Struktur inti atom. pengalaman Rutherford. Struktur inti atom. Kekuatan nuklir. Isotop Struktur atom dan inti atom

Pada tahun 1911, E. Rutherford, berdasarkan eksperimennya, membuktikan keberadaan inti bermuatan positif dalam sebuah atom. Diagram percobaan Rutherford dapat Anda lihat pada gambar. Di dalam silinder 1 terdapat zat radioaktif yang mengeluarkan aliran partikel 2. Mereka jatuh pada kertas emas tipis 3 dan berinteraksi dengannya, mengenai layar 4. Di tempat partikel bertabrakan, kilatan cahaya 5 muncul di layar.

Fakta bahwa beberapa partikel α secara signifikan mengubah arah terbangnya bertentangan dengan model atom “longgar” Thomson (lihat § 15-b). Rutherford beralasan seperti ini. Jika beberapa partikel alfa terbang kembali, berarti terdapat muatan positif yang kuat pada atom foil tersebut. Tetapi karena sebagian besar partikel alfa terbang melalui kertas timah hampir tanpa defleksi, muatan positif ini menempati sebagian kecil atom. Dia diberi nama inti atom.

Dengan menghitung partikel α yang dibelokkan pada berbagai sudut, kami menentukan ukuran inti atom: sekitar 10 -14 m. Ini kira-kira 10.000 kali lebih kecil dari atom itu sendiri. Oleh karena itu, dalam model atom nuklirnya, Rutherford harus “mengisi” seluruh ruang dalam atom yang tidak ditempati oleh inti dengan elektron. Dia menulis: “Sebuah atom terdiri dari muatan listrik pusat yang terkonsentrasi pada suatu titik dan dikelilingi oleh distribusi bola seragam listrik berlawanan dengan besaran yang sama.”

Rutherford tidak menunjukkan secara pasti bagaimana letak elektron dalam atom atau apakah elektron bergerak. Eksperimennya tidak dapat menjawab pertanyaan ini, tetapi ia lahir anggapan bahwa elektron bergerak mengelilingi inti seperti planet mengelilingi matahari. Namun, elektron akan memiliki percepatan sentripetal (lihat § 12-l). Dan, seperti muatan apa pun yang bergerak dengan percepatan, mereka akan memancarkan gelombang elektromagnetik (lihat § 11-h). Seiring waktu, karena kehilangan energi, semua elektron pasti akan “jatuh” ke dalam inti. Namun ukuran atom tidak berkurang. Apakah ini berarti hipotesis tentang pergerakan elektron tidak benar?

Langkah pertama menuju penyelesaian kontradiksi antara model atom planet dan ketahanannya dibuat pada tahun 1913 oleh Dane N. Bohr. Dia mengembangkan gagasan Planck tentang kuantisasi energi (lihat § 15-a) dan mengusulkan bahwa kuanta dipancarkan oleh atom, bukan elektron. Menurut Bohr, sistem atom (inti dan elektron) dapat berada dalam keadaan stabil secara energi, selama transisi di mana kuanta radiasi yang mentransfer energi dipancarkan atau diserap.

Bohr berhasil memperoleh rumus yang menggambarkan posisi garis dalam spektrum hidrogen dan atom monovalen lainnya (lihat § 14). Perhitungan yang dilakukan terhadap posisi garis spektrum bertepatan dengan spektrum yang diamati. Asal usul mereka mudah dijelaskan oleh teori Bohr sifat intermiten dari nilai energi atom yang diizinkan.

Langkah selanjutnya untuk memahami alasan kestabilan atom menyebabkan ditinggalkannya konsep orbit elektron dan digantikan oleh konsep tersebut. level dan sublevel elektronik. Oleh karena itu, sejak pertengahan abad ke-20, model planet belum digunakan dalam fisika. Meskipun ini, Kuantisasi energi suatu sistem atom merupakan salah satu prinsip utama fisika hingga saat ini.

Mari kita beralih ke struktur inti atom. Pada tahun 1919, E. Rutherford, membombardir atom nitrogen dengan inti atom helium, menemukan penampakan inti atom hidrogen. Pemboman serupa terhadap natrium, aluminium, neon, dan unsur lainnya juga menghasilkan inti atom hidrogen. Mereka disebut proton dan menyimpulkan bahwa mereka adalah bagian dari inti semua atom. Pada tahun 1932, fisikawan Inggris D. Chadwick menemukan neutron– partikel nuklir dengan massa sama dengan massa proton dan tanpa muatan listrik.

Saat ini diyakini demikian inti atom terdiri dari proton dan neutron, yang secara kolektif disebut nukleon("Inti" Latin - inti). Inti menjadi kuat karena adanya gaya nuklir khusus yang bekerja di antara semua nukleon. Gaya-gaya ini kira-kira 100 kali lebih kuat daripada gaya listrik, tetapi hanya bekerja pada jarak hingga 10 -15 m, yaitu di dalam inti.

Atom adalah partikel terkecil suatu unsur kimia. Sifat kimia suatu unsur bergantung pada struktur atom, khususnya kemampuannya untuk bergabung dengan atom unsur lain membentuk molekul zat kompleks.

Sebuah atom terdiri dari inti dan elektron yang berputar mengelilinginya dalam orbit tertentu. Inti atom membawa muatan listrik Q= Ze, Di manaZ – nomor urut suatu unsur dalam tabel periodik, dan e- disebut muatan listrik dasar, yang tidak dapat dibagi menjadi beberapa bagian: e= 1,6 · 10 -19 C (coulomb). Muatan partikel elementer elektron adalah – e, dan jumlah elektron dalam orbit atom sama dengan Z, jadi total tagihannya Q e = – Ze sama nilai absolutnya dengan muatan inti, tetapi berlawanan tanda, sehingga atom secara keseluruhan netral secara listrik.

Dimensi atom semua unsur kira-kira sama, dan jari-jarinya kira-kira ≈ 10 -8 cm.

1.1.2. Struktur dan sifat inti atom

Inti atom- bagian tengah atom, di mana hampir seluruh massanya terkonsentrasi. Inti atom terdiri dari partikel elementer - nukleon, yang memiliki dua varietas yang disebut proton (P) Dan neutron (N) . Semua ciri utama proton dan neutron - ukuran, massa, dan lain-lain - pada dasarnya sama, dan perbedaan utamanya terletak pada muatan listriknya: muatan proton adalah + e, dan muatan neutronnya nol, mis. neutron bersifat netral secara listrik.

Inti atom yang berbeda mengandung jumlah yang berbeda untuk setiap jenis nukleon. Jumlah proton dalam inti atom Z bertepatan dengan nomor atom suatu unsur kimia dan menentukan muatan listrik inti (lihat di atas). Jumlah neutron N tidak mempengaruhi muatan inti, dan akibatnya, atom termasuk dalam unsur tertentu. Oleh karena itu, inti atom dari unsur yang sama memiliki inti yang sama Z , tetapi mungkin berbeda N. Varietas unsur yang sama yang mempunyai jumlah neutron berbeda pada intinya disebut isotopsaya. Karena massa proton dan neutron hampir sama, massa inti ditentukan berdasarkan perkiraan pertama dengan jumlah seluruh nukleon. N + Z = SEBUAH . Oleh karena itu nomornya A ditelepon nomor massa. Saat menunjukkan isotop, nomor massa ditunjukkan di kiri atas simbol unsur kimia. Misalnya, isotop hidrogen diketahui: hidrogen biasa, yang intinya adalah proton tunggal - 1 H, hidrogen berat (deuterium), yang intinya ditambahkan satu neutron ke proton - 2 H, dan hidrogen superberat (tritium) 3 H, yang intinya terdiri dari satu proton dan dua neutron. Deuterium dan tritium kadang-kadang diberi simbol D dan T. Semua unsur memiliki isotop, dan dalam beberapa kasus jumlahnya mencapai dua hingga tiga lusin. Uranium alami ( Z= 92) ada tiga isotop: 234 U, 235 U dan 238 U, dan selain itu, beberapa isotop lagi diperoleh secara artifisial: 232 U, 233 U, 236 U, 239 U dan lain-lain. Semua isotop dari satu unsur memiliki sifat kimia yang sama - mereka mengalami reaksi kimia yang sama, membentuk senyawa kimia yang sama, dll., tetapi sifat nuklirnya bisa sangat bervariasi. Misalnya, 235 inti U difisi oleh neutron lambat, namun 238 inti U tidak (lihat di bawah).

Inti dengan jumlah semua nukleon yang sama, sehingga memiliki nomor massa yang sama A, disebut isobarsaya, yaitu kernel dengan berat kira-kira sama (dari kata Yunani baros - berat). Isobar, misalnya, adalah inti 3 H dan 3 He, atau 58 Fe dan 58 Ni. Terkadang inti diisolasi isoton, mengandung jumlah neutron dan inti yang sama isomer, yang akan dibahas lebih detail di bawah ini.

Kemungkinan kombinasi angka yang berbeda Z Dan N mengarah pada kemungkinan adanya sejumlah besar jenis inti yang berbeda. Setiap jenis kernel memiliki arti tertentu Z Dan N ditelepon nuklida. Ada sekitar 300 nuklida berbeda di alam, dan lebih dari 2000 nuklida dapat diproduksi secara artifisial.

Muatan listrik proton dengan nama yang sama saling tolak menolak menurut hukum elektrostatika, mencoba merobek inti menjadi beberapa bagian. Namun, diketahui bahwa inti dari banyak nuklida adalah objek yang sangat tahan lama yang dapat bertahan hampir selamanya tanpa perubahan apa pun. Fakta ini menunjukkan bahwa di dalam inti terdapat gaya tarik-menarik yang sangat kuat antar nukleon, yang besarnya jauh lebih besar daripada gaya tolak-menolak elektrostatis. Kekuatan-kekuatan ini disebut kekuatan nuklir. Gaya nuklir memiliki sejumlah sifat khusus yang membedakannya secara tajam dari semua gaya lain di alam. Ukurannya yang besar dikaitkan dengan besarnya cadangan energi yang terkandung dalam inti atom.

Dimensi inti atom sangat kecil - sekitar 10 -12 cm. Ini berarti inti atom 10.000 kali lebih kecil dari atom itu sendiri. Namun di dalam inti inilah lebih dari 99,9% massa seluruh materi dan cadangan energi yang sangat besar terkonsentrasi. Eksperimen menunjukkan bahwa jari-jari semua inti bergantung pada jumlah nukleon dalam inti dan dinyatakan dengan rumus sederhana:

R=1,4·10 -13 A 1/3 cm.

