Как определить нуклонный состав ядра

Атомные ядра Ядерные силы

Причиной образования атомных ядер можно
считать т.н. “ядерные силы”, которые,
с одной стороны, удерживают частицы-нуклоныв составе единого связанного агрегата-ядраи, с другой стороны, во многом определяют
свойства ядер. По своей природе ядерные
силы обусловлены наличием внутри
барионов цветных частиц — кварков. С
больших расстояний барионы, каждый из
которых содержит три кварка разного
цвета, выглядят бесцветными, т.е. не
участвующими в цветовых взаимодействиях.
Однако, при сближении двух барионов на
расстояние, сравнимое с их собственными
размерами, проявляютсяостаточные
цветовые взаимодействия,
обусловливающие возможность связывания
барионов в ядро.

Большинство таких структур имеют
очень малое время жизни, поскольку почти
все барионы сами подвержены процессам
распада. Стабильные долгоживущие
структуры образуются только из барионов
двух типов — протоновинейтронов.
Такие структуры называютсяатомными
ядрами, а частицы их образующие —нуклонами.

Нуклонный состав ядер

Важнейшей характеристикой атомного
ядра является его нуклонный состав,
который можно охарактеризоватьчислом
протонов (Np)
ичислом нейтронов(Nn),
с которыми связано большинство
механических наблюдаемых ядер:

Число протонов (Np)
важно тем, что оно обусловливает величинуэлектрического
зарядаядра и, следовательно,
соответствующий емуномер
химического элементав Периодической
системе. Поэтому число протонов (Np)
часто называютзарядовым числомядра и обозначают символомZ.
Суммарное число нуклоновN=Np+Nnобусловливает величину
атомной массы, и поэтому его часто
называютмассовым числомM.

Каждое атомное ядро можно обозначить
символом химического элемента с указанием
двух индексов — массового (M)
и зарядового (Z) чисел.
(Иногда зарядовое число опускают,
поскольку его однозначно определяет
сам символ химического элемента.)

Существуют ядра с одинаковыми числами
протонов, но разными числами нейтронов,
например, 1H,2H,3H.
Они называютсяизотопами. Это
понятие играет важную роль в химии, где
каждому химическому элементу можно
сопоставить особую характеристику —изотопный состав. Дополнительно
можно выделить ядра-изобары,
для которых постоянной величиной
является сумма чисел протонов и нейтронов.
Примером могут служить ядра40K(19 протонов + 21 нейтрон) и40Ar(18 протонов + 22 нейтрона).

Внутриядерные взаимодействия

Поскольку атомные ядра входят в состав
важнейших в химическом отношении
структур — атомов и молекул — вопросы
строения атомных ядер, а также их
устойчивости представляют огромное
значение для химии. Центральную роль в
выяснении этих вопросов играет проблема
внутриядерных взаимодействий, определяющих
взаимные влияния нуклонов и все свойства
атомного ядра как целого.

Между нуклонами внутри ядер существует
два типа взаимодействий:

Кроме того, все нуклоны имеют спиновое
число s= 1/2 и относятся к
классу фермионов. Следовательно, атомные
ядра являются фермионными структурами,
что накладывает специальные условия
на возможные способы взаимодействия
нуклонов друг о другом (действие принципа
Паули).

Внутриядерные взаимодействия, в первую
очередь, обусловливают устойчивость
ядра, саму возможность его существования
как единой связанной структуры. Главную
роль здесь играют кулоновские и ядерные
силы, тогда как магнитные и фермион-фермионное
взаимодействия приводят к сложному
поведению атомных ядер, к разнообразию
их свойств. Вклады кулоновских и ядерных
сил в устойчивость ядер различны и даже
противоположны друг другу.

Кулоновские силыявляются
силами отталкивания,поскольку
заряды всех протонов имеют один и тот
же знак. Поэтому эти силы обусловливают
существование внутри ядра положительной
потенциальной энергии (Екул),
которую можно вычислить как работу,
необходимую для сближения определенного
числа зарядов на заданное малое
расстояние. Фундаментальный характер
кулоновских сил приводит к тому, что
работа, необходимая для внедрения в
ядро каждого последующего протона,
гораздо больше, чем предыдущего. В
расчете на один нуклон, кулоновская
энергия отталкивания быстро возрастает
с увеличением заряда ядра.

