Genom att studera materiens sammansättning kom forskarna fram till att all materia består av molekyler och atomer. På länge atomen (översatt från grekiska som "odelbar") ansågs vara den minsta strukturella enheten av materia. Men ytterligare forskning visade att atomen har komplex struktur och inkluderar i sin tur mindre partiklar.

Vad består en atom av?

År 1911 föreslog vetenskapsmannen Rutherford att atomen har en central del med en positiv laddning. Så här uppstod begreppet atomkärna först.

Enligt Rutherfords schema, kallat planetmodellen, består atomen av en kärna och elementarpartiklar med en negativ laddning - elektroner, som rör sig runt kärnan, precis som planeterna kretsar runt solen.

1932 upptäckte en annan forskare, Chadwick, neutronen, en partikel som inte har någon elektrisk laddning.

Enligt moderna idéer motsvarar kärnan den planetmodell som Rutherford föreslagit. Kärnan bär det mesta av atommassan. Den har också en positiv laddning. Atomkärnan innehåller protoner – positivt laddade partiklar och neutroner – partiklar som inte bär någon laddning. Protoner och neutroner kallas nukleoner. Negativt laddade partiklar – elektroner – rör sig i omloppsbana runt kärnan.

Antalet protoner i kärnan är lika med de som rör sig i omloppsbana. Därför är atomen själv en partikel som inte bär en laddning. Om en atom får elektroner från andra eller förlorar sina egna, blir den positiv eller negativ och kallas en jon.

Elektroner, protoner och neutroner kallas gemensamt för subatomära partiklar.

Laddning av atomkärnan

Kärnan har ett laddningsnummer Z. Det bestäms av antalet protoner som utgör atomkärnan. Det är enkelt att ta reda på detta belopp: bara kontakta periodiska systemet Mendelejev. Atomnumret för grundämnet som atomen tillhör är lika med antalet protoner i kärnan. Således, om det kemiska elementet syre har ett atomnummer av 8, kommer antalet protoner också att vara åtta. Eftersom antalet protoner och elektroner i en atom är detsamma kommer det också att finnas åtta elektroner.

Antalet neutroner kallas isotoptalet och betecknas med bokstaven N. Deras antal kan skilja sig åt i en atom av samma kemiskt element.

Summan av protoner och elektroner i kärnan kallas atomens massatal och betecknas med bokstaven A. Således ser formeln för att beräkna masstalet ut så här: A = Z + N.

Isotoper

När grundämnen har lika många protoner och elektroner, men olika antal neutroner, kallas de isotoper av ett kemiskt grundämne. Det kan finnas en eller flera isotoper. De är placerade i samma cell i det periodiska systemet.

Isotoper har stort värde i kemi och fysik. Till exempel ger en isotop av väte - deuterium - i kombination med syre ett helt nytt ämne som kallas tungt vatten. Den har en annan kok- och fryspunkt än normalt. Och kombinationen av deuterium med en annan isotop av väte - tritium leder till termonukleär reaktion syntes och kan användas för att generera enorma mängder energi.

Massa av kärnan och subatomära partiklar

Storleken och massan av atomer är försumbara i människans uppfattning. Kärnornas storlek är ungefär 10 -12 cm Massan av en atomkärna mäts i fysiken i de så kallade atommassenheterna - amu.

För en amu ta en tolftedel av massan av en kolatom. Med de vanliga måttenheterna (kilogram och gram) kan massan uttryckas med följande ekvation: 1 amu. = 1,660540 10 -24 g Uttryckt på detta sätt kallas det absolut atommassa.

Trots det faktum att atomkärnan är den mest massiva komponenten i en atom, är dess storlek i förhållande till elektronmolnet som omger den extremt liten.

Kärnkrafter

Atomkärnor är extremt stabila. Det betyder att protoner och neutroner hålls i kärnan av någon kraft. Dessa kan inte vara elektromagnetiska krafter, eftersom protoner är lika laddade partiklar, och det är känt att partiklar med samma laddning stöter bort varandra. Gravitationskrafterna är för svaga för att hålla samman nukleoner. Följaktligen hålls partiklar i kärnan av en annan interaktion - kärnkrafter.

