Kodola noteikšana atomā. Atoma un atoma kodola uzbūve. Kas ir kodols - bioloģijā: īpašības un funkcijas

Atoma kodola sastāvs. Protonu un neitronu aprēķins

Saskaņā ar modernas idejas, atoms sastāv no kodola un elektroniem, kas atrodas ap to. Savukārt atoma kodols sastāv no mazākām elementārdaļiņām – no noteikta skaita protoni un neitroni(kuru vispārpieņemtais nosaukums ir nukleoni), kas savstarpēji saistīti ar kodolspēkiem.

Protonu skaits kodolā nosaka atoma elektronu apvalka uzbūvi. Un elektronu apvalks nosaka fizisko Ķīmiskās īpašības vielas. Protonu skaits atbilst atoma kārtas numuram Mendeļejeva ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā, ko sauc arī par lādiņa numuru, atomskaitli, atomskaitli. Piemēram, protonu skaits hēlija atomā ir 2. B periodiskā tabula tas ir numurēts ar 2 un apzīmēts kā He 2. Protonu skaita apzīmēšanas simbols ir latīņu burts Z. Rakstot formulas, protonu skaitu apzīmējošais skaitlis bieži atrodas zem elementa simbola vai nu pa labi. vai pa kreisi: Viņš 2/2 Viņš.

Neitronu skaits atbilst noteiktam elementa izotopam. Izotopi ir elementi ar vienādu atomu skaitu (vienāds protonu un elektronu skaits), bet atšķirīgi masas skaitļi. Masas skaitlis– kopējais neitronu un protonu skaits atoma kodolā (apzīmē ar latīņu burtu A). Rakstot formulas, masas skaitlis ir norādīts elementa simbola augšpusē vienā pusē: He 4 2 / 4 2 He (hēlija izotops - Hēlija - 4)

Tādējādi, lai noskaidrotu neitronu skaitu noteiktā izotopā, protonu skaits ir jāatņem no kopējā masas skaita. Piemēram, mēs zinām, ka hēlija-4 He 4 2 atoms satur 4 elementārdaļiņas, jo izotopa masas skaitlis ir 4. Turklāt mēs zinām, ka He 4 2 ir 2 protoni. Atņemot no 4 (kopējais masas skaitlis) 2 (protonu skaits), mēs iegūstam 2 - neitronu skaitu Hēlija-4 kodolā.

ATOMA KODOLĀ FANTOMADAĻIŅU SKAITA APRĒĶINĀŠANAS PROCESS. Kā piemēru mēs nejauši uzskatījām hēliju-4 (He 4 2), kura kodols sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem. Tā kā hēlija-4 kodols, ko sauc par alfa daļiņu (α daļiņu), ir visefektīvākais kodolreakcijas, to bieži izmanto eksperimentiem šajā virzienā. Ir vērts atzīmēt, ka kodolreakciju formulās He 4 2 vietā bieži izmanto simbolu α.

Tieši ar alfa daļiņu piedalīšanos E. Rezerfords veica pirmo oficiālā vēsture kodolpārveides fizikas reakcija. Reakcijas laikā alfa daļiņas (He 4 2) “bombardēja” slāpekļa izotopa (N 14 7) kodolus, kā rezultātā izveidojās skābekļa izotops (O 17 8) un viens protons (p 1 1)

Šī kodolreakcija izskatās šādi:

Aprēķināsim fantoma Po daļiņu skaitu pirms un pēc šīs transformācijas.

LAI APRĒĶINĀTU NEPIECIEŠAMO FANTOMA DAĻIŅU SKAITU:
1. darbība. Saskaitiet neitronu un protonu skaitu katrā kodolā:
- apakšējā indikatorā norādīts protonu skaits;
- neitronu skaitu uzzinām, no kopējā masas skaitļa (augšējais rādītājs) atņemot protonu skaitu (apakšējais rādītājs).

2. darbība. Saskaitiet fantoma Po daļiņu skaitu atoma kodolā:
- reizināt protonu skaitu ar fantoma Po daļiņu skaitu, ko satur 1 protons;
- reizināt neitronu skaitu ar fantoma Po daļiņu skaitu, ko satur 1 neitrons;

3. darbība. Saskaitiet fantoma Po daļiņu skaitu:
- saskaita iegūto fantoma Po daļiņu skaitu protonos ar iegūto skaitu neitronos kodolos pirms reakcijas;
- saskaita iegūto fantoma Po daļiņu skaitu protonos ar iegūto skaitu neitronos kodolos pēc reakcijas;
- salīdzināt fantoma Po daļiņu skaitu pirms reakcijas ar fantoma Po daļiņu skaitu pēc reakcijas.

