اتم یک ذره منحصر به فرد از جهان است. این مقاله سعی خواهد کرد اطلاعاتی در مورد این عنصر ماده به خواننده منتقل کند. در اینجا سؤالات زیر را بررسی خواهیم کرد: قطر یک اتم و ابعاد آن چیست، چه پارامترهای کیفی دارد، چه نقشی در جهان دارد.

مقدمه ای بر اتم

اتم یک ذره ترکیبی از مواد است که اندازه و جرم میکروسکوپی دارد. این کوچکترین بخش از عناصر یک طبیعت شیمیایی با اندازه و جرم فوق العاده کوچک است.

اتم ها از دو پایه ساخته شده اند عناصر ساختاری، یعنی از الکترون ها و هسته اتمی، که به نوبه خود توسط پروتون ها و نوترون ها تشکیل می شود. تعداد پروتون ها ممکن است با تعداد نوترون ها متفاوت باشد. هم در شیمی و هم در فیزیک، اتم هایی که تعداد پروتون های آن ها با تعداد الکترون ها قابل مقایسه است، از نظر الکتریکی خنثی نامیده می شوند. اگر تعداد پروتون ها بیشتر یا کمتر باشد، اتم که بار مثبت یا منفی به دست می آورد، به یون تبدیل می شود.

اتم‌ها و مولکول‌ها در فیزیک مدت‌هاست که کوچک‌ترین «بلوک‌های سازنده» که کیهان از آن ساخته شده‌اند، و حتی پس از کشف اجزای تشکیل‌دهنده حتی کوچک‌تر، در زمره مهم‌ترین اکتشافات تاریخ بشر باقی مانده‌اند. این اتم ها از طریق پیوندهای بین اتمی متصل هستند که مولکول ها را تشکیل می دهند. بخش عمده ای از جرم اتم در هسته متمرکز است، یعنی در وزن پروتون های آن، که حدود 99.9٪ از ارزش کل را تشکیل می دهند.

داده های تاریخی

به لطف دستاوردهای علم در زمینه فیزیک و شیمی، اکتشافات زیادی در مورد ماهیت اتم، ساختار و قابلیت های آن صورت گرفته است. آزمایش ها و محاسبات متعددی انجام شد که طی آن فرد قادر به پاسخگویی به سؤالات زیر بود: قطر یک اتم، اندازه آن و موارد دیگر.

اولین بار توسط فیلسوفان کشف و تدوین شد یونان باستانو رم. در قرن 17-18، شیمیدانان توانستند از آزمایشاتی برای اثبات ایده اتم به عنوان کوچکترین ذره ماده استفاده کنند. آنها نشان دادند که بسیاری از مواد را می توان با استفاده مکرر تجزیه کرد روش های شیمیایی. با این حال، در آینده توسط فیزیکدانان کشف شدنشان داد که حتی یک اتم نیز قابل تقسیم است و از اجزای زیر اتمی ساخته شده است.

کنگره بین‌المللی دانشمندان شیمی در کارلسروهه، واقع در آلمان، در سال 1860 درباره مفهوم اتم‌ها و مولکول‌ها تصمیم گرفت، جایی که اتم کوچک‌ترین بخش عناصر شیمیایی در نظر گرفته می‌شود. در نتیجه، آن نیز جزء مواد از انواع ساده و پیچیده است.

قطر اتم هیدروژن یکی از اولین مواردی بود که مورد مطالعه قرار گرفت. با این حال، محاسبات آن بارها انجام شده است و آخرین آنها که در سال 2010 منتشر شد، نشان داد که 4 درصد کمتر از آنچه قبلاً تصور می شد (10-8) است. فهرست مطالب معنی کلیقدر هسته اتم با عدد 10 -13 -10 -12 مطابقت دارد و ترتیب قدر کل قطر 10 -8 است. این باعث تضادها و مشکلات بسیاری شد، زیرا خود هیدروژن به حق متعلق به اصلی است اجزاءکل جهان قابل مشاهده، و چنین ناسازگاری محاسبات مجدد زیادی را در رابطه با گزاره های بنیادی ایجاد می کند.

اتم و مدل آن

در حال حاضر، پنج مدل اصلی از اتم شناخته شده است، که در بین خود، اول از همه، در چارچوب زمانی و ایده ها در مورد ساختار آن متفاوت است. بیایید مستقیماً به مدل ها نگاه کنیم:

• قطعاتی که تشکیل می دهند اهمیت دارند. دموکریتوس معتقد بود که هر خاصیت مواد باید بر اساس شکل، جرم و سایر ویژگی های عملی آن تعیین شود. به عنوان مثال، آتش می تواند بسوزد زیرا اتم های آن تیز هستند. به گفته دموکریتوس، حتی روح نیز توسط اتم ها تشکیل می شود.
• مدل اتمی تامسون که در سال 1904 توسط خود جی جی تامسون ساخته شد. او پیشنهاد کرد که اتم را می توان به عنوان جسمی با بار مثبت در درون الکترون ها در نظر گرفت.
• مدل اتمی سیاره‌ای اولیه ناگائوکا که در سال 1904 ایجاد شد، معتقد بود که ساختار اتمی شبیه ساختار زحل است. هسته از نظر اندازه کوچک است و دارای شاخص بار مثبت است که توسط الکترون هایی احاطه شده است که در اطراف حلقه ها حرکت می کنند.
• مدل سیاره ای اتمی توسط بور و رادرفورد کشف شد. در سال 1911، E. رادرفورد، پس از انجام تعدادی آزمایش، شروع به این باور کرد که اتم شبیه یک منظومه سیاره ای است، که در آن الکترون ها دارای مدارهایی هستند که در آنها به دور هسته حرکت می کنند. با این حال، این فرض مغایر با داده های الکترودینامیک کلاسیک بود. برای اثبات اعتبار این نظریه، نیلز بور مفهوم فرضیاتی را معرفی کرد که ادعا می کنند و نشان می دهند که الکترون نیازی به صرف انرژی ندارد، زیرا در یک حالت انرژی خاص و خاص قرار دارد. مطالعه اتم بعداً منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد که توانست بسیاری از تناقضات قابل مشاهده را توضیح دهد.
• مدل اتمی مکانیک کوانتومی بیان می کند که هسته مرکزی ذره مورد بحث از یک هسته تشکیل شده از پروتون ها و همچنین نوترون ها و الکترون ها در اطراف آن تشکیل شده است.

ویژگی های ساختاری

اندازه اتم قبلاً مشخص می کرد که یک ذره تقسیم ناپذیر است. با این حال، بسیاری از آزمایش ها و آزمایش ها به ما نشان داده اند که از ذرات زیر اتمی ساخته شده است. هر اتمی از الکترون، پروتون و نوترون تشکیل شده است، به استثنای هیدروژن - 1، که دومی را شامل نمی شود.

