เมื่อหลายปีก่อน ผู้คนต่างสงสัยว่าสารทั้งหมดทำมาจากอะไร คนแรกที่พยายามตอบคำถามคือเดโมคริตุส นักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกโบราณ ซึ่งเชื่อว่าสารทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุล ตอนนี้เรารู้แล้วว่าโมเลกุลถูกสร้างขึ้นจากอะตอม อะตอมประกอบด้วยอนุภาคที่เล็กกว่า ที่ศูนย์กลางของอะตอมคือนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคที่เล็กที่สุด - อิเล็กตรอน - เคลื่อนที่เป็นวงโคจรรอบนิวเคลียส มวลของพวกมันมีน้อยมากเมื่อเทียบกับมวลของนิวเคลียส แต่จะค้นหามวลของนิวเคลียสได้อย่างไร การคำนวณและความรู้ด้านเคมีเท่านั้นที่จะช่วยได้ ในการทำเช่นนี้ คุณต้องกำหนดจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส ดูค่าตารางมวลของโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนหนึ่งตัวและหามวลรวมของพวกมัน นี่จะเป็นมวลของนิวเคลียส

บ่อยครั้งที่คุณสามารถเจอคำถามดังกล่าว วิธีหามวล รู้ความเร็ว ตามกฎกลศาสตร์คลาสสิก มวลไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วของร่างกาย ท้ายที่สุดถ้ารถเคลื่อนตัวออกไปเริ่มเร่งความเร็วก็ไม่ได้หมายความว่ามวลของมันจะเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตาม ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ไอน์สไตน์ได้เสนอทฤษฎีหนึ่งตามที่การพึ่งพาอาศัยกันนี้มีอยู่ ผลกระทบนี้เรียกว่าการเพิ่มขึ้นของมวลกายเชิงสัมพันธ์ และปรากฏขึ้นเมื่อความเร็วของร่างกายเข้าใกล้ความเร็วแสง เครื่องเร่งอนุภาคสมัยใหม่ทำให้สามารถเร่งโปรตอนและนิวตรอนให้มีความเร็วสูงได้ และในกรณีนี้ มวลของพวกเขาเพิ่มขึ้น

แต่เรายังคงอยู่ในโลกของเทคโนโลยีชั้นสูง แต่ความเร็วต่ำ ดังนั้นเพื่อที่จะรู้วิธีการคำนวณมวลของสาร ไม่จำเป็นต้องเร่งร่างกายให้เร็วเท่าแสงและเรียนรู้ทฤษฎีของไอน์สไตน์เลย น้ำหนักตัวสามารถวัดได้บนมาตราส่วน จริงอยู่ไม่ใช่ว่าทุกคนจะจับตาชั่งได้ จึงมีอีกวิธีในการคำนวณมวลจากความหนาแน่นของมัน

อากาศรอบตัวเรา อากาศที่จำเป็นสำหรับมนุษยชาติก็มีมวลของมันเช่นกัน และเมื่อแก้ปัญหาวิธีการกำหนดมวลอากาศ เช่น ในห้องหนึ่ง ไม่จำเป็นต้องนับจำนวนโมเลกุลของอากาศและสรุปมวลของนิวเคลียสของพวกมัน คุณสามารถกำหนดปริมาตรของห้องและคูณด้วยความหนาแน่นของอากาศ (1.9 กก. / ลบ.ม. )

ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ด้วยความแม่นยำอย่างยิ่งในการคำนวณมวลของวัตถุต่างๆ ตั้งแต่นิวเคลียสของอะตอมไปจนถึงมวลของโลกและแม้แต่ดาวฤกษ์ที่อยู่ห่างจากเราหลายร้อยปีแสง มวลเป็นปริมาณทางกายภาพเป็นตัววัดความเฉื่อยของร่างกาย พวกเขากล่าวว่าวัตถุที่มีขนาดใหญ่กว่านั้นเฉื่อยมากกว่านั่นคือพวกมันเปลี่ยนความเร็วช้ากว่า ดังนั้นความเร็วและมวลจึงเชื่อมโยงถึงกัน แต่คุณสมบัติหลักของปริมาณนี้คือร่างกายหรือสารใด ๆ มีมวล ไม่มีสิ่งใดในโลกที่ไม่มีมวล!

จากการศึกษาองค์ประกอบของสสาร นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าสสารทั้งหมดประกอบด้วยโมเลกุลและอะตอม เป็นเวลานาน อะตอม (แปลจากภาษากรีกว่า "แบ่งไม่ได้") ถือเป็นหน่วยโครงสร้างที่เล็กที่สุดของสสาร อย่างไรก็ตาม การศึกษาเพิ่มเติมได้แสดงให้เห็นว่าอะตอมมีโครงสร้างที่ซับซ้อน และในที่สุดก็รวมถึงอนุภาคที่เล็กกว่าด้วย

อะตอมทำมาจากอะไร?