PIEMĒRS IZSTRĀDĀTAM FANTOMADAĻIŅU SKAITA ATOMA KODOLĀ APRĒĶINĀŠANAI.
(Kodolreakcija ar α daļiņu (He 4 2), ko veica E. Rezerfords 1919. gadā)

PIRMS REAKCIJAS (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Protonu skaits: 7
Neitronu skaits: 14-7 = 7
1 protonā – 12 Po, kas nozīmē 7 protonos: (12 x 7) = 84;
1 neitronā – 33 Po, kas nozīmē 7 neitronos: (33 x 7) = 231;
Kopējais fantoma Po daļiņu skaits kodolā: 84+231 = 315

Viņš 42
Protonu skaits - 2
Neitronu skaits 4-2 = 2
Fantoma Po daļiņu skaits:
1 protonā – 12 Po, kas nozīmē 2 protonos: (12 x 2) = 24
1 neitronā – 33 Po, kas nozīmē 2 neitronos: (33 x 2) = 66
Kopējais fantoma Po daļiņu skaits kodolā: 24+66 = 90

Kopējais fantoma Po daļiņu skaits pirms reakcijas

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

PĒC REAKCIJAS (O 17 8) un viena protona (p 1 1):
O 17 8
Protonu skaits: 8
Neitronu skaits: 17-8 = 9
Fantoma Po daļiņu skaits:
1 protonā – 12 Po, kas nozīmē 8 protonos: (12 x 8) = 96
1 neitronā – 33 Po, kas nozīmē 9 neitronos: (9 x 33) = 297
Kopējais fantoma Po daļiņu skaits kodolā: 96+297 = 393

11. lpp
Protonu skaits: 1
Neitronu skaits: 1-1=0
Fantoma Po daļiņu skaits:
Vienā protonā ir 12 Po
Nav neitronu.
Kopējais fantoma Po daļiņu skaits kodolā: 12

Kopējais fantoma Po daļiņu skaits pēc reakcijas
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Salīdzināsim fantoma Po daļiņu skaitu pirms un pēc reakcijas:

ĪSĀS FORMAS PIEMĒRS FANTOMADAĻIŅU SKAITA APRĒĶINĀŠANAI KODOLREAKCIJĀ.

Plaši pazīstama kodolreakcija ir α-daļiņu mijiedarbības reakcija ar berilija izotopu, kurā pirmo reizi tika atklāts neitrons, kas kodola transformācijas rezultātā izpaužas kā neatkarīga daļiņa. Šo reakciju 1932. gadā veica angļu fiziķis Džeimss Čadviks. Reakcijas formula:

213 + 90 → 270 + 33 - fantoma Po daļiņu skaits katrā kodolā

303 = 303 - kopējā fantoma Po daļiņu summa pirms un pēc reakcijas

Fantoma Po daļiņu skaits pirms un pēc reakcijas ir vienāds.

Ilgi pirms uzticamu datu parādīšanās par visu lietu iekšējo struktūru grieķu domātāji iztēlojās matēriju sīku ugunīgu daļiņu veidā, kas atrodas pastāvīgā kustībā. Droši vien šī pasaules lietu kārtības vīzija tika iegūta no tīri loģiskiem secinājumiem. Neskatoties uz zināmu naivumu un absolūto pierādījumu trūkumu šim apgalvojumam, tas izrādījās patiess. Lai gan zinātnieki varēja apstiprināt šo drosmīgo minējumu tikai divdesmit trīs gadsimtus vēlāk.

Atomu struktūra

19. gadsimta beigās tika pētītas izlādes caurules īpašības, pa kuru tika laista strāva. Novērojumi liecina, ka šajā gadījumā tiek emitētas divas daļiņu plūsmas:

Katodstaru negatīvās daļiņas sauca par elektroniem. Pēc tam daudzos procesos tika atklātas daļiņas ar tādu pašu lādiņa un masas attiecību. Šķita, ka elektroni ir universālas dažādu atomu sastāvdaļas, kuras diezgan viegli atdalās, kad tos bombardē joni un atomi.

Daļiņas ar pozitīvu lādiņu tika attēlotas kā atomu fragmenti pēc tam, kad tās bija zaudējušas vienu vai vairākus elektronus. Faktiski pozitīvie stari bija atomu grupas, kurās nebija negatīvu daļiņu un kā rezultātā tām bija pozitīvs lādiņš.

Tompsona modelis

Pamatojoties uz eksperimentiem, tika konstatēts, ka pozitīvās un negatīvās daļiņas pārstāv atoma būtību un bija tā sastāvdaļas. Angļu zinātnieks J. Tomsons ierosināja savu teoriju. Pēc viņa domām, atoma un atoma kodola struktūra bija sava veida masa, kurā negatīvi lādiņi tika saspiesti pozitīvi lādētā bumbiņā, kā rozīnes kūciņā. Uzlādes kompensācija padarīja “kūciņu” elektriski neitrālu.

Rezerforda modelis

Jaunais amerikāņu zinātnieks Raterfords, analizējot alfa daļiņu atstātās pēdas, nonāca pie secinājuma, ka Tompsona modelis bija nepilnīgs. Dažas alfa daļiņas tika novirzītas nelielos leņķos - 5-10 o. Retos gadījumos alfa daļiņas tika novirzītas lielos 60-80 o leņķos, un izņēmuma gadījumos leņķi bija ļoti lieli - 120-150 o. Tompsona atoma modelis nevarēja izskaidrot atšķirību.

