No kā sastāv ķīmisko elementu kodols? Atoma kodola uzbūve. Atomu kodola uzbūves teorijas

Kā jau minēts, atoms sastāv no trīs veidu elementārdaļiņām: protoniem, neitroniem un elektroniem. Atomu kodols ir atoma centrālā daļa, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Protoniem un neitroniem ir parastais nosaukums nukleonu, kodolā tie var pārvērsties viens par otru. Vienkāršākā atoma, ūdeņraža atoma, kodols sastāv no vienas elementārdaļiņas – protona.

Atoma kodola diametrs ir aptuveni 10 -13 - 10 -12 cm un ir 0,0001 no atoma diametra. Tomēr gandrīz visa atoma masa (99,95 - 99,98%) ir koncentrēta kodolā. Ja būtu iespējams iegūt 1 cm 3 tīras kodolvielas, tās masa būtu 100 - 200 miljoni tonnu. Atoma kodola masa ir vairākus tūkstošus reižu lielāka par visu elektronu masu, kas veido atomu.

Protons- elementārdaļiņa, ūdeņraža atoma kodols. Protona masa ir 1,6721x10 -27 kg, tā ir 1836 reizes lielāka par elektrona masu. Elektriskais lādiņš ir pozitīvs un vienāds ar 1,66x10 -19 C. Kulons ir elektriskā lādiņa vienība, kas vienāda ar elektroenerģijas daudzumu, kas 1s laikā iziet cauri vadītāja šķērsgriezumam pie pastāvīgas strāvas stipruma 1A (ampērs).

Katrs jebkura elementa atoms satur noteiktu skaitu protonu kodolā. Šis skaitlis ir nemainīgs konkrētam elementam un nosaka tā fizikālās un ķīmiskās īpašības. Tas ir, protonu skaits ir atkarīgs no tā, ar kādu ķīmisko elementu mums ir darīšana. Piemēram, ja kodolā viens protons ir ūdeņradis, ja 26 protoni ir dzelzs. Protonu skaits atoma kodolā nosaka kodola lādiņu (lādiņa numurs Z) un elementa kārtas numuru periodiskajā elementu sistēmā D.I. Mendeļejevs (elementa atomu numurs).

Hneitronu- elektriski neitrāla daļiņa ar masu 1,6749 x10 -27 kg, 1839 reizes lielāka par elektrona masu. Neirons brīvā stāvoklī ir nestabila daļiņa, kas patstāvīgi pārvēršas par protonu ar elektrona un antineitrīna emisiju. Neitronu pussabrukšanas periods (laiks, kurā sadalās puse no sākotnējā neitronu skaita) ir aptuveni 12 minūtes. Tomēr saistītā stāvoklī stabilos atomu kodolos tas ir stabils. Kopējo nukleonu (protonu un neitronu) skaitu kodolā sauc par masas skaitli ( atomu masa- BET). Neitronu skaits, kas veido kodolu, ir vienāds ar starpību starp masas un lādiņa skaitļiem: N = A - Z.

Elektrons- elementārdaļiņa, nesējs ar mazāko masu - 0,91095x10 -27 g un mazākais elektriskais lādiņš- 1,6021x10 -19 C. Šī ir negatīvi lādēta daļiņa. Elektronu skaits atomā ir vienāds ar protonu skaitu kodolā, t.i. atoms ir elektriski neitrāls.

Pozitroni– elementārdaļiņa ar pozitīvu elektrisko lādiņu, antidaļiņa attiecībā pret elektronu. Elektrona un pozitrona masas ir vienādas, un elektriskie lādiņi ir vienādi pēc absolūtās vērtības, bet pretēji pēc zīmes.

Dažādus kodolu veidus sauc par nuklīdiem. Nuklīds ir atoma veids ar noteiktu protonu un neitronu skaitu. Dabā ir viena un tā paša elementa atomi ar dažādām atomu masām (masas skaitļiem): 17 35 Cl, 17 37 Cl utt. Šo atomu kodoli satur vienādu skaitu protonu, bet atšķirīgu neitronu skaitu. Tiek sauktas viena un tā paša elementa atomu šķirnes, kurām ir vienāds kodollādiņš, bet dažādi masas skaitļi izotopi . Izotopiem, kuriem ir vienāds protonu skaits, bet atšķiras neitronu skaits, ir vienāda elektronu apvalku struktūra, t.i. ļoti līdzīgas ķīmiskās īpašības un ieņem vienu un to pašu vietu ķīmisko elementu periodiskajā tabulā.

Izotopus apzīmē ar atbilstošā ķīmiskā elementa simbolu ar indeksu A, kas atrodas augšējā kreisajā stūrī - masas skaitlis, dažreiz arī protonu skaits (Z) norādīts apakšējā kreisajā pusē. Piemēram, fosfora radioaktīvie izotopi ir attiecīgi 32 P, 33 P vai 15 32 P un 15 33 P. Apzīmējot izotopu, nenorādot elementa simbolu, masas skaitlis tiek norādīts pēc elementa apzīmējuma, piemēram, fosfors - 32, fosfors - 33.

Vairums ķīmiskie elementi ir vairāki izotopi. Papildus ūdeņraža izotopam 1H-protijs ir zināms smagais ūdeņraža 2H-deitērijs un supersmagais ūdeņraža 3H-tritijs. Urānam ir 11 izotopi, dabiskajos savienojumos tie ir trīs (urāns 238, urāns 235, urāns 233). Viņiem ir attiecīgi 92 protoni un 146,143 un 141 neitroni.

Pašlaik ir zināmi vairāk nekā 1900 izotopu no 108 ķīmiskajiem elementiem. No tiem dabiskie izotopi ietver visus stabilos (to ir aptuveni 280) un dabiskos izotopus, kas ir daļa no radioaktīvajām saimēm (to ir 46). Pārējie ir mākslīgi, tie iegūti mākslīgi dažādu kodolreakciju rezultātā.

Termins "izotopi" jālieto tikai tad, ja mēs runājam par viena un tā paša elementa atomiem, piemēram, oglekļa izotopiem 12 C un 14 C. Ja ir domāti dažādu ķīmisko elementu atomi, ieteicams lietot terminu "nuklīdi", piemēram, radionuklīdi 90 Sr, 131 J, 137 Cs. .

Vai atoma kodols ir dalāms? Un ja tā, tad no kādām daļiņām tas sastāv? Daudzi fiziķi ir mēģinājuši atbildēt uz šo jautājumu.

1909. gadā britu fiziķis Ernests Raterfords kopā ar vācu fiziķi Hansu Geigeru un jaunzēlandiešu fiziķi Ernstu Marsdenu veica savu slaveno eksperimentu par α-daļiņu izkliedi, kura rezultātā tika secināts, ka atoms nav nedalāma daļiņa plkst. visi. Tas sastāv no pozitīvi lādēta kodola un elektroniem, kas griežas ap to. Turklāt, neskatoties uz to, ka kodola izmērs ir aptuveni 10 000 reižu mazāks par paša atoma izmēru, tajā ir koncentrēti 99,9% no atoma masas.

Bet kas ir atoma kodols? Kādas daļiņas tajā ir? Tagad mēs zinām, ka jebkura elementa kodols sastāv no protoni un neitroni, kuras parastais nosaukums ir nukleoni. Un 20. gadsimta sākumā pēc planētas jeb kodola atoma modeļa parādīšanās daudziem zinātniekiem tas bija noslēpums. Ir izvirzītas dažādas hipotēzes un piedāvāti dažādi modeļi. Bet pareizo atbildi uz šo jautājumu atkal sniedza Rezerfords.

Protona atklāšana

Rezerforda pieredze

Ūdeņraža atoma kodols ir ūdeņraža atoms, no kura ir noņemts tā viens elektrons.

Līdz 1913. gadam tika aprēķināta ūdeņraža atoma kodola masa un lādiņš. Turklāt kļuva zināms, ka jebkura ķīmiskā elementa atoma masa vienmēr tiek dalīta bez atlikuma ar ūdeņraža atoma masu. Šis fakts noveda Rezerfordu uz domu, ka ūdeņraža atomu kodoli nonāk jebkurā kodolā. Un viņam izdevās to eksperimentāli pierādīt 1919. gadā.

Savā eksperimentā Razerfords ievietoja α-daļiņu avotu kamerā, kurā tika izveidots vakuums. Kameras logu pārklājošās folijas biezums bija tāds, ka α-daļiņas nevarēja izkļūt. Ārpus kameras loga bija ekrāns, kas pārklāts ar cinka sulfīdu.