ในปี 1911 นักวิทยาศาสตร์ Rutherford เสนอว่าอะตอมมีส่วนตรงกลางที่มีประจุบวก ดังนั้น แนวคิดของนิวเคลียสของอะตอมจึงปรากฏขึ้นเป็นครั้งแรก

ตามโครงการของรัทเธอร์ฟอร์ด ที่เรียกว่าแบบจำลองดาวเคราะห์ อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและอนุภาคมูลฐานที่มีประจุลบ - อิเล็กตรอนเคลื่อนที่รอบนิวเคลียส เช่นเดียวกับที่ดาวเคราะห์โคจรรอบดวงอาทิตย์

ในปี 1932 นักวิทยาศาสตร์อีกคนหนึ่งชื่อ Chadwick ได้ค้นพบนิวตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุไฟฟ้า

ตามแนวคิดสมัยใหม่ นิวเคลียสสอดคล้องกับแบบจำลองดาวเคราะห์ที่รัทเธอร์ฟอร์ดเสนอ นิวเคลียสมีมวลอะตอมส่วนใหญ่ มีประจุบวกด้วย นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอน - อนุภาคที่มีประจุบวกและนิวตรอน - อนุภาคที่ไม่มีประจุ โปรตอนและนิวตรอนเรียกว่านิวคลีออน อนุภาคที่มีประจุลบ - อิเล็กตรอน - โคจรรอบนิวเคลียส

จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับโปรตอนในวงโคจร ดังนั้นอะตอมจึงเป็นอนุภาคที่ไม่มีประจุ หากอะตอมจับอิเล็กตรอนแปลกปลอมหรือสูญเสียอิเล็กตรอนไปเอง อิเล็กตรอนจะกลายเป็นบวกหรือลบและเรียกว่าไอออน

อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน เรียกรวมกันว่าอนุภาคย่อย

ประจุของนิวเคลียสอะตอม

นิวเคลียสมีเลขประจุ Z ถูกกำหนดโดยจำนวนของโปรตอนที่ประกอบเป็นนิวเคลียสของอะตอม การหาจำนวนเงินนี้เป็นเรื่องง่าย: เพียงแค่อ้างถึงระบบเป็นระยะของ Mendeleev เลขอะตอมของธาตุที่มีอะตอมเท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ดังนั้น หากออกซิเจนขององค์ประกอบทางเคมีตรงกับหมายเลขซีเรียล 8 จำนวนโปรตอนก็จะเท่ากับแปดด้วย เนื่องจากจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนในอะตอมเท่ากัน จะมีแปดอิเล็กตรอนด้วย

จำนวนนิวตรอนเรียกว่าเลขไอโซโทปและเขียนแทนด้วยตัวอักษร N จำนวนของนิวตรอนอาจแตกต่างกันไปในอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกัน

ผลรวมของโปรตอนและอิเล็กตรอนในนิวเคลียสเรียกว่าเลขมวลของอะตอมและเขียนแทนด้วยตัวอักษร A ดังนั้น สูตรคำนวณเลขมวลจะมีลักษณะดังนี้: A \u003d Z + N

ไอโซโทป

ในกรณีที่ธาตุมีจำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน จะเรียกว่าไอโซโทปของธาตุเคมี สามารถมีไอโซโทปได้ตั้งแต่หนึ่งไอโซโทปขึ้นไป พวกมันถูกวางไว้ในเซลล์เดียวกันของระบบธาตุ

ไอโซโทปมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านเคมีและฟิสิกส์ ตัวอย่างเช่น ไอโซโทปของไฮโดรเจน - ดิวเทอเรียม - ร่วมกับออกซิเจนทำให้เกิดสารใหม่อย่างสมบูรณ์ซึ่งเรียกว่าน้ำหนัก มีจุดเดือดและจุดเยือกแข็งที่แตกต่างจากปกติ และการรวมกันของดิวเทอเรียมกับไอโซโทปอื่นของไฮโดรเจน - ทริเทียมทำให้เกิดปฏิกิริยาฟิวชันนิวเคลียร์แสนสาหัส และสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างพลังงานจำนวนมหาศาลได้

มวลของนิวเคลียสและอนุภาคของอะตอม

ขนาดและมวลของอะตอมนั้นเล็กน้อยในจิตใจของมนุษย์ ขนาดของนิวเคลียสจะอยู่ที่ประมาณ 10 -12 ซม. มวลของนิวเคลียสของอะตอมมีการวัดทางฟิสิกส์ในหน่วยที่เรียกว่าหน่วยมวลอะตอม - a.m.u.

เวลาตีหนึ่ง เอาหนึ่งในสิบสองของมวลอะตอมของคาร์บอน การใช้หน่วยวัดปกติ (กิโลกรัมและกรัม) มวลสามารถแสดงได้ดังนี้: 01:00 น. \u003d 1.660540 10 -24 g. แสดงในลักษณะนี้เรียกว่ามวลอะตอมสัมบูรณ์

แม้ว่านิวเคลียสของอะตอมจะเป็นองค์ประกอบที่มีมวลมากที่สุดของอะตอม แต่ขนาดของอะตอมที่สัมพันธ์กับเมฆอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบอะตอมนั้นมีขนาดเล็กมาก

กองกำลังนิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมมีความเสถียรอย่างยิ่ง ซึ่งหมายความว่าโปรตอนและนิวตรอนถูกยึดไว้ในนิวเคลียสโดยแรงบางอย่าง สิ่งเหล่านี้ไม่สามารถเป็นแรงแม่เหล็กไฟฟ้าได้ เนื่องจากโปรตอนเป็นอนุภาคที่มีประจุเหมือนกัน และเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าอนุภาคที่มีประจุเท่ากันจะผลักกัน แรงโน้มถ่วงนั้นอ่อนเกินไปที่จะยึดนิวคลีออนไว้ด้วยกัน ด้วยเหตุนี้ อนุภาคจึงถูกกักไว้ในนิวเคลียสด้วยปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน นั่นคือ แรงนิวเคลียร์

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ถือว่าแข็งแกร่งที่สุดในธรรมชาติทั้งหมด ดังนั้นปฏิสัมพันธ์ประเภทนี้ระหว่างองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมจึงเรียกว่าแรง มีอยู่ในอนุภาคมูลฐานหลายชนิดรวมถึงแรงแม่เหล็กไฟฟ้า

คุณสมบัติของแรงนิวเคลียร์

1. การกระทำสั้น ๆ แรงนิวเคลียร์ ตรงกันข้ามกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้า แสดงตัวเองในระยะทางที่น้อยมากที่เทียบได้กับขนาดของนิวเคลียส
2. ชาร์จความเป็นอิสระ คุณลักษณะนี้แสดงให้เห็นโดยข้อเท็จจริงที่ว่าแรงนิวเคลียร์กระทำต่อโปรตอนและนิวตรอนเท่าๆ กัน
3. ความอิ่มตัว นิวคลีออนของนิวเคลียสมีปฏิสัมพันธ์กับนิวคลีออนอื่นจำนวนหนึ่งเท่านั้น

พลังงานยึดเหนี่ยวแกน

สิ่งอื่นที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับแนวคิดของปฏิสัมพันธ์ที่รุนแรง - พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส พลังงานที่จับกับนิวเคลียร์คือปริมาณพลังงานที่จำเป็นในการแยกนิวเคลียสของอะตอมออกเป็นนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบ เท่ากับพลังงานที่จำเป็นในการสร้างนิวเคลียสจากอนุภาคแต่ละตัว

ในการคำนวณพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส จำเป็นต้องทราบมวลของอนุภาคย่อยของอะตอม การคำนวณแสดงว่ามวลของนิวเคลียสน้อยกว่าผลรวมของนิวคลีออนที่เป็นส่วนประกอบเสมอ ความบกพร่องของมวลคือความแตกต่างระหว่างมวลของนิวเคลียสกับผลรวมของโปรตอนและอิเล็กตรอน การใช้ความสัมพันธ์ระหว่างมวลและพลังงาน (E \u003d mc 2) คุณสามารถคำนวณพลังงานที่สร้างขึ้นระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส

ความแข็งแรงของพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสสามารถตัดสินได้จากตัวอย่างต่อไปนี้ การก่อตัวของฮีเลียมหลายกรัมจะให้พลังงานเท่ากันกับการเผาไหม้ถ่านหินหลายตัน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

นิวเคลียสของอะตอมสามารถโต้ตอบกับนิวเคลียสของอะตอมอื่นได้ ปฏิกิริยาดังกล่าวเรียกว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปฏิกิริยามีสองประเภท

1. ปฏิกิริยาฟิชชัน เกิดขึ้นเมื่อนิวเคลียสที่หนักกว่าแตกตัวเป็นนิวเคลียสที่เบากว่าอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์
2. ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ กระบวนการนี้ตรงกันข้ามกับการแยกตัว: นิวเคลียสชนกัน ทำให้เกิดองค์ประกอบที่หนักกว่า

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ทั้งหมดมาพร้อมกับการปลดปล่อยพลังงาน ซึ่งต่อมาใช้ในอุตสาหกรรม ในการทหาร พลังงาน และอื่นๆ

เมื่อทำความคุ้นเคยกับองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมแล้วเราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้

1. อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีโปรตอนและนิวตรอน และอิเล็กตรอนรอบๆ
2. เลขมวลของอะตอมเท่ากับผลรวมของนิวคลีออนของนิวเคลียส
3. นิวเคลียสถูกยึดไว้ด้วยพลังอันแข็งแกร่ง
4. แรงมหาศาลที่ทำให้นิวเคลียสมีความเสถียรเรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส

นิวเคลียสของอะตอมคือส่วนกลางของอะตอมซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน (เรียกรวมกันว่า นิวคลีออน).

นิวเคลียสถูกค้นพบโดย E. Rutherford ในปี 1911 ขณะศึกษาข้อความนี้ α -อนุภาคผ่านสสาร ปรากฎว่ามวลเกือบทั้งหมดของอะตอม (99.95%) กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส ขนาดของนิวเคลียสของอะตอมจะอยู่ที่ 10 -1 3 -10 - 12 ซม. ซึ่งเล็กกว่าขนาดของเปลือกอิเล็กตรอนถึง 10,000 เท่า

แบบจำลองดาวเคราะห์ของอะตอมที่เสนอโดยอี. รัทเทอร์ฟอร์ดและการสังเกตการทดลองของนิวเคลียสของไฮโดรเจนถูกทำให้ล้มลง α -อนุภาคจากนิวเคลียสของธาตุอื่นๆ (พ.ศ. 2462-2563) นำนักวิทยาศาสตร์ไปสู่แนวคิดของ โปรตอน. คำว่าโปรตอนถูกนำมาใช้ในช่วงต้นทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ XX

โปรตอน (จากภาษากรีก. โปรตอน- อันดับแรก สัญลักษณ์ พี) เป็นอนุภาคมูลฐานที่เสถียร ซึ่งเป็นนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจน

โปรตอน- อนุภาคที่มีประจุบวกซึ่งมีประจุเท่ากับค่าสัมบูรณ์ของประจุของอิเล็กตรอน อี\u003d 1.6 10 -1 9 ซ.ล. มวลของโปรตอนคือ 1836 เท่าของมวลอิเล็กตรอน มวลพักของโปรตอน m p= 1.6726231 10 -27 กก. = 1.007276470 amu

อนุภาคที่สองในนิวเคลียสคือ นิวตรอน.

นิวตรอน (จาก lat. หมัน- ไม่ใช่อย่างใดอย่างหนึ่ง, สัญลักษณ์ น) เป็นอนุภาคมูลฐานที่ไม่มีประจุ นั่นคือ เป็นกลาง

มวลของนิวตรอนคือ 1839 เท่าของมวลอิเล็กตรอน มวลของนิวตรอนเกือบเท่ากับ (ใหญ่กว่าเล็กน้อย) ของโปรตอน: มวลที่เหลือของนิวตรอนอิสระ ม น= 1.6749286 10 -27 กก. = 1.0008664902 amu และเกินมวลโปรตอน 2.5 มวลอิเล็กตรอน นิวตรอนร่วมกับโปรตอนภายใต้ชื่อสามัญ นิวคลีออนเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม

นิวตรอนถูกค้นพบในปี 1932 โดย D. Chadwig นักเรียนของ E. Rutherford ระหว่างการทิ้งระเบิดของเบริลเลียม α -อนุภาค รังสีที่เกิดขึ้นซึ่งมีกำลังการทะลุทะลวงสูง (สามารถเอาชนะสิ่งกีดขวางที่ทำจากแผ่นตะกั่วที่มีความหนา 10–20 ซม.) ได้ทำให้ผลกระทบรุนแรงขึ้นเมื่อผ่านแผ่นพาราฟิน (ดูรูป) การประมาณค่าพลังงานของอนุภาคเหล่านี้จากรอยทางในห้องเมฆที่ทำโดย Joliot-Curies และการสังเกตเพิ่มเติมทำให้ไม่สามารถแยกสมมติฐานเบื้องต้นได้ว่าสิ่งนี้ γ -ควอนตั้ม พลังการแทรกซึมอันยิ่งใหญ่ของอนุภาคใหม่ที่เรียกว่านิวตรอน อธิบายได้จากความเป็นกลางทางไฟฟ้าของพวกมัน ท้ายที่สุดแล้ว อนุภาคที่มีประจุจะโต้ตอบกับสสารอย่างแข็งขันและสูญเสียพลังงานไปอย่างรวดเร็ว อี. รัทเทอร์ฟอร์ดทำนายการมีอยู่ของนิวตรอน 10 ปีก่อนการทดลองของดี. แชดวิก เมื่อตี α -อนุภาคในนิวเคลียสของเบริลเลียม เกิดปฏิกิริยาต่อไปนี้:

นี่คือสัญลักษณ์ของนิวตรอน ประจุมีค่าเท่ากับศูนย์ และมวลอะตอมสัมพัทธ์มีค่าเท่ากับหนึ่งโดยประมาณ นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียร: นิวตรอนอิสระในเวลาประมาณ 15 นาที สลายตัวเป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และนิวตริโน ซึ่งเป็นอนุภาคที่ปราศจากมวลเหลือ

หลังจากการค้นพบนิวตรอนโดย J. Chadwick ในปี 1932 D. Ivanenko และ W. Heisenberg เสนออย่างอิสระ แบบจำลองโปรตอน-นิวตรอน (นิวคลีออน) ของนิวเคลียส. ตามแบบจำลองนี้ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน จำนวนโปรตอน Zตรงกับหมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบในตารางของ D. I. Mendeleev

ค่าใช้จ่ายหลัก คิวกำหนดโดยจำนวนโปรตอน Zซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสและเป็นค่าทวีคูณของค่าสัมบูรณ์ของประจุอิเล็กตรอน อี:

Q = + Ze

ตัวเลข Zเรียกว่า หมายเลขประจุนิวเคลียร์หรือ เลขอะตอม.

เลขมวลของนิวเคลียส แต่เรียกว่าจำนวนนิวคลีออน ได้แก่ โปรตอนและนิวตรอน จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสแสดงด้วยตัวอักษร นู๋. ดังนั้นจำนวนมวลคือ:

A = Z + N.

นิวคลีออน (โปรตอนและนิวตรอน) ถูกกำหนดให้เป็นเลขมวลเท่ากับหนึ่ง และอิเล็กตรอนจะได้รับค่าเป็นศูนย์

แนวคิดเรื่ององค์ประกอบของนิวเคลียสยังได้รับการอำนวยความสะดวกโดยการค้นพบ ไอโซโทป.

ไอโซโทป (จากภาษากรีก. isosเท่ากันและ โทโปอา- สถานที่) - สิ่งเหล่านี้คืออะตอมที่หลากหลายขององค์ประกอบทางเคมีเดียวกันซึ่งนิวเคลียสของอะตอมที่มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน ( Z) และจำนวนนิวตรอนต่างกัน ( นู๋).

นิวเคลียสของอะตอมดังกล่าวเรียกอีกอย่างว่าไอโซโทป ไอโซโทปคือ นิวไคลด์องค์ประกอบหนึ่ง นิวไคลด์ (จาก lat. นิวเคลียส- นิวเคลียส) - นิวเคลียสของอะตอมใดๆ (ตามลำดับอะตอม) ที่มีตัวเลขที่กำหนด Zและ นู๋. การกำหนดทั่วไปของนิวไคลด์คือ……. ที่ไหน X- สัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี A=Z+N- จำนวนมวล

ไอโซโทปอยู่ในที่เดียวกันในตารางธาตุของธาตุ จึงเป็นที่มาของชื่อ ตามกฎแล้วไอโซโทปมีคุณสมบัติทางนิวเคลียร์แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ (ตัวอย่างเช่นในความสามารถในการเข้าสู่ปฏิกิริยานิวเคลียร์) คุณสมบัติทางเคมี (และทางกายภาพเกือบเท่ากัน) ของไอโซโทปเหมือนกัน สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าคุณสมบัติทางเคมีของธาตุถูกกำหนดโดยประจุของนิวเคลียส เนื่องจากเป็นประจุที่ส่งผลต่อโครงสร้างของเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม

ข้อยกเว้นคือไอโซโทปของธาตุแสง ไอโซโทปของไฮโดรเจน 1 ชม — โพรเที่ยม, 2 ชม— ดิวเทอเรียม, 3 ชม — ไอโซโทปมวลต่างกันมากจนคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีต่างกัน ดิวเทอเรียมมีความเสถียร (กล่าวคือ ไม่มีกัมมันตภาพรังสี) และรวมอยู่ในไฮโดรเจนธรรมดาด้วยสิ่งเจือปนเล็กน้อย (1: 4500) ดิวเทอเรียมรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างน้ำหนัก เดือดที่ความดันบรรยากาศปกติที่ 101.2°C และเยือกแข็งที่ +3.8°C ทริเทียม β เป็นกัมมันตภาพรังสีที่มีครึ่งชีวิตประมาณ 12 ปี

องค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดมีไอโซโทป องค์ประกอบบางอย่างมีเพียงไอโซโทป (กัมมันตภาพรังสี) ที่ไม่เสถียรเท่านั้น สำหรับองค์ประกอบทั้งหมด ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีได้รับการประดิษฐ์ขึ้น

ไอโซโทปของยูเรเนียมธาตุยูเรเนียมมีไอโซโทปสองไอโซโทป - มีเลขมวล 235 และ 238 ไอโซโทปเป็นเพียง 1/140 ของไอโซโทปทั่วไป

มวลของนิวเคลียสของอะตอมเป็นที่สนใจเป็นพิเศษในการระบุนิวเคลียสใหม่ ทำความเข้าใจโครงสร้าง ทำนายลักษณะการสลาย: อายุการใช้งาน ช่องทางการสลายที่เป็นไปได้ ฯลฯ
เป็นครั้งแรกที่มีการอธิบายมวลของนิวเคลียสของอะตอมโดยWeizsäckerบนพื้นฐานของแบบจำลองการตก สูตรไวซ์แซคเกอร์ทำให้สามารถคำนวณมวลของนิวเคลียสอะตอม M(A,Z) และพลังงานการจับของนิวเคลียสได้ หากทราบเลขมวล A และจำนวนโปรตอน Z ในนิวเคลียส
สูตร Weizsacker สำหรับมวลของนิวเคลียสมีรูปแบบดังต่อไปนี้:

โดยที่ m p = 938.28 MeV/c 2 , m n = 939.57 MeV/c 2 , a 1 = 15.75 MeV, a 2 = 17.8 MeV, a 3 = 0.71 MeV, a 4 = 23.7 MeV, a 5 = 34 MeV, = (+ 1, 0, -1) ตามลำดับ สำหรับนิวเคลียสคี่-คี่ นิวเคลียสที่มีนิวเคลียส A เป็นเลขคู่
สองเทอมแรกของสูตรคือผลรวมของมวลของโปรตอนและนิวตรอนอิสระ เงื่อนไขที่เหลืออธิบายพลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียส:

• a 1 A คำนึงถึงความคงตัวโดยประมาณของพลังงานยึดเหนี่ยวจำเพาะของนิวเคลียส นั่นคือ สะท้อนคุณสมบัติความอิ่มตัวของแรงนิวเคลียร์
• 2 A 2/3 อธิบายพลังงานพื้นผิวและคำนึงถึงความจริงที่ว่านิวคลีออนพื้นผิวในนิวเคลียสมีพันธะที่อ่อนแอกว่า
• a 3 Z 2 /A 1/3 อธิบายการลดลงของพลังงานจับนิวเคลียสอันเนื่องมาจากปฏิกิริยาคูลอมบ์ของโปรตอน
• a 4 (A - 2Z) 2 /A คำนึงถึงคุณสมบัติของประจุความเป็นอิสระของกองกำลังนิวเคลียร์และการกระทำของหลักการ Pauli;
• 5 A -3/4 คำนึงถึงเอฟเฟกต์การผสมพันธุ์

พารามิเตอร์ a 1 - a 5 ที่รวมอยู่ในสูตรไวซ์แซคเกอร์ถูกเลือกในลักษณะที่อธิบายมวลของนิวเคลียสได้อย่างเหมาะสมใกล้กับบริเวณความคงตัว β
อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนตั้งแต่แรกแล้วว่าสูตรไวซ์ซักเกอร์ไม่ได้คำนึงถึงรายละเอียดเฉพาะบางประการของโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม
ดังนั้น สูตรไวซ์แซคเกอร์จึงถือว่ามีการกระจายนิวคลีออนอย่างสม่ำเสมอในปริภูมิเฟส กล่าวคือ โดยพื้นฐานแล้วละเลยโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียสของอะตอม อันที่จริง โครงสร้างเปลือกทำให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันในการกระจายตัวของนิวคลีออนในนิวเคลียส แอนไอโซโทรปีที่เป็นผลลัพธ์ของสนามมีค่าเฉลี่ยในนิวเคลียสยังนำไปสู่การเสียรูปของนิวเคลียสในสถานะพื้นดิน

