Ο πυρήνας ενός ατόμου αποτελείται από νουκλεόνια, τα οποία χωρίζονται σε πρωτόνια και νετρόνια.
Συμβολικός προσδιορισμός του πυρήνα ενός ατόμου:
A είναι ο αριθμός των νουκλεονίων, δηλ. πρωτόνια + νετρόνια (ή ατομική μάζα)
Z- αριθμός πρωτονίων (ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων)
N είναι ο αριθμός των νετρονίων (ή ατομικός αριθμός)
ΠΥΡΗΝΙΚΕΣ ΔΥΝΑΜΕΙΣ
Ενεργήστε μεταξύ όλων των νουκλεονίων στον πυρήνα.
- δυνάμεις έλξης.
- βραχείας δράσης
Τα νουκλεόνια έλκονται μεταξύ τους από πυρηνικές δυνάμεις, οι οποίες δεν μοιάζουν καθόλου με τις βαρυτικές ή τις ηλεκτροστατικές δυνάμεις. . Οι πυρηνικές δυνάμεις αποσυντίθενται πολύ γρήγορα με την απόσταση. Η ακτίνα δράσης τους είναι περίπου 0.000 000 000 000 001 μέτρα.
Για αυτό το εξαιρετικά μικρό μήκος, που χαρακτηρίζει το μέγεθος των ατομικών πυρήνων, εισήχθη μια ειδική ονομασία - 1 fm (προς τιμήν του Ιταλού φυσικού E. Fermi, 1901-1954). Όλοι οι πυρήνες έχουν μέγεθος πολλών Fermi. Η ακτίνα των πυρηνικών δυνάμεων είναι ίση με το μέγεθος ενός νουκλεονίου, επομένως οι πυρήνες είναι συστάδες πολύ πυκνής ύλης. Ίσως το πιο πυκνό σε επίγειες συνθήκες.
Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Είναι πολλές φορές μεγαλύτερες από τη δύναμη Coulomb (στην ίδια απόσταση). Η δράση μικρής εμβέλειας περιορίζει την επίδραση των πυρηνικών δυνάμεων. Καθώς ο αριθμός των νουκλεονίων αυξάνεται, οι πυρήνες γίνονται ασταθείς και επομένως οι περισσότεροι βαρείς πυρήνες είναι ραδιενεργοί και πολύ βαρείς δεν μπορούν να υπάρχουν καθόλου.
Τελικός αριθμόςστοιχεία στη φύση είναι συνέπεια πυρηνικών δυνάμεων μικρής εμβέλειας.
Δομή του ατόμου - Ψυχρή φυσική
Το ήξερες?
Στα μέσα του 20ου αιώνα, η πυρηνική θεωρία προέβλεψε την ύπαρξη σταθερών στοιχείων με ατομικούς αριθμούς Z = 110 -114.
Στη Ντούμπνα το 114ο στοιχείο αποκτήθηκε με ατομική μάζα A = 289, το οποίο «έζησε» μόνο για 30 δευτερόλεπτα, το οποίο είναι απίστευτα μεγάλο για ένα άτομο με πυρήνα αυτού του μεγέθους.
Σήμερα, οι θεωρητικοί συζητούν ήδη τις ιδιότητες των υπερβαρέων πυρήνων βάρους 300 και ακόμη και 500.
Τα άτομα με τους ίδιους ατομικούς αριθμούς ονομάζονται ισότοπα: στον περιοδικό πίνακα
βρίσκονται στο ίδιο κελί (στα ελληνικά isos - ίσος, τόπος - τόπος).
Οι χημικές ιδιότητες των ισοτόπων είναι σχεδόν ίδιες.
Εάν υπάρχουν περίπου 100 στοιχεία στη φύση, τότε υπάρχουν περισσότερα από 2000 ισότοπα. Πολλά από αυτά είναι ασταθή, δηλαδή ραδιενεργά, και διασπώνται, εκπέμπουν διαφορετικά είδηακτινοβολία.
Τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου διαφέρουν ως προς τη σύνθεση μόνο ως προς τον αριθμό των νετρονίων στον πυρήνα.
Ισότοπα υδρογόνου.
Εάν αφαιρέσετε χώρο από όλα τα άτομα ανθρώπινο σώμα, τότε ό,τι απομένει θα μπορεί να χωρέσει μέσα από το μάτι της βελόνας.
Για τους περίεργους
Πλάνισμα αυτοκινήτων
Εάν, ενώ οδηγείτε ένα αυτοκίνητο σε βρεγμένο δρόμο με υψηλή ταχύτητα, φρενάρετε απότομα, το αυτοκίνητο θα συμπεριφέρεται σαν ανεμόπτερο. Τα ελαστικά του θα αρχίσουν να γλιστρούν πάνω σε μια λεπτή μεμβράνη νερού, πρακτικά χωρίς να αγγίζουν το δρόμο. Γιατί συμβαίνει αυτό? Γιατί ένα αυτοκίνητο δεν γλιστράει πάντα σε βρεγμένο οδόστρωμα, ακόμα κι αν δεν πατηθεί το φρένο; Υπάρχει κάποιο σχέδιο πέλματος που μειώνει αυτό το αποτέλεσμα;
Καταλήγει...
Πολλά σχέδια πέλματος προσφέρθηκαν για τη μείωση της πιθανότητας υδρολίσθησης. Για παράδειγμα, το αυλάκι μπορεί να κατευθύνει το νερό στο πίσω σημείο επαφής του πέλματος με το δρόμο, όπου το νερό θα πεταχτεί έξω. Άλλες, μικρότερες αυλακώσεις μπορούν να αποστραγγίσουν το νερό στα πλάγια. Τέλος, μικρές κοιλότητες στο πέλμα μπορούν, όπως λέγαμε, να «βρέξουν» το στρώμα νερού στο δρόμο, αγγίζοντας το λίγο πριν από την περιοχή της κύριας επαφής του πέλματος με το οδόστρωμα. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο στόχος είναι να αφαιρεθεί το νερό από τη ζώνη επαφής όσο το δυνατόν γρηγορότερα και να αποτραπεί η υδρολίσθηση.
Ο πυρήνας του απλούστερου ατόμου - του ατόμου υδρογόνου - αποτελείται από ένα στοιχειώδες σωματίδιο που ονομάζεται πρωτόνιο. Οι πυρήνες όλων των άλλων ατόμων αποτελούνται από δύο τύπους σωματιδίων - πρωτόνια και νετρόνια. Αυτά τα σωματίδια ονομάζονται νουκλεόνια. Πρωτόνιο. Ένα πρωτόνιο έχει φορτίο και μάζα
Για σύγκριση, ας επισημάνουμε ότι η μάζα των ηλεκτρονίων είναι ίση με
Από μια σύγκριση των (66.1) και (66.2) προκύπτει ότι το -Πρωτόνιο έχει σπιν ίσο με το μισό και τη δική του μαγνητική ροπή
Μια μονάδα μαγνητικής ροπής που ονομάζεται πυρηνικό μαγνητόνιο. Από τη σύγκριση με το (33.2) προκύπτει ότι είναι 1836 φορές μικρότερο από το μαγνητόνιο Bohr. Κατά συνέπεια, η μαγνητική ροπή του ίδιου του πρωτονίου είναι περίπου 660 φορές μικρότερη από τη μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου.
Νετρόνιο. Το νετρόνιο ανακαλύφθηκε το 1932 από τον Άγγλο φυσικό D. Chadwick. Ηλεκτρική φόρτιση ίσο με μηδένκαι τη μάζα
πολύ κοντά στη μάζα ενός πρωτονίου.
Η διαφορά μεταξύ της μάζας ενός νετρονίου και ενός πρωτονίου είναι 1,3 MeV, δηλ.
Το νετρόνιο έχει σπιν ίσο με το μισό και (παρά την απουσία ηλεκτρικού φορτίου) τη δική του μαγνητική ροπή
(το πρόσημο μείον δείχνει ότι οι κατευθύνσεις των εγγενών μηχανικών και μαγνητικών ροπών είναι αντίθετες). Εξήγηση για αυτό καταπληκτικό γεγονόςθα δοθεί στην § 69.
Σημειώστε ότι η αναλογία των πειραματικών τιμών με υψηλό βαθμό ακρίβειας είναι ίση με -3/2. Αυτό παρατηρήθηκε μόνο αφού ελήφθη μια τέτοια τιμή θεωρητικά.
Σε ελεύθερη κατάσταση, ένα νετρόνιο είναι ασταθές (ραδιενεργό) - διασπάται αυθόρμητα, μετατρέπεται σε πρωτόνιο και εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και ένα άλλο σωματίδιο που ονομάζεται αντινετρίνο (βλ. § 81). Ο χρόνος ημιζωής (δηλαδή ο χρόνος κατά τον οποίο διασπάται ο μισός αρχικός αριθμός νετρονίων) είναι περίπου 12 λεπτά. Το σχήμα αποσύνθεσης μπορεί να γραφτεί ως εξής:
Η μάζα του αντινετρίνου είναι μηδέν. Η μάζα του νετρονίου είναι μεγαλύτερη από τη μάζα του πρωτονίου, επομένως, η μάζα του νετρονίου υπερβαίνει τη συνολική μάζα των σωματιδίων που εμφανίζονται στη δεξιά πλευρά της εξίσωσης (66,7), δηλαδή κατά 0,77 MeV. Αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται κατά τη διάσπαση ενός νετρονίου με τη μορφή κινητικής ενέργειας των σωματιδίων που προκύπτουν.
Χαρακτηριστικά του ατομικού πυρήνα. Ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά του ατομικού πυρήνα είναι ο αριθμός φορτίου Z. Είναι ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων που αποτελούν τον πυρήνα και καθορίζει το φορτίο του, το οποίο είναι ίσο με Ο αριθμός Z καθορίζει τον σειριακό αριθμό ενός χημικού στοιχείου στο τον περιοδικό πίνακα. Ως εκ τούτου, ονομάζεται επίσης ατομικός αριθμός του πυρήνα.
Ο αριθμός των νουκλεονίων (δηλαδή ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων) στον πυρήνα συμβολίζεται με το γράμμα Α και ονομάζεται μαζικός αριθμός του πυρήνα. Ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα είναι ίσος με
Το σύμβολο που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των πυρήνων είναι
όπου Χ υποδηλώνει το χημικό σύμβολο του στοιχείου. Τοποθετείται πάνω αριστερά μαζικός αριθμός, κάτω αριστερά - ατομικός αριθμός (το τελευταίο εικονίδιο συχνά παραλείπεται).
Μερικές φορές ο αριθμός μάζας γράφεται όχι στα αριστερά, αλλά στα δεξιά του συμβόλου ενός χημικού στοιχείου
Οι πυρήνες με το ίδιο Ζ αλλά διαφορετικό Α ονομάζονται ισότοπα. Τα περισσότερα χημικά στοιχεία έχουν αρκετά σταθερά ισότοπα. Έτσι, για παράδειγμα, το οξυγόνο έχει τρία σταθερά ισότοπα: ο κασσίτερος έχει δέκα κ.λπ.
Το υδρογόνο έχει τρία ισότοπα:
Το πρωτίου και το δευτέριο είναι σταθερά, το τρίτιο είναι ραδιενεργό.
Οι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό μάζας Α ονομάζονται ισοβαρείς. Για παράδειγμα, οι πυρήνες με τον ίδιο αριθμό νετρονίων ονομάζονται ισότονα.Τέλος, υπάρχουν ραδιενεργοί πυρήνες με τα ίδια Ζ και Α, που διαφέρουν ως προς τον χρόνο ημιζωής. Ονομάζονται ισομερή. Για παράδειγμα, υπάρχουν δύο ισομερή του πυρήνα, ένα από αυτά έχει χρόνο ημιζωής 18 λεπτά, ενώ το άλλο έχει χρόνο ημιζωής 4,4 ώρες.
Είναι γνωστοί περίπου 1500 πυρήνες, που διαφέρουν είτε στο Ζ είτε στο Α είτε και στα δύο. Περίπου το 1/5 αυτών των πυρήνων είναι σταθεροί, ενώ οι υπόλοιποι είναι ραδιενεργοί. Πολλοί πυρήνες παρήχθησαν τεχνητά χρησιμοποιώντας πυρηνικές αντιδράσεις.
Στοιχεία με ατομικό αριθμό Ζ από 1 έως 92 βρίσκονται στη φύση, με εξαίρεση το τεχνήτιο και το προμέθιο.Το πλουτώνιο, αφού ελήφθη τεχνητά, βρέθηκε σε αμελητέες ποσότητες στο φυσικό ορυκτό - μείγμα ρητίνης. Τα υπόλοιπα στοιχεία υπερουρανίου (δηλαδή υποουρανίου) (με Ζ από 93 έως 107) παρήχθησαν τεχνητά μέσω διαφόρων πυρηνικών αντιδράσεων.
Τα υπερουρανικά στοιχεία curium, einsteinium, fermium) και mendelevium) ονομάστηκαν προς τιμή των εξαιρετικών επιστημόνων P. και M. Curie, A. Einstein, E. Fermi και D. I. Mendeleev. Ο Λόρενς πήρε το όνομά του από τον εφευρέτη του κυκλοτρόνου, Ε. Λόρενς. Kurchatov) έλαβε το όνομά του προς τιμή του εξαιρετικού σοβιετικού φυσικού I.V. Kurchatov.
Ορισμένα στοιχεία υπερουρανίου, συμπεριλαμβανομένου του Kurchatovium και των στοιχείων με αριθμό 106 και 107, ελήφθησαν στο Εργαστήριο Πυρηνικών Αντιδράσεων του Κοινού Ινστιτούτου Πυρηνικής Έρευνας στη Ντούμπνα από τον Σοβιετικό επιστήμονα G. N. Flerov και τους συνεργάτες του.
Μεγέθη πυρήνα. Σε μια πρώτη προσέγγιση, ο πυρήνας μπορεί να θεωρηθεί μια μπάλα, η ακτίνα της οποίας καθορίζεται με ακρίβεια από τον τύπο
(Fermi είναι το όνομα μιας μονάδας μήκους ίσης με cm που χρησιμοποιείται στην πυρηνική φυσική). Από τον τύπο (66.8) προκύπτει ότι ο όγκος του πυρήνα είναι ανάλογος με τον αριθμό των νουκλεονίων στον πυρήνα. Έτσι, η πυκνότητα της ύλης σε όλους τους πυρήνες είναι περίπου η ίδια.
Πυρηνικό σπιν. Τα σπιν των νουκλεονίων αθροίζονται στο σπιν του πυρήνα που προκύπτει. Το σπιν του νουκλεονίου είναι ίσο. Επομένως, ο κβαντικός αριθμός του σπιν του πυρήνα l θα είναι μισός ακέραιος στο περιττός αριθμόςνουκλεόνια Α και ακέραιος ή μηδέν για άρτιο Α. Τα σπιν των πυρήνων l δεν υπερβαίνουν πολλές μονάδες. Αυτό δείχνει ότι οι περιστροφές των περισσότερων νουκλεονίων στον πυρήνα αλληλοεξουδετερώνονται, καθώς είναι αντιπαράλληλες. Όλοι οι άρτιοι πυρήνες (δηλαδή οι πυρήνες με άρτιο αριθμό πρωτονίων και ζυγό αριθμό νετρονίων) έχουν σπιν μηδέν.
Ένα άτομο είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που το διατηρεί όλο Χημικές ιδιότητες. Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα, ο οποίος έχει θετικό ηλεκτρικό φορτίο και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια. Το φορτίο του πυρήνα οποιουδήποτε χημικού στοιχείου είναι ίσο με το γινόμενο των Z και e, όπου Z είναι ο αύξων αριθμός αυτού του στοιχείου στο περιοδικό σύστημα των χημικών στοιχείων, e είναι η τιμή του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου.
Ηλεκτρόνιοείναι το μικρότερο σωματίδιο μιας ουσίας με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο e=1,6·10 -19 coulomb, λαμβανόμενο ως στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο. Τα ηλεκτρόνια, που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα, βρίσκονται στα κελύφη ηλεκτρονίων K, L, M, κ.λπ. Το K είναι το κέλυφος που βρίσκεται πιο κοντά στον πυρήνα. Το μέγεθος ενός ατόμου καθορίζεται από το μέγεθος του κελύφους ηλεκτρονίων του. Ένα άτομο μπορεί να χάσει ηλεκτρόνια και να γίνει θετικό ιόν ή να αποκτήσει ηλεκτρόνια και να γίνει αρνητικό ιόν. Το φορτίο ενός ιόντος καθορίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που χάνονται ή αποκτώνται. Η διαδικασία μετατροπής ενός ουδέτερου ατόμου σε φορτισμένο ιόν ονομάζεται ιονισμός.
