Çekirdeğin bileşimi nedir? Atom çekirdeğinin bileşimi

Maddenin bileşimini inceleyen bilim adamları, tüm maddenin moleküllerden ve atomlardan oluştuğu sonucuna vardılar. Uzun bir süre boyunca atom (Yunancadan "bölünmez" olarak çevrilmiştir) maddenin en küçük yapısal birimi olarak kabul edildi. Ancak daha ileri araştırmalar atomun karmaşık bir yapıya sahip olduğunu ve dolayısıyla daha küçük parçacıklar içerdiğini gösterdi.

Bir atom nelerden oluşur?

1911'de bilim adamı Rutherford, atomun pozitif yüklü bir merkezi kısma sahip olduğunu öne sürdü. Atom çekirdeği kavramı ilk kez böyle ortaya çıktı.

Rutherford'un gezegen modeli adı verilen şemasına göre atom, bir çekirdek ve negatif yüklü temel parçacıklardan oluşur; tıpkı gezegenlerin Güneş'in etrafında dönmesi gibi, çekirdeğin etrafında hareket eden elektronlar.

1932'de başka bir bilim adamı olan Chadwick, elektrik yükü olmayan bir parçacık olan nötronu keşfetti.

Modern kavramlara göre atom çekirdeğinin yapısı Rutherford'un önerdiği gezegen modeline tekabül ediyor. Çekirdek atom kütlesinin çoğunu taşır. Aynı zamanda pozitif bir yükü var. Atom çekirdeği, protonları (pozitif yüklü parçacıklar) ve nötronları (yük taşımayan parçacıklar) içerir. Proton ve nötronlara nükleon denir. Negatif yüklü parçacıklar (elektronlar) çekirdeğin etrafındaki yörüngede hareket eder.

Çekirdekteki protonların sayısı yörüngede hareket eden elektronların sayısına eşittir. Dolayısıyla atomun kendisi yük taşımayan bir parçacıktır. Bir atom başkalarından elektron alırsa veya kendisininkini kaybederse pozitif veya negatif olur ve iyon olarak adlandırılır.

Elektronlar, protonlar ve nötronlar toplu olarak atom altı parçacıklar olarak adlandırılır.

Atom çekirdeğinin yükü

Çekirdeğin yük numarası Z'dir. Atom çekirdeğini oluşturan proton sayısına göre belirlenir. Bu miktarı bulmak kolaydır: Mendeleev'in periyodik tablosuna bakmanız yeterlidir. Atomun ait olduğu elementin atom numarası, çekirdekteki proton sayısına eşittir. Dolayısıyla oksijen kimyasal elementinin atom numarası 8 ise proton sayısı da sekiz olacaktır. Bir atomda proton ve elektron sayıları aynı olduğundan sekiz elektron da olacaktır.

Nötronların sayısına izotop numarası denir ve N harfiyle gösterilir. Sayıları aynı kimyasal elementin atomunda değişebilir.

Çekirdekteki proton ve elektronların toplamına atomun kütle numarası denir ve A harfiyle gösterilir. Böylece kütle numarasını hesaplama formülü şu şekilde görünür: A = Z + N.

İzotoplar

Elementlerin proton ve elektron sayıları eşit fakat nötron sayıları farklı olduğunda bunlara kimyasal elementin izotopları denir. Bir veya daha fazla izotop olabilir. Aynı hücreye konuluyorlar periyodik tablo.

İzotoplar var büyük önem kimya ve fizikte. Örneğin, hidrojen izotopu - döteryum - oksijenle kombinasyon halinde, ağır su adı verilen tamamen yeni bir madde verir. Normalden farklı bir kaynama ve donma noktasına sahiptir. Ve döteryumun başka bir hidrojen izotopu olan trityum ile birleşimi, termonükleer reaksiyon sentezlenebilir ve muazzam miktarda enerji üretmek için kullanılabilir.

Çekirdeğin ve atom altı parçacıkların kütlesi

Atomların büyüklüğü ve kütlesi insan algısında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Çekirdeklerin boyutu yaklaşık 10-12 cm'dir Bir atom çekirdeğinin kütlesi, fizikte atomik kütle birimleri - amu olarak ölçülür.

Bir amu için bir karbon atomunun kütlesinin on ikide birini alın. Bilinen ölçü birimleri (kilogram ve gram) kullanılarak kütle aşağıdaki denklemle ifade edilebilir: 1 amu. = 1,660540·10 -24 g Bu şekilde ifade edilirse mutlak atom kütlesi denir.

Atom çekirdeği bir atomun en büyük bileşeni olmasına rağmen, kendisini çevreleyen elektron bulutuna göre boyutu son derece küçüktür.

Nükleer kuvvetler

Atom çekirdekleri son derece kararlıdır. Bu, protonların ve nötronların çekirdekte bir miktar kuvvet tarafından tutulduğu anlamına gelir. Protonlar benzer yüklü parçacıklar olduğundan bunlar elektromanyetik kuvvet olamaz ve aynı yüke sahip parçacıkların birbirini ittiği de bilinmektedir. Yerçekimi kuvvetleri nükleonları bir arada tutamayacak kadar zayıflar. Sonuç olarak parçacıklar çekirdekte başka bir etkileşimle (nükleer kuvvetler) tutulur.

Nükleer kuvvet, doğada var olanların en güçlüsü olarak kabul edilir. Bu yüzden bu tip Atom çekirdeğinin elemanları arasındaki etkileşimlere güçlü denir. Tıpkı elektromanyetik kuvvetler gibi birçok temel parçacıkta mevcuttur.

Nükleer kuvvetlerin özellikleri

1. Kısa aksiyon. Nükleer kuvvetler, elektromanyetik olanlardan farklı olarak, yalnızca çekirdeğin boyutuyla karşılaştırılabilecek çok küçük mesafelerde ortaya çıkar.
2. Şarj bağımsızlığı. Bu özellik nükleer kuvvetlerin proton ve nötronlara eşit etki etmesiyle kendini gösterir.
3. Doyma. Çekirdeğin nükleonları yalnızca belirli sayıda diğer nükleonlarla etkileşime girer.

Nükleer bağlanma enerjisi

Güçlü etkileşim kavramıyla yakından ilgili olan bir diğer konu da çekirdeklerin bağlanma enerjisidir. Nükleer bağ enerjisi, bir atom çekirdeğini kendisini oluşturan nükleonlara bölmek için gereken enerji miktarını ifade eder. Bireysel parçacıklardan bir çekirdek oluşturmak için gereken enerjiye eşittir.

Bir çekirdeğin bağlanma enerjisini hesaplamak için atom altı parçacıkların kütlesini bilmek gerekir. Hesaplamalar, bir çekirdeğin kütlesinin her zaman onu oluşturan nükleonların toplamından daha az olduğunu göstermektedir. Kütle kusuru, bir çekirdeğin kütlesi ile proton ve elektronlarının toplamı arasındaki farktır. Kütle ve enerji arasındaki ilişki (E=mc 2) kullanılarak çekirdeğin oluşumu sırasında üretilen enerji hesaplanabilir.

Bir çekirdeğin bağlanma enerjisinin gücü aşağıdaki örnekle değerlendirilebilir: Birkaç gram helyumun oluşumu, birkaç ton kömürün yanmasıyla aynı miktarda enerji üretir.

Nükleer reaksiyonlar

Atom çekirdekleri diğer atomların çekirdekleriyle etkileşime girebilir. Bu tür etkileşimlere nükleer reaksiyonlar denir. İki tür reaksiyon vardır.

1. Fisyon reaksiyonları. Daha ağır çekirdeklerin etkileşim sonucunda daha hafif olanlara bozunması sonucu ortaya çıkarlar.
2. Sentez reaksiyonları. Fisyonun ters süreci: çekirdekler çarpışır, böylece daha ağır elementler oluşur.

Tüm nükleer reaksiyonlara, daha sonra sanayide, askeriyede, enerji sektöründe vb. kullanılan enerjinin salınması eşlik eder.

Atom çekirdeğinin bileşimine aşina olduktan sonra aşağıdaki sonuçları çıkarabiliriz.

1. Bir atom, proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdek ve etrafındaki elektronlardan oluşur.
2. Bir atomun kütle numarası çekirdeğindeki nükleonların toplamına eşittir.
3. Nükleonlar güçlü etkileşimlerle bir arada tutulur.
4. Atom çekirdeğine stabilite kazandıran muazzam kuvvetlere nükleer bağlanma enerjileri denir.

