Transcript Изтегли
Състав и основни характеристики на атомните ядра Ядрени сили. Основни свойства Радиоактивност. Ядрени лъчения Състав на атомните ядра Атомните ядра са основна и определяща част от нашата природа. В ядрото е съсредоточена почти цялата маса на атома, макар то да заема незначителна част от обема му. Химическите и физическите свойства на елементите се определят от състава на техните атомни ядра. Атомните ядра на всички елементи се състоят от протони и неутрони. Протонът (р) има положителен заряд, по абсолютна стойност равен на елементарния заряд, e = 1,6.10-19 C. Неутронът (n) няма електричен заряд. Като елементарни частици, изграждащи атомното ядро, протонът и неутронът имат общо название нуклеони (нуклони)- (“nucleus”-ядрени частици) Масово число Прието е броят на протоните в ядрата да се означава със символа Z, а на неутроните - с N. Общият брой нуклони в ядрото се нарича негово масово число, A=Z+N. Ядрата се означават със символа на съответния химичен елемент, пред който като долен ляв индекс се записва броят на протоните, а като горен ляв индекс-масовото число: A Z X Например: Хелий 24He Z 2, A 4 2прот она 2неут рона Кислород168 O Z 8, A 16 8прот она 8неут рона Изотопи Броят Z на протоните в ядрото е равен на броя на електроните в електронната обвивка на атома и определя химичните свойства на атома. Тези свойства не зависят от броя N на неутроните в ядрото. В природата съществуват ядра с еднакъв брой протони, но с различен брой неутрони. Понеже атомите с такива ядра имат еднакви химични свойства, те принадлежат към един и същ химичен елемент и заемат едно и също място в периодичната система. Атомите на един химичен елемент, които се различават по броя на неутроните в ядрата си, се наричат изотопи на елемента. Химичният елемент водород има три изотопа: протий (единственият изотоп, който няма неутрон в ядрото си); деутерий (1 протон, 1 неутрон); тритий (1 протон, 2 неутрона). Атомите на ядрата-изотопи имат един и същ брой електрони в обвивката си, следователно притежават едни и същи химични свойства. Тъй като масите на два атома от различни изотопи на един елемент не са еднакви, това предизвиква малки разлики във физичните им свойства. Така например, тежката вода, в чиято молекула вместо обикновен водород участва деутерий, за разлика от обикновената вода ври при 101,2 °С и замръзва при 3,8 °С. Подобни разлики се използват за разделяне на изотопите. Атомни ядра, които могат да съществуват безкрайно дълго без изменение на състава им, се наричат стабилни. В природата има 270 стабилни изотопа. Останалите са неустойчиви и самопроизволно се превръщат в ядра на други елементи. Основни характеристики на атомните ядра: Атомните ядра имат положителен електричен заряд, големината на който се определя от броя на протоните Z в тях: q = Z.e. Повечето ядра имат сферична или близка до сферичната форма. Установено е, че радиусите на ядрата са десетки хиляди пъти по-малки от радиусите на атомите. • Масовият дефект възниква в процеса на образуване на ядрото: при сближаване на нуклоните ядрените сили на Важна характеристика на ядрото е привличане извършват неговата маса. Резултатите от положителна работа и измерванията показват, че масата на ядрото винаги е по-малка от сумата на началната енергия на системата намалява- част масите на протоните и неутроните в него : Мя< Zmp + Nmn. от енергията се отнася в Разликата околното пространство (например от излъчените при ∆m = (Zmр + Nmn ) – Mя процеса -лъчи). се нарича масов дефект. Енергия на връзката (Ев) – определя се като енергията, необходима за разделянето на ядрото на съставящите го нуклеони. Между енергията на връзката и масовия дефект съществува връзка: Ев= Δm.с2 , където с е скоростта на светлината във вакуум. Енергията на връзката е мярка за стабилността на ядрата-колкото тя е по- голяма, толкова атомното ядро е по-устойчиво. Енергията на връзката, която се пада на един нуклон в дадено ядро, се нарича специфична енергия на връзката. Тя се определя с отношението: 2 m.c A Тази величина е различна за различните ядра в зависимост от масовото им число. От графиката се вижда, че специфичната енергия на връзката (а и масовият дефект) е най-голяма за елементите от средата на периодичната система – там, където например се намира желязото. При по-тежките ядра все по-силно се проявява взаимното отблъскване между едноименните ел. заряди на протоните. Ядрени сили. Основни свойства Стабилността на атомните ядра се обяснява с действието на сили от нов тип, наречени ядрени сили. Въпросът за природата на ядрените сили е сложен и все още не е напълно изучен. Експериментално са установено основните свойства на ядрените сили: Ядрата са стабилни образувания, от което следва, че ядрените сили компенсират силите на отблъскване между протоните, т.