Kad kamera bija piepildīta ar slāpekli, ekrānā tika reģistrēti gaismas uzliesmojumi. Tas nozīmēja, ka α-daļiņu ietekmē no slāpekļa tika izsistas dažas jaunas daļiņas, kuras viegli iekļuva folijā, kas bija necaurlaidīga α-daļiņām. Izrādījās, ka nezināmām daļiņām ir pozitīvs lādiņš, pēc lieluma vienāda ar elektrona lādiņu, un to masa ir vienāda ar ūdeņraža atoma kodola masu. Rezerfords nosauca šīs daļiņas protoni.

Taču drīz vien kļuva skaidrs, ka atomu kodoli sastāv ne tikai no protoniem. Galu galā, ja tas tā būtu, tad atoma masa būtu vienāda ar protonu masu summu kodolā, un kodola lādiņa attiecība pret masu būtu nemainīga vērtība. Faktiski tas attiecas tikai uz vienkāršāko ūdeņraža atomu. Citu elementu atomos viss ir savādāk. Piemēram, berilija atoma kodolā protonu masu summa ir 4 vienības, bet paša kodola masa ir 9 vienības. Tas nozīmē, ka šajā kodolā ir citas daļiņas, kuru masa ir 5 vienības, bet kurām nav lādiņa.

Neitrona atklāšana

1930. gadā Vācu fiziķis Valters Bote Bote un Hanss Bekers eksperimenta laikā atklāja, ka starojumam, ko rada berilija atomu bombardēšana ar α daļiņām, ir milzīgs caurlaidības spēks. Pēc 2 gadiem angļu fiziķis Džeimss Čedviks, Rezerforda students, atklāja, ka pat 20 cm bieza svina plāksne, kas novietota šī nezināmā starojuma ceļā, to nevājina un nepastiprina. Izrādījās, ka elektromagnētiskajam laukam nav nekādas ietekmes uz izstarotajām daļiņām. Tas nozīmēja, ka viņiem nebija jāmaksā. Tādējādi tika atklāta vēl viena daļiņa, kas ir daļa no kodola. Viņi viņai piezvanīja neitronu. Neitronu masa izrādījās vienāds ar masu protonu.

Kodola protonu-neitronu teorija

Pēc neitrona eksperimentālās atklāšanas krievu zinātnieks D. D. Ivanenko un vācu fiziķis V. Heisenbergs neatkarīgi ierosināja kodola protonu-neitronu teoriju, kas sniedza zinātnisku pamatojumu kodola sastāvam. Saskaņā ar šo teoriju jebkura ķīmiskā elementa kodols sastāv no protoniem un neitroniem. Viņu parastais nosaukums ir nukleoni.

Kopējais nukleonu skaits kodolā tiek apzīmēts ar burtu A. Ja protonu skaitu kodolā apzīmē ar burtu Z, un neitronu skaits ar burtu N, tad mēs iegūstam izteiksmi:

A=Z+N

Šo vienādojumu sauc Ivanenko-Heizenberga vienādojums.

Tā kā atoma kodola lādiņš ir vienāds ar tajā esošo protonu skaitu, tad Z ko sauc arī par maksas numurs. Lādiņa numurs jeb atomskaitlis sakrīt ar tā kārtas numuru Mendeļejeva periodiskajā elementu sistēmā.

Dabā ir elementi, kuru ķīmiskās īpašības ir pilnīgi vienādas, bet masas skaitļi ir atšķirīgi. Tādus elementus sauc izotopi. Izotopiem ir vienāds protonu skaits un atšķirīgs neitronu skaits.

Piemēram, ūdeņradim ir trīs izotopi. Visiem tiem ir sērijas numurs, kas vienāds ar 1, un neitronu skaits kodolā tiem ir atšķirīgs. Tātad vienkāršākā ūdeņraža izotopa protija masas skaitlis ir 1, kodolā ir 1 protons, nevis viens neitrons. Tas ir vienkāršākais ķīmiskais elements.

Katrs atoms sastāv no kodoli un atomu apvalks, kas ietver dažādas elementārdaļiņas - nukleoni un elektroni(5.1. att.). Kodols ir atoma centrālā daļa, kas satur gandrīz visu atoma masu un kam ir pozitīvs lādiņš. Kodols sastāv no protoni un neitroni, kas ir vienas elementārdaļiņas - nukleona divkārši lādēti stāvokļi. Protonu lādiņš +1; neitrons 0.

Pamatmaksa atoms ir Z . ē , kur Z– elementu sērijas numurs (atomskaitlis) Mendeļejeva periodiskajā sistēmā vienāds ar protonu skaitu kodolā; ē ir elektrona lādiņš.

Nukleonu skaitu kodolā sauc elementa masas numurs(A):

A = Z + N,

kur Z ir protonu skaits; N ir neitronu skaits atoma kodolā.

Protoniem un neitroniem masas skaitlis ir vienāds ar 1, elektroniem tas ir vienāds ar 0.

Rīsi. 5.1. Atoma struktūra

Tālāk norādītie apzīmējumi ir vispārpieņemti jebkuram ķīmiskajam elementam X: , šeit A- masas numurs, Z ir elementa atomu skaits.

Viena un tā paša elementa atomu kodoli var saturēt atšķirīgu neitronu skaitu. N. Šāda veida atomu kodolus sauc izotopišis elements. Tādējādi izotopiem ir: vienāds atomskaitlis, bet dažādi masas skaitļi A. Lielākā daļa ķīmisko elementu ir dažādu izotopu maisījumi, piemēram, urāna izotopi:

.

Dažādu ķīmisko elementu atomu kodoliem var būt vienāds masas numurs BET(Ar atšķirīgs numurs protoni Z). Šāda veida atomu kodolus sauc izobāri. Piemēram:

– – – ; –

Atomu masa

Lai raksturotu atomu un molekulu masu, tiek izmantots jēdziens atomu masa M ir relatīvā vērtība, ko nosaka attiecība
līdz oglekļa atoma masai un tiek pieņemts vienāds ar m a = 12 000 000. Par
tika ieviesta absolūta atomu masas definīcija atomu vienība
masu(a.m.u.), ko definē attiecībā pret oglekļa atoma masu šādā formā:

.

Tad elementa atommasu var definēt šādi:

kur M ir aplūkojamā elementa izotopu atomu masa. Šī izteiksme atvieglo elementu kodolu masas noteikšanu, elementārdaļiņas, daļiņas - radioaktīvo pārvērtību produkti u.c.

Kodolmasas defekts un kodolsaistīšanas enerģija

Nukleona saistīšanas enerģija – fiziskais daudzums, skaitliski vienāds ar darbu, kas jāveic, lai izņemtu nukleonu no kodola, nepiešķirot tam kinētisko enerģiju.

Nukleonus kodolā saista kodolspēki, kas ir daudz lielāki par elektrostatiskajiem atgrūšanas spēkiem, kas darbojas starp protoniem. Lai sadalītu kodolu, ir jāpārvar šie spēki, t.i., jātērē enerģija. Nukleonu savienošanos, veidojot kodolu, gluži pretēji, pavada enerģijas izdalīšanās, ko sauc kodolenerģijaΔ W St:

,

kur ir tā sauktais kodolmasas defekts; Ar ≈ 3 . 10 8 m/s ir gaismas ātrums vakuumā.

Kodola saistošā enerģija- fizikāls lielums, kas vienāds ar darbu, kas jāpaveic, lai sadalītu kodolu atsevišķos nukleonos, nepiešķirot tiem kinētisko enerģiju.

Kad veidojas kodols, tā masa samazinās, t.i., kodola masa ir mazāka par to veidojošo nukleonu masu summu, šo starpību sauc masas defektsΔ m:

kur m p ir protonu masa; m n ir neitronu masa; m kodols ir kodola masa.

Pārejā no kodola masas m kodols līdz elementa atomu masām m a, šo izteiksmi var uzrakstīt šādā formā:

kur m H ir ūdeņraža masa; m n ir neitrona masa un m a ir elementa atomu masa, kas noteikta caur atomu masas vienība(a.u.m.).

Kodola stabilitātes kritērijs ir stingra protonu un neitronu skaita atbilstība tajā. Kodolu stabilitātei ir patiesa šāda sakarība:

,

kur Z ir protonu skaits; A ir elementa masas skaitlis.

No aptuveni 1700 līdz šim zināmajiem kodolu veidiem tikai aptuveni 270 ir stabili. Turklāt dabā dominē pāra-pāra kodoli (tas ir, ar pāra skaitu protonu un neitronu), kas ir īpaši stabili.

Radioaktivitāte

Radioaktivitāte- viena ķīmiskā elementa nestabilo izotopu pārvēršana par cita ķīmiskā elementa izotopiem ar dažu elementārdaļiņu izdalīšanos. Atšķirt: dabisko un mākslīgo radioaktivitāti.

Galvenie veidi ietver:

– α-starojums (sabrukšana);

– β-starojums (sabrukšana);

- spontāna kodola skaldīšanās.

Tiek saukts trūdoša elementa kodols mātes, un iegūtā elementa kodols ir bērns. Atomu kodolu spontāna sabrukšana ievēro šādu radioaktīvās sabrukšanas likumu:

kur N 0 ir ķīmiskā elementa kodolu skaits sākotnējā laika momentā; N ir kodolu skaits vienlaikus t; - tā sauktā sabrukšanas "konstante", kas ir kodolu daļa, kas sadalās laika vienībā.

Sabrukšanas "konstantes" apgrieztais lielums raksturo izotopa vidējo mūža ilgumu. Kodolu stabilitātes raksturojums attiecībā pret sabrukšanu ir Pus dzīve, t.i., laiks, kurā sākotnējais kodolu skaits tiek samazināts uz pusi:

Attiecības starp un:

, .

Radioaktīvās sabrukšanas laikā, maksas saglabāšanas likums:

,

kur ir sabrukušo vai radušos (izveidoto) "fragmentu" lādiņš; un masu saglabāšanas noteikums:

kur ir izveidojušos (sabrukušo) “fragmentu” masas skaits.

5.4.1. α un β sadalīšanās

α-sabrukšana ir starojums no hēlija kodoliem. Raksturīgs "smagajiem" kodoliem ar lieliem masas skaitļiem A> 200 un uzlāde z > 82.

α-sabrukšanas pārvietošanas noteikumam ir šāda forma (tiek veidots jauns elements):

.

; .

Ņemiet vērā, ka α-sabrukumam (starojumam) ir visaugstākā jonizācijas spēja, bet vismazākā caurlaidība.

Ir šādi veidi β-sabrukšana:

– elektroniskā β-decay (β – decay);

– pozitronu β-sabrukšana (β + -sabrukšana);

– elektroniskā uztveršana (k-tveršana).

β - -sabrukšana notiek ar neitronu pārpalikumu, atbrīvojoties elektroniem un antineitrīniem:

.

β + -sabrukšana notiek ar protonu pārpalikumu, atbrīvojoties pozitroniem un neitrīniem:

.

Elektroniskai uztveršanai ( k- tvert) ko raksturo šāda transformācija:

.

β-sabrukšanas pārvietošanas noteikumam ir šāda forma (tiek veidots jauns elements):

priekš β - -sabrukšana: ;

priekš β + -sabrukšana: .

β-sabrukšanai (starojumam) ir viszemākā jonizējošā spēja, bet vislielākā caurlaidība.

α un β starojumu pavada γ-starojums, kas ir fotonu emisija un nav neatkarīgs skatījums radioaktīvais starojums.

γ-fotoni izdalās, samazinoties ierosināto atomu enerģijai un neizraisa masas skaita izmaiņas A un maksas maiņa Z. γ-starojumam ir vislielākā iespiešanās spēja.

Radionuklīdu aktivitāte

Radionuklīdu aktivitāte ir radioaktivitātes mērs, kas raksturo kodola sabrukšanas gadījumu skaitu laika vienībā. Noteiktam radionuklīdu daudzumam noteiktā enerģijas stāvoklī noteiktā laikā aktivitāte BET ir norādīts šādā formā:

kur ir paredzamais avotā notiekošo spontāno kodolpārveidojumu skaits (kodolsabrukšanas gadījumu skaits). jonizējošā radiācija laika intervālā .

Tiek saukta spontāna kodolpārveide radioaktīvā sabrukšana.

Radionuklīdu aktivitātes mērvienība ir abpusēja otrā (), kurai ir īpašs nosaukums bekerels (Bq).

Bekerels ir vienāds ar radionuklīda aktivitāti avotā, kurā 1 sek. notiek viena spontāna kodolpārveide.

Ārpussistēmas darbības vienība - kirī (ku).

Kirī - radionuklīda aktivitāte avotā, kurā uz laiku 1 sek. notiek 3.7 . 10 10 spontānas kodolpārvērtības, t.i., 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.

Piemēram, aptuveni 1 g tīra rādija dod aktivitāti 3,7 . 10 10 kodolsairšanas sekundē.

Ne visi radionuklīda kodoli sadalās vienlaikus. Katrā laika vienībā notiek spontāna kodolpārveide ar noteiktu kodolu daļu. Kodolpārveidojumu īpatsvars dažādiem radionuklīdiem ir atšķirīgs. Piemēram, no kopējā rādija kodolu skaita katru sekundi sadalās 1,38 . daļu, un no kopējā radona kodolu skaita - 2,1 . daļa. Kodolu daļu, kas sadalās laika vienībā, sauc par sabrukšanas konstanti λ .

No iepriekšminētajām definīcijām izriet, ka darbība BET kas saistīti ar radioaktīvo atomu skaitu N avotā noteiktā laikā pēc attiecības:

Laika gaitā radioaktīvo atomu skaits samazinās saskaņā ar likumu:

, (3) – 30 gadi, virsmas radons vai lineārs aktivitāte.

Konkrētas darbības vienību izvēli nosaka konkrēts uzdevums. Piemēram, gaisa aktivitāti izsaka bekerelos uz vienu kubikmetrs(Bq / m 3) - tilpuma aktivitāte. Aktivitāti ūdenī, pienā un citos šķidrumos izsaka arī kā tilpuma aktivitāti, jo ūdens un piena daudzumu mēra litros (Bq/l). Aktivitāti maizē, kartupeļos, gaļā un citos produktos izsaka kā īpatnējo aktivitāti (Bq/kg).

Acīmredzot radionuklīdu iedarbības bioloģiskā ietekme uz cilvēka ķermeni būs atkarīga no to aktivitātes, t.i., no radionuklīda daudzuma. Tāpēc radionuklīdu apjoms un īpatnējā aktivitāte gaisā, ūdenī, pārtikā, celtniecības un citos materiālos ir standartizēti.

Tā kā noteiktu laiku cilvēku var apstarot dažādos veidos (no radionuklīdu iekļūšanas organismā līdz ārējai iedarbībai), tad visi apstarošanas faktori ir saistīti ar noteiktu vērtību, ko sauc par starojuma devu.

Akadēmiķis A. F. Jofs. "Zinātne un dzīve" Nr.1, 1934.g

Akadēmiķa Abrama Fedoroviča Jofe raksts "Atoma kodols" atklāja 1934. gadā jaunizveidotā žurnāla "Zinātne un dzīve" pirmo numuru.

E. Rezerfords.

F. V. Astons.

MATĒRIJAS VIĻŅU DABA

20. gadsimta sākumā matērijas atomiskā struktūra pārstāja būt hipotēze, un atoms kļuva par tādu pašu realitāti, jo mums kopīgie fakti un parādības ir reāli.

Izrādījās, ka atoms ir ļoti sarežģīts veidojums, kas neapšaubāmi ietver elektriskos lādiņus un varbūt tikai elektriskos lādiņus. Tāpēc, protams, radās jautājums par atoma struktūru.

Pirmais atoma modelis tika veidots pēc tam Saules sistēma. Tomēr šī ideja par atoma uzbūvi drīz izrādījās nepieņemama. Un tas ir dabiski. Ideja par atomu kā Saules sistēmu bija tīri mehāniska attēla, kas saistīts ar astronomiskajiem mērogiem, pārnešana uz atoma reģionu, kur mērogi ir tikai simts miljonās centimetru. Šādas krasas kvantitatīvās izmaiņas var tikai izraisīt ļoti būtiskas izmaiņas to pašu parādību kvalitatīvajās īpašībās. Šī atšķirība galvenokārt atspoguļojās apstāklī, ka atoms, atšķirībā no Saules sistēmas, ir jābūvē pēc daudz stingrākiem noteikumiem nekā tie likumi, kas nosaka planētu orbītas Saules sistēmā.

Bija divas grūtības. Pirmkārt, visi noteikta veida, noteikta elementa atomi pēc savām fizikālajām īpašībām ir tieši vienādi, un līdz ar to elektronu orbītām šajos atomos ir jābūt tieši vienādām. Tikmēr mehānikas likumi, kas regulē kustību debess ķermeņi, tam nav absolūti nekāda pamata. Atkarībā no sākotnējā ātruma planētas orbīta pēc šiem likumiem var būt pilnīgi patvaļīga, planēta var griezties katru reizi ar atbilstošu ātrumu jebkurā orbītā, jebkurā attālumā no Saules. Ja atomos pastāvētu vienas un tās pašas patvaļīgas orbītas, tad vienas vielas atomi nevarētu būt tik identiski pēc savām īpašībām, piemēram, nevarētu dot strikti identisku luminiscences spektru. Šī ir viena pretruna.