Atom çekirdeğinin bileşimi ve özellikleri

Atom- bağımsız olarak var olabilen ve özelliklerinin taşıyıcısı olan bir kimyasal elementin en küçük kısmı. Atom, pozitif yüklü bir çekirdek ve negatif yüklü elektronlardan oluşan elektriksel olarak nötr bir sistemdir. Bir atomun çapı yaklaşık 10 -10 m, çekirdeğin çapı 10-15 - 10 -14 m'dir.Atomun çekirdeği karmaşık bir yapıya sahiptir. 1932'de V. Heisenberg ve D. Ivanenko, bir atomun çekirdeğinin protonlardan ve nötronlardan oluştuğuna göre çekirdeğin yapısının nükleon modelini önerdiler.

Proton[Yunancadan protolar– ilk] (sembol) – kararlı bir temel parçacık, bir hidrojen atomunun çekirdeği. Proton ömrü > 10 31 yıl. Kütle 1,6726∙10 -27 kg 938,3 MeV. Protonun elektrik yükü pozitiftir: 1,6∙10 -19 C. Protonun spini ½ olduğundan Fermi-Dirac istatistiklerine uyar. Çekirdekteki proton sayısı - yük numarası - çekirdeğin toplam yükünü ve periyodik tablodaki elementin atom numarasını belirler. Çekirdeğin yükü, atomdaki elektronların sayısı, elektron kabuklarının konfigürasyonu, atom içi yükün büyüklüğü ve doğası ile belirlenir. Elektrik alanı. Nötr bir atomdaki elektronların sayısı çekirdekteki protonların sayısına eşittir ve bunların toplam negatif yükü .

Nötron(sembol N) [Lat. doğal– ne biri ne de diğeri] – sıfır elektrik yüküne sahip, dinlenme kütlesi 1,6749∙10 -27 kg (939,565 MeV) olan temel bir parçacık. Genel adı altında proton ile birlikte nükleon atom çekirdeğinin bir parçasıdır. ½ dönüşe sahiptir, Fermi-Dirac istatistiklerine uyar (bir fermiyondur). 1932 yılında J. Chadwick tarafından keşfedilmiştir. Serbest durumda, nötron kararsızdır, kendiliğinden bozunur, bir elektron ve bir antinötrino emisyonuyla bir protona dönüşür: Nötron ömrü – 896 sn.

Proton ve nötron, nükleonun iki durumu olarak kabul edilir. Bir atomun kütlesi esas olarak çekirdeğinin kütlesi tarafından belirlenir. Kütle numarası şunlara bağlıdır: toplam sayısıÇekirdekteki protonlar ve nötronlar: (Çekirdek protonları ve nötronları içerir). Bir atomun çekirdeğinin kütlesi atomik kütle birimleriyle ifade edilir. Atomik kütle birimi(amu) – bir karbon izotopunun kütlesinin 1/12'sine eşit bir kütle birimi; atom ve nükleer fizikte temel parçacıkların, atomların ve moleküllerin kütlelerini ifade etmek için kullanılır. 1 gün önce = 1,6605655 · 10 -27 kg.

Atomların çekirdeklerini belirtmek için benimsenen sembolizm

kimyasal elementin sembolü nerede, yük numarası ve kütle numarasıdır.

İzotoplar aynı yüke sahip ancak kütle numaraları farklı olan (yani nötron sayısı farklı olan) çekirdeklere denir. Örneğin,

Aynı fakat farklı olan çekirdeklere denir izobarlar. Örneğin,

Çekirdekler aynı numara nötronlar, ancak farklı sayıda proton denir izotonlar.Örneğin,

Çekirdeklerin proton ve nötron sayıları aynı ancak farklı dönemler yarı ömür denir izomerler.Örneğin, yarı ömürleri 4,4 saat 18 dakika olan iki tür brom çekirdeği vardır.

Şu anda 2300'den fazla çekirdek bilinmektedir, bunların yaklaşık 300'ü kararlı, geri kalanı kararsızdır. Doğada atom numaraları 1'den 92'ye kadar olan elementler (teknetyum ve prometyum hariç) bulunur. 93'lü elementler yapay olarak elde edilir ve transuranyum olarak adlandırılır.

Resim gösteriyor N-Z diyagramı atom çekirdekleri. Siyah noktalar kararlı çekirdekleri gösterir. Kararlı çekirdeklerin bulunduğu bölgeye genellikle kararlılık vadisi denir. Kararlı çekirdeklerin sol tarafında protonlarla aşırı yüklenmiş çekirdekler (proton açısından zengin çekirdekler), sağda ise nötronlarla aşırı yüklenmiş çekirdekler (nötron açısından zengin çekirdekler) bulunur. Protonca zengin çekirdekler radyoaktiftir ve esas olarak β+ bozunmaları sonucu kararlı hale gelir; çekirdekte bulunan proton nötrona dönüşür. Nötronca zengin çekirdekler de radyoaktiftir ve çekirdeğin bir nötronunun protona dönüşmesiyle β bozunmaları sonucu kararlı hale gelir.

Atom çekirdeğinin N-Z diyagramı

En ağır kararlı izotoplar kurşun (Z = 82) ve bizmuttur (Z = 83). Ağır çekirdekler, β + ve β - bozunma süreçlerinin yanı sıra, ana bozunma kanalları haline gelen -bozunma ve kendiliğinden fisyona da maruz kalır. Noktalı çizgi atom çekirdeğinin olası varlığının bölgesini özetlemektedir. B p = 0 çizgisi (B p, proton ayrılmasının enerjisidir) soldaki atom çekirdeklerinin varoluş bölgesini (proton damlama çizgisi) sınırlar. B çizgisi n = 0 (B n - nötron ayırma enerjisi) - sağda (nötron damlama çizgisi). Bu sınırların dışında atom çekirdeği var olamaz, çünkü karakteristik nükleer süre boyunca (~ 10 -23 s) bir veya iki nükleonun emisyonuyla bozunurlar.

Nükleer maddenin yoğunluğu 10.17 kg/m3'tür.

Nükleonların dönüşleri, momentlerin eklenmesine ilişkin kuantum yasalarına göre özetlenerek çekirdeğin ortaya çıkan dönüşünü oluşturur. Tek sayıdaki nükleonlar için çekirdeğin spini yarı tam sayı olacaktır; çift sayıdaki nükleonlar için ise sıfır veya bir tam sayı olacaktır. Çekirdekteki nükleonların çoğunun dönüşleri antiparalel olduğundan birbirini iptal eder. Bu nedenle nükleer spinler birkaç birimi aşmaz. Çift sayıda proton ve çift sayıda nötron içeren çekirdekler (çift-çift çekirdekler) sıfır dönüşe sahiptir.

En basit atomun (hidrojen atomu) çekirdeği bir taneden oluşur temel parçacık, proton denir. Diğer tüm atomların çekirdekleri iki tür parçacıktan oluşur: protonlar ve nötronlar. Bu parçacıklara nükleon denir. Proton. Protonun yükü ve kütlesi vardır

Karşılaştırma için elektron kütlesinin şuna eşit olduğunu belirtelim:

(66.1) ve (66.2)'nin karşılaştırılmasından, -Proton'un yarıya eşit bir dönüşe ve kendi manyetik momentine sahip olduğu sonucu çıkar.

Nükleer magneton adı verilen manyetik moment birimi. (33.2) ile karşılaştırıldığında Bohr magnetonundan 1836 kat daha az olduğu sonucu çıkar. Sonuç olarak protonun kendi manyetik momenti, elektronun manyetik momentinden yaklaşık 660 kat daha azdır.

Nötron. Nötron, 1932'de İngiliz fizikçi D. Chadwick tarafından keşfedildi. Elektrik yükü sıfırdır ve kütlesi

protonun kütlesine çok yakındır.

Bir nötron ile bir protonun kütleleri arasındaki fark 1,3 MeV'dir, yani.

Nötronun yarıya eşit bir dönüşü vardır ve (elektrik yükünün olmamasına rağmen) kendi manyetik momenti vardır.

(Eksi işareti, içsel mekanik ve manyetik momentlerin yönlerinin zıt olduğunu gösterir). Bunun için açıklama Muhteşem gerçek§ 69'da verilecektir.

Yüksek doğruluk derecesine sahip deneysel değerlerin oranının -3/2'ye eşit olduğunu unutmayın. Bu ancak teorik olarak böyle bir değer elde edildikten sonra fark edildi.

Serbest durumda, bir nötron kararsızdır (radyoaktiftir) - kendiliğinden bozunur, bir protona dönüşür ve bir elektron ve antinötrino adı verilen başka bir parçacık yayar (bkz. § 81). Yarı ömür (yani nötronların orijinal sayısının yarısının bozunduğu süre) yaklaşık 12 dakikadır. Bozunma şeması aşağıdaki gibi yazılabilir:

Antinötrinonun kütlesi sıfırdır. Nötronun kütlesi protonun kütlesinden daha büyüktür, dolayısıyla nötronun kütlesi denklemin (66.7) sağ tarafında yer alan parçacıkların toplam kütlesini yani 0,77 MeV aşmaktadır. Bu enerji, bir nötronun bozunması sırasında ortaya çıkan parçacıkların kinetik enerjisi biçiminde açığa çıkar.