Rezerfords piedāvā jaunu modeli, kas izskaidro atoma un atoma kodola struktūru. Procesa fizika nosaka, ka atomam jābūt 99% tukšam, ar niecīgu kodolu un elektroniem, kas rotē ap to, pārvietojoties pa orbītām.

Viņš skaidro novirzes trieciena laikā ar to, ka atoma daļiņām ir savi elektriskie lādiņi. Lādētu daļiņu bombardēšanas ietekmē atomu elementi uzvesties kā parasti lādēti ķermeņi makrokosmosā: daļiņas ar identiskiem lādiņiem viena otru atgrūž, bet daļiņas ar pretēju lādiņu piesaista.

Atomu stāvoklis

Pagājušā gadsimta sākumā, kad tika palaisti pirmie daļiņu paātrinātāji, visas teorijas, kas skaidroja atoma kodola un paša atoma uzbūvi, gaidīja eksperimentālu pārbaudi. Līdz tam laikam alfa un beta staru mijiedarbība ar atomiem jau bija rūpīgi izpētīta. Līdz 1917. gadam tika uzskatīts, ka atomi ir vai nu stabili, vai radioaktīvi. Stabilus atomus nevar sadalīt, un radioaktīvo kodolu sabrukšanu nevar kontrolēt. Bet Rutherfordam izdevās atspēkot šo viedokli.

Pirmais protons

1911. gadā E. Rezerfords izvirzīja ideju, ka visi kodoli sastāv no identiskiem elementiem, kuru pamatā ir ūdeņraža atoms. Zinātnieku uz šādu ideju pamudināja svarīgs secinājums no iepriekšējiem vielas struktūras pētījumiem: visu ķīmisko elementu masas tiek sadalītas bez atlikuma ar ūdeņraža masu. Jaunais pieņēmums pavēra vēl nebijušas iespējas, ļaujot ieraudzīt atoma kodola uzbūvi jaunā veidā. Kodolreakcijām vajadzēja apstiprināt vai atspēkot jauno hipotēzi.

Eksperimenti tika veikti 1919. gadā ar slāpekļa atomiem. Bombardējot tos ar alfa daļiņām, Rezerfords sasniedza pārsteidzošu rezultātu.

N atoms absorbēja alfa daļiņu, pēc tam pārvērtās par skābekļa atomu O 17 un izstaroja ūdeņraža kodolu. Šī bija pirmā mākslīgā viena elementa atoma pārveidošana citā. Šāda pieredze deva cerību, ka atoma kodola uzbūve un esošo procesu fizika ļauj veikt citas kodolpārveides.

Zinātnieks savos eksperimentos izmantoja scintilācijas zibspuldzes metodi. Pamatojoties uz uzliesmojumu biežumu, viņš izdarīja secinājumus par atoma kodola sastāvu un struktūru, ģenerēto daļiņu īpašībām, to atommasu un atomu skaitu. Rezerfords nezināmo daļiņu nosauca par protonu. Tam bija visas ūdeņraža atoma īpašības, kas atņemtas no tā viena elektrona - viens pozitīvs lādiņš un atbilstoša masa. Tādējādi tika pierādīts, ka protons un ūdeņraža kodols ir vienas un tās pašas daļiņas.

1930. gadā, kad tika uzbūvēti un palaisti pirmie lielie paātrinātāji, tika pārbaudīts un pierādīts Rezerforda atoma modelis: katrs ūdeņraža atoms sastāv no vientuļa elektrona, kura atrašanās vietu nevar noteikt, un brīva atoma, kura iekšpusē ir vientuļš pozitīvs protons. . Tā kā bombardēšanas laikā protoni, elektroni un alfa daļiņas var izlidot no atoma, zinātnieki domāja, ka tās ir jebkura atoma kodola sastāvdaļas. Taču šāds kodola atoma modelis šķita nestabils – elektroni bija pārāk lieli, lai ietilptu kodolā, turklāt radās nopietnas grūtības, kas saistītas ar impulsa un enerģijas nezūdamības likuma pārkāpšanu. Šie divi likumi, tāpat kā stingri grāmatveži, teica, ka impulss un masa bombardēšanas laikā pazūd nezināmā virzienā. Tā kā šie likumi bija vispārpieņemti, bija jāmeklē skaidrojumi šādai noplūdei.

Neitroni

Zinātnieki visā pasaulē veica eksperimentus, kuru mērķis bija atklāt jaunus atomu kodolu komponentus. 30. gados vācu fiziķi Bekers un Bote bombardēja berilija atomus ar alfa daļiņām. Vienlaikus fiksēts nezināms starojums, ko nolemts saukt par G-stariem. Detalizēti pētījumi atklāja dažas jauno staru iezīmes: tie varēja izplatīties stingri taisnā līnijā, nesadarbojās ar elektriskajiem un magnētiskie lauki, bija augsta iespiešanās spēja. Vēlāk daļiņas, kas veido šāda veida starojumu, tika atrastas alfa daļiņu mijiedarbības laikā ar citiem elementiem – boru, hromu un citiem.

