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Zusammensetzung des Atomkerns

Im Jahr 1932 nach der Entdeckung des Protons und Neutrons durch die Wissenschaftler D.D. Ivanenko (UdSSR) und W. Heisenberg (Deutschland) schlugen vor Proton-NeutronModell Atomkern .
Nach diesem Modell besteht der Kern aus Protonen und Neutronen. Man nennt die Gesamtzahl der Nukleonen (also Protonen und Neutronen). Massenzahl A: A = Z + N . Die Kerne chemischer Elemente werden mit dem Symbol bezeichnet:
X – chemisches Symbol Element.

Zum Beispiel Wasserstoff

Zur Charakterisierung von Atomkernen werden eine Reihe von Notationen eingeführt. Die Anzahl der Protonen, aus denen der Atomkern besteht, wird durch das Symbol angegeben Z und Ruf an Gebührennummer (Dies ist die Seriennummer in Periodensystem Mendelejew). Die Atomladung ist Ze , Wo e – Elementarladung. Die Anzahl der Neutronen wird durch das Symbol angezeigt N .

Nukleare Kräfte

Damit Atomkerne stabil sind, müssen Protonen und Neutronen in den Kernen enthalten sein. riesige Kräfte, um ein Vielfaches größer als die Kräfte der Coulomb-Abstoßung von Protonen. Die Kräfte, die Nukleonen im Kern halten, werden genannt nuklear . Sie stellen eine Manifestation der intensivsten Art der Wechselwirkung dar, die in der Physik bekannt ist – der sogenannten starke Interaktion. Kernkräfte sind etwa 100-mal größer als elektrostatische Kräfte und mehrere zehn Größenordnungen größer als die Kräfte Gravitationswechselwirkung Nukleonen.

Kernkräfte haben folgende Eigenschaften:

• eine Anziehungskraft haben;
• sind die Kräfte Kurzschauspiel(manifestiert sich bei kleinen Abständen zwischen Nukleonen);
• Kernkräfte hängen nicht vom Vorhandensein oder Fehlen einer elektrischen Ladung auf den Teilchen ab.

Massendefekt und Bindungsenergie des Atomkerns

Die wichtigste Rolle in Kernphysik spielt Konzept nukleare Bindungsenergie .

Die Bindungsenergie eines Kerns ist gleich der Energie, die mindestens aufgewendet werden muss, um den Kern vollständig in einzelne Teilchen zu spalten. Aus dem Energieerhaltungssatz folgt, dass die Bindungsenergie gleich der Energie ist, die bei der Bildung eines Kerns aus einzelnen Teilchen freigesetzt wird.

Die Bindungsenergie eines jeden Kerns kann durch genaue Messung seiner Masse bestimmt werden. Derzeit haben Physiker gelernt, die Massen von Teilchen – Elektronen, Protonen, Neutronen, Kerne usw. – mit sehr hoher Genauigkeit zu messen. Das zeigen diese Messungen Masse eines beliebigen Kerns M ich immer weniger als der Betrag Massen von Protonen und Neutronen, die in seiner Zusammensetzung enthalten sind:

Man nennt die Massendifferenz Massendefekt. Durch Massendefekt nach Einsteins Formel E = mc 2 können Sie die Energie bestimmen, die bei der Bildung eines bestimmten Kerns freigesetzt wird, also die Bindungsenergie des Kerns E St:

Diese Energie wird bei der Kernbildung in Form von γ-Quantenstrahlung freigesetzt.

Kernenergie

Das weltweit erste Kernkraftwerk wurde in unserem Land gebaut und 1954 in der UdSSR in der Stadt Obninsk in Betrieb genommen. Der Aufbau von Mächtigen Atomkraftwerke. Derzeit sind in Russland 10 Kernkraftwerke in Betrieb. Nach dem Unfall um Kernkraftwerk Tschernobyl akzeptiert zusätzliche Maßnahmenüber die Sicherheit von Kernreaktoren.

Untersuchungen zeigen, dass Atomkerne stabile Gebilde sind. Das bedeutet, dass im Kern eine gewisse Bindung zwischen den Nukleonen besteht.