ความแม่นยำที่สูตรไวซ์แซคเกอร์อธิบายมวลของนิวเคลียสของอะตอมสามารถประมาณได้จากรูปที่ 6.1 ซึ่งแสดงความแตกต่างระหว่างมวลที่วัดได้จากการทดลองของนิวเคลียสของอะตอมและการคำนวณตามสูตรไวซ์แซคเกอร์ ความเบี่ยงเบนถึง 9 MeV ซึ่งประมาณ 1% ของพลังงานยึดเหนี่ยวทั้งหมดของนิวเคลียส ในเวลาเดียวกัน จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าการเบี่ยงเบนเหล่านี้มีลักษณะเป็นระบบ ซึ่งเกิดจากโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียสของอะตอม
ความเบี่ยงเบนของพลังงานการจับนิวเคลียสจากเส้นโค้งเรียบที่ทำนายโดยแบบจำลองการตกของของเหลวเป็นตัวบ่งชี้โดยตรงครั้งแรกของโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียส ความแตกต่างของพลังงานยึดเหนี่ยวระหว่างนิวเคลียสคู่และคี่บ่งชี้ว่ามีแรงจับคู่ในนิวเคลียสของอะตอม การเบี่ยงเบนจากพฤติกรรมที่ "ราบรื่น" ของพลังงานการแยกตัวของนิวคลีออนสองตัวในนิวเคลียสระหว่างเปลือกที่เติมเป็นเครื่องบ่งชี้ถึงการเสียรูปของนิวเคลียสของอะตอมในสถานะพื้น
ข้อมูลเกี่ยวกับมวลของนิวเคลียสอะตอมรองรับการตรวจสอบแบบจำลองต่างๆ ของนิวเคลียสอะตอม ดังนั้นความแม่นยำในการรู้มวลของนิวเคลียสจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง มวลของนิวเคลียสของอะตอมคำนวณโดยใช้แบบจำลองทางปรากฏการณ์วิทยาหรือกึ่งประจักษ์ต่างๆ โดยใช้การประมาณค่าต่างๆ ของทฤษฎีมหภาคและจุลทรรศน์ สูตรมวลที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถอธิบายมวล (พลังงานที่มีผลผูกพัน) ของนิวเคลียสใกล้หุบเขา -เสถียรภาพได้ค่อนข้างดี (ความแม่นยำของการประมาณพลังงานยึดเหนี่ยวคือ ~100 keV) อย่างไรก็ตาม สำหรับนิวเคลียสที่อยู่ไกลจากหุบเขาแห่งความมั่นคง ความไม่แน่นอนในการทำนายพลังงานยึดเหนี่ยวจะเพิ่มขึ้นเป็น MeV หลายตัว (รูปที่ 6.2). ในรูปที่ 6.2 คุณจะพบการอ้างอิงถึงงานที่มีการกำหนดและวิเคราะห์สูตรมวลต่างๆ

การเปรียบเทียบการทำนายของแบบจำลองต่างๆ กับมวลที่วัดได้ของนิวเคลียสบ่งชี้ว่าควรให้ความพึงพอใจกับแบบจำลองตามคำอธิบายด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่คำนึงถึงโครงสร้างเปลือกของนิวเคลียส ควรระลึกไว้เสมอว่าความแม่นยำในการทำนายมวลของนิวเคลียสในแบบจำลองปรากฏการณ์วิทยามักถูกกำหนดโดยจำนวนของพารามิเตอร์ที่ใช้ในพวกมัน ข้อมูลการทดลองเกี่ยวกับมวลของนิวเคลียสอะตอมได้รับในการทบทวน นอกจากนี้ ค่าที่ปรับปรุงอย่างต่อเนื่องสามารถพบได้ในเอกสารอ้างอิงของระบบฐานข้อมูลระหว่างประเทศ
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ สำหรับการทดลองหามวลของนิวเคลียสของอะตอมที่มีอายุสั้น

วิธีการพื้นฐานในการกำหนดมวลของนิวเคลียสของอะตอม

เราแสดงรายการวิธีการหลักในการกำหนดมวลของนิวเคลียสของอะตอมโดยไม่ต้องลงรายละเอียด

• การวัดพลังงาน β-สลายตัว Q b เป็นวิธีการทั่วไปในการกำหนดมวลของนิวเคลียสที่ห่างไกลจากขีดจำกัดความเสถียรของ β เพื่อหามวลที่ไม่รู้จักซึ่งมีการสลายตัวของนิวเคลียสA

,

ใช้อัตราส่วน

M A \u003d M B + m e + Q b / c 2

ดังนั้น เมื่อทราบมวลของนิวเคลียส B สุดท้าย เราสามารถหามวลของนิวเคลียสเริ่มต้น A ได้ การสลายตัวของเบตามักเกิดขึ้นในสภาวะตื่นเต้นของนิวเคลียสสุดท้าย ซึ่งจะต้องนำมาพิจารณาด้วย

ความสัมพันธ์นี้เขียนขึ้นสำหรับการสลายตัวของ α จากสถานะพื้นดินของนิวเคลียสเริ่มต้นไปยังสถานะพื้นดินของนิวเคลียสสุดท้าย พลังงานกระตุ้นสามารถนำมาพิจารณาได้อย่างง่ายดาย ความแม่นยำในการหามวลของนิวเคลียสอะตอมจากพลังงานการสลายตัวคือ ~ 100 keV วิธีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการกำหนดมวลของนิวเคลียสหนักยิ่งยวดและการจำแนก

1. การวัดมวลของนิวเคลียสอะตอมโดยวิธีเวลาบิน

การหามวลของนิวเคลียส (A ~ 100) ด้วยความแม่นยำ ~ 100 keV เทียบเท่ากับความแม่นยำสัมพัทธ์ของการวัดมวล ΔM/M ~10 -6 . เพื่อให้ได้ความแม่นยำนี้ การวิเคราะห์ทางแม่เหล็กจึงใช้ร่วมกับการวัดเวลาบิน เทคนิคนี้ใช้ในสเปกโตรมิเตอร์ SPEG - GANIL (รูปที่ 6.3) และ TOFI - Los Alamos ความแข็งแกร่งของสนามแม่เหล็ก Bρ มวลอนุภาค m ความเร็วของอนุภาค v และประจุ q สัมพันธ์กันโดย