Ядерные силыявляются
силами притяжения и обусловливают
существование отрицательной потенциальной
энергии (Еядерн). Они относятся
к остаточному типу и являются насыщаемыми,
т.е. действуют только между соседними
нуклонами. По мере увеличения числа
нуклонов в ядре величина энергииЕядерн(в расчете на один нуклон) растет только
до определенного предела.

Разницу между двумя основными типами
взаимодействий можно наглядно отобразить
с помощью графиков зависимости от числа
нуклонов (N) удельных
значений энергийЕкул/Nи Еядерн/N.

С химической точки зрения важное значение
имеет то обстоятельство, что разнообразие
долгоживущих ядер, а, следовательно, и
химических элементов, ограничено
критической величиной атомного номера
(N~N*).

Учет тонких эффектов, связанных с
внутриядерными магнитными силами,
влияние электронных оболочек и т.д.
приводит к тому, что изображенные на
графике зависимости, при сохранении их
общего характера, становятся более
сложными, “извилистыми”.

Это приводит к появлению широкой области
значений числа нуклонов, в которой
устойчивость ядер становится плохо
предсказуемой. Здесь возможно появление
т.н. “островков” устойчивости и
неустойчивости.

Соседние файлы в папке лекции (текст)

Атомное
ядро состоит из нуклонов — положительно
заряженных протонов и нейтральных
нейтронов, которые связаны между собой
при помощи сильного взаимодействия.
Протон и нейтрон обладают собственным
моментом количества движения (спином),
равным

и
связанным с ним магнитным моментом.

Прото́н
— элементарная частица. Относится к
барионам, имеет спин 1/2, электрический
заряд +1 (в единицах элементарного
электрического заряда). В физике
элементарных частиц рассматривается
как нуклон с проекцией изоспина +1/2 (в
ядерной физике принят противоположный
знак проекции изоспина). Состоит из трёх
кварков (один d-кварк
и два u-кварка).
Стабилен (нижнее ограничение на время
жизни — 2,9·1029 лет независимо от канала
распада, 1,6·1033 лет для распада в позитрон
и нейтральный пион).

Масса
протона, выраженная в разных единицах,
составляет (рекомендованные значения
CODATA
2010 года, в скобках указана погрешность
величины в единицах последней значимой
цифры, одно стандартное отклонение):

1,007
276 466 812(90) а. е. м;

1,672
621 777(74)·10−27 кг;

1836,152
672 1(14) массы электрона.

Протоны
принимают участие в термоядерных
реакциях, которые являются основным
источником энергии, генерируемой
звёздами. В частности, реакции pp-цикла,
который является источником почти всей
энергии, излучаемой Солнцем, сводятся
к соединению четырёх протонов в ядро
гелия-4 с превращением двух протонов в
нейтроны.

Нейтро́н—
элементарная частица, не имеющая
электрического заряда. Нейтрон является
фермионом и принадлежит к классу
барионов. Атомные ядра состоят из
нейтронов и протонов.

Нукло́ны—
общее название для протонов и нейтронов.

С
точки зрения электромагнитного
взаимодействия протон и нейтрон разные
частицы, так как протон электрически
заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки
зрения сильного взаимодействия, которое
является определяющим в масштабе атомных
ядер, эти частицы неразличимы, поэтому
и был введен термин «нуклон», а протон
и нейтрон стали рассматриваться как
два различных состояния нуклона,
различающихся проекцией изотопического
спина. Близость свойств изоспиновых
состояний нуклона является одним из
проявлений изотопической инвариантности.

Нуклоны
относятся к семейству барионов (группа
N-барионов). Они являются самыми лёгкими
из известных барионов.

15) Понятие о ядерных силах. Масса и энергия связи в ядре.