مدل استاندارد نشان می دهد که پروتون ها و نوترون ها از طریق برهمکنش بین کوارک ها تشکیل می شوند. آنها به همراه لپتون ها به فرمیون ها تعلق دارند. در حال حاضر 6 نوع کوارک وجود دارد. پروتون ها تشکیل خود را مدیون دو کوارک u و یک کوارک d و نوترون ها به یک کوارک u و دو کوارک d مدیون هستند. نیروی هسته ای قوی که به کوارک ها متصل می شود از طریق گلوئون ها منتقل می شود.

حرکت الکترون‌ها در فضای اتمی با «میل» آنها برای نزدیک‌تر شدن به هسته، به عبارت دیگر، جذب شدن، و همچنین توسط نیروهای کولن برهم‌کنش بین آنها تعیین می‌شود. همین نوع نیروها هر الکترون را در یک سد پتانسیل در اطراف هسته نگه می دارند. مدار حرکت الکترون قطر اتم را تعیین می کند که برابر با یک خط مستقیم است که از یک نقطه در دایره به نقطه دیگر و همچنین از مرکز عبور می کند.

یک اتم اسپین خود را دارد که با حرکت خود نشان داده می شود و فراتر از درک است طبیعت عمومیموضوع. با استفاده از مکانیک کوانتومی توصیف شده است.

ابعاد و وزن

هر هسته اتمی با تعداد پروتون یکسان متعلق به یک عنصر شیمیایی مشترک است. ایزوتوپ ها شامل نمایندگان اتم های یک عنصر هستند، اما دارای تفاوت در کمیت نوترون هستند.

از آنجایی که در فیزیک ساختار یک اتم نشان می دهد که بخش عمده ای از جرم آنها از پروتون و نوترون تشکیل شده است، مقدار کل این ذرات دارای یک عدد جرمی است. بیان جرم اتمی در حالت آرامش از طریق استفاده از واحدهای جرم اتمی (a.m.u.) که در غیر این صورت دالتون (Da) نامیده می شوند، رخ می دهد.

اندازه یک اتم هیچ مرز مشخصی ندارد. بنابراین، با اندازه گیری فاصله بین هسته های یک نوع اتم که از نظر شیمیایی به یکدیگر پیوند دارند، تعیین می شود. روش دیگر اندازه گیری با محاسبه مدت زمان مسیر از هسته تا مدار الکترونی موجود بعدی از نوع پایدار امکان پذیر است. عناصر D.I. مندلیف اتم ها را از نظر اندازه از کوچکترین به بزرگترین، در جهت ستون از بالا به پایین مرتب می کند، حرکت از چپ به راست نیز بر اساس کاهش اندازه آنها است.

زمان پوسیدگی

همه شیمی عناصر دارای ایزوتوپ یک و بالاتر هستند. آنها حاوی یک هسته ناپایدار هستند که در معرض فروپاشی رادیواکتیو است که منجر به انتشار ذرات یا تشعشعات الکترومغناطیسی می شود. رادیواکتیو ایزوتوپی است که شعاع برهمکنش قوی آن فراتر از دورترین نقاط قطر آن است. اگر مثال آروم را در نظر بگیریم، آنگاه ایزوتوپ اتم طلا خواهد بود که فراتر از قطر آن ذرات تابشی در همه جهات "پرواز" می کنند. در ابتدا، قطر یک اتم طلا برابر با دو شعاع است که هر یک برابر با 144 pc است و ذرات خارج از این فاصله از هسته، ایزوتوپ در نظر گرفته می شوند. سه نوع پوسیدگی وجود دارد: تابش آلفا، بتا و گاما.

مفهوم ظرفیت و وجود سطوح انرژی

ما قبلاً با پاسخ به چنین سؤالاتی آشنا شده ایم: قطر اتم چقدر است، اندازه آن، با مفهوم فروپاشی اتمی و غیره آشنا شده ایم. با این حال، علاوه بر این، چنین ویژگی هایی برای اتم ها نیز وجود دارد. به عنوان اندازه سطوح انرژی و ظرفیت.

الکترون‌هایی که در اطراف هسته اتمی حرکت می‌کنند دارای انرژی پتانسیل هستند و در حالت محدود قرار دارند و در سطح برانگیخته قرار دارند. طبق مدل کوانتومی، یک الکترون تنها تعداد گسسته ای از سطوح انرژی را اشغال می کند.

ظرفیت، توانایی کلی اتم هایی است که فضای آزاد روی پوسته الکترونی خود برای ایجاد پیوند دارند نوع شیمیاییبا سایر واحدهای اتمی با ایجاد پیوندهای شیمیایی، اتم ها سعی می کنند لایه خود را از پوسته ظرفیت بیرونی پر کنند.

یونیزاسیون

در نتیجه قرار گرفتن در معرض ارزش بالاکشش در هر اتم، می تواند دچار تغییر شکل برگشت ناپذیری شود که با جدا شدن الکترونیکی همراه است.

این منجر به یونیزه شدن اتم ها می شود که طی آن الکترون ها را رها کرده و از حالت پایدار به یون هایی با بار مثبت تبدیل می شوند که در غیر این صورت کاتیون ها نامیده می شوند. این فرآیند به انرژی خاصی نیاز دارد که به آن پتانسیل یونیزاسیون می گویند.

جمع بندی

مطالعه سوالاتی در مورد ساختار، ویژگی های متقابل، پارامترهای کیفی، قطر یک اتم و چه ابعادی دارد، همه اینها به ذهن انسان اجازه می دهد تا کارهای باورنکردنی انجام دهد و به درک و درک بهتر ساختار تمام مواد اطراف ما کمک کند. . همین سؤالات به انسان اجازه داد مفاهیم الکترونگاتیوی یک اتم، جاذبه پراکنده آن، احتمالات ظرفیت، و مدت زمان را تعیین کند. تجزیه رادیواکتیوو خیلی بیشتر.

تلاش برای به دست آوردن ایده ای از اندازه دقیق هسته با مشکلات قابل توجهی روبرو می شود. واقعیت این است که ذرات تشکیل دهنده هسته بر اساس قوانین مکانیک کوانتومی حرکت می کنند که بر اساس اصل عدم قطعیت هایزنبرگ است. در نتیجه، سطح هسته "تار" می شود و ایده اندازه آن نامشخص می شود.

روش های مختلفی برای تخمین اندازه هسته وجود دارد. روش‌های مختلف به نتایج متفاوتی منجر می‌شوند، اما ترتیب بزرگی در همه موارد یکسان است.

اولین ایده ها در مورد اندازه هسته اتم توسط رادرفورد در نتیجه آزمایشات روی پراکندگی ذرات α بدست آمد که در پاراگراف قبل توضیح داده شد. به طور تقریبی، اندازه هسته دافعه را می توان به عنوان کوچکترین فاصله ای که در آن ذره به هسته اتم در هنگام برخورد از جلو نزدیک می شود، تخمین زد.