Ατομικός πυρήνας(το κεντρικό τμήμα του ατόμου) αποτελείται από στοιχειώδη πυρηνικά σωματίδια - πρωτόνια και νετρόνια. Η ακτίνα του πυρήνα είναι περίπου εκατό χιλιάδες φορές μικρότερη από την ακτίνα του ατόμου. Η πυκνότητα του ατομικού πυρήνα είναι εξαιρετικά υψηλή. Πρωτόνια- πρόκειται για σταθερά στοιχειώδη σωματίδια με ένα μόνο θετικό ηλεκτρικό φορτίο και μάζα 1836 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Ένα πρωτόνιο είναι ο πυρήνας ενός ατόμου του ελαφρύτερου στοιχείου, του υδρογόνου. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα είναι Z. Νετρόνιοείναι ένα ουδέτερο (χωρίς ηλεκτρικό φορτίο) στοιχειώδες σωματίδιο με μάζα πολύ κοντά στη μάζα ενός πρωτονίου. Δεδομένου ότι η μάζα του πυρήνα αποτελείται από τη μάζα των πρωτονίων και των νετρονίων, ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα ενός ατόμου είναι ίσος με Α - Ζ, όπου Α είναι ο αριθμός μάζας ενός δεδομένου ισοτόπου (βλ.). Το πρωτόνιο και το νετρόνιο που συνθέτουν τον πυρήνα ονομάζονται νουκλεόνια. Στον πυρήνα, τα νουκλεόνια συνδέονται με ειδικές πυρηνικές δυνάμεις.
Ο ατομικός πυρήνας περιέχει ένα τεράστιο απόθεμα ενέργειας, το οποίο απελευθερώνεται κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις. Οι πυρηνικές αντιδράσεις συμβαίνουν όταν οι ατομικοί πυρήνες αλληλεπιδρούν με στοιχειώδη σωματίδια ή με πυρήνες άλλων στοιχείων. Ως αποτέλεσμα των πυρηνικών αντιδράσεων, σχηματίζονται νέοι πυρήνες. Για παράδειγμα, ένα νετρόνιο μπορεί να μετατραπεί σε πρωτόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, ένα σωματίδιο βήτα, δηλαδή ένα ηλεκτρόνιο, εκτινάσσεται από τον πυρήνα.
Η μετάβαση ενός πρωτονίου σε ένα νετρόνιο στον πυρήνα μπορεί να πραγματοποιηθεί με δύο τρόπους: είτε ένα σωματίδιο με μάζα ίση με τη μάζα του ηλεκτρονίου, αλλά με θετικό φορτίο, που ονομάζεται ποζιτρόνιο (διάσπαση ποζιτρονίου), εκπέμπεται από ο πυρήνας, ή ο πυρήνας συλλαμβάνει ένα από τα ηλεκτρόνια από το κέλυφος Κ που βρίσκεται πιο κοντά του (Κ-σύλληψη).
Μερικές φορές ο πυρήνας που προκύπτει έχει περίσσεια ενέργειας (βρίσκεται σε διεγερμένη κατάσταση) και, όταν επιστρέψει στην κανονική κατάσταση, απελευθερώνει περίσσεια ενέργειας με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας με πολύ μικρό μήκος κύματος - . Η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τις πυρηνικές αντιδράσεις χρησιμοποιείται πρακτικά σε διάφορες βιομηχανίες.
Ένα άτομο (ελληνικά atomos - αδιαίρετο) είναι το μικρότερο σωματίδιο ενός χημικού στοιχείου που έχει τις χημικές του ιδιότητες. Κάθε στοιχείο αποτελείται από έναν συγκεκριμένο τύπο ατόμου. Το άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα, ο οποίος φέρει θετικό ηλεκτρικό φορτίο, και αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (βλ.), που σχηματίζουν τα ηλεκτρονιακά κελύφη του. Το μέγεθος του ηλεκτρικού φορτίου του πυρήνα είναι ίσο με Z-e, όπου e είναι το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο ίσο σε μέγεθος με το φορτίο του ηλεκτρονίου (4,8·10 -10 ηλεκτρικές μονάδες) και Z είναι ο ατομικός αριθμός αυτού του στοιχείου στο ο περιοδικός πίνακας των χημικών στοιχείων (βλ. .). Δεδομένου ότι ένα μη ιονισμένο άτομο είναι ουδέτερο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που περιλαμβάνονται σε αυτό είναι επίσης ίσος με το Ζ. Η σύνθεση του πυρήνα (βλ. Ατομικός πυρήνας) περιλαμβάνει νουκλεόνια, στοιχειώδη σωματίδια με μάζα περίπου 1840 φορές μεγαλύτερη από τη μάζα του ηλεκτρονίου (ίσο με 9,1 10 - 28 g), πρωτόνια (βλ.), θετικά φορτισμένα και νετρόνια που δεν έχουν φορτίο (βλ.). Ο αριθμός των νουκλεονίων στον πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός και ορίζεται με το γράμμα A. Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα, ίσος με Z, καθορίζει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εισέρχονται στο άτομο, τη δομή των φλοιών ηλεκτρονίων και τη χημική ιδιότητες του ατόμου. Ο αριθμός των νετρονίων στον πυρήνα είναι Α-Ζ. Τα ισότοπα είναι ποικιλίες του ίδιου στοιχείου, τα άτομα των οποίων διαφέρουν μεταξύ τους σε αριθμό μάζας Α, αλλά έχουν το ίδιο Ζ. Έτσι, στους πυρήνες ατόμων διαφορετικών ισοτόπων του ίδιου στοιχείου υπάρχουν διαφορετικοί αριθμοί νετρονίων με τον ίδιο αριθμός πρωτονίων. Όταν δηλώνουμε ισότοπα, ο αριθμός μάζας Α αναγράφεται πάνω από το σύμβολο του στοιχείου και ο ατομικός αριθμός κάτω. Για παράδειγμα, τα ισότοπα του οξυγόνου ορίζονται: 
Οι διαστάσεις ενός ατόμου καθορίζονται από τις διαστάσεις των φλοιών ηλεκτρονίων και είναι για όλα τα Ζ μια τιμή της τάξης των 10 -8 εκ. Δεδομένου ότι η μάζα όλων των ηλεκτρονίων ενός ατόμου είναι αρκετές χιλιάδες φορές μικρότερη από τη μάζα του πυρήνα , η μάζα του ατόμου είναι ανάλογη με τον μαζικό αριθμό. Η σχετική μάζα ενός ατόμου ενός δεδομένου ισοτόπου προσδιορίζεται σε σχέση με τη μάζα ενός ατόμου του ισοτόπου άνθρακα C12, που λαμβάνεται ως 12 μονάδες, και ονομάζεται μάζα ισοτόπου. Αποδεικνύεται ότι είναι κοντά στον μαζικό αριθμό του αντίστοιχου ισοτόπου. Το σχετικό βάρος ενός ατόμου ενός χημικού στοιχείου είναι η μέση (λαμβάνοντας υπόψη τη σχετική αφθονία των ισοτόπων ενός δεδομένου στοιχείου) τιμή του ισοτοπικού βάρους και ονομάζεται ατομικό βάρος (μάζα).
Ένα άτομο είναι μικροσκοπικό σύστημα, και η δομή και οι ιδιότητές του μπορούν να εξηγηθούν μόνο χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία, που δημιουργήθηκε κυρίως στη δεκαετία του '20 του 20ου αιώνα και προορίζεται να περιγράψει φαινόμενα σε ατομική κλίμακα. Πειράματα έδειξαν ότι τα μικροσωματίδια -ηλεκτρόνια, πρωτόνια, άτομα κ.λπ.- εκτός από τα σωματίδια, έχουν ιδιότητες κυμάτων, που εκδηλώνεται σε περίθλαση και παρεμβολή. Στην κβαντική θεωρία, για την περιγραφή της κατάστασης των μικροαντικειμένων, χρησιμοποιείται ένα συγκεκριμένο κυματικό πεδίο, που χαρακτηρίζεται από μια κυματική συνάρτηση (συνάρτηση Ψ). Αυτή η συνάρτηση καθορίζει τις πιθανότητες πιθανών καταστάσεων ενός μικροαντικειμένου, δηλαδή χαρακτηρίζει τις πιθανές δυνατότητες εκδήλωσης ορισμένων από τις ιδιότητές του. Ο νόμος της μεταβολής της συνάρτησης Ψ στο χώρο και το χρόνο (εξίσωση Schrodinger), που επιτρέπει σε κάποιον να βρει αυτή τη συνάρτηση, παίζει τον ίδιο ρόλο στην κβαντική θεωρία με τους νόμους κίνησης του Νεύτωνα στην κλασική μηχανική. Η επίλυση της εξίσωσης Schrödinger σε πολλές περιπτώσεις οδηγεί σε διακριτή πιθανά κράτησυστήματα. Έτσι, για παράδειγμα, στην περίπτωση ενός ατόμου, λαμβάνεται μια σειρά κυματοσυναρτήσεων για ηλεκτρόνια που αντιστοιχούν σε διαφορετικές (κβαντισμένες) τιμές ενέργειας. Το σύστημα των επιπέδων ατομικής ενέργειας, που υπολογίζεται με τις μεθόδους της κβαντικής θεωρίας, έχει λάβει λαμπρή επιβεβαίωση στη φασματοσκοπία. Μετάβαση ενός ατόμου από τη θεμελιώδη κατάσταση που αντιστοιχεί στη χαμηλότερη επίπεδο ενέργειας E 0, σε οποιαδήποτε από τις διεγερμένες καταστάσεις E i εμφανίζεται κατά την απορρόφηση ενός συγκεκριμένου μέρους της ενέργειας E i - E 0. Ένα διεγερμένο άτομο πηγαίνει σε μια λιγότερο διεγερμένη ή θεμελιώδη κατάσταση, συνήθως εκπέμποντας ένα φωτόνιο. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια του φωτονίου hv είναι ίση με τη διαφορά των ενεργειών του ατόμου σε δύο καταστάσεις: hv = E i - E k όπου h είναι η σταθερά του Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v είναι η συχνότητα του φωτός.
Εκτός από τα ατομικά φάσματα, η κβαντική θεωρία κατέστησε δυνατή την εξήγηση και άλλων ιδιοτήτων των ατόμων. Ειδικότερα, το σθένος, η φύση χημικός δεσμόςκαι τη δομή των μορίων, δημιουργήθηκε η θεωρία του περιοδικού συστήματος των στοιχείων.
Κάθε άτομο αποτελείται από πυρήνεςΚαι ατομικό κέλυφος, τα οποία περιλαμβάνουν διάφορα στοιχειώδη σωματίδια - νουκλεόνιαΚαι ηλεκτρόνια(Εικ. 5.1). Ο πυρήνας είναι το κεντρικό τμήμα ενός ατόμου, που περιέχει σχεδόν ολόκληρη τη μάζα του ατόμου και έχει θετικό φορτίο. Ο πυρήνας αποτελείται από πρωτόνιαΚαι νετρόνια, οι οποίες είναι διπλά φορτισμένες καταστάσεις ενός στοιχειώδους σωματιδίου - του νουκλεονίου. Φορτίο πρωτονίων +1; νετρόνιο 0.
Βασική χρέωσηάτομο είναι ίσο Ζ . ē , Οπου Ζ– σειριακός αριθμός στοιχείων (ατομικός αριθμός)στον περιοδικό πίνακα του Mendeleev, ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων στον πυρήνα. ē – φορτίο ηλεκτρονίων.
Ο αριθμός των νουκλεονίων σε έναν πυρήνα ονομάζεται μαζικός αριθμός του στοιχείου(ΕΝΑ):
ΕΝΑ = Ζ + Ν,
Οπου Ζ– αριθμός πρωτονίων. Ν– ο αριθμός των νετρονίων στον ατομικό πυρήνα.
Για τα πρωτόνια και τα νετρόνια ο μαζικός αριθμός λαμβάνεται ίσος με 1, για τα ηλεκτρόνια ίσος με 0.
Ρύζι. 5.1. Ατομική δομή
Οι ακόλουθες ονομασίες για οποιοδήποτε χημικό στοιχείο είναι γενικά αποδεκτές: Χ: , Εδώ ΕΝΑ- μαζικός αριθμός, Ζ– ατομικός αριθμός του στοιχείου.
Οι ατομικοί πυρήνες του ίδιου στοιχείου μπορούν να περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς νετρονίων Ν. Αυτοί οι τύποι ατομικών πυρήνων ονομάζονται ισότοπααυτού του στοιχείου. Έτσι, τα ισότοπα έχουν: τον ίδιο ατομικό αριθμό, αλλά διαφορετικούς μαζικούς αριθμούς ΕΝΑ. Τα περισσότερα χημικά στοιχεία είναι ένα μείγμα διαφορετικών ισοτόπων, για παράδειγμα τα ισότοπα του ουρανίου:
.
Οι ατομικοί πυρήνες διαφορετικών χημικών στοιχείων μπορούν να έχουν τον ίδιο μαζικό αριθμό ΕΝΑ(Με διαφορετικούς αριθμούςπρωτόνια Ζ). Αυτοί οι τύποι ατομικών πυρήνων ονομάζονται ισοβαρείς. Για παράδειγμα:
– – – ; –
Ατομική μάζα
Για τον χαρακτηρισμό της μάζας των ατόμων και των μορίων, χρησιμοποιείται η έννοια ατομική μάζα Μ- Αυτό σχετική αξία, το οποίο καθορίζεται σε σχέση με
στη μάζα του ατόμου άνθρακα και λαμβάνεται ίσο με Μα = 12.000.000. Για
απόλυτος ορισμόςεισήχθη ατομική μάζα ατομική μονάδα
μάζες(a.m.u.), η οποία ορίζεται σε σχέση με τη μάζα ενός ατόμου άνθρακα στην ακόλουθη μορφή:
.
Τότε η ατομική μάζα του στοιχείου μπορεί να προσδιοριστεί ως:
Οπου Μ– ατομική μάζα ισοτόπων του εν λόγω στοιχείου. Αυτή η έκφραση διευκολύνει τον προσδιορισμό της μάζας των πυρήνων στοιχείων, στοιχειωδών σωματιδίων, σωματιδίων - προϊόντων ραδιενεργών μετασχηματισμών κ.λπ.
Ελάττωμα πυρηνικής μάζας και πυρηνική δεσμευτική ενέργεια
Ενέργεια δέσμευσης νουκλεονίων – φυσική ποσότητα, αριθμητικά ίσο με το έργο που πρέπει να γίνει για να αφαιρεθεί ένα νουκλεόνιο από τον πυρήνα χωρίς να του προσδοθεί κινητική ενέργεια.
Τα νουκλεόνια συνδέονται στον πυρήνα λόγω πυρηνικών δυνάμεων, οι οποίες υπερβαίνουν σημαντικά τις δυνάμεις ηλεκτροστατικής απώθησης που δρουν μεταξύ των πρωτονίων. Για να διασπαστεί ένας πυρήνας, είναι απαραίτητο να ξεπεραστούν αυτές οι δυνάμεις, δηλαδή να δαπανηθεί ενέργεια. Ο συνδυασμός νουκλεονίων για σχηματισμό πυρήνα, αντίθετα, συνοδεύεται από την απελευθέρωση ενέργειας, η οποία ονομάζεται πυρηνική δεσμευτική ενέργειαΔ W St:
,
πού είναι το λεγόμενο ελάττωμα μάζας πυρήνα; Με ≈ 3 . 10 8 m/s – ταχύτητα φωτός στο κενό.
Πυρηνική δεσμευτική ενέργεια– μια φυσική ποσότητα ίση με το έργο που πρέπει να γίνει για να χωριστεί ένας πυρήνας σε μεμονωμένα νουκλεόνια χωρίς να μεταδίδεται κινητική ενέργεια σε αυτά.
Όταν σχηματίζεται ένας πυρήνας, η μάζα του μειώνεται, δηλαδή η μάζα του πυρήνα είναι μικρότερη από το άθροισμα των μαζών των νουκλεονίων που τον αποτελούν, η διαφορά αυτή ονομάζεται μαζικό ελάττωμαΔ Μ:
Οπου m p- μάζα πρωτονίων; m n– μάζα νετρονίων; Μπυρήνας – μάζα του πυρήνα.