Massa inti. Pada awalnya, kita perhatikan bahwa dalam fisika nuklir, biasanya kita tidak membahas massa inti atom, tetapi massa atom, karena lebih mudah diukur, dan jika perlu, massa inti selalu dapat dengan mudah ditemukan. dengan mengurangkannya dari massa atom M massa total elektron Zm e, Karena Massa elektron diketahui: M e= 9.108·10 -28 g. Untuk menyatakan massa atom dalam fisika nuklir, digunakan satuan khusus yang disebut satuan massa atom(sma) dan didefinisikan sebagai seperduabelas massa atom dari isotop utama karbon 12 C. 1 sma = 1,66 · 10 -27 kg = 1,66 · 10 -24 g disebut massa atom M.. Satuan massa atom dipilih secara khusus sedemikian rupa sehingga massa atom, yang dibulatkan menjadi bilangan bulat, akan bertepatan dengan nomor atom, yaitu. dengan jumlah nukleon dalam inti. Misalnya:

M(1 N) = 1,007825 sma,

M(238 U)=238.05076 sma.

Perbedaan antara massa atom dan nomor massa disebut kelebihan atau penurunan massa: δ = M–A. Besaran inilah yang biasanya diberikan dalam tabel, agar tidak mengacaukannya dengan angka-angka yang tidak perlu, dan, dengan mengetahui penurunannya, Anda selalu dapat menemukan nilai pasti dari massa atom. M=A +δ.

Massa atom diukur menggunakan instrumen khusus spektograf massa Dan spektrometer massa, prinsip operasinya didasarkan pada pembelokan berkas ion dalam medan listrik dan magnet: semakin berat ion, semakin sedikit ion yang dibelokkan ketika terbang melalui medan tersebut. Oleh karena itu, besarnya simpangan dapat digunakan untuk menentukan massa ion.

Metode fisika yang berbeda untuk memisahkannya juga didasarkan pada perbedaan massa atom dari isotop yang berbeda, karena metode kimia untuk memisahkan zat sama sekali tidak cocok untuk memisahkan isotop.

Energi pengikatan nuklir. Pengaruh gaya nuklir dapat diatasi dengan memasukkan energi dalam jumlah yang cukup ke dalam inti. Banyaknya energi yang harus dikeluarkan untuk memecah suatu inti menjadi nukleon-nukleon disebut energi pengikatan nuklir. Jumlah energi yang sama akan dilepaskan selama pembentukan inti dari nukleon individu, meninggalkan sistem dalam bentuk pancaran sinar gamma. Energi ikat suatu nukleon atau gugus nukleon ditentukan dengan cara yang sama, misalnya: energi ikat suatu neutron dalam suatu inti adalah energi yang harus dikeluarkan untuk mengeluarkan satu neutron dari inti.

Energi ikat spesifik nukleon dalam intiDI DALAM . Ini adalah nama yang diberikan untuk pecahan energi ikat total suatu inti yang rata-rata turun per nukleon dalam inti. Dari definisi ini berikut: B = E St. /A. Besarnya DI DALAM tergantung pada jumlah nukleon dalam inti A(Gbr. 1): dengan pertumbuhan A nilai-nilai DI DALAM pada awalnya mereka meningkat tajam, dan kemudian, setelah melewati titik maksimum yang mulus, mereka secara bertahap menurun. Terlebih lagi, sebagian besar inti (kecuali yang paling ringan) memiliki nilai DI DALAM tidak jauh berbeda dengan 8 MeV. Bentuk kurva energi ikat spesifik pada Gambar 1.1 menunjukkan bahwa inti dengan nilai rata-rata memiliki ikatan paling erat A. Itu sebabnya bagaimana proses fisi inti berat, jadi dan proses fusi inti cahaya, mengarah pada pembentukan inti dengan jumlah massa rata-rata yang “menguntungkan secara energi”, yaitu disertai pelepasan energi yang sangat besar. Oleh karena itu, dua metode terkenal untuk memperoleh energi "nuklir" didasarkan pada proses ini - fisi inti berat dan fusi inti ringan (termonuklir).

Cacat massal. Menurut teori relativitas, setiap perubahan energi suatu sistem disertai dengan perubahan massanya: Δ E =Δ MS 2 . Karena energi ikat dilepaskan selama pembentukan inti dari nukleon individu, menurut hubungan terakhir, proses seperti itu akan menyebabkan penurunan massa sistem. Oleh karena itu, massa inti selalu lebih kecil dari jumlah massa masing-masing nukleon yang menyusun inti:

Δ M= ZM H + (A – Z)m N – M(A,Z) .

Gambar.1.1. Ketergantungan energi ikat spesifik pada nomor massa nuklida.

Penurunan massa selama pembentukan inti disebut cacat massal(Di Sini M H - massa atom hidrogen, M N– massa neutron, M(A, Z) – massa atom yang bersangkutan.). Mari kita ingat bahwa meskipun massa atom muncul dalam ungkapan ini, atom (A, Z) mengandung jumlah elektron yang sama persis dengan Z atom hidrogen, sehingga massa elektron berkurang, dan cacat massa sebenarnya menunjukkan perbedaan massa masing-masing nukleon dan inti yang bersangkutan.

Dari penjelasan di atas dapat disimpulkan bahwa cacat massa menentukan energi ikat inti: E St. =Δ MS 2 . Ekspresi ini dapat disederhanakan secara signifikan jika menggunakan relasi E= MS 2 tentukan jumlah energi yang sesuai dengan satu satuan massa atom: 1a.um = 931,5 MeV. Kemudian menghitung nilai Δ M dalam satuan massa atom, Anda dapat dengan mudah menemukan nilai energi ikat dalam MeV: E cahaya (MeV) = 931,5·Δ M(a.e.m.).