نیروی دافعه بین هسته و ذره در فاصله طبق قانون کولن برابر است با جایی که بار ذره بار هسته است. انرژی پتانسیل در فاصله بین ذرات برابر است با

انرژی جنبشی - ذرات در هر مسافت طولانیاز هسته برابر است با At ضربه مستقیمبه مرکز پراکندگی - ذره می تواند در فاصله ای که با برابری از کجا تعیین می شود به هسته نزدیک شود

(در فرمول رادرفورد (11) این عبارت در پرانتز است). با تعیین مقدار معلوم و 0، می توان بر اساس و (12) محاسبه کرد.

مساحت مقاطع هندسی هسته ها که برای اکثر هسته ها مساوی است، نزدیک به مقدار است، بنابراین، در فیزیک هسته ایواحد مورد استفاده برای اندازه گیری مساحت انبار است.

متعاقباً، اندازه هسته‌های اتم با انرژی ذرات منتشر شده از هسته‌های رادیواکتیو (به فصل 3)، با پراکندگی نوترون‌ها و الکترون‌ها روی هسته‌ها، با مقدار انرژی اتصال هسته و روش‌های دیگر تعیین شد.

نتایج به دست آمده از مطالعه پراکندگی نوترون ها و الکترون ها توسط هسته ها را می توان قابل اطمینان ترین دانست. به طور خلاصه، ایده روش به شرح زیر است: اگر طول موج د بروگلی برای الکترون‌ها با اندازه هسته‌ها متناسب باشد، در حین پراکندگی الاستیک الکترون‌ها بر روی هسته، پراش رخ می‌دهد. الگوی این پراش را می توان با فرض اینکه پراکندگی الکترون روی یک توپ باردار شعاع اتفاق می افتد، با فرض توزیع بار یکنواخت در هسته محاسبه کرد. مقداری که تئوری و آزمایش با یکدیگر سازگاری بیشتری دارند، به عنوان شعاع هسته در نظر گرفته می‌شود، اگرچه ما باید با دقت بیشتری در مورد شعاع توزیع بار الکتریکی در هسته صحبت کنیم.

در چنین آزمایشی الکترون ها چه انرژی باید داشته باشند؟ بدیهی است که باید دید

در سرعت های نسبیتی، انرژی جنبشی الکترون تقریباً برابر است، بنابراین، اگر تغییر کند

ضریب تبدیل برای انتقال از ergs به

نتیجه این است که انرژی مورد نیاز باید مرتب باشد

از این روش برای تعیین شعاع بسیاری از هسته ها از جمله شعاع پروتون استفاده شد. با فرض کروی بودن هسته ها، رابطه ای بین شعاع هسته و تعداد نوکلئون ها در هسته A یافت شد.

همین رابطه بین با استفاده از روش های دیگر به دست آمد. مقدار ضریب ثابت تا حدودی متفاوت بود. به عنوان مثال، هنگام مطالعه پراکندگی نوترون ها به جای الکترون ها روی هسته ها، مقداری برای

تفاوت در معنای دریافتی روش های مختلفظاهراً می توان با این واقعیت توضیح داد که پراکندگی الکترون توسط ناحیه ای که بارهای هسته ای در آن متمرکز شده اند و پراکندگی نوترون با شعاع ناحیه برهمکنش هسته ای تعیین می شود. گاهی اوقات آنها در مورد شعاع "الکتریکی" و "هسته ای" هسته اتم در این رابطه صحبت می کنند.

از رابطه

می توان دید که جرم هسته (که با مقدار A تعیین می شود) با حجم V آن متناسب است:

بنابراین در تمام هسته ها تعداد نوکلئون ها در واحد حجم یکسان است

چگالی تمام هسته ها نیز باید یکسان باشد

دارای نظم 100 میلیونی با چنین چگالی، کره ای با شعاع وزن کره زمین را دارد.

بزرگی شعاع هسته ها نشان می دهد که هسته از پروتون و نوترون تشکیل شده است و هیچ الکترونی در ترکیب آنها وجود ندارد.

این را می توان از مقایسه اندازه هسته ها و طول موج های دو بروگل برای الکترون ها مشاهده کرد. برای اینکه یک الکترون دارای طول موج دو بروگلی به ترتیب اندازه هسته باشد، انرژی آن باید با صدها الکترون چنین انرژی در هسته قابل اندازه گیری باشد.

در واقع، انرژی Ekul جذب کولن یک الکترون به هسته را می توان تقریباً به صورت زیر تخمین زد. بگذارید تعداد هسته ها 60 عدد باشد (هسته های متوسط ​​سنگین)، سپس

همانطور که در زیر نشان داده خواهد شد، میانگین انرژی اتصال به ازای هر نوکلئون در یک هسته تقریبا برابر با یک الکترون با انرژی کمتر از یا انرژی برابرجاذبه کولن، دارای طول موج دو بروگلی است حداقلمرتبه ای بزرگتر از شعاع هسته است و نمی توان در آن قرار گرفت.

ترکیب و ویژگی های هسته اتم.

هسته ساده ترین اتم - اتم هیدروژن - از یک ذره بنیادی به نام پروتون تشکیل شده است. هسته تمام اتم های دیگر از دو نوع ذرات بنیادی تشکیل شده است - پروتون ها و نوترون ها. این ذرات را نوکلئون می نامند.

پروتون . پروتون (p) دارای بار +e و جرم است

m p = 938.28 MeV

برای مقایسه، اجازه دهید اشاره کنیم که جرم الکترون برابر است با

m e = 0.511 MeV

از مقایسه به دست می آید که m p = 1836m e

پروتون دارای یک اسپین برابر با نصف (s=) و گشتاور مغناطیسی خود است

واحد گشتاور مغناطیسی به نام مگنتون هسته ای. از مقایسه جرم یک پروتون و یک الکترون، نتیجه می‌شود که μi 1836 برابر کمتر از مگنتون بور μb است. در نتیجه، گشتاور مغناطیسی خود پروتون تقریباً 660 برابر کمتر از گشتاور مغناطیسی الکترون است.

نوترون . نوترون (n) در سال 1932 توسط یک فیزیکدان انگلیسی کشف شد

دی. چادویک. بار الکتریکی این ذره صفر و جرم آن است

m n = 939.57 MeV

بسیار نزدیک به جرم یک پروتون اختلاف جرم بین نوترون و پروتون (m n – m p)

1.3 مگا ولت است، یعنی 2.5 متر e.

نوترون یک اسپین برابر با نصف (s=) دارد و (با وجود نبود بار الکتریکی) گشتاور مغناطیسی خود را دارد.

μ n = - 1.91μ i

(علامت منفی نشان می دهد که جهت گشتاورهای مکانیکی و مغناطیسی ذاتی مخالف هستند). توضیح برای این حقیقت جالببعدا داده خواهد شد.