Atom çekirdeğinin özellikleri. Biri en önemli özellikler atom çekirdeği yük numarası Z'dir. Çekirdeği oluşturan proton sayısına eşittir ve eşit olan yükünü belirler. Z sayısı, içindeki kimyasal elementin atom numarasını belirler. periyodik tablo Mendeleev. Bu nedenle çekirdeğin atom numarası da denir.

Çekirdekteki nükleonların sayısı (yani proton ve nötronların toplam sayısı) A harfi ile gösterilir ve çekirdeğin kütle numarası olarak adlandırılır. Çekirdekteki nötron sayısı eşittir

Çekirdekleri belirtmek için kullanılan sembol

burada X, elementin kimyasal sembolünü belirtir. Kütle numarası sol üst köşeye, atom numarası sol alt köşeye yerleştirilir (son simge genellikle atlanır).

Bazen kütle numarası bir kimyasal elementin sembolünün soluna değil sağına yazılır.

Aynı Z'ye sahip ancak farklı A'ya sahip çekirdeklere izotoplar denir. Çoğunluk kimyasal elementler birkaç kararlı izotopu vardır. Yani, örneğin oksijenin üç kararlı izotopu vardır: kalayın on vb.

Hidrojenin üç izotopu vardır:

Protium ve döteryum stabildir, trityum ise radyoaktiftir.

Kütle numarası A olan çekirdeklere izobar denir. Örnek olarak, aynı sayıda nötron içeren çekirdeklere izoton adı verilir.Son olarak, aynı Z ve A'ya sahip, yarı ömürleri farklı olan radyoaktif çekirdekler vardır. Bunlara izomerler denir. Örneğin çekirdeğin iki izomeri vardır; birinin yarı ömrü 18 dakika, diğerinin yarı ömrü 4,4 saattir.

Yaklaşık 1500 çekirdek bilinmektedir; bunlar Z veya A veya her ikisinde farklılık gösterir. Bu çekirdeklerin yaklaşık 1/5'i kararlı, geri kalanı ise radyoaktiftir. Birçok çekirdek yapay olarak kullanılarak elde edildi nükleer reaksiyonlar.

Teknesyum ve prometyum hariç, atom numarası Z olan 1'den 92'ye kadar olan elementler doğada bulunur.Plütonyum, yapay olarak elde edildikten sonra, doğal mineral - reçine harmanında ihmal edilebilir miktarlarda bulundu. Geriye kalan transuranyum (yani suburanyum) elementleri (Z'nin 93'ten 107'ye kadar olduğu) çeşitli nükleer reaksiyonlar yoluyla yapay olarak üretildi.

Transuranik elementler (küryum, einsteinyum, fermium) ve mendelevyum) seçkin bilim adamları P. ve M. Curie, A. Einstein, E. Fermi ve D. I. Mendeleev'in onuruna adlandırılmıştır. Lawrence, adını siklotron mucidi E. Lawrence'tan almıştır. Kurchatov) adını seçkin Sovyet fizikçisi I.V. Kurchatov'un onuruna aldı.

Kurchatovium ve 106 ve 107 numaralı elementler de dahil olmak üzere bazı transuranyum elementleri, Sovyet bilim adamı G. N. Flerov ve işbirlikçileri tarafından Dubna'daki Ortak Nükleer Araştırma Enstitüsü'nün Nükleer Reaksiyonlar Laboratuvarı'nda elde edildi.

Çekirdek boyutları. İlk yaklaşıma göre çekirdek, yarıçapı formülle oldukça kesin olarak belirlenen bir top olarak düşünülebilir.

(Fermi, nükleer fizikte kullanılan cm'ye eşit uzunluk biriminin adıdır). Formül (66.8)'den çekirdeğin hacminin çekirdekteki nükleonların sayısıyla orantılı olduğu sonucu çıkar. Dolayısıyla tüm çekirdeklerdeki madde yoğunluğu yaklaşık olarak aynıdır.

Nükleer dönüş. Nükleonların dönüşleri çekirdeğin ortaya çıkan dönüşünü oluşturur. Nükleonun spini eşittir.Bu nedenle, l çekirdeğinin spininin kuantum sayısı, tek sayıdaki A nükleonları için yarı tam sayı ve çift sayıda A için tamsayı veya sıfır olacaktır. birkaç birimi aşıyor. Bu, çekirdekteki çoğu nükleonun dönüşlerinin antiparalel olarak birbirini iptal ettiğini gösterir. Tüm çift-çift çekirdeklerin (yani, çift sayıda proton ve çift sayıda nötron içeren çekirdeklerin) spini sıfırdır.

Akademisyen A. F. IOFF. "Bilim ve Yaşam" Sayı 1, 1934

Akademisyen Abram Fedorovich Ioffe'nin "Atomun Çekirdeği" makalesi, 1934'te yeni oluşturulan "Bilim ve Yaşam" dergisinin ilk sayısını açtı.

E. Rutherford.

F. W. Aston.

MADDENİN DALGA DOĞASI

20. yüzyılın başlarında maddenin atomik yapısı bir hipotez olmaktan çıktı ve atom, bizim için ortak olan olgu ve olgular ne kadar gerçekse o kadar gerçek oldu.

Atomun, kuşkusuz elektrik yüklerini ve belki de yalnızca yalnızca elektrik yüklerini içeren çok karmaşık bir oluşum olduğu ortaya çıktı. Bu doğal olarak atomun yapısı sorusunu gündeme getirdi.

Atomun ilk modeli daha sonra modellendi Güneş Sistemi. Ancak atomun yapısıyla ilgili bu fikrin çok geçmeden savunulamaz olduğu ortaya çıktı. Ve bu doğaldır. Atomun bir güneş sistemi olduğu fikri, astronomik ölçeklerle ilişkili resmin, ölçeklerin santimetrenin yalnızca yüz milyonda biri olduğu atom bölgesine tamamen mekanik olarak aktarılmasıydı. Bu kadar keskin bir niceliksel değişim çok büyük bir değişime yol açamazdı. Önemli değişiklik aynı fenomenin niteliksel özellikleri. Bu fark öncelikle atomun, güneş sisteminden farklı olarak, güneş sistemindeki gezegenlerin yörüngelerini belirleyen yasalardan çok daha katı kurallara göre inşa edilmesi gerektiği gerçeğini etkiledi.

İki zorluk ortaya çıktı. Birincisi, belirli bir türdeki, belirli bir elementin tüm atomları, fiziksel özellikleri bakımından tamamen aynıdır ve bu nedenle, bu atomlardaki elektronların yörüngeleri tamamen aynı olmalıdır. Öte yandan gök cisimlerinin hareketini belirleyen mekanik kanunları da buna kesinlikle bir temel oluşturmamaktadır. Başlangıç ​​hızına bağlı olarak gezegenin yörüngesi, bu yasalara göre tamamen keyfi olabilir; gezegen, Güneş'ten herhangi bir mesafede, herhangi bir yörüngede her seferinde uygun hızla dönebilir. Atomlarda aynı keyfi yörüngeler mevcut olsaydı, o zaman aynı maddenin atomları özellikleri açısından o kadar aynı olamazdı, örneğin tamamen aynı bir lüminesans spektrumu veremezdi. Bu bir çelişkidir.

Bir diğeri ise, laboratuvar deneylerinde geniş ölçekte iyice incelediğimiz yasaları ve hatta astronomik olayları ona uygularsak, bir elektronun atom çekirdeği etrafındaki hareketine sürekli enerji ışınımının eşlik etmesi gerektiğiydi. Sonuç olarak, atomun enerjisinin sürekli tükenmesi gerekecek, yine atom, yüzyıllar ve bin yıllar boyunca aynı ve değişmeden özelliklerini koruyamayacak, tüm dünya ve tüm atomlar sürekli bir zayıflama yaşamak zorunda kalacaktı. İçlerinde bulunan enerjinin sürekli kaybı. Bu durum atomların temel özellikleriyle de hiçbir şekilde bağdaşmaz.

Son zorluk özellikle şiddetli bir şekilde hissedildi. Bütün bilimi çözümsüz bir çıkmaza sürüklüyor gibiydi.

Ünlü fizikçi Lorentz bu konudaki sohbetimizi şu şekilde sonlandırdı: "Beş yıl önce, bu çelişkinin henüz var olmadığı bir zamanda ölmediğime pişmanım. O zaman gerçeğin bir kısmını açığa çıkardığım inancıyla ölürdüm. doğal olaylar."

Aynı zamanda, 1924 baharında, Langevin'in genç bir öğrencisi olan de Broglie, tezinde, tezinin daha da geliştirilmesinin yeni bir senteze yol açacağı fikrini dile getirdi.

