Атомско јадро

Атомско јадро — густа област која се состои од протони и неутрони во центарот на атомот. Атомското јадро е откриено во 1911 година од страна на Ернест Радерфорд врз основа на експериментот со Гајгер-Марсденовата златна фолија во 1909 година. По откривањето на неутроните во 1932 година, моделот на јадрото составено од протони и неутрони брзо било развиено од страна на Дмитриј Иваненко^[1] и Вернер Хајзенберг.^[2]^[3]^[4]^[5]^[6] Речиси целата маса на атомот се наоѓа во јадрото, со многу мал придонес од електронскиот облак. Протоните и неутроните се поврзани заедно со што образуваат јадро под дејство на јадрената сила.

Пречникот на јадрото е во опсег од неколку фемтометри 1.75 (1,75⋅10^-15 м) за водородот (пречникот на еден протон)^[7] до 15 fm за најтешките атоми, како што е ураниумот. Овие димензии се многу помали од пречникот на самиот атом (јадро + електронски облак), за фактор од околу 23.000 пати за ураниумот и за околу 145.000 пати за водородот.

Науката која се занимава со проучување и разбирање на атомското јадро, вклучувајќи го и составот и силите кои го сврзуваат, се нарекува јадрена физика.

Вовед

Историја

Јадрото е откриено во 1911 година, како резултат на напорите на Ернест Радерфорд да го тестира Томсоновиот "Пудинг со сливи модел" на атомот. Електрони веќе биле откриени претходно од Џ.Џ.Томсон. Знаејќи дека атомите се електро неутрални, Томсон претпоставувал дека мора да има и позитивен полнеж. Во неговиот модел пудинг со сливи, Томсон вели дека еден атом се состои од негативни електрони случајно расфрлани во сферата на позитивени полнежи. Подоцна Ернест Радерфорд смислил експеримент, изведен од страна на Ханс Гајгер и Ернест Марсден под водство на Радерфорд, кои вклучувал девијации на алфа-честичките (хелиум) насочени на тенок лист на метална фолија. Тој заклучил дека ако моделот Томсон бил точен, позитивно наелектризираните алфа-честички лесно ќе поминат низ фолијата со многу малку отстапување во нивните патеки, фолијата требало да дејствува како електро неутрална ако позитивните и негативните полнежи се толку измешани што ја прават да се јавува како неутрална. На негово изненадување, многу од честичките се отклонувале во многу големи агли. Бидејќи масата на алфа-честички е околу 8000 пати поголема од онаа на електронот, стана јасно дека многу силна сила мора да биде присутна ако може да се одврати масовено и брзо движењето на алфа-честичките. Тој сфатил дека пудинг со сливи моделот не може да биде точен и дека на дефлексиите на алфа-честичките може да се објасни само ако позитивните и негативните полнежи се одделени едни од други и дека масата на атомот била концентрирана во точката на позитивениот полнеж. Ова ја оправда идејата за јадрен атом со густ центар на позитивен полнеж и маса.

Потекло на поимот

Терминот јадро доаѓа од латинскиот збор nucleus, деминутив од nux ( "орев"), што значи кернелот (на пример, "мал орев") во водените видови на овошје (како праска). Во 1844 година, Мајкл Фарадеј го користи терминот да посочи на "централна точка на еден атом". Модерното атомско значење беше предложено од страна на Ернест Радерфорд во 1912 година. Терминот "јадро" на атомската теорија, сепак не беше веднаш усвоено. Во 1916 година, на пример, Гилберт Н. Луис изјавил, во својот позната статија Атомот и Молекулата, дека "атомот се состои од јадро и надворешен атом или школка".