Kärnkraften anses vara den starkaste av alla som finns i naturen. Därför kallas denna typ av interaktion mellan elementen i atomkärnan stark. Det finns i många elementarpartiklar, precis som elektromagnetiska krafter.

Funktioner hos kärnkrafter

1. Kort handling. Kärnkrafter, till skillnad från elektromagnetiska, uppträder endast på mycket små avstånd, jämförbara med storleken på kärnan.
2. Laddningsoberoende. Denna egenskap manifesteras i det faktum att kärnkrafter verkar lika på protoner och neutroner.
3. Mättnad. Nukleonerna i kärnan interagerar endast med ett visst antal andra nukleoner.

Kärnbindande energi

En annan sak som är nära relaterad till begreppet stark interaktion är kärnornas bindningsenergi. Kärnbindningsenergi hänvisar till den mängd energi som krävs för att dela en atomkärna i dess ingående nukleoner. Det är lika med energin som krävs för att bilda en kärna från enskilda partiklar.

För att beräkna bindningsenergin för en kärna måste du känna till massan subatomära partiklar. Beräkningar visar att massan av en kärna alltid är mindre än summan av dess ingående nukleoner. En massdefekt är skillnaden mellan massan av en kärna och summan av dess protoner och elektroner. Med hjälp av förhållandet mellan massa och energi (E = mc 2) kan man beräkna den energi som genereras under bildandet av en kärna.

Styrkan hos en kärnas bindningsenergi kan bedömas med följande exempel: bildandet av flera gram helium producerar samma mängd energi som förbränning av flera ton kol.

Kärnreaktioner

Atomernas kärnor kan interagera med andra atomers kärnor. Sådana interaktioner kallas kärnreaktioner. Det finns två typer av reaktioner.

1. Fissionsreaktioner. De uppstår när tyngre kärnor, som ett resultat av interaktion, sönderfaller till lättare.
2. Syntesreaktioner. Den omvända processen av fission: kärnor kolliderar och bildar därigenom tyngre grundämnen.

Alla kärnreaktioner åtföljs av frigörande av energi, som sedan används inom industrin, militären, energisektorn och så vidare.

Efter att ha bekantat oss med sammansättningen av atomkärnan kan vi dra följande slutsatser.

1. En atom består av en kärna som innehåller protoner och neutroner, och elektroner runt den.
2. Massantalet för en atom är lika med summan av nukleonerna i dess kärna.
3. Nukleoner hålls samman av starka interaktioner.
4. De enorma krafter som ger stabilitet åt atomkärnan kallas för kärnbindningsenergier.

Kärnan i en atom består av nukleoner, som är uppdelade i protoner och neutroner.

Symbolisk beteckning för en atoms kärna:

A är antalet nukleoner, dvs. protoner + neutroner (eller atommassa)
Z- antal protoner (lika med antalet elektroner)
N är antalet neutroner (eller atomnummer)

KÄRNKRAFTER

Agera mellan alla nukleoner i kärnan;
- attraktionskrafter;
- kortverkande

Nukleoner attraheras av varandra av kärnkrafter, som är helt olik varken gravitationskrafter eller elektrostatiska krafter. . Kärnkrafter förfaller mycket snabbt med avstånd. Deras aktionsradie är cirka 0,000 000 000 000 001 meter.
För denna ultralilla längd, som kännetecknar storleken på atomkärnor, infördes en speciell beteckning - 1 fm (till ära av den italienska fysikern E. Fermi, 1901-1954). Alla kärnor är flera Fermi i storlek. Radie kärnkrafter lika med storleken nukleon, så kärnor är klumpar av mycket tät materia. Kanske den tätaste under markförhållanden.
Kärnkrafter är starka interaktioner. De är många gånger större än Coulomb-kraften (på samma avstånd). Inverkan på kort räckvidd begränsar effekten av kärnkrafter. När antalet nukleoner ökar blir kärnorna instabila, och därför de flesta tunga kärnorär radioaktiva och mycket tunga kan inte existera alls.
Det ändliga antalet grundämnen i naturen är en följd av kärnkrafternas kortdistansverkan.

Atomens struktur - Cool fysik

Visste du det?

I mitten av 1900-talet förutspådde kärnkraftsteorin existensen av stabila grundämnen med atomnummer Z = 110 -114.
I Dubna erhölls det 114:e elementet med atommassa A = 289, som "levde" i endast 30 sekunder, vilket är otroligt långt för en atom med en kärna av denna storlek.
Idag diskuterar teoretiker redan egenskaperna hos supertunga kärnor som väger 300 och till och med 500.

Atomer med samma atomnummer kallas isotoper: i det periodiska systemet
de är belägna i samma cell (på grekiska isos - lika, topos - plats).
De kemiska egenskaperna hos isotoper är nästan identiska.
Om det finns cirka 100 grundämnen i naturen, så finns det mer än 2000 isotoper. Många av dem är instabila, det vill säga radioaktiva och sönderfaller olika typer strålning.
Isotoper av samma grundämne skiljer sig i sammansättning endast i antalet neutroner i kärnan.

Isotoper av väte.

Om du tar bort utrymme från alla atomer i människokroppen, då kan det som blir kvar passa genom ett nålsöga.

För den nyfikna

Hyvlande bilar

Om du, när du kör en bil på våt väg i hög hastighet, bromsar kraftigt, kommer bilen att bete sig som ett segelflygplan; dess däck kommer att börja glida på en tunn hinna av vatten, praktiskt taget utan att röra vägen.

Varför händer detta? Varför glider inte alltid en bil på våt väg, även om bromsen inte är åtdragen?
Flera slitbanemönster erbjöds för att minska sannolikheten för vattenplaning. Till exempel kan spåret leda vatten till slitbanans bakre kontaktpunkt med vägen, där vattnet kommer att kastas ut.

Andra, mindre spår kan tömma vatten åt sidorna. Slutligen kan små fördjupningar på slitbanan så att säga "väta" vattenlagret på vägen och vidröra det precis före området där slitbanan huvudsakligen kommer i kontakt med vägytan. I samtliga fall är målet att avlägsna vatten från kontaktzonen så snabbt som möjligt och förhindra vattenplaning.

Ämne: Atomkärnans sammansättning. Kärnkrafter.

Syftet med lektionen: att introducera eleverna till de strukturella egenskaperna hos atomkärnan.

Lektionens mål:

Utbildning:

) Upprepa, generalisera och fördjupa kunskapen om sammansättningen av atomkärnor;

) Forma begreppet "isotoper av ämnen";

) Forma begreppet "kärnkraft";

) Studera egenskaperna hos kärnkrafter;

Utbildning:

) Utveckla förmågan att utföra mentala operationer: analys, syntes, systematisering, jämförelse, specifikation;

) Utveckla intresset för fysik;

) Visa sambandet mellan teoretisk kunskap och praktik;

) Lär dig att använda Mendeleevs periodiska system för att bestämma sammansättningen av atomkärnan; ) Fortsätt utveckla förmågan att ansöka teoretisk kunskap

när du löser problem;

) Bidra till att utveckla flexibelt tänkande hos elever;

) Att främja utvecklingen av uppmärksamhet hos elever;

Utbildare:

) Utbildning av en helhetsbild av världen;

) Att utveckla förmågan att använda de kunskaper som eleverna förvärvat när de studerar andra ämnen.

Utrustning: Mendeleevs periodiska system, presentation för lektionen, utdelat material.

Epigraf för lektionen:

"Intelligens ligger inte bara i kunskap, utan också i förmågan att tillämpa kunskap i praktiken"

Aristoteles.

Lektionens framsteg.

I. Organisatoriskt ögonblick.

Den antika grekiske filosofen Aristoteles sa: "Intelligens ligger inte bara i kunskap, utan också i förmågan att tillämpa kunskap i praktiken." Låt dessa ord, som uttalades på 300-talet f.Kr., bli mottot för vår lektion idag (bild 1)

II. Läxkontrollstadiet

Frontal undersökning:

1. Vem var den första som lade fram hypotesen att alla kemiska grundämnens atomkärnor inkluderar kärnan i en väteatom? (Engelske fysikern Ernest Rutherford)

2. Vilket år erhölls fakta som bekräftar giltigheten av denna hypotes? (1919, när man observerade interaktionen av α - partiklar med kärnorna av kväveatomer)

