Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

30.1: Ядро

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    74696

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    навчальні цілі

    • Поясніть взаємозв'язок між ядерним радіусом, ядерною щільністю та розміром ядра.

    Ядерний розмір визначається ядерним радіусом, який також називають середньоквадратичним радіусом заряду. Його можна виміряти розсіюванням електронів ядром, а також вивести з впливу скінченного розміру ядра на рівні енергії електронів, виміряних в атомних спектрах.

    Задача визначення радіуса атомного ядра схожа на задачу атомного радіуса, в тому, що ні атоми, ні їх ядра не мають певних меж. Однак ядро може бути змодельовано як сферу позитивного заряду для інтерпретації експериментів розсіювання електронів: оскільки до ядра немає певної межі, електрони «бачать» діапазон перерізів, за який можна взяти середнє значення. Кваліфікація «середньоквадратичне значення» (для «середнього квадрата кореня») виникає тому, що це ядерний переріз, пропорційний квадрату радіуса, який є визначальним для розсіювання електронів.

    Перша оцінка радіуса ядерного заряду була зроблена Гансом Гейгером і Ернестом Марсденом в 1909 році під керівництвом Ернеста Резерфорда в Фізичних лабораторіях Манчестерського університету, Великобританія. Знаменитий Резерфордський експеримент із золотої фольги включав розсіювання α-частинок золотою фольгою, причому деякі частинки розкидані через кути більше 90°, що повертаються до тієї ж сторони фольги, що і α-джерело, як показано на малюнку 1. Резерфорд зміг поставити верхню межу на радіус золотого ядра 34 фемтометра (фм).

    Пізніші дослідження виявили емпіричну залежність між радіусом заряду та числом маси\(\mathrm{A}\), для більш важких ядер,\((\mathrm { A } > 20 ): \mathrm { R } \approx \mathrm { r } \cdot \mathrm { A } ^ { 1 / 3 }\) де\(\mathrm{r}\) є емпірична константа 1,2-1,5 фм. Це дає радіус заряду для золотого ядра (A = 197A = 197) близько 7,5 фм.

    Ядерна щільність - це щільність ядра атома, усереднення близько\(4 \cdot 10 ^ { 17 } \mathrm { kg } / \mathrm { m } ^ { 3 }\). Ядерну щільність для типового ядра можна приблизно обчислити виходячи з розмірів ядра:

    \[\mathrm { n } = \dfrac { \mathrm { A } } { \frac { 4 } { 3 } \pi \mathrm { R } ^ { 3 } }\]

    Ядерна стабільність

    Стабільність атома залежить від співвідношення і кількості протонів і нейтронів, які можуть представляти собою замкнуті і заповнені квантові оболонки.

    навчальні цілі

    • Поясніть взаємозв'язок між стабільністю атома і його атомною структурою.

    Стабільність атома залежить від співвідношення його протонів до його нейтронів, а також від того, чи містить він «магічне число» нейтронів або протонів, які представляли б замкнуті і заповнені квантові оболонки. Ці квантові оболонки відповідають енергетичним рівням всередині оболонкової моделі ядра. Заповнені оболонки, такі як заповнена оболонка з 50 протонів в елементі олова, надає незвичайну стабільність нукліду. З 254 відомих стабільних нуклідів тільки чотири мають як непарну кількість протонів, так і непарну кількість нейтронів:

    • водень-2 (дейтерій)
    • літій-6
    • бор-10
    • азот-14

    Крім того, лише чотири природні, радіоактивні непарні нукліди мають період напіврозпаду більше мільярда років:

    • калій-40
    • ванадій-50
    • лантан-138
    • тантал-180м

    зображення

    Альфа-розпад: альфа-розпад є одним з видів радіоактивного розпаду. Атомне ядро випромінює альфа-частинку і тим самим перетворюється («розпадається») в атом з числом маси меншим на чотири і атомним номером меншим на два. Можливі багато інших видів гниття.

    Більшість непарних ядер дуже нестабільні щодо бета-розпаду, оскільки продукти розпаду рівномірні і, отже, більш сильно пов'язані через ефекти ядерного сполучення.

    Атом з нестабільним ядром, званий радіонуклідом, характеризується надлишковою енергією, доступною або для новоствореної радіаційної частинки всередині ядра, або за допомогою внутрішнього перетворення. Під час цього процесу радіонуклід, як кажуть, зазнає радіоактивного розпаду. Радіоактивний розпад призводить до випромінювання гамма-променів та/або субатомних частинок, таких як альфа- або бета-частинки, як показано в. Ці викиди складають іонізуюче випромінювання. Радіонукліди відбуваються природним шляхом, але також можуть бути отримані штучно.