Ekspresi cacat massa juga dapat disederhanakan dengan menyatakan semua massa yang termasuk di dalamnya melalui pengurangan yang sesuai: M H= 1 + δ(Н), M N = 1 + δ N , M(A, Z) = SEBUAH +δ( A, Z), yang setelah dikurangi suku-suku serupa menghasilkan:

Δ M= Z(H) + (A – Z) δ N – δ( A,Z).

Keadaan energi inti. Nukleon dan inti atom yang menyusunnya, seperti semua partikel elementer lainnya, tunduk pada hukum mekanika kuantum, yang dalam banyak hal berbeda dari hukum fisika klasik. Secara khusus, energi dalam mikrokosmos hanya dapat berubah dalam porsi tertentu (kuanta), dan tidak terus menerus, seperti dalam mekanika klasik. Oleh karena itu, inti hanya dapat berada dalam keadaan dengan nilai energi tertentu, dan keadaan peralihan menjadi tidak mungkin. Keadaan ini biasanya dilambangkan pada diagram dengan tanda hubung, yang disebut tingkat energi(Gbr. 1.2). Energi di sirkuit tersebut disimpan dari bawah ke atas. Keadaan yang energinya paling kecil disebut utama, lainnya - bersemangat. Biasanya semua inti berada dalam keadaan dasar, tetapi setelah menerima porsi energi yang cukup, inti tersebut dapat berpindah ke salah satu keadaan tereksitasi. Energi E Saya , diperlukan untuk transisi inti ke Saya-keadaan ditunjukkan pada diagram level di sebelah level yang sesuai (energi keadaan dasar diambil sebagai 0). Sekali Saya-tingkat, kernel bisa masuk ke level mana saja Ke-tingkat dengan energi lebih sedikit. Dengan transisi seperti itu, perbedaan energi dilepaskan, yang terbawa oleh kuantum gamma yang keluar dari inti: E γ = E Saya – E Ke. Setelah beberapa transisi seperti itu, disebut riam, inti kembali ke keadaan dasar. Waktu inti berada dalam keadaan tereksitasi disebut seumur hidup level yang sesuai dan dilambangkan dengan huruf τ. Untuk tingkat tereksitasi yang lebih rendah, nilai τ biasanya berada pada urutan 10 -10 – 10 -12 detik, untuk tingkat tereksitasi yang lebih tinggi – bahkan lebih kecil lagi, pada urutan 10 -15 – 10 -17 detik. Namun, beberapa inti memiliki tingkat tereksitasi dengan masa hidup yang sangat lama, mulai dari beberapa detik hingga jutaan tahun. Tingkat berumur panjang seperti itu disebut tingkat metastabil, dan keseluruhan fenomena secara keseluruhan - isomerisme nuklir.

Gambar.1.2. Diagram Tingkat Nuklir

Selain energi, setiap tingkat dicirikan oleh sejumlah besaran, antara lain momentum sudut. Dalam mekanika kuantum, momentum sudut adalah besaran P=ћ√ SAYA(SAYA+1), Di mana SAYA- disebut bilangan kuantum momentum sudut. Sejak nilainya P ditentukan secara unik oleh nomor SAYA, maka biasanya jika berbicara tentang momentum sudut, hanya bilangan ini yang disebut. Menurut hukum mekanika kuantum, inti dengan jumlah nukleon genap mempunyai nilai SAYA hanya dapat berupa bilangan bulat: 0, 1, 2, 3,...., dan untuk inti dengan jumlah nukleon ganjil - hanya setengah bilangan bulat: 1/2, 3/2, 5/2, dst. Setiap level bersemangat memiliki nilai angkanya masing-masing SAYA, ditentukan, sebagai suatu peraturan, secara empiris. Angka SAYA sangat mempengaruhi kemungkinan transisi inti antar level: semakin besar perbedaan nilainya SAYA antara level awal dan akhir Δ SAYA= SAYA Saya - SAYA k, semakin kecil kemungkinan transisinya.

Satu-satunya atom stabil yang tidak mengandung neutron di dalam intinya adalah hidrogen ringan (protium).

Inti atom, yang dianggap sebagai kelas partikel dengan jumlah proton dan neutron tertentu, biasa disebut nuklida.
Dalam beberapa kasus yang jarang terjadi, atom eksotik berumur pendek dapat terbentuk, di mana partikel lain berfungsi sebagai nukleus, bukan nukleon.

Jumlah proton dalam inti disebut nomor muatannya Z (\gaya tampilan Z)- nomor ini sama dengan nomor urut unsur yang dimiliki atom dalam tabel Mendeleev (Tabel Periodik Unsur). Jumlah proton dalam inti menentukan struktur kulit elektron atom netral dan, dengan demikian, sifat kimia unsur yang bersangkutan. Jumlah neutron dalam suatu inti disebut nya nomor isotop N (\gaya tampilan N). Inti yang mempunyai jumlah proton sama dan jumlah neutron berbeda disebut isotop. Inti yang mempunyai jumlah neutron sama tetapi jumlah proton berbeda disebut isoton. Istilah isotop dan isoton juga digunakan untuk merujuk pada atom yang mengandung inti tersebut, serta untuk mengkarakterisasi varietas non-kimia dari suatu unsur kimia. Jumlah nukleon dalam suatu inti disebut nomor massanya A (\gaya tampilan A) (A = N + Z (\gaya tampilan A=N+Z)) dan kira-kira sama dengan massa atom rata-rata yang tercantum dalam tabel periodik. Nuklida dengan nomor massa yang sama, tetapi komposisi proton-neutron berbeda biasanya disebut isobar.