Јадрен состав

Фигуративната претстава на хелиум-4 атом со електронски облак во нијанси на сива боја. Во јадрото,се прикажани два протони и два неутрони во црвена и сина боја. Овој приказ ги покажува честичките како посебни, додека во вистинскиот атом на хелиум, протоните се преклопуваат во просторот и најверојатно, ќе се најдат во центарот на јадрото, а истото важи и за двата неутрони. Така, сите четири делови најверојатно ќе се најдат токму во истиот простор, во централна точка. Класичната слика на посебни честички не успева да се распредели како познат модел во многу мали јадра. Поточно сликата е дека просторното распределување на нуклеони во јадрото на хелиум е многу поблиску до електронскиот облак на хелиум прикажан овде, иако во многу помал обем, отколку фантастичната слика на јадрото.

Јадрото на атомот се состои од неутрони и протони, кои пак се манифираат на повеќе елементарни честички, наречени кваркови, кои се одржуваат во соработка со силно заемодејство во одредени стабилни комбинации на хадрони, наречен бариони. Силното заемодејство се протега доволно далеку со цел еден од барион да се поврзе на неутрон и протон заедно против одбивните електрични сили помеѓу позитивно наелектризираните протони. Јадреното силно заемодејство има многу краток домет, а во суштина ќе падне на нула само надвор од работ на јадрото. Колективната акција на позитивно наелектризираните јадра е да се одржат електронегативно наелектризираните електрони во нивните орбити околу јадрото. Колекцијата на негативно наелектризирани електрони кружат околу јадрото прикажуваат афинитет за одредени конфигурации и бројот на електрони кои ги прават нивните орбити стабилни. Кои хемиски елемент го претставува атомот се определува според бројот на протоните во јадрото; на неутрален атом ќе имаат еднаков број на електрони кои кружат околу јадрото. Одделен хемиски елемент може да создаде повеќе стабилни електронски конфигурацијии со комбинација на споделување на своите електрони. Тоа споделување на електроните за да се создаде стабилна електронска орбити околу јадрото, се појавува за нас како хемија на нашиот макро светот.

Протоните го дефинираат целиот полнеж на јадрото, а со тоа и неговиот хемиски идентитет. Неутроните се електрично неутралени, но придонесот за масата на јадрото е речиси во иста мера како и протоните. Неутрони се објаснети со феноменот на изотопи - сорти од ист хемиски елементи кои се разликуваат само во нивната атомска маса, а не нивните хемиски дејства.

Протони и неутрони

Протоните и неутроните се таканаречени фермиони, со различни вредности за силен изоспин квантен број, па два протони и два неутрони можат да делат ист простор на функционалниот бран откако тие не се идентични квантната субјекти. Понекогаш и на нив се гледа како на две различни квантни состојби на истите честички, јадрото. Две таканаречени фермиони, како што се два протони или два неутрони или протон + неутрони (деутрон) може да ги изложат бозонско однесување кога тие стануваат лабаво врзани во парови, кои се составен од спин.

Во редок случај на хиперјадро, една третина барион се нарекува хиперон, кој содржи една или повеќе чудни кваркови и / или други невообичаени кваркови (и) кои можат да ја делат функцијата на бранот. Сепак, овој тип на јадро е крајно нестабилен и не се наоѓа на Земјата, освен со високо енергески физички експерименти.

Неутронот има позитивно наелектризираните јадро со полупречник од ≈ 0,3 fm опкружен со компезиран негативен полнеж со полупречник помеѓу 0,3 fm и 2 fm. Протонот има експоненцијално распаѓање со дистрибуција на позитивен полнеж со средна вредност од квадратниот полупречник од околу 0.8 fm.

Сили

Јадра се врзани заедно врз основа на силна сила (јадрена сила). Преостанатата силна сила е мал остаток на силното заемодејство кое ги поврзува кварковите заедно за да образуваат протони и неутрони. Оваа сила е многу послаба помеѓу неутроните и протоните, бидејќи е претежно неутрализирана во нив, на истиот начин на кој електромагнетни сили меѓу неутрални атоми (како Ван Дер Валсовите сили кои дејствуваат меѓу два инертени гасни атоми) се многу послаби од електромагнетните сили кои се содржат во делови од атоми внатрешно (на пример, силите кои ги држат електроните во инертен гасен атом врзани за неговото јадро).