Κατά τη μετακίνηση από τη μάζα του πυρήνα Μπυρήνα στις ατομικές μάζες του στοιχείου ΜΛοιπόν, αυτή η έκφραση μπορεί να γραφτεί με την ακόλουθη μορφή:
Οπου Μ H – μάζα υδρογόνου. m n-μάζα νετρονίων και Μα είναι η ατομική μάζα του στοιχείου, που προσδιορίζεται μέσω μονάδα ατομικής μάζας(π.μ.).
Το κριτήριο για τη σταθερότητα ενός πυρήνα είναι η αυστηρή αντιστοιχία του αριθμού των πρωτονίων και των νετρονίων σε αυτόν. Για τη σταθερότητα των πυρήνων ισχύει η ακόλουθη σχέση:
,
Οπου Ζ– αριθμός πρωτονίων. ΕΝΑ– μαζικός αριθμός του στοιχείου.
Από τους περίπου 1.700 τύπους πυρήνων που είναι γνωστοί μέχρι σήμερα, μόνο περίπου 270 είναι σταθεροί. Επιπλέον, στη φύση κυριαρχούν άρτιοι πυρήνες (δηλαδή με άρτιο αριθμό πρωτονίων και νετρονίων), οι οποίοι είναι ιδιαίτερα σταθεροί.
Ραδιοενέργεια
Ραδιοενέργεια– μετατροπή ασταθών ισοτόπων ενός χημικού στοιχείου σε ισότοπα ενός άλλου χημικού στοιχείου με την απελευθέρωση κάποιων στοιχειωδών σωματιδίων. Υπάρχουν: φυσική και τεχνητή ραδιενέργεια.
Οι κύριοι τύποι περιλαμβάνουν:
– α-ακτινοβολία (αποσύνθεση);
– β-ακτινοβολία (αποσύνθεση);
– αυθόρμητη σχάση του πυρήνα.
Ο πυρήνας ενός στοιχείου σε αποσύνθεση ονομάζεται μητρικός, και ο πυρήνας του στοιχείου που προκύπτει είναι θυγατρικές. Η αυθόρμητη διάσπαση των ατομικών πυρήνων υπακούει στον ακόλουθο νόμο της ραδιενεργής διάσπασης:
Οπου Ν 0 – αριθμός πυρήνων μέσα χημικό στοιχείοστην αρχική χρονική στιγμή· Ν– αριθμός πυρήνων κάθε φορά t; – η λεγόμενη «σταθερά διάσπασης», που είναι το κλάσμα των πυρήνων που διασπώνται ανά μονάδα χρόνου.
Το αντίστροφο της σταθεράς διάσπασης χαρακτηρίζει τη μέση διάρκεια ζωής του ισοτόπου. Ένα χαρακτηριστικό της σταθερότητας των πυρήνων σε σχέση με τη διάσπαση είναι ημιζωή, δηλαδή ο χρόνος κατά τον οποίο ο αρχικός αριθμός των πυρήνων μειώνεται στο μισό:
Σχέση μεταξύ και:
Κατά τη διάρκεια της ραδιενεργής αποσύνθεσης εμφανίζεται νόμος διατήρησης της χρέωσης:
,
πού είναι το φορτίο των αποσυντιθέμενων ή προκύπτων (σχηματισμένων) «θραυσμάτων»· Και κανόνας διατήρησης μαζικών αριθμών:
πού είναι ο μαζικός αριθμός των σχηματισμένων (αποσαθρωμένων) «θραυσμάτων».
5.4.1. α και β αποσύνθεση
α αποσύνθεσηαντιπροσωπεύει ακτινοβολία από πυρήνες ηλίου. Χαρακτηριστικό των «βαρέων» πυρήνων με μεγάλους μαζικούς αριθμούς ΕΝΑ> 200 και χρεώστε z > 82.
Ο κανόνας μετατόπισης για την α-διάσπαση έχει ως εξής (σχηματίζεται ένα νέο στοιχείο):
.
; 
.
Σημειώστε ότι η α-διάσπαση (ακτινοβολία) έχει τη μεγαλύτερη ικανότητα ιονισμού, αλλά τη χαμηλότερη διαπερατότητα.
Διακρίνονται οι παρακάτω τύποι: β-διάσπαση:
– ηλεκτρονική β-διάσπαση (β – -διάσπαση);
– β-διάσπαση ποζιτρονίων (β + -διάσπαση);
– ηλεκτρονική σύλληψη (k-capture).
β – αποσύνθεσησυμβαίνει όταν υπάρχει περίσσεια νετρονίων με την απελευθέρωση ηλεκτρονίων και αντινετρίνων:
.
β+-αποσύνθεσηεμφανίζεται όταν υπάρχει περίσσεια πρωτονίων με την απελευθέρωση ποζιτρονίων και νετρίνων:
Για ηλεκτρονική λήψη ( κ-πιάνω)Ο ακόλουθος μετασχηματισμός είναι χαρακτηριστικός:
.
Ο κανόνας μετατόπισης για τη β-διάσπαση είναι ο ακόλουθος (σχηματίζεται ένα νέο στοιχείο):
Για β – - διάσπαση: 
;
Για β + -διάσπαση: .
Η β-διάσπαση (ακτινοβολία) έχει τη χαμηλότερη ικανότητα ιονισμού, αλλά την υψηλότερη διαπερατότητα.
Η ακτινοβολία α και β συνοδεύονται γ-ακτινοβολία, που είναι η ακτινοβολία των φωτονίων και δεν είναι ανεξάρτητος τύπος ραδιενεργού ακτινοβολίας.
Τα γ-φωτόνια απελευθερώνονται όταν η ενέργεια των διεγερμένων ατόμων μειώνεται και δεν προκαλούν αλλαγή στον αριθμό μάζας ΕΝΑκαι αλλαγή χρέωσης Ζ. Η ακτινοβολία γ έχει τη μεγαλύτερη διεισδυτική δύναμη.
Δραστηριότητα ραδιονουκλεϊδίων
Δραστηριότητα ραδιονουκλεϊδίων– ένα μέτρο ραδιενέργειας που χαρακτηρίζει τον αριθμό των πυρηνικών διασπάσεων ανά μονάδα χρόνου. Για μια ορισμένη ποσότητα ραδιονουκλεϊδίων σε μια συγκεκριμένη ενεργειακή κατάσταση σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, η δραστηριότητα ΕΝΑδίνεται με τη μορφή:
πού είναι ο αναμενόμενος αριθμός αυθόρμητων πυρηνικών μετασχηματισμών (αριθμός πυρηνικών διασπάσεων) που συμβαίνουν σε μια πηγή ιοντίζουσας ακτινοβολίας σε ένα χρονικό διάστημα .
Ο αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός ονομάζεται ραδιενεργή διάσπαση.
Η μονάδα μέτρησης για τη δραστηριότητα των ραδιονουκλεϊδίων είναι το αμοιβαίο δευτερόλεπτο (), το οποίο έχει ειδική ονομασία μπεκερέλ (Bq).
Το μπεκερέλ ισούται με τη δραστηριότητα ενός ραδιονουκλιδίου σε μια πηγή στην οποία, σε χρόνο 1 δευτερολέπτου. συμβαίνει ένας αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός.
Μη συστημική μονάδα δραστηριότητας – curie (Ku).
Κιουρί είναι η δραστηριότητα ενός ραδιονουκλιδίου σε μια πηγή στην οποία κατά τη διάρκεια 1 δευτερολέπτου. συμβαίνει 3.7 . 10 10 αυθόρμητοι πυρηνικοί μετασχηματισμοί, δηλαδή 1 Ku = 3,7 . 10 10 Bq.
Για παράδειγμα, περίπου 1 g καθαρού ραδίου δίνει δραστικότητα 3,7 . 10 10 πυρηνικές διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο.
Δεν διασπώνται όλοι οι πυρήνες των ραδιονουκλεϊδίων ταυτόχρονα. Σε κάθε μονάδα χρόνου, συμβαίνει αυθόρμητος πυρηνικός μετασχηματισμός με μια ορισμένη αναλογία πυρήνων. Το ποσοστό των πυρηνικών μετασχηματισμών είναι διαφορετικό για διαφορετικά ραδιονουκλεΐδια. Για παράδειγμα, από συνολικός αριθμός 1,38 πυρήνες ραδίου διασπώνται κάθε δευτερόλεπτο . μέρος, και από συνολικός αριθμόςπυρήνες ραδονίου – 2,1 . Μέρος. Το κλάσμα των πυρήνων που διασπώνται ανά μονάδα χρόνου ονομάζεται σταθερά διάσπασης λ .
Από τους παραπάνω ορισμούς προκύπτει ότι η δραστηριότητα ΕΝΑσχετίζεται με τον αριθμό των ραδιενεργών ατόμων Νστην πηγή σε μια δεδομένη στιγμή από τη σχέση:
Με την πάροδο του χρόνου, ο αριθμός των ραδιενεργών ατόμων μειώνεται σύμφωνα με το νόμο:
, (3) – 30 έτη, επιφανειακό ραδόνιο ή γραμμικόςδραστηριότητα.
Η επιλογή των συγκεκριμένων μονάδων δραστηριότητας καθορίζεται από τη συγκεκριμένη εργασία. Για παράδειγμα, η δραστηριότητα στον αέρα εκφράζεται σε μπεκερέλ ανά κυβικό μέτρο (Bq/m 3) - ογκομετρική δραστηριότητα. Η δραστικότητα στο νερό, το γάλα και άλλα υγρά εκφράζεται επίσης ως ογκομετρική δραστηριότητα, αφού η ποσότητα νερού και γάλακτος μετράται σε λίτρα (Bq/L). Η δραστηριότητα στο ψωμί, τις πατάτες, το κρέας και άλλα προϊόντα εκφράζεται ως ειδική δραστηριότητα (Bq/kg).
Είναι προφανές ότι η βιολογική επίδραση των ραδιονουκλεϊδίων στο ανθρώπινο σώμα θα εξαρτηθεί από τη δραστηριότητά τους, δηλ. από την ποσότητα του ραδιονουκλιδίου. Ως εκ τούτου, η ογκομετρική και ειδική δραστηριότητα των ραδιονουκλεϊδίων στον αέρα, το νερό, τα τρόφιμα, τις κατασκευές και άλλα υλικά είναι τυποποιημένη.
Δεδομένου ότι ένα άτομο μπορεί να εκτεθεί σε ακτινοβολία για μια ορισμένη χρονική περίοδο με διάφορους τρόπους(από την είσοδο ραδιονουκλεϊδίων στο σώμα μέχρι την εξωτερική έκθεση), τότε όλοι οι παράγοντες ακτινοβολίας συνδέονται με μια συγκεκριμένη τιμή, η οποία ονομάζεται δόση ακτινοβολίας.
Χάρη στις νέες μεθόδους καταγραφής της ραδιενέργειας, κατέστη δυνατή η μελέτη νέων φαινομένων που ήταν προηγουμένως ανθεκτικά στην έρευνα και, ειδικότερα, η προσπάθεια απάντησης στο ερώτημα πώς είναι δομημένος ο ατομικός πυρήνας. Για να απαντήσει σε αυτό το ερώτημα, ο Ράδερφορντ αποφάσισε να χρησιμοποιήσει τη σύγκρουση των σωματιδίων α με τους πυρήνες των ελαφρών χημικών στοιχείων.
Πυροδοτώντας σωματίδια άλφα σε άτομα υδρογόνου, ο Ράδερφορντ ανακάλυψε ότι τα ουδέτερα άτομα υδρογόνου μετατράπηκαν σε θετικά φορτισμένα σωματίδια. Ο Ράδερφορντ γνώριζε ότι το ελαφρύτερο άτομο Περιοδικός ΠίνακαςΤο υδρογόνο αποτελείται από έναν πυρήνα με μονάδα θετικού φορτίου και ένα ηλεκτρόνιο. Κατά συνέπεια, όταν συγκρούεται με ένα άτομο υδρογόνου, το σωματίδιο άλφα πλησίασε αρκετά τον πυρήνα του υδρογόνου και μετέφερε μέρος της ενέργειας και της ορμής σε αυτόν. Ο Ράδερφορντ ονόμασε αυτά τα θετικά φορτισμένα σωματίδια άτομα Η. Αργότερα τους δόθηκε το όνομα «πρωτόνια». Ταυτόχρονα, ο Ράδερφορντ διαπίστωσε ότι η αλληλεπίδραση μεταξύ ενός σωματιδίου α και ενός πυρήνα υδρογόνου δεν υπακούει στον νόμο της σκέδασης των σωματιδίων α στους πυρήνες χρυσού που είχε ανακαλύψει προηγουμένως. Καθώς το σωματίδιο α πλησίαζε τον πυρήνα του υδρογόνου, οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ του σωματιδίου α και του πυρήνα του υδρογόνου αυξάνονταν απότομα.
E. Rutherford, 1920:«Στην περίπτωση των ατόμων με μεγάλο πυρηνικό φορτίο, ακόμη και το ταχύτερο σωματίδιο α δεν μπορεί να διεισδύσει στην ίδια τη δομή του πυρήνα, επομένως μπορούμε μόνο να υπολογίσουμε τις μέγιστες διαστάσεις του. Ωστόσο, στην περίπτωση των ελαφρών ατόμων, όταν το πυρηνικό φορτίο είναι μικρό, σε μια άμεση σύγκρουση το σωματίδιο α πλησιάζει τόσο κοντά στον πυρήνα που μπορούμε να υπολογίσουμε το μέγεθός του και να πάρουμε κάποια ιδέα για τρέχουσες δυνάμεις. Αυτό φαίνεται καλύτερα στην περίπτωση μιας άμεσης σύγκρουσης ενός σωματιδίου α με ένα άτομο υδρογόνου. Σε αυτή την περίπτωση το άτομο Η τίθεται σε τόσο γρήγορη κίνηση που διανύει τέσσερις φορές την απόσταση του σωματιδίου α που συγκρούεται με αυτό και μπορεί να ανιχνευθεί από τον σπινθηρισμό που προκαλείται από αυτό σε μια οθόνη θειούχου ψευδαργύρου... Έχω έδειξε ότι αυτοί οι σπινθηρισμοί οφείλονται σε άτομα υδρογόνου που φέρουν ένα μόνο θετικό φορτίο... Η σχέση μεταξύ του αριθμού και της ταχύτητας αυτών των ατόμων Η είναι εντελώς διαφορετική από ό,τι θα περίμενε κανείς αν θεωρήσουμε το σωματίδιο α και το άτομο Η ως σημειακά φορτία. Ως αποτέλεσμα των συγκρούσεων με τα γρήγορα σωματίδια α, προκύπτουν άτομα Η, τα οποία πετούν σχεδόν με τις ίδιες ταχύτητες προς την κατεύθυνση των προσπίπτων α-σωματιδίων. Από αυτό συνήχθη το συμπέρασμα ότι ο νόμος της αντίστροφης αναλογικότητας προς το τετράγωνο της απόστασης καθίσταται άδικος όταν οι πυρήνες πλησιάζουν ο ένας τον άλλον σε απόσταση μικρότερη από 3· 10 -13 εκ. Αυτό δείχνει ότι οι πυρήνες έχουν διαστάσεις αυτής της τάξης μεγέθους και ότι οι δυνάμεις μεταξύ των πυρήνων αλλάζουν πολύ γρήγορα σε μέγεθος και κατεύθυνση σε αποστάσεις συγκρίσιμες με τις γενικά αποδεκτές διαστάσεις της διαμέτρου των ηλεκτρονίων. Επισημάνθηκε ότι κατά τη διάρκεια τέτοιων στενών συγκρούσεων μεταξύ πυρήνων αναπτύσσονται τεράστιες δυνάμεις και ότι η δομή των πυρήνων πιθανότατα υφίσταται σημαντική παραμόρφωση κατά τη σύγκρουση. Το γεγονός ότι ο πυρήνας του ηλίου, ο οποίος μπορεί να υποτεθεί ότι αποτελείται από τέσσερα άτομα Η και δύο ηλεκτρόνια, επιβιώνει από αυτή τη σύγκρουση δείχνει την εξαιρετική σταθερότητα της δομής του».