De Broglie'nin o zamanlar önemli ölçüde değişen ama hâlâ büyük ölçüde korunan fikri, bir atomdaki çekirdeğin etrafında dönen bir elektronun hareketinin, daha önce düşünüldüğü gibi yalnızca belirli bir topun hareketi olmadığı, bu harekete bazı hareketlerin eşlik ettiği yönündeydi. Hareket eden bir elektronla birlikte hareket eden bir dalga. Elektron bir top değil, hareketi aynı zamanda bir dalganın yayılmasını temsil eden, uzayda bulanık bir tür elektriksel maddedir.

Daha sonra sadece elektronlara değil, aynı zamanda herhangi bir cismin (bir elektron, bir atom ve bir dizi atom) hareketine de yayılan bu fikir, bir cismin herhangi bir hareketinin iki taraf içerdiğini belirtir; bazı durumlarda buradan hareket edebiliriz. özellikle bir tarafı açıkça görürken diğer tarafı gözle görülür şekilde ortaya çıkmıyor. Bir durumda, sanki yayılan dalgaları görüyoruz ve parçacıkların hareketini fark etmiyoruz; diğer durumda ise tam tersine, hareketli parçacıkların kendisi öne çıkıyor ve dalga gözlemimizden kaçıyor.

Ancak gerçekte bu tarafların her ikisi de her zaman mevcuttur ve özellikle elektronların hareketinde yalnızca yüklerin hareketi değil, aynı zamanda dalganın yayılması da vardır.

Yörüngelerde elektronların hareketinin olmadığı, sadece titreşimin, sadece dalgaların yani başka bir şeyin olduğu söylenemez. Hayır, şunu söylemek daha doğru olur: Gezegenlerin Güneş etrafındaki hareketine benzettiğimiz elektrotların hareketini inkar etmiyoruz ama bu hareketin kendisi bir nabız karakterindedir, bir nabız karakterinde değildir. hareket küre güneşin etrafında.

Burada atomun yapısını, onun tüm temel yapılarını belirleyen elektronik kabuğunun yapısını anlatmayacağım. fiziki ozellikleri- yapışma, esneklik, kılcallık, kimyasal özellikler vb. Bütün bunlar elektron kabuğunun hareketinin veya şimdi dediğimiz gibi atomun titreşiminin sonucudur.

ATOM ÇEKİRDEĞİ SORUNU

Çekirdek atomdaki en önemli rolü oynar. Burası, tüm elektronların etrafında döndüğü ve özellikleri sonuçta diğer her şeyi belirleyen merkezdir.

Çekirdek hakkında öğrenebileceğimiz ilk şey yüküdür. Bir atomun belirli sayıda negatif yüklü elektron içerdiğini biliyoruz, ancak atomun bir bütün olarak elektrik yükü yoktur. Bu, bir yerlerde karşılık gelen pozitif yüklerin olması gerektiği anlamına gelir. Bu pozitif yükler çekirdekte yoğunlaşmıştır. Çekirdek, çekirdeği çevreleyen elektron atmosferinin etrafında titreştiği pozitif yüklü bir parçacıktır. Çekirdeğin yükü aynı zamanda elektron sayısını da belirler.

Demir ile bakırın, cam ile ahşabın elektronları tamamen aynıdır. Bir atomun elektronlarından birkaçını kaybetmesi, hatta elektronlarının tamamını kaybetmesi sorun değildir. Pozitif yüklü çekirdek kaldığı sürece bu çekirdek, etrafındaki diğer cisimlerden ihtiyaç duyduğu kadar elektronu çekecek ve atom korunacaktır. Bir demir atomu, çekirdeği sağlam olduğu sürece demir olarak kalacaktır. Birkaç elektron kaybederse, çekirdeğin pozitif yükü kalan negatif yüklerin toplamından daha büyük olacak ve bir bütün olarak atomun tamamı aşırı pozitif yük kazanacaktır. O zaman ona atom değil diyoruz, ama pozitif iyon bezi. Başka bir durumda, atom, tam tersine, pozitif yüklere sahip olduğundan daha fazla negatif elektronu kendine çekebilir - o zaman negatif yüklü olacaktır ve biz buna negatif iyon diyoruz; aynı elementin negatif iyonu olacaktır. Sonuç olarak, bir elementin bireyselliği, tüm özellikleri vardır ve her şeyden önce bu çekirdeğin yükü olan çekirdek tarafından belirlenir.

Ayrıca, bir atomun kütlesinin büyük çoğunluğu elektronlar tarafından değil, tam olarak çekirdek tarafından belirlenir - elektronların kütlesi, tüm atomun kütlesinin binde birinden azdır; Toplam kütlenin 0,999'undan fazlası çekirdeğin kütlesidir. Bu daha da önemlidir çünkü kütleyi belirli bir maddenin sahip olduğu enerji rezervinin bir ölçüsü olarak görüyoruz; kütle, erg, kilowatt-saat veya kalori ile aynı enerji ölçüsüdür.

Çekirdeğin karmaşıklığı, yüzyılımızın başında X ışınlarından kısa bir süre sonra keşfedilen radyoaktivite olgusunda ortaya çıktı. Radyoaktif elementlerin sürekli olarak alfa, beta ve gama ışınları şeklinde enerji yaydıkları bilinmektedir. Ancak bu tür sürekli enerji radyasyonunun bir kaynağı olması gerekir. 1902 yılında Rutherford bu enerjinin tek kaynağının atom olması gerektiğini yani nükleer güç. Radyoaktivitenin diğer tarafı ise bu ışınların emisyonunun periyodik tablonun bir yerinde bulunan bir elementi farklı kimyasal özelliklere sahip başka bir elemente dönüştürmesidir. Başka bir deyişle radyoaktif süreçler elementleri dönüştürür. Eğer bir atomun çekirdeğinin onun bireyselliğini belirlediği ve çekirdek sağlam olduğu sürece atomun belirli bir elementin atomu olarak kaldığı ve başka bir elementin atomu olmadığı doğruysa, o zaman bir elementten diğerine geçiş onun yapısında bir değişiklik anlamına gelir. atomun tam çekirdeği.

Radyoaktif maddelerin yaydığı ışınlar, bazı şeyler yaratmanıza olanak tanıyan ilk yaklaşımı sağlar. Genel fikirçekirdeğin içinde ne olduğu hakkında.

Alfa ışınları helyum çekirdeğidir ve helyum periyodik tablonun ikinci elementidir. Dolayısıyla çekirdeğin helyum çekirdeği içerdiği düşünülebilir. Ancak alfa ışınlarının yayılma hızlarının anında ölçülmesi çok ciddi bir zorluğa yol açmaktadır.

GAMOW'UN RADYOAKTİVİTE TEORİSİ

Çekirdek pozitif yüklüdür. Herhangi bir yüklü parçacık ona yaklaşırken bir çekim veya itme kuvvetiyle karşılaşır. Büyük bir laboratuvar ölçeğinde, elektrik yüklerinin etkileşimleri Coulomb yasasına göre belirlenir: iki yük birbirleriyle, aralarındaki mesafenin karesiyle ters orantılı ve doğrudan bir kuvvetle etkileşime girer. büyüklükle orantılı biri ve diğeri ücret. Parçacıkların çekirdeğe yaklaşırken maruz kaldıkları çekim ve itme yasalarını inceleyen Rutherford, çekirdeğe çok yakın mesafelerde (10-12 cm civarında) aynı Coulomb yasasının hala geçerli olduğunu buldu. Eğer durum böyleyse, çekirdeğin, pozitif yükü çekirdeği terk edip dışarı atarken itmesi için çekirdeğin ne kadar iş yapması gerektiğini kolaylıkla hesaplayabiliriz. Çekirdekten kaçan alfa parçacıkları ve yüklü helyum çekirdekleri, yükünün itici etkisi altında hareket eder; ve buna karşılık gelen hesaplama, yalnızca itme etkisi altında, alfa parçacıklarının buna göre birikmiş kinetik enerjiye sahip olması gerektiğini gösterir. en azından, 10 veya 20 milyon elektron volt, yani bir elektronun yüküne eşit bir yükün 20 milyon voltluk potansiyel farkından geçmesi durumunda elde edilen enerji. Ama aslında bir atomdan uçarken çok daha az enerjiyle, yalnızca 1-5 milyon elektron voltla ortaya çıkarlar. Ama bunun yanında,

Çekirdeğin bir alfa parçacığını fırlattığında ona ek olarak başka bir şey daha vermesini beklemek doğaldı. Fırlatma anında çekirdekte patlamaya benzer bir şey meydana gelir ve bu patlamanın kendisi de bir tür enerji verir; Buna itici kuvvetlerin işi de eklenir ve bu enerjilerin toplamının, tek başına itmenin vermesi gerekenden daha az olduğu ortaya çıkar. Çalışma deneyimi yoluyla geliştirilen görüşleri bu alana mekanik olarak aktarmayı reddettiğimiz anda bu çelişki ortadan kalkar. büyük bedenler, burada hareketin dalga doğasını hesaba katmıyoruz. G. A. Gamov ilk veren oldu doğru yorumlamaÇekirdeğin ve radyoaktif süreçlerin dalga teorisini yaratan da bu çelişkiydi.