Seperti sistem kuantum lainnya, inti atom dapat berada dalam keadaan tereksitasi metastabil, dan dalam beberapa kasus, masa hidup keadaan tersebut dapat dihitung dalam beberapa tahun. Keadaan inti yang tereksitasi seperti ini disebut isomer inti.

YouTube ensiklopedis

1 / 5

✪ Struktur inti atom. Kekuatan nuklir

✪ Kekuatan nuklir

✪ Struktur inti atom Gaya nuklir

✪ BAGAIMANA BOM ATOM "FAT MAN" BEKERJA

✪ Fisika nuklir - Struktur inti atom v1

Subtitle

Cerita

Hamburan partikel bermuatan dapat dijelaskan dengan mengandaikan suatu atom terdiri atas muatan listrik pusat yang terkonsentrasi pada suatu titik dan dikelilingi oleh distribusi bola seragam listrik berlawanan yang besarnya sama. Dengan susunan atom seperti ini, partikel α dan β, ketika melintas pada jarak dekat dari pusat atom, mengalami penyimpangan yang besar, meskipun kemungkinan penyimpangan tersebut kecil.

Dengan demikian, Rutherford menemukan inti atom, dan sejak saat itu fisika nuklir dimulai, mempelajari struktur dan sifat inti atom.

Setelah penemuan isotop unsur yang stabil, inti atom yang paling ringan diberi peran sebagai partikel struktural dari semua inti. Sejak 1920, inti atom hidrogen memiliki nama resmi - proton. Setelah teori proton-elektron perantara tentang struktur inti, yang memiliki banyak kekurangan yang jelas, pertama-tama, bertentangan dengan hasil eksperimen pengukuran putaran dan momen magnet inti, pada tahun 1932 James Chadwick menemukan partikel baru yang netral secara listrik. disebut neutron. Pada tahun yang sama, Ivanenko dan, secara independen, Heisenberg membuat hipotesis tentang struktur proton-neutron inti atom. Selanjutnya, dengan berkembangnya fisika nuklir dan penerapannya, hipotesis ini terbukti sepenuhnya.

Teori struktur inti atom

Dalam proses perkembangan ilmu fisika, berbagai hipotesis tentang struktur inti atom dikemukakan; namun, masing-masing dari mereka hanya mampu menggambarkan serangkaian sifat nuklir yang terbatas. Beberapa model mungkin saling eksklusif.

Yang paling terkenal adalah sebagai berikut:

• Model tetesan inti atom - diusulkan pada tahun 1936 oleh Niels Bohr.
• Model inti cangkang - diusulkan pada tahun 30-an abad ke-20.
• Model Bohr-Mottelson yang digeneralisasi
• Model kernel cluster
• Model asosiasi nukleon
• Model inti superfluida
• Model statistik kernel

Ciri-ciri fisik nuklir

Muatan inti atom pertama kali ditentukan oleh Henry Moseley pada tahun 1913. Ilmuwan menafsirkan pengamatan eksperimentalnya dengan ketergantungan panjang gelombang sinar-X pada konstanta tertentu Z (\gaya tampilan Z), bervariasi satu dari unsur ke unsur dan sama dengan satu untuk hidrogen:

1 / λ = a Z − b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda ))=aZ-b), Di mana

A (\gaya tampilan a) Dan b (\gaya tampilan b)- permanen.

Dari situ Moseley menyimpulkan bahwa konstanta atom yang ditemukan dalam eksperimennya, yang menentukan panjang gelombang karakteristik radiasi sinar-X dan bertepatan dengan nomor atom suatu unsur, hanya dapat berupa muatan inti atom, yang kemudian dikenal sebagai hukum Moseley .

Berat

Karena perbedaan jumlah neutron A − Z (\gaya tampilan A-Z) Isotop suatu unsur mempunyai massa yang berbeda-beda M (A , Z) (\displaystyle M(A,Z)), yang merupakan karakteristik penting dari kernel. Dalam fisika nuklir, massa inti biasanya diukur dalam satuan massa atom ( A. makan.), untuk satu a. e.m. ambil 1/12 massa nuklida 12 C. Perlu diperhatikan bahwa massa standar yang biasanya diberikan untuk suatu nuklida adalah massa atom netral. Untuk menentukan massa inti, Anda perlu mengurangi jumlah massa semua elektron dari massa atom (nilai yang lebih akurat akan diperoleh jika Anda juga memperhitungkan energi pengikatan elektron dengan inti) .

Selain itu, energi yang setara dengan massa sering digunakan dalam fisika nuklir. Menurut hubungan Einstein, setiap massa bernilai M (\gaya tampilan M) sesuai dengan energi total:

E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2)), Di mana c (\gaya tampilan c)- kecepatan cahaya dalam ruang hampa.

Hubungan antara a. e.m. dan setara energinya dalam joule:

E 1 = 1, 660539 ⋅ 10-27 ⋅ (2, 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1, 492418 ⋅ 10-10 (\ DisplayStyle E_ (1) = 1.660539 \ CDOT 10^(-27) \ CDOT (2.997925 \ cdot 10^(8))^(2)=1,492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

Radius

Analisis peluruhan inti berat menyempurnakan perkiraan Rutherford dan menghubungkan jari-jari inti dengan nomor massa melalui hubungan sederhana:

R = r 0 A 1 / 3 (\displaystyle R=r_(0)A^(1/3)),

dimana adalah sebuah konstanta.