Ως αποτέλεσμα της μελέτης της αλληλεπίδρασης των α-σωματιδίων με άτομα υδρογόνου, ανακαλύφθηκε ένα πρωτόνιο - ο πυρήνας του ατόμου υδρογόνου. Ο Ράδερφορντ συνέχισε τα πειράματα για να μελετήσει την αλληλεπίδραση των σωματιδίων α με τα άτομα φωτός και το 1919 ανακάλυψε ότι όταν τα άτομα αζώτου ακτινοβολούνταν με τα σωματίδια α, τα πρωτόνια εκπέμπονταν από το άτομο. Κατά συνέπεια, τα πρωτόνια αποτελούν μέρος των ατομικών πυρήνων. Αλλά ταυτόχρονα, υπό την επίδραση των α-σωματιδίων, θα έπρεπε να έχει συμβεί μια αλλαγή στον πυρήνα του ατόμου του αζώτου. Το φορτίο του θα πρέπει να μειωθεί κατά ένα - ο πυρήνας του αζώτου πρέπει να μετατραπεί σε πυρήνα οξυγόνου.
Για πρώτη φορά, ο Ράδερφορντ έκανε αυτό που οι αλχημιστές δεν κατάφερναν να κάνουν για αιώνες - μετέτρεψε τεχνητά ένα χημικό στοιχείο σε ένα άλλο.
Τα επόμενα χρόνια, ο Rutherford και οι μαθητές του πραγματοποίησαν τον τεχνητό μετασχηματισμό περίπου δέκα ελαφρών χημικών στοιχείων - βόριο, φθόριο, λίθιο, νάτριο, φώσφορο και άλλα.
Ε. Ράδερφορντ: «Τα άτομα πολλών ελαφρών στοιχείων υπέστησαν πολύ βομβαρδισμούς μεγάλο ποσόα σωματίδια. Έχοντας πραγματοποιήσει αυτά τα πειράματα, απέκτησα πειραματικά στοιχεία το 1919 ότι ένας μικρός αριθμός ατόμων αζώτου κατά τη διάρκεια του βομβαρδισμού διαλύθηκε, εκπέμποντας γρήγορους πυρήνες υδρογόνου, γνωστούς πλέον ως πρωτόνια...
Μόνο ένα σωματίδιο άλφα στα 50.000 πλησιάζει τον πυρήνα αρκετά κοντά για να συλληφθεί από αυτόν...
Σε προηγούμενα άρθρα, loc. cit., Περιέγραψα τα φαινόμενα που συμβαίνουν κατά τη διάρκεια στενών συγκρούσεων γρήγορων σωματιδίων α με ελαφρά άτομα ύλης, προκειμένου να προσδιορίσω εάν οι πυρήνες ορισμένων ελαφρών ατόμων θα μπορούσαν να υποστούν αποσύνθεση υπό την επίδραση των τεράστιων δυνάμεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια τέτοιων στενών συγκρούσεων. Αυτά τα έγγραφα παρείχαν στοιχεία ότι όταν τα σωματίδια άλφα περνούν μέσα από ξηρό άζωτο, παράγονται γρήγορα σωματίδια που είναι πολύ παρόμοια σε φωτεινότητα σπινθηρισμού και εύρος διείσδυσης με άτομα υδρογόνου που κινούνται υπό την επίδραση συγκρούσεων με σωματίδια άλφα. Περαιτέρω αποδείχθηκε ότι αυτά τα γρήγορα άτομα, τα οποία εμφανίζονται μόνο στο ξηρό άζωτο, αλλά όχι στο οξυγόνο ή στο ανθρακικό οξύ, δεν μπορεί να αποδοθεί στην παρουσία υδρατμών ή άλλης ουσίας που περιέχει υδρογόνο, αλλά ότι πρέπει να προκύψουν από τη σύγκρουση σωματιδίων α με άτομα αζώτου...
ΣΕ προηγούμενη εργασίαΈδειξα ότι τα σωματίδια μεγάλης εμβέλειας που παρατηρούνται στον ξηρό αέρα και στο καθαρό άζωτο πρέπει να προέρχονται από τα ίδια τα άτομα αζώτου. Έτσι, είναι σαφές ότι ορισμένα άτομα αζώτου καταστρέφονται σε συγκρούσεις με γρήγορα σωματίδια α και ότι σε αυτή την περίπτωση δημιουργούνται γρήγορα άτομα θετικά φορτισμένου υδρογόνου. Από αυτό πρέπει να συμπεράνουμε ότι το φορτισμένο άτομο υδρογόνου είναι ένα από τα συστατικά του πυρήνα του αζώτου».
14 N(α,p) 17 Ο
Ακτίνες Η. Από τις σωματικές ακτίνες που προκύπτουν όταν οι ακτίνες α συγκρούονται με άτομα φωτός, οι ακτίνες υδρογόνου είναι οι πιο μελετημένες, καθώς έχουν τη μεγαλύτερη διεισδυτική ισχύ. Αυτές οι ακτίνες σχηματίζονται από άτομα υδρογόνου που έχουν χάσει το ηλεκτρόνιό τους, δηλ. πρωτόνια. Ονομάζονται με το σύμβολο H... Για να παρατηρήσουν τις ακτίνες Η, χρησιμοποίησαν πρώτα την κοινή τους ιδιότητα με τις ακτίνες α για να προκαλέσουν σπινθηρισμό σε οθόνη με θειούχο ψευδάργυρο... Ως πηγή ακτίνων Η, αντί για υδρογόνο, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια ουσία πλούσια σε υδρογόνο, για παράδειγμα, παραφίνη, με τη μορφή πολύ λεπτής μεμβράνης, που συνήθως εφαρμόζεται απευθείας στην πηγή.
Μ. Κιουρί. "Ραδιοενέργεια. Ακτίνες υδρογόνου και άλλα ελαφρά άτομα».
Γεμίζοντας τον θάλαμο με άζωτο, ο Rutherford παρατήρησε ότι σε μια ορισμένη πίεση το μεγαλύτερο μέρος του σπινθηρισμού εξαφανίστηκε. Αυτό συμβαίνει όταν οι ακτίνες α που εκπέμπονται από μια ραδιενεργή πηγή ξοδεύουν όλη τους την ενέργεια ιονίζοντας τον αέρα και δεν φτάνουν στην οθόνη. Αλλά οι υπόλοιποι σπινθηρισμοί έδειξαν την παρουσία μιας πολύ μικρής ποσότητας ακτίνων Η με εύρος αρκετές φορές μεγαλύτερο από αυτό που εκπέμπεται από την πηγή. Αν αντί για άζωτο πάρουμε άλλο αέριο, για παράδειγμα διοξείδιο του άνθρακα ή οξυγόνο, τότε τέτοιοι υπολειπόμενοι σπινθηρισμοί δεν εμφανίζονται. Η μόνη εξήγηση είναι ότι προέρχονται από άζωτο. Δεδομένου ότι η ενέργεια των υπολειπόμενων ακτίνων Η είναι μεγαλύτερη από αυτή των πρωτογενών, μπορούν να εμφανιστούν μόνο λόγω της αποσύνθεσης του πυρήνα του ατόμου του αζώτου. Έτσι, αποδείχθηκε η αποσύνθεση του αζώτου και το πρόβλημα της αλχημείας λύθηκε θεμελιωδώς.
P.L. Καπίτσα. «Αναμνήσεις του καθηγητή Ε. Ράδερφορντ»
1919 Ε. Ράδερφορντ. Πυρηνική αντίδραση. 14 N(α,p) 17 Ο
Φωτογραφία θαλάμου νέφους με ίχνη σωματιδίων άλφα σε άζωτο.
Η ανακάλυψη της ραδιενεργής διάσπασης των ατόμων αναβίωσε την αλχημική ιδέα της μετατροπής ενός στοιχείου σε ένα άλλο. Μέχρι το 1930, πολλά πειράματα αυτού του είδους πραγματοποιούνταν για δεκαετίες, ειδικά χρησιμοποιώντας το βολταϊκό τόξο. Όμως αυτές οι φανταστικές μεταμορφώσεις δεν άντεξαν την κριτική. Ο μετασχηματισμός επιτυγχάνεται, όπως γνωρίζουμε τώρα, μόνο με τη μέθοδο συγκέντρωσης της απαιτούμενης ποσότητας ενέργειας σε ένα μόνο άτομο όταν το βομβαρδίζουμε με άλλα άτομα ή γ-κβάντα. Αλλά και με αυτά τα πειράματα, στην αρχή (1907) υπήρχαν λανθασμένα αποτελέσματα. Ο πρώτος πραγματικός τεχνητός μετασχηματισμός ατόμων επιτεύχθηκε το 1919 από τον Ράδερφορντ. Ακτινοβόλησε άζωτο με σωματίδια άλφα και έλαβε πρωτόνια με μεγάλο μήκος διαδρομής. Οι φωτογραφίες θαλάμου νέφους αυτού του φαινομένου που τραβήχτηκαν από τον P. Blackett έδειξαν ξεκάθαρα, μαζί με το μακρύ ίχνος του πρωτονίου, ένα σύντομο ίχνος του προκύπτοντος ισοτόπου οξυγόνου με ατομικό βάρος 17. Μεταξύ 1921 και 1924, οι Rutherford και Chadwick μπόρεσαν να να αποδείξει την ύπαρξη αυτών των αντιδράσεων - απορρόφηση ενός σωματιδίου άλφα και εκπομπή πρωτονίου - επίσης για όλα τα στοιχεία από το βόριο (ατομικός αριθμός 5) έως το κάλιο (ατομικός αριθμός 19), με εξαίρεση τον άνθρακα και το οξυγόνο. Εκτός από το πρωτόνιο, αυτές οι αντιδράσεις παράγουν συνεχώς ένα στοιχείο που είναι επόμενο στη σειρά στον περιοδικό πίνακα.
M. Laue «Ιστορία της Φυσικής»
Έχοντας ανακαλύψει πρωτόνια στον ατομικό πυρήνα, ο Ράδερφορντ πρότεινε ένα μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου του πυρήνα. Τα πρωτόνια καθόρισαν τη μάζα του ατομικού πυρήνα και τα ηλεκτρόνια αντιστάθμισαν εν μέρει το ηλεκτρικό φορτίο των πρωτονίων, το οποίο οδήγησε στην επιθυμητή τιμή του πυρηνικού φορτίου. Για παράδειγμα, πιστεύεται ότι ένας πυρήνας με φορτίο +2e αποτελείται από 4 πρωτόνια και 2 ηλεκτρόνια. Ένα σημαντικό επιχείρημα υπέρ του μοντέλου πρωτονίου-ηλεκτρονίου ήταν η β - διάσπαση των ατομικών πυρήνων. Αυτό το φαινόμενο θα μπορούσε εύκολα να εξηγηθεί αν θεωρούσαμε ότι τα ηλεκτρόνια ήταν μέρος του ατομικού πυρήνα. Το μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου του πυρήνα συνάντησε ορισμένες αντιρρήσεις, η κυριότερη ήταν ότι δεν μπορούσε να εξηγήσει την έννοια των σπιν των ατομικών πυρήνων. Ωστόσο, υπήρχε μέχρι την ανακάλυψη του νετρονίου το 1932.
E. Rutherford, 1920:«Από τη μελέτη της ραδιενέργειας είναι γνωστό ότι οι πυρήνες των ραδιενεργών στοιχείων αποτελούνται εν μέρει από πυρήνες ηλίου με φορτίο 2e. Επιπλέον, έχουμε σοβαρούς λόγους να πιστεύουμε ότι οι πυρήνες των ατόμων, μαζί με τα θετικά φορτισμένα σωματίδια, περιέχουν επίσης ηλεκτρόνια και ότι το θετικό φορτίο του πυρήνα αντιστοιχεί σε περίσσεια του συνολικού θετικό φορτίοπάνω από αρνητικό. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθούν οι εντελώς διαφορετικοί ρόλοι που παίζουν τα ηλεκτρόνια έξω από το άτομο και μέσα σε αυτό. Στην πρώτη περίπτωση, βρίσκονται σε απόσταση από τον πυρήνα, η οποία αναμφίβολα καθορίζεται κυρίως από το φορτίο του πυρήνα και την αλληλεπίδραση των δικών τους πεδίων. Μέσα στον πυρήνα, τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν μια πολύ στενή και ισχυρή σχέση με θετικά φορτισμένες μονάδες και, από όσο γνωρίζουμε, είναι έξω από τον πυρήνα που βρίσκονται σε ασταθή κατάσταση. Κάθε εξωτερικό ηλεκτρόνιο αναμφίβολα αλληλεπιδρά με τον πυρήνα ως σημειακό φορτίο, ενώ δεν μπορούμε να πούμε το ίδιο για το εσωτερικό ηλεκτρόνιο. Προφανώς, τα εσωτερικά ηλεκτρόνια παραμορφώνονται σε μεγάλο βαθμό υπό την επίδραση τεράστιων δυνάμεων και οι δυνάμεις σε αυτή την περίπτωση μπορεί να είναι εντελώς διαφορετικές από εκείνες τις δυνάμεις που μπορούν να αναμένονται από ένα μη παραμορφωμένο ηλεκτρόνιο, όπως, για παράδειγμα, έξω από τον πυρήνα. Ίσως αυτός είναι ο λόγος που το ηλεκτρόνιο μπορεί να παίξει τόσο διαφορετικό ρόλο σε αυτές τις δύο περιπτώσεις και ακόμη και να σχηματίσει σταθερά συστήματα.»
Συζήτηση για τη δομή του ατομικού πυρήνα.Τον Φεβρουάριο του 1929, πραγματοποιήθηκε συζήτηση στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου σχετικά με τη δομή του ατομικού πυρήνα. Ακολουθούν συνοπτικές ομιλίες των E. Rutherford, J. Chadwick και R. Fowler.
Ε. Ράδερφορντ:
«Τώρα μπορούμε ήδη να διατυπώσουμε μια εικόνα της σταδιακής κατασκευής των ατομικών πυρήνων. Είναι πιθανό ότι στα φωτεινά στοιχεία ο πυρήνας αποτελείται από έναν συνδυασμό σωματιδίων α, πρωτονίων και ηλεκτρονίων, τα διαχωρισμένα μέρη του πυρήνα έλκονται έντονα μεταξύ τους, εν μέρει διαταράσσοντας, εν μέρει από μαγνητικές δυνάμεις. Προς το παρόν, μπορούμε μόνο να κάνουμε τη μία ή την άλλη υπόθεση για τη φύση αυτών των δυνάμεων. Πρώτα απ 'όλα, σχηματίζεται ένας εξαιρετικά συγκεντρωμένος και σφιχτά συνδεδεμένος πυρήνας και αυτή η διαδικασία συνοδεύεται από την εκπομπή ενέργειας. Για ατομικό βάρος περίπου 120, έχουμε τη μικρότερη μάζα, δηλαδή τον πλησιέστερο δεσμό. Με μια περαιτέρω αύξηση στους ατομικούς αριθμούς, τα προστιθέμενα σωματίδια δεσμεύονται όλο και λιγότερο σφιχτά.
Έτσι, μπορεί να υποτεθεί ότι ο πυρήνας έχει μια πολύ πυκνή δομή κοντά στο κέντρο και η πυκνότητα μειώνεται σταδιακά με την απόσταση από το κέντρο. Ολόκληρο αυτό το σύστημα περιβάλλεται από ένα φράγμα δύναμης, το οποίο συνήθως εμποδίζει τη διαφυγή των σωματιδίων άλφα. Ίσως αυτή η στατική άποψη να μην αρέσει στους φίλους μου θεωρητικούς, που θα ήθελαν να φανταστούν το α-σωματίδιο να έχει πλήρη ελευθερία κινήσεων μέσα στον πυρήνα. Ωστόσο, αυτή η άποψη είναι απολύτως θεμιτή και συμφωνεί πλήρως με τις ιδέες που έχω παρουσιάσει. Με άλλα λόγια, αν μπορούσαμε να τραβήξουμε ένα στιγμιότυπο από τον πυρήνα - με ταχύτητα κλείστρου περίπου 10 -28
δευτερόλεπτα - θα βλέπαμε στο κέντρο σαν να είναι πυκνά συσκευασμένα, σφιχτά συνδεδεμένα σωματίδια α, και η πυκνότητα θα μειωνόταν με την αύξηση της απόστασης από το κέντρο. Χωρίς αμφιβολία, όλα τα σωματίδια α βρίσκονται σε κίνηση και τα κύματα τους αντανακλώνται από φραγμούς δύναμης και μερικές φορές διεισδύουν πέρα από το σύστημα. Μου φαίνεται ότι η άποψη που ανέπτυξα είναι αρκετά δικαιολογημένη και ελπίζω ότι οι φίλοι μας θεωρητικοί θα μπορέσουν να περιγράψουν την όλη εικόνα με περισσότερες λεπτομέρειες. Δεν πρέπει μόνο να εξηγήσουμε την κατασκευή ενός πυρήνα από σωματίδια α, πρέπει επίσης να βρούμε μια θέση για ηλεκτρόνια, και το κλείδωμα ηλεκτρονίων στον ίδιο κλωβό με ένα σωματίδιο α δεν είναι τόσο εύκολο. Έχω όμως τόση εμπιστοσύνη στην ευρηματικότητα των θεωρητικών φίλων μας που πιστεύω ακράδαντα ότι με κάποιο τρόπο θα ξεπεράσουν αυτή τη δυσκολία.