Yeterli olduğu biliniyor uzun mesafeler(10-12 cm'den fazla) çekirdek pozitif yükü kendisinden uzaklaştırır. Öte yandan, pek çok pozitif yük içeren çekirdeğin içinde bazı nedenlerden dolayı itmediklerine şüphe yoktur. Çekirdeğin varlığı, çekirdeğin içindeki pozitif yüklerin karşılıklı olarak birbirini çektiğini, çekirdeğin dışında ise birbirini ittiğini göstermektedir.

Çekirdeğin içindeki ve çevresindeki enerji koşullarını nasıl tanımlayabiliriz? Gamow aşağıdaki gösterimi oluşturdu. Diyagramda (Şekil 5) belirli bir konumdaki pozitif yük enerjisinin miktarını yatay çizgiden uzaklığa göre göstereceğiz. A.

Çekirdeğe yaklaştıkça yükün enerjisi artacaktır çünkü itme kuvvetine karşı iş yapılacaktır. Çekirdeğin içinde ise tam tersine enerjinin tekrar azalması gerekir çünkü burada karşılıklı itme değil, karşılıklı çekim vardır. Çekirdeğin sınırlarında enerji değerinde keskin bir azalma vardır. Çizimimiz bir düzlem üzerinde tasvir edilmiştir; aslında elbette onu uzayda, diğer tüm yönlerde aynı enerji dağılımına sahip olarak hayal etmeniz gerekiyor. Daha sonra çekirdeğin etrafında, çekirdeği pozitif yüklerin nüfuzundan koruyan bir tür enerji bariyeri gibi, "Gamow bariyeri" olarak adlandırılan, yüksek enerjiye sahip küresel bir katman olduğunu anlıyoruz.

Bir cismin hareketi hakkındaki olağan görüşlerin bakış açısına göre durursak ve onun dalga doğasını unutursak, o zaman yalnızca enerjisi en az olan böyle bir pozitif yükün çekirdeğe nüfuz edebileceğini beklemeliyiz. bariyerin yüksekliği. Aksine, çekirdeği terk etmek için yükün önce bariyerin tepesine ulaşması, ardından da bariyerin tepesine ulaşması gerekir. kinetik enerjiçekirdekten uzaklaştıkça artmaya başlayacaktır. Eğer bariyerin tepesinde enerji sıfırsa, atomdan uzaklaştırıldığında aslında hiçbir zaman gözlemlenmeyen aynı 20 milyon elektron voltu alacaktır. Gamow'un ortaya koyduğu yeni çekirdek anlayışı şu şekildedir. Bir parçacığın hareketi bir dalga olarak düşünülmelidir. Sonuç olarak bu hareket, yalnızca parçacığın işgal ettiği noktada değil, oldukça geniş bir alanı kaplayan parçacığın tüm dağınık dalgası boyunca enerjiden etkilenir. Dalga mekaniği kavramlarına dayanarak, belirli bir noktadaki enerji bariyerin tepesine karşılık gelen sınıra ulaşmamış olsa bile parçacığın, engelin olmadığı diğer tarafa geçebileceğini iddia edebiliriz. orada etki eden çekici kuvvetler tarafından daha uzun süre çekirdeğe çekilir.

Aşağıdaki deney benzer bir şeyi temsil ediyor. Odanın duvarının arkasında bir varil su olduğunu hayal edin. Bu varilden, duvardaki bir delikten geçerek su sağlayan bir boru çekilir; aşağıya su akıyor. Bu, sifon adı verilen iyi bilinen bir cihazdır. Bu taraftaki namlu borunun ucundan daha yükseğe yerleştirilirse, su namlunun içinden ve borunun ucundaki su seviyesi farkına göre belirlenen bir hızda sürekli olarak akacaktır. Burada şaşırtıcı bir şey yok. Ancak duvarın diğer tarafında bir varilin varlığını bilmiyorsanız ve yalnızca suyun büyük bir yükseklikten aktığı bir boru gördüyseniz, o zaman bu gerçek sizin için uzlaşmaz bir çelişki gibi görünecektir. Su büyük bir yükseklikten akar ve aynı zamanda borunun yüksekliğine karşılık gelen enerjiyi biriktirmez. Ancak bu durumda açıklama açıktır.

Çekirdekte de benzer bir olgu var. Normal konumundan şarj edin A daha büyük bir enerji durumuna yükselir İÇİNDE, ancak bariyerin tepesine hiç ulaşmıyor İLE(Şekil 6).

Devletten İÇİNDE Bir bariyerden geçen bir alfa parçacığı, en üstten değil çekirdekten itilmeye başlar. İLE ve daha düşük bir enerji yüksekliğinden B1. Dolayısıyla dışarı çıkarken parçacığın biriktirdiği enerji yüksekliğe bağlı olmayacaktır. İLE ve eşit daha düşük bir yükseklikten B1(Şekil 7).

Bu niteliksel akıl yürütme niceliksel forma dönüştürülebilir ve enerjiye bağlı olarak bir alfa parçacığının bariyeri geçme olasılığını belirleyen bir yasa verilebilir. İÇİNDEçekirdekte sahip olduğu ve dolayısıyla atomdan ayrılırken aldığı enerjiden.

Bir dizi deney sonucunda, radyoaktif maddelerin yaydığı alfa parçacıklarının sayısını, enerjilerine veya hızlarına bağlayan çok basit bir yasa oluşturuldu. Ancak bu yasanın anlamı tamamen belirsizdi.

Gamow'un ilk başarısı, alfa parçacıklarının yayılmasına ilişkin bu niceliksel yasanın, kendi teorisinden tamamen kesin ve kolay bir şekilde çıkmasında yatıyordu. Artık “Gamow enerji bariyeri” ve onun dalga yorumu, çekirdek hakkındaki tüm fikirlerimizin temelini oluşturuyor.

Alfa ışınlarının özellikleri, Gamow'un teorisi tarafından niteliksel ve niceliksel olarak iyi bir şekilde açıklanmaktadır, ancak radyoaktif maddelerin aynı zamanda hızlı elektron akışları olan beta ışınlarını da yaydığı bilinmektedir. Model elektron emisyonunu açıklayamıyor. Bu, atom çekirdeği teorisindeki, yakın zamana kadar çözümsüz kalan, ancak artık çözümü ufukta görünen en ciddi çelişkilerden biridir.

ÇEKİRDEK YAPISI

Şimdi çekirdeğin yapısı hakkında bildiklerimize geçelim.

100 yıldan fazla bir süre önce Prout, periyodik tablodaki elementlerin belki de maddenin ayrı ve ilgisiz formları olmadığı, yalnızca temsil ettiği fikrini ortaya attı. farklı kombinasyonlar hidrojen atomu. Eğer durum böyle olsaydı, o zaman sadece tüm çekirdeklerin yüklerinin hidrojen yükünün tam katları olması değil, aynı zamanda tüm çekirdeklerin kütlelerinin de hidrojen çekirdeğinin kütlesinin tamsayı katları olarak ifade edilmesi beklenirdi; tüm atom ağırlıklarının tam sayılarla ifade edilmesi gerekirdi. Ve gerçekten de atom ağırlıkları tablosuna bakarsanız şunu görebilirsiniz: Büyük sayı tamsayılar. Örneğin karbon tam 12, nitrojen tam 14, oksijen tam 16, flor tam 19. Bu elbette bir tesadüf değil. Ancak hala tam sayılardan uzak atom ağırlıkları var. Örneğin neonun atom ağırlığı 20,2, klor ise 35,46'dır. Bu nedenle Prout'un hipotezi kısmi bir tahmin olarak kaldı ve atomun yapısına ilişkin bir teori haline gelemedi. Yüklü iyonların davranışını inceleyerek, atom çekirdeğinin özelliklerini, örneğin bir elektrik ve manyetik alanla etkileyerek incelemek özellikle kolaydır.

Aston tarafından son derece yüksek bir doğruluğa getirilen buna dayalı yöntem, atom ağırlıkları tam sayılarla ifade edilmeyen tüm elementlerin aslında homojen bir madde değil, iki veya daha fazlasının karışımı - 3, 4 - olduğunu tespit etmeyi mümkün kıldı. , 9 - farklı şekiller atomlar. Örneğin klorun atom ağırlığı 35,46'dır çünkü aslında birkaç çeşit klor atomu vardır. Atom ağırlığı 35 ve 37 olan klor atomları vardır ve bu iki klor türü, ortalama atom ağırlıkları 35,46 olacak oranda birbirine karıştırılır. Sadece bu özel durumda değil, atom ağırlıklarının tamsayılarla ifade edilmediği istisnasız tüm durumlarda, izotopların, yani aynı yüke sahip atomların, dolayısıyla aynı elementi temsil eden bir karışımına sahip olduğumuz ortaya çıktı. ama farklı kitlelerle. Her bir atom tipi her zaman tam bir atom ağırlığına sahiptir.