توجه داشته باشید که نسبت مقادیر تجربی μp و μn با درجه دقت بالا برابر با - 3/2 است. این فقط پس از به دست آوردن چنین ارزشی از نظر تئوری متوجه شد.

در حالت آزاد، یک نوترون ناپایدار است (رادیواکتیو) - به طور خود به خود تجزیه می شود، به پروتون تبدیل می شود و یک الکترون (e -) و یک ذره دیگر به نام پادنوترینو ساطع می کند.
. نیمه عمر (یعنی زمانی که در طی آن نیمی از تعداد اولیه نوترون ها تجزیه می شود) تقریباً 12 دقیقه است. طرح فروپاشی را می توان به صورت زیر نوشت:

جرم باقیمانده یک پادنوترینو صفر است. جرم یک نوترون 2.5 متر e بیشتر از جرم یک پروتون است. در نتیجه، جرم نوترون از مجموع جرم ذرات ظاهر شده در سمت راست معادله 1.5m e بیشتر است، یعنی. 0.77 مگا ولت این انرژی در طی واپاشی یک نوترون به شکل انرژی جنبشی ذرات حاصل آزاد می شود.

ویژگی های هسته اتم . یکی از مهمترین مشخصه های هسته اتم عدد بار Z است. برابر است با تعداد پروتون هایی که هسته را تشکیل می دهند و بار آن را تعیین می کند که برابر با +Z e است. عدد Z شماره سریال یک عنصر شیمیایی را در جدول تناوبی مندلیف تعیین می کند. بنابراین به آن عدد اتمی هسته نیز می گویند.

تعداد نوکلئون ها (یعنی تعداد کل پروتون ها و نوترون ها) در هسته با حرف A نشان داده می شود و به آن عدد جرمی هسته می گویند. تعداد نوترون های هسته N=A–Z است.

نماد مورد استفاده برای تعیین هسته ها است

که در آن X نماد شیمیایی عنصر را نشان می دهد. عدد جرمی در بالا سمت چپ و عدد اتمی در پایین سمت چپ قرار می گیرد (آخرین نماد اغلب حذف می شود). گاهی اوقات عدد جرمی نه در سمت چپ، بلکه در سمت راست نماد نوشته می شود عنصر شیمیایی

هسته هایی با Z یکسان اما A متفاوت نامیده می شوند ایزوتوپ ها. اکثر عناصر شیمیایی چندین ایزوتوپ پایدار دارند. به عنوان مثال، اکسیژن دارای سه ایزوتوپ پایدار است:

، برای قلع - ده و غیره

هیدروژن دارای سه ایزوتوپ است:

- هیدروژن معمولی یا پروتیوم (Z=1، N=0)

- هیدروژن سنگین یا دوتریوم (Z=1، N=1)،

– تریتیوم (Z=1، N=2).

پروتیوم و دوتریوم پایدار هستند، تریتیوم رادیواکتیو است.

هسته هایی با جرم یکسان A نامیده می شوند ایزوبارها. یک مثال است
و
. هسته هایی با تعداد نوترون یکسان N = A – Z نامیده می شوند ایزوتون ها (
,
در نهایت، هسته های رادیواکتیو با همان Z و A وجود دارند که در نیمه عمر متفاوت هستند. آنها نامیده می شوند ایزومرها. به عنوان مثال، دو ایزومر هسته وجود دارد
نیمه عمر یکی از آنها 18 دقیقه است، دیگری - 4.4 ساعت.

حدود 1500 هسته شناخته شده است که در Z یا A یا در هر دو تفاوت دارند. تقریباً 1/5 از این هسته ها پایدار هستند و بقیه رادیواکتیو هستند. بسیاری از هسته ها به طور مصنوعی با استفاده از واکنش های هسته ای تولید شدند.

عناصر با اعداد اتمی Z از 1 تا 92 در طبیعت یافت می شوند، به استثنای تکنسیوم (Tc, Z = 43) و پرومتیم (Pm, Z = 61). پلوتونیوم (Pu، Z = 94)، پس از به دست آوردن مصنوعی، در مقادیر ناچیز در کانی طبیعی - مخلوط رزین یافت شد. باقیمانده عناصر فرااورانیوم (یعنی ساب اورانیوم) (cZ از 93 تا 107) به طور مصنوعی از طریق واکنش های هسته ای مختلف به دست آمد.

عناصر ترانس اورانیوم کوریم (96 سانتی متر)، انیشتینیم (99 Ess)، فرمیم (100 Fm) و مندلیوم (101 Md) به افتخار دانشمندان برجسته II نامگذاری شدند. و M. Curie، A. Einstein، Z. Fermi و D.I. مندلیف. لارنس (103 Lw) به افتخار مخترع سیکلوترون، E. Lawrence نامگذاری شده است. Kurchatovy (104 Ku) نام خود را به افتخار فیزیکدان برجسته I.V. کورچاتوا.

برخی از عناصر ترانس اورانیوم از جمله کورچاتویوم و عناصر شماره 106 و 107 در آزمایشگاه واکنش‌های هسته‌ای مؤسسه مشترک تحقیقات هسته‌ای در دوبنا توسط دانشمندان به دست آمد.

N.N. فلروف و کارکنانش

اندازه های هسته . برای اولین تقریب، هسته را می توان یک توپ در نظر گرفت که شعاع آن با فرمول کاملاً دقیق تعیین می شود.

(فرمی نام واحد طولی است که در فیزیک هسته ای استفاده می شود، برابر با

10-13 سانتی متر). از فرمول به دست می آید که حجم هسته با تعداد نوکلئون های هسته متناسب است. بنابراین، چگالی ماده در همه هسته ها تقریباً یکسان است.

اسپین هسته ای . اسپین های نوکلئون ها به اسپین حاصل از هسته اضافه می شود. اسپین یک نوکلئون 1/2 است. بنابراین، عدد کوانتومی اسپین هسته ای برای تعداد فرد نوکلئون A نصف عدد صحیح و برای زوج A عدد صحیح یا صفر خواهد بود. اسپین های هسته ای از چند واحد تجاوز نمی کنند. این نشان می‌دهد که اسپین‌های بیشتر نوکلئون‌ها در هسته، یکدیگر را خنثی می‌کنند، زیرا ضد موازی هستند. همه هسته های زوج (یعنی هسته ای با تعداد پروتون زوج و تعداد نوترون زوج) دارای اسپین صفر هستند.

ممان مکانیکی هسته M J به ممان پوسته الکترونی اضافه می شود
در کل تکانه زاویه ای اتم M F که با عدد کوانتومی F تعیین می شود.

برهمکنش گشتاورهای مغناطیسی الکترون ها و هسته به این واقعیت منجر می شود که حالت های اتم مربوط به جهت گیری های متقابل مختلف MJ و
(یعنی F متفاوت) انرژی کمی متفاوت دارند. برهمکنش گشتاورهای μL و μS ساختار ظریف طیف ها را تعیین می کند. تعاملμ J و ساختار فوق ریز طیف اتمی تعیین می شود. شکافتن خطوط طیفی مربوط به ساختار فوق ریز آنقدر کوچک است (در حد چند صدم آنگستروم) که تنها با استفاده از ابزارهایی با بالاترین وضوح قابل مشاهده است.