Die Masse von Kernen lässt sich mit sehr genau bestimmen Massenspektrometer – Messgeräte, die mithilfe elektrischer und magnetischer Felder Strahlen geladener Teilchen (meist Ionen) mit unterschiedlichen spezifischen Ladungen trennen Q/t. Das zeigten massenspektrometrische Messungen Die Masse eines Kerns ist kleiner als die Summe der Massen seiner Nukleonenbestandteile. Da aber jede Massenänderung (siehe §40) einer Energieänderung entsprechen muss, muss bei der Bildung eines Kerns folglich eine bestimmte Energie freigesetzt werden. Aus dem Energieerhaltungssatz folgt auch das Gegenteil: Um einen Kern in seine Bestandteile zu zerlegen, ist es äußerst wichtig, die gleiche Energiemenge aufzuwenden, die bei seiner Entstehung freigesetzt wird. Energie, die äußerst wichtig ist. Als Spaltung eines Kerns in einzelne Nukleonen wird üblicherweise bezeichnet nukleare Bindungsenergie(siehe § 40).

Gemäß Ausdruck (40.9) ist die Bindungsenergie von Nukleonen und Kernen

Europäische Sommerzeit = [Zm p +(A–Z)m n–m i] C 2 , (252.1)

Wo m p, m n, m i– bzw. die Massen des Protons, des Neutrons und des Kerns. Tabellen zeigen normalerweise keine Massen an. m i Kerne und Massen T Atome. Aus diesem Grund wird die Formel für die Bindungsenergie eines Kerns verwendet

Europäische Sommerzeit = [Zm H +(A–Z)m n–M] C 2 , (252.2)

Wo m N- Masse eines Wasserstoffatoms. Als m N mehr m p , um den Betrag Mich, dann der erste Term in eckige Klammern beinhaltet Masse Z Elektronen. Aber da die Masse eines Atoms T verschieden von der Masse des Kerns m i genau die Masse der Elektronen, dann führen Berechnungen mit den Formeln (252 1) und (252.2) zu den gleichen Ergebnissen. Größe

Δ T = [Zm p +(A–Z)m n] –m i (252.3)

normalerweise aufgerufen Massendefekt Kerne. Um diesen Betrag nimmt die Masse aller Nukleonen ab, wenn aus ihnen ein Atomkern entsteht. Anstatt Energie zu binden, denken wir oft darüber nach spezifische BindungsenergieδE St– Bindungsenergie pro Nukleon. Es charakterisiert die Stabilität (Stärke) von Atomkernen, ᴛ.ᴇ. je mehr δE St, desto stabiler ist der Kern. Die spezifische Bindungsenergie hängt von der Massenzahl ab A Element (Abb. 45). Für leichte Kerne ( A≥ 12) steigt die spezifische Bindungsenergie stark auf 6 ÷ 7 MeV an ganze Zeile Sprünge (zum Beispiel für N δE St= 1,1 MeV, für He – 7,1 MeV, für Li – 5,3 MeV), steigt dann langsamer auf einen Maximalwert von 8,7 MeV für Elemente mit an A= 50 ÷ 60 und nimmt dann für schwere Elemente allmählich ab (für U beträgt er beispielsweise 7,6 MeV). Beachten Sie zum Vergleich die Bindungsenergie Valenzelektronen in Atomen beträgt etwa 10 eV (10 -6! mal weniger).

Abnahme der spezifischen Bindungsenergie beim Übergang zu schwere Elemente erklärt sich dadurch, dass mit zunehmender Anzahl der Protonen im Kern auch deren Energie zunimmt Coulomb-Abstoßung. Aus diesem Grund wird die Bindung zwischen Nukleonen weniger stark und die Kerne selbst werden weniger stark.

Am stabilsten sind die sogenannten magische Kerne, bei dem die Anzahl der Protonen oder die Anzahl der Neutronen einer der magischen Zahlen entspricht: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Besonders stabil zweimal magische Kerne, in dem sowohl die Anzahl der Protonen als auch die Anzahl der Neutronen magisch sind (es gibt nur fünf dieser Kerne: He, O, Ca, Pb).

Aus Abb. 45 Daraus folgt, dass das stabilste mit Energiepunkt Ansicht sind die Kerne des mittleren Teils des Periodensystems. Schwere und leichte Kerne sind weniger stabil. Dies bedeutet, dass folgende Prozesse energetisch günstig sind:

1) Aufteilung schwerer Kerne in leichtere;

2) Verschmelzung leichter Kerne miteinander zu schwereren.

In beiden Prozessen wird es freigesetzt große Menge Energie; Diese Prozesse wurden mittlerweile praktisch durchgeführt (Spaltungsreaktionen und thermonukleare Reaktionen).