Karena jari-jari inti bukanlah karakteristik geometris murni dan terutama dikaitkan dengan jari-jari aksi gaya nuklir, maka nilainya r 0 (\gaya tampilan r_(0)) tergantung pada proses di mana analisis nilai tersebut diperoleh R (\gaya tampilan R), nilai rata-rata r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1,23\cdot 10^(-15)) m, jadi jari-jari inti dalam meter:

R = 1, 23 ⋅ 10 − 15 SEBUAH 1 / 3 (\displaystyle R=1,23\cdot 10^(-15)A^(1/3)).

Momen inti

Seperti halnya nukleon penyusunnya, inti mempunyai momen tersendiri.

Putaran

Karena nukleon mempunyai momen mekanik, atau putaran, yang sama dengan 1 / 2 (\gaya tampilan 1/2), maka inti atom juga harus mempunyai momen mekanis. Selain itu, nukleon ikut serta dalam inti dalam gerak orbital, yang juga ditandai dengan momentum sudut tertentu dari setiap nukleon. Momen orbital hanya mengambil nilai integer ℏ (\displaystyle \hbar )(Konstanta Dirac). Semua momen mekanis nukleon, baik spin maupun orbital, dijumlahkan secara aljabar dan membentuk spin inti.

Walaupun jumlah nukleon dalam inti bisa sangat besar, putaran inti biasanya kecil dan jumlahnya tidak lebih dari beberapa. ℏ (\displaystyle \hbar ), yang dijelaskan oleh kekhasan interaksi nukleon dengan nama yang sama. Semua proton dan neutron yang berpasangan hanya berinteraksi sedemikian rupa sehingga putarannya saling menghilangkan, yaitu pasangan selalu berinteraksi dengan putaran antiparalel. Momentum orbital total pasangan juga selalu nol. Akibatnya, inti atom yang jumlah protonnya genap dan jumlah neutronnya genap tidak mempunyai momen mekanis. Putaran bukan nol hanya ada untuk inti yang mengandung nukleon tidak berpasangan; putaran nukleon tersebut dijumlahkan dengan momentum orbitalnya dan memiliki nilai setengah bilangan bulat: 1/2, 3/2, 5/2. Inti ganjil-ganjil mempunyai putaran bilangan bulat: 1, 2, 3, dst.

Momen magnetis

Pengukuran putaran dimungkinkan oleh adanya momen magnet yang terkait langsung dengannya. Mereka diukur dalam magneton dan untuk inti yang berbeda sama dengan −2 hingga +5 magneton inti. Karena massa nukleon yang relatif besar, momen magnet inti sangat kecil dibandingkan momen magnet elektron, sehingga pengukurannya jauh lebih sulit. Seperti putaran, momen magnet diukur dengan metode spektroskopi, yang paling akurat adalah metode resonansi magnetik nuklir.

Momen magnet pasangan genap-genap, seperti putaran, adalah nol. Momen magnet inti dengan nukleon tidak berpasangan dibentuk oleh momen intrinsik nukleon tersebut dan momen yang terkait dengan gerak orbital proton tidak berpasangan.

Momen kuadrupol listrik

Inti atom yang putarannya lebih besar atau sama dengan satu mempunyai momen kuadrupol bukan nol, yang menunjukkan bahwa bentuknya tidak persis bola. Momen kuadrupol mempunyai tanda plus jika inti memanjang sepanjang sumbu putar (benda fusiform), dan tanda minus jika inti memanjang pada bidang yang tegak lurus sumbu putar (benda lentikular). Inti dengan momen kuadrupol positif dan negatif telah diketahui. Kurangnya simetri bola dalam medan listrik yang diciptakan oleh inti dengan momen kuadrupol bukan nol mengarah pada pembentukan tingkat energi tambahan elektron atom dan munculnya garis-garis struktur hiperhalus dalam spektrum atom, yang jaraknya bergantung pada pada momen kuadrupol.

Energi komunikasi

Stabilitas inti

Dari kenyataan bahwa energi ikat rata-rata menurun untuk nuklida dengan nomor massa lebih besar atau kurang dari 50-60, maka untuk inti dengan nomor massa kecil A (\gaya tampilan A) proses fusi menguntungkan secara energetik - fusi termonuklir, yang mengarah pada peningkatan jumlah massa, dan untuk inti dengan ukuran besar A (\gaya tampilan A)- proses pembagian. Saat ini, kedua proses yang mengarah pada pelepasan energi telah dilakukan, yang terakhir menjadi dasar energi nuklir modern, dan yang pertama sedang dikembangkan.

Studi terperinci menunjukkan bahwa stabilitas inti juga sangat bergantung pada parameter N/Z (\gaya tampilan N/Z)- rasio jumlah neutron dan proton. Rata-rata untuk inti yang paling stabil N / Z ≈ 1 + 0,015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\kira-kira 1+0,015A^(2/3)), oleh karena itu inti nuklida ringan paling stabil di N ≈ Z (\displaystyle N\kira-kira Z), dan dengan bertambahnya nomor massa, tolakan elektrostatis antar proton menjadi semakin nyata, dan daerah kestabilan bergeser ke arah N>Z (\gaya tampilan N>Z)(lihat gambar penjelasan).

