت واپاشی رادیواکتیو قرار می گیرند و به یک پروتون و یک الکترون تبدیل می شوند. این یادآور فرضیه اصلی یک ذره خنثی مرکب است. با این حال، در داخل یک هسته پایدار، نوترون ها به پروتون ها متصل هستند و خود به خود تجزیه نمی شوند.

ارتباطات هسته ای

فرض اولیه پروت مبنی بر اینکه همه جرم‌های اتمی باید مضرب صحیح جرم اتم هیدروژن باشند، به حقیقت بسیار نزدیک است، به ویژه در مورد ایزوتوپ‌ها. انحرافات بسیار کوچک هستند، همیشه بیش از 1٪ و در بیشتر موارد بیش از 0.1٪ نیستند. مطالعه دقیق توده های ایزوتوپ به بالاترین درجه کمال رسیده است: خطای اندازه گیری در حال حاضر، به عنوان یک قاعده، از چند میلیونیم تجاوز نمی کند.

ثابت شده است که تعداد نوترون ها تقریباً با تعداد پروتون های یک اتم منطبق است، یعنی.

در واقع، هسته‌های سنگین‌تر مقداری نوترون اضافی دارند. از آنجایی که نوترون بدون بار است، نیروهایی که نوترون ها و پروتون ها را در هسته نگه می دارند ماهیت الکترواستاتیکی ندارند. علاوه بر این، مانند اتهامات دفع کردن یکدیگر. این واقعیت که هسته ها به سختی شکافته می شوند، نشان دهنده وجود نیروهای جاذبه هسته ای قوی است. علیرغم فواصل کم، جاذبه گرانشی بین نوکلئون ها هنوز برای اطمینان از پایداری هسته ضعیف است.

طبق گفته انیشتین، انرژی کل یک سیستم جدا شده حفظ می شود و جرم شکلی از انرژی است: E = mc 2. برای تقسیم یک سیستم محدود مانند هسته یک اتم پایدار به نوترون ها و پروتون های تشکیل دهنده آن، باید به آن انرژی داده شود. این بدان معناست که جرم نوترون ها و پروتون ها از جرم هسته بیشتر است

D M = ZM p + NM n – M A,Z,

جایی که Mpو منگنز- توده های پروتون و نوترون آزاد و M A,ز- جرم هسته با بار زو عدد جرمی آ. این اختلاف جرم که بر حسب واحد انرژی بیان می شود، انرژی اتصال نامیده می شود. ضریب تبدیل:

1 آمو = 931.14 مگا ولت،

که در آن 1 MeV = 106 eV. بنابراین، انرژی اتصال E B= دی مک 2 انرژی مورد نیاز برای تقسیم یک هسته به نوترون ها و پروتون ها است.

میانگین انرژی اتصال در هر نوکلئون است E B/آ، با افزایش تعداد نوکلئون ها در هسته کاملاً منظم تغییر می کند (شکل 3). سبک ترین هسته بعد از پروتون، دوترون 2 1 H است که برای شکافت آن به انرژی 2.2 مگا ولت نیاز دارد، یعنی. 1.1 مگا ولت در هر نوکلئون ذره آلفای 4 2 He بسیار قوی تر از همسایگانش متصل است: انرژی اتصال آن 28 مگا ولت است. برای هسته هایی با تعداد جرمی بیشتر از 20، میانگین انرژی اتصال در هر نوکلئون تقریباً ثابت می ماند، تقریباً برابر با 8 مگا ولت.

انرژی اتصال هسته ها چندین مرتبه بالاتر از انرژی اتصال الکترون های ظرفیت در یک اتم و اتم ها در یک مولکول است. برای حذف تنها الکترون آن از اتم هیدروژن، انرژی 13.5 eV کافی است. برای حذف الکترون‌های داخلی سرب، که محکم‌ترین پیوند را دارند، انرژی 0.1 مگا ولت مورد نیاز است. در نتیجه، تمام فرآیندهای هسته‌ای شامل انرژی‌هایی بسیار بالاتر از انرژی‌هایی هستند که در واکنش‌های شیمیایی معمولی یا در دماها و فشارهای معمولی با آنها سروکار داریم.

رادیواکتیویته طبیعی

فیزیک هسته ای با پدیده رادیواکتیویته طبیعی آغاز شد. تابش آلفا، بتا و گامای ساطع شده از اورانیوم منشأ هسته ای دارند، در حالی که طیف نوری و اشعه ایکس با ساختار الکترونیکی اتم مطابقت دارند. معلوم شد که ذرات آلفا هسته هلیوم هستند. ذرات بتا از نظر بار و جرم با الکترون های پوسته یک اتم یکسان هستند، اما منشاء هسته ای آنها به وضوح با تغییر در بار هسته در حال فروپاشی نشان داده شد. علاوه بر این، انرژی تابش گاما به طور قابل توجهی بیشتر از انرژی است که می تواند توسط الکترون ها از پوسته بیرونی اتم ساطع شود، بنابراین، این تابش نافذ منشاء هسته ای دارد.

برخی از عناصر طبیعی با اعداد اتمی بالا (اورانیوم، توریم، اکتینیم) دارای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو هستند که برای تولید ایزوتوپ‌های رادیواکتیو دیگر (مانند رادیوم) و در نهایت سرب پایدار تجزیه می‌شوند. طول عمر ایزوتوپ "والد" در هر مورد با سن زمین که 10 میلیارد سال تخمین زده می شود قابل مقایسه است. فرض بر این است که تعداد زیادی از مواد رادیواکتیو در طول شکل‌گیری زمین وجود داشته است، اما عناصر کوتاه مدت مدت‌هاست به محصولات نهایی پایدار تبدیل شده‌اند. ممکن است برخی از ایزوتوپ‌هایی که «پایدار» نامیده می‌شوند، در واقع واپاشی شوند، اما دوره‌های فروپاشی آنها («زمان زندگی») آنقدر طولانی است که نمی‌توان با روش‌های موجود اندازه‌گیری کرد.

نقش مهم رادیواکتیویته در فیزیک هسته ای به این دلیل است که پرتوهای رادیواکتیو حامل اطلاعاتی در مورد انواع ذرات و سطوح انرژی هسته است. به عنوان مثال انتشار ذرات آلفا از هسته و پایداری نسبی تشکیل دو پروتون و دو نوترون به طور غیرمستقیم احتمال وجود ذرات آلفا در داخل هسته را نشان می دهد.

تمایز بین رادیواکتیویته طبیعی و القای مصنوعی برای درک ساختار هسته اهمیت چندانی ندارد، اما مطالعه مجموعه‌های رادیواکتیو طبیعی نتیجه‌گیری‌های مهمی را در مورد سن زمین و استفاده از چنین عناصری به‌عنوان منابع بمباران ذرات بسیار قبل از ذرات ممکن کرد. شتاب دهنده ها اختراع شدند

دگرگونی های مصنوعی هسته ها

آزمایش‌ها با عناصر رادیواکتیو طبیعی نشان داده‌اند که سرعت واپاشی رادیواکتیو نمی‌تواند تحت تأثیر وسایل فیزیکی معمولی مانند گرما، فشار و غیره قرار گیرد. بنابراین، در ابتدا به نظر می رسید که هیچ روش موثری برای مطالعه ساختار ایزوتوپ های طبیعی پایدار وجود ندارد. با این حال، در سال 1919، رادرفورد کشف کرد که هسته ها را می توان با بمباران با ذرات آلفا تقسیم کرد. اولین عنصری که تقسیم شد نیتروژن بود که محفظه ابر را به صورت گاز پر می کرد. ذرات آلفای ساطع شده از منبع توریم با هسته های نیتروژن برخورد کرده و توسط آنها جذب می شوند و در نتیجه پروتون های سریع منتشر می شوند. در همان زمان واکنش نشان داد

در نتیجه این واکنش یک اتم نیتروژن به اتم اکسیژن تبدیل می شود. در این مثال، انرژی های اتصال هسته ها مشابه گرمای آزاد شده در یک واکنش شیمیایی، اگرچه به طور قابل توجهی بالاتر است. پس از آن، نتایج مشابهی با بسیاری از عناصر دیگر به دست آمد. با استفاده از روش های مختلف، می توان انرژی ها و زوایای انتشار ذرات باردار ساطع شده را اندازه گیری کرد که امکان انجام آزمایش های کمی را فراهم می کند.

گام بعدی کشفی بود که توسط J. Cockroft و E. Walton در سال 1932 انجام شد. آنها نشان دادند که پرتوهای پروتونی با شتاب مصنوعی با انرژی 120 کو (یعنی به طور قابل توجهی کمتر از ذرات آلفا در آزمایش‌های رادرفورد) می‌توانند ایجاد کنند. تقسیم اتم های لیتیوم در حال انجام است

دو هسته هلیوم (ذرات آلفا) به طور همزمان در جهت مخالف به بیرون پرتاب می شوند. دلیل اینکه این واکنش در انرژی کم رخ می دهد به دلیل پیوند قوی ذرات آلفا است. افزودن یک پروتون به جرم هسته 7 لی انرژی تقریباً برابر با جرم دو ذره آلفا ایجاد می کند. انرژی باقیمانده مورد نیاز برای انجام واکنش از انرژی جنبشی پروتون های بمباران می شود.

همه عناصر شناخته شده و ایزوتوپ های طبیعی را می توان به طور "مصنوعی" به عناصر همسایه تبدیل کرد. همه این ایزوتوپ‌های جدید رادیواکتیو هستند، اما در نتیجه فروپاشی بعدی به ایزوتوپ‌های پایدار تبدیل می‌شوند. عناصر جدید به دست آمد، تا عنصر با شماره سریال 103. همه آنها رادیواکتیو با نیمه عمر نسبتاً کوتاه معلوم شد. در حال حاضر بیش از 1000 ایزوتوپ شناخته شده است.

سطوح انرژی هسته ها و مدل های هسته ای

مطالعه واکنش های هسته ای وجود سطوح انرژی هسته ای را به طور قانع کننده ای نشان داده است. این سطوح حالت‌های هسته را با انرژی معین نشان می‌دهند که اعداد کوانتومی خاصی به آن نسبت داده می‌شوند، درست مانند سطوح انرژی یک اتم. بر اساس قیاس با طیف سنجی نوری، مطالعه تابش ساطع شده از یک هسته در طول انتقال بین سطوح انرژی، طیف سنجی هسته ای نامیده می شود. با این حال، همانطور که از شکل. 4، فاصله بین سطوح انرژی هسته ها بسیار بیشتر از سطوح الکترونیکی اتم ها است و تابش هسته ای، علاوه بر تابش الکترومغناطیسی، شامل تابش الکترون ها، پروتون ها، ذرات آلفا و ذرات دیگر نیز می شود.

وجود سطوح انرژی گسسته در هسته با این واقعیت مشهود است که برانگیختگی هسته که منجر به انتشار تشعشع می شود، تنها در انرژی های خاصی از ذرات بمباران رخ می دهد و همچنین انرژی ذرات ساطع شده با انتقال مطابقت دارد. بین سطوح معین برای مثال، می‌توان تعداد پروتون‌های تولید شده را در هنگام بمباران بور-10 با دوترون‌های تک انرژی در نتیجه واکنش اندازه‌گیری کرد.

و تکانه های آنها را با انحراف در میدان مغناطیسی تعیین کنید. طیف ثبت شده پروتون ها از یک هدف حاوی بور با ناخالصی های کربن، نیتروژن و سیلیکون در شکل نشان داده شده است. 4. قله های تیز و تیز به وضوح نشان می دهد که انرژی هسته مانند انرژی یک اتم کوانتیزه می شود.

در شکل شکل 5 نموداری از سطوح انرژی هسته بور-11 (11 ولت) را نشان می دهد که انرژی های تحریک آن بر حسب MeV بیان شده است. توزیع نابرابر سطوح انرژی هسته ای، که برای توزیع سطوح انرژی اتمی معمول نیست، به دلیل بسته بندی متراکم تر هسته ها و برهم کنش قوی تر ذرات در داخل هسته است. از سطوح برانگیخته مربوط به هسته 10 B که توسط دوترون ها با انرژی 1.51 مگا ولت بمباران می شود، انتقال به هر یک از سطوح واقع در زیر می تواند رخ دهد، همراه با گسیل پروتون ها. اگر پس از گسیل یک پروتون، هسته 11B در حالت برانگیخته باقی بماند، سپس می‌تواند فروپاشی کند و با گسیل یک یا چند پرتو گاما به پایین‌ترین حالت «زمینی» برسد.

در حال حاضر، هیچ توضیح منسجم و یکپارچه ای در مورد دلایل ظهور سطوح انرژی هسته ای وجود ندارد، اما تعدادی نظریه وجود دارد که می تواند برخی از پدیده ها را توضیح دهد. یکی از آنها "مدل پوسته" است که با وام گرفتن از فیزیک اتمی ایده ساختار پوسته اتم، آن را برای تجزیه و تحلیل پیکربندی نوترون ها و پروتون ها در داخل هسته به کار می برد.

در سال 1932، J. Bartlett متوجه شد که تمام هسته های پایدار واقع بین 4 He و 16 O به دنباله تعلق دارند.

4He+ n+p+n+p +...,

در حالی که بین 16 O و 36 Ar یک دنباله مشابه شکل می گیرد

16 O+ n + n + p + p + n + n +....

او پیشنهاد کرد که این تغییرات در توالی منعکس کننده ترتیبی است که در آن پوسته ها با نوترون ها و پروتون ها پر می شوند. اصل طرد پائولی در مورد ذرات هسته ای دقیقاً مانند الکترون ها عمل می کند و در مدل پوسته به این واقعیت منجر می شود که پوسته اول می تواند فقط دو پروتون و دو نوترون داشته باشد و پوسته دوم می تواند حاوی شش تا از هر دو ذره (پر از 16 O) و سومی توسط ده (پر شده با 36 آر). وجود تناوب در ساختار هسته ها همچنان خود را نشان می دهد، هرچند با برخی انحرافات. وجود "اعداد جادویی" معین (2، 8، 20، 28، 50، 82 و 126) نوترون ها و پروتون ها در هسته ها که با قله های منحنی انرژی اتصال مطابقت دارند را می توان بر اساس یک مدل پوسته اصلاح شده توضیح داد. (مدل ذرات مستقل نامیده می شود)، که امکان پیش بینی صحیح اسپین ها و گشتاورهای مغناطیسی هسته ها را فراهم می کند. به عنوان مثال، اسپین هسته‌هایی با پوسته‌های پر شده، همانطور که در این مدل پیش‌بینی می‌شود، برابر با صفر است. با این حال، با وجود مزایای بسیار، نسخه های موجود از مدل پوسته هنوز همه پدیده های هسته ای را توضیح نمی دهند، که با توجه به ساختار پیچیده هسته، تعجب آور نیست.

مدل هسته مرکب و قطره.

در هسته‌های سنگین‌تر، تعداد نوکلئون‌ها به قدری زیاد است که بسیاری از الگوهای رفتاری مشاهده‌شده این هسته‌ها به بهترین شکل توسط مدل قطره‌ای بازتولید می‌شوند. این مدل در سال 1936 توسط N. Bohr برای توضیح طول عمر طولانی هسته های برانگیخته تشکیل شده در طول گرفتن نوترون های کند پیشنهاد شد. (در این مورد، طول عمر به عنوان زمان از لحظه ای که هسته برانگیخته می شود تا لحظه ای که انرژی برانگیختگی خود را در اثر انتشار تشعشع از دست می دهد، درک می شود.) معلوم شد که طول عمر یک میلیون بار بیشتر از زمان است. برای عبور یک نوترون از هسته (10 تا 22 ثانیه) مورد نیاز است. این نشان می دهد که هسته برانگیخته یک سیستم خاص ("هسته مرکب") است که طول عمر آن بسیار بیشتر از زمان تشکیل آن است.

بور پیشنهاد کرد که واکنش هسته ای در دو مرحله انجام می شود. در مرحله اول، ذره برخوردی وارد هسته هدف می شود و یک "هسته مرکب" را تشکیل می دهد، جایی که در برخوردهای متعدد انرژی اولیه خود را از دست می دهد و آن را بین دیگر هسته های هسته توزیع می کند. در نتیجه هیچ یک از ذرات انرژی لازم برای فرار از هسته را ندارند. مرحله دوم، پوسیدگی هسته مرکب، پس از مدتی اتفاق می افتد که انرژی به طور تصادفی روی یکی از ذرات متمرکز شده یا به شکل تابش گاما از دست می رود. اعتقاد بر این است که مرحله دوم مستقل از جزئیات مکانیسم تشکیل هسته مرکب است. نوع پوسیدگی فقط با بازی گزینه های ممکن تعیین می شود.

به عنوان یک قیاس ساده با این تصویر از یک واکنش هسته ای، بور پیشنهاد کرد که رفتار یک قطره را در نظر بگیرد. نیروها بین مولکول های چنین قطره ای عمل می کنند و آنها را به یکدیگر متصل می کنند و تا زمانی که گرما از بیرون تامین شود از تبخیر جلوگیری می کند. ظهور یک مولکول دیگر با انرژی جنبشی اضافی، در نتیجه توزیع مجدد آماری آن، منجر به افزایش دمای قطره در کل می‌شود. پس از مدتی، غلظت تصادفی انرژی روی یک مولکول می تواند منجر به تبخیر آن شود. تئوری بور با جزئیات توسعه یافت و امکان ساخت تصویری ثابت از انواع واکنش های هسته ای، از جمله واکنش های تحت تأثیر نوترون ها و ذرات باردار انرژی های میانی (تا 100 مگا ولت) را فراهم کرد. مفاهیم دمای هسته، ظرفیت گرمایی ویژه، و تبخیر ذرات، که با قیاس معرفی شدند، مفید بودند. به عنوان مثال، توزیع زاویه ای ذرات "تبخیر" مستقل از جهت ذره فرود آمده است، یعنی. همسانگرد، زیرا تمام اطلاعات مربوط به جهت اصلی در مرحله وجود هسته مرکب از بین می رود.

مشخص شد که مدل قطره در توضیح پدیده شکافت هسته ای بسیار ارزشمند است، زمانی که جذب یک نوترون آهسته برای شکستن یک هسته اورانیوم به دو قسمت تقریباً مساوی با آزاد شدن انرژی زیاد کافی باشد. دافعه الکترواستاتیکی پروتون‌ها باعث ایجاد ناپایداری هسته‌ای می‌شود که معمولاً توسط نیروهای هسته‌ای که انرژی اتصال ایجاد می‌کنند بر آن غلبه می‌کنند. اما هنگامی که دمای هسته یک "قطره" کروی افزایش می یابد، ممکن است نوساناتی در آن رخ دهد که در نتیجه قطره به یک بیضی تغییر شکل می دهد. اگر تغییر شکل هسته ادامه یابد، ممکن است دافعه الکترواستاتیکی دو نیمه با بار مثبت آن غالب شود و سپس تقسیم آن رخ دهد.

ابعاد و شکل هسته.

برای اولین بار، اندازه هسته به درستی توسط رادرفورد و با استفاده از پراکندگی ذرات آلفا برای این منظور برآورد شد. اولین آزمایش های او نشان داد که ابعاد قسمت باردار هسته حدود 10-14 متر است. بعدها و آزمایش های دقیق تر نشان داد که شعاع هسته تقریباً متناسب با A 1/3 است. چگالی ماده هسته ای تقریبا ثابت است. (بسیار عظیم است: 100000 تن بر میلی متر 3.)

با کشف نوترون، مشخص شد که این یک وسیله ایده آل برای مطالعه هسته است، زیرا ذرات خنثی که از فاصله قابل توجهی از هسته عبور می کنند، توسط بار هسته ای منحرف نمی شوند. به عبارت دیگر، یک نوترون با یک هسته برخورد می کند که فاصله بین مراکز آنها کمتر از مجموع شعاع آنها باشد و در غیر این صورت منحرف نمی شود. آزمایشات روی پراکندگی یک پرتو نوترونی نشان داده است که شعاع هسته (با فرض شکل کروی) برابر است با:

آر = r 0 آ 1/3 ,

r 0 » 1.4 ساعت 10 – 15 متر.

بنابراین، شعاع هسته اورانیوم 238 8.5 x 10-15 متر است. این فاصله از مرکز هسته را مشخص می کند که در آن نوکلئون خنثی خارجی برای اولین بار تأثیر خود را "احساس" می کند. این مقدار شعاع هسته ای با فاصله از مرکز هسته هایی که در آن ذرات آلفا و پروتون ها پراکنده شده اند قابل مقایسه است.

پراکندگی ذرات آلفا، پروتون ها و نوترون ها توسط هسته ها به دلیل عمل نیروهای هسته ای است. در نتیجه، چنین اندازه گیری های شعاع هسته ای تخمینی از شعاع عمل نیروهای هسته ای ارائه می دهد. برهمکنش الکترون ها با هسته تقریباً به طور کامل توسط نیروهای الکتریکی تعیین می شود. بنابراین می توان از پراکندگی الکترون برای مطالعه شکل توزیع بار در هسته استفاده کرد. آزمایش‌هایی با الکترون‌های انرژی بسیار بالا که توسط R. Hofstadter در دانشگاه استنفورد انجام شد، اطلاعات دقیقی در مورد توزیع بار مثبت در امتداد شعاع هسته ارائه کرد. در شکل شکل 6 توزیع زاویه ای الکترون ها را با انرژی 154 مگا الکترون ولت نشان می دهد که توسط هسته های طلا پراکنده شده اند. منحنی بالایی توزیع زاویه ای محاسبه شده را با این فرض که بار مثبت در یک نقطه متمرکز شده است مشخص می کند. بدیهی است که داده های تجربی با این فرض مطابقت ندارد. توافق بسیار بهتری با فرض توزیع یکنواخت پروتون ها در سراسر حجم هسته (منحنی پایین تر) حاصل می شود. با این حال، "شعاع بار" تقریباً 20٪ کمتر از شعاع "نیروی هسته ای" به دست آمده از داده های پراکندگی نوترون است. این ممکن است به این معنی باشد که توزیع پروتون ها در هسته با توزیع نوترون ها متفاوت است.

نیروها و مزون های هسته ای

شعاع کوچک عمل نیروهای هسته ای برای اولین بار در آزمایش های پراکندگی رادرفورد به وضوح آشکار شد. ذرات آلفا که تا فاصله 10 تا 14 متری به مرکز هسته نزدیک می شدند، نیروهایی را تجربه کردند که علامت و قدر آنها با دافعه الکترواستاتیک معمولی متفاوت بود. آزمایش‌های بعدی با استفاده از نوترون‌ها نشان داد که نیروهای کوتاه برد بزرگی بین همه نوکلئون‌ها وجود دارد. این نیروها با نیروهای شناخته شده الکترواستاتیک و گرانشی متفاوت هستند که حتی در فواصل بسیار زیاد نیز ناپدید نمی شوند. نیروهای هسته ای نیروهای جاذبه هستند که به طور مستقیم از وجود هسته های پایدار با وجود دافعه الکترواستاتیکی پروتون های موجود در آنها ناشی می شود. نیروهای هسته ای بین هر جفت نوکلئون (نوترون و پروتون) یکسان است. این با مقایسه سطوح انرژی «هسته‌های آینه‌ای» نشان داده می‌شود که با یکدیگر تفاوت دارند زیرا پروتون‌های موجود در آنها با نوترون‌ها جایگزین می‌شوند و بالعکس. در شعاع عمل خود، نیروهای هسته‌ای به بزرگی بسیار زیادی می‌رسند. انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی دو پروتون که در فاصله 15-10 × 5/1 متر از یکدیگر قرار دارند، تنها 1 مگا ولت است که 40 برابر کمتر از انرژی پتانسیل هسته ای است. نیروهای هسته ای نیز اشباع را نشان می دهند، زیرا یک نوکلئون معین فقط قادر به برهمکنش با تعداد محدودی از نوکلئون های دیگر است. از این رو رشد اولیه سریع (با افزایش آ) میانگین انرژی اتصال در هر نوکلئون (شکل 3)، و ثبات نسبی این انرژی در آینده. (اگر هر نوکلئون با تمام نوکلئون‌های هسته برهمکنش داشته باشد، انرژی اتصال هر نوکلئون همیشه به نسبت افزایش می‌یابد. آ.)

تاکنون تئوری رضایت‌بخشی در مورد نیروهای هسته‌ای وجود ندارد و این مسئله به‌صورت تجربی و نظری به شدت مورد بررسی قرار می‌گیرد. با این حال، بسیاری از ایده‌های زیربنای «نظریه مزون نیروهای هسته‌ای» که در سال 1935 توسط H. Yukawa منتشر شد، با واقعیت‌های تجربی مطابقت داشت. یوکاوا این فرضیه را مطرح کرد که جاذبه ای که نوکلئون ها را در داخل هسته نگه می دارد به دلیل وجود "کوانتوم" یک میدان خاص، مشابه فوتون ها (کوانتوم های نور) میدان الکترومغناطیسی و اطمینان از برهم کنش بارهای الکتریکی ایجاد می شود. از نظریه میدان کوانتومی چنین بر می آید که شعاع عمل یک نیرو با جرم کوانتوم مربوطه نسبت معکوس دارد. در مورد میدان الکترومغناطیسی، جرم کوانتوم ها - فوتون ها - صفر است و شعاع عمل نیروها بی نهایت است. جرم کوانتوم های میدان هسته ای (موسوم به "مزون") که از محدوده آزمایشی اندازه گیری شده نیروهای هسته ای محاسبه می شود، حدود 200 برابر بیشتر از جرم الکترون است.

موقعیت نظریه یوکاوا پس از اینکه K. Anderson و S. Neddermeyer در سال 1936 یک ذره جدید با جرم تقریباً 200 جرم الکترون (که اکنون میون نامیده می شود) را کشف کردند، تقویت شد که آنها با استفاده از یک محفظه ابر در پرتوهای کیهانی کشف کردند. (در سال 1932 اندرسون "پوزیترون"، یک الکترون مثبت را کشف کرد.) در ابتدا به نظر می رسید که کوانتوم نیروهای هسته ای پیدا شده است، اما آزمایشات بعدی یک شرایط دلسرد کننده را نشان داد: "کلید نیروهای هسته ای" با هسته ها برهمکنش نمی کند! این وضعیت گیج کننده تنها پس از کشف ذره ای با جرم مناسب که با هسته ها در سال 1947 برهم کنش دارد، آشکار شد. این ذره (که پی مزون یا پیون نامیده می شود) ناپایدار بود و خود به خود تجزیه شد و به میون تبدیل شد. مزون پی برای نقش ذره یوکاوا مناسب بود و خواص آن توسط فیزیکدانانی که از پرتوهای کیهانی و شتاب دهنده های مدرن برای این اهداف استفاده می کردند با جزئیات بسیار مورد مطالعه قرار گرفت.

اگرچه وجود مزون‌های پی طرفداران نظریه یوکاوا را تشویق می‌کرد، اما پیش‌بینی درست ویژگی‌های دقیق نیروهای هسته‌ای مانند اشباع، انرژی‌های اتصال و انرژی‌های سطح هسته‌ای بسیار دشوار بود. مشکلات ریاضی مانع از آن شده است که دقیقاً آنچه را این نظریه پیش بینی می کند، ایجاد کنیم. با کشف انواع جدیدی از مزون‌ها که گمان می‌رود مربوط به نیروهای هسته‌ای باشند، وضعیت حتی پیچیده‌تر شده است.