Massendefekt und nukleare Bindungsenergie – Konzept und Typen. Einordnung und Merkmale der Kategorie „Massendefekt und nukleare Bindungsenergie“ 2017, 2018.

Atomkern. Massendefekt. Bindungsenergie eines Atomkerns

Der Atomkern ist Hauptteil Atom, in dem die gesamte positive Ladung und fast die gesamte Masse konzentriert sind.

Die Kerne aller Atome bestehen aus sogenannten Teilchen Nukleonen. Nukleonen können zwei Zustände annehmen – einen elektrisch geladenen Zustand und einen neutralen Zustand. Ein geladenes Nukleon wird Proton genannt. Proton (p) ist der Kern des Leichtesten Chemisches Element– Wasserstoff. Die Ladung eines Protons ist gleich der Elementarladung positive Ladung, was in seiner Größe dem Elementarwert entspricht negative Ladung q e = 1,6 ∙ 10 -19 C., d.h. Elektronenladung. Ein Nukleon in einem neutralen (ungeladenen) Zustand wird Neutron (n) genannt. Die Nukleonenmassen in beiden Zuständen unterscheiden sich kaum voneinander, d.h. m n ≈ m p .

Nukleonen sind es nicht Elementarteilchen. Sie haben einen Komplex Interne Struktur und bestehen aus noch mehr Feinpartikel Materie - Quarks.

Die Hauptmerkmale des Atomkerns sind Ladung, Masse, Spin und magnetisches Moment.

Kernladung bestimmt durch die Anzahl der im Kern enthaltenen Protonen (z). Die Kernladung (zq) ist für verschiedene chemische Elemente unterschiedlich. Die Zahl z wird Ordnungszahl oder Ladungszahl genannt. Die Ordnungszahl ist Seriennummer chemisches Element in Periodensystem Elemente von D. Mendelejew. Die Ladung des Kerns bestimmt auch die Anzahl der Elektronen im Atom. Die Anzahl der Elektronen in einem Atom bestimmt ihre Verteilung auf Energieschalen und Unterschalen und damit auf alle physikalisch-chemische Eigenschaften Atom. Die Ladung des Kerns bestimmt die Spezifität eines bestimmten chemischen Elements.

Kernmasse Die Masse des Kerns wird durch die Anzahl (A) der Nukleonen bestimmt, aus denen der Kern besteht. Die Anzahl der Nukleonen in einem Kern (A) wird Massenzahl genannt. Die Anzahl der Neutronen (N) im Kern kann aus ermittelt werden Gesamtzahl Nukleonen (A) subtrahieren die Anzahl der Protonen (z), d. h. N=F-z. Im Periodensystem ist die Anzahl der Protonen und Neutronen in den Atomkernen bis zur Mitte ungefähr gleich, d. h. (A-z)/z= 1, bis zum Ende der Tabelle (A-z)/z= 1,6.

Die Atomkerne werden üblicherweise wie folgt bezeichnet:

X – Symbol eines chemischen Elements;

Z – Ordnungszahl;

A – Massenzahl.

Bei der Messung von Kernmassen einfache Substanzen Es wurde entdeckt, dass die meisten chemischen Elemente aus Atomgruppen bestehen. Haben gleiche Gebühr, Kerne verschiedene Gruppen unterscheiden sich in der Masse. Es wurden Sorten von Atomen eines bestimmten chemischen Elements genannt, die sich in der Kernmasse unterschieden Isotope. Isotopenkerne haben selbe Nummer Protonen, aber andere Nummer Neutronen ( und ; , , , ; , , ).

Neben Isotopenkernen (z – gleich, A – unterschiedlich) gibt es Kerne Isobaren(z – unterschiedlich, A – gleich). ( Und ).

Die Massen von Nukleonen, Atomkernen, Atomen, Elektronen und anderen Teilchen werden in der Kernphysik üblicherweise nicht in „KG“, sondern in atomaren Masseneinheiten (amu – auch Kohlenstoffmasseneinheit genannt und mit „e“ bezeichnet) gemessen. Als atomare Masseneinheit (1e) wird 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms angenommen 1e=1,6603 ∙ 10 -27 kg.

Nukleonmassen: m p -1,00728 e, m n =1,00867 e.

Wir sehen, dass die in „e“ ausgedrückte Masse des Kerns als Zahl nahe A geschrieben wird.