Јадрената сила е многу привлечна на растојание од типичната поделба на јадрото, а тоа одбивање меѓу протоните се должи на електромагнетната сила, со што се овозможува јадрото да постои. Сепак, преостанатата силна сила има ограничен опсег поради тоа што се распаѓа брзо со растојание (види потенцијалот на Јукава); така само јадра помали од одредена големина може да биде целосно стабилни. Најголемиото познато целосно стабилно јадро (односно стабилна за алфа, бета и гама пропаѓања) се води-208, кој содржи вкупно 208 нуклеони (126 неутрони и 82 протони ). Јадра поголеми од овој максимум се нестабилни и имаат тенденција да бидат краткотрајни со поголем број на нуклеони. Сепак, бизмут-209 е исто така стабилен на бета распаѓање и има најдолг полураспадот на алфа-распад на сите познати изотопи, се проценува дека е милијарда пати постаро од универзумот.

Преостанатата силна сила е ефикасна во текот на еден многу краток опсег (обично само неколку фермометри (fm) или ферми, околу еден или два пречници на јадрото) и предизвикува привлекување помеѓу секој јадрен пар. На пример, меѓу протоните и неутроните да се образуваат [NP] деутериум, а исто така и меѓу протоните и протони и неутрони и неутрони.

Хало јадра и силина на опсегот на граничната сила

Делотворно апсолутно ограничување на опсегот на силната сила е претставена со халогени јадра како што се литиум-11 или бор-14, во која неутроните и други збирови на неутрони, орбитата е на растојание од околу десет ферми (приближно слично на 8 ферми од полупречникот на јадрото на ураниум-238). Овие јадра не се максимално густи. Хало јадрената форма во екстремни рабовите на дијаграмот на нуклиди-неутронот капка линија и протонот капка линија и сите се нестабилни со краток полураспад, се мери во милисекунди; на пример, литиум-11 има полураспад од 8,8 милисекунди.

Халогеноста, всушност, претставува една возбудена состојба на нуклеоните во надворешена квантната школка која има непополнети нивоа на енергија "подолу" од тоа (како во однос на полупречник и енергија). Халогеноста може да се направи на било кој неутрон [NN, NNN] или протон [PP, PPP]. Јадрата кои имаат еден неутрон халоген вклучува ¹¹Be и ¹⁹C. Две неутронски халоген е изложен од страна на ⁶He, ¹¹Li, ¹⁷B, ¹⁹B и ²²C. Две неутронско халогени јадра се пробиваат во три фрагменти, никогаш не во два и се нарекуваат Borromean јадра, бидејќи ова однесување (кое се однесуваат на системот на три меѓусебно поврзани прстени во кој се крши било кој испреплетен прстен и ги ослободува другите). ⁸He и ¹⁴Be и да ги покажат четири неутронскиот ореол. Јадра кои имаат халоген протон вклучуваат ⁸B и ²⁶P. Два халогениот протон е изложен од страна на ¹⁷Ne и ²⁷S. Од халогените протони се очекува да бидат по ретки и нестабилни од примерите на неутралните, поради одбивните електромагнетни сили на вишокот на протони.

Модели на атомското јадро

Иако стандардниот модел на физиката се смета дека целосно го опишува составот и однесувањето на јадрото, генерирањето на предвидувањата од теорија е многу потешко во споредба со повеќето други области на физиката на честичките. Ова се должи на две причини:

Во принцип, физиката во рамките на јадрото може да се изведе целосно од квантната хромодинамика (QCD). Меѓутоа во пракса, сегашните компјутерски и математички пристапи за решавање на QCD во нискоенергетски системи, како во јадрата се крајно ограничени. Ова се должи на фазниот премин, кој се јавува помеѓу материјата со високоенергетски кварк и со нискоенергетска хадронска материја, што ги прави претрубативните техники неупотребливи, што ја отежнува изградбата на точна QCD добиена од модел на јадрени сили. Современите пристапи се ограничени или феноменолошки модели како што се Argonne V18 потенцијал или хиралена област на делотворната теорија.
Дури и ако јадрената сила е добро ограничена, значителен износ на компјутерската моќ е потребен точно да се пресметаат својствата на јадрата ab initio. Развојот во теорија многу тела го направија ова можно за многу мала маса и релативно стабилни јадра, но понатамошните подобрувања во компјутерската моќ и се барањето на математички пристапи пред тешки јадра или високо нестабилни јадра може да се реши.