Otrs bija tas, ka elektrona kustībai ap atoma kodolu, ja tam tiktu piemēroti likumi, ko mēs esam labi pētījuši, veicot liela mēroga laboratorijas eksperimentus vai pat astronomiskas parādības, būtu jāpavada nepārtraukta enerģijas emisija. Līdz ar to atoma enerģijai būtu nepārtraukti jāiztukšojas, un atkal atoms nevarētu saglabāt tās pašas un nemainīgas īpašības gadsimtu un gadu tūkstošu gaitā, un visai pasaulei un visiem atomiem būtu jāpiedzīvo nepārtraukta vājināšanās, nepārtraukts tajos esošās enerģijas zudums. Arī tas nekādā gadījumā nav nesavienojams ar atomu pamatīpašībām.

Pēdējās grūtības bija īpaši asas. Šķita, ka tas noveda visu zinātni neatrisināmā strupceļā.

Izcilais fiziķis Lorencs mūsu sarunu par šo tēmu noslēdza šādi: "Es nožēloju, ka es nenomiru pirms pieciem gadiem, kad šī pretruna vēl nepastāvēja. Tad es būtu miris pārliecībā, ka esmu atklājis daļu patiesības dabas parādības."

Tajā pašā laikā 1924. gada pavasarī de Broglie, jaunais Langevinas students, savā disertācijā izteica ideju, kas tālākā attīstībā noveda pie jaunas sintēzes.

De Broglie ideja, kas vēlāk tika diezgan būtiski mainīta, bet joprojām lielā mērā saglabājās, bija tāda, ka elektrona kustība, kas rotē ap kodolu atomā, nav tikai noteiktas lodītes kustība, kā iepriekš tika iedomāties, ka šo kustību pavada daži vilnis, kas pārvietojas kopā ar kustīgo elektronu. Elektrons nav bumba, bet kaut kāda telpā izplūdusi elektriskā viela, kuras kustība vienlaikus ir arī viļņa izplatīšanās.

Šī ideja, kas pēc tam tika attiecināta ne tikai uz elektroniem, bet arī uz jebkura ķermeņa – un elektrona, un atoma, un veselas atomu kolekcijas – kustību, apgalvo, ka jebkura ķermeņa kustība satur divas puses, no kurām mēs varam redzēt. īpaši atsevišķos gadījumos skaidri viena puse, bet otra nav pamanāma. Vienā gadījumā mēs redzam it kā izplatošus viļņus un nepamanām daļiņu kustību, otrā gadījumā, gluži pretēji, pašas kustīgās daļiņas izvirzās priekšplānā, un vilnis izkļūst no mūsu novērojuma.

Bet patiesībā abas šīs puses vienmēr ir klāt, un jo īpaši elektronu kustībā notiek ne tikai pašu lādiņu kustība, bet arī viļņa izplatīšanās.

Nevarētu teikt, ka orbītās nenotiek elektronu kustība, bet ir tikai pulsācija, tikai viļņi, tas ir, kas cits. Nē, pareizāk būtu teikt tā: mēs nemaz nenoliedzam elektrodu kustību, ko pielīdzinājām planētu kustībai ap Sauli, taču šai kustībai pašai ir pulsācijas raksturs, nevis Zemeslodes kustības ap Sauli raksturs.

Es šeit neaprakstīšu atoma uzbūvi, tā elektronu apvalka uzbūvi, kas nosaka visu pamata fizikālās īpašības- kohēzija, elastība, kapilaritāte, ķīmiskās īpašības utt. Tas viss ir elektronu apvalka kustības vai, kā mēs tagad sakām, atoma pulsācijas rezultāts.

KODOLEKĻA PROBLĒMA

Kodols atomā spēlē vissvarīgāko lomu. Tas ir centrs, ap kuru griežas visi elektroni un kura īpašības galu galā nosaka visu pārējo.

Pirmā lieta, ko mēs varējām uzzināt par kodolu, bija tā lādiņš. Mēs zinām, ka atoms satur noteiktu skaitu negatīvi lādētu elektronu, bet atomam kopumā nav elektriskā lādiņa. Tas nozīmē, ka kaut kur ir jābūt atbilstošiem pozitīvajiem lādiņiem. Šie pozitīvie lādiņi koncentrējas kodolā. Kodols ir pozitīvi lādēta daļiņa, ap kuru pulsē elektronu atmosfēra, kas ieskauj kodolu. Kodola lādiņš nosaka elektronu skaitu.

Dzelzs un vara, stikla un koka elektroni ir tieši tādi paši. Atomam nav nekāda kaitējuma zaudēt dažus elektronus vai pat visus elektronus. Kamēr paliks pozitīvi lādēts kodols, šis kodols piesaistīs tik daudz elektronu no citiem apkārtējiem ķermeņiem, cik tam nepieciešams, un atoms tiks saglabāts. Dzelzs atoms paliek dzelzs tik ilgi, kamēr tā kodols ir neskarts. Ja tas zaudē dažus elektronus, tad kodola pozitīvais lādiņš būs lielāks par atlikušo negatīvo lādiņu kopumu, un viss atoms kopumā iegūs lieko pozitīvo lādiņu. Tad mēs to saucam nevis par atomu, bet gan par pozitīvo dzelzs jonu. Citā gadījumā atoms var, gluži pretēji, piesaistīt sev vairāk negatīvo elektronu, nekā tam ir pozitīvi lādiņi – tad tas būs negatīvi lādēts, un mēs to saucam par negatīvo jonu; tas būs tā paša elementa negatīvais jons. Līdz ar to elementa individualitāte, visas tā īpašības pastāv un nosaka kodols, šī kodola lādiņš, pirmkārt.

Turklāt - atoma masu tā pārliecinošajā daļā precīzi nosaka kodols, nevis elektroni, - elektronu masa ir mazāka par vienu tūkstošdaļu no visa atoma masas; vairāk nekā 0,999 no kopējās masas ir kodola masa. Tam ir tēmas lielāka vērtība ka masu uzskatām par enerģijas daudzuma mērauklu, kas piemīt konkrētai vielai; masa ir tāds pats enerģijas mērs kā erg, kilovatstunda vai kalorija.

Kodola sarežģītība atklājās radioaktivitātes fenomenā, kas atklāts neilgi pēc rentgena stariem, uz mūsu gadsimta robežas. Ir zināms, ka radioaktīvie elementi nepārtraukti izstaro enerģiju alfa, beta un gamma staru veidā. Bet šādam nepārtrauktam enerģijas starojumam ir jābūt kādam avotam. 1902. gadā Raterfords parādīja, ka vienīgajam šīs enerģijas avotam jābūt atomam, citiem vārdiem sakot, kodolenerģijai. Radioaktivitātes otra puse ir tāda, ka šo staru emisija pārvērš vienu elementu, kas atrodas vienā vietā periodiska sistēma, citā elementā ar atšķirīgām ķīmiskajām īpašībām. Citiem vārdiem sakot, radioaktīvie procesi veic elementu transformāciju. Ja tā ir taisnība, ka atoma kodols nosaka tā individualitāti un ka tik ilgi, kamēr kodols ir neskarts, kamēr atoms paliek kā dotā elementa atoms, nevis kāda cita, tad viena elementa pāreja uz cits nozīmē izmaiņas pašā atoma kodolā.

Radioaktīvo vielu izdalītie stari nodrošina pirmo pieeju, lai iegūtu vispārēju priekšstatu par kodola saturu.

Alfa stari ir hēlija kodoli, un hēlijs ir otrais elements periodiskajā tabulā. Tāpēc var domāt, ka kodola sastāvā ietilpst hēlija kodoli. Bet ātruma mērīšana, ar kādu alfa stari izlido, nekavējoties rada ļoti nopietnas grūtības.

GAMOVA RADIOAKTIVITĀTES TEORIJA

Kodols ir pozitīvi uzlādēts. Tuvojoties tai, jebkura uzlādēta daļiņa piedzīvo pievilkšanas vai atgrūšanas spēku. Liela mēroga laboratorijā elektrisko lādiņu mijiedarbību nosaka Kulona likums: divi lādiņi viens ar otru mijiedarbojas ar spēku, apgriezti proporcionāls kvadrātam attālums starp tiem un tieši proporcionāls viena un otra lādiņa lielumam. Pētot pievilkšanās vai atgrūšanas likumus, ko daļiņas piedzīvo, tuvojoties kodolam, Rezerfords atklāja, ka līdz attālumam ļoti tuvu kodolam, apmēram 10–12 cm, joprojām ir spēkā tas pats Kulona likums. Ja tas tā ir, tad mēs varam viegli aprēķināt, cik daudz darba ir jāveic kodolam, atstumjot pozitīvo lādiņu no sevis, kad tas iziet no kodola un tiek izmests. Alfa daļiņas un lādēti hēlija kodoli, izlidojot no kodola, pārvietojas zem tā lādiņa atgrūdošās darbības; un tagad attiecīgais aprēķins parāda, ka tikai atgrūšanas rezultātā alfa daļiņām vajadzētu uzkrāt kinētisko enerģiju, kas atbilst vismaz 10 vai 20 miljoniem elektronvoltu, t.i., enerģijai, kas tiek iegūta, izejot cauri lādiņam, kas vienāds ar elektrona lādiņš, potenciālu starpība 20 miljoni voltu. Bet patiesībā, kad tie atstāj atomu, tie iznāk ar daudz mazāku enerģiju, tikai 1-5 miljoniem elektronu voltu. Bet turklāt,

bija dabiski sagaidīt, ka kodols, izmetot alfa daļiņu, dod tai vēl kaut ko papildus. Izgrūšanas brīdī kodolā notiek kaut kas līdzīgs sprādzienam, un šis sprādziens pats par sevi piešķir kaut kādu enerģiju; tam pieskaita atgrūdošo spēku darbu, bet izrādās, ka šo enerģiju summa mazāk par to, kam vajadzētu dot vienu atgrūšanos. Šī pretruna tiek novērsta, tiklīdz mēs atsakāmies no mehāniskās pārneses uz šo skatu apgabalu, kas izveidots lielu ķermeņu izpētes pieredzē, kur mēs neņemam vērā kustības viļņu raksturu. G. A. Gamovs bija pirmais, kurš sniedza pareizu šīs pretrunas interpretāciju un radīja viļņu teoriju par kodolu un radioaktīvajiem procesiem.