Čadvika minējums

Tad Džeimss Čedviks, kolēģis un Rutherfordas students, sniedza īsu vēstījumu žurnālā Nature, kas vēlāk kļuva plaši pazīstams. Čedviks vērsa uzmanību uz to, ka pretrunas saglabāšanas likumos var viegli atrisināt, ja pieņemam, ka jaunais starojums ir neitrālu daļiņu plūsma, no kurām katras masa ir aptuveni vienāda ar protona masu. Ņemot vērā šo pieņēmumu, fiziķi ievērojami paplašināja hipotēzi, kas izskaidro atoma kodola struktūru. Īsumā papildinājumu būtība tika samazināta līdz jaunai daļiņai un tās lomai atoma struktūrā.

Neitronu īpašības

Atklātajai daļiņai tika dots nosaukums "neitronu". Jaunatklātās daļiņas neveidoja ap sevi elektromagnētiskos laukus un viegli izgāja cauri matērijai, nezaudējot enerģiju. Retās sadursmēs ar vieglajiem atomu kodoliem neitrons spēj izsist kodolu no atoma, zaudējot būtisku enerģijas daļu. Atomu kodola struktūra paredzēja, ka katrā vielā ir atšķirīgs neitronu skaits. Atomus ar vienādu kodollādiņu, bet atšķirīgu neitronu skaitu sauc par izotopiem.

Neitroni kalpoja kā lielisks alfa daļiņu aizstājējs. Pašlaik tos izmanto, lai pētītu atoma kodola struktūru. Nav iespējams īsi aprakstīt to nozīmi zinātnē, taču, pateicoties atomu kodolu bombardēšanai ar neitroniem, fiziķiem izdevās iegūt gandrīz visu zināmo elementu izotopus.

Atoma kodola sastāvs

Pašlaik atoma kodola struktūra ir protonu un neitronu kopums, ko satur kodolspēki. Piemēram, hēlija kodols ir divu neitronu un divu protonu gabals. Vieglajiem elementiem ir gandrīz vienāds protonu un neitronu skaits, bet smagajiem elementiem ir daudz lielāks neitronu skaits.

Šo kodola struktūras attēlu apstiprina eksperimenti ar mūsdienu lielajiem paātrinātājiem ar ātriem protoniem. Protonu elektriskos atgrūšanas spēkus līdzsvaro kodolspēki, kas darbojas tikai pašā kodolā. Lai gan kodolspēku būtība vēl nav pilnībā izpētīta, to esamība ir praktiski pierādīta un pilnībā izskaidro atoma kodola uzbūvi.

Masas un enerģijas attiecības

1932. gadā Vilsona kamera uzņēma pārsteidzošu fotogrāfiju, kas pierāda pozitīvi lādētu daļiņu esamību ar elektrona masu.

Pirms tam pozitīvos elektronus teorētiski prognozēja P. Diraks. Reāls pozitīvs elektrons ir atklāts arī kosmiskajos staros. Jauno daļiņu sauca par pozitronu. Saduroties ar tā dubulto - elektronu, notiek anihilācija - divu daļiņu savstarpēja iznīcināšana. Tas atbrīvo noteiktu enerģijas daudzumu.

Tādējādi makrokosmosam izstrādātā teorija bija pilnībā piemērota matērijas mazāko elementu uzvedības aprakstīšanai.

Pētot alfa daļiņas pāreju caur plānu zelta foliju (sk. 6.2. nodaļu), E. Rezerfords nonāca pie secinājuma, ka atoms sastāv no smaga pozitīvi lādēta kodola un elektroniem, kas to ieskauj.

Kodols sauc par atoma centrālo daļu,kurā ir koncentrēta gandrīz visa atoma masa un tā pozitīvais lādiņš.

IN atoma kodola sastāvs ietver elementārdaļiņas : protoni Un neitroni (nukleoni no latīņu vārda kodols- kodols). Šādu kodola protonu-neitronu modeli ierosināja padomju fiziķis 1932. gadā D.D. Ivaņenko. Protonam ir pozitīvs lādiņš e + = 1,06 10 –19 C un miera masa m p= 1,673 · 10 -27 kg = 1836 m e. Neitrons ( n) – neitrāla daļiņa ar miera masu m n= 1,675 · 10 -27 kg = 1839 m e(kur ir elektronu masa m e, vienāds ar 0,91·10–31 kg). Attēlā 9.1. attēlā parādīta hēlija atoma uzbūve pēc 20. gadsimta beigu - 21. gadsimta sākuma priekšstatiem.

Pamatmaksa vienāds Ze, Kur e- protonu lādiņš, Z- maksas numurs, vienāds sērijas numursķīmiskais elements Mendeļejeva periodiskajā elementu tabulā, t.i. protonu skaits kodolā. Tiek apzīmēts neitronu skaits kodolā N. Parasti Z > N.

Šobrīd zināmie kodoli ar Z= 1 līdz Z = 107 – 118.

Nuklonu skaits kodolā A = Z + N sauca masas skaitlis . Serdes ar to pašu Z, bet savādāk A tiek saukti izotopi. Serdes, ka, ar to pašu A ir dažādi Z, tiek saukti izobāri.