ดังนั้น เมื่อทราบความแข็งแกร่งทางแม่เหล็กของสเปกโตรมิเตอร์ B เราสามารถกำหนด m/q สำหรับอนุภาคที่มีความเร็วเท่ากันได้ วิธีนี้ทำให้สามารถกำหนดมวลของนิวเคลียสได้อย่างแม่นยำ ~ 10 -4 . ความแม่นยำในการวัดมวลของนิวเคลียสสามารถปรับปรุงได้หากวัดเวลาบินพร้อมกัน ในกรณีนี้มวลไอออนถูกกำหนดจากความสัมพันธ์

โดยที่ L คือฐานบิน TOF คือเวลาบิน ฐานช่วงมีตั้งแต่ไม่กี่เมตรถึง 10 3 เมตร และทำให้สามารถเพิ่มความแม่นยำในการวัดมวลของนิวเคลียสเป็น 10 -6 ได้
ความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นอย่างมากในการกำหนดมวลของนิวเคลียสของอะตอมยังได้รับการอำนวยความสะดวกโดยข้อเท็จจริงที่ว่ามวลของนิวเคลียสต่างๆ ถูกวัดพร้อมกันในการทดลองครั้งเดียว และค่าที่แน่นอนของมวลของนิวเคลียสแต่ละตัวสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงได้ คะแนน วิธีการนี้ไม่อนุญาตให้แยกสถานะพื้นดินและสถานะไอโซเมอร์ของนิวเคลียสของอะตอม GANIL กำลังสร้างการตั้งค่าที่มีเส้นทางบินประมาณ 3.3 กม. ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัดมวลของนิวเคลียสไปยังหลาย ๆ หน่วยได้ 10 -7

1. การหามวลนิวเคลียสโดยตรงโดยการวัดความถี่ไซโคลตรอน

สำหรับอนุภาคที่หมุนในสนามแม่เหล็กคงที่ B ความถี่ของการหมุนจะสัมพันธ์กับมวลและประจุโดยความสัมพันธ์

แม้ว่าวิธีที่ 2 และ 3 จะใช้อัตราส่วนเดียวกัน แต่ความแม่นยำในวิธีที่ 3 ของการวัดความถี่ไซโคลตรอนก็สูงกว่า (~ 10 -7) เนื่องจาก มันเทียบเท่ากับการใช้ฐานที่มีช่วงยาวขึ้น

2. การวัดมวลของนิวเคลียสอะตอมในวงแหวนจัดเก็บ

   วิธีนี้ใช้กับวงแหวนจัดเก็บ ESR ที่ GSI (ดาร์มสตัดท์ เยอรมนี) วิธีนี้ใช้ตัวตรวจจับ Schottky ใช้เพื่อกำหนดมวลของนิวเคลียสที่มีอายุการใช้งาน > 1 นาที วิธีการวัดความถี่ไซโคลตรอนของไอออนในวงแหวนกักเก็บใช้ร่วมกับการแยกไอออนล่วงหน้าในขณะใช้งาน การตั้งค่า FRS-ESR ที่ GSI (รูปที่ 6.4) ทำให้การวัดมวลของนิวเคลียสจำนวนมากมีความแม่นยำในจำนวนมวลที่หลากหลาย

   209 นิวเคลียส Bi เร่งเป็นพลังงาน 930 MeV/นิวคลีออนมุ่งเน้นไปที่เป้าหมายเบริลเลียมหนา 8 ก./ซม. 2 ซึ่งอยู่ที่ทางเข้า FRS อันเป็นผลมาจากการกระจายตัวของ 209 Bi อนุภาคทุติยภูมิจำนวนมากก่อตัวขึ้นในช่วงตั้งแต่ 209 Bi ถึง 1 H ผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาจะถูกแยกออกทันทีตามความแข็งของแม่เหล็ก เลือกความหนาของชิ้นงานเพื่อขยายช่วงของนิวเคลียสที่ระบบแม่เหล็กจับได้พร้อมกัน การขยายตัวของพิสัยของนิวเคลียสเกิดขึ้นเนื่องจากอนุภาคที่มีประจุต่างกันจะชะลอตัวลงในลักษณะที่แตกต่างกันในเป้าหมายของเบริลเลียม ชิ้นส่วนแยก FRS ได้รับการปรับแต่งสำหรับการผ่านของอนุภาคที่มีความแข็งแม่เหล็ก ~ 350 MeV/นิวคลีออน ผ่านระบบในช่วงที่เลือกของประจุของนิวเคลียสที่ตรวจพบ (52 < Z < 83) พร้อมกันสามารถส่งผ่านอะตอมที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์ (ไอออนเปลือย) ไอออนคล้ายไฮโดรเจน (คล้ายไฮโดรเจน) ที่มีอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือไอออนคล้ายฮีเลียม (คล้ายฮีเลียม) ที่มีอิเล็กตรอนสองตัว เนื่องจากความเร็วของอนุภาคในระหว่างการผ่านของ FRS แทบไม่เปลี่ยนแปลง การเลือกอนุภาคที่มีความแข็งแกร่งทางแม่เหล็กเท่ากันจะเลือกอนุภาคที่มีค่า M/Z ด้วยความแม่นยำ ~ 2% ดังนั้น ความถี่ในการหมุนของแต่ละไอออนในวงแหวนจัดเก็บ ESR จึงกำหนดโดยอัตราส่วน M/Z นี่เป็นวิธีการที่แม่นยำในการวัดมวลของนิวเคลียสของอะตอม ความถี่ในการปฏิวัติไอออนวัดโดยใช้วิธีชอตต์กี การใช้วิธีการทำความเย็นด้วยไอออนในวงแหวนจัดเก็บช่วยเพิ่มความแม่นยำในการกำหนดมวลตามลำดับความสำคัญ ในรูป 6.5 แสดงแผนภาพมวลของนิวเคลียสอะตอมที่แยกจากกันด้วยวิธีนี้ใน GSI โปรดทราบว่านิวเคลียสที่มีครึ่งชีวิตมากกว่า 30 วินาทีสามารถระบุได้โดยใช้วิธีการที่อธิบายไว้ ซึ่งพิจารณาจากเวลาทำความเย็นของลำแสงและเวลาวิเคราะห์