Zināms, ka pietiekami lielos attālumos (vairāk nekā 10 -12 cm) kodols atgrūž no sevis pozitīvu lādiņu. No otras puses, nav šaubu, ka pašā kodolā, kurā ir daudz pozitīvu lādiņu, tie nez kāpēc viens otru neatgrūž. Pati kodola esamība liecina, ka pozitīvie lādiņi kodola iekšienē savstarpēji piesaista viens otru, un ārpus kodola tie viens otru atgrūž.

Kā var aprakstīt enerģijas apstākļus pašā kodolā un ap to? Gamow izveidoja šādu priekšnesumu. Diagrammā (5. att.) attēlosim pozitīvā lādiņa enerģijas vērtību noteiktā vietā ar attālumu no horizontālās līnijas. BET.

Tuvojoties kodolam, palielināsies lādiņa enerģija, jo tiks strādāts pret atgrūdošo spēku. Kodola iekšienē, gluži otrādi, atkal jāsamazinās enerģijai, jo šeit nav savstarpēja atgrūšanās, bet savstarpēja pievilkšanās. Kodola robežās notiek strauja enerģētiskās vērtības samazināšanās. Mūsu zīmējums ir attēlots plaknē; patiesībā tas, protams, ir jāiedomājas telpā ar tādu pašu enerģijas sadalījumu un visos citos virzienos. Tad mēs iegūstam, ka ap kodolu ir sfērisks slānis ar augstu enerģiju, it kā kaut kāda enerģijas barjera, kas aizsargā kodolu no pozitīvo lādiņu iespiešanās, tā sauktā "Gamow barjera".

Ja mēs stāvam uz ierasto uzskatu viedokļa par ķermeņa kustību un aizmirstam par tā viļņa raksturu, tad jārēķinās, ka tikai tāds pozitīvs lādiņš var iekļūt kodolā, kura enerģija nav mazāka par ķermeņa kustību. barjeras augstums. Gluži pretēji, lai izietu no kodola, lādiņam vispirms ir jāsasniedz barjeras augšdaļa, pēc tam tā kinētiskā enerģija sāks pieaugt, attālinoties no kodola. Ja barjeras augšpusē enerģija bija vienāda ar nulli, tad, kad to noņem no atoma, tas saņems pašus 20 miljonus elektronu voltu, kas nekad nav novēroti. Jaunā kodola izpratne, ko ieviesa Gamovs, ir šāda. Daļiņas kustība jāuzskata par vilni. Līdz ar to šo kustību ietekmē enerģija ne tikai daļiņas aizņemtajā punktā, bet arī visā daļiņas izplūdušajā vilnī, kas aptver diezgan lielu telpu. Pamatojoties uz viļņu mehānikas jēdzieniem, varam apgalvot, ka pat tad, ja enerģija dotajā punktā nav sasniegusi robežu, kas atbilst barjeras augšējai daļai, daļiņa var atrasties savā otrā pusē, kur tā vairs netiek ievilkta. kodols ar tur iedarbojošiem pievilkšanas spēkiem.

Kaut kas līdzīgs ir šāds eksperiments. Iedomājieties, ka aiz istabas sienas ir muca ar ūdeni. No šīs mucas tiek izvilkta caurule, kas iet augstu augšā caur caurumu sienā un piegādā ūdeni; apakšā plūst ūdens. Šī ir plaši pazīstama ierīce, ko sauc par sifonu. Ja muca tajā pusē ir novietota augstāk par caurules galu, tad caur to nepārtraukti plūdīs ūdens ar ātrumu, ko nosaka ūdens līmeņa starpība mucā un caurules galā. Šeit nav nekā pārsteidzoša. Bet, ja jūs nezinātu par mucas esamību sienas otrā pusē un redzētu tikai cauruli, pa kuru ūdens plūst no liela augstuma, tad šis fakts jums šķistu nesamierināma pretruna. Ūdens plūst no liela augstuma un tajā pašā laikā neuzkrāj enerģiju, kas atbilst caurules augstumam. Tomēr izskaidrojums šajā gadījumā ir acīmredzams.

Mums ir līdzīga parādība kodolā. Uzlādējiet no tā parastā stāvokļa BET paceļas līdz lielākas enerģijas stāvoklim AT, bet barjeras augšpusi nesasniedz vispār NO(6. att.).

Ārpus valsts AT alfa daļiņa, izejot cauri barjerai, sāk atgrūst no kodola nevis no pašas augšas NO, un no zemāka enerģijas augstuma B1. Tāpēc, dodoties ārā, daļiņas uzkrātā enerģija nebūs atkarīga no augstuma NO, bet no mazāka augstuma vienāds ar B1(7. att.).

Šim kvalitatīvajam pamatojumam var piešķirt arī kvantitatīvu formu un likumu, kas nosaka varbūtību, ka alfa daļiņa iziet cauri barjerai kā šīs enerģijas funkcija. AT, kas tam ir kodolā, un līdz ar to no enerģijas, ko tas saņems, izejot no atoma.

Ar vairāku eksperimentu palīdzību tika izveidots ļoti vienkāršs likums, kas savienoja radioaktīvo vielu emitēto alfa daļiņu skaitu ar to enerģiju vai ātrumu. Bet šī likuma jēga bija pilnīgi nesaprotama.

Pirmie Gamova panākumi bija apstāklī, ka šis alfa daļiņu emisijas kvantitatīvais likums diezgan precīzi un dabiski izrietēja no viņa teorijas. Tagad "Gamow enerģijas barjera" un tās viļņu interpretācija ir visu mūsu priekšstatu par kodolu pamatā.

Alfa staru īpašības kvalitatīvi un kvantitatīvi labi izskaidro Gamova teorija, taču zināms, ka radioaktīvās vielas izstaro arī beta starus – ātru elektronu plūsmas. Elektronu emisijas modelis nevar izskaidrot. Šī ir viena no nopietnākajām pretrunām atoma kodola teorijā, kas vēl pavisam nesen palika neatrisināta, bet kuras risinājums tagad, šķiet, ir iezīmēts.

KODOLA UZBŪVE

Tagad mēs pievēršamies tam, ko mēs zinām par kodola struktūru.

Pirms vairāk nekā 100 gadiem Prouts izteica domu, ka, iespējams, periodiskās sistēmas elementi nemaz nav atsevišķas, nesaistītas matērijas formas, bet ir tikai dažādas ūdeņraža atoma kombinācijas. Ja tas tā būtu, tad varētu sagaidīt, ka ne tikai visu kodolu lādiņi būtu veseli ūdeņraža lādiņa daudzkārtņi, bet arī visu kodolu masas tiktu izteiktas kā ūdeņraža kodola masas veseli skaitļi, t.i., visi atomu svari būtu jāizsaka ar veseliem skaitļiem. Un patiešām, ja paskatās uz atomsvaru tabulu, jūs varat redzēt liels skaitlis veseli skaitļi. Piemēram, ogleklis ir tieši 12, slāpeklis ir tieši 14, skābeklis ir tieši 16, fluors ir tieši 19. Tas, protams, nav nejaušība. Bet joprojām ir atomu svari, kas ir tālu no veseliem skaitļiem. Piemēram, neona atomu svars ir 20,2, hlora atomsvars ir 35,46. Tāpēc Prouta hipotēze palika daļēja pieņēmums un nevarēja kļūt par atoma uzbūves teoriju. Pētot lādēto jonu uzvedību, īpaši viegli ir izpētīt atoma kodola īpašības, iedarbojoties uz tiem, piemēram, ar elektrisko un magnētisko lauku.