Kodols ir apzīmēts ar tādu pašu simbolu kā neitrālais atoms, kur X– ķīmiskā elementa simbols. Piemēram: ūdeņradis Z= 1 ir trīs izotopi: – protium ( Z = 1, N= 0), – deitērijs ( Z = 1, N= 1), – tritijs ( Z = 1, N= 2), alvai ir 10 izotopi utt. Lielākajā daļā viena ķīmiskā elementa izotopu tiem ir viena un tā pati ķīmiskā un līdzīga ķīmiskā viela fizikālās īpašības. Kopumā ir zināmi aptuveni 300 stabili izotopi un vairāk nekā 2000 dabiski un mākslīgi iegūti. radioaktīvie izotopi.

Kodola izmēru raksturo kodola rādiuss, kam ir nosacīta nozīme kodola robežas izplūšanas dēļ. Pat E. Rezerfords, analizējot savus eksperimentus, parādīja, ka kodola izmērs ir aptuveni 10–15 m (atoma izmērs ir 10–10 m). Ir empīriska formula kodola rādiusa aprēķināšanai:

Kur R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m. Tas parāda, ka kodola tilpums ir proporcionāls nukleonu skaitam.

Kodolvielas blīvums ir 10 17 kg/m 3 un ir nemainīgs visiem kodoliem. Tas ievērojami pārsniedz blīvāko parasto vielu blīvumu.

Protoni un neitroni ir fermions, jo ir spin ħ /2.

Atoma kodolam ir iekšējais leņķiskais impulss – kodola spin :

,

(9.1.2)

Kur es – iekšējais(pabeigt)griešanās kvantu skaitlis.

Numurs es pieņem veselu vai pusveselu skaitļu vērtības 0, 1/2, 1, 3/2, 2 utt. Serdes ar pat A ir vesela skaitļa spin(vienībās ħ ) un paklausīt statistikai Bose–Einšteins(bozoni). Serdes ar nepāra A ir pusvesela skaitļa griešanās(vienībās ħ ) un paklausīt statistikai Fermi–Diraks(tie. kodoli - fermioni).

Kodoldaļiņām ir savi magnētiskie momenti, kas nosaka kodola magnētisko momentu kopumā. Kodolu magnētisko momentu mērvienība ir kodolmagnetons μ inde:

Šeit e- elektronu lādiņa absolūtā vērtība, m p- protonu masa.

Kodolmagnetons iekšā m p/m e= 1836,5 reizes mazāks par Bora magnetonu, no tā izriet tiek noteiktas atomu magnētiskās īpašības magnētiskās īpašības tā elektroni .

Pastāv saistība starp kodola spinu un tā magnētisko momentu:

kur γ inde - kodola giromagnētiskā attiecība.

Neitronam ir negatīvs magnētiskais moments μ n≈ – 1,913μ inde, jo neitronu griešanās virziens un tā magnētiskais moments ir pretējs. Magnētiskais moments protons ir pozitīvs un vienāds ar μ R≈ 2,793 μ inde. Tās virziens sakrīt ar protonu griešanās virzienu.

Protonu elektriskā lādiņa sadalījums pa kodolu vispārējs gadījums asimetrisks. Šī sadalījuma novirzes mērs no sfēriski simetriskā ir kodola kvadrupola elektriskais moments J. Ja pieņem, ka lādiņa blīvums visur ir vienāds, tad J nosaka tikai kodola forma. Tātad revolūcijas elipsoīdam

,

(9.1.5)

Kur b– elipsoīda pusass griešanās virzienā, A– pusass perpendikulārā virzienā. Kodolam, kas izstiepts gar griešanās virzienu, b > A Un J> 0. Ja serde ir saplacināta šajā virzienā, b < a Un J < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a Un J= 0. Tas attiecas uz kodoliem, kuru spins ir vienāds ar 0 vai ħ /2.

Lai skatītu demonstrācijas, noklikšķiniet uz atbilstošās hipersaites:

Atoms ir mazākā ķīmiskā elementa daļiņa, kas saglabā visas savas ķīmiskās īpašības. Atoms sastāv no kodola, kuram ir pozitīvs elektriskais lādiņš, un negatīvi lādētiem elektroniem. Jebkura ķīmiskā elementa kodola lādiņš ir vienāds ar Z un e reizinājumu, kur Z ir šī elementa kārtas numurs ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā, e ir elementārā elektriskā lādiņa vērtība.

Elektrons ir mazākā vielas daļiņa ar negatīvu elektrisko lādiņu e=1,6·10 -19 kuloni, ņemot par elementāru elektrisko lādiņu. Elektroni, kas rotē ap kodolu, atrodas elektronu apvalkos K, L, M utt. K ir kodolam vistuvāk esošais apvalks. Atoma izmēru nosaka tā elektronu apvalka lielums. Atoms var zaudēt elektronus un kļūt par pozitīvu jonu vai iegūt elektronus un kļūt par negatīvu jonu. Jona lādiņš nosaka zaudēto vai iegūto elektronu skaitu. Procesu, kurā neitrāls atoms pārvērš par lādētu jonu, sauc par jonizāciju.