    Всі елементи утворюють ряд радіонуклідів, хоча період напіврозпаду багатьох настільки короткий, що в природі їх не спостерігається. Навіть найлегший елемент, водень, має відомий радіоізотоп: тритій. Найважчі елементи (важчі, ніж вісмут) існують тільки у вигляді радіонуклідів. Для кожного хімічного елемента багато радіоізотопів, які не зустрічаються в природі (через короткий період напіврозпаду або відсутність природного джерела виробництва), вироблено штучно.

    Зв'язування енергетики та ядерних сил

    Ядерна сила - це сила, яка відповідає за зв'язування протонів і нейтронів в атомні ядра.

    навчальні цілі

    • Поясніть, як ядерна сила змінюється залежно від відстані.

    Ядерна сила - це сила між двома або більше складовими частинами атомних ядер. Складовими частинами є нейтрони і протони, які в сукупності називаються нуклонами. Ядерна сила відповідає за зв'язування протонів і нейтронів в атомні ядра.

    зображення

    Малюнок атомного ядра: Модель атомного ядра, що показує його як компактний пучок двох типів нуклонів: протонів (червоний) та нейтронів (синій).

    Щоб розібрати ядро на незв'язані протони та нейтрони, потрібно буде працювати проти ядерної сили. І навпаки, енергія вивільняється, коли ядро створюється з вільних нуклонів або інших ядер, відомих як енергія ядерного зв'язку. Енергія зв'язку ядер завжди позитивне число, так як всім ядрам потрібна чиста енергія для поділу на окремі протони і нейтрони. Через масово-енергетичну еквівалентність (тобто знаменита формула Ейнштейна\(\mathrm { E } = \mathrm { mc } ^ { 2 }\)) вивільнення цієї енергії призводить до того, що маса ядра буде нижчою за загальну масу окремих нуклонів (що призводить до «дефіциту маси»). Енергія зв'язування - це енергія, яка використовується на атомних електростанціях і ядерній зброї.

    Ядерна сила є потужно привабливою між нуклонами на відстанях близько 1 фемтометра (fm) між їх центрами, але швидко зменшується до відносної незначності на відстанях понад 2,5 фм. На дуже коротких відстанях (менше 0,7 фм) він стає відштовхуючим; він відповідає за фізичний розмір ядер, оскільки нуклони можуть наблизитися не ближче, ніж дозволяє сила.

    Під ядерною силою зараз розуміється залишковий ефект ще більш потужної «сильної сили» або сильної взаємодії. Це сила привабливості, яка зв'язує між собою частинки, відомі як кварки (утворюючи самі нуклони). Ця більш потужна сила опосередкована частинками, званими глюонами. Глюони тримають кварки разом із силою, подібною до електричного заряду (але набагато більшої потужності).

    Ядерні сили, що виникають між нуклонами, зараз розглядаються як аналогічні силам хімії між нейтральними атомами або молекулами (званими лондонськими силами). Такі сили між атомами набагато слабкіше, ніж привабливі електричні сили, які утримують разом самі атоми (тобто, які зв'язують електрони з ядром), і їх діапазон між атомами коротший, оскільки вони виникають внаслідок невеликого поділу зарядів всередині нейтрального атома.

    Аналогічно, навіть незважаючи на те, що нуклони складаються з кварків у комбінаціях, які скасовують більшість глюонних сил (вони є «кольоровими нейтральними»), деякі комбінації кварків і глюонів витікають від нуклонів у вигляді коротких ядерних силових полів, які простягаються від одного нуклону до іншого нуклону в безпосередній близькості. Ці ядерні сили дуже слабкі в порівнянні з прямими глуоновими силами («кольорові сили» або «сильні сили») всередині нуклонів, а ядерні сили поширюються лише на кілька ядерних діаметрів, падаючи експоненціально з відстанню. Проте вони досить міцні, щоб зв'язувати нейтрони і протони на невеликі відстані, а також долати електричне відштовхування між протонами в ядрі. Як і лондонські сили, ядерні сили також перестають бути привабливими і стають відразливими, коли нуклони зводяться занадто близько.

    Ключові моменти

    • Перша оцінка радіуса ядерного заряду була зроблена Гансом Гейгером та Ернестом Марсденом в 1909 році під керівництвом Ернеста Резерфорда в експерименті з золотою фольгою, який передбачав розсіювання α-частинок золотою фольгою, як показано на малюнку 1.
    • Емпіричне співвідношення існує між радіусом заряду та числом маси\(\mathrm{A}\), для більш важких ядер (\(\mathrm{A>20}\)): де\(\mathrm{r}\) емпірична константа 1,2-1,5 фм.
    • Ядерну щільність для типового ядра можна приблизно обчислити виходячи з розмірів ядра:\(\mathrm { n } = \frac { \mathrm { A } } { \frac { 4 } { 3 } \pi \mathrm { R } ^ { 3 } }\)
    • Більшість непарних ядер дуже нестабільні щодо бета-розпаду, оскільки продукти розпаду рівномірні і, отже, більш сильно пов'язані через ефекти ядерного сполучення.
    • Атом з нестабільним ядром характеризується надлишковою енергією, доступною або для новоствореної радіаційної частинки всередині ядра, або за допомогою внутрішнього перетворення.
    • Всі елементи утворюють ряд радіонуклідів, хоча період напіврозпаду багатьох настільки короткий, що в природі їх не спостерігається.
    • Ядерна сила є потужно привабливою на відстанях близько 1 фемтометра (fm), швидко зменшується до незначності на відстанях понад 2.5 fm, і стає відштовхуючим на дуже коротких відстанях менше 0,7 фм.
    • Ядерна сила є залишковим ефектом сильної взаємодії, яка пов'язує між собою частинки, звані кварками, в нуклони.
    • Енергія зв'язку ядер завжди є позитивним числом, тоді як маса ядра атома завжди менше суми окремих мас складових протонів і нейтронів при розділенні.