Uz to balstītā metode, ko Aston nodrošināja ar ārkārtīgi augstu precizitāti, ļāva noteikt, ka visi elementi, kuru atomu masa nav izteikta veselos skaitļos, patiesībā nav viendabīga viela, bet gan divu vai vairāku - 3 maisījums. , 4, 9 - dažāda veida atomi. Tā, piemēram, hlora atomu svars, kas vienāds ar 35,46, ir izskaidrojams ar to, ka patiesībā ir vairāku veidu hlora atomi. Ir hlora atomi ar atomu svaru 35 un 37, un šie divi hlora veidi ir sajaukti tādā proporcijā, ka to vidējais atomu svars ir 35,46. Izrādījās, ka ne tikai šajā konkrētajā gadījumā, bet visos bez izņēmuma gadījumos, kad atomu masas nav izteiktas kā veseli skaitļi, mums ir izotopu maisījums, t.i., atomi ar vienādu lādiņu, tātad, pārstāvot vienu un to pašu elementu. , bet ar dažādām masām. Katram atsevišķam atoma veidam vienmēr ir vesels skaitlis atomu svars.

Tādējādi Prouta minējums uzreiz saņēma ievērojamu pastiprinājumu, un jautājumu varēja uzskatīt par atrisinātu, ja ne viens izņēmums, proti, pats ūdeņradis. Fakts ir tāds, ka mūsu atomsvaru sistēma ir veidota nevis uz ūdeņraža, kas ņemts par vienību, bet gan uz skābekļa atomu svaru, kas nosacīti pieņemts vienāds ar 16. Attiecībā uz šo svaru atomu svari tiek izteikti gandrīz precīzi veselos skaitļos. . Bet pašam ūdeņradim šajā sistēmā atomu svars ir nevis viens, bet nedaudz vairāk, proti, 1,0078. Šis skaitlis no vienotības atšķiras diezgan būtiski – par 3/4%, kas krietni pārsniedz visas iespējamās kļūdas atommasas noteikšanā.

Izrādījās, ka skābeklim ir arī 3 izotopi: papildus dominējošajam ar atommasu 16, otrs ar atommasu 17 un trešais ar atomsvaru 18. Ja mēs attiecinām visus atomu svarus uz izotopu 16, tad ūdeņraža atomu svars joprojām būs nedaudz lielāks par vienību. Tad tika atrasts otrs ūdeņraža izotops – ūdeņradis ar atommasu 2 – deitērijs, kā to atklājuši amerikāņi, jeb diplogēns, kā to dēvē briti. Tikai aptuveni 1/6000 daļa no šī deitērija ir sajaukta, un tāpēc šī piemaisījuma klātbūtne ļoti maz ietekmē ūdeņraža atommasu.

Līdzās ūdeņradim hēlija atomu svars ir 4,002. Ja tas sastāvētu no 4 ūdeņražiem, tad tā atomu svaram acīmredzot būtu jābūt 4,031. Tāpēc šajā gadījumā mums ir zināms atomu svara zudums, proti: 4,031 - 4,002 = 0,029. Vai tas ir iespējams? Kamēr mēs masu neuzskatījām par kādu matērijas mērauklu, tas, protams, nebija iespējams: tas nozīmētu, ka daļa matērijas pazustu.

Taču relativitātes teorija ar pārliecību noteica, ka masa nav matērijas daudzuma mērs, bet gan šai matērijai piemītošās enerģijas mērs. Matēriju mēra nevis pēc masas, bet pēc lādiņu skaita, kas veido šo vielu. Šiem lādiņiem var būt vairāk vai mazāk enerģijas. Kad tuvojas identisks lādiņš, enerģija palielinās; kad tie attālinās, enerģija samazinās. Bet tas, protams, nenozīmē, ka lieta ir mainījusies.

Kad mēs sakām, ka hēlija veidošanās laikā no 4 ūdeņraža atomiem pazuda 0,029 atomsvars, tas nozīmē, ka pazuda šai vērtībai atbilstošā enerģija. Mēs zinām, ka katra vielas grama enerģija ir vienāda ar 9. 10 20 erg. Veidojot 4 g hēlija, tiek zaudēta enerģija, kas vienāda ar 0,029. 9 . 10 20 ergs. Sakarā ar šo enerģijas samazināšanos 4 ūdeņraža kodoli apvienosies jaunā kodolā. Apkārtējā telpā tiks atbrīvota liekā enerģija, un saglabāsies savienojums ar nedaudz mazāku enerģiju un masu. Tātad, ja atomu svarus mēra nevis precīzi, veselos skaitļos 4 vai 1, bet 4,002 un 1,0078, tad tieši šīs tūkstošdaļas iegūst īpašu nozīmi, jo nosaka kodola veidošanās laikā izdalīto enerģiju.

Jo vairāk enerģijas izdalās kodola veidošanās laikā, t.i., jo lielāks ir atomu svara zudums, jo spēcīgāks ir kodols. Jo īpaši hēlija kodols ir ļoti spēcīgs, jo tā veidošanās laikā tiek atbrīvota enerģija, kas atbilst atomu svara zudumam - 0,029. Tā ir ļoti liela enerģija. Lai to spriestu, vislabāk ir atcerēties šo vienkāršo attiecību: viena tūkstošdaļa no atoma svara atbilst aptuveni 1 miljonam elektronu voltu. Tātad 0,029 ir aptuveni 29 miljoni elektronu voltu. Lai iznīcinātu hēlija kodolu, sadalītu to atpakaļ 4 ūdeņražos, ir nepieciešama kolosāla enerģija. Kodols šādu enerģiju nesaņem, tāpēc hēlija kodols ir ārkārtīgi stabils, un tāpēc tieši no radioaktīvajiem kodoliem izdalās nevis ūdeņraža kodoli, bet veseli hēlija kodoli, alfa daļiņas. Šie apsvērumi noved pie jauna atomenerģijas novērtējuma. Mēs jau zinām, ka gandrīz visa atoma enerģija ir koncentrēta kodolā, turklāt enerģija ir milzīga. 1 g vielas, ja pārtulko grafiskākā valodā, ir tik daudz enerģijas, cik var iegūt, sadedzinot 10 vilcienus ar 100 vagoniem eļļas. Tāpēc kodols ir pilnīgi ārkārtējs enerģijas avots. Salīdziniet 1 g ar 10 vilcieniem — šī ir enerģijas koncentrācijas attiecība kodolā, salīdzinot ar enerģiju, ko mēs izmantojam savā tehnoloģijā.

Taču, ja mēs padomājam par faktiem, kurus mēs tagad apsveram, mēs, gluži pretēji, varam nonākt pie pilnīgi pretēja viedokļa par kodolu. No šī viedokļa kodols nav enerģijas avots, bet gan tā kapsēta: kodols ir atlikums pēc milzīga enerģijas daudzuma izlaišanas, un tajā mums ir viszemākais enerģijas stāvoklis.

Tāpēc, ja var runāt par iespēju izmantot kodola enerģiju, tad tikai tādā ziņā, ka, iespējams, ne visi kodoli ir sasnieguši zemāko iespējamo enerģiju: galu galā dabā gan eksistē gan ūdeņradis, gan hēlijs, un līdz ar to ne viss ūdeņradis apvienojas hēlijā, lai gan hēlijam ir mazāk enerģijas. Ja mēs varētu sapludināt pieejamo ūdeņradi hēlijā, mēs iegūtu noteiktu enerģijas daudzumu. Tie nav 10 naftas vilcieni, bet tomēr tie būs aptuveni 10 naftas vagoni. Un tas nav tik slikti, ja no 1 g vielas būtu iespējams iegūt tikpat daudz enerģijas, cik sadedzinot 10 vagonus eļļas.

Tādas ir iespējamās enerģijas rezerves kodolu pārkārtošanā. Bet iespēja, protams, ir tālu no realitātes.

Kā šīs iespējas var realizēt? Lai tos novērtētu, mēs pievēršamies atoma kodola sastāva apsvērumiem.

Tagad varam teikt, ka visos kodolos ir pozitīvi ūdeņraža kodoli, kurus sauc par protoniem, kuriem ir atommasas vienība (precīzāk 1,0078) un pozitīvais lādiņš. Bet kodols nevar sastāvēt tikai no protoniem. Ņemiet, piemēram, smagāko elementu, 92. vietu periodiskajā tabulā, urānu, kura atomsvars ir 238. Ja pieņemam, ka visas šīs 238 vienības sastāv no protoniem, tad urānam būtu 238 lādiņi, kamēr tam ir tikai 92. Līdz ar to vai nu tur nav uzlādētas visas daļiņas, vai arī papildus 238 protoniem ir 146 negatīvie elektroni. Tad viss ir kārtībā: atommasa būtu 238, pozitīvie lādiņi 238 un negatīvie 146, līdz ar to kopējais lādiņš ir 92. Bet mēs jau esam konstatējuši, ka pieņēmums par elektronu klātbūtni kodolā nav savienojams ar mūsu priekšstatiem: ne kodolā esošo elektronu izmēru vai magnētisko īpašību dēļ nevar ievietot. Bija zināma pretruna.