اندازه های هسته

اندازه هسته ها به تعداد نوکلئون های آنها بستگی دارد. چگالی متوسط ​​تعداد p نوکلئون ها در یک هسته (تعداد آنها در واحد حجم) برای همه هسته های چند هسته ای (A > 0) تقریباً یکسان است. این بدان معنی است که حجم هسته با تعداد نوکلئون های A متناسب است و اندازه خطی آن ~A1/3 است. شعاع هسته موثر R با این رابطه تعیین می شود:

R = а A1/3، (2)

که در آن ثابت a نزدیک به هرتز است، اما با آن متفاوت است و به چه چیزی بستگی دارد پدیده های فیزیکیاندازه گیری شده توسط R. در مورد به اصطلاح شعاع بار هسته، اندازه گیری شده توسط پراکندگی الکترون ها بر روی هسته ها یا با موقعیت سطوح انرژی m-مزواتم ها: a = 1.12 f. شعاع مؤثر، تعیین شده از فرآیندهای برهمکنش هادرون ها (نوکلئون ها، مزون ها، ذرات a، و غیره) با هسته، کمی بزرگتر از شعاع بار است: از 1.2 f تا 1.4 f.

چگالی ماده هسته ای در مقایسه با چگالی مواد معمولی فوق العاده زیاد است: تقریباً 1014 گرم بر سانتی متر مکعب است. در هسته، r تقریباً در قسمت مرکزی ثابت است و به طور تصاعدی به سمت حاشیه کاهش می یابد. برای توصیف تقریبی داده های تجربی، گاهی اوقات وابستگی r به فاصله r از مرکز هسته پذیرفته می شود:

شعاع مؤثر هسته R برابر با R0 + b است. مقدار b تاری مرز هسته را مشخص می کند. پارامتر r0 چگالی مضاعف در "مرز" هسته است که از شرایط عادی سازی تعیین می شود (انتگرال حجمی p برابر با تعداد نوکلئون های A است). از (2) نتیجه می شود که اندازه هسته ها به ترتیب بزرگی از 10-13 سانتی متر تا 10-12 سانتی متر برای هسته های سنگین (اندازه اتمی ~ 10-8 سانتی متر) متفاوت است. با این حال، فرمول (2) افزایش اندازه‌های خطی هسته‌ها را با افزایش تعداد نوکلئون‌ها به طور تقریبی و با افزایش قابل‌توجه در A توضیح می‌دهد. تغییر در اندازه یک هسته در صورت افزودن یک یا دو نوکلئون به آن بستگی به جزئیات ساختار هسته دارد و می تواند نامنظم باشد. به طور خاص (همانطور که با اندازه گیری تغییر ایزوتوپی سطوح انرژی اتمی نشان داده شده است)، گاهی اوقات شعاع هسته حتی با اضافه شدن دو نوترون کاهش می یابد.

انرژی اتصال و جرم هسته ای.

انرژی اتصال هسته ای xb انرژی است که باید برای تقسیم هسته به نوکلئون های منفرد صرف شود. برابر است با تفاوت مجموع جرم نوکلئون های موجود در آن و جرم هسته ضربدر c2:

xsv = (Zmp + Nmn - M) c2. (4)

در اینجا mp، mn و M جرم های پروتون، نوترون و هسته هستند. یکی از ویژگی های قابل توجه هسته ها این واقعیت است که xb تقریباً با تعداد نوکلئون ها متناسب است، به طوری که انرژی اتصال ویژه xb/A با تغییر A کمی تغییر می کند (برای اکثر هسته های xb/A » 6-8 MeV). این خاصیت که اشباع نیروهای هسته ای نامیده می شود، به این معنی است که هر نوکلئون به طور مؤثر نه با تمام نوکلئون های هسته (در این مورد، انرژی اتصال متناسب با A2 در A»1 است، بلکه فقط با برخی از آنها متصل می شود. از نظر تئوری، این امکان وجود دارد که نیروها در یک فاصله تغییر یافته علامت دهند (جاذبه در برخی فواصل با دافعه در برخی دیگر جایگزین می شود). هنوز نمی توان اثر اشباع نیروهای هسته ای را بر اساس داده های موجود بر روی پتانسیل تعامل دو نوکلئون توضیح داد (حدود 50 نوع از پتانسیل بین نوکلئون هسته ای شناخته شده است که به طور رضایت بخشی خواص دوترون و نوکلئون-نوکلئون را توصیف می کند. هیچ یک از آنها نمی توانند اثر اشباع نیروهای هسته ای را در هسته های چند هسته ای توصیف کنند.

استقلال چگالی p و انرژی اتصال ویژه هسته ها از تعداد نوکلئون های A، پیش نیازهایی را برای معرفی مفهوم ماده هسته ای (هسته بی حد و حصر) ایجاد می کند. اجرام فیزیکی که با این مفهوم مطابقت دارند نه تنها می توانند اجرام کیهانی ماکروسکوپیک با چگالی هسته ای (مثلاً ستاره های نوترونی) باشند، بلکه از جنبه ای خاص، هسته های معمولی با A به اندازه کافی بزرگ نیز می باشند.

در اینجا اولین (و بزرگترین) عبارت وابستگی خطی xb به A را تعیین می کند. جمله دوم که xb را کاهش می دهد به این دلیل است که برخی از نوکلئون ها روی سطح هسته قرار دارند. عبارت سوم انرژی دافعه الکترواستاتیکی (کولن) پروتون ها (با شعاع هسته نسبت معکوس و با مجذور بار آن نسبت مستقیم دارد). جمله چهارم تأثیر نابرابری تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته را بر انرژی اتصال در نظر می‌گیرد، جمله پنجم d(A, Z) به برابری اعداد A و Z بستگی دارد. برابر است با:

با این حال، این اصلاح نسبتاً کوچک برای تعدادی از پدیده ها و به ویژه برای فرآیند شکافت هسته های سنگین بسیار مهم است. این است که شکافت پذیری هسته های ایزوتوپ های اورانیوم عجیب و غریب در A را تحت تأثیر نوترون های کند تعیین می کند که نقش برجسته این ایزوتوپ ها را در انرژی هسته ای تعیین می کند. تمام ثابت های موجود در فرمول (5) طوری انتخاب می شوند که بهترین راهارضای داده های تجربی توافق بهینه با آزمایش در e = 14.03 MeV، a = 13.03 MeV، b = 0.5835 MeV، g = 77.25 MeV به دست می آید. از فرمول های (5) و (6) می توان برای تخمین انرژی های اتصال هسته ها نه چندان دور از نوار پایداری هسته ها استفاده کرد. حالت دوم با موقعیت حداکثر xb به عنوان تابعی از Z برای یک A ثابت تعیین می شود. این شرط رابطه بین Z و A را برای هسته های پایدار تعیین می کند:

Z=A (1.98+0.15A2/3)-1 (7)

فرمول هایی مانند (5) اثرات کوانتومی مرتبط با جزئیات ساختار هسته را در نظر نمی گیرند، که می تواند منجر به تغییرات ناگهانی در xb در نزدیکی مقادیر معینی از A و Z شود (به زیر مراجعه کنید).