Η άποψη που παρουσίασα εξηγεί, μου φαίνεται, γιατί δεν μπορούν να υπάρχουν άτομα βαρέως ουρανίου. Καθώς η μάζα αυξανόταν, ο πυρήνας θα αποκτούσε όλο και περισσότερη ενέργεια και θα γινόταν τόσο ραδιενεργός που θα εξαφανιζόταν. Προφανώς, όσο περισσότερα αποθέματα ενέργειας είχαν οι πυρήνες, τόσο πιο γρήγορα θα εξαφανίζονταν και μάλλον δεν είναι τυχαίο ότι το ουράνιο και το θόριο είναι οι μόνοι επιζώντες εκπρόσωποι βαρέων πυρήνων. Δεν είναι εδώ το μέρος για να μπούμε στο άκρως εικαστικό ερώτημα για το πώς σχηματίστηκαν οι πυρήνες των στοιχείων. Πριν ασχοληθούμε με αυτό το ερώτημα, πρέπει να μάθουμε πολύ περισσότερα για τις λεπτομέρειες της δομής του ίδιου του πυρήνα».
J. Chadwick: «Όταν ορισμένα στοιχεία βομβαρδίζονται με σωματίδια άλφα, πυρήνες υδρογόνου ή πρωτόνια απορρίπτονται από αυτά, κάτι που μπορεί να ανιχνευθεί από τον σπινθηρισμό που προκαλούν σε μια οθόνη θειούχου ψευδαργύρου. Αυτά τα πρωτόνια εμφανίζονται ως αποτέλεσμα της τεχνητής αποσύνθεσης των πυρήνων αυτών των στοιχείων. Πιστεύουμε ότι η πυρηνική αποσύνθεση συμβαίνει όταν ένα σωματίδιο άλφα διεισδύει στον πυρήνα και διατηρείται εκεί, με αποτέλεσμα την εκπομπή ενός πρωτονίου. Η πιθανότητα αποσύνθεσης είναι χαμηλή. έτσι, για παράδειγμα, σε μια ευνοϊκή περίπτωση, όταν βομβαρδίζεται το άζωτο, 20 πυρήνες αποσυντίθενται για κάθε 10 6 α σωματίδια. Λόγω της σπανιότητας αυτού του φαινομένου, καθώς και λόγω των διαφόρων πειραματικών δυσκολιών, οι πληροφορίες που έχουμε λάβει μέχρι στιγμής είναι ακόμη μάλλον σπάνιες. Με εξαίρεση τον άνθρακα και το οξυγόνο, όλα τα στοιχεία από το βόριο έως το κάλιο αποσυντίθενται όταν βομβαρδίζονται με σωματίδια άλφα και εκπέμπουν ένα πρωτόνιο με σημαντική ενέργεια. Αυτό σημαίνει ότι οι πυρήνες όλων αυτών των στοιχείων περιέχουν πρωτόνια. Ο άνθρακας και το οξυγόνο, εάν αποσυντεθούν καθόλου, δεν εκπέμπουν σωματίδια με ενέργεια που υπερβαίνει την ενέργεια των διασκορπισμένων σωματιδίων α. Είναι πιθανό να αποσυντεθούν σε πυρήνες ηλίου, αλλά δεν υπάρχουν ακόμη στοιχεία για αυτό. Ορισμένα πρωτόνια που απελευθερώνονται κατά τη διάρκεια της τεχνητής αποσύνθεσης έχουν πολύ υψηλές ενέργειες, για παράδειγμα, η ενέργεια των πρωτονίων που εκτινάσσονται από το αλουμίνιο από τα σωματίδια α του ραδίου G είναι 40% υψηλότερη από την ενέργεια των σωματιδίων α που προσκρούουν. Έτσι, σε ορισμένες περιπτώσεις, απελευθερώνεται ενέργεια κατά την αποσύνθεση. Υπάρχει έντονη διαφορά στη συμπεριφορά των στοιχείων με ζυγούς και περιττούς ατομικούς αριθμούς. Τα πρωτόνια που εκπέμπονται από στοιχεία με περιττούς αριθμούς έχουν πολύ υψηλότερη μέγιστη ενέργεια από τα πρωτόνια από ζυγά στοιχεία. Σε μια αποσύνθεση που αποτελείται μόνο από τη σύλληψη ενός σωματιδίου α και την εκπομπή ενός πρωτονίου, ένα στοιχείο με περιττό αριθμό πηγαίνει σε ένα στοιχείο με ζυγό αριθμό και αντίστροφα. Λαμβάνοντας υπόψη τη διαφορετική συμπεριφορά άρτιων και περιττών στοιχείων, καθώς και τη σχετική αφθονία τους στη φύση και τις ατομικές τους μάζες, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι τα ζυγά στοιχεία είναι πιο σταθερά από τα περιττά».
Ρ. Φάουλερ:
«Θα ήθελα να σας εξηγήσω πώς η νέα κβαντική θεωρία μπορεί να μας βοηθήσει στη συζήτηση για τη δομή και τις ιδιότητες του πυρήνα. Το θέμα αυτό είχε ήδη επισημανθεί από τον Πρόεδρο στην εναρκτήρια ομιλία του. Θα ήθελα να το επεκταθώ λίγο. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να έχουμε κατά νου είναι ότι η νέα κβαντική μηχανική αναπτύχθηκε λογικά, με βάση τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων στα άτομα. Πρέπει να υποθέσουμε ότι τα σωματίδια έχουν πολλές ιδιότητες, εγγενής στα κύματα. Το αν τα λέμε σωματίδια ή κύματα είναι θέμα γούστου.Η επιλογή του ονόματος κατά πάσα πιθανότητα εξαρτάται σε κάθε μεμονωμένη περίπτωση από την κατάστασή τους. Δεδομένου ότι τα σωματίδια είναι σαν κύματα, θα πρέπει να περιμένουμε, για παράδειγμα, ότι δεν θα αντανακλώνται πάντα από φράγματα συγκεκριμένου ύψους. Μπορούν να περάσουν από το φράγμα, φυσικά, μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις...
Το γεγονός ότι τα σωματίδια μπορούν να περάσουν μέσα από αυτό το είδος φραγμού είναι πολύ σημαντικό για την εξήγηση του φαινομένου της εκπομπής σωματιδίων α από βαρείς πυρήνες.
Αν φανταστούμε τον πυρήνα όπως έχουμε ήδη πει εδώ σήμερα, με τη μορφή κάποιου μικρού κουτιού που περιβάλλεται από όλες τις πλευρές (σε τρεις διαστάσεις) από ένα φράγμα δύναμης, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι μέσα του υπάρχει ένα α-σωματίδιο, το οποίο πρέπει να φανταστείτε με τη μορφή κύματος, η ενέργεια του οποίου είναι μικρότερη από τη δυναμική ενέργεια του πάνω μέρους του φράγματος. Σύμφωνα με την κλασική θεωρία, το σωματίδιο άλφα θα παραμείνει για πάντα μέσα στο φράγμα. Αλλά σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, υπάρχει μια πεπερασμένη πιθανότητα ένα κύμα να περάσει μέσα από ένα λεπτό τοίχωμα και να πάει στο άπειρο. Αυτή η ιδέα βασίζεται στην κβαντική θεωρία της εκπομπής σωματιδίων α. Αυτή η ιδέα εκφράστηκε ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο από τον Gamow, αφενός, και από τον Gurney και τον Condon, από την άλλη. Όλοι τους, και ειδικά ο Gamow, το ανέπτυξαν με αρκετά λεπτομέρεια.
Όταν ένα σωματίδιο άλφα διέρχεται από ένα φράγμα, φυσικά, δεν μπορεί πλέον να ταυτιστεί με ένα στάσιμο κύμα. Θα ήταν σωστό να απεικονίσουμε ένα σωματίδιο άλφα ως μια απόσβεση ταλάντωσης. Θα έχουμε απόσβεση ταλάντωσης μέσα στο φράγμα, δηλ. αρμονική ταλάντωση με συνηθισμένο συντελεστή απόσβεσης και έξω από ένα πολύ ασθενές κύμα που αντιστοιχεί στην εκπομπή ενός σωματιδίου α. Στην πραγματικότητα, αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί πολύ καλά και ο συντελεστής απόσβεσης προκύπτει με τη μορφή του φανταστικού μέρους της ενέργειας. Αυτό έγινε με μεγάλη επιτυχία από τον Gamow.
Βρήκε ότι για αυτούς τους υπολογισμούς δεν έχει σημασία τι είδους σχήμα υποθέτετε ότι θα έχει το εσωτερικό του φραγμού. Το κύριο εξωτερικό του τμήμα είναι γνωστό από πειράματα για τη σκέδαση των σωματιδίων άλφα.
Η πιθανότητα ένα σωματίδιο α να διαπεράσει ένα φράγμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ενέργεια του σωματιδίου α. Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργειά της, τόσο πιο λεπτό είναι το φράγμα που πρέπει να περάσει και τόσο χαμηλότερο είναι το ύψος του. Επομένως, προφανώς, υπάρχει μια πολύ στενή σχέση μεταξύ της ενέργειας ενός σωματιδίου α, την οποία κρίνουμε από την ενέργεια του εκπεμπόμενου σωματιδίου α, και μεταξύ της πιθανότητας να βγει αυτό το σωματίδιο α, την οποία κρίνουμε από το διάρκεια ζωής του ατόμου. Αυτός είναι ο νόμος Geiger-Nettall.
Εν κατακλείδι, θα πω ότι αυτή είναι μια πολύ όμορφη θεωρία και ότι μπορούμε να είμαστε απολύτως βέβαιοι ότι σε γενικές γραμμές είναι σωστή.Το μεγάλο πλεονέκτημα αυτής της θεωρίας είναι ότι δίνει το νόμο Geiger-Nettall εντελώς ανεξάρτητα από τις λεπτομέρειες τη δομή του πυρήνα».
Καθώς εμφανίστηκαν νέα πειραματικά δεδομένα για τα σπιν και τις μαγνητικές ροπές των ατομικών πυρήνων, οι δυσκολίες του μοντέλου πρωτονίου-ηλεκτρονίου στην περιγραφή αυτών των χαρακτηριστικών των ατομικών πυρήνων αυξήθηκαν. Αυτό ήταν ιδιαίτερα εμφανές στη λεγόμενη «καταστροφή του αζώτου». Η ουσία του ήταν η εξής. Σύμφωνα με το μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου, ο πυρήνας 14 N πρέπει να αποτελείται από 14 πρωτόνια και 7 ηλεκτρόνια. Δεδομένου ότι τόσο το πρωτόνιο όσο και το ηλεκτρόνιο έχουν ιδιοτιμή σπιν J = 1/2, το συνολικό σπιν του πυρήνα 14 N θα πρέπει να έχει μισό ακέραιο αριθμό, ενώ η πειραματικά μετρηθείσα τιμή του σπιν του πυρήνα είναι J(14 N) = 1. Υπήρχαν άλλα παραδείγματα αποκλίσεων στις προβλέψεις του μοντέλου πρωτονίου-ηλεκτρονίου του πυρήνα με πειραματικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, όλοι οι ατομικοί πυρήνες με άρτιο αριθμό μάζας Α είχαν μηδενική ή ακέραια τιμή σπιν J, ενώ το μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου του πυρήνα στις περισσότερες περιπτώσεις προέβλεπε μια τιμή σπιν μισού ακέραιου αριθμού. Οι μετρούμενες τιμές των μαγνητικών ροπών των πυρήνων αποδείχθηκαν σχεδόν 1000 φορές μικρότερες από ό,τι είχε προβλεφθεί από το μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου του πυρήνα. Έγινε σαφές ότι το μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου του πυρήνα περιέχει κάποιο είδος εσφαλμένης συνιστώσας. Ορισμένες ενοχλήσεις δημιουργήθηκαν από ηλεκτρόνια που βρίσκονται στον περιορισμένο όγκο του ατομικού πυρήνα. Η φυλάκιση των ηλεκτρονίων στον πυρήνα έρχεται σε αντίθεση με την αρχή της αβεβαιότητας ΔpΔx = ћ.
E. Rutherford, 1932: «Φαίνεται σαν το ηλεκτρόνιο μέσα στον πυρήνα να συμπεριφέρεται εντελώς διαφορετικά από το ηλεκτρόνιο στην περιφέρεια του ατόμου. Αυτή η δυσκολία μπορεί να είναι δική μας δημιουργία, καθώς μου φαίνεται πιο πιθανό ότι το ηλεκτρόνιο δεν μπορεί να υπάρχει σε ελεύθερη κατάσταση σε έναν σταθερό πυρήνα, αλλά πρέπει πάντα να συνδέεται με ένα πρωτόνιο ή άλλη πιθανή μονάδα μάζας. Από αυτή την άποψη, οι ενδείξεις για την ύπαρξη νετρονίων σε ορισμένους πυρήνες είναι αξιοσημείωτες. Η παρατήρηση του Beck ότι στην κατασκευή βαρέων στοιχείων από ελαφριά τα ηλεκτρόνια προστίθενται σε ζεύγη έχει μεγάλο ενδιαφέρον και υποδηλώνει ότι για να σχηματιστεί ένας σταθερός πυρήνας είναι απαραίτητο να εξουδετερωθεί η μεγάλη μαγνητική ροπή ενός ηλεκτρονίου με την προσθήκη ενός άλλου ηλεκτρονίου. Είναι επίσης πιθανό οι μη φορτισμένες μονάδες μάζας 2 και νετρόνια μάζας 1 να είναι δευτερεύουσες μονάδες στη δομή του πυρήνα».
Όπως έδειξαν τα επόμενα γεγονότα, η ιδέα του Ράδερφορντ ότι θα μπορούσε να σχηματιστεί μια ισχυρά δεσμευμένη κατάσταση ενός πρωτονίου και ενός ηλεκτρονίου ήταν εσφαλμένη. Ωστόσο, έπαιξε καθοριστικό ρόλο στην ανακάλυψη του νετρονίου. Το 1930-1932 Ο Bothe και ο Becker ανακάλυψαν ότι όταν ακτινοβοληθεί με α-σωματίδια βηρυλλίου Be, σχηματίζεται ισχυρά διεισδυτική ουδέτερη ακτινοβολία. Όλη η ακτινοβολία που ανιχνεύτηκε μέχρι στιγμής απορροφήθηκε έντονα από λεπτά στρώματα μολύβδου, ενώ η ακτινοβολία από το βηρύλλιο περνούσε ελεύθερα μέσα από την παχιά θωράκιση μολύβδου. Υπήρχε η υποψία ότι επρόκειτο για ένα νέο είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Το αποφασιστικό πείραμα πραγματοποιήθηκε το 1932 από τον μαθητή του Ράδερφορντ, Τσάντγουικ. Χρησιμοποιώντας έναν θάλαμο ιονισμού, μέτρησε την ενέργεια ανάκρουσης των πυρήνων υδρογόνου και αζώτου υπό την επίδραση της ουδέτερης ακτινοβολίας από το βηρύλλιο και έδειξε ότι ως αποτέλεσμα της αντίδρασης
σχηματίζονται γρήγορα ουδέτερα σωματίδια με μάζα περίπου ίση με τη μάζα ενός ατόμου υδρογόνου. Αυτά τα σωματίδια, που ονομάζονται νετρόνια, δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο και διέρχονται ελεύθερα μέσα από άτομα χωρίς να προκαλούν ιονισμό στην πορεία.
J. Chadwick, 1932:
«Η αποσύνθεση των στοιχείων βηρυλλίου και βορίου ανακαλύφθηκε πρόσφατα ότι παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ο Bothe και ο Becker βρήκαν ότι αυτά τα στοιχεία, βομβαρδισμένα από α-σωματίδια πολωνίου, εκπέμπουν διεισδυτική ακτινοβολία, προφανώς του τύπου γ. Πριν από λίγους μήνες, οι I. Curie-Joliot και F. Joliot έκαναν εντυπωσιακές παρατηρήσεις που έδειξαν ότι αυτή η ακτινοβολία τείνει να εκτοξεύει πρωτόνια με υψηλές ταχύτητες από μια ουσία που περιέχει υδρογόνο. Βρήκαν ότι τα πρωτόνια που εκπέμπονται από την ακτινοβολία βηρυλλίου έχουν ταχύτητες έως και 3∙10 9
cm/sec. Οι Curie και Joliot πρότειναν ότι αυτή η εκτόξευση πρωτονίου συμβαίνει μέσω μιας διαδικασίας παρόμοιας με το φαινόμενο Compton και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ακτινοβολία βηρυλλίου έχει ένα κβάντο με ενέργεια περίπου 50 εκατομμύρια βολτ-ηλεκτρόνια. Η αποδοχή αυτής της υπόθεσης εγείρει δύο σοβαρές δυσκολίες. Πρώτον, είναι γνωστό ότι η σκέδαση ενός κβαντικού από ένα ηλεκτρόνιο περιγράφεται καλά από τον τύπο Klein-Nishin και δεν υπάρχει λόγος να υποθέσουμε ότι παρόμοιες σχέσεις δεν θα είναι σωστές για τη σκέδαση ενός πρωτονίου. Η παρατηρούμενη σκέδαση, ωστόσο, είναι πολύ μεγάλη σε σύγκριση με αυτή που δίνεται από τον τύπο Klein-Nishina. Δεύτερον, είναι δύσκολο να κατανοήσουμε την εκπομπή ενός κβάντου τόσο υψηλής ενέργειας κατά τη διάρκεια του μετασχηματισμού 9
Be + 4
Όχι → 13
Γ + κβαντική Ως εκ τούτου, μελέτησα τις ιδιότητες αυτής της ακτινοβολίας χρησιμοποιώντας έναν ειδικό μετρητή. Διαπιστώθηκε ότι η ακτινοβολία εκτοξεύει σωματίδια όχι μόνο από το υδρογόνο, αλλά από το ήλιο, το λίθιο, το βηρύλλιο κ.λπ., και πιθανώς από όλα τα στοιχεία. Σε όλες τις περιπτώσεις τα σωματίδια φαίνεται να είναι άτομα ανάκρουσης του στοιχείου. Φαίνεται αδύνατο να αποδοθεί η εκτόξευση αυτών των σωματιδίων ανάκρουσης σε μια σύγκρουση με ένα κβάντο ακτινοβολίας εάν η ενέργεια και η ορμή διατηρηθούν κατά την πρόσκρουση.
Μια ικανοποιητική εξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων μπορεί να ληφθεί εάν υποθέσουμε ότι η ακτινοβολία δεν αποτελείται από κβάντα, αλλά από σωματίδια με μάζα 1 και φορτίο 0 - νετρόνια. Στην περίπτωση δύο στοιχείων, του υδρογόνου και του αζώτου, το εύρος των ατόμων ανάκρουσης μετρήθηκε με υψηλό βαθμό ακρίβειας και από αυτό συνήχθησαν οι μέγιστες ταχύτητες τους. Αποδείχτηκαν 3,3∙10, αντίστοιχα 9
cm/sec και 4,7∙10 8
cm/sec. Έστω M, V η μάζα και η ταχύτητα του σωματιδίου που αποτελεί την ακτινοβολία. Επειτα μέγιστη ταχύτητα, που μπορεί να επικοινωνήσει με τον πυρήνα του υδρογόνου κατά τη διάρκεια μιας σύγκρουσης, θα είναι:
και για το άζωτο:
από εδώ:
,
Στα πειραματικά σφάλματα, το M μπορεί να ληφθεί ως 1 και επομένως:
V = 3,3∙10 9 cm/sec.
Δεδομένου ότι η ακτινοβολία έχει εξαιρετικά υψηλή δύναμη διείσδυσης, τα σωματίδια πρέπει να έχουν πολύ μικρό φορτίο σε σύγκριση με το φορτίο του ηλεκτρονίου. Αυτό το φορτίο υποτίθεται ότι είναι 0, και μπορούμε να υποθέσουμε ότι το νετρόνιο αποτελείται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο σε πολύ στενό συνδυασμό.
Τα διαθέσιμα στοιχεία υποστηρίζουν σθεναρά την υπόθεση των νετρονίων. Στην περίπτωση του βηρυλλίου, η διαδικασία μετασχηματισμού που παράγει την εκπομπή νετρονίων είναι 9
Be + 4
Αυτός → 12
C + νετρόνιο. Μπορεί να αποδειχθεί ότι οι παρατηρήσεις είναι συνεπείς με τις ενεργειακές σχέσεις σε αυτή τη διαδικασία. Στην περίπτωση του βορίου, η διαδικασία μετασχηματισμού είναι πιθανώς 11
Β + 4
Όχι → Ν 14
+
1
n; σε αυτή την περίπτωση οι μάζες Β 11
, Ν 4
ε και 14
Τα N είναι γνωστά από τις μετρήσεις του Aston, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων μπορεί να βρεθεί πειραματικά, και επομένως είναι δυνατό να ληφθεί μια πιο κοντινή εκτίμηση της μάζας νετρονίων. Η μάζα που προκύπτει με αυτόν τον τρόπο είναι 1,0067. Λαμβάνοντας υπόψη το σφάλμα στη μέτρηση της μάζας, θα πρέπει να θεωρηθεί ότι η μάζα νετρονίων πιθανότατα βρίσκεται μεταξύ 1,005 και 1,008. Αυτές οι τιμές υποστηρίζουν την άποψη ότι ένα νετρόνιο είναι ένας συνδυασμός πρωτονίου και ηλεκτρονίου και δίνει ενέργεια δέσμευσης σωματιδίων περίπου 1-2∙10 6
βολτ∙ηλεκτρόνια.
Το νετρόνιο μπορεί να απεικονιστεί ως ένα μικρό δίπολο, ή ίσως καλύτερα ως ένα πρωτόνιο ενσωματωμένο σε ένα ηλεκτρόνιο. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, η «ακτίνα» του νετρονίου θα είναι μεταξύ 10 -13
cm και 10 -12
εκ. Το πεδίο ενός νετρονίου θα πρέπει να είναι πολύ μικρό, εκτός από πολύ κοντινές αποστάσεις, και τα νετρόνια που περνούν μέσα από την ύλη δεν θα επηρεαστούν εκτός εάν χτυπήσουν απευθείας τον ατομικό πυρήνα. Οι μετρήσεις που έγιναν στο πέρασμα των νετρονίων μέσω της ύλης δίνουν αποτελέσματα που συμφωνούν γενικά με αυτές τις απόψεις.Η σύγκρουση νετρονίων με πυρήνες αζώτου μελετήθηκε από τον Dr. Feser, χρησιμοποιώντας έναν αυτόματο θάλαμο νέφους. Βρήκε ότι εκτός από τα φυσιολογικά ίχνη των ατόμων ανάκρουσης του αζώτου, υπήρχαν και μια σειρά από διακλαδιζόμενες διαδρομές. Αυτό είναι συνέπεια της αποσύνθεσης του πυρήνα του αζώτου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα νετρόνιο συλλαμβάνεται, ένα σωματίδιο άλφα εκπέμπεται και ένας πυρήνας Β σχηματίζεται 11
. Σε άλλες περιπτώσεις ο μηχανισμός δεν είναι ακόμη γνωστός με βεβαιότητα».
1932 J. Chadwick. Ανακάλυψη του νετρονίου
 |
 Τζέιμς Τσάντγουικ (1891 - 1974) |
«Ένα πρωί διάβασα ένα γράμμα του Joliot-Curie στο Comptes Rendus, στο οποίο ανέφερε ακόμη περισσότερα καταπληκτική ιδιοκτησίαακτινοβολία από βηρύλλιο, μια εξαιρετικά εκπληκτική ιδιότητα. Λίγα λεπτά αργότερα, ο [Norman] Feather, όσο έκπληκτος κι αν ήμουν, μπήκε στο δωμάτιό μου για να επιστήσει την προσοχή μου σε αυτό το άρθρο. Το ίδιο πρωί, λίγο αργότερα, το είπα στον Ράδερφορντ. Σύμφωνα με μια μακροχρόνια παράδοση, έπρεπε να έρθω κοντά του γύρω στις 11 και να αναφέρω ενδιαφέροντα νέα, καθώς και να συζητήσουμε την κατάσταση των εργασιών στο εργαστήριό μας. Καθώς έλεγα τις παρατηρήσεις της Joliot-Curie και την ερμηνεία τους, παρατήρησα την αυξανόμενη έκπληξη του Rutherford. τελικά έγινε μια έκρηξη: «Δεν το πιστεύω!» Μια τέτοια μισαλλόδοξη παρατήρηση ήταν τελείως εκτός χαρακτήρα για τον Ράδερφορντ· σε όλα τα πολλά χρόνια συνεργασίας μου μαζί του, δεν θυμάμαι τέτοιο περιστατικό. Το σημειώνω μόνο για να τονίσω την ηλεκτρισμένη επίδραση του άρθρου της Joliot-Curie. Φυσικά, ο Ρόδερφορντ συνειδητοποίησε ότι θα έπρεπε να πιστέψει αυτές τις παρατηρήσεις, αλλά η εξήγησή τους είναι ένα εντελώς διαφορετικό θέμα.
Έτυχε ότι ήμουν μόλις έτοιμος να ξεκινήσω το πείραμα, για το οποίο είχα προετοιμάσει μια εξαιρετική πηγή πολωνίου από υλικό της Βαλτιμόρης (χρησιμοποιώντας ένα σωλήνα ραδονίου που έφερε πίσω η Feser). Ξεκίνησα χωρίς προκαταλήψεις, αν και φυσικά οι σκέψεις μου περιστρέφονταν γύρω από τα νετρόνια. Ήμουν αρκετά σίγουρος ότι οι παρατηρήσεις της Joliot-Curie δεν μπορούσαν να περιοριστούν σε ένα φαινόμενο τύπου Compton, αφού είχα προσπαθήσει επανειλημμένα να το εντοπίσω. Χωρίς αμφιβολία, ήταν κάτι εντελώς νέο και ασυνήθιστο. Λίγες μέρες σκληρής δουλειάς ήταν αρκετές για να δείξουν ότι αυτά τα παράξενα αποτελέσματα προκλήθηκαν από ένα ουδέτερο σωματίδιο. Κατάφερα ακόμη και να μετρήσω τη μάζα του. Το νετρόνιο, που υποτέθηκε από τον Ράδερφορντ το 1920, έγινε τελικά ορατό».
1935 – J. Chadwick
Για την ανακάλυψη του νετρονίου
Νετρόνια
J. Chadwick
Ο Bothe και ο Becker έδειξαν ότι ορισμένα ελαφρά στοιχεία, υπό την επίδραση βομβαρδισμού από σωματίδια α του πολωνίου, εκπέμπουν ακτινοβολία, προφανώς με τον χαρακτήρα των ακτίνων γ. Το στοιχείο βηρύλλιο παράγει ένα ιδιαίτερα αξιοσημείωτο αποτέλεσμα αυτού του είδους και οι επακόλουθες παρατηρήσεις των Bothe, Irene Curie-Joliot και Webster έδειξαν ότι η ακτινοβολία που διεγείρεται στο βηρύλλιο έχει διεισδυτική ισχύ σημαντικά μεγαλύτερη από οποιοδήποτε από τα μέχρι τώρα γνωστά στοιχεία ραδιενεργών ακτίνων γ.
Πολύ πρόσφατα, οι I. Curie-Joliot και F. Joliot έκαναν την εντυπωσιακή παρατήρηση ότι αυτές οι ακτινοβολίες από το βηρύλλιο και το βόριο είναι ικανές να εκτοξεύουν πρωτόνια από ουσίες που περιέχουν υδρογόνο με σημαντικό ρυθμό.
Ως αποτέλεσμα, πραγματοποίησα περαιτέρω πειράματα για να διερευνήσω τις ιδιότητες της ακτινοβολίας βηρυλλίου. Αυτά τα πειράματα έδειξαν ότι η ακτινοβολία βηρυλλίου εκτοξεύει σωματίδια όχι μόνο από το υδρογόνο, αλλά από όλα τα ελαφρά στοιχεία που μελετήθηκαν. Τα πειραματικά αποτελέσματα αποδείχθηκαν πολύ δύσκολο να εξηγηθούν από την άποψη της υπόθεσης για την κβαντική φύση της ακτινοβολίας βηρυλλίου, αλλά αυτά τα αποτελέσματα ακολούθησαν ως άμεσες συνέπειες εάν υποθέσουμε ότι η ακτινοβολία βηρυλλίου αποτελείται από σωματίδια με μάζα περίπου ίση στη μάζα του πρωτονίου και χωρίς αποτελεσματικό φορτίο, δηλαδή - από νετρόνια.
Η εμφάνιση νετρονίων έχει παρατηρηθεί μέχρι στιγμής μόνο όταν ορισμένα στοιχεία βομβαρδίζονται με σωματίδια α. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αναπαρασταθεί ως η σύλληψη ενός σωματιδίου άλφα από έναν ατομικό πυρήνα, που συνοδεύεται από το σχηματισμό ενός νέου πυρήνα και την απελευθέρωση ενός νετρονίου. Ο νέος πυρήνας πρέπει να έχει φορτίο δύο μονάδες υψηλότερο και μάζα τρεις μονάδες υψηλότερο από τον αρχικό πυρήνα. Η «απόδοση» των νετρονίων είναι πολύ μικρή και είναι συγκρίσιμη με την «απόδοση» των πρωτονίων κατά τον τεχνητό μετασχηματισμό στοιχείων που συμβαίνει υπό την επίδραση βομβαρδισμού από σωματίδια α. Το μεγαλύτερο αποτέλεσμα φαίνεται από το βηρύλλιο, του οποίου η «απόδοση» φθάνει προφανώς τα 30 νετρόνια για κάθε εκατομμύριο σωματίδια α-πολωνίου που βομβαρδίζουν ένα παχύ στρώμα βηρυλλίου.
Εκθέτοντας διάφορες ουσίες σε βομβαρδισμό με α-σωματίδια πολωνίου, οι Bothe και Becker ανακάλυψαν ότι κάτω από αυτές τις συνθήκες ορισμένα ελαφρά άτομα εκπέμπουν ασθενή ακτινοβολία, η διεισδυτική ισχύς της οποίας υπερβαίνει τη διεισδυτική ισχύ της πιο σκληρήςγ -ακτίνες που εκπέμπονται από ραδιενεργά στοιχεία (1930). Αρχικά αυτό το φαινόμενο εξηγήθηκε από την εκπομπήγ -ακτίνες που οφείλονται στη διέγερση των πυρήνων, οι οποίες μπορεί να συνοδεύονται από τη σύλληψη ενός σωματιδίου α. Αυτή η επίδραση είναι ιδιαίτερα έντονη στο βηρύλλιο, αλλά παρατηρείται επίσης σε μικρότερο βαθμό σε Li, B, F, Na, Mg, Al. Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο ιονισμού, οι I. Curie και F. Joliot ανακάλυψαν μια νέα ιδιότητα διεισδυτικών ακτίνων που εκπέμπονται από το βηρύλλιο ή το βόριο. Αποδείχθηκε ότι αυτές οι ακτίνες μπορούν να εξουδετερώσουν ελαφρούς πυρήνες, για παράδειγμα, πρωτόνια από ουσίες που περιέχουν πυρήνες υδρογόνου ή ηλίου (1932). Αυτή η βασική ιδιότητα της ακτινοβολίας που ανακαλύφθηκε πρόσφατα είναι ο λόγος για την απορρόφησή της... Η ύπαρξη του φαινομένου της εκτόξευσης ατόμων φωτός επιβεβαιώθηκε με τη μέθοδο του Wilson... Η διεισδυτική δέσμη που προκαλεί την εκτίναξη του πυρήνα δεν ιονίζει μόρια αερίου και, επομένως, η διαδρομή του δεν είναι ορατή στις φωτογραφίες... Τα αποτελέσματα αυτών των πειραμάτων είναι δύσκολο να εξηγηθούν αν σκεφτούμε ότι οι ακτίνες που προκαλούν την εκτόξευση των φωτεινών στοιχείων είναιγ -ακτίνες.
Ο Chadwick έδειξε ότι αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί ικανοποιητικά με την υπόθεση ότι η διεισδυτική ακτινοβολία που εκπέμπεται από το Be ή το B περιέχει νετρόνια - σωματίδια με ατομική μάζα κοντά στη μονάδα και μηδενικό φορτίο, τα οποία μπορεί να αποτελούνται από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο συνδεδεμένα πιο στενά από ό,τι στο υδρογόνο. άτομο... Τα νετρόνια είναι ένας νέος τύπος σωματιδιακής ακτινοβολίας.