NEITRONA ATKLĀŠANA

Šo pretrunu iznīcināja jauns eksperimentāls fakts, kuru pirms aptuveni diviem gadiem atklāja Irēna Kirī un viņas vīrs Džolio (Irēna Kirī ir rādija atklājējas Marijas Kirī meita). Irēna Kirī un Džoliota atklāja, ka tad, kad berilijs (periodiskās sistēmas ceturtais elements) tiek bombardēts ar alfa daļiņām, berilijs izstaro dīvainus starus, kas iekļūst cauri milzīgiem matērijas biezumiem. Šķiet, ka, tā kā tie tik viegli iekļūst matērijā, tiem nevajadzētu tur radīt nekādas būtiskas sekas, pretējā gadījumā to enerģija būtu izsmelta un tie neiekļūst matērijā. No otras puses, izrādās, ka šie stari, saduroties ar kāda atoma kodolu, to izmet ar milzīgu spēku, it kā smagas daļiņas triecienā. Tātad, no vienas puses, jādomā, ka šie stari ir smagi kodoli, un, no otras puses, tie spēj iziet cauri milzīgiem biezumiem, neatstājot nekādu ietekmi.

Šīs pretrunas atrisinājums tika atrasts faktā, ka šī daļiņa nav uzlādēta. Ja daļiņai nav elektriskā lādiņa, tad uz to nekas neiedarbosies, un tā pati ne uz ko neiedarbosies. Tikai tad, kad kustības laikā tas kaut kur uzsitas serdi, tas to izmet.

Tādējādi parādījās jaunas neuzlādētas daļiņas - neitroni. Izrādījās, ka šīs daļiņas masa ir aptuveni tāda pati kā ūdeņraža daļiņas masa - 1,0065 (par vienu tūkstošdaļu mazāka nekā protonam, tāpēc tās enerģija ir aptuveni par 1 miljonu elektronvoltu mazāka). Šī daļiņa ir līdzīga protonam, bet tikai tai nav pozitīva lādiņa, tā ir neitrāla, to sauca par neitronu.

Tiklīdz kļuva skaidra neitronu esamība, tika ierosināta pavisam cita ideja par kodola struktūru. Vispirms to izteica D. D. Ivanenko, un pēc tam attīstīja, jo īpaši Heizenbergs, kurš saņēma Nobela prēmija pagājušais gads. Kodols var saturēt protonus un neitronus. Varētu pieņemt, ka kodols sastāv tikai no protoniem un neitroniem. Tad visa periodiskās sistēmas konstrukcija tiek parādīta pavisam citā, bet diezgan vienkāršā veidā. Kā, piemēram, vajadzētu iedomāties urānu? Tā atomu svars ir 238, tas ir, tajā ir 238 daļiņas. Bet daži no tiem ir protoni, daži ir neitroni. Katram protonam ir pozitīvs lādiņš, neitroniem lādiņa nav vispār. Ja urāna lādiņš ir 92, tad tas nozīmē, ka 92 ir protoni, bet viss pārējais ir neitroni. Šī ideja jau ir novedusi pie vairākiem ļoti ievērojamiem panākumiem, tā nekavējoties noskaidroja vairākas periodiskās sistēmas īpašības, kas iepriekš šķita pilnīgi noslēpumainas. Ja protonu un neitronu ir maz, tad saskaņā ar mūsdienu viļņu mehānikas koncepcijām jārēķinās, ka protonu un neitronu skaits kodolā ir vienāds. Tikai protonam ir lādiņš, un protonu skaits dod atomskaitli. Un elementa atomu svars ir protonu un neitronu svaru summa, jo abiem tiem ir atomu svara vienība. Pamatojoties uz to, mēs varam teikt, ka atomskaitlis ir puse no atoma svara.

Tagad joprojām ir viena grūtība, viena pretruna. Šī ir pretruna, ko rada beta daļiņas.

POZITRONA ATKLĀŠANA

Mēs esam nonākuši pie secinājuma, ka kodolā nav nekā, izņemot pozitīvi lādētu protonu. Bet kā tad no kodola tiek izmesti negatīvie elektroni, ja tur vispār nav negatīvu lādiņu? Kā redzat, mēs esam grūtā situācijā.

Atkal jauns eksperimentāls fakts, jauns atklājums mūs izved no tā. Šo atklājumu, iespējams, pirmo reizi izdarīja D. V. Skobeļcins, kurš, ilgstoši pētot kosmiskos starus, atklāja, ka starp kosmisko staru izstarotajiem lādiņiem ir arī pozitīvas gaismas daļiņas. Bet šis atklājums bija tik pretrunā visam, kas bija stingri noteikts, ka Skobeļcins sākotnēji nesniedza saviem novērojumiem šādu interpretāciju.

Nākamais, kurš atklāja šo fenomenu, bija amerikāņu fiziķis Andersens Pasadenā (Kalifornija) un pēc viņa Anglijā, Raterforda laboratorijā Blekets. Tie ir pozitīvi elektroni vai, kā tos ne pārāk labi sauc, pozitroni. To, kas patiesībā ir pozitīvie elektroni, visvieglāk var redzēt pēc to uzvedības magnētiskajā laukā. Magnētiskajā laukā elektroni tiek novirzīti vienā virzienā, bet pozitroni otrā virzienā, un to novirzes virziens nosaka to zīmi.

Sākumā pozitroni tika novēroti tikai kosmisko staru pārejas laikā. Pavisam nesen tā pati Irēna Kirī un Džolio atklāja jaunu ievērojamu parādību. Izrādījās, ka ir jauns veids radioaktivitāte, ka alumīnija, bora, magnija kodoli, kas paši par sevi nav radioaktīvi, tos bombardējot ar alfa stariem, kļūst radioaktīvi. No 2 līdz 14 minūtēm tās turpina pašas emitēt daļiņas, un šīs daļiņas vairs nav alfa un beta stari, bet gan pozitroni.

Pozitronu teorija tika izveidota daudz agrāk, nekā tika atrasts pats pozitrons. Diraks izvirzīja sev uzdevumu piešķirt viļņu mehānikas vienādojumiem tādu formu, lai tie apmierinātu arī relativitātes teoriju.

Tomēr šie Diraka vienādojumi izraisīja ļoti dīvainas sekas. Masa tajos nonāk simetriski, t.i., apgriežot masas zīmi, vienādojumi nemainās. Šī vienādojumu simetrija attiecībā pret masu ļāva Dirakam paredzēt pozitīvo elektronu pastāvēšanas iespēju.

Tajā laikā neviens nenovēroja pozitīvos elektronus, un pastāvēja spēcīga pārliecība, ka pozitīvo elektronu nav (to var spriest pēc piesardzības, ar kādu gan Skobelcins, gan Andersens pievērsās šim jautājumam), tāpēc Diraka teorija tika noraidīta. Divus gadus vēlāk pozitīvi elektroni patiešām tika atrasti, un, protams, viņi atcerējās Diraka teoriju, kas paredzēja to izskatu.

"MATERIALIZĀCIJA" UN "ANIHILĀCIJA"

Šī teorija ir saistīta ar vairākām nepamatotām interpretācijām, kas to ieskauj no visām pusēm. Šeit es vēlētos analizēt materializācijas procesu, kas tā nosaukts pēc Kirī kundzes iniciatīvas - pozitīvo un negatīvo elektronu pāra parādīšanos, gamma stariem izejot cauri matērijai. Šis eksperimentālais fakts tiek interpretēts kā elektromagnētiskās enerģijas pārvēršana divās matērijas daļiņās, kas agrāk neeksistēja. Tāpēc šis fakts tiek interpretēts kā matērijas radīšana un izzušana šo citu staru ietekmē.

Bet, ja paskatāmies uzmanīgāk uz to, ko mēs patiesībā novērojam, ir viegli saprast, ka šādai pāru parādīšanās interpretācijai nav pamata. Jo īpaši Skobelcina darbā ir pilnīgi skaidrs, ka lādiņu pāra parādīšanās gamma staru ietekmē tukšā telpā vispār nenotiek, pāru parādīšanās vienmēr tiek novērota tikai atomos. Līdz ar to šeit ir runa nevis par enerģijas materializāciju, nevis ar kādas jaunas matērijas parādīšanos, bet tikai ar lādiņu atdalīšanu matērijā, kas jau pastāv atomā. Kur viņa bija? Jādomā, ka pozitīvo un negatīvo lādiņu sadalīšanās process notiek netālu no kodola, atoma iekšpusē, bet ne kodola iekšienē (salīdzinoši ne pārāk lielā attālumā 10 -10 -10 -11 cm, savukārt rādiuss no kodola ir 10 -12 -10 -13 cm).