Böylece, Prout'un hipotezi hemen önemli ölçüde desteklendi ve bir istisna, yani hidrojenin kendisi hariç, sorunun çözülmüş olduğu düşünülebilir. Gerçek şu ki, atom ağırlıkları sistemimiz tek olarak alınan hidrojen üzerine değil, geleneksel olarak 16 olarak alınan oksijenin atom ağırlığı üzerine kuruludur. Bu ağırlığa göre atom ağırlıkları neredeyse tam tamsayılar olarak ifade edilir. Ancak bu sistemdeki hidrojenin atom ağırlığı bir değil, biraz daha fazladır, yani 1,0078. Bu sayı birlikten oldukça farklıdır - %3/4 oranında, bu da atom ağırlığının belirlenmesinde olası tüm hataların çok üzerindedir.

Oksijenin ayrıca 3 izotopu olduğu ortaya çıktı: baskın olana ek olarak atom ağırlığı 16, diğeri atom ağırlığı 17 ve üçüncüsü atom ağırlığı 18. Tüm atom ağırlıklarını izotop 16'ya atarsak, hidrojenin atom ağırlığı yine de birden biraz daha büyük olacaktır. Daha sonra, hidrojenin ikinci bir izotopu bulundu - atom ağırlığı 2 olan hidrojen - onu keşfeden Amerikalıların dediği gibi döteryum veya İngilizlerin dediği gibi diplojen. Bu döteryumun yalnızca 1/6000'i karışmıştır ve bu nedenle bu safsızlığın varlığının hidrojenin atom ağırlığı üzerinde çok az etkisi vardır.

Hidrojenin yanında helyumun da atom ağırlığı 4.002'dir. Eğer 4 hidrojenden oluşsaydı atom ağırlığı açıkça 4,031 olurdu. Dolayısıyla bu durumda atom ağırlığında bir miktar kayıp olur: 4,031 - 4,002 = 0,029. Bu mümkün mü? Kütleyi maddenin bir ölçüsü olarak kabul edene kadar elbette bu imkansızdı; bu, maddenin bir kısmının kaybolduğu anlamına geliyordu.

Ancak görelilik teorisi, kütlenin madde miktarının bir ölçüsü değil, bu maddenin sahip olduğu enerjinin bir ölçüsü olduğunu şüpheye yer bırakmayacak şekilde ortaya koymuştur. Madde kütleyle değil, o maddeyi oluşturan yüklerin sayısıyla ölçülür. Bu yükler daha fazla veya daha az enerjiye sahip olabilir. Aynı yükler yaklaştıkça enerji artar, uzaklaştıkça enerji azalır. Ancak bu elbette maddenin değiştiği anlamına gelmiyor.

4 hidrojenden helyumun oluşumu sırasında 0,029 atom ağırlığının kaybolduğunu söylediğimizde bu değere karşılık gelen enerjinin kaybolduğu anlamına gelir. Bir maddenin her gramının 9'a eşit bir enerjiye sahip olduğunu biliyoruz. 10 20 erg. 4 g helyum oluştuğunda kaybedilen enerji 0,029'dur. 9. 10 20 ergam. Enerjideki bu azalmaya bağlı olarak 4 hidrojen çekirdeği birleşerek yeni bir çekirdek oluşturacaktır. Fazla enerji çevredeki boşluğa salınacak ve biraz daha az enerji ve kütleye sahip bir bileşik kalacaktır. Dolayısıyla, atom ağırlıkları tam olarak 4 veya 1 tam sayılarıyla değil, 4,002 ve 1,0078 ile ölçülüyorsa, o zaman bu binde birler özel önem kazanır çünkü çekirdeğin oluşumu sırasında açığa çıkan enerjiyi belirlerler.

Bir çekirdeğin oluşumu sırasında ne kadar fazla enerji açığa çıkarsa, yani atom ağırlığındaki kayıp ne kadar fazla olursa çekirdek o kadar güçlü olur. Özellikle helyum çekirdeği çok güçlüdür, çünkü oluştuğunda atom ağırlığındaki kayba (0,029) karşılık gelen enerji açığa çıkar. Bu çok yüksek bir enerjidir. Bunu yargılamak için şu basit oranı hatırlamakta fayda var: Atom ağırlığının binde biri yaklaşık 1 milyon elektron volta karşılık gelir. Yani 0,029 yaklaşık 29 milyon elektron volttur. Bir helyum çekirdeğini yok edip onu tekrar 4 hidrojene ayrıştırmak için devasa bir enerjiye ihtiyaç vardır. Çekirdek böyle bir enerji almaz, bu nedenle helyum çekirdeği son derece kararlıdır ve bu nedenle radyoaktif çekirdeklerden hidrojen çekirdekleri değil, tüm helyum çekirdekleri, alfa parçacıkları salınır. Bu düşünceler bizi atom enerjisinin yeni bir değerlendirmesine götürüyor. Bir atomun neredeyse tüm enerjisinin çekirdekte yoğunlaştığını ve bunda da muazzam bir enerjinin bulunduğunu zaten biliyoruz. 1 gram madde, daha görsel bir dile çevrilirse, 10 tren 100 vagon petrolün yakılmasıyla elde edilebilecek enerji kadar enerjiye sahiptir. Bu nedenle çekirdek tamamen olağanüstü bir enerji kaynağıdır. 1 g'yi 10 trenle karşılaştırın - bu, çekirdekteki enerji konsantrasyonunun teknolojimizde kullandığımız enerjiye oranıdır.

Ancak şu anda ele aldığımız gerçekleri düşünürseniz, tam tersine, çekirdekle ilgili tamamen zıt bir görüşe varabilirsiniz. Bu açıdan çekirdek bir enerji kaynağı değil, onun mezarlığıdır: Çekirdek, büyük miktarda enerjinin salınmasından sonra kalan kısımdır ve onun içinde en düşük enerji durumuna sahibiz.

Sonuç olarak, eğer nükleer enerji kullanma olasılığı hakkında konuşabilirsek, o zaman belki de tüm çekirdeklerin aşırı derecede düşük enerjiye ulaşmadığı anlamında: sonuçta, hem hidrojen hem de helyum doğada mevcuttur ve bu nedenle hidrojenin tamamı yoktur. helyumun enerjisi daha az olmasına rağmen helyuma dönüşür. Eğer mevcut hidrojeni helyuma dönüştürebilseydik belli bir miktar enerji elde ederdik. Bu 10 trenin petrolü değil ama yine de yaklaşık 10 vagonun petrolü olacak. Ve 1 g maddeden 10 vagon yağın yakılması kadar enerji elde etmek mümkün olsaydı, bu o kadar da kötü değil.

Bunlar çekirdeğin yeniden düzenlenmesi sırasında olası enerji rezervleridir. Ancak olasılık elbette gerçeklikten uzaktır.

Bu fırsatlar nasıl hayata geçirilebilir? Bunları değerlendirmek için atom çekirdeğinin bileşimini ele alalım.

Artık tüm çekirdeklerin proton adı verilen, birim atom ağırlığına (tam olarak 1,0078) ve birim pozitif yüke sahip pozitif hidrojen çekirdekleri içerdiğini söyleyebiliriz. Ancak çekirdek yalnızca protonlardan oluşamaz. Mesela en çok şunu ele alalım ağır element Periyodik tabloda 92. sırada yer alan uranyum atom ağırlığı 238'dir. Bu 238 birimin tamamının protonlardan oluştuğunu varsayarsak, uranyumun 238 yükü varken, yalnızca 92 yükü olacaktır. Dolayısıyla ya hepsi değil. parçacıklar orada yüklüdür veya 238 protona ek olarak 146 negatif elektron vardır. O zaman her şey yolundadır: atom ağırlığı 238, pozitif yük 238 ve negatif 146 olacaktır, dolayısıyla toplam yük 92 olacaktır. Ancak çekirdekte elektronların varlığı varsayımının fikirlerimiz ile bağdaşmadığını zaten tespit etmiştik: ikisi de Elektronların boyutu ya da manyetik özellikleri bakımından çekirdeğe yerleştirilemez. Bir çeşit çelişki kaldı.