ویژگی‌های ساختاری بسته به xb روی A و Z می‌توانند تأثیر بسیار مهمی بر مسئله محدود کردن داشته باشند معنی ممکن Z، یعنی در مورد مرز جدول تناوبیعناصر. این مرز به دلیل ناپایداری هسته های سنگین نسبت به فرآیند شکافت است. تخمین های نظری احتمال شکافت هسته ای خود به خودی احتمال وجود "جزایر پایداری" هسته های فوق سنگین در نزدیکی Z = 114 و Z = 126 را رد نمی کند.

ویژگی های کوانتومی هسته ها

بله. می تواند در حالت های کوانتومی متفاوتی باشد که از نظر مقادیر انرژی با یکدیگر متفاوت هستند و سایرین که در طول زمان حفظ می شوند. مقادیر فیزیکی. حالتی با کمترین انرژی ممکن برای یک هسته معین، زمین نامیده می شود و بقیه حالت برانگیخته نامیده می شوند. مهم ترین ویژگی های کوانتومی حالت هسته ای شامل اسپین I و برابری P است. اسپین I یک عدد صحیح برای هسته ها با زوج A و یک عدد نیم صحیح برای فرد است. برابری حالت P = 1 ± نشان دهنده تغییر در علامت تابع موج هسته در طول تصویر آینه ای از فضا است. این دو مشخصه اغلب تحت یک نماد IP یا I± ترکیب می شوند. قانون تجربی زیر صادق است: برای حالت های پایه هسته هایی با زوج A و Z، اسپین 0 است و تابع موج زوج است (IP = 0+). حالت کوانتومی سیستم دارای برابری معینی P است اگر سیستم متقارن آینه ای باشد (یعنی به خود تبدیل شود در تصویر آینه ای). در هسته ها تقارن آینه ایبه دلیل وجود برهمکنش ضعیف بین نوکلئون ها که برابری را حفظ نمی کند تا حدودی مختل می شود (شدت آن به ترتیب بزرگی ~ 10-5٪ از نیروهای اصلی متصل کننده نوکلئون ها در هسته است). با این حال، اختلاط حالت ها با برابری های مختلف ناشی از برهمکنش ضعیف اندک است و عملاً تأثیری بر ساختار هسته ها ندارد.

هسته اتم که به عنوان دسته ای از ذرات با تعداد معینی پروتون و نوترون در نظر گرفته می شود، معمولاً نامیده می شود. هسته.
در برخی موارد نادر، اتم های عجیب و غریب کوتاه مدت می توانند تشکیل شوند که در آن ذرات دیگر به جای نوکلئون به عنوان هسته عمل می کنند.

به تعداد پروتون های یک هسته، عدد بار آن می گویند Z (\displaystyle Z)- این عدد برابر است با شماره سریال عنصری که اتم به آن در جدول مندلیف (جدول تناوبی عناصر) تعلق دارد. تعداد پروتون ها در هسته ساختار لایه الکترونی یک اتم خنثی و در نتیجه خواص شیمیایی عنصر مربوطه را تعیین می کند. تعداد نوترون های یک هسته را آن می نامند عدد ایزوتوپی N (\displaystyle N). هسته هایی با تعداد پروتون یکسان و تعداد نوترون های متفاوت ایزوتوپ نامیده می شوند. هسته هایی با تعداد نوترون یکسان، اما تعداد پروتون های متفاوت، ایزوتون نامیده می شوند. اصطلاحات ایزوتوپ و ایزوتون همچنین برای اشاره به اتم های حاوی این هسته ها و همچنین برای توصیف انواع غیر شیمیایی یک عنصر شیمیایی استفاده می شود. تعداد کل نوکلئون های یک هسته را عدد جرمی آن می گویند A (\displaystyle A) (A = N + Z (\displaystyle A=N+Z)) و تقریباً برابر است وزن متوسطاتم نشان داده شده در جدول تناوبی نوکلئیدهایی با تعداد جرمی یکسان، اما ترکیب پروتون-نوترون متفاوت معمولاً ایزوبار نامیده می شوند.

مانند هر سیستم کوانتومی، هسته‌ها می‌توانند در یک حالت برانگیخته متقابل باشند و در برخی موارد طول عمر چنین حالتی را می‌توان بر حسب سال محاسبه کرد. چنین حالت های برانگیخته هسته ای ایزومرهای هسته ای نامیده می شوند.

یوتیوب دایره المعارفی

1 / 5

ساختار هسته اتم. نیروهای هسته ای

نیروهای هسته ای انرژی اتصال ذرات در هسته شکافت هسته اورانیوم واکنش زنجیره ای

ساختار هسته اتم نیروهای هسته ای

علم شیمی. ساختار اتمی: هسته اتمی. مرکز آموزش آنلاین فاکسفورد

واکنش های هسته ای

زیرنویس

داستان

پراکندگی ذرات باردار را می توان با فرض اتمی که از یک بار الکتریکی مرکزی متمرکز در یک نقطه تشکیل شده و توسط یک توزیع کروی یکنواخت الکتریسیته مخالف با قدر مساوی احاطه شده است، توضیح داد. با این آرایش اتم، ذرات α- و β، وقتی از فاصله نزدیک از مرکز اتم عبور می کنند، انحرافات زیادی را تجربه می کنند، اگرچه احتمال چنین انحرافی اندک است.

بنابراین رادرفورد هسته اتم را کشف کرد و از این لحظه فیزیک هسته ای شروع شد و ساختار و خواص هسته های اتم را مطالعه کرد.

پس از کشف ایزوتوپ های پایدار عناصر، هسته سبک ترین اتم نقش یک ذره ساختاری از همه هسته ها را به خود اختصاص داد. از سال 1920، هسته اتم هیدروژن یک نام رسمی - پروتون دارد. پس از تئوری پروتون-الکترون میانی ساختار هسته که دارای کاستی های آشکار بسیاری بود، اولاً با نتایج تجربی اندازه گیری اسپین ها و گشتاورهای مغناطیسی هسته ها در تضاد بود، در سال 1932 جیمز چادویک ذره خنثی الکتریکی جدیدی را کشف کرد. نوترون نامیده می شود. در همان سال، ایواننکو و هایزنبرگ به طور مستقل ساختار پروتون-نوترون هسته را فرض کردند. متعاقباً با توسعه فیزیک هسته ای و کاربردهای آن، این فرضیه کاملاً تأیید شد.

نظریه های ساختار هسته اتم

در روند توسعه فیزیک، فرضیه های مختلفی برای ساختار هسته اتم مطرح شد. با این حال، هر یک از آنها قادر به توصیف تنها مجموعه محدودی از خواص هسته ای است. برخی از مدل ها ممکن است متقابلاً منحصر به فرد باشند.

معروف ترین آنها موارد زیر است:

• مدل قطره ای هسته - در سال 1936 توسط نیلز بور پیشنهاد شد.
• مدل پوسته هسته - ارائه شده در دهه 30 قرن بیستم.
• مدل تعمیم یافته بور-موتلسون
• مدل هسته خوشه ای
• مدل تداعی نوکلئون
• مدل هسته ابرسیال
• مدل آماری هسته

ویژگی های فیزیکی هسته ای

بارهای هسته اتم برای اولین بار توسط هنری موزلی در سال 1913 تعیین شد. این دانشمند مشاهدات تجربی خود را با وابستگی طول موج پرتو ایکس به یک ثابت معین تفسیر کرد. Z (\displaystyle Z)، از عنصری به عنصر دیگر متفاوت است و برای هیدروژن برابر با یک است:

1 / λ = a Z − b (\displaystyle (\sqrt (1/\lambda ))=aZ-b)، جایی که

A (\displaystyle a)و b (\displaystyle b)- دائمی

از آنجایی که موزلی به این نتیجه رسید که ثابت اتمی در آزمایشاتش یافت شده است، که طول موج تابش پرتو ایکس مشخصه را تعیین می کند و منطبق با شماره سریالعنصر، فقط می تواند بار هسته اتم باشد که به عنوان شناخته شده است قانون موزلی .

وزن

به دلیل تفاوت در تعداد نوترون ها A - Z (\displaystyle A-Z)ایزوتوپ های یک عنصر جرم های متفاوتی دارند M (A , Z) (\displaystyle M(A,Z))که یکی از مشخصه های مهم هسته است. در فیزیک هسته‌ای، جرم هسته‌ها معمولاً با واحد جرم اتمی اندازه‌گیری می‌شود. آ. خوردن)، برای یک الف. e.m 1/12 از جرم هسته 12 درجه سانتیگراد را بگیرید. لازم به ذکر است که جرم استانداردی که معمولا برای یک نوکلید داده می شود، جرم یک اتم خنثی است. برای تعیین جرم هسته، باید مجموع جرم تمام الکترون ها را از جرم اتم کم کنید (اگر انرژی اتصال الکترون ها با هسته را نیز در نظر بگیرید، مقدار دقیق تری به دست می آید). .

علاوه بر این، معادل انرژی جرم اغلب در فیزیک هسته ای استفاده می شود. با توجه به رابطه انیشتین، هر جرم مقدار M (\displaystyle M)مربوط به کل انرژی است:

E = M c 2 (\displaystyle E=Mc^(2))، جایی که c (\displaystyle c)- سرعت نور در خلاء

رابطه بین الف. e.m و معادل انرژی آن بر حسب ژول:

E 1 = 1 , 660539 ⋅ 10 − 27 ⋅ (2 , 997925 ⋅ 10 8) 2 = 1 , 492418 ⋅ 10 − 10 (\displaystyle E_(1)=1.66053/2c 5\ cdot 10^(8))^(2)=1.492418\cdot 10^(-10)), E 1 = 931, 494 (\displaystyle E_(1)=931,494).

شعاع

تجزیه و تحلیل فروپاشی هسته های سنگین تخمین رادرفورد را اصلاح کرد و شعاع هسته را به عدد جرمی مرتبط کرد. رابطه ساده:

R = r 0 A 1 / 3 (\displaystyle R=r_(0)A^(1/3)),

کجا یک ثابت است

از آنجایی که شعاع هسته صرفا نیست مشخصه هندسیو در درجه اول با دامنه عمل نیروهای هسته ای و سپس مقدار مرتبط است r 0 (\displaystyle r_(0))بستگی به فرآیندی دارد که در طی تجزیه و تحلیل آن مقدار به دست آمده است R (\displaystyle R)، مقدار متوسط r 0 = 1 , 23 ⋅ 10 − 15 (\displaystyle r_(0)=1.23\cdot 10^(-15))متر، پس شعاع هسته بر حسب متر:

R = 1، 23 ⋅ 10 − 15 A 1 / 3 (\displaystyle R=1,23\cdot 10^(-15)A^(1/3)).

لحظات هسته

مانند نوکلئون هایی که آن را تشکیل می دهند، هسته نیز لحظات خاص خود را دارد.

چرخش

از آنجایی که نوکلئون ها گشتاور مکانیکی یا اسپین خود را برابر با 1/2 (\displaystyle 1/2)، پس هسته ها نیز باید دارای گشتاورهای مکانیکی باشند. علاوه بر این، نوکلئون ها در حرکت مداری در هسته شرکت می کنند که با تکانه زاویه ای معینی از هر نوکلئون نیز مشخص می شود. گشتاورهای مداری فقط مقادیر صحیح می گیرند ℏ (\displaystyle \hbar)(ثابت دیراک). تمام گشتاورهای مکانیکی نوکلئون ها، اعم از اسپین و مدار، به صورت جبری خلاصه می شوند و اسپین هسته را تشکیل می دهند.

علیرغم این واقعیت که تعداد نوکلئون‌ها در یک هسته می‌تواند بسیار زیاد باشد، اسپین‌های هسته‌ای معمولاً کوچک هستند و بیش از چند عدد نیستند. ℏ (\displaystyle \hbar)، که با خاص بودن برهم کنش نوکلئون هایی به همین نام توضیح داده می شود. همه پروتون ها و نوترون های جفت شده فقط به گونه ای برهم کنش می کنند که اسپین های آنها یکدیگر را خنثی می کنند، یعنی جفت ها همیشه با اسپین های ضد موازی برهم کنش دارند. تکانه کل مداری جفت نیز همیشه صفر است. در نتیجه، هسته های متشکل از تعداد زوج پروتون و تعداد زوج نوترون، گشتاور مکانیکی ندارند. اسپین های غیرصفر فقط برای هسته هایی وجود دارد که حاوی نوکلئون های جفت نشده هستند، اسپین چنین نوکلئونی با تکانه مداری آن جمع می شود و مقداری نصف عدد صحیح دارد: 1/2، 3/2، 5/2. هسته های فرد و فرد دارای اسپین های صحیح هستند: 1، 2، 3 و غیره.