Tieši to pašu var teikt par apgriezto "matērijas iznīcināšanas" procesu – negatīva un pozitīva elektrona savienošanos ar viena miljona elektronvoltu enerģijas izdalīšanos divu elektromagnētisko gamma staru kvantu veidā. Un šis process vienmēr notiek atomā, šķietami tā kodola tuvumā.

Šeit mēs nonākam pie iespējas atrisināt jau pieminēto pretrunu, kas rodas no negatīvu elektronu beta staru emisijas ar kodolu, kurā, kā mēs domājam, nav elektronu.

Acīmredzot beta daļiņas neizlido no kodola, bet pateicoties kodolam; enerģijas izdalīšanās dēļ kodola iekšpusē notiek sadalīšanās process pozitīvajos un negatīvajos lādiņos, un negatīvais lādiņš tiek izmests, un pozitīvais tiek ievilkts kodolā un saistās ar neitronu, veidojot pozitīvu protonu. Šis ir pēdējā laikā izteiktais ierosinājums.

Lūk, ko mēs zinām par atoma kodola sastāvu.

SECINĀJUMS

Nobeigumā teiksim dažus vārdus par nākotnes perspektīvām.

Ja, pētot atomus, esam sasnieguši noteiktas robežas, aiz kurām kvantitatīvās izmaiņas ir pārgājušas jaunās kvalitatīvās īpašībās, tad uz atoma kodola robežām pārstāj darboties tie viļņu mehānikas likumi, kurus atklājām atoma čaulā; ļoti neskaidras aprises jaunai, vēl vispārīgākai teorijai, attiecībā uz kuru viļņu mehānika ir tikai viena parādības puse, kuras otra puse tagad sāk atvērties - un sākas, kā vienmēr, ar pretrunām. būt jūtama kodolā.

Darbam pie atoma kodola ir arī vēl viena ļoti interesanta puse, kas cieši saistīta ar tehnoloģiju attīstību. Kodols ir ļoti labi aizsargāts ar Gamow barjeru no ārējām ietekmēm. Ja, neaprobežojoties tikai ar kodolu sabrukšanas novērošanu radioaktīvos procesos, mēs vēlētos izlauzties kodolā no ārpuses, to pārbūvēt, tad tas prasītu ārkārtīgi spēcīgu triecienu.

Kodola problēma uzstājīgi prasa tālākai attīstībai tehnoloģija, pāreja no tiem spriegumiem, kurus jau ir apguvusi augstsprieguma tehnoloģija, no vairākiem simtiem tūkstošu voltu spriegumiem uz miljoniem voltu. Jauns posms top arī tehnoloģijās. Šis darbs pie jaunu, miljoniem voltu sprieguma avotu izveides tagad tiek veikts visās valstīs - gan ārzemēs, gan šeit, jo īpaši Harkovas laboratorijā, kas bija pirmā, kas sāka šo darbu, un Ļeņingradas institūtā. Fizika un tehnoloģijas, kā arī citās vietās.

Kodola problēma ir viena no aktuālākajām mūsdienu fizikas problēmām; pie tā ir jāstrādā ar ārkārtīgu intensitāti un neatlaidību, un šajā darbā ir nepieciešama liela domas drosme. Savā ekspozīcijā esmu norādījis vairākus gadījumus, kad, pārejot uz jauniem standartiem, mēs pārliecinājāmies, ka mūsu loģiskie ieradumi, visas mūsu idejas, kas balstītas uz ierobežotu pieredzi, nav piemērotas jaunām parādībām un jauniem standartiem. Ir jāpārvar šis veselā saprāta konservatīvisms, kas piemīt katram no mums. Veselais saprāts ir koncentrēta pagātnes pieredze; nevar gaidīt, ka šī pieredze pilnībā aptvers nākotni. Kodola zonā vairāk nekā jebkurā citā pastāvīgi jāpatur prātā jaunu kvalitatīvu īpašību iespējamība un no tām nav jābaidās. Man šķiet, ka tieši šeit ir jūtams dialektiskās metodes spēks, kam trūkst šīs metodes konservatīvisma, kas arī paredzēja visu mūsdienu fizikas attīstības gaitu. Protams, ar dialektisko metodi es šeit domāju nevis no Engelsa ņemto frāžu kopumu. Ne viņa vārdi, bet to nozīme ir jāpārnes mūsu darbā; tikai viena dialektiskā metode var mūs virzīt uz priekšu tādā pilnīgi jaunā un progresīvā jomā kā kodola problēma.

Atoma kodols sastāv no nukleoniem, kas ir sadalīti protonos un neitronos.

Atoma kodola simboliskais apzīmējums:

A ir nukleonu skaits, t.i. protoni + neitroni (vai atommasa)
Z ir protonu skaits (vienāds ar elektronu skaitu)
N ir neitronu skaits (vai atomskaitlis)

KODOLSPĒKI

Tie darbojas starp visiem nukleoniem kodolā;
- pievilkšanas spēki;
- tuvs attālums

Nukleonus pievelk viens otram kodolspēki, kas pilnīgi atšķiras no gravitācijas vai elektrostatiskajiem spēkiem. . Kodolspēki ļoti ātri nokrīt ar attālumu. Viņu darbības rādiuss ir aptuveni 0,000 000 000 000 001 metrs.
Šim īpaši mazajam garumam, kas raksturo atomu kodolu izmērus, tika ieviests īpašs apzīmējums - 1 Fm (par godu itāļu fiziķim E. Fermi, 1901-1954). Visu kodolu lielums ir vairāki fermi. Kodolspēku rādiuss ir vienāds ar nukleona izmēru, tāpēc kodoli ir ļoti blīvas vielas recekļi. Varbūt visblīvākais sauszemes apstākļos.
Kodolspēki ir spēcīga mijiedarbība. Tie ir daudzkārt lielāki par Kulona spēku (tādā pašā attālumā). Tuvs darbības rādiuss ierobežo kodolspēku darbību. Palielinoties nukleonu skaitam, kodoli kļūst nestabili, un tāpēc lielākā daļa smago kodolu ir radioaktīvi, un ļoti smagie vispār nevar pastāvēt.
Ierobežotais elementu skaits dabā ir kodolspēku mazā diapazona sekas.

Atoma uzbūve - Forši! Fizika

Vai tu zināji?

20. gadsimta vidū kodolteorija paredzēja stabilu elementu esamību ar sērijas numuri Z = =110-114.
Dubnā tika iegūts 114. elements ar atommasu A = 289, kas "nodzīvoja" tikai 30 sekundes, kas ir neticami ilgi atomam ar šāda izmēra kodolu.
Šodien teorētiķi jau apspriež supersmago kodolu īpašības ar masu 300 un pat 500.

Atomus ar vienādu atomu skaitu sauc par izotopiem: periodiskajā tabulā
tie atrodas vienā šūnā (grieķu valodā isos - vienāds, topos - vieta).
Ķīmiskās īpašības izotopi ir gandrīz identiski.
Ja dabā ir aptuveni 100 elementu, tad izotopu ir vairāk nekā 2000. Daudzi no tiem ir nestabili, tas ir, radioaktīvi, un sadalās, izstaro dažāda veida starojumu.
Viena un tā paša elementa izotopi pēc sastāva atšķiras tikai ar neitronu skaitu kodolā.

Ūdeņraža izotopi.

Ja noņem telpu no visiem cilvēka ķermeņa atomiem, tad tas, kas paliek, var ietilpt adatas acī.

zinātkārs

"Slīdošās" automašīnas

Ja, braucot ar automašīnu pa slapju ceļu lielā ātrumā, strauji bremzēsiet, tad automašīna uzvedīsies kā planieris; viņa riepas sāks slīdēt plāna plēveūdens, gandrīz neaiztiekot ceļu. Kāpēc tas notiek? Kāpēc automašīna vienmēr neslīd uz slapja ceļa, pat ja ir izslēgtas bremzes? Vai ir protektora raksts, kas samazina šo efektu?

Izrādās...
Lai samazinātu "hidroplanēšanas" iespējamību, ir ierosināti vairāki protektora raksti. Piemēram, rieva var novadīt ūdeni līdz protektora aizmugurējam saskares punktam ar ceļu, no kurienes ūdens tiks izmests. Uz citām, mazākām rievām, ūdens var tikt izvadīts uz sāniem. Visbeidzot, nelielas ieplakas uz protektora var it kā "slapināt" ūdens slāni uz ceļa, pieskaroties tai tieši pirms protektora galvenās saskares zonas ar ceļa virsmu. Visos gadījumos mērķis ir pēc iespējas ātrāk izņemt ūdeni no saskares zonas un novērst hidroplanēšanu.