Μ. Κιουρί. "Ραδιοενέργεια. Διέγερση διεισδυτικών ακτίνων σε άτομα φωτός κατά τη σύγκρουση με σωματίδια α».
D. Ivanenko, 1932:«Η εξήγηση του Dr. J. Chadwick για τη μυστηριώδη ακτινοβολία του βηρυλλίου είναι πολύ ελκυστική για τους θεωρητικούς φυσικούς. Τίθεται το ερώτημα: είναι δυνατόν να υποθέσουμε ότι παίζουν και τα νετρόνια σημαντικός ρόλοςκαι στη δομή των πυρήνων, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα πυρηνικά ηλεκτρόνια «συσκευασμένα» είτε σε α-σωματίδια είτε σε νετρόνια; Φυσικά, η απουσία μιας θεωρίας πυρήνων καθιστά αυτήν την υπόθεση μακριά από την οριστική, αλλά ίσως δεν θα φαίνεται τόσο απίθανη αν θυμηθούμε ότι τα ηλεκτρόνια, που διεισδύουν στους πυρήνες, αλλάζουν σημαντικά τις ιδιότητές τους - χάνουν, ας πούμε, την ατομικότητά τους, για παράδειγμα το σπιν και η μαγνητική ροπή του.
Το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι το ερώτημα σε ποιο βαθμό τα νετρόνια μπορούν να θεωρηθούν ως στοιχειώδη σωματίδια (κάτι παρόμοιο με τα πρωτόνια ή τα ηλεκτρόνια). Δεν είναι δύσκολο να υπολογίσουμε τον αριθμό των σωματιδίων άλφα, πρωτονίων και νετρονίων που υπάρχουν σε κάθε πυρήνα και έτσι να αποκτήσουμε μια ιδέα για τη γωνιακή ορμή του πυρήνα (υποθέτοντας ότι η γωνιακή ορμή του νετρονίου είναι ίση με 1 /2). Είναι περίεργο ότι δεν υπάρχουν ελεύθερα πρωτόνια στους πυρήνες του βηρυλλίου, αλλά μόνο σωματίδια α και νετρόνια».
Ένα ελεύθερο νετρόνιο είναι ένα ασταθές σωματίδιο. Ο χρόνος ημιζωής του T 1/2 = 10,24 min. Το νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο p, ένα ηλεκτρόνιο e και ένα ηλεκτρόνιο αντινετρίνο e. ΣΕ δεσμευμένη κατάστασηστον πυρήνα το νετρόνιο μπορεί να είναι σταθερό. Γι' αυτό υπάρχουν σταθεροί ατομικοί πυρήνες.
Η ανακάλυψη των νετρονίων ήταν ένα σημαντικό στάδιο στην ανάπτυξη ιδεών για τη δομή του ατομικού πυρήνα. Το μοντέλο πρωτονίου-ηλεκτρονίου του ατομικού πυρήνα αντικαταστάθηκε από το μοντέλο πρωτονίου-νετρονίου του πυρήνα, που αναπτύχθηκε για πρώτη φορά ανεξάρτητα στα έργα των D. Ivanenko και W. Heisenberg.
Η κύρια θέση του μοντέλου πρωτονίων-νετρονίων του ατομικού πυρήνα είναι ότι ο ατομικός πυρήνας αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια. Ο αριθμός των πρωτονίων Z στον πυρήνα καθορίζει το ηλεκτρικό φορτίο του πυρήνα. Ο συνολικός αριθμός πρωτονίων και νετρονίων A = Z + N καθορίζει τη μάζα του ατομικού πυρήνα.
Το μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων του πυρήνα έλυσε με επιτυχία το πρόβλημα της «καταστροφής του αζώτου». Σύμφωνα με το μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων του πυρήνα, ένα ισότοπο αποτελείται από 7 πρωτόνια και 7 νετρόνια. Δεδομένου ότι τόσο το πρωτόνιο όσο και το νετρόνιο έχουν το δικό τους σπιν J = 1/2, το συνολικό σπιν του πυρήνα πρέπει να έχει μια ακέραια τιμή, η οποία είναι συνεπής με το πείραμα. Λήφθηκε επίσης μια εξήγηση για τις μικρές τιμές των μαγνητικών ροπών των ατομικών πυρήνων - της τάξης πολλών πυρηνικών μαγνητονίων. Εάν ο ατομικός πυρήνας περιείχε ηλεκτρόνια, τότε οι μαγνητικές ροπές των πυρήνων θα πρέπει να έχουν τιμές της τάξης των μαγνητονίων ηλεκτρονίων του Bohr, δηλ. θα υπερέβαινε τις παρατηρούμενες τιμές των μαγνητικών ροπών των πυρήνων κατά χιλιάδες φορές.
D. Ivanenko, 1932: «Τα νετρόνια μπορούν να εισαχθούν στον πυρήνα με δύο τρόπους: είτε χωρίς αλλαγή του αποδεκτού αριθμού α-σωματιδίων στον πυρήνα και εξουδετέρωση όχι περισσότερων από τρία ηλεκτρόνια (Perrin και Auger), είτε εξουδετερώνοντας όλα τα ηλεκτρόνια. Η πρώτη μέθοδος, κατά τη γνώμη μου, οδηγεί στις ίδιες δυσκολίες όσον αφορά τις τιμές περιστροφής. Επιπλέον, ξεκινώντας από ένα συγκεκριμένο στοιχείο, εμφανίζεται μια περίσσεια ενδοπυρηνικών ηλεκτρονίων και η απουσία αντίστοιχων σπιν στους πυρήνες φαίνεται εξαιρετικά μυστηριώδης. Αντίθετα, η δεύτερη προσέγγιση, την οποία προτείναμε λίγο νωρίτερα, προφανώς μας επιτρέπει να ξεπεράσουμε αυτές τις δυσκολίες. Δεν θα εισέλθουμε σε γενικές συζητήσεις εδώ για τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης ως γενίκευση της ιδέας του de Broglie σχετικά με την ύπαρξη μιας βαθιάς αναλογίας μεταξύ φωτός και ύλης. Τα ενδοπυρηνικά ηλεκτρόνια είναι πράγματι από πολλές απόψεις παρόμοια με τα απορροφούμενα φωτόνια και η εκπομπή ενός σωματιδίου β από έναν πυρήνα είναι παρόμοια με τη γέννηση ενός νέου σωματιδίου, το οποίο στην απορροφούμενη κατάσταση δεν έχει ατομικότητα. Ας υποδείξουμε τη δομή του πυρήνα του χλωρίου σύμφωνα με την παλιά (Ι) άποψη και δύο νέες - Perrin-Auger (II) και τη δική μας (III) [α δηλώνει ένα α-σωματίδιο, το p είναι ένα πρωτόνιο, το e είναι ένα ηλεκτρόνιο, το n είναι ένα νετρόνιο]:
37 Cl = 9α + 1p + 2e (I) , 37 Cl = 9α + 1n + 1e (II) , 37 Cl = 8α + 1p + 4n (III).
(τα ισότοπα ενός δεδομένου στοιχείου διαφέρουν μεταξύ τους μόνο στον αριθμό των νετρονίων).
Θεωρούμε το νετρόνιο όχι ως σύστημα ηλεκτρονίων και πρωτονίων, αλλά ως στοιχειώδες σωματίδιο. Αυτό μας αναγκάζει να αντιμετωπίζουμε τα νετρόνια ως σωματίδια με σπιν 1/2 και υπόκεινται στις στατιστικές Fermi-Dirac. Για παράδειγμα, ο πυρήνας 14
Το N (3α + 1p + 1n) θα πρέπει να εκχωρηθεί στο spin 1 και οι πυρήνες αζώτου όντως υπακούουν στις στατιστικές Bose-Einstein. Αυτό γίνεται πλέον σαφές, αφού 14
Το Ν περιέχει 14 στοιχειώδη σωματίδια, δηλ. ζυγός αριθμός, όχι 21 όπως στο παλιό σχήμα.
Όλες αυτές οι υποθέσεις, όσο προκαταρκτικές κι αν είναι, φαίνεται να οδηγούν σε εντελώς νέες απόψεις για το πυρηνικό μοντέλο».
W. Heisenberg, 1932:
«Τα πειράματα των Curie και Joliot (όπως ερμηνεύτηκαν από τον Chadwick) κατέδειξαν ότι ένα νέο θεμελιώδες σωματίδιο, το νετρόνιο, παίζει σημαντικό ρόλο στη δομή των πυρήνων. Αυτό υποδηλώνει ότι οι ατομικοί πυρήνες κατασκευάζονται από πρωτόνια και νετρόνια χωρίς τη συμμετοχή ηλεκτρονίων. Εάν αυτή η υπόθεση είναι σωστή, τότε συνεπάγεται μια τεράστια απλοποίηση της θεωρίας της πυρηνικής δομής. Οι κύριες δυσκολίες της θεωρίας της β-διάσπασης και της στατιστικής των ατομικών πυρήνων του αζώτου καταλήγουν στη συνέχεια στο ερώτημα πώς ένα νετρόνιο διασπάται σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο και σε ποιες στατιστικές υπακούει. Στη συνέχεια, η δομή των πυρήνων μπορεί να περιγραφεί σύμφωνα με τους νόμους της κβαντικής μηχανικής λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων.
Σε αυτό που ακολουθεί θα υποθέσουμε ότι τα νετρόνια υπακούουν στις στατιστικές Fermi και έχουν σπιν (1/2). Αυτή η υπόθεση είναι απαραίτητη για να εξηγήσει τα στατιστικά στοιχεία των πυρήνων του αζώτου και αντιστοιχεί στις πειραματικές τιμές των πυρηνικών ροπών. Εάν το νετρόνιο αποτελούνταν από ένα πρωτόνιο και ένα ηλεκτρόνιο, τότε στο ηλεκτρόνιο θα έπρεπε να εκχωρηθεί στατιστική Bose και μηδενικό σπιν. Φαίνεται ακατάλληλο να εξετάσουμε αυτή την εικόνα με περισσότερες λεπτομέρειες.
Αντίθετα, το νετρόνιο πρέπει να θεωρείται ανεξάρτητο θεμελιώδες στοιχείο αναπόσπαστο μέροςπυρήνα, φυσικά, λαμβάνοντας υπόψη ότι υπό ορισμένες συνθήκες μπορεί να διασπαστεί σε πρωτόνιο και ηλεκτρόνιο, και, πιθανότατα, οι νόμοι διατήρησης της ενέργειας και της ορμής δεν θα ισχύουν.
Από όλες τις αλληλεπιδράσεις των στοιχειωδών σωματιδίων που αποτελούν τον πυρήνα, θα εξετάσουμε πρώτα απ' όλα την αλληλεπίδραση μεταξύ του νετρονίου και του πρωτονίου. Όταν ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο πλησιάζουν σε απόσταση συγκρίσιμη με μια πυρηνική, κατ' αναλογία με ένα ιόν, η θέση του αρνητικού φορτίου αλλάζει με μια συχνότητα που καθορίζεται από τη συνάρτηση J(r)/h, όπου r είναι η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων. Η ποσότητα J(r) αντιστοιχεί στο ολοκλήρωμα ανταλλαγής, ή μάλλον στο ολοκλήρωμα που περιγράφει την ανταλλαγή συντεταγμένων στη μοριακή θεωρία. Αυτή η αλλαγή θέσης μπορεί να γίνει οπτική με τη βοήθεια της ιδέας ενός ηλεκτρονίου που δεν έχει σπιν και υπακούει στις στατιστικές Bose. Αλλά είναι πιθανώς πιο σωστό να θεωρήσουμε ότι το ολοκλήρωμα J(r) περιγράφει μια θεμελιώδη ιδιότητα του ζεύγους νετρονίων-πρωτονίων, η οποία δεν μπορεί να αναχθεί στις κινήσεις του ηλεκτρονίου».
Σε αντίθεση με τα ηλεκτρονιακά κελύφη των ατόμων, οι πυρήνες έχουν πολύ συγκεκριμένα μεγέθη. Η ακτίνα του πυρήνα R περιγράφεται από τη σχέση
R = 1,3A 1/3 fm.
Οι ατομικοί πυρήνες έχουν μεγάλη μάζα και θετικό φορτίο. Τα μεγέθη των ατομικών πυρήνων συνήθως μετρώνται σε μια εξωσυστημική μονάδα μήκους - το Fermi.
1 Fermi = 10 -13 cm.
Το μοντέλο πρωτονίων-νετρονίων του πυρήνα εξήγησε την ύπαρξη ισοτόπων. Τα ισότοπα είναι ατομικοί πυρήνες που έχουν τον ίδιο αριθμόπρωτόνια Z και διαφορετικοί αριθμοί νετρονίων N. Σήμερα είναι γνωστά πάνω από 3,5 χιλιάδες ισότοπα. Τυπικά, τα ισότοπα απεικονίζονται σε ένα διάγραμμα N-Z ατομικών πυρήνων. Μαζικός αριθμός του ισοτόπου A = N + Z.
E. Rutherford, 1936: «Πολλοί ερευνητές, όταν διαχωρίζουν ορισμένα ραδιενεργά σώματα, έχουν αντιμετωπίσει μια απίστευτη, σχεδόν ανυπέρβλητη δυσκολία. Ο Soddy ενδιαφέρθηκε πολύ για αυτό το φαινόμενο και ανακάλυψε αρκετές ραδιενεργές ουσίες που δεν κατάφερε να διαχωρίσει. Αυτές οι ουσίες ήταν τελείως διαφορετικές και είχαν χαρακτηριστικές ραδιενεργές ιδιότητες, αλλά δεν μπορούσαν να διαχωριστούν με χημικές επεμβάσεις. Παρατήρησε επίσης ότι ο περιοδικός πίνακας δεν έχει χώρο για μια μεγάλη ομάδα ραδιενεργών στοιχείων και πρότεινε ότι υπάρχουν στοιχεία που είναι αδιαχώριστα από χημική άποψη, αλλά έχουν διαφορετικές ιδιότητες από την άποψη της ραδιενέργειας. Ο Soddy ονόμασε τα αντίστοιχα στοιχεία αυτού του είδους ισότοπα, και έτσι ήταν η αρχή ενός μεγάλου πεδίου έρευνας, στο οποίο η Aston συνέβαλε τεράστια».
Μέγεθος πυρήνα
Ακτινική κατανομή της πυκνότητας φορτίου σε διάφορους πυρήνες
R = 1,3A 1/3 fm,
t = 4,4a = 2,5 fm.
Πυρηνικό μέγεθος και νόμος δυνάμεων
E. Rutherford, 1924:
«Ο Bealer πραγματοποίησε μια λεπτομερή μελέτη του νόμου της δράσης της δύναμης κοντά σε έναν ελαφρύ πυρήνα, συγκεκριμένα κοντά σε έναν πυρήνα αλουμινίου, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο σκέδασης. Για το σκοπό αυτό, συνέκρινε τον σχετικό αριθμό των σωματιδίων α που είναι διασκορπισμένα στην ίδια στερεά γωνία από αλουμίνιο και χρυσό. Για το μελετημένο εύρος γωνιών (μέχρι 100°), υποτέθηκε ότι η σκέδαση με χρυσό ακολουθεί το νόμο της αντιστρόφου αναλογικότητας προς το τετράγωνο της απόστασης. Ο Beeler διαπίστωσε ότι η αναλογία σκέδασης στο αλουμίνιο προς τη σκέδαση σε χρυσό εξαρτάται από την ταχύτητα του σωματιδίου α. Για παράδειγμα, για ένα σωματίδιο άλφα με εύρος 3,4 cm, λήφθηκε μια θεωρητική αναλογία για γωνίες μικρότερες από 40 °, αλλά αποδείχθηκε ότι ο λόγος για μια μέση γωνία σκέδασης 80 ° ήταν μόνο 7 ° / 0
πιο λιγο. Από την άλλη πλευρά, για ταχύτερα σωματίδια α με εύρος 6,6 cm, οι αποκλίσεις από τη θεωρητική αναλογία είναι πολύ πιο έντονες και φτάνουν το 29% για γωνία 80°. Για να εξηγήσει αυτά τα αποτελέσματα, ο Beeler πρότεινε ότι κοντά στον πυρήνα του αλουμινίου, μια ελκτική δύναμη υπερτίθεται στη συνήθη απωστική δύναμη. Τα αποτελέσματα συμφωνούν καλά με την υπόθεση ότι η ελκτική δύναμη μεταβάλλεται αντιστρόφως στην τέταρτη δύναμη της απόστασης και ότι οι δυνάμεις απώθησης και έλξης εξισορροπούνται σε απόσταση 3,4 10 -13
cm από το κέντρο του πυρήνα. Μέσα σε αυτή την κρίσιμη ακτίνα οι δυνάμεις γίνονται εξαιρετικά ελκυστικές. έξω - εξαιρετικά απωθητικό.