   ในรูป 6.6 แสดงผลการกำหนดมวลของไอโซโทป 171 Ta ในสถานะประจุต่างๆ ไอโซโทปอ้างอิงต่างๆ ถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ ค่าที่วัดได้จะถูกเปรียบเทียบกับข้อมูลตาราง (Wapstra)

3. การวัดมวลนิวเคลียสโดยใช้กับดักการปักหมุด

   ความเป็นไปได้ในการทดลองใหม่สำหรับการวัดที่แม่นยำของมวลของนิวเคลียสของอะตอมกำลังเปิดกว้างขึ้นด้วยวิธีการของ ISOL และกับดักไอออน สำหรับไอออนที่มีพลังงานจลน์น้อยมากและมีรัศมีการหมุนเล็กในสนามแม่เหล็กแรงสูง จะใช้กับดักแบบเพนนิ่ง วิธีนี้ใช้การวัดความถี่การหมุนของอนุภาคที่แม่นยำ

   ω = B(q/m),

   ติดอยู่ในสนามแม่เหล็กแรงสูง ความแม่นยำในการวัดมวลสำหรับไอออนของแสงสามารถเข้าถึงได้ ~ 10 -9 ในรูป รูปที่ 6.7 แสดงสเปกโตรมิเตอร์ ISOLTRAP ที่ติดตั้งบนตัวคั่น ISOL - CERN
   องค์ประกอบหลักของการตั้งค่านี้คือส่วนการเตรียมลำแสงไอออนและกับดัก Penning สองอัน กับดัก Penning อันแรกเป็นทรงกระบอกที่วางไว้ในสนามแม่เหล็กประมาณ 4 T ไอออนในกับดักอันแรกจะถูกทำให้เย็นลงเพิ่มเติมเนื่องจากการชนกับแก๊สบัฟเฟอร์ ในรูป รูปที่ 6.7 แสดงการกระจายมวลของไอออนที่มี A = 138 ในกับดัก Penning อันแรกตามฟังก์ชันของความเร็วในการหมุน หลังจากการทำความเย็นและการทำให้บริสุทธิ์ เมฆไอออนจากกับดักแรกจะถูกฉีดเข้าไปในตัวที่สอง ที่นี่มวลของไอออนวัดจากความถี่การหมุนเรโซแนนซ์ ความละเอียดที่ทำได้ในวิธีนี้สำหรับไอโซโทปหนักที่มีอายุสั้นจะสูงที่สุดและมีค่าประมาณ ~ 10 -7

   ข้าว. 6.7 ISOLTRAP สเปกโตรมิเตอร์

จะหามวลนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างไร? และได้คำตอบที่ดีที่สุด

คำตอบจาก NiNa Martushova[คุรุ]

A = หมายเลข p + หมายเลข n นั่นคือมวลทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสเนื่องจากอิเล็กตรอนมีมวลเล็กน้อยเท่ากับ 11800 AU e. m. ในขณะที่โปรตอนและนิวตรอนมีมวล 1 หน่วยมวลอะตอม มวลอะตอมสัมพัทธ์เป็นเลขเศษส่วนเพราะเป็นค่าเฉลี่ยเลขคณิตของมวลอะตอมของไอโซโทปทั้งหมดขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด โดยคำนึงถึงความชุกของมวลอะตอมในธรรมชาติ

คำตอบจาก ยอห์เมต[คุรุ]
หามวลของอะตอมแล้วลบมวลของอิเล็กตรอนทั้งหมด

คำตอบจาก วลาดิมีร์ โซโคลอฟ[คุรุ]
รวมมวลของโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส คุณจะได้รับจำนวนมากในem.

คำตอบจาก Dasha[มือใหม่]
ตารางธาตุเพื่อช่วย

คำตอบจาก Anastasia Durakova[คล่องแคล่ว]
ค้นหาค่ามวลสัมพัทธ์ของอะตอมในตารางธาตุ ปัดเศษขึ้นเป็นจำนวนเต็ม นี่จะเป็นมวลของนิวเคลียสของอะตอม มวลของนิวเคลียสหรือเลขมวลของอะตอม ประกอบด้วยจำนวนของโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส
A = หมายเลข p + หมายเลข n นั่นคือมวลทั้งหมดของอะตอมกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสเนื่องจากอิเล็กตรอนมีมวลเล็กน้อยเท่ากับ 11800 AU e. m. ในขณะที่โปรตอนและนิวตรอนมีมวล 1 หน่วยมวลอะตอม มวลอะตอมสัมพัทธ์เป็นเลขเศษส่วนเพราะเป็นค่าเฉลี่ยเลขคณิตของมวลอะตอมของไอโซโทปทั้งหมดขององค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด โดยคำนึงถึงความชุกของมวลอะตอมในธรรมชาติ ตารางธาตุเพื่อช่วย

คำตอบจาก 3 คำตอบ[คุรุ]

เฮ้! ต่อไปนี้เป็นหัวข้อที่เลือกสรรพร้อมคำตอบสำหรับคำถามของคุณ: จะค้นหามวลของนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างไร