Историски гледано, експериментите беа во споредба релативно груби модели кои се нужно несовршени. Ниту еден од овие модели не може целосно да ги објасни експерименталните податоци на јадрената структура.

Јадрениот полупречник (R) се смета за еден од основните количества што секој модел мора да ја предвиди. За стабилни јадра (не ореол јадра или други нестабилна искривени јадра), јадрениот полупречник е отприлика пропорционален на коцка коренот на масениот број (A) на јадрото, а особено во јадрата кои содржат многу нуклеони, каде се организира во повеќе сферини конфигурации:

Стабилното јадро има постојана густина и затоа јадрениот полупречник R можат да се пресмета со следнава формула,

R=r_{0}A^{1/3}\,

каде A = Атомски масен број (бројот на протоните Z, и бројот на неутроните N) и r₀ = 1.25 fm = 1.25 × 10⁻¹⁵ m. Во оваа равенка, константата r₀ варира од 0.2 fm, во зависност какво јадро е во прашање, но таа е помалку од 20% променлива од постојаната.

Со други зборови, пакетите со протони и неутрони во јадрото ја дава делумно големината на истиот вкупен резултат како пакетот тешко сферни константни големини (како џамлии) во тесна сферични или речиси сферични торби (некои стабилни јадра не се сосема сферични, но се знае да бидат сфероидни).

Модел на капка

Во почетните модели на јадрото се гледа јадрото како вртечка течна капка. Во овој модел, trade-off на долг дострел на електромагнетни сили и релативно краток опсег на јадрени сили, заедно предизвикуваат однесувања кои потсетуваат на површинскиот напон во течни капки од различни големини. Оваа формула е успешно објаснува многу важни феномени на јадрата, како што е нивното менување на количини на обврзувачки енергија на нивната големина и промени во составот (види формула за полуемпириски маса ), но тоа не ја објаснува посебната стабилност што се случува кога јадра имаат посебни " магични броеви "на протоните и неутроните.

Поимите полуемпириските формули , кои можат да се применуваат за пресметување на обврзувачки енергија на многу јадра, се сметаат како збир на пет видови на енергии (види подолу). Тогаш сликата на јадрото како капка некомпресибилни течност околу пресметките за набљудуваните варијација на врзувачката енергија на јадрото:

Зафатнинска енергија. Кога еден собир на нуклеони со иста големина се спакувани во најмал волумен, секое внатрешен нуклеон има одреден број на други нуклеони во контакт со него. Значи, оваа јадрената енергија е пропорционална со волуменот.

Површина на енергија. Нуклеонот на површината на јадрото се поврзува помалку од другите нуклеони во внатрешноста на јадрото и поради што нејзината обврзувачки енергија е помала. Овој термин површинска енергија го тоа зема тоа предвид и затоа е негативна и пропорционална на површината.

Кулонова енергија. Електрична одбивност помеѓу секој пар на протони во јадрото придонесува за намалување на неговата врзувачка енергија.

Асиметрија на енергија (исто така наречена Паули енергија). Енергетски поврзани со принципот на исклучување на Паули. Ако ја нема Кулоновата енергија, најстабилна форма на јадрената материја ќе има ист број на неутрони и протони, бидејќи нееднаков број на неутрони и протони подразбира пополнување повисоко ниво на енергија за еден вид на честички, а оставајќи ги пониските енергетски нивоа испразнети од друг вид.

Спарување на енергија. Енергија која е коректен поим што произлегува од тенденцијата на протонската парови и неутронските парови да се случат. Парен број на честички е постабилен од непарен број.