Αν και δεν μπορούμε να κάνουμε ιδιαίτερες απαιτήσεις για την ακρίβεια του σχήματος που λαμβάνεται ή για την αυστηρότητα του προτεινόμενου νόμου έλξης, μάλλον δεν θα κάνουμε πολύ λάθος αν υποθέσουμε ότι η ακτίνα του πυρήνα του αλουμινίου δεν υπερβαίνει το 4 10 -13
εκ. Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ του σωματιδίου α και του πυρήνα του υδρογόνου υφίστανται μια γρήγορη αλλαγή, ξεκινώντας από την ίδια περίπου απόσταση. Έτσι, είναι σαφές ότι οι διαστάσεις του πυρήνα των ελαφρών στοιχείων είναι μικρές, και στην περίπτωση του αλουμινίου, θα μπορούσε να πει κανείς απροσδόκητα μικρές, αν θυμηθούμε ότι 27 πρωτόνια και 14 ηλεκτρόνια χωρούν σε αυτόν τον ασήμαντο όγκο. Η υπόθεση ότι οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των πυρήνων αλλάζουν από απώθηση σε έλξη όταν προσεγγίσεις πολύ κοντινές φαίνεται πολύ εύλογη. διαφορετικά με υψηλοτερος ΒΑΘΜΟΣείναι δύσκολο να φανταστεί κανείς πώς ένας βαρύς πυρήνας με μεγάλη περίσσεια θετικού φορτίου θα μπορούσε να συγκρατηθεί σε έναν περιορισμένο χώρο. Θα δούμε ότι μια σειρά από άλλα γεγονότα υποστηρίζουν αυτήν την ιδέα. Ωστόσο, είναι σχεδόν εύλογο ότι οι ελκτικές δυνάμεις κοντά σε έναν σύνθετο πυρήνα μπορούν να εκφραστούν με οποιονδήποτε απλό νόμο ισχύος».
Χαρακτηριστικά ενός ελεύθερου νετρονίου και πρωτονίου
| Χαρακτηριστικά του δωρεάν νετρόνιο και πρωτόνιο |
n | Π |
| Μάζα, MeV/c 2 | 939,56536±0,00008 | 938,27203±0,00008 |
| Κβαντικός αριθμός - περιστροφή | 1/2 | 1/2 |
| Spin, ћ = 6,58·10 -22 MeV·c | ћ 1/2 | ћ 1/2 |
| Ηλεκτρικό φορτίο, q e = (1,602176487 ± 40) 10 -19 C |
(-0,4 ± 1,1) 10 -21 |
|q p +q e |/q e< 10 -21 |
| Μαγνητική στιγμή μ = eћ/2m p c = 3,15·10 -18 MeV/G |
–1,9130427±0,000005 | +2,792847351 ± 000000028 |
| Ηλεκτρικός διπολική ροπή d, e cm |
< 0.29·10 -25 | < 0.54 10 -23 |
| Baryon χρέωση Β | +1 | +1 |
| Ακτίνα φόρτισης, fm | 0,875 ± 0,007 | |
| Ακτίνα κατανομής μαγνητικής ροπής, fm | 0,89 ± 0,07 | 0,86 ± 0,06 |
| Isospin I | 1/2 | 1/2 |
| Isospin προβολή I z | -1/2 | +1/2 |
| Σύνθεση κουάρκ | udd | uud |
| Κβαντικοί αριθμοί s,c, b, t | 0 | 0 |
| Ημιζωή | 10,24 λεπτά | > 2,1·10 29 ετών |
| Ισοτιμία | + | + |
| Στατιστική | Fermi-Dirac | |
| Σχέδιο αποσύνθεσης | n → p + e- + e | |
Πίνακας ισοτόπων χημικών στοιχείων
Ο πίνακας για όλα τα ανιχνευμένα χημικά στοιχεία δείχνει τον αύξοντα αριθμό, το σύμβολο, το όνομα, τον ελάχιστο και μέγιστο αριθμό μάζας των ανιχνευθέντων ισοτόπων, το ποσοστό των ισοτόπων στο φυσικό μείγμα (στρογγυλεμένη τιμή). Τα χημικά στοιχεία με Z = 113-118 δεν έχουν ακόμη ονομαστεί· δίνονται σε ειδικές διεθνείς ονομασίες.
1 - αύξων αριθμός του χημικού στοιχείου Z,
2 - σύμβολο ενός χημικού στοιχείου,
3 - όνομα του χημικού στοιχείου,
4 - ελάχιστος-μέγιστος αριθμός μάζας Α ενός ισοτόπου ενός χημικού στοιχείου,
5 - μαζικός αριθμός ισοτόπων Α (ποσοστό ισοτόπου σε φυσικό μείγμα), με ποσοστό ισοτόπου σε φυσικό μείγμα μεγαλύτερο από 1%.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 0 | n | νετρόνιο | 1 | |
| 1 | H | υδρογόνο | 1-7 | 1 (99,986) |
| 2 | Αυτός | ήλιο | 3-10 | 4 (100) |
| 3 | Li | λίθιο | 3-12 | 6 (7,93); 7 (92,07) |
| 4 | Είναι | βηρύλλιο | 5-16 | 9 (100) |
| 5 | σι | βόριο | 6-19 | 10 (19,8); 11 (80,2) |
| 6 | ντο | άνθρακας | 8-22 | 12 (98,9); 13 (1,1) |
| 7 | Ν | άζωτο | 10-25 | 14 (99,62) |
| 8 | Ο | οξυγόνο | 12-28 | 16 (99,76) |
| 9 | φά | φθόριο | 14-31 | 19 (100) |
| 10 | Ne | νέο | 16-34 | 20 (90,0); 22 (9,73) |
| 11 | Να | νάτριο | 18-37 | 23 (100) |
| 12 | Mg | μαγνήσιο | 19-40 | 24 (77,4); 25 (11,5); 26 (11,1) |
| 13 | Ο Αλ | αλουμίνιο | 21-43 | 27 (100) |
| 14 | Σι | πυρίτιο | 22-44 | 28 (89,6); 29 (6,2); 30 (4,2) |
| 15 | Π | φώσφορος | 24-46 | 31 (100) |
| 16 | μικρό | θείο | 26-49 | 32 (95,1); 34 (4,2) |
| 17 | Cl | χλώριο | 28-51 | 35 (75,4); 37 (24,6) |
| 18 | Ar | αργόν | 30-53 | 40 (99,632) |
| 19 | κ | κάλιο | 32-55 | 39 (93,38); 41 (6,61) |
| 20 | Ca | ασβέστιο | 34-57 | 40 (96,96); 44 (2,06) |
| 21 | Sc | σκάνδιο | 36-60 | 45 (100) |
| 22 | Ti | τιτάνιο | 38-63 | 46 (7,95); 47 (7,75); 48 (73,45); 49 (5,51); 50 (5,34) |
| 23 | V | βανάδιο | 40-65 | 51 (100) |
| 24 | Cr | χρώμιο | 42-67 | 50 (4,49); 52 (83,78); 53 (9,43); 54 (2,30) |
| 25 | Mn | μαγγάνιο | 44-69 | 55 (100) |
| 26 | Fe | σίδερο | 45-72 | 54 (6,04); 56 (91,57); 57 (2,11) |
| 27 | Co | κοβάλτιο | 50-75 | 59 (100) |
| 28 | Ni | νικέλιο | 48-78 | 58 (67,4); 60 (26,7); 61 (1,2); 62 (3,8) |
| 29 | Cu | χαλκός | 52-80 | 63 (70,13); 65 (29,87) |
| 30 | Zn | ψευδάργυρος | 54-83 | 64 (50,9); 66 (27,3); 67 (3,9); 68 (17,4) |
| 31 | Ga | γάλλιο | 56-86 | 69 (61,2); 71 (38,8) |
| 32 | Γε | γερμάνιο | 58-89 | 70 (21,2); 72 (27,3); 73 (7,9); 74 (37,1); 76 (6,5) |
| 33 | Οπως και | αρσενικό | 60-92 | 75 (100) |
| 34 | Se | σελήνιο | 64-94 | 76 (9,5); 77 (8,3); 78 (24,0); 80 (48,0); 82 (9,3) |
| 35 | Br | βρώμιο | 67-97 | 79 (50,6); 80 (49,4) |
| 36 | Κρ | κρυπτόν | 69-100 | 80 (2,01); 82 (11,53); 83 (11,53); 84 (57,11); 86 (17,47) |
| 37 | Rb | ρουβίνιο | 71-101 | 85 (72,8); 87 (27,2) |
| 38 | Sr | στρόντιο | 73-105 | 86 (9,86); 87 (7,02); 88 (82,56) |
| 39 | Υ | ύττριο | 76-108 | 89 (100) |
| 40 | Zr | ζιρκόνιο | 78-110 | 90 (48); 91 (11,5); 92 (22); 94 (17); 96 (1,5) |
| 41 | Σημ | νιόβιο | 81-113 | 93 (100) |
| 42 | Μο | μολυβδαίνιο | 83-115 |
92
(14,9); 94 (9,4); 95 (16,1); 96 (16,6); 97 (9,65); 98 (24,1); 100 (9,25) |
| 43 | Tc | τεχνήτιο | 85-118 | |
| 44 | Ru | ρουθήνιο | 87-120 |
96
(5,68); 98 (2,22); 99 (12,81); 100 (12,70); 101 (16,98); 102 (31,34); 104 (18,27) |
| 45 | Rh | ρόδιο | 89-122 | 103 (100) |
| 46 | Pd | παλλάδιο | 91-124 | 104 (9,3); 105 (22,6); 106 (27,2); 108 (26,8); 110 (13,5) |
| 47 | Αγ | ασήμι | 93-130 | 107 (52,5); 109 (47,5) |
| 48 | CD | κάδμιο | 95-132 |
106
(1,4); 108 (1,0); 110 (12,8); 111 (13,0); 112 (24,2); 113 (12,3); 114 (28,0); 116 (7,3) |
| 49 | Σε | ινδίο | 97-135 | 113 (4,5); 115 (95,5) |
| 50 | Sn | κασσίτερος | 99-137 |
112
(1,1); 116 (15,5); 117 (9,1); 118 (22,5); 119 (9,8); 120 (28,5); 122 (5,5); 124 (6,8) |
| 51 | Sb | αντιμόνιο | 103-139 | 121 (56); 123 (44) |
| 52 | Te | τελλούριο | 105-142 |
122
(2,9); 123 (1,6); 124 (4,5); 125 (6,0); 126 (19,0); 128 (32,8); 130 (33,1) |
| 53 | Εγώ | ιώδιο | 108-144 | 127 (100) |
| 54 | Xe | ξένο | 109-147 |
128 (1,9); 129
(26,23); 130 (4,07); 131 (21,17); 132 (26,96); 134 (10,54); 136 (8,95) |
| 55 | Cs | καίσιο | 112-151 | 133 (100) |
| 56 | Ba | βάριο | 114-153 |
134
(2,42); 135 (6,59); 136 (7,81); 137 (11,32); 138 (71,66) |
| 57 | Λα | λανθάνιο | 117-155 | 139 (100) |
| 58 | Ce | δημήτριο | 119-157 | 140 (89); 142 (11) |
| 59 | Πρ | πρασεοδύμιο | 121-159 | 141 (100) |
| 60 | Nd | νεοδύμιο | 124-161 | 142 (25,95); 143 (13,0); 144 (22,6); 145 (9,2); 146 (16,5); 148 (6,8); 150 (5,95) |
| 61 | Μετα μεσημβριας | προμέθιο | 126-163 | |
| 62 | Sm | σαμάριο | 128-165 |
144
(3); 147 (17); 148 (14); 149 (15); 150 (5); 152 (26); 154 (20) |
| 63 | ΕΕ | ευρώπιο | 130-167 | 151 (49,1); 153 (50,9) |
| 64 | Gd | γαδολίνιο | 134-169 |
154
(1,5); 155 (21); 156 (22); 157 (17); 158 (22); 160 (16) |
| 65 | Tb | τέρβιο | 135-171 | 159 (100) |
| 66 | Dy | δυσπρόσιο | 138-173 | 160 (1,5); 161 (22); 162 (24); 163 (24); 164 (28) |
| 67 | Ho | χόλμιο | 140-175 | 165 (100) |
| 68 | Ερ | έρβιο | 143-177 |
164
(1,5); 166 (32,9); 167 (24,4); 168 (26,9); 170 (14,2) |
| 69 | Tm | θούλιο | 144-179 | 169 (100) |
| 70 | Yb | υττερβίο | 148-181 |
170
(4,21); 171 (14,26); 172 (21,49); 173 (17,02); 174 (29,58); 176 (13,38) |
| 71 | Lu | λουτέτιο | 150-184 | 175 (97,5); 176 (2,5) |
| 72 | Hf | άφνιο | 151-188 |
176
(5,3); 177 (18,47); 178 (27,13); 179 (13,85); 180 (35,14) |
| 73 | Ta | ταντάλιο | 155-190 | 181 (100) |
| 74 | W | βολφράμιο | 158-192 | 182 (22,6); 183 (17,3); 184 (30,1); 186 (29,8) |
| 75 | Σχετικά με | ρήνιο | 159-194 | 185 (38,2); 187 (61,8) |
| 76 | Os | ωσμίο | 162-200 |
186
(1,59); 187 (1,64); 188 (13,3); 189 (16,1); 190 (26,4); 192 (41,0) |
| 77 | Ir | ιρίδιο | 164-202 | 191 (38,5); 193 (61,5) |
| 78 | Pt | πλατίνα | 166-203 | 194 (30,2); 195 (35,3); 196 (26,6) 198 (7,2) |
| 79 | Au | χρυσός | 169-205 | 197 (100) |
| 80 | Hg | Ερμής | 171-210 |
198
(10,1); 199 (17,0); 200 (23,3); 201 (13,2); 202 (29,6); 204 (6,7) |
| 81 | Tl | θάλλιο | 176-212 | 203 (29,1); 205 (70,9) |
| 82 | Pb | οδηγω | 178-215 | 204 (1,5); 206 (23,6); 207 (22,6); 208 (52,3) |
| 83 | Bi | βισμούθιο | 184-218 | 209 (100) |
| 84 | Ταχυδρομείο | πολώνιο | 188-220 | |
| 85 | Στο | αστάτινος | 191-223 | |
| 86 | Rn | ραδόνιο | 193-228 | |
| 87 | Ο π | Γαλλία | 199-232 |
|
| 88 | Ra | ράδιο | 201-234 | |
| 89 | Μετα Χριστον | ακτίνιο | 206-236 | |
| 90 | Th | θόριο | 208-238 | 232 (100) |
| 91 | Pa | πρωτακτίνιο | 212-240 | |
| 92 | U | Ουρανός | 217-242 | 238 (99,28) |
| 93 | Np | ποσειδώνιο | 225-244 | |
| 94 | Pu | πλουτώνιο | 228-247 | |
| 95 | Είμαι | αμερίκιο | 230-249 | |
| 96 | Εκ | κούριο | 232-252 | |
| 97 | Bk | βερκέλιο | 234-254 | |
| 98 | Πρβλ | καλιφόρνιο | 237-256 | |
| 99 | Es | αϊνστάινιο | 240-258 | |
| 100 | Fm | fermium | 242-260 | |
| 101 | MD | μεντελεύιο | 245-262 | |
| 102 | Οχι | nobelium | 248-264 | |
| 103 | Lr | Λορένθια | 251-266 | |
| 104 | Rf | rutherfordium | 253-268 | |
| 105 | Db | dubnium | 255-269 | |
| 106 | Sg | seaborgium | 258-273 | |
| 107 | Bh | βόριο | 260-275 | |
| 108 | Hs | Hassiy | 263-276 | |
| 109 | Mt | meitnerium | 265-279 | |
| 110 | Ds | Ντάρμσταντ | 267-281 | |
| 111 | Rg | roentgenium | 272-283 | |
| 112 | Cn | κοπερνίκιο | 277-285 | |
| 113 | Uut | 278-287 | ||
| 114 | Uuq | 286-289 | ||
| 115 | Uup | 287-291 | ||
| 116 | Ωχ | 290-293 | ||
| 117 | Uus | 291-292 | ||
| 118 | Uuo |
|
294 |