Ядерные
силы — это силы, удерживающие нуклоны
в ядре, представляющие собой большие
силы притяжения, действующие только на
малых расстояниях. Они обладают свойствами
насыщения, в связи с чем ядерным силам
приписывается обменный характер (с
помощью пи-мезонов). Ядерные силы зависят
от спина, не зависят от электрического
заряда и не являются центральными силами

Масса
и энергия связи ядра

Масса
ядра измеряется в атомных единицах
массы (а.е.м). За одну атомную единицу
массы принимается 1/12 часть массы
нейтрального атома углерода 12 С:

1а.е.м
= 1.6606 10-27 кг.

А.е.м.
выражается через энергетические единицы:

1а.е.м
= 1.510-3 эрг = 1.510-10Дж = 931.49 МэВ

Масса
ядра всегда меньше суммы масс составляющих
его нуклонов.

Энергия
связи ядра Eсв(A,Z)
это минимальная энергия, необходимая,
чтобы развалить ядро на отдельные,
составляющие его нуклоны.

где
Z
– число протонов, ( A
– Z)
– число нейтронов, mp
– масса протона, mn
– масса нейтрона, М(A,Z)
– масса ядра с массовым числом А и зарядом
Z.

Энергия
связи ядра, выраженная через массу атома
Mат,
имеет вид:

где
mH
– масса атома водорода.

Удельная
энергия связи ядра ε(A,
Z)
это энергия связи, приходящаяся на один
нуклон

ε(A,
Z)
= Eсв(A,Z)
/ A.

На
рис. 1 показана зависимость удельной
энергии связи ядра ε
от числа нуклонов A.
Видно, что наиболее сильно связаны ядра
в районе железа и никеля (A
~ 55-60). Такой ход зависимости ε(A)
показывает, что для легких ядер
энергетически выгодны реакции синтеза
более тяжелых ядер, а тяжелых – деление
на более легкие осколки.

Избыток
масс Δ
связан с массой атома Mат(A,Z)
и массовым числом A
соотношением:

Δ
= Мат(A,Z)
– А.

Состав ядер. Нуклоны.

Опытами Резерфорда
было показано, что в центне атома
располагается заряженное массивное
ядро. Размер атома ~2r1~1010м.
Размеры ядер~1015м
(1 Ферми). В физике долго существовала
протонно-электронная модель, которая
предполагала что ядро состоит из протонов
и электронов. Эту модель отбросили и в
1932 г. была принята протонно-нейтронная
модель. Согласно ей, ядро состоит из
двух видов ядерных частиц: протонов и
нейтронов. Протон – это частица с зарядом
электрона, но со знаком “+”. mp=1,6726·10
кг. Нейтрон электрически нейтрален.
mn=1,6749·10
кг. Вместе протоны и нейтроны называют
нуклонами. Протоны и нейтроны обладают
спинами.

и для протона и для
нейтрона.

Протоны и нейтроны
являются фермионами. имеют место
магнитные спиновые моменты.

– ядерный магнетон.

Характеристики атомных ядер

Z – заряд. число =
число нейтронов.

qяд=+Ze,
N – кол-во нейтронов.

A – массовое число;
A=Z+N

В зависимости от
количества нуклонов различают:

К изотопам относится
водород:

К изотонам относятся

К изобарам относятся

Деффект массы. Энергия связи ядра.

mЯ<mН.
Разность массы нуклонов в своб. состоянии
и массой ядра называется деффектом
масс.

Энергией связи
называется энергия, которую нужно
затратить для расщепления ядра на его
составляющие. Эта же энергия выделяется
при образовании ядра из A отдельных
нуклонов. EСВ~МэВ

Вводят понятие
удельной энергии связи – энергии
отнесённой к одному нуклону:

При A<20 (у лёгких
ядер) – значительный рост.

При A~5060
роста не наблюдается, EСВ
остаётся постоянной, не зависит от A.
Это наиболее стабильные ядра.

На графике видно
2 области. В области небольшого числа
ядер EСВ
невелико. В этой области возможны реакции
синтеза лёгких ядер. Вторая область –
область тяжёлых ядер. Уменьшение EСВ
позволяет осуществлять реакции деления
ядер.

В ряду всех ядер
особой стабильностью отличаются ядра,
у которых Z или N равно т.н. “магическому
ряду” : 2; 8; 20; 28; 50; 82; 126. Такие ядра – особо
прочные. Ядра, у которых и Z и N равно
одному из чисел магического ряда наз.
“дважды магическими”. Примеры таких
ядер:

Ядерная реакция
– это процесс взаимодействия атомного
ядра с другим ядром или элементарной
частицей, сопровождающийся изменением
состава и структуры ядра и выделением
вторичных частиц или γ-квантов.
При ядерных реакциях нуклоны не
уничтожаются, происходит только их
перераспределение: захват ядра, удаление,
переход к другому ядру. Суммарное
массовое число и суммарный заряд ядер
сохраняется. Ядерная реакция происходит,
когда частицы попадают в сферу действия
ядерных сил.

Нейтроны не имеют
заряда и, следственно, не отталкиваются
ядрами и поэтому особенно эффективно
вызывают превращения ядер
Ядерные
реакции сопровождаются энергетическими
превращениями. Энергетическим
выходом ядерной
реакции называется величина

Термоядерная
реакция-
реакция синтеза легких ядер в более
тяжелые. Для осуществления этой реакции
необходимо наличие очень высокой
температуры. Реакции бывают управляемые
и неуправляемые. Последние происходят
в недрах звезд, на Солнце. Для того, чтобы
произошла термоядерная реакция, надо
сблизить легкие ядра до расстояния,
равного или меньшего радиуса сферы
действия ядерных сил притяжения. Следует
нагреть вещество до очень высоких
температур для того, чтобы энергии
оказалось достаточно. При таких
температурах вещество существует только
в виде плазмы. Создание высокой температуры
нужно только в первый момент, чтобы
«зажечь» реакцию, а затем она существует
сама за счет выделения энергии при
синтезе ядер. Критическая температура-
температура, при которой возможна
самоподдерживающаяся реакция. Если
температура равна критической, количество
энергии, выделяющейся при синтезе,
полностью компенсирует тепловые и
ионизационные потери. Если температура
меньше критической, то реакция не идет.
Если температура больше критической,
то происходит термоядерный взрыв.

Радиоактивность.
Виды радиоактивности. Закон радиоактивного
распада.

Соседние файлы в папке Шпоры на экзамен

Как определить число нуклонов в ядре атома?

Число нуклонов в ядре атома равно массовому числу атома (относительная атомная масса химического элемента) или сумме протонов и нейтронов.

Как определить число протонов в атоме?

Число протонов в атоме равно заряду его ядра (обозначается как Z) или порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева.

Как определить число нейтронов в атоме?

N = A – Z

Где N – число нейтронов, A – атомная масса элемента (в целых числах), Z – заряд ядра атома или порядковый номер атома в периодической таблице Менделеева.

Развернутый ответ

Масса атома складывается из двух величин: масса протонов + масса нейтронов. Дело в том, что масса электронов пренебрежимо мала.

Масса нейтрона = 1,674 927 498 04(95)⋅10⁻²⁷ кг= 1,008 664 915 60(57) а.е.м.

Масса протона = 1,672 621 923 69(51)⋅10⁻²⁷ кг = 1,007276466621(53) а.е.м.

Масса электрона = 9,109383 7015(28)⋅10⁻³¹ кг = 0,000548579909065 а.е.м.

То есть даже 100 электронов дадут в сумме всего 0,0548579909065 а.е.м.

Первоначально Д. И. Менделеев в построении своей периодической таблицы исходил из атомных весов элементов. Однако, дальнейшее развитие науки показало, что свойства химических элементов находятся в прямой зависимости не от атомной массы химического элемента, а от заряда ядра его атома. Таким образом, в периодической таблице химические элементы выстроены в порядке возрастания заряда ядра атома и номер элемента в таблице соответствует заряду его ядра. А заряд ядра равен сумме протонов. То есть № (элемента) = Z (заряд ядра или число протонов).