е. те са сили на привличане. При много малки разстояния между протоните и неутроните силите на привличане се сменят с ядрени сили на отблъскване. Ядрените сили не зависят от електричния заряд на частиците. Положително заредените протони и незаредените неутрони взаимодействат с еднакви сили. Ядрените сили превишават по абсолютна стойност другите сили, действащи в природата - около сто пъти електромагнитните и около 1038 пъти гравитационните. Радиусът на действие на ядрените сили се ограничава в рамките на атомното ядро (≈ 10 -15 m) . Всеки протон или неутрон не взаимодейства с всички останали протони и неутрони в ядрото, а само с ограничен брой частици – тези, които са разположени найблизо до него. Големината на ядрените сили много бързо намалява с разстоянието между частиците. Затова ядрата на тежките елементи са нестабилни. Те могат самопроизволно да се разпадат, като изпускат радиоактивни лъчения, или да се делят на по-леки ядра под въздействието на някаква частица. Радиоактивност Радиоактивност се нарича способността на някои ядра спонтанно да се превръщат в други ядра (други химични елементи), което се съпровожда с изпускане на микрочастици. Думата радиоактивност произлиза от латински- radio ( излъчвам) и activus (действен). Международният знак за радиоактивност е: Анри Бекерел Явлението е открито през 1896 г. от френския физик Анри Бекерел при изследване на уранови проби. Ърнест Ръдърфорд пръв стигнал до заключението, че явлението се съпровожда с превръщането на едни химични елементи в други. Особено големи заслуги за изучаването на радиоактивността имат Мария и Пиер Кюри. Мария и Пиер Кюри Радиоактивността, която се наблюдава при съществуващите в природата ядраизотопи, се нарича естествена. Радиоактивността на ядра, получена в резултат на ядрени реакции, се нарича изкуствена. Принципна разлика между двата вида радиоактивност не съществува. Радиоактивността е твърде разпространено явление. Радиоактивни са всички елементи след оловото в Менделеевата таблица, т.е. с атомен номер, по-голям от 82 (включително бисмут). Радиоактивни изотопи има навсякъде в природата – в атмосферата (въглерод, радон), в земната кора (уран, радий), в живите организми (калий) и др. Закон за радиоактивното разпадане Установено е, че всеки радиоактивен изотоп се разпада със специфична за него скорост. За нейното характеризиране се използва понятието период на полуразпадане (Т1/2) – промеждутъкът от време, в продължение на който началният брой N0 на радиоактивните ядра намалява два пъти. Намаляването на броя на радиоактивните ядра се отразява от закона за радиоактивното разпадане, който има вида: N0 N t 2 T1 / 2 Период на полуразпадане на някои радиоактивни изотопи: Азот16 Натрий Злато- 24 195 Въглер од-14 7,3 сек. 15 часа 183 5730 деноно години щия Уран238 4,5.109 години Полоний216 0,15 сек. Видове ядрени лъчения Лъченията, изпускани от атомните ядра при техните радиоактивни превръщания се наричат радиоактивни лъчения. В изследванията на Ръдърфорд и семейство Кюри било установено наличието на три вида ядрени лъчения: алфа (), бета () и гама (). Трите вида лъчения по различен начин се отклоняват в магнитно поле: -лъчите са заредени положително, а лъчите-отрицателно, затова се отклоняват в противоположни направления; -лъчите са електронеутрални и магнитното поле не им въздейства. -лъчите представляват хелиеви ядра с два протона и два неутрона, които притежават голяма йонизираща способност- в 1 сm3 въздух създават десетки хиляди двойки йони. Затова имат малка прониквателна способност-могат да се погълнат от един лист хартия. -лъчите са поток от бързи електрони, които се движат със скорост, близка до скоростта на светлината. Тъй като масата им е няколко хиляди пъти по-малка от тази на -частиците, отклонението им в магнитното поле е по-голямо. Йонизационната им способност е помалка, а прониквателната - по-голяма. При лъчението един от неутроните чрез изпускане на електрон се е превърнал в протон. Понеже масата на електрона е пренебрежимо малка спрямо масата на нуклоните, изпускането на електрон не променя масовото число на ядрото, а само увеличава заряда му с +е . Измерванията показват, че в снопа -лъчи има частици с различни енергии. Този факт дал основание на австрийския физик Волфганг Паули през 1932 г. да предскаже, че освен електрон при -разпадането се изпуска и друга частица, която отнася недостигащата на електрона енергия. Той нарекъл тази частица неутрино (днес тя се нарича антинеутрино ). Електричният заряд на неутриното е нула, а масата му в покой – или нула, или много малка. Ако масата е точно нула, то се движи със скоростта на светлината във вакуум с, ако не е – със скорост, близка до с. Поради извънредно слабото му взаимодействие с веществото неутриното е открито експериментално едва през 1956 г. -лъчите представляват поток от фотони, които по физическата си същност приличат на рентгеновите лъчи, но притежават още по-голяма енергия. Те имат голяма прониквателна способност като могат да преминат през няколко сантиметра метален лист.