    Ключові умови

    • α-частинка: два протони та два нейтрони, пов'язані між собою в частинку, ідентичну ядру гелію
    • атомні спектри: емісійні або поглинання лінії, що утворюються, коли електрон здійснює перехід від одного енергетичного рівня атома до іншого
    • ядро: масивна, позитивно заряджена центральна частина атома, що складається з протонів і нейтронів
    • нуклід: Нуклід (від «ядра») - це атомний вид, що характеризується специфічною конституцією його ядра - тобто кількістю протонів (\(\mathrm{Z}\)), кількістю нейтронів (\(\mathrm{N}\)) та станом ядерної енергії.
    • радіонуклід: Радіонуклід - це атом з нестабільним ядром, що характеризується надлишковою енергією, доступною для передачі або новоствореної радіаційної частинки всередині ядра, або через внутрішнє перетворення.
    • радіоактивний розпад: будь-який з декількох процесів, за допомогою яких нестабільні ядра виділяють субатомні частинки і/або іонізуюче випромінювання і розпадаються на одне або кілька менших ядер
    • ядро: масивна, позитивно заряджена центральна частина атома, що складається з протонів і нейтронів
    • кварк: У Стандартній моделі елементарна субатомна частка, яка утворює речовину. Кварки ніколи не зустрічаються поодинці в природі, а об'єднуються, утворюючи адрони, такі як протони і нейтрони.
    • глюон: Безмасовий калібрувальний бозон, який пов'язує кварки разом, утворюючи баріони, мезони та інші адрони; це пов'язано з сильною ядерною силою.

    ЛІЦЕНЗІЇ ТА АВТОРСТВА

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ КОНТЕНТ, РАНІШЕ ДІЛИВСЯ

    • Курація та доопрацювання. Надано: Boundless.com. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства

    CC ЛІЦЕНЗОВАНИЙ ВМІСТ, СПЕЦИФІЧНА АТРИБУЦІЯ

    • Ядерний розмір. Надано: Вікіпедія. Знаходиться за адресою: http://en.Wikipedia.org/wiki/Nuclear_size. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Ядерна щільність. Надано: Вікіпедія. Знаходиться за адресою: http://en.Wikipedia.org/wiki/Nuclear_density. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Вікіпедія, вільна енциклопедія. Надано: Вікіпедія. Розташований за адресою: en.wikipedia.org/wiki/? -particle. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • ядро. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/nucleus. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Безмежний. Надано: Безмежне навчання. Розташований за адресою: www.boundless.com//physics/de... атомних спектрів. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Надано: Вікімедіа. Знаходиться за адресою: http://upload.wikimedia.org/wikipedi...esults.svg.png. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Радіоактивний розпад. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/RadioActive_decay. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Нестабільний ізотоп. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/нестабільний_ізотоп. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • нуклід. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/nuclide. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • радіонуклід. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Радіонуклід. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • радіоактивний розпад. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/radioactive_decay. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Надано: Вікімедіа. Знаходиться за адресою: http://upload.wikimedia.org/wikipedi...esults.svg.png. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Надано: Вікімедіа. Розташований за адресою: upload.wikimedia.org/wikipedi... _Decay.svg.png. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Енергія зв'язування. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Binding_energy. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Енергія ядерної зв'язку. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Nuclear_binding_energy. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Ядерна сила. Надано: Вікіпедія. Розташовано за адресою: uk.wikipedia.org/wiki/Nuclear_force. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • ядро. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/nucleus. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • глюон. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/gluon. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • кварк. Надано: Вікісловник. Розташований за адресою: uk.wiktionary.org/wiki/quark. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Надано: Вікімедіа. Знаходиться за адресою: http://upload.wikimedia.org/wikipedi...esults.svg.png. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Надано: Вікімедіа. Знаходиться за адресою: http://upload.wikimedia.org/wikipedi... _Decay.svg.png. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства
    • Надано: Вікімедіа. Розташований за адресою: upload.wikimedia.org/wikipedi... rawing.svg.png. Ліцензія: CC BY-SA: Із Зазначенням Авторства