Модели на школка и други квантни модели

Бројот на моделите за јадрото, исто така, беа предложени во која нуклеоните ги зафаќаат орбиталите, како атомските орбитали во атомската теорија на физика. Овие бран модели го замислува нуклеонот како помала точка во честичка во потенцијалните извори, или друго веројатноста брановте да се јават како "оптички модел", неспоредливо кружи со голема брзина во потенцијалните извори.

Во горните модели, нуклеоните можат да заземаат орбитали во парови, бидејќи се фермиони, што овозможува да се објасни пар / непар Z и N последиците добро познати од експериментите. Точната природа и капацитетот на јадрените школки се разликува од оние на електроните во атомските орбитали, првенствено затоа што на потенцијалните извори во која нуклеони се движат (особено во поголемите јадра) е сосема различен од централниот електромагнетен потенцијал кој ги поврзува електроните во атомите. Некоја сличност со орбиталните модели може да се види во малите атомскоти јадра како на хелиум-4, во која два протони и два неутрони одделно заземаат 1s орбитали аналогно со 1s орбиталата за двата електроните во атомот на хелиум, и да се постигне необичен стабилност од истата причина. Јадрата со 5 нуклеони сите се крајно нестабилни и краткотрајни, но, хелиум-3, со 3 нуклеони, е многу стабилен, дури и со недостаток на затворената 1s орбиталата школка. Друга јадро со 3 нуклеони е тритон водород-3 кој е нестабилен и ќе се распаѓа во хелиум-3 кога е изолиран. Слаба јадрена стабилност со 2 нуклеони {NP} во 1s орбитала се наоѓа во деутерон водород-2, со само еден нуклеон во секој од протонот и неутронот потенцијален извор. Иако секој нуклеон е фермион, {NP} деутрон е бозон, а со тоа не го следи Пауловото исклучување за блиско пакување во школката. Литиум-6 со 6 нуклеони е многу стабилен без затворање на втората 1p орбитална школка. За лесни јадра со вкупниот број нуклеоните од 1 до 6, само оние со 5 не покажуваат докази за стабилност. Тврдењето за бета-стабилноста на лесни јадра надвор од затворените школки укажуваат на тоа дека јадрената стабилност е многу покомплексна отколку едноставно затворањето на орбиталната школка со магични броеви на протони и неутрони.

За поголеми јадра, школките заземени од нуклеони започнуваат значително да се разликуваат од електронските обвивки, но сепак, оваа јадрена теорија не ги предвидува магичните броеви на пополнети јадрена школки за протони и неутрони. Затворањето на стабилните школки предвидува невообичаено стабилна конфигурации, аналогно на благородната група од речиси-инертни гасови во хемијата. Пример за тоа е стабилноста на затворената школка од 50 протони, која им овозможува на калајот да има 10 стабилни изотопи, повеќе од било кој друг елемент. Слично на тоа, растојанието помеѓу затворените школки се објаснува со необична нестабилност на изотопи кои имаат далеку од стабилни броеви на овие честички, како што се радиоактивните елементи 43 (технециум) и 61 (прометиум), од која секоја и претходи, а по 17 или повеќе стабилни елементи.

Меѓутоа, постојат проблеми со моделот на школката кога се прави обид да дадат објаснат јадрените својства сосем далеку од затворените школки. Ова доведе до комплексни post hoc нарушувања на обликот на потенцијалот и да одговара на експериментални податоци, но останува отворено прашањето дали овие математички манипулации всушност одговараат на просторните деформации во реалното јадро. Проблеми со моделот на школка доведе до тоа некои да предложи реална две-молекулска и три-молекулска јадрена сила, ефекти кои вклучуваат нуклеон кластери и потоа се гради јадрото на оваа основа. Две такви кластер модели се блиску спакуван сферен модел на Лајнус Полинг и 2D Ising модел на Мекгрегор.