4. Tack vare uppfinningen av vilken anordning bevisades äntligen existensen av protonen? (molnkammare)

5. Skriv ner den symboliska beteckningen för protonen på tavlan (11H, 11p)

6. Ernest Rutherford antog en hypotes om existensen av vilka partiklar som ingick i atomkärnan 1920? (neutron)

7. Av vem och när bevisades detta antagande? (1932 - engelsk fysiker James Chadwig (Rutherfords student))

8. Skriv symbolen för neutron (10n) på tavlan.

Ta bedömningsbladen (bilaga 1) och ge dig själv ett betyg för detta skede av lektionen

III. Stadiet för att lära sig nytt material.

1. Alla borde åtminstone översikt föreställ dig hur världen han lever i fungerar. Därför är det viktigt att veta att världen är kännbar, att när kunskapen fördjupas blir bilden av världen mer komplex.

Killar, vad tror ni att vi ska prata om i klassen idag?

Och jag tror att vi kommer att studera atomens struktur.)

Ja, vi kommer att fortsätta vårt arbete med att studera strukturen av atomkärnan. Ämnet för vår lektion: "Struktur av atomkärnan. Kärnvapenstyrkor." Skriv ner ämnet för lektionen i din anteckningsbok (bild 2).

Låt oss försöka bestämma målen och målen för lektionen.

(Studera strukturen hos atomkärnor. Vilka krafter håller fast partiklarna som utgör kärnorna) (Bild 3)

I historien modern fysik Det finns ett år som kallas "miraklens år". Det här är 1932. Ett av hans "mirakel" var upptäckten av neutronen och skapandet av en neutron-protonmodell av atomkärnan (av sovjetiska fysiker - och Gapon; tysk fysiker - Werner Heisenberg; italiensk fysiker - Majorana).

Kärnan har formen av en kula R ≈ 10-15 m, ungefär 99,96% av atomens totala massa är koncentrerad i den, ρ = 2,7∙1017 kg/m³.

Proton: p (1919), livstid 10³¹ år, m = 1836,2me, qp = +e

Neutron: n, q=0, livstid utanför kärnan 15 min, m=1838,7me

Vadim Skorobogatko förberedde ett meddelande till oss om sammansättningen av atomkärnan.

Båda dessa partiklar kallas ofta nukleoner (bild 4.)

Varje kemiskt element betecknas konventionellt - X (slide 5).

Antalet partiklar som utgör atomkärnan kallas masstalet och betecknas A. (Bild 6).

Antalet protoner i kärnan kallas laddningstalet och betecknas med Z. (Bild 7)

Antalet neutroner som ingår i kärnan betecknas N.

A= N + Z (bild 8).

2. Ytterligare studier av atomkärnor ledde till upptäckten att atomer av samma kemiska element kan ha kärnor med olika massor.

Dessutom hade alla dessa atomer samma kemiska egenskaper, och har därför samma kärnladdning. Om kärnornas laddningar är desamma betyder det att de har samma serienummer i tabellen, det vill säga att de upptar samma cell i tabellen.

(Bild 9). Alla varianter av ett kemiskt element kallas isotoper.

Det har nu experimentellt bevisats att nästan alla kemiska grundämnen har isotoper.

Till exempel:

11H - protium 21H - deuterium 31Н – tritium.

Närvaron av vilka partiklar som ingår i kärnans sammansättning är olika för isotoper? (neutroner)

Det är närvaron av olika antal neutroner i isotopernas kärnor som orsakar olika fysiska egenskaper kemikalier, som kommer att studeras närmare i årskurs 11.

3. Hypotesen om proton-neutronsammansättningen av atomkärnan bekräftades, men följande fråga uppstår: varför sönderfaller inte kärnan till enskilda partiklar?

För att svara på denna fråga, låt oss komma ihåg det tidigare studerade materialet:

Det finns en ömsesidig attraktion mellan alla kroppar som har massa. Tyngdkraften beräknas enligt lagen universell gravitation: F=Gm1m2/r2.

Protonerna som utgör kärnan har en positiv laddning, vilket innebär att repulsion uppstår mellan dem, och kraften från elektrisk repulsion är 1039 gånger större än gravitationskraften. Endast av detta faktum kan vi dra slutsatsen att mellan partiklarna som utgör kärnan uppstår en interaktion som är ännu starkare än elektrisk, annars skulle protonerna som utgör kärnan flyga iväg med enorm hastighet.