Kernspin. Der mechanische Drehimpuls (Spin) des Kerns ist gleich Vektorsumme Spins der Nukleonen, aus denen der Kern besteht. Proton und Neutron haben einen Spin von L = ± 1/2ћ. Demnach ist der Spin von Kernen mit einer geraden Nukleonenzahl (A ist gerade) eine ganze Zahl oder Null. Der Spin eines Kerns mit einer ungeraden Anzahl von Nukleonen (A ungerade) ist halbzahlig.

Magnetisches Moment des Kerns. Magnetisches Moment des Kerns (P m i) des Kerns im Vergleich zum magnetischen Moment der Elektronenfüllung Elektronenhüllen Atom, sehr klein. An magnetische Eigenschaften Atom, das magnetische Moment des Kerns hat keinen Einfluss. Die Maßeinheit für das magnetische Moment von Kernen ist das Kernmagneton μ i = 5,05,38 ∙ 10 -27 J/T. Es ist 1836-mal kleiner als das magnetische Moment des Elektrons – Bohr-Magneton μ B = 0,927 ∙ 10 -23 J/T.

Das magnetische Moment des Protons beträgt 2,793 μi und ist parallel zum Spin des Protons. Das magnetische Moment des Neutrons beträgt 1,914 μi und ist antiparallel zum Neutronenspin. Magnetische Momente Kerne haben die Größenordnung eines Kernmagnetons.

Um einen Kern in seine Nukleonen zu spalten, muss man dies tun bestimmte Arbeit. Der Betrag dieser Arbeit ist ein Maß für die Bindungsenergie des Kerns.

Die Bindungsenergie eines Kerns ist numerisch gleich der Arbeit, die aufgewendet werden muss, um einen Kern in seine Nukleonen zu spalten, ohne ihnen kinetische Energie zu verleihen.

Während des umgekehrten Prozesses der Kernbildung sollte die gleiche Energie von den einzelnen Nukleonen freigesetzt werden. Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz. Daher ist die Bindungsenergie des Kerns gleich der Differenz zwischen der Energie der Nukleonen, aus denen der Kern besteht, und der Energie des Kerns:

ΔE = E nuk – E i. (1)

Unter Berücksichtigung des Zusammenhangs zwischen Masse und Energie (E = m ∙ c 2) und der Zusammensetzung des Kerns schreiben wir Gleichung (1) wie folgt um:

ΔE = ∙ s 2 (2)

Größe

Δm = zm p +(A-z)m n – M i, (3)

Gleich Unterschied Die Masse der Nukleonen, aus denen der Kern besteht, und die Masse des Kerns selbst werden als Massendefekt bezeichnet.

Ausdruck (2) kann wie folgt umgeschrieben werden:

ΔE = Δm ∙ s 2 (4)

Diese. Der Massendefekt ist ein Maß für die Bindungsenergie des Kerns.

In der Kernphysik wird die Masse von Nukleonen und Kernen in amu gemessen. (1 amu = 1,6603 ∙ 10 27 kg) und Energie wird normalerweise in MeV gemessen.

Wenn man bedenkt, dass 1 MeV = 10 6 eV = 1,6021 ∙ 10 -13 J, finden wir den entsprechenden Energiewert Atomeinheit Massen

1.a.e.m. ∙ s 2 = 1,6603 ∙10 -27 ∙9 ∙10 16 = 14,9427 ∙ 10 -11 J = 931,48 MeV

Somit ist die Kernbindungsenergie in MeV gleich

ΔE Licht = Δm ∙931,48 MeV (5)

In Anbetracht der Tatsache, dass in den Tabellen für die praktische Berechnung des Massendefekts anstelle der Formel (3) normalerweise nicht die Masse der Kerne, sondern die Masse der Atome angegeben wird.

einen anderen verwenden

Δm = zm Н +(A-z)m n – M à, (6)

Das heißt, die Masse des Protons wurde durch die Masse eines leichten Wasserstoffatoms ersetzt, wodurch z Elektronenmassen hinzugefügt wurden, und die Masse des Kerns wurde durch die Masse des Atoms M a ersetzt, wodurch diese z Elektronenmassen subtrahiert wurden.

Die Bindungsenergie pro Nukleon im Kern wird als spezifische Bindungsenergie bezeichnet

(7)

Die Abhängigkeit der spezifischen Bindungsenergie von der Anzahl der Nukleonen im Kern (von der Massenzahl A) ist in Abb. 1 dargestellt.