لحظه مغناطیسی

اندازه گیری اسپین ها با حضور گشتاورهای مغناطیسی که مستقیماً با آنها مرتبط است امکان پذیر می شود. آنها در مگنتون اندازه گیری می شوند و برای هسته های مختلف برابر با -2 تا +5 مگنتون هسته ای هستند. با توجه به نسبتا جرم بزرگنوکلئون ها، گشتاورهای مغناطیسی هسته ها در مقایسه با گشتاورهای مغناطیسی الکترون ها بسیار کوچک هستند، بنابراین اندازه گیری آنها بسیار دشوارتر است. مانند اسپین ها، گشتاورهای مغناطیسی با روش های طیف سنجی اندازه گیری می شوند که دقیق ترین آنها روش تشدید مغناطیسی هسته ای است.

گشتاور مغناطیسی جفت‌های زوج و زوج، مانند اسپین، صفر است. گشتاورهای مغناطیسی هسته‌های با نوکلئون‌های جفت‌نشده توسط گشتاورهای ذاتی این نوکلئون‌ها و گشتاور مرتبط با حرکت مداری پروتون جفت‌نشده تشکیل می‌شوند.

گشتاور چهار قطبی الکتریکی

هسته های اتمی که اسپین آنها بزرگتر یا مساوی با واحد است دارای گشتاورهای چهار قطبی غیر صفر هستند که نشان می دهد دقیقاً شکل کروی ندارند. اگر هسته در امتداد محور اسپین (جسم دوکی) کشیده شده باشد، گشتاور چهار قطبی علامت مثبت دارد و اگر هسته در صفحه ای عمود بر محور اسپین (جسم عدسی شکل) کشیده شده باشد، علامت منفی دارد. هسته هایی با گشتاورهای چهار قطبی مثبت و منفی شناخته شده اند. عدم تقارن کروی در میدان الکتریکی ایجاد شده توسط یک هسته با گشتاور چهار قطبی غیر صفر منجر به تشکیل سطوح انرژی اضافی الکترون‌های اتمی و ظهور در طیف اتم‌هایی از خطوط ساختار فوق‌ریز می‌شود که فواصل بین آنها بستگی دارد. در لحظه چهار قطبی

انرژی ارتباطی

پایداری هسته ها

از این واقعیت که میانگین انرژی اتصال برای هسته های با اعداد جرمی بیشتر یا کمتر از 50-60 کاهش می یابد، نتیجه می شود که برای هسته های کوچک A (\displaystyle A)فرآیند همجوشی از نظر انرژی مطلوب است - همجوشی گرما هسته ای که منجر به افزایش تعداد جرم می شود و برای هسته های بزرگ A (\displaystyle A)- فرآیند تقسیم در حال حاضر، هر دوی این فرآیندها که منجر به آزادسازی انرژی می شود، انجام شده است، که دومی اساس انرژی هسته ای مدرن است و اولی در حال توسعه است.

مطالعات دقیق نشان داده است که پایداری هسته ها نیز به طور قابل توجهی به پارامتر بستگی دارد N/Z (\displaystyle N/Z)- نسبت تعداد نوترون ها و پروتون ها. به طور متوسط ​​برای پایدارترین هسته ها N / Z ≈ 1 + 0.015 A 2 / 3 (\displaystyle N/Z\حدود 1+0.015A^(2/3))بنابراین، هسته های نوکلیدهای سبک در پایدارترین آنها هستند N ≈ Z (\displaystyle N\حدود Z)و با افزایش تعداد جرم، دافعه الکترواستاتیکی بین پروتون ها بیشتر و بیشتر قابل توجه می شود و ناحیه پایداری به سمت N>Z (\displaystyle N>Z)(تصویر توضیحی را ببینید).

اگر جدول نوکلئیدهای پایدار موجود در طبیعت را در نظر بگیریم، می‌توان به توزیع آن‌ها بین زوج و نیز توجه کرد مقادیر عجیب و غریب Z (\displaystyle Z)و N (\displaystyle N). تمام هسته هایی با مقادیر فرد از این مقادیر، هسته هایی از هسته های سبک هستند 1 2 H (\displaystyle ()_(1)^(2)(\textrm (H))), 3 6 Li (\displaystyle ()_(3)^(6)(\textrm (Li))), 5 10 B (\displaystyle ()_(5)^(10)(\textrm (B))), 7 14 N (\displaystyle ()_(7)^(14)(\textrm (N))). در بین ایزوبارها با A فرد، به عنوان یک قاعده، تنها یکی پایدار است. در مورد حتی A (\displaystyle A)اغلب دو، سه یا چند ایزوبار پایدار وجود دارد، بنابراین، زوج و زوج پایدارترین و فرد و فرد کمترین پایداری را دارند. این پدیده نشان می‌دهد که هم نوترون‌ها و هم پروتون‌ها تمایل دارند به صورت جفتی با اسپین‌های ضد موازی گروه‌بندی شوند، که منجر به نقض نرمی وابستگی فوق‌الذکر انرژی اتصال به آن می‌شود. A (\displaystyle A) .

بنابراین، برابری تعداد پروتون ها یا نوترون ها حاشیه مشخصی از پایداری ایجاد می کند که منجر به احتمال وجود چندین هسته پایدار می شود که به ترتیب در تعداد نوترون ها برای ایزوتوپ ها و در تعداد پروتون ها برای ایزوتون ها متفاوت هستند. . همچنین برابری تعداد نوترون ها در ترکیب هسته های سنگین توانایی شکافت آنها را تحت تأثیر نوترون ها تعیین می کند.

نیروهای هسته ای

نیروهای هسته‌ای نیروهایی هستند که نوکلئون‌ها را در هسته نگه می‌دارند، که نشان‌دهنده نیروهای جذاب بزرگی هستند که فقط در فواصل کوتاه عمل می‌کنند. آنها دارای خواص اشباع هستند، و بنابراین به نیروهای هسته ای یک ویژگی مبادله ای نسبت داده می شود (با کمک پی-مزون). نیروهای هسته ای به اسپین بستگی دارند، مستقل از بار الکتریکی هستند و نیروهای مرکزی نیستند.

سطوح هسته

بر خلاف ذرات آزاد که انرژی می تواند برای آنها هر مقداری به خود بگیرد (به اصطلاح طیف پیوسته)، ذرات مقید (یعنی ذراتی که انرژی جنبشی آنها کمتر از مقدار مطلق انرژی پتانسیل است)، طبق مکانیک کوانتومی، می توانند فقط در حالت هایی با مقادیر انرژی گسسته مشخص، به اصطلاح طیف گسسته باشد. از آنجایی که هسته سیستمی از نوکلئون های محدود است، طیف انرژی گسسته ای دارد. معمولاً در کمترین حالت انرژی خود به نام یافت می شود اصلی. اگر انرژی را به هسته منتقل کنید، به درون می رود حالت هیجانی.

مکان سطوح انرژی هسته به عنوان اولین تقریب:

D = a e - b E ∗ (\displaystyle D=ae^(-b(\sqrt (E^(*)))))، جایی که:

D (\displaystyle D)- فاصله متوسط ​​بین سطوح،