Jika Anda melihat tabel nuklida stabil yang ditemukan di alam, Anda dapat memperhatikan distribusinya pada nilai genap dan ganjil Z (\gaya tampilan Z) Dan N (\gaya tampilan N). Semua inti dengan nilai ganjil besaran tersebut merupakan inti nuklida ringan 1 2 H (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))), 3 6 Li (\displaystyle ()_(3)^(6)(\textrm (Li))), 5 10 B (\displaystyle ()_(5)^(10)(\textrm (B))), 7 14 N (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))). Di antara isobar dengan A ganjil, biasanya hanya satu yang stabil. Dalam kasus genap A (\gaya tampilan A) seringkali terdapat dua, tiga atau lebih isobar stabil, oleh karena itu isobar genap-genap adalah yang paling stabil, isobar ganjil adalah yang paling tidak stabil. Fenomena ini menunjukkan bahwa baik neutron maupun proton cenderung berkelompok berpasangan dengan putaran antiparalel, yang mengarah pada pelanggaran kelancaran ketergantungan energi pengikat yang dijelaskan di atas pada A (\gaya tampilan A) .

Dengan demikian, paritas jumlah proton atau neutron menciptakan batas stabilitas tertentu, yang mengarah pada kemungkinan adanya beberapa nuklida stabil, yang masing-masing berbeda dalam jumlah neutron untuk isotop dan jumlah proton untuk isoton. . Selain itu, paritas jumlah neutron dalam komposisi inti berat menentukan kemampuannya untuk melakukan fisi di bawah pengaruh neutron.

Kekuatan nuklir

Gaya nuklir adalah gaya yang menahan nukleon di dalam inti, mewakili gaya tarik menarik yang besar yang hanya bekerja pada jarak pendek. Mereka memiliki sifat saturasi, dan oleh karena itu gaya nuklir dianggap bersifat pertukaran (dengan bantuan pi meson). Gaya nuklir bergantung pada putaran, tidak bergantung pada muatan listrik, dan bukan merupakan gaya pusat.

Tingkat kernel

Tidak seperti partikel bebas, yang energinya dapat bernilai berapa pun (yang disebut spektrum kontinu), partikel terikat (yaitu, partikel yang energi kinetiknya lebih kecil dari nilai absolut energi potensial), menurut mekanika kuantum, dapat hanya berada di negara bagian dengan nilai energi diskrit tertentu, yang disebut spektrum diskrit. Karena inti adalah sistem nukleon terikat, maka ia mempunyai spektrum energi tersendiri. Biasanya ditemukan pada keadaan energi terendah yang disebut utama. Jika Anda mentransfer energi ke inti, energi itu akan masuk ke dalam keadaan bersemangat.

Letak tingkat energi inti sebagai perkiraan pertama:

D = a e − b E ∗ (\displaystyle D=ae^(-b(\sqrt (E^(*)))))), Di mana:

D (\gaya tampilan D)- jarak rata-rata antar level,

Inti atom adalah bagian tengah atom, tempat sebagian besar massanya terkonsentrasi (lebih dari 99,9%). Inti atom bermuatan positif; muatan inti ditentukan oleh unsur kimia yang dimiliki atom tersebut. Ukuran inti berbagai atom adalah beberapa femtometer, yang 10 ribu kali lebih kecil dari ukuran atom itu sendiri.

Inti atom, yang dianggap sebagai golongan partikel dengan jumlah proton dan neutron tertentu, biasanya disebut nuklida. Jumlah proton dalam inti disebut nomor muatannya - nomor ini sama dengan nomor atom unsur yang dimiliki atom tersebut dalam tabel Mendeleev (Tabel Periodik Unsur). Jumlah proton dalam inti menentukan struktur kulit elektron atom netral dan, dengan demikian, sifat kimia unsur yang bersangkutan. Jumlah neutron dalam suatu inti disebut bilangan isotop. Inti yang mempunyai jumlah proton sama dan jumlah neutron berbeda disebut isotop.

Pada tahun 1911, Rutherford, dalam laporannya “The Scattering of α- and β-Rays and the Structure of the Atom” di Manchester Philosophical Society, menyatakan:

Hamburan partikel bermuatan dapat dijelaskan dengan mengandaikan suatu atom terdiri atas muatan listrik pusat yang terkonsentrasi pada suatu titik dan dikelilingi oleh distribusi bola seragam listrik berlawanan yang besarnya sama. Dengan susunan atom seperti ini, partikel α dan β, ketika melintas pada jarak dekat dari pusat atom, mengalami penyimpangan yang besar, meskipun kemungkinan penyimpangan tersebut kecil.

Dengan demikian, Rutherford menemukan inti atom, dan sejak saat itu fisika nuklir dimulai, mempelajari struktur dan sifat inti atom.

Setelah penemuan isotop unsur yang stabil, inti atom yang paling ringan diberi peran sebagai partikel struktural dari semua inti. Sejak tahun 1920, inti atom hidrogen memiliki nama resmi proton. Setelah teori proton-elektron perantara tentang struktur inti, yang memiliki banyak kekurangan yang jelas, pertama-tama, bertentangan dengan hasil eksperimen pengukuran putaran dan momen magnet inti, pada tahun 1932 James Chadwick menemukan partikel baru yang netral secara listrik. disebut neutron. Pada tahun yang sama, Ivanenko dan, secara independen, Heisenberg membuat hipotesis tentang struktur proton-neutron inti atom. Selanjutnya, dengan berkembangnya fisika nuklir dan penerapannya, hipotesis ini terbukti sepenuhnya.