Atomu kodols(atoma centrālā daļa) sastāv no elementārām kodoldaļiņām - protoniem un neitroniem. Kodola rādiuss ir aptuveni simts tūkstošus reižu mazāks par atoma rādiusu. Atomu kodola blīvums ir ārkārtīgi augsts. Protoni- tās ir stabilas elementārdaļiņas ar vienu pozitīvu elektrisko lādiņu un masu, kas 1836 reizes lielāka par elektrona masu. Protons ir vieglākā elementa, ūdeņraža, atoma kodols. Protonu skaits kodolā ir Z. Neitrons- tas ir neitrāls (nav elektriskā lādiņa) elementārdaļiņa ar masu ļoti tuvu protona masai. Tā kā kodola masu veido protonu un neitronu masa, tad neitronu skaits atoma kodolā ir vienāds ar A - Z, kur A ir dotā izotopa masas skaitlis (sk.). Protonus un neitronus, kas veido kodolu, sauc par nukleoniem. Kodolā nukleonus savieno īpaši kodolspēki.

Atomu kodols satur milzīgu enerģijas rezervi, kas izdalās kodolreakciju laikā. Kodolreakcijas notiek, kad atomu kodoli mijiedarbojas ar elementārdaļiņām vai citu elementu kodoliem. Kodolreakciju rezultātā veidojas jauni kodoli. Piemēram, neitrons var pārveidoties par protonu. Šajā gadījumā no kodola tiek izmesta beta daļiņa, t.i., elektrons.

Protona pāreju uz neitronu kodolā var veikt divos veidos: vai nu daļiņa, kuras masa ir vienāda ar elektrona masu, bet ar pozitīvu lādiņu, ko sauc par pozitronu (pozitronu sabrukšana), tiek emitēta no kodols jeb kodols uztver vienu no elektroniem no tam tuvākā K-čaulas (K -tveršana).

Dažreiz iegūtajam kodolam ir enerģijas pārpalikums (atrodas ierosinātā stāvoklī) un, atgriežoties normālā stāvoklī, tas atbrīvo lieko enerģiju elektromagnētiskā starojuma veidā ar ļoti īsu viļņa garumu - . Kodolreakciju laikā izdalītā enerģija tiek praktiski izmantota dažādās nozarēs.

Atoms (grieķu atomos — nedalāms) ir ķīmiskā elementa mazākā daļiņa, kurai ir savas ķīmiskās īpašības. Katrs elements sastāv no noteikta veida atomiem. Atoms sastāv no kodola, kas nes pozitīvu elektrisko lādiņu, un negatīvi lādētiem elektroniem (sk.), veidojot tā elektronu apvalkus. Kodola elektriskā lādiņa lielums ir vienāds ar Z-e, kur e ir elementārais elektriskais lādiņš, kas vienāds ar elektrona lādiņu (4,8·10 -10 elektriskās vienības), un Z ir šī elementa atomskaitlis ķīmisko elementu periodiskā tabula (sk. .). Tā kā nejonizēts atoms ir neitrāls, arī tajā iekļauto elektronu skaits ir vienāds ar Z. Kodola (sk. Atomu kodols) sastāvā ietilpst nukleoni, elementārdaļiņas, kuru masa ir aptuveni 1840 reizes lielāka par elektrona masu. (vienāds ar 9,1 10 - 28 g), protoni (skatīt), pozitīvi lādēti un neitroni bez lādiņa (sk.). Nukleonu skaitu kodolā sauc par masas skaitli un apzīmē ar burtu A. Protonu skaits kodolā, kas vienāds ar Z, nosaka elektronu skaitu, kas nonāk atomā, elektronu apvalku struktūru un ķīmisko vielu. atoma īpašības. Neitronu skaits kodolā ir A-Z. Izotopi ir viena un tā paša elementa šķirnes, kuru atomi atšķiras viens no otra pēc masas skaita A, bet tiem ir vienāds Z. Tādējādi viena un tā paša elementa dažādu izotopu atomu kodolos ir atšķirīgs neitronu skaits ar vienādu. protonu skaits. Apzīmējot izotopus, virs elementa simbola raksta masas skaitli A, bet zemāk – atomskaitli; piemēram, skābekļa izotopus apzīmē:

Atoma izmērus nosaka elektronu apvalku izmēri un tie visiem Z ir 10 -8 cm lielums. Tā kā atoma visu elektronu masa ir vairākus tūkstošus reižu mazāka par kodola masu. , atoma masa ir proporcionāla masas skaitlim. Dotā izotopa atoma relatīvo masu nosaka attiecībā pret oglekļa izotopa C12 atoma masu, ko ņem kā 12 vienības, un to sauc par izotopa masu. Izrādās, ka tas ir tuvu atbilstošā izotopa masas skaitlim. Ķīmiskā elementa atoma relatīvais svars ir vidējā (ņemot vērā dotā elementa izotopu relatīvo pārpilnību) izotopa svara vērtību, un to sauc par atomsvaru (masu).

