Atom yadrosi
Atom yadrosi

Atom yadrosi - atomning markaziy va juda ixcham qismi, unda uning deyarli barcha massasi va barchasi ijobiydir elektr zaryadi. Kulon kuchlari ta'sirida elektronlarni o'ziga musbat zaryadini qoplaydigan miqdorda ushlab turgan yadro neytral atomni hosil qiladi. Ko'pgina yadrolarning shakli sharsimonga yaqin va diametri ≈ 10 -12 sm, bu atom diametridan (10 -8 sm) to'rt marta kichikroqdir. Moddaning yadrodagi zichligi taxminan 230 million tonna/sm 3 ni tashkil qiladi.
Atom yadrosi 1911-yilda Kembrijda (Angliya) E.Rezerford rahbarligida oʻtkazilgan yupqa oltin va platina folga yordamida alfa zarrachalarini sochish boʻyicha bir qator tajribalar natijasida kashf etilgan.
1932-yilda J.Chedvik u yerda neytronni kashf qilgandan so‘ng, yadro proton va neytronlardan iborat ekanligi ma’lum bo‘ldi.
(V. Heisenberg, D.D. Ivanenko, E. Majorana).

Atom yadrosini belgilash uchun yadroni o'z ichiga olgan atomning kimyoviy elementi belgisi ishlatiladi va bu belgining yuqori chap indeksi ushbu yadrodagi nuklonlar sonini (massa raqami) va pastki chap indeksni ko'rsatadi. undagi protonlar soni. Masalan, 28 tasi proton bo'lgan 58 ta nuklondan iborat bo'lgan nikel yadrosi belgilangan.
Yadroviy oʻzaro taʼsir (yadrodagi nuklonlar orasidagi oʻzaro taʼsir) nuklonlarning mezon almashishi tufayli yuzaga keladi. Bu o'zaro ta'sir nuklonlar va mezonlarni tashkil etuvchi kvarklar o'rtasidagi yanada fundamental kuchli o'zaro ta'sirning ko'rinishidir (xuddi molekulalardagi kimyoviy bog'lanish kuchlari asosiy elektromagnit kuchlarning namoyon bo'lishi kabi).
Yadrolar dunyosi juda xilma-xildir. 3000 ga yaqin yadrolar ma'lum bo'lib, ular bir-biridan protonlar soni yoki neytronlar soni yoki ikkalasi bilan farq qiladi.
Ularning aksariyati sun'iy ravishda olinadi. Faqat 264 yadro barqaror, ya'ni. vaqt o'tishi bilan hech qanday o'z-o'zidan o'zgarishlarni boshdan kechirmang, bu parchalanish deb ataladi. Boshqalar tajriba turli shakllar
parchalanish - alfa parchalanishi (alfa zarrachaning emissiyasi, ya'ni geliy atomining yadrosi); beta-parchalanish (elektron va antineytrino yoki pozitron va neytrinoning bir vaqtning o'zida emissiyasi, shuningdek, neytrinoning emissiyasi bilan atom elektronining yutilishi); gamma-parchalanish (foton emissiyasi) va boshqalar.
Yadrolarning har xil turlari ko'pincha nuklidlar deb ataladi. Protonlar soni bir xil va neytronlari turlicha bo'lgan nuklidlar izotoplar deyiladi. Nuklonlar soni bir xil, lekin proton va neytronlarning nisbati har xil bo'lgan nuklidlar izobarlar deyiladi. Yengil yadrolar taxminan teng miqdordagi proton va neytronlarni o'z ichiga oladi. Og'ir yadrolarda neytronlar soni protonlar sonidan taxminan 1,5 baravar ko'p. Eng engil yadro vodorod atomining yadrosi bo'lib, bitta protondan iborat. Maʼlum boʻlgan eng ogʻir yadrolar (ular sunʼiy yoʻl bilan olinadi) nuklonlar soni ≈290 ga teng. Ulardan 116-118 tasi protondir.

atom yadrolari Shaklda. 2-rasmda atom yadrolarining NZ diagrammasi ko'rsatilgan. Qora nuqtalar barqaror yadrolarni ko'rsatadi. Barqaror yadrolar joylashgan hudud odatda barqarorlik vodiysi deb ataladi. Barqaror yadrolarning chap tomonida protonlar bilan haddan tashqari yuklangan yadrolar (protonga boy yadrolar), o'ngda - neytronlar bilan ortiqcha yuklangan yadrolar (neytronga boy yadrolar) mavjud. Hozirda kashf etilgan atom yadrolari rang bilan ajratilgan. Ularning 3,5 mingga yaqini bor. Hammasi bo'lib 7-7,5 ming bo'lishi kerak, deb ishoniladi. Protonga boy yadrolar () radioaktiv bo'lib, asosan b + -parchalanish natijasida barqaror bo'ladi, yadro tarkibiga kirgan proton neytronga aylanadi. Neytronga boy yadrolar (ko'k rang) ham radioaktiv bo'lib, - - parchalanish natijasida yadro neytronining protonga aylanishi bilan barqaror bo'ladi.
Eng ogʻir barqaror izotoplar qoʻrgʻoshin (Z=82) va vismut (Z=83) izotoplaridir. Og'ir yadrolar b + va b - yemirilish jarayonlari bilan bir qatorda a-emirilishga ham duchor bo'ladi ( sariq) va o'z-o'zidan bo'linish, bu ularning asosiy parchalanish kanallariga aylanadi. Rasmdagi nuqta chiziq. 2-rasmda atom yadrolarining mumkin bo'lgan hududi ko'rsatilgan. B p = 0 chizig'i (B p - proton ajralish energiyasi) chap tomonda atom yadrolarining mavjudligi hududini cheklaydi (proton tomizish chizig'i). B chizig'i n = 0 (B n - neytronlarni ajratish energiyasi) - o'ng tomonda (neytron tomchilari chizig'i). Ushbu chegaralardan tashqarida atom yadrolari mavjud bo'lishi mumkin emas, chunki ular xarakterli yadro vaqtida (~10 -23 - 10 -22 s) nuklonlarning chiqishi bilan parchalanadi.
Ikki engil yadro birlashganda (sintez) va og'ir yadroni ikkita engilroq bo'lakka bo'lganda, katta miqdorda energiya ajralib chiqadi. Energiya olishning bu ikki usuli ma'lum bo'lganlarning eng samaralisidir. Demak, 1 gramm yadro yoqilg‘isi 10 tonna kimyoviy yoqilg‘iga teng. Yadro sintezi (termoyadro reaksiyalari) yulduzlar uchun energiya manbai hisoblanadi. Nazoratsiz (portlovchi) termoyadroviy (yoki "vodorod" deb ataladigan) bomba portlaganda sodir bo'ladi. Boshqariladigan (sekin) sintez ishlab chiqilayotgan istiqbolli energiya manbai - termoyadroviy reaktor asosida yotadi.
Atom bombasi portlaganda nazoratsiz (portlovchi) bo'linish sodir bo'ladi. Boshqariladigan bo'linish atom elektr stantsiyalarida energiya manbalari bo'lgan yadro reaktorlarida amalga oshiriladi.
Atom yadrolarini nazariy tavsiflash uchun kvant mexanikasi va turli modellardan foydalaniladi.
Yadro gaz (kvant gazi) va suyuqlik (kvant suyuqligi) sifatida ham harakat qilishi mumkin. Sovuq yadro suyuqligi o'ta suyuqlik xususiyatiga ega.

Juda qizigan yadroda nuklonlar parchalanib, ularni tashkil etuvchi kvarklarga aylanadi. Bu kvarklar glyuonlarni almashish orqali o'zaro ta'sir qiladi. Bu yemirilish natijasida yadro ichidagi nuklonlar to'plami materiyaning yangi holatiga - kvark-glyuon plazmasiga aylanadi.. Atom musbat elektr zaryadiga ega bo'lgan yadro va manfiy zaryadlangan elektronlardan iborat. Har qanday kimyoviy element yadrosining zaryadi mahsulotga teng Z - e, bu erda Z - bu elementning seriya raqami davriy jadval kimyoviy elementlar, e - elementar elektr zaryadining qiymati.

Elektron manfiy elektr zaryadli e=1,6·10 -19 kulon bo'lgan moddaning elementar elektr zaryadi sifatida qabul qilingan eng kichik zarrasi. Yadro atrofida aylanadigan elektronlar K, L, M va hokazo elektron qobiqlarda joylashgan. K - yadroga eng yaqin qobiq. Atomning kattaligi uning elektron qobig'ining kattaligi bilan belgilanadi. Atom elektronlarni yo'qotib, ijobiy ionga aylanishi yoki elektron olishi va manfiy ionga aylanishi mumkin. Ionning zaryadi yo'qolgan yoki olingan elektronlar sonini aniqlaydi. Neytral atomni zaryadlangan ionga aylantirish jarayoni ionlanish deb ataladi.

Atom yadrosi(atomning markaziy qismi) elementar yadro zarralari - proton va neytronlardan iborat. Yadro radiusi atom radiusidan taxminan yuz ming marta kichikdir. Atom yadrosining zichligi nihoyatda yuqori. Protonlar- bular bitta musbat elektr zaryadli va massasi elektron massasidan 1836 marta katta bo'lgan barqaror elementar zarralardir. Proton eng yengil element vodorod atomining yadrosidir. Yadrodagi protonlar soni Z ga teng. Neytron massasi proton massasiga juda yaqin boʻlgan neytral (elektr zaryadiga ega boʻlmagan) elementar zarrachadir. Yadro massasi proton va neytronlar massasidan iborat bo'lganligi sababli, atom yadrosidagi neytronlar soni A - Z ga teng, bu erda A - berilgan izotopning massa soni (qarang). Yadroni tashkil etuvchi proton va neytron nuklonlar deyiladi. Yadroda nuklonlar maxsus yadro kuchlari bilan bog'langan.

Atom yadrosida yadro reaktsiyalari paytida ajralib chiqadigan juda katta energiya zaxirasi mavjud. Yadro reaktsiyalari atom yadrolari elementar zarrachalar yoki boshqa elementlarning yadrolari bilan o'zaro ta'sirlashganda sodir bo'ladi. Yadro reaktsiyalari natijasida yangi yadrolar hosil bo'ladi. Masalan, neytron protonga aylanishi mumkin. Bunday holda, yadrodan beta zarracha, ya'ni elektron chiqariladi.

Protonning yadrodagi neytronga o'tishi ikki yo'l bilan amalga oshirilishi mumkin: yoki massasi elektronning massasiga teng, lekin pozitron (pozitron parchalanishi) deb ataladigan musbat zaryadga ega bo'lgan zarrachadan chiqariladi. yadro, yoki yadro unga eng yaqin bo'lgan K-qobig'idan elektronlardan birini ushlaydi (K - tutib olish).

Ba'zida hosil bo'lgan yadro ortiqcha energiyaga ega (hayajonlangan holatda) va ichiga kiradi normal holat, shakldagi ortiqcha energiyani chiqaradi elektromagnit nurlanish juda qisqa to'lqin uzunligi bilan -. Yadro reaktsiyalari jarayonida ajralib chiqadigan energiya turli sanoat tarmoqlarida amalda qo'llaniladi.

Atom (yun. atomos — boʻlinmas) kimyoviy elementning kimyoviy xossalariga ega boʻlgan eng kichik zarrasi. Har bir element ma'lum turdagi atomlardan tashkil topgan. Atom musbat elektr zaryadini olib yuruvchi yadro va manfiy zaryadlangan elektronlardan (qarang), uning elektron qobiqlarini hosil qiluvchi yadrodan iborat. Yadroning elektr zaryadining kattaligi Z-e ga teng, bu erda e - elementar elektr zaryad, kattaligi bo'yicha elektron zaryadiga teng (4,8·10 -10 elektr birlik), Z - bu elementning atom raqami. kimyoviy elementlarning davriy tizimida (qarang.). Ionlashtirilmagan atom neytral bo'lgani uchun uning tarkibiga kiradigan elektronlar soni ham Z ga teng. Yadro tarkibiga (qarang Atom yadrosi ) nuklonlar, massasi elektron massasidan taxminan 1840 marta katta bo'lgan elementar zarralar kiradi. (9,1 10 - 28 g ga teng), protonlar (qarang), musbat zaryadlangan va zaryadsiz neytronlar (qarang). Yadrodagi nuklonlar soni deyiladi massa raqami va A harfi bilan belgilanadi. Yadrodagi Z ga teng protonlar soni atomga kiradigan elektronlar sonini, elektron qobiqlarning tuzilishini va atomning kimyoviy xossalarini aniqlaydi. Yadrodagi neytronlar soni A dan Z gacha. Izotoplar bir xil elementning navlari bo'lib, ularning atomlari massa soni A bo'yicha bir-biridan farq qiladi, lekin bir xil Z ga ega. Shunday qilib, bir xil elementning turli izotoplari atomlarining yadrolarida mavjud. boshqa raqam protonlar soni bir xil bo'lgan neytronlar. Izotoplarni belgilashda element belgisi tepasida A massa raqami, quyida esa atom raqami yoziladi; Masalan, kislorodning izotoplari belgilanadi:

Atomning o'lchamlari elektron qobiqlarning o'lchamlari bilan belgilanadi va barcha Z uchun 10-8 sm gacha bo'lgan qiymatdir, chunki atomning barcha elektronlarining massasi yadro massasidan bir necha ming marta kichikdir , atomning massasi massa soniga proportsionaldir. Berilgan izotop atomining nisbiy massasi C12 uglerod izotopi atomining massasiga nisbatan aniqlanadi, 12 birlik sifatida qabul qilinadi va izotop massasi deyiladi. Bu mos keladigan izotopning massa soniga yaqin bo'lib chiqadi. Kimyoviy element atomining nisbiy og'irligi izotop og'irligining o'rtacha (ma'lum element izotoplarining nisbiy ko'pligini hisobga olgan holda) qiymati bo'lib, atom og'irligi (massasi) deb ataladi.

Atom mikroskopik tizim bo'lib, uning tuzilishi va xususiyatlarini faqat 20-asrning 20-yillarida yaratilgan va atom miqyosidagi hodisalarni tasvirlash uchun mo'ljallangan kvant nazariyasi yordamida tushuntirish mumkin. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, mikrozarralar - elektronlar, protonlar, atomlar va boshqalar korpuskulyarlardan tashqari, diffraktsiya va interferentsiyada namoyon bo'ladigan to'lqinli xususiyatlarga ega. Kvant nazariyasida mikroob'ektlarning holatini tavsiflash uchun to'lqin funktsiyasi (r-funksiya) bilan tavsiflangan ma'lum bir to'lqin maydoni qo'llaniladi. Bu funktsiya mikroob'ektning mumkin bo'lgan holatlari ehtimolini aniqlaydi, ya'ni uning ayrim xususiyatlarining namoyon bo'lishining potentsial imkoniyatlarini tavsiflaydi. Bu funksiyani topishga imkon beruvchi r funksiyaning fazo va vaqtdagi oʻzgarish qonuni (Shrodinger tenglamasi) kvant nazariyasida Nyutonning klassik mexanikadagi harakat qonunlari kabi rol oʻynaydi. Shredinger tenglamasini yechish ko'p hollarda tizimning diskret mumkin bo'lgan holatlariga olib keladi. Shunday qilib, masalan, atom holatida turli (kvantlangan) energiya qiymatlariga mos keladigan elektronlar uchun bir qator to'lqin funktsiyalari olinadi. Kvant nazariyasi usullari bilan hisoblangan atom energiya darajalari tizimi spektroskopiyada yorqin tasdig'ini oldi. Atomning eng past energiya darajasi E 0 ga to'g'ri keladigan asosiy holatdan E i har qanday qo'zg'aluvchan holatlarga o'tishi E i - E 0 energiyaning ma'lum bir qismini yutganda sodir bo'ladi. Hayajonlangan atom odatda foton chiqarish orqali kamroq hayajonlangan yoki asosiy holatga o'tadi. Bunda foton energiyasi hv atomning ikki holatdagi energiyalari farqiga teng: hv = E i - E k bu yerda h Plank doimiysi (6,62·10 -27 erg·sek), v chastotasi. yorug'likdan.

Atom spektrlari bilan bir qatorda, kvant nazariyasi atomlarning boshqa xususiyatlarini tushuntirishga imkon berdi. Xususan, valentlik, tabiat kimyoviy bog'lanish va molekulalarning tuzilishi, elementlarning davriy sistemasi nazariyasi yaratildi.

Alfa zarrachaning yupqa oltin folga orqali o'tishini o'rganib (6.2-bo'limga qarang) E. Rezerford atom og'ir musbat zaryadlangan yadro va uni o'rab turgan elektronlardan iborat degan xulosaga keldi.

Yadro atomning markaziy qismi deb ataladi,unda atomning deyarli butun massasi va uning musbat zaryadi jamlangan.

IN atom yadrosining tarkibi elementar zarrachalarni o'z ichiga oladi : protonlar Va neytronlar (nuklonlar lotincha so'zdan yadro- yadro). Yadroning bunday proton-neytron modeli sovet fizigi tomonidan 1932 yilda D.D. Ivanenko. Proton musbat zaryadga ega e + = 1,06 10 –19 C va tinch massa m p= 1,673·10 –27 kg = 1836 m e. Neytron ( n) – tinch massaga ega neytral zarracha m n= 1,675·10 –27 kg = 1839 m e(elektron massasi qayerda m e, 0,91·10 –31 kg ga teng). Shaklda. 9.1 XX asr oxiridagi g'oyalarga muvofiq geliy atomining tuzilishini ko'rsatadi - XXI asrning boshi V.

Asosiy zaryad teng Ze, Qayerda e- proton zaryadi; Z- to'lov raqami, teng ishlab chiqarish raqami Mendeleyevning elementlar davriy tizimidagi kimyoviy element, ya'ni. yadrodagi protonlar soni. Yadrodagi neytronlar soni belgilanadi N. Qoida tariqasida Z > N.

Hozirda ma'lum bo'lgan yadrolar Z= 1 gacha Z = 107 – 118.

Yadrodagi nuklonlar soni A = Z + N chaqirdi massa raqami . Xuddi shunday yadrolar Z, lekin boshqacha A chaqiriladi izotoplar. Yadro, xuddi shu bilan A turlicha bor Z, deyiladi izobarlar.

Yadro neytral atom bilan bir xil belgi bilan belgilanadi, bu erda X- kimyoviy element belgisi. Masalan: vodorod Z= 1 uchta izotopga ega: - protium ( Z = 1, N= 0), – deyteriy ( Z = 1, N= 1), – tritiy ( Z = 1, N= 2), qalay 10 ta izotopga ega va hokazo. Bitta kimyoviy elementning izotoplarining aksariyatida ular bir xil kimyoviy va o'xshash xususiyatlarga ega jismoniy xususiyatlar. Hammasi bo'lib 300 ga yaqin barqaror izotoplar va 2000 dan ortiq tabiiy va sun'iy yo'l bilan olingan izotoplar ma'lum. radioaktiv izotoplar.

Yadroning o'lchami yadro chegarasining xiralashishi tufayli an'anaviy ma'noga ega bo'lgan yadro radiusi bilan tavsiflanadi. Hatto E. Ruterford o'z tajribalarini tahlil qilib, yadroning o'lchami taxminan 10-15 m (atomning o'lchami 10-10 m) ekanligini ko'rsatdi. Yadro radiusini hisoblash uchun empirik formula mavjud:

Qayerda R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m bu yadro hajmining nuklonlar soniga mutanosib ekanligini ko’rsatadi.

Yadro moddasining zichligi 10 17 kg/m 3 ga teng va barcha yadrolar uchun doimiydir. Bu eng zich oddiy moddalarning zichligidan sezilarli darajada oshadi.

Protonlar va neytronlar fermionlar, chunki spinga ega ħ /2.

Atomning yadrosi bor ichki burchak momentum – yadro spini :

,

(9.1.2)

Qayerda I – ichki(to'liq)spin kvant soni.

Raqam I 0, 1/2, 1, 3/2, 2 va hokazo butun yoki yarim butun qiymatlarni qabul qiladi. bilan yadrolar hatto A bor butun son aylanish(birliklarda ħ ) va statistikaga rioya qiling Bose–Eynshteyn(bozonlar). bilan yadrolar g'alati A bor yarim butun son spin(birliklarda ħ ) va statistikaga rioya qiling Fermi–Dirac(bular. yadrolar - fermionlar).

Yadro zarralari o'zlarining magnit momentlariga ega bo'lib, ular butun yadroning magnit momentini aniqlaydi. Yadrolarning magnit momentlari uchun o'lchov birligi yadro magnitoni m zahar:

Bu yerga e- elektron zaryadining mutlaq qiymati; m p- proton massasi.

Yadro magnitoni m p/m e= Bor magnetonidan 1836,5 marta kamroq, bundan kelib chiqadi atomlarning magnit xossalari aniqlanadi magnit xususiyatlari uning elektronlari .

Yadroning spini va uning magnit momenti o'rtasida bog'liqlik mavjud:

qaerda g zahari - yadro giromagnit nisbati.

Neytron m manfiy magnit momentga ega n≈ - 1,913 m zahar, chunki neytron spinining yo'nalishi va uning magnit momenti qarama-qarshidir. Protonning magnit momenti musbat va m ga teng r≈ 2,793 mk zahar. Uning yo'nalishi proton spinining yo'nalishiga to'g'ri keladi.

Protonlarning elektr zaryadining yadro bo'ylab taqsimlanishi odatda assimetrikdir. Ushbu taqsimotning sferik simmetriklikdan og'ish o'lchovi yadroning to'rt kutupli elektr momenti Q. Agar zaryad zichligi hamma joyda bir xil deb hisoblansa, u holda Q faqat yadro shakli bilan belgilanadi. Demak, inqilob ellipsoidi uchun

,

(9.1.5)

Qayerda b- spin yo'nalishi bo'ylab ellipsoidning yarim o'qi; A- perpendikulyar yo'nalishda yarim o'q. Spin yo'nalishi bo'ylab cho'zilgan yadro uchun, b > A Va Q> 0. Ushbu yo'nalishda tekislangan yadro uchun, b < a Va Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a Va Q= 0. Bu spini 0 yoki ga teng bo'lgan yadrolar uchun to'g'ri keladi ħ /2.

Namoyishlarni ko'rish uchun tegishli giperhavolani bosing:

Hamma narsaning ichki tuzilishi haqida ishonchli ma'lumotlar paydo bo'lishidan ancha oldin, yunon mutafakkirlari materiyani doimiy harakatda bo'lgan mayda olovli zarralar shaklida tasavvur qilganlar. Ehtimol, narsalarning dunyo tartibi to'g'risidagi bu tasavvur faqat mantiqiy xulosalardan kelib chiqqan. Ba'zi soddalik va bu bayonotning mutlaqo dalillari yo'qligiga qaramay, bu haqiqat bo'lib chiqdi. Olimlar bu jasur taxminni faqat yigirma uch asrdan keyin tasdiqlashga muvaffaq bo'lishdi.

Atom tuzilishi

IN XIX asr oxiri asrda, oqim o'tgan deşarj trubasining xususiyatlari o'rganildi. Kuzatishlar shuni ko'rsatdiki, bu holda zarrachalarning ikkita oqimi chiqariladi:

Katod nurlarining manfiy zarralari elektronlar deb ataldi. Keyinchalik ko'plab jarayonlarda bir xil zaryad-massa nisbatiga ega bo'lgan zarralar topildi. Elektronlar ionlar va atomlar tomonidan bombardimon qilinganda juda oson ajratilgan turli atomlarning universal komponentlari bo'lib tuyuldi.

Musbat zaryadga ega bo'lgan zarralar bir yoki bir nechta elektronni yo'qotgandan so'ng atomlarning bo'laklari sifatida ifodalangan. Aslida, musbat nurlar atomlar guruhlari bo'lmagan manfiy zarralar, va natijada ijobiy zaryadga ega bo'ladi.

Tompson modeli

Tajribalar asosida ijobiy va manfiy zarralar atomning mohiyatini ifodalashi va uning tarkibiy qismlari ekanligi aniqlandi. Ingliz olimi J.Tomson o'z nazariyasini ilgari surdi. Uning fikriga ko'ra, atom va atom yadrosining tuzilishi o'ziga xos massa bo'lib, unda manfiy zaryadlar musbat zaryadlangan to'pga siqib qo'yilgan, xuddi mayiz keki kabi. To'lov kompensatsiyasi "kupcak" ni elektr neytral qildi.

Ruterford modeli

Amerikalik yosh olim Ruterford alfa zarrachalari qoldirgan izlarni tahlil qilib, Tompson modeli nomukammal degan xulosaga keldi. Ba'zi alfa zarralari kichik burchaklarda - 5-10 o ga burildi. Kamdan kam hollarda alfa zarrachalari 60-80 o gacha bo'lgan katta burchaklarda og'ishgan va istisno hollarda burchaklar juda katta - 120-150 o. Tompsonning atom modeli farqni tushuntirib bera olmadi.

Ruterford taklif qiladi yangi model, atom va atom yadrosining tuzilishini tushuntirish. Jarayon fizikasi shuni ko'rsatadiki, atom 99% bo'sh bo'lishi kerak, uning atrofida mayda yadro va elektronlar aylanib, orbita bo'ylab harakatlanadi.

U ta'sir paytidagi og'ishlarni atom zarralari o'zlarining elektr zaryadlariga ega ekanligi bilan izohlaydi. Zaryadlangan zarralarni bombardimon qilish ta'sirida atom elementlari o'zini makrokosmosdagi oddiy zaryadlangan jismlar kabi tutadi: bir xil zaryadli zarralar bir-birini itaradi, qarama-qarshi zaryadli zarralar esa o'ziga tortadi.

Atomlarning holati

O'tgan asrning boshlarida, birinchi zarracha tezlatgichlari ishga tushirilganda, atom yadrosi va atomning tuzilishini tushuntiruvchi barcha nazariyalar eksperimental tekshirishni kutayotgan edi. Bu vaqtga kelib, alfa va beta nurlarining atomlar bilan o'zaro ta'siri allaqachon chuqur o'rganilgan. 1917 yilgacha atomlar barqaror yoki radioaktiv deb hisoblar edi. Barqaror atomlarni parchalab bo'lmaydi, radioaktiv yadrolarning parchalanishini nazorat qilib bo'lmaydi. Ammo Ruterford bu fikrni rad etishga muvaffaq bo'ldi.

Birinchi proton

1911-yilda E.Rezerford barcha yadrolar bir xil elementlardan iborat, ularning asosini vodorod atomi tashkil qiladi, degan fikrni ilgari surdi. Olimni bunday fikrga materiyaning tuzilishiga oid oldingi tadqiqotlardan kelgan muhim xulosa turtki bo‘ldi: barcha kimyoviy elementlarning massalari vodorod massasiga qoldiqsiz bo‘linadi. Yangi taxmin misli ko'rilmagan imkoniyatlarni ochib berdi, bu bizga atom yadrosining tuzilishini yangicha ko'rish imkonini berdi. Yadro reaktsiyalari yangi gipotezani tasdiqlashi yoki rad etishi kerak edi.

Tajribalar 1919 yilda azot atomlari bilan o'tkazildi. Ularni alfa zarralari bilan bombardimon qilish orqali Ruterford ajoyib natijaga erishdi.

N atomi alfa zarrachasini o'ziga singdirdi, keyin kislorod atomi O 17 ga aylandi va vodorod yadrosini chiqaradi. Bu bir element atomining ikkinchisiga birinchi sun'iy o'zgarishi edi. Bunday tajriba atom yadrosining tuzilishi va mavjud jarayonlar fizikasi boshqa yadroviy o'zgarishlarni amalga oshirishga imkon berishiga umid berdi.

Olim o‘z tajribalarida sintillyatsion flesh usulidan foydalangan. Olovlanish chastotasiga asoslanib, u atom yadrosining tarkibi va tuzilishi, hosil bo'lgan zarrachalarning xususiyatlari, ularning xususiyatlari haqida xulosalar chiqardi. atom massasi va seriya raqami. Noma'lum zarrachani Rezerford proton deb atagan. U yagona elektrondan mahrum bo'lgan vodorod atomining barcha xususiyatlariga ega edi - bitta musbat zaryad va mos keladigan massa. Shunday qilib, proton va vodorod yadrosi bir xil zarralar ekanligi isbotlandi.

1930-yilda, birinchi yirik tezlatgichlar qurilib, ishga tushirilgach, Rezerfordning atom modeli sinovdan oʻtkazildi va isbotlandi: har bir vodorod atomi oʻrnini aniqlab boʻlmaydigan yolgʻiz elektrondan va ichida yolgʻiz musbat proton boʻlgan boʻsh atomdan iborat. . Bombardimon paytida protonlar, elektronlar va alfa zarralari atomdan uchib chiqishi mumkinligi sababli, olimlar bu har qanday atom yadrosining tarkibiy qismlari deb o'ylashgan. Ammo yadro atomining bunday modeli beqaror bo'lib tuyuldi - elektronlar yadroga sig'maslik uchun juda katta edi, bundan tashqari, impuls qonunining buzilishi va energiyaning saqlanishi bilan bog'liq jiddiy qiyinchiliklar mavjud edi. Bu ikki qonun, qattiq buxgalterlar singari, bombardimon paytida momentum va massa noma'lum yo'nalishda yo'qolishini aytdi. Ushbu qonunlar umumiy qabul qilinganligi sababli, bunday oqish uchun tushuntirishlarni topish kerak edi.

Neytronlar

Butun dunyo olimlari atom yadrolarining yangi komponentlarini ochishga qaratilgan tajribalar o'tkazdilar. 1930-yillarda Nemis fiziklari Bekker va Bote berilliy atomlarini alfa zarralari bilan bombardimon qilishdi. Shu bilan birga, noma'lum nurlanish qayd etildi, uni G-nurlari deb atashga qaror qilindi. Batafsil tadqiqotlar yangi nurlarning ba'zi xususiyatlarini ochib berdi: ular to'g'ri chiziq bo'ylab tarqala olishdi, elektr va nurlar bilan o'zaro ta'sir qilmadilar. magnit maydonlar, yuqori penetratsion qobiliyatga ega edi. Keyinchalik bu turdagi nurlanishni hosil qiluvchi zarralar alfa zarrachalarining boshqa elementlar - bor, xrom va boshqalar bilan o'zaro ta'sirida topilgan.

Chadwickning taxmini

Keyin Ruterfordning hamkasbi va shogirdi Jeyms Chadvik Nature jurnalida qisqacha xabar berdi, keyinchalik u hammaga ma'lum bo'ldi. Chadvik saqlanish qonunlaridagi qarama-qarshiliklarni osonlikcha hal qilish mumkinligiga e'tibor qaratdi, agar yangi nurlanish neytral zarralar oqimidir, ularning har biri taxminan proton massasiga teng massaga ega. Ushbu taxminni hisobga olgan holda, fiziklar atom yadrosining tuzilishini tushuntiruvchi gipotezani sezilarli darajada kengaytirdilar. Qisqacha aytganda, qo'shimchalarning mohiyati yangi zarrachaga va uning atom tuzilishidagi roliga qisqartirildi.

Neytronning xossalari

Topilgan zarrachaga "neytron" nomi berildi. Yangi kashf etilgan zarralar o'z atrofida elektromagnit maydon hosil qilmadi va energiyani yo'qotmasdan materiyadan osongina o'tdi. Yengil atom yadrolari bilan kamdan-kam uchraydigan to'qnashuvlarda neytron o'z energiyasining muhim qismini yo'qotib, yadroni atomdan chiqarib yuborishga qodir. Atom yadrosining tuzilishi har bir moddada turli xil miqdordagi neytronlarning mavjudligini taxmin qildi. Yadro zaryadi bir xil, ammo neytronlari soni har xil bo'lgan atomlar izotoplar deyiladi.

Neytronlar alfa zarralari uchun ajoyib o'rinbosar bo'lib xizmat qildi. Hozirgi vaqtda ular atom yadrosining tuzilishini o'rganish uchun ishlatiladi. Ularning fan uchun ahamiyatini qisqacha ta'riflab bo'lmaydi, ammo atom yadrolarini neytronlar tomonidan bombardimon qilinishi tufayli fiziklar deyarli barcha ma'lum elementlarning izotoplarini olishga muvaffaq bo'lishdi.

Atom yadrosining tarkibi

Hozirgi vaqtda atom yadrosining tuzilishi yadro kuchlari tomonidan bir-biriga bog'langan proton va neytronlarning to'plamidir. Masalan, geliy yadrosi ikkita neytron va ikkita protondan iborat bo'lakdir. Yengil elementlar deyarli mavjud teng son protonlar va neytronlar juda ko'p neytronlarga ega;

Yadro tuzilishining bu tasviri tez protonli zamonaviy yirik tezlatgichlarda o'tkazilgan tajribalar bilan tasdiqlangan. Protonlarning elektr itaruvchi kuchlari yadro kuchlari bilan muvozanatlanadi, ular faqat yadroning o'zida harakat qiladi. Yadro kuchlarining tabiati hali to'liq o'rganilmagan bo'lsa-da, ularning mavjudligi amalda isbotlangan va atom yadrosining tuzilishini to'liq tushuntiradi.

Massa va energiya o'rtasidagi bog'liqlik

1932 yilda Uilson kamerasi elektron massasiga ega musbat zaryadlangan zarrachalar mavjudligini isbotlovchi ajoyib suratga oldi.

Bungacha musbat elektronlar P. Dirak tomonidan nazariy jihatdan bashorat qilingan. Kosmik nurlarda haqiqiy musbat elektron ham topilgan. Yangi zarracha pozitron deb ataldi. Uning juftligi - elektron bilan to'qnashganda, annigilyatsiya sodir bo'ladi - ikkita zarrachaning o'zaro yo'q qilinishi. Bu ma'lum miqdorda energiya chiqaradi.

Shunday qilib, makrokosmos uchun ishlab chiqilgan nazariya materiyaning eng kichik elementlarining xatti-harakatlarini tavsiflash uchun to'liq mos edi.

Proton-elektron nazariyasi

1932 yil boshida faqat uchta elementar zarracha ma'lum edi: elektron, proton va neytron. Shu sababli atom yadrosi proton va elektronlardan iborat deb faraz qilingan (proton-elektron gipotezasi). D.I.Mendeleyev elementlarining davriy sistemasidagi $Z$ soni va massa soni $A$ boʻlgan yadroga $A$ proton va $Z-A$ neytronlar kiradi, deb hisoblangan. Ushbu gipotezaga muvofiq, yadroning bir qismi bo'lgan elektronlar "tsementlash" agenti bo'lib, uning yordamida yadroda musbat zaryadlangan protonlar saqlanib qolgan. Atom yadrosining tarkibi haqidagi proton-elektron gipotezasi tarafdorlari $\beta ^-$ - radioaktivlik gipotezaning to'g'riligini tasdig'i deb hisoblashgan. Ammo bu gipoteza tajriba natijalarini tushuntirib bera olmadi va bekor qilindi. Bu qiyinchiliklardan biri azot yadrosi spinining $^(14)_7N$ birligiga $(\hbar)$ teng ekanligini tushuntirishning mumkin emasligi edi. Proton-elektron gipotezasiga ko'ra, $^(14)_7N$ azot yadrosi $14$ proton va $7$ elektrondan iborat bo'lishi kerak. Proton va elektronlarning spini $1/2$ ga teng. Shu sababli, bu gipotezaga ko'ra 21$ zarrachalardan tashkil topgan azot atomining yadrosi spini $1/2,\3/2,\5/2,\nuqtalar 21/2$ bo'lishi kerak. Proton-elektron nazariyasi bilan bu nomuvofiqlik "azot falokati" deb ataladi. Yadroda elektronlar borligida uning magnit momenti elektronning magnit momentiga nisbatan kichik magnit momentga ega ekanligi ham tushunarsiz edi.

1932-yilda J.Chedvik neytronni kashf etdi. Bu kashfiyotdan keyin D.D.Ivanenko va E.G.Gaponlar atom yadrosining proton-neytron tuzilishi haqidagi farazni ilgari surdilar va uni V.Geyzenberg batafsil ishlab chiqdi.

Eslatma 1

Yadroning proton-neytron tarkibi nafaqat nazariy xulosalar, balki yadroning proton va neytronlarga bo'linishi bo'yicha tajribalar bilan ham tasdiqlanadi. Hozirgi kunda atom yadrosi proton va neytronlardan iborat ekanligi umumiy qabul qilingan, ular ham deyiladi. nuklonlar(lotin tilidan yadro- yadro, don).

Atom yadrosining tuzilishi

Yadro atomning markaziy qismi boʻlib, unda musbat elektr zaryadi va atom massasining asosiy qismi toʻplangan. Yadroning o'lchamlari elektronlar orbitalariga nisbatan juda kichik: $10^(-15)-10^(-14)\ m$. yadrolari proton va neytronlardan iborat bo'lib, ularning massasi deyarli teng, lekin faqat proton elektr zaryadini olib yuradi. Protonlarning umumiy soni deyiladi atom raqami$Z$ atomi, bu neytral atomdagi elektronlar soniga to'g'ri keladi. Nuklonlar o'z tabiatiga ko'ra yadroda kuchli kuchlar tomonidan ushlab turiladi, bu kuchlar na elektr, na tortishish kuchiga ega va kattaligi bo'yicha ular elektronlarni yadroga bog'laydigan kuchlardan ancha katta.

Yadro tuzilishining proton-neytron modeliga ko'ra:

• barcha kimyoviy elementlarning yadrolari nuklonlardan iborat;
• yadro zaryadi faqat protonlar hisobiga;
• yadrodagi protonlar soni elementning atom raqamiga teng;
• neytronlar soni massa soni va protonlar soni o'rtasidagi farqga teng ($N=A-Z$)

Proton ($^2_1H\ or\ p$) musbat zaryadlangan zarrachadir: uning zaryadi elektronning $e=1,6\cdot 10^(-19)\ C$ zaryadiga, qolgan massasi $m_p ga teng. =1,627\cdot 10^( -27)\ kg$. Proton vodorod atomining eng engil nuklonining yadrosidir.

Yozuvlar va hisob-kitoblarni soddalashtirish uchun yadro massasi ko‘pincha atom massa birliklarida (a.m.u.) yoki energiya birliklarida aniqlanadi (massa o‘rniga elektron-voltlarda mos keladigan energiya $E=mc^2$ yozish orqali). Atom massa birligi uglerod nuklidining massasining $1/12$ $^(12)_6C$ sifatida qabul qilinadi. Ushbu birliklarda biz quyidagilarni olamiz:

Proton, xuddi elektron kabi, o'zining burchak momentiga ega - spin, u $1/2$ ga teng ($\hbar$ birliklarida). Ikkinchisi, tashqi magnit maydonda faqat uning proyeksiyasi va maydon yo'nalishlari $+1/2$ yoki $-1/2$ ga teng bo'ladigan tarzda yo'naltirilishi mumkin. Proton, xuddi elektron kabi, Fermi-Dirak kvant statistikasiga bo'ysunadi, ya'ni. fermionlarga tegishli.

Proton o'zining magnit momenti bilan tavsiflanadi, bu moment $1/2$ spinli zarracha uchun $e$ zaryad va massasi $m$ ga teng bo'ladi.

Elektron uchun uning magnit momenti teng

Nuklonlar va yadrolarning magnitlanishini tasvirlash uchun yadro magnetoni ishlatiladi (Bor magnetonidan $1836$ marta kichik):

Dastlab protonning magnit momenti yadro magnitoniga teng deb hisoblangan, chunki uning massasi elektronnikidan $1836$ marta. Ammo o'lchovlar shuni ko'rsatdiki, aslida protonning magnit momenti yadroviy magnetronnikidan 2,79 dollarga ko'p va ijobiy belgiga ega, ya'ni. yo'nalish aylanish bilan mos keladi.

Zamonaviy fizika bu kelishmovchiliklarni proton va neytronlarning bir-biriga aylanishi va bir muncha vaqt $\pi ^\pm $ - mezon va tegishli belgining boshqa nukloniga dissotsiatsiya holatida qolishi bilan izohlaydi:

$\pi ^\pm $ mezonining qolgan massasi $193,63$ MeV ni tashkil qiladi, shuning uchun uning magnit momenti yadro magnitoninikidan $6,6$ marta katta. O'lchovlarda proton magnit momentining va mezon muhitining $\pi ^+$ ma'lum samarali qiymati paydo bo'ladi.

Neytron ($n$) elektr neytral zarra; uning qolgan massasi

Neytron zaryadsiz bo'lsa ham, magnit momenti $\mu _n=-1,91\mu _I$. "$-$" belgisi magnit momentining yo'nalishi proton spiniga qarama-qarshi ekanligini ko'rsatadi. Neytronning magnitlanishi uning ajralishi mumkin bo'lgan zarrachalarning magnit momentining samarali qiymati bilan belgilanadi.

Erkin holatda neytron beqaror zarrachadir va tasodifiy parchalanadi (yarim umri $12$ min): $\beta $ zarracha va antineytrino chiqaradi, u protonga aylanadi. Neytronlarning parchalanish sxemasi quyidagicha yoziladi:

Neytronning yadro ichidagi parchalanishidan farqli o'laroq, $\beta$ yemirilishi ham ichki parchalanish, ham elementar zarralar fizikasiga tegishli.

Neytron va protonning o'zaro o'zgarishi, spinlarning tengligi, massalar va xususiyatlarning yaqinligi biz bir xilning ikkita navi haqida gapiryapmiz deb taxmin qilishga asos beradi. yadro zarrasi-- nuklon. Proton-neytron nazariyasi eksperimental ma'lumotlarga juda mos keladi.

Yadrolarning tarkibiy qismi sifatida proton va neytronlar ko'plab bo'linish va sintez reaktsiyalarida uchraydi.

Ixtiyoriy va alohida yadro parchalanishlarida elektronlar, pozitronlar, mezonlar, neytrinolar va antineytrinolarning oqimlari ham kuzatiladi. $\beta $ zarrachaning (elektron yoki pozitron) massasi nuklon massasidan $1836$ marta kichik. Mezonlar - musbat, manfiy va nol zarralar - $\beta $ - zarralar va nuklonlar orasida massa bo'yicha oraliq o'rinni egallaydi; Bunday zarralarning umri juda qisqa va soniyaning milliondan bir qismini tashkil qiladi. Neytrinlar va antineytrinolar tinch massasi nolga teng bo'lgan elementar zarralardir. Biroq, elektronlar, pozitronlar va mezonlar yadroning tarkibiy qismlari bo'la olmaydi. Ushbu yorug'lik zarralarini kichik hajmda lokalizatsiya qilish mumkin emas, bu yadro radiusi $\sim 10^(-15)\ m$.

Buni isbotlash uchun biz elektr o'zaro ta'sir energiyasini aniqlaymiz (masalan, yadroda pozitron yoki proton bo'lgan elektron)

va uni elektronning o'z energiyasi bilan solishtiring

Tashqi o'zaro ta'sirning energiyasi elektronning o'z energiyasidan oshib ketganligi sababli, u mavjud bo'lolmaydi va yadro sharoitida o'z individualligini saqlab qoladi; Nuklonlarning holati boshqacha, ularning o'z energiyasi 900$ MeV dan ortiq, shuning uchun ular yadroda o'z xususiyatlarini saqlab qolishlari mumkin;

Yadrolardan bir holatdan ikkinchi holatga o'tish paytida yorug'lik zarralari chiqariladi.