NÖTRONUN KEŞFİ

Bu çelişki, yaklaşık iki yıl önce Irene Curie ve kocası Joliot (Irene Curie, radyumu keşfeden Marie Curie'nin kızıdır) tarafından keşfedilen yeni bir deneysel gerçekle ortadan kaldırıldı. Irene Curie ve Joliot, berilyumun (periyodik tablonun dördüncü elementi) alfa parçacıklarıyla bombardımana tutulduğunda berilyumun, maddenin muazzam kalınlıklarına nüfuz eden bazı tuhaf ışınlar yaydığını keşfetti. Görünüşe göre maddelere çok kolay nüfuz ettikleri için orada önemli bir etki yaratmamaları gerekiyor, aksi takdirde enerjileri tükenecek ve maddeye nüfuz edemeyeceklerdi. Öte yandan, bir atomun çekirdeğine çarpan bu ışınların, sanki ağır bir parçacık çarpmış gibi onu muazzam bir kuvvetle reddettiği ortaya çıktı. Yani bir yandan bu ışınların ağır çekirdekler olduğunu, diğer yandan ise hiçbir etki uygulamadan çok büyük kalınlıklardan geçebilecek kapasitede olduklarını düşünmek gerekir.

Bu çelişkinin çözümü, bu parçacığın yüklü olmaması gerçeğinde bulundu. Bir parçacığın elektrik yükü yoksa, o zaman hiçbir şey ona etki etmeyecek ve kendisi de hiçbir şeye etki etmeyecektir. Ancak hareketi sırasında bir yerde bir gülleye çarptığında onu fırlatır.

Böylece yeni yüksüz parçacıklar ortaya çıktı - nötronlar. Bu parçacığın kütlesinin yaklaşık olarak bir hidrojen parçacığının kütlesiyle aynı olduğu ortaya çıktı - 1.0065 (bir protondan binde bir daha az, bu nedenle enerjisi yaklaşık 1 milyon elektron volt daha azdır). Bu parçacık bir protona benzer, ancak yalnızca pozitif yükü yoktur, nötrdür, ona nötron adı verilmiştir.

Nötronların varlığı netleştikten sonra çekirdeğin yapısına dair tamamen farklı bir fikir öne sürüldü. İlk olarak D. D. Ivanenko tarafından dile getirilmiş, daha sonra özellikle geçen yıl Nobel Ödülü alan Heisenberg tarafından geliştirilmiştir. Çekirdek proton ve nötron içerebilir. Çekirdeğin yalnızca proton ve nötronlardan oluştuğu varsayılabilir. O zaman periyodik sistemin tüm yapısı tamamen farklı ama çok basit görünüyor. Örneğin uranyumu nasıl hayal etmeliyiz? Atom ağırlığı 238'dir, yani 238 tanecik vardır. Ancak bunların bir kısmı proton, bir kısmı nötrondur. Her protonun pozitif yükü vardır; nötronların ise hiçbir yükü yoktur. Uranyumun yükü 92 ise, bu, 92'sinin proton ve geri kalanının nötron olduğu anlamına gelir. Bu fikrin şimdiden çok sayıda dikkate değer başarıya yol açtığı hemen açıklığa kavuşturuldu: bütün çizgi Periyodik tablonun daha önce tamamen gizemli görünen özellikleri. Az sayıda proton ve nötron olduğunda, dalga mekaniğinin modern kavramlarına göre, çekirdekteki proton ve nötron sayısının aynı olması beklenmelidir. Yalnızca protonun yükü vardır ve proton sayısı atom numarasını verir. Ve bir elementin atom ağırlığı, proton ve nötronların ağırlıklarının toplamıdır, çünkü her ikisi de aynı atom ağırlığına sahiptir. Buna dayanarak atom numarasının atom ağırlığının yarısı olduğunu söyleyebiliriz.

Şimdi hâlâ bir zorluk, bir çelişki var. Bu beta parçacıklarının yarattığı çelişkidir.

POZİTRONUN KEŞFİ

Çekirdekte pozitif yüklü proton dışında hiçbir şeyin olmadığı sonucuna vardık. Peki, eğer çekirdekte hiç negatif yük yoksa, negatif elektronlar nasıl çekirdekten dışarı atılıyor? Gördüğünüz gibi zor durumdayız.

Yeni bir deneysel gerçek, yeni bir keşif bizi yine bunun dışına çıkarıyor. Bu keşif belki de ilk kez kozmik ışınları uzun süredir inceleyen D.V. Skobeltsyn tarafından yapıldı ve kozmik ışınların yaydığı yükler arasında pozitif ışık parçacıklarının da bulunduğunu buldu. Ancak bu keşif, kesin olarak tespit edilen her şeye o kadar aykırıydı ki, Skobeltsyn ilk başta gözlemlerine böyle bir yorum getirmedi.

Bu fenomeni keşfeden bir sonraki kişi, Pasadena'daki (Kaliforniya) Amerikalı fizikçi Andersen ve ondan sonra İngiltere'deki Rutherford'un laboratuvarı Blackett'ti. Bunlar pozitif elektronlar veya pek iyi adlandırılmadıkları için pozitronlardır. Bunların gerçekten pozitif elektronlar olduğu, en kolay şekilde manyetik alandaki davranışlarından görülebilir. Manyetik alanda elektronlar bir yönde, pozitronlar diğer yönde saptırılır ve sapma yönleri işaretlerini belirler.

İlk başta pozitronlar yalnızca kozmik ışınların geçişi sırasında gözlemlendi. Son zamanlarda aynı Irene Curie ve Joliot yeni ve dikkate değer bir fenomeni keşfettiler. Orada olduğu ortaya çıktı yeni tip radyoaktivite, kendi başlarına radyoaktif olmayan alüminyum, bor, magnezyum çekirdeklerinin alfa ışınlarıyla bombardıman edildiğinde radyoaktif hale gelmesi. 2 ila 14 dakika boyunca kendi kendilerine parçacık yaymaya devam ederler ve bu parçacıklar artık alfa ve beta ışınları değil, pozitronlardır.

Pozitron teorisi, pozitronun bulunmasından çok daha önce yaratılmıştı. Dirac, dalga mekaniği denklemlerine görelilik teorisini de tatmin edecek bir biçim verme görevini üstlendi.

Ancak bu Dirac denklemleri çok tuhaf bir sonuca yol açtı. Kütle onlara simetrik olarak girer, yani kütlenin işareti tersine değiştiğinde denklemler değişmez. Denklemlerin kütleye göre bu simetrisi, Dirac'ın pozitif elektronların var olma olasılığını öngörmesine olanak sağladı.

O zamanlar hiç kimse pozitif elektronları gözlemlememişti ve pozitif elektronların olmadığına dair güçlü bir inanç vardı (bu, hem Skobeltsyn hem de Andersen'in bu konuya yaklaşımlarındaki ihtiyatla değerlendirilebilir), bu nedenle Dirac'ın teorisi reddedildi. İki yıl sonra, pozitif elektronlar gerçekten bulundu ve doğal olarak Dirac'ın onların ortaya çıkışını öngören teorisini hatırladılar.

"MADDELENME" VE "YOK OLMA"

Bu teori, onu her yönden çevreleyen bir dizi asılsız yorumla ilişkilidir. Burada, Madame Curie'nin inisiyatifiyle bu adı alan maddeleşme sürecini analiz etmek istiyorum - gama ışınları maddeden geçerken aynı anda bir çift pozitif ve negatif elektronun ortaya çıkışı. Bu deneysel gerçek, elektromanyetik enerjinin daha önce var olmayan iki madde parçacığına dönüşmesi olarak yorumlanıyor. Dolayısıyla bu gerçek, maddenin diğer ışınların etkisiyle yaratılıp yok olması şeklinde yorumlanır.

Ancak gerçekte gözlemlediklerimize daha yakından bakarsak, çiftlerin görünümüne ilişkin böyle bir yorumun hiçbir dayanağı olmadığını görmek kolaydır. Özellikle Skobeltsyn'in çalışması, gama ışınlarının etkisi altındaki bir çift yük görünümünün boş uzayda hiç meydana gelmediğini açıkça gösteriyor; çiftlerin görünümü her zaman yalnızca atomlarda gözlenir. Sonuç olarak, burada enerjinin maddeleşmesiyle, yeni bir maddenin ortaya çıkmasıyla değil, yalnızca atomda zaten var olan madde içindeki yüklerin ayrılmasıyla uğraşıyoruz. Neredeydi? Pozitif ve negatif yükü bölme işleminin çekirdekten çok uzakta değil, atomun içinde gerçekleştiğini, ancak çekirdeğin içinde gerçekleşmediğini düşünmek gerekir (10 -10 -10 -11 cm gibi nispeten çok büyük olmayan bir mesafede, yarıçap ise çekirdeğin uzunluğu 10 -12 -10 -13 cm'dir).