Atoms ir mikroskopiska sistēma, un tā uzbūvi un īpašības var izskaidrot tikai, izmantojot kvantu teoriju, kas radīta galvenokārt 20. gadsimta 20. gados un paredzēta, lai aprakstītu parādības atomu mērogā. Eksperimenti ir parādījuši, ka mikrodaļiņām – elektroniem, protoniem, atomiem u.c. – papildus korpuskulārajām piemīt viļņu īpašības, kas izpaužas difrakcijā un interferencēs. Kvantu teorijā, lai aprakstītu mikroobjektu stāvokli, tiek izmantots noteikts viļņu lauks, ko raksturo viļņa funkcija (Ψ-funkcija). Šī funkcija nosaka mikroobjekta iespējamo stāvokļu varbūtības, t.i., raksturo potenciālās iespējas atsevišķu tā īpašību izpausmei. Funkcijas Ψ variācijas likumam telpā un laikā (Šrodingera vienādojums), kas ļauj atrast šo funkciju, kvantu teorijā ir tāda pati loma kā Ņūtona kustības likumiem klasiskajā mehānikā. Šrēdingera vienādojuma atrisināšana daudzos gadījumos noved pie diskrētiem iespējamajiem sistēmas stāvokļiem. Tā, piemēram, atoma gadījumā mēs iegūstam sēriju viļņu funkcijas elektroniem, kas atbilst dažādām (kvantētām) enerģijas vērtībām. Atomu enerģijas līmeņu sistēma, kas aprēķināta ar kvantu teorijas metodēm, ir guvusi spožu apstiprinājumu spektroskopijā. Atoma pāreja no pamata stāvokļa, kas atbilst zemākajam enerģijas līmenim E 0, uz jebkuru no ierosinātajiem stāvokļiem E i notiek, absorbējot noteiktu enerģijas daļu E i - E 0 . Ierosināts atoms pāriet uz mazāk ierosinātu vai pamata stāvokli, parasti izstarojot fotonu. Šajā gadījumā fotona enerģija hv ir vienāda ar atoma enerģiju starpību divos stāvokļos: hv = E i - E k kur h Planka konstante (6,62·10 -27 erg·sek), v ir frekvence. gaismas.

Papildus atomu spektriem, kvantu teorijaļāva izskaidrot citas atomu īpašības. Jo īpaši valence, daba ķīmiskā saite un molekulu uzbūvi, tika izveidota teorija periodiskā tabula elementi.

Radioaktīvā piesārņojuma iezīme, atšķirībā no piesārņojuma ar citiem piesārņotājiem, ir tāda, ka cilvēku un vides objektus kaitīgi ietekmē nevis pats radionuklīds (piesārņotājs), bet gan starojums, no kura tas ir avots.

Tomēr ir gadījumi, kad radionuklīds ir toksisks elements. Piemēram, pēc avārijas Černobiļas atomelektrostacijā gadā vidi plutonijs 239, 242 Pu tika izlaists kopā ar kodoldegvielas daļiņām. Papildus tam, ka plutonijs ir alfa izstarotājs un rada ievērojamu apdraudējumu, ja to uzņem, plutonijs pats par sevi ir toksisks elements.

Šī iemesla dēļ tiek izmantotas divas kvantitatīvo rādītāju grupas: 1) radionuklīdu satura novērtēšanai un 2) starojuma ietekmes uz objektu novērtēšanai.
Aktivitāte- radionuklīdu satura kvantitatīvs mērījums analizējamā objektā. Aktivitāti nosaka atomu radioaktīvo sabrukšanas gadījumu skaits laika vienībā. Aktivitātes SI mērvienība ir Bekerels (Bq), kas vienāds ar vienu samazinājumu sekundē (1Bq = 1 samazinājums/s). Dažreiz tiek izmantota nesistēmiska aktivitātes mērvienība - Kirī (Ci); 1Ci = 3,7 × 1010 Bq.

Radiācijas deva- starojuma ietekmes uz objektu kvantitatīvs mērījums.
Sakarā ar to, ka starojuma ietekmi uz objektu var novērtēt pēc dažādi līmeņi: fizikāli, ķīmiski, bioloģiski; atsevišķu molekulu, šūnu, audu vai organismu u.tml. līmenī tiek izmantotas vairāku veidu devas: absorbētā, efektīvais ekvivalents, ekspozīcija.

Lai novērtētu starojuma devas izmaiņas laika gaitā, tiek izmantots indikators “devas ātrums”. Devas ātrums ir devas laika attiecība. Piemēram, ārējā starojuma dozas jauda no dabas starojuma avotiem Krievijā ir 4-20 μR/h.

Galvenais standarts cilvēkiem - galvenās dozas limits (1 mSv/gadā) - tiek ieviests efektīvās ekvivalentās dozas vienībās. Ir standarti darbības vienībās, zemes piesārņojuma līmeņos, VLU, GGP, SanPiN utt.

Atomu kodola uzbūve.

Atoms ir mazākā ķīmiskā elementa daļiņa, kas saglabā visas savas īpašības. Savā struktūrā atoms ir sarežģīta sistēma, kas sastāv no ļoti maza izmēra (10 -13 cm) pozitīvi lādēta kodola, kas atrodas atoma centrā, un negatīvi lādētiem elektroniem, kas dažādās orbītās rotē ap kodolu. Elektronu negatīvais lādiņš ir vienāds ar kodola pozitīvo lādiņu, savukārt kopumā tas izrādās elektriski neitrāls.