Radioaktivitas

Peluruhan radioaktif (dari bahasa Latin radius “ray” dan āctīvus “aktif”) adalah perubahan spontan dalam komposisi (muatan Z, nomor massa A) atau struktur internal inti atom yang tidak stabil melalui emisi partikel elementer, sinar gamma dan/atau pecahan nuklir. Proses peluruhan radioaktif disebut juga radioaktivitas, dan inti yang bersangkutan (nuklida, isotop, dan unsur kimia) bersifat radioaktif. Zat yang mengandung inti radioaktif disebut juga radioaktif.

Hukum peluruhan radioaktif merupakan hukum yang ditemukan secara eksperimental oleh Frederick Soddy dan Ernest Rutherford dan dirumuskan pada tahun 1903. Kata-kata hukum modern:

yang berarti jumlah peluruhan dalam selang waktu t pada suatu zat sebanding dengan jumlah N atom radioaktif dari jenis tertentu yang ada dalam sampel.

Dalam ekspresi matematika ini, λ adalah konstanta peluruhan, yang mencirikan kemungkinan peluruhan radioaktif per satuan waktu dan berdimensi c −1. Tanda minus menunjukkan penurunan jumlah inti radioaktif seiring berjalannya waktu. Hukum tersebut menyatakan independensi peluruhan inti radioaktif satu sama lain dan dari waktu: kemungkinan peluruhan inti tertentu pada setiap satuan waktu berikutnya tidak bergantung pada waktu yang telah berlalu sejak awal percobaan dan seterusnya. jumlah inti yang tersisa dalam sampel.

Solusi persamaan diferensial ini adalah:

Atau, di mana T adalah waktu paruh yang sama dengan waktu di mana jumlah atom radioaktif atau aktivitas sampel berkurang 2 kali lipat.

12. Reaksi nuklir.

Reaksi nuklir adalah proses interaksi suatu inti atom dengan inti atom atau partikel elementer lain yang disertai dengan perubahan komposisi dan struktur inti. Akibat interaksi dapat berupa fisi nuklir, emisi partikel elementer atau foton. Energi kinetik partikel yang baru terbentuk bisa jauh lebih tinggi daripada partikel awal, dan hal ini menunjukkan pelepasan energi melalui reaksi nuklir.

Jenis reaksi nuklir

Reaksi fisi nuklir adalah proses pembelahan inti atom menjadi dua (jarang tiga) inti dengan massa serupa, yang disebut fragmen fisi. Akibat fisi, produk reaksi lain juga dapat muncul: inti cahaya (terutama partikel alfa), neutron, dan sinar gamma. Fisi dapat terjadi secara spontan (spontan) dan paksa (akibat interaksi dengan partikel lain, terutama dengan neutron). Fisi inti berat merupakan proses eksoenergi, yang mengakibatkan pelepasan sejumlah besar energi dalam bentuk energi kinetik produk reaksi, serta radiasi.

Fisi nuklir berfungsi sebagai sumber energi dalam reaktor nuklir dan senjata nuklir.

Reaksi fusi nuklir adalah proses peleburan dua inti atom membentuk inti baru yang lebih berat.

Selain inti baru, selama reaksi fusi, berbagai partikel elementer dan (atau) kuanta radiasi elektromagnetik juga biasanya terbentuk.

Tanpa pasokan energi eksternal, fusi inti tidak mungkin terjadi, karena inti bermuatan positif mengalami gaya tolak-menolak elektrostatik - inilah yang disebut “penghalang Coulomb”. Untuk mensintesis inti atom, inti perlu didekatkan pada jarak sekitar 10–15 m, di mana aksi interaksi kuat akan melebihi gaya tolak-menolak elektrostatis. Hal ini dimungkinkan jika energi kinetik inti yang mendekat melebihi penghalang Coulomb.

Reaksi fotonuklir

Ketika kuantum gamma diserap, inti menerima kelebihan energi tanpa mengubah komposisi nukleonnya, dan inti dengan kelebihan energi adalah inti majemuk. Seperti reaksi nuklir lainnya, penyerapan kuantum gamma oleh inti hanya mungkin terjadi jika energi yang diperlukan dan hubungan spin terpenuhi. Jika energi yang ditransfer ke inti melebihi energi pengikatan nukleon di dalam inti, maka peluruhan inti senyawa yang dihasilkan paling sering terjadi dengan emisi nukleon, terutama neutron.

Merekam reaksi nuklir

Cara penulisan rumus reaksi nuklir sama dengan penulisan rumus reaksi kimia, yaitu jumlah partikel asal ditulis di sebelah kiri, jumlah partikel hasil (hasil reaksi) ditulis di sebelah kanan, dan jumlah partikel hasil (hasil reaksi) ditulis di sebelah kanan. panah ditempatkan di antara mereka.

Jadi, reaksi penangkapan radiasi neutron oleh inti kadmium-113 ditulis sebagai berikut:

Kita melihat jumlah proton dan neutron di kanan dan kiri tetap sama (bilangan baryon kekal). Hal yang sama berlaku untuk muatan listrik, bilangan lepton, dan besaran lainnya (energi, momentum, momentum sudut, ...). Dalam beberapa reaksi yang melibatkan interaksi lemah, proton dapat berubah menjadi neutron dan sebaliknya, namun jumlah totalnya tidak berubah.