Tamamen aynı şey, "madde yok oluşu"nun ters süreci için de söylenebilir - negatif ve pozitif bir elektronun iki kuantum elektromanyetik gama ışını formunda bir milyon elektron voltluk enerjinin salınmasıyla birleşimi. Ve bu süreç her zaman atomda, görünüşe göre çekirdeğinin yakınında meydana gelir.

Burada, elektron içermediğini düşündüğümüz bir çekirdeğin negatif elektronların beta ışınlarını yaymasından kaynaklanan, daha önce belirttiğimiz çelişkiyi çözme olasılığına geliyoruz.

Açıkçası, beta parçacıkları çekirdekten değil, çekirdekten dolayı uçuyor; Çekirdeğin içinde enerjinin açığa çıkması nedeniyle, yakınında pozitif ve negatif yüklere bölünme süreci meydana gelir; negatif yük dışarı atılır ve pozitif yük çekirdeğe çekilir ve bir nötronla bağlanarak pozitif bir proton oluşturur. Son zamanlarda yapılan bir varsayım bu.

İşte atom çekirdeğinin bileşimi hakkında bildiklerimiz.

ÇÖZÜM

Sonuç olarak, gelecekteki beklentiler hakkında birkaç söz söyleyelim.

Atomları incelerken, niceliksel değişikliklerin yeni niteliksel özelliklere dönüştüğü belirli sınırlara ulaşırsak, o zaman atom çekirdeğinin sınırlarında, atom kabuğunda keşfettiğimiz dalga mekaniği yasaları işlemeyi bırakır; Çekirdekte, dalga mekaniğinin olgunun yalnızca bir tarafını temsil ettiği, diğer tarafının şimdi açılmaya başladığı ve başladığı yeni, daha da genelleştirici bir teorinin hala çok belirsiz hatları hissedilmeye başlıyor. her zamanki gibi çelişkilerle dolu.

Atom çekirdeği üzerinde yapılan çalışmaların, teknolojinin gelişmesiyle yakından iç içe olan çok ilginç bir yanı daha var. Çekirdek, Gamow bariyeri tarafından çok iyi korunmaktadır. dış etkiler. Eğer kendimizi sadece radyoaktif süreçlerde çekirdeklerin bozunmasını gözlemlemekle sınırlamasak, çekirdeğe dışarıdan girip onu yeniden inşa etmek isteseydik, o zaman bu son derece güçlü bir etki gerektirirdi.

Çekirdek sorunu en ısrarla gerektirir Daha fazla gelişme teknoloji, yüksek voltaj teknolojisinin halihazırda hakim olduğu voltajlardan, birkaç yüz bin voltluk voltajlardan milyonlarca volta geçiş. Teknolojide yeni bir aşama yaratılıyor. Milyonlarca voltluk yeni voltaj kaynaklarının yaratılmasına yönelik bu çalışma şu anda tüm ülkelerde - hem yurtdışında hem de burada, özellikle bu çalışmaya ilk başlayan Kharkov laboratuvarında ve Leningrad Fizik ve Teknoloji Enstitüsü'nde yürütülüyor. ve diğer yerlerde.

Çekirdek sorunu en çok karşılaşılan sorunlardan biridir. Güncel problemler fizikte geçirdiğimiz zaman; üzerinde son derece yoğun ve azimle çalışılmalıdır ve bu çalışmada büyük bir düşünce cesaretine sahip olmak gerekir. Sunumumda, yeni ölçeklere geçerken mantıksal alışkanlıklarımızın, sınırlı deneyime dayanan tüm fikirlerimizin yeni olgulara ve yeni ölçeklere uygun olmadığına ikna olduğumuz birkaç duruma dikkat çektim. Her birimizin doğasında var olan bu sağduyulu muhafazakarlığın üstesinden gelmemiz gerekiyor. Sağduyu- bu geçmişin yoğun bir deneyimidir; bu deneyimin geleceği tam anlamıyla kucaklaması beklenemez. Çekirdek bölgede, diğerlerinden daha fazla, yeni niteliksel özelliklerin olasılığını sürekli akılda tutmak ve onlardan korkmamak gerekir. Bana öyle geliyor ki, diyalektik yöntemin gücü burada hissedilmeli; tüm gelişme sürecini öngören bu muhafazakarlıktan yoksun bir yöntem. modern fizik. Burada diyalektik yöntemden kastettiğim elbette Engels'ten alınmış bir takım cümleler değil. Çalışmamıza aktarılması gereken onun sözleri değil, onların anlamlarıdır; Çekirdek sorunu gibi tamamen yeni ve gelişmiş bir alanda bizi ancak tek bir diyalektik yöntem ileriye taşıyabilir.

Bir atomun çekirdeği, protonlara ve nötronlara bölünmüş nükleonlardan oluşur.

Bir atomun çekirdeğinin sembolik tanımı:

A, nükleonların sayısıdır, yani. protonlar + nötronlar (veya atom kütlesi)
Z- proton sayısı (elektron sayısına eşit)
N, nötron sayısıdır (veya atom numarası)

NÜKLEER KUVVETLER

Çekirdekteki tüm nükleonlar arasında hareket eder;
- çekim kuvvetleri;
- kısa etkili

Nükleonlar, yerçekimi veya elektrostatik kuvvetlerden tamamen farklı olan nükleer kuvvetler tarafından birbirlerine çekilir. . Nükleer kuvvetler mesafe arttıkça çok hızlı bir şekilde azalır. Hareket yarıçapları yaklaşık 0,000 000 000 000 001 metredir.
Atom çekirdeğinin boyutunu karakterize eden bu ultra küçük uzunluk için özel bir tanım getirildi - 1 fm (İtalyan fizikçi E. Fermi'nin onuruna, 1901-1954). Tüm çekirdekler birkaç Fermi boyutundadır. Nükleer kuvvetlerin yarıçapı bir nükleonun boyutuna eşittir, dolayısıyla çekirdekler çok yoğun madde yığınlarıdır. Belki de karasal koşullarda en yoğun olanı.
Nükleer kuvvetler güçlü etkileşimlerdir. Coulomb kuvvetinden (aynı mesafede) birçok kez daha büyüktürler. Kısa menzilli eylem nükleer kuvvetlerin etkisini sınırlar. Nükleonların sayısı arttıkça çekirdekler kararsız hale gelir ve bu nedenle ağır çekirdeklerin çoğu radyoaktiftir, çok ağır olanlar ise hiç var olamaz.
Doğadaki sonlu sayıda element, nükleer kuvvetlerin kısa menzilli etkisinin bir sonucudur.

Atomun yapısı - Harika fizik

Biliyor musun?

20. yüzyılın ortalarında nükleer teori, atom numaraları Z = 110 -114 olan kararlı elementlerin varlığını öngördü.
Dubna'da, yalnızca 30 saniye "yaşayan" atom kütlesi A = 289 olan 114. element elde edildi; bu, bu büyüklükte bir çekirdeğe sahip bir atom için inanılmaz derecede uzun bir süre.
Bugün teorisyenler halihazırda 300 ve hatta 500 ağırlığındaki süper ağır çekirdeklerin özelliklerini tartışıyorlar.

Periyodik tabloda aynı atom numarasına sahip atomlara izotop denir.
aynı hücrede bulunurlar (Yunanca izos - eşit, topos - yer).
Kimyasal özellikler izotopları neredeyse aynıdır.
Doğada yaklaşık 100 element varsa, 2000'den fazla izotop vardır, bunların çoğu kararsızdır, yani radyoaktiftir ve bozunma yayar. Farklı türde radyasyon.
Aynı elementin izotopları bileşim bakımından yalnızca çekirdekteki nötron sayısında farklılık gösterir.

Hidrojenin izotopları.

İnsan vücudundaki tüm atomlardan boşluğu çıkarırsanız, geriye kalanlar iğne deliğinden sığabilir.

Meraklısı için

Arabaları planyalamak

Islak yolda yüksek hızda araba sürerken ani fren yaparsanız araç bir planör gibi davranacaktır; lastikleri ince bir su tabakası üzerinde neredeyse yola temas etmeden kaymaya başlayacak. Bu neden oluyor? Bir araba neden frene basılmasa bile ıslak yolda her zaman kaymaz? Bu etkiyi azaltacak bir sırt deseni var mı?

Görünüşe göre...
Suda kızaklama olasılığını azaltmak için çeşitli sırt desenleri sunuldu. Örneğin oluk, suyu lastik sırtının yolla arka temas noktasına yönlendirerek suyun dışarı atılmasını sağlayabilir. Diğer, daha küçük oluklar suyu yanlara doğru tahliye edebilir. Son olarak, lastik sırtı üzerindeki küçük çöküntüler, yoldaki su katmanını "ıslatabilir" ve lastik sırtının ana temas alanından hemen önce ona dokunabilir. yol yüzeyi. Her durumda amaç, temas bölgesinden suyu olabildiğince çabuk uzaklaştırmak ve suda kızaklamayı önlemektir.