Atomu kodoli sastāv no nukleoni - kodola protoni ( Z- protonu skaits) un kodolneitroni (N - neitronu skaits). “Kodolenerģijas” protoni un neitroni atšķiras no daļiņām brīvā stāvoklī. Piemēram, brīvs neitrons, atšķirībā no kodolā saistītā, ir nestabils un pārvēršas par protonu un elektronu.

Nuklonu skaits Am (masas skaitlis) ir protonu un neitronu skaita summa: Am = Z+N.

Protons - jebkura atoma elementārdaļiņa, tai ir pozitīvs lādiņš, vienāds ar uzlādi elektrons. Elektronu skaitu atoma apvalkā nosaka protonu skaits kodolā.

Neitrons - cita veida visu elementu kodoldaļiņas. Tā nav tikai vieglā ūdeņraža kodolā, kas sastāv no viena protona. Tam nav lādiņa un tas ir elektriski neitrāls. Atomu kodolā neitroni ir stabili, bet brīvā stāvoklī tie ir nestabili. Neitronu skaits viena un tā paša elementa atomu kodolos var svārstīties, tāpēc neitronu skaits kodolā elementu neraksturo.

Nukleonus (protonus + neitronus) atoma kodolā notur kodola pievilcības spēki. Kodolspēki 100 reizes spēcīgāks par elektromagnētiskajiem spēkiem un tāpēc kodolā satur līdzīgi lādētus protonus. Kodolspēki izpaužas tikai ļoti nelielos attālumos (10-13 cm), tie veido kodola potenciālo saistīšanas enerģiju, kas dažu transformāciju laikā daļēji atbrīvojas un pārvēršas kinētiskā enerģijā.

Atomiem, kas atšķiras pēc kodola sastāva, tiek lietots nosaukums “nuklīdi”, bet radioaktīvajiem atomiem - “radionuklīdi”.

Nuklīdi sauc par atomiem vai kodoliem ar noteiktu nukleonu skaitu un noteiktu kodola lādiņu (nuklīda apzīmējums A X).

Tiek saukti nuklīdi, kuriem ir vienāds nukleonu skaits (Am = const). izobāri. Piemēram, nuklīdi 96 Sr, 96 Y, 96 Zr pieder pie izobāru sērijas ar nukleonu skaitu Am = 96.

Nuklīdi ar vienādu protonu skaitu (Z = const), tiek saukti izotopi. Tie atšķiras tikai ar neitronu skaitu, tāpēc tie pieder vienam un tam pašam elementam: 234 U , 235 U, 236 U , 238U .

Izotopi- nuklīdus ar vienādu neitronu skaitu (N = Am -Z = const). Nuklīdi: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca pieder pie izotopu sērijas ar 20 neitroniem.

Izotopus parasti apzīmē formā Z X M, kur X ir ķīmiskā elementa simbols; M ir masas skaitlis, kas vienāds ar protonu un neitronu skaita summu kodolā; Z ir kodola atomskaitlis vai lādiņš, kas vienāds ar protonu skaitu kodolā. Tā kā katram ķīmiskajam elementam ir savs nemainīgs atomskaitlis, tas parasti tiek izlaists un aprobežojas ar tikai masas skaitļa rakstīšanu, piemēram: 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr utt.

Kodola atomus, kuriem ir vienādi masas skaitļi, bet dažādi lādiņi un līdz ar to arī dažādas īpašības, sauc par “izobāriem”, piemēram, vienam no fosfora izotopiem masas skaitlis ir 32 - 15 P 32, vienam no izotopiem. sēram ir vienāds masas skaitlis - 16 S 32.

Nuklīdi var būt stabili (ja to kodoli ir stabili un nesadalās) un nestabili (ja to kodoli ir nestabili un tiek pakļauti izmaiņām, kas galu galā noved pie kodola stabilitātes palielināšanās). Tiek saukti par nestabiliem atomu kodoliem, kas var spontāni sadalīties radionuklīdi. Tiek saukta atoma kodola spontānas sabrukšanas parādība, ko pavada daļiņu emisija un (vai) elektromagnētiskais starojums. radioaktivitāte.

Radioaktīvās sabrukšanas rezultātā var veidoties gan stabils, gan radioaktīvs izotops, kas savukārt spontāni sadalās. Tādas radioaktīvo elementu ķēdes, kas savienotas ar virkni kodolpārveidojumu, sauc radioaktīvās ģimenes.

Pašlaik IUPAC (Starptautiskā tīrās un lietišķās ķīmijas savienība) ir oficiāli nosaukusi 109. ķīmiskie elementi. No tiem tikai 81 ir stabili izotopi, no kuriem smagākais ir bismuts (Z= 83). Pārējiem 28 elementiem ir zināmi tikai radioaktīvie izotopi ar urānu (U~ 92) ir smagākais dabā sastopamais elements. Lielākajā dabiskajā nuklīdā ir 238 nukleoni. Kopumā tagad ir pierādīta aptuveni 1700 šo 109 elementu nuklīdu esamība, un atsevišķiem elementiem zināmo izotopu skaits svārstās no 3 (ūdeņradim) līdz 29 (platīnam).