Forskare har kommit till slutsatsen att det finns en annan typ av interaktion i naturen, som kallades stark.

(Bild 10). Attraktionskrafterna mellan partiklarna som utgör kärnan kallas nukleära.

(Bild 11). Kärnkrafternas egenskaper:

Ø är bara attraktionskrafter;

Ø många gånger större än Coulombs krafter;

Ø inte beror på förekomsten av laddning;

Ø kort räckvidd: märkbar på avstånd r ≈ 2,2∙10 -15 m;

Ø interagerar med ett begränsat antal nukleoner (mättnadsegenskap).

https://pandia.ru/text/80/367/images/image003_45.gif" width="31" height="13">0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Ämnets namn

Massnummer, A

Laddningsnummer, Z

Antal neutroner, N

Germanium

Kontrollera hur du genomfört uppgiften och ge dig själv ett betyg på utvärderingsbladet för denna typ av arbete.

2. Slide 14. Identifiera det saknade kemiska elementet.

Bild 15. Kontrollera hur du utförde uppgiften och ge dig själv ett betyg på utvärderingsbladet för denna typ av arbete.

Mg

Na

Li

C

O

3. Ställ frågor till korsordet (alternativ 1 – för ord placerade horisontellt, alternativ 2 – för ord placerade vertikalt) (Bilaga 1)

Ge dig själv ett betyg på utvärderingsbladet för denna typ av arbete.

VI. Sammanfattning av lektionen

Avsluta meningen:

1. En atom av vilket kemiskt element som helst består av...

2. Kärnan i ett kemiskt element består av...

3. Summan av protoner och neutroner kallas..., i det periodiska systemet är masstalet....

4. I det periodiska systemet är antalet protoner i kärnan ..., och kallas ....

5. Antalet neutroner i kärnan är lika med ... (skillnaden mellan massan och laddningstalen)

6. Protoner och neutroner hålls i kärnan... (kärnkrafter)

7. Isotoper är... (varianter av samma kemiska element, som skiljer sig i massan av atomkärnor).

8. Bindningsenergi är... (energin som krävs för att dela en kärna i enskilda nukleoner).

9. Kärnreaktion kallas... (förändringar i atomkärnor när de interagerar med elementarpartiklar eller med varandra).

Vilka mål satte du upp för dig själv och lyckades du uppnå dem? Ge dig själv ett betyg på poängbladet för denna typ av arbete.

Beräkna ditt medelbetyg på lektionen.

VII. Bild 17. D/z: §61, 62 ex. 45 (lärobok: ,)

VIII. Reflexion.

Fortsätt meningen

Idag i klassen

) Jag kände...
jag förstår...
jag kommer…

Fysik är naturvetenskapen - visar oss hur stor världen vi lever i är, men denna värld är igenkännbar, vilket betyder att fysiken ger en person extraordinär styrka.

Från tanken på de minsta partiklarna framkom i slutändan alla fördelar som vi har idag: nya material, tv-apparater, lasrar, datorer. Och huvudidén om de minsta partiklarna hjälpte till att förstå världen från en enda synvinkel.

Killar, vår lektion har tagit slut. Jag skulle vilja avsluta det med orden i ordspråket "Det är inte synd att inte veta, det är synd att inte lära sig!" Och hur mycket är fortfarande okänt runt omkring! Vilket verksamhetsområde för ett nyfiket sinne. Så starta din "perpetual motion machine" och gå!

Bilaga 1.

Resultatlista__________________________________________________________________________

	Typ av arbete
	Undersökning läxa
	Att lära sig nytt material
	Konsolidering
	Förberedelser inför statsprovet a) fylla i tabellen

Föreläsning 18. Element av fysik i atomkärnan

Föreläsningsöversikt

Atomkärna.

Massdefekt, kärnbindningsenergi.

Radioaktiv strålning och dess typer. Lagen om radioaktivt sönderfall.

Bevarandelagar för radioaktiva sönderfall och kärnreaktioner.

1.Atomkärna. Massdefekt, kärnbindningsenergi.

Sammansättningen av atomkärnan- vetenskapen om atomkärnors struktur, egenskaper och omvandlingar. 1911 slog E. Rutherford fast i experiment på spridningen av α-partiklar när de passerar genom materia att en neutral atom består av en kompakt positivt laddad kärna och ett negativt elektronmoln. W. Heisenberg och D.D. Ivanenko antog (oberoende) att kärnan består av protoner och neutroner.

Atomkärna- den centrala massiva delen av en atom, bestående av protoner och neutroner som tagit emot vanligt namn nukleoner. Nästan hela atomens massa är koncentrerad i kärnan (mer än 99,95%). Kärnornas dimensioner är i storleksordningen 10 -13 - 10 -12 cm och beror på antalet nukleoner i kärnan. Densiteten av kärnämne för både lätta och tunga kärnor är nästan densamma och är ca 10 17 kg/m 3, d.v.s. 1 cm 3 kärnämne skulle väga 100 miljoner ton Kärnor har en positiv elektrisk laddning som är lika med det absoluta värdet av den totala laddningen av elektroner i atomen.

Proton (symbol p) är en elementarpartikel, kärnan i en väteatom. En proton har en positiv laddning som är lika stor som en elektrons laddning. Protonmassa m p = 1,6726 10 -27 kg = 1836 m e, där m e är elektronens massa.

Inom kärnfysik är det vanligt att uttrycka massor i atommassenheter:

1 amu = 1,65976 10 -27 kg.

Därför är protonmassan, uttryckt i amu, lika med

m p = 1,0075957 f.m.u.

Antalet protoner i kärnan kallas avgiftsnummer Z. Det är lika med atomnumret för ett givet grundämne och bestämmer därför grundämnets plats i Mendelejevs periodiska system för grundämnen.

Neutron (symbol n) är en elementarpartikel som inte har en elektrisk laddning, vars massa är något större än en protons massa.

Neutronmassa m n = 1,675 10 -27 kg = 1,008982 amu Antalet neutroner i kärnan betecknas N.

Det totala antalet protoner och neutroner i kärnan (antal nukleoner) kallas massnummer och betecknas med bokstaven A,

För att beteckna kärnor används symbolen, där X är grundämnets kemiska symbol.

Isotoper- sorter av atomer av samma kemiska grundämne, vars atomkärnor har samma nummer protoner (Z) och olika antal neutroner (N). Kärnorna i sådana atomer kallas också isotoper. Isotoper upptar samma plats i det periodiska systemet för grundämnen. Som ett exempel, här är isotoper av väte:

Begreppet kärnkrafter.

Atomkärnorna är extremt starka formationer, trots att lika laddade protoner, som befinner sig på mycket små avstånd i atomkärnan, måste stöta bort varandra med enorm kraft. Följaktligen verkar extremt starka attraktionskrafter mellan nukleoner inuti kärnan, många gånger större än de elektriska frånstötande krafterna mellan protoner. Kärnkrafter är en speciell typ av kraft de är den starkaste av alla kända interaktioner i naturen.

Forskning har visat att kärnkrafter har följande egenskaper:

nukleära attraktionskrafter verkar mellan alla nukleoner, oavsett deras laddningstillstånd;

Nukleära attraktionskrafter har kort räckvidd: de verkar mellan två valfria nukleoner på ett avstånd mellan partiklarnas centra på cirka 2,10 -15 m och minskar kraftigt med ökande avstånd (på avstånd större än 3,10 -15 m är de praktiskt taget lika med noll);

Kärnkrafter kännetecknas av mättnad, d.v.s. varje nukleon kan endast interagera med nukleonerna i kärnan närmast den;

kärnkrafter är inte centrala, d.v.s. de verkar inte längs linjen som förbinder centra för interagerande nukleoner.

För närvarande är kärnkrafternas natur inte helt klarlagd. Det har konstaterats att de är de så kallade utbyteskrafterna. Utbyteskrafter är kvanta i naturen och har ingen motsvarighet i klassisk fysik. Nukleoner är förbundna med varandra genom en tredje partikel, som de ständigt utbyter. 1935 visade den japanske fysikern H. Yukawa att nukleoner utbyter partiklar vars massa är ungefär 250 gånger större än en elektrons massa. De förutspådda partiklarna upptäcktes 1947 av den engelske vetenskapsmannen S. Powell när han studerade kosmiska strålar och kallades därefter -mesoner eller pioner.

De ömsesidiga omvandlingarna av neutronen och protonen bekräftas av olika experiment.

Defekt i massorna av atomkärnor. Bindande energi i atomkärnan.

Nukleonerna i atomkärnan är sammankopplade av kärnkrafter, därför är det nödvändigt att förbruka mycket energi för att dela upp kärnan i sina individuella protoner och neutroner.

Den minsta energi som krävs för att separera en kärna i dess ingående nukleoner kallas kärnkraftsbindande energi. Samma mängd energi frigörs om fria neutroner och protoner kombineras och bildar en kärna.

Noggranna masspektroskopiska mätningar av kärnmassor har visat att vilomassan i en atomkärna är mindre än summan av vilomassorna av fria neutroner och protoner från vilka kärnan bildades. Skillnaden mellan summan av vilomassorna av fria nukleoner från vilka kärnan är bildad och kärnans massa kallas massdefekt:

Denna massskillnad m motsvarar kärnans bindningsenergi E St. bestäms av Einstein-relationen:

eller genom att ersätta uttrycket med  m, vi får:

Bindningsenergi uttrycks vanligtvis i megaelektronvolt (MeV). Låt oss bestämma den bindningsenergi som motsvarar en atommassaenhet (, ljusets hastighet i vakuum
):

Låt oss omvandla det resulterande värdet till elektronvolt:

I detta avseende är det i praktiken mer praktiskt att använda följande uttryck för bindningsenergin:

där faktorn m uttrycks i atommassaenheter.

En viktig egenskap hos kärnan är kärnans specifika bindningsenergi, d.v.s. bindningsenergi per nukleon:

.

Ju fler , desto starkare är nukleonerna kopplade till varandra.

Beroendet av värdet  på kärnans massatal visas i figur 1. Som framgår av grafen är nukleoner i kärnor med masstal i storleksordningen 50-60 (Cr-Zn) starkast bundna. Bindningsenergin för dessa kärnor når

Atomkärnan består av protoner och neutroner. Antalet protoner bestämmer kärnans laddning (ordningsnummer i det periodiska systemet).

Kärnmassa godtyckligt element bestäms av ett värde nära summan av massorna av protoner och neutroner som ingår i dess sammansättning. Därför massnumret för kärnan, betecknad med bokstaven A och uttryckt i atommassaenheter, avrundas lika med A = N + Z. Z– kärnladdning, bestämmer antalet protoner i kärnan och antalet elektroner i elektronskalet hos en neutral atom. N– antal neutroner i kärnan. Proton och neutron har ett gemensamt namn - nukleon. Symbolen används för att beteckna kärnan, där Xär en symbol för ett kemiskt element. Till exempel vad betyder det Z = 82, N = 126, A = 208.

Olika kombinationer av antal protoner och neutroner motsvarar olika kärnor. I detta fall kan följande grupper av atomer särskiljas.

Isotoper– atomer vars kärnor har samma antal protoner Z och olika antal neutroner N. Sådana grundämnen upptar samma plats i det periodiska systemet. Till exempel en grupp väteisotoper som är vanliga i naturen: – lätt väte, – deuterium och – tritium. Väteisotopernas kärnor har också sina egna namn: proton, deuteron, triton.

Isobarer– atomer vars kärnor har samma nummer A ().

Tillsammans med termen atomkärnan term som används nuklid

Ungefärlig storlek på atomer och deras komponenter:

kärnstorlek ~ 10–14 m, neutron- och protonstorlek ~ 10–15 m, atom ~ 10–10 m, elektron< 10 –18 м.

Storleken på kärnan kännetecknas av kärnans radie, som har en konventionell betydelse, eftersom kärnans gränser är suddiga, som alla andra kvantsystem. Det har experimentellt fastställts att varje kärna har en inre region där materiens densitet är konstant. Detta område omger ytskikt, där densiteten av ämnet sjunker till noll. Empirisk formel för kärnradie

1 fm (femtometer) =10 –15 m (1)

Detta uttryck kan tolkas som proportionaliteten mellan kärnans volym och antalet nukleoner i den V ~ A. (1) betyder att kärnans medeldensitet är oberoende av masstalet.

Kärnmassa uttrycks i atommassaenheter eller MeV/ Med 2 .

1a.u.m. =1/12 massan av en kolatom med atommassa 12 000. 1a.u.m. = 1,66×10 –27 kg » 931,5 MeV/ Med 2 .

När en kärna bildas av nukleoner, minskar dess massa med mängden D m, som kallas massdefekt.

Dm uttrycks i atommassaenheter eller MeV/ Med 2 .

En viktig egenskap hos kärnan är kärnans bindningsenergi W(A,Z) är den energi som måste förbrukas för att dela en kärna i dess individuella beståndsdelar protoner och neutroner utan att ge dem kinetisk energi.

W(A,Z) = Δ ts 2 = [Zm sid +(A–Z)m n – M i(A,Z)]· Med 2 , (3)

Specifik bindningsenergi är medelenergin per 1 nukleon: . (4)

För de flesta kärnor är den specifika bindningsenergin nästan densamma och är ~8 MeV. Därför är den totala bindningsenergin ungefär proportionell mot masstalet, d.v.s. antal nukleoner i kärnan. Detta talar om en egenskap hos kärnkrafter som kallas mättnad. Det ligger i det faktum att varje nukleon endast interagerar med ett begränsat antal närliggande nukleoner.

Nukleoner i kärnan hålls samman av specifika kärnkrafter, som är en manifestation av den starka interaktionen. Kärnkrafter har följande egenskaper:

– har kort räckvidd, deras aktionsområde är 10–14 m;

– den mest intensiva, de är 2-3 storleksordningar starkare än elektromagnetiska krafter. Kärnkrafter säkerställer att det finns kärnor med en specifik bindningsenergi på cirka 8 MeV.

– De har egenskapen att mätta. Detta manifesteras i det faktum att en proton i kärnan kan bilda ett bundet tillstånd med högst två neutroner. Av denna anledning är väteisotopen tritium inte längre stabil.

– De har laddningsoberoende, det vill säga krafterna som verkar mellan en proton och en neutron, en proton och en proton, en neutron och en neutron är desamma. Denna egenskap betyder inte fullständig identitet för systemen p – p, p – p, p – p, eftersom protoner och neutroner är fermioner och system r - r, p - p består av identiska partiklar, och systemet p – p – från olika.

– De har en utbyteskaraktär. När de interagerar kan nukleoner utbyta sina koordinater, laddningar och spinnprojektioner.

– Beror på nukleonernas spinn. Detta beroende indikeras av det faktum att det inte finns något tillstånd för deuteronet med spin 0. Dvs. Protonens och neutronens snurr i detta tillstånd är bara parallella.

– De är icke-centrala, det vill säga de beror på orienteringen av nukleonernas spinn i förhållande till den raka linjen som förbinder nukleonerna.

År 1935 antog den japanska fysikern H. Yukawa att kärnväxelverkan är resultatet av utbyte av nukleoner med en virtuell partikel. Dessa partiklar måste ha en massa som är större än en elektrons massa, men mindre än en protons massa, varför de kallades mesoner. (Från grekiska . mesos– medel, medel). Mesoner började sökas experimentellt. 1947 upptäcktes de i kosmisk strålning. Dessa partiklar kallades pi-mesons (från engelskan. primär– primär). Nu kallas dessa partiklar mer kortfattat - pioner. Pion finns i formen p 0 , p – , p + .

Pi mesons spelar viktig roll med nukleon-nukleon-interaktion på avstånd av 1,5–2 fm. Kärnan i mesonteorin om kärnkrafter är följande. Två nukleoner, på avstånd r£ h/2 m sid c, byta pioner, vilket är anledningen kärnkraftsinteraktion. Det finns 4 typer av utbyte möjliga:

sid « sid+ p 0 , (5)

n « n+ p 0 , (6)

sid « n+ p + , n « sid+ p – , (7)

där nukleoner befinner sig omgivna av ett moln av virtuella pioner, som bildar ett fält av kärnkrafter. Absorptionen av mesoner av en annan nukleon leder till en stark interaktion mellan nukleonerna.

På avstånd mindre än 1,5 fm byter nukleoner tyngre mesoner: h (549 MeV), r (770 MeV), w (782 MeV), som bestämmer repulsionen av nukleoner.