Доследност меѓу модели

Како и во случајот на супертечниот хелиум, атомски јадра се пример за состојба во која и двете (1) "обичните" честички физички правила за обемот и (2) не-интуитивна квантно механички правила за брановидна природата се применуваат. Во супертечниот хелиум, хелиумовите атоми имаат волумен, и во суштина "доприраат" едни до други, но во исто време покажуваат чудни карактеристичните својства, во согласност со кондензација на Бозе-Ајнштајн. Вториот открива дека тие исто така имаат брановидна природа и не покажуваат стандардни течни својства, како што триење. За јадра направени од хадрони кои се таканаречени фермиони, истиот тип на кондензација не се случува, но сепак, многу јадрени својства може да се објаснат само на сличен начин со комбинација на својства на честички со волумен, во прилог на триење при движење, одлика на огромен бран како однесување на предметите заглавени во Erwin Schrödinger.

Поврзано

Наводи

↑ Iwanenko, D.D. (1932). „The neutron hypothesis“. Nature. 129 (3265): 798. doi:10.1038/129798d0.
↑ Heisenberg, W. (1932). „Über den Bau der Atomkerne. I“. Z. Phys. 77: 1–11. Bibcode:1932ZPhy...77....1H. doi:10.1007/BF01342433.
↑ Heisenberg, W. (1932). „Über den Bau der Atomkerne. II“. Z. Phys. 78 (3–4): 156–164. Bibcode:1932ZPhy...78..156H. doi:10.1007/BF01337585.
↑ Heisenberg, W. (1933). „Über den Bau der Atomkerne. III“. Z. Phys. 80 (9–10): 587–596. Bibcode:1933ZPhy...80..587H. doi:10.1007/BF01335696.
↑ Miller A. I. Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook, Cambridge University Press, Cambridge, 1995, ISBN 0521568919, pp. 84–88.
↑ Fernandez, Bernard and Ripka, Georges (2012). Unravelling the Mystery of the Atomic Nucleus: A Sixty Year Journey 1896 — 1956. Nuclear Theory After the Discovery of the Neutron. Springer. стр. 263. ISBN 9781461441809.CS1-одржување: повеќе имиња: список на автори (link)
↑ Brumfiel, Geoff (July 7, 2010). „The proton shrinks in size“. Nature. doi:10.1038/news.2010.337.

Надворешни врски

The Nucleus – a chapter from an online textbook Архивирано на 14 декември 2010 г.
The LIVEChart of Nuclides – IAEA in Java or HTML
Article on the "nuclear shell model," giving nuclear shell filling for the various elements. Accessed Sept. 16, 2009.
Timeline: Subatomic Concepts, Nuclear Science & Technology Архивирано на 5 февруари 2021 г..

Предлошка:Nuclear Technology

[1] Iwanenko, D.D. (1932). „The neutron hypothesis“. Nature. 129 (3265): 798. doi:10.1038/129798d0.

[2] Heisenberg, W. (1932). „Über den Bau der Atomkerne. I“. Z. Phys. 77: 1–11. Bibcode:1932ZPhy...77....1H. doi:10.1007/BF01342433.

[3] Heisenberg, W. (1932). „Über den Bau der Atomkerne. II“. Z. Phys. 78 (3–4): 156–164. Bibcode:1932ZPhy...78..156H. doi:10.1007/BF01337585.

[4] Heisenberg, W. (1933). „Über den Bau der Atomkerne. III“. Z. Phys. 80 (9–10): 587–596. Bibcode:1933ZPhy...80..587H. doi:10.1007/BF01335696.

[5] Miller A. I. Early Quantum Electrodynamics: A Sourcebook, Cambridge University Press, Cambridge, 1995, ISBN 0521568919, pp. 84–88.

[6] Fernandez, Bernard and Ripka, Georges (2012). Unravelling the Mystery of the Atomic Nucleus: A Sixty Year Journey 1896 — 1956. Nuclear Theory After the Discovery of the Neutron. Springer. стр. 263. ISBN 9781461441809.CS1-одржување: повеќе имиња: список на автори (link)

[Nature-7] Brumfiel, Geoff (July 7, 2010). „The proton shrinks in size“. Nature. doi:10.1038/news.2010.337.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]