Остаток массы ядра приходится на нейтроны. Поэтому чтобы определить число нейтронов в атоме нужно всего лишь вычесть из атомной массы число протонов, которое равно заряду ядра или порядковому номеру элемента в таблице Менделеева.

Примеры

Ar (Na) = 23 а.е.м.Z (Na) = 11 (протонов)N = Ar (Na) – Z (Na) = 23 – 11 = 12 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме натрия равно 11, а число нейтронов в атоме натрия равно 12.

Сколько протонов и нейтронов в атоме фосфора?

Ar (P) = 31 а.е.м.Z (P) = 15 (протонов)N = Ar (P) – Z (P) = 31 – 15 = 16 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме фосфора равно 15, а число нейтронов в атоме фосфора равно 16.

Сколько протонов и нейтронов в атоме золота?

Ar (Au) = 197 а.е.м.Z (Au) = 79 (протонов)N = Ar (Au) – Z (Au) = 197 – 79 = 118 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме золота равно 79, а число нейтронов в атоме золота равно 118.

Сколько протонов и нейтронов в атоме кремния?

Ar (Si) = 28 а.е.м.Z (Si) = 14 (протонов)N = Ar (Si) – Z (Si) = 28 – 14 = 14 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме кремния равно 14.

Сколько протонов и нейтронов в атоме углерода?

Ar (C) = 12 а.е.м.Z (C) = 6 (протонов)N = Ar (C) – Z (C) = 12 – 6 = 6 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме углерода равно 6.

Сколько протонов и нейтронов в атоме калия?

Ar (K) = 39 а.е.м.Z (K) = 19 (протонов)N = Ar (K) – Z (K) = 39 – 19 = 20 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме калия равно 19, а число нейтронов в атоме калия равно 20.

Сколько протонов и нейтронов в атоме железа?

Ar (Fe) = 39 а.е.м.Z (Fe) = 19 (протонов)N = Ar (Fe) – Z (Fe) = 56 – 26 = 30 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме железа равно 19, а число нейтронов в атоме железа равно 30.

Сколько протонов и нейтронов в атоме алюминия?

Ar (Al) = 27 а.е.м.Z (Al) = 13 (протонов)N = Ar (Al) – Z (Al) = 27 – 13 = 14 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме алюминия равно 13, а число нейтронов в атоме алюминия равно 14 .

Сколько протонов и нейтронов в атоме фтора?

Ar (F) = 19 а.е.м.Z (F) = 9 (протонов)N = Ar (F) – Z (F) = 19 – 9 = 10 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме фтора равно 9, а число нейтронов в атоме фтора равно 10.

Сколько протонов и нейтронов в атоме хлора?

Ar (Cl) = 35 а.е.м.Z (Cl) = 17 (протонов)N = Ar (Cl) – Z (Cl) = 35 – 17 = 18 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме хлора равно 17, а число нейтронов равно 18.

Сколько протонов и нейтронов в атоме кислорода?

Ar (O) = 16 а.е.м.Z (O) = 8 (протонов)N = Ar (O) – Z (O) = 16 – 8 = 8 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме кислорода равно 8.

Сколько протонов и нейтронов в атоме серы?

Ar (S) = 32 а.е.м.Z (S) = 16 (протонов)N = Ar (S) – Z (S) = 32 – 16 = 16 (нейтронов)Ответ: число протонов и нейтронов в атоме серы равно 16.

Сколько протонов и нейтронов в атоме магния?

Ar (Mg) = 32 а.е.м.Z (Mg) = 16 (протонов)N = Ar (Mg) – Z (Mg) = 24 – 12 = 12 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме магния равно 16, а число нейтронов равно 12.

Сколько протонов и нейтронов в атоме цинка?

Ar (Zn) = 65 а.е.м.Z (Zn) = 30 (протонов)N = Ar (Zn) – Z (Zn) = 65 – 30 = 35 (нейтронов)Ответ: число протонов в атоме цинка равно 30, а число нейтронов в атоме цинка равно 35.