Структура и карактеристике атомског језгра

Преузми Word документ

Радерфорд и његови сарадници су (1911.) проучавали пролазак и расејања a-честица на танким металним фолијама. На резултатима ових огледа заснован је Радерфорд-Боров (планетарни) модел атома. Према овом моделу:

Атом се састоји од позитивног језгра (нуклеуса – nukleus lat. – језгро) око којег круже негативно наелектрисани електрони (као планете око Сунца), по путањама чији су пречници много већи од димензија језгaра. Електрони чине електронски омотач – омотач атома.

Позитивно наелектрисано језгро окружено је са Z електрона (Z – редни број елемента у периодном систему). Атом је електронеутралан – укупно негативно наелектрисање електрона једнако је позитивном наелектрисању језгра.
Маса електронског омотача је занемарљиво мала у односу на масу језгра. Сва маса је сконцентрисана у језгру.

Својим моделом, Радерфорд је успоставио основне претпоставке о распореду честица у атому. У састав атома улазе електрони и позитивно наелектрисане честице. О природи позитивног наелектрисања није се знало ништа. Касније је установљено да се језгро састоји од протона и неутрона, који се називају заједничким именом нуклеони.

Основне карактеристике језгра су: маса, количина наелектрисања, редни број и спин.

Наелектрисање протона је означено као позитивно. Количина наелектрисања протона је по апсолутној вредности једнака количини наелектрисања електрона (елементарна количина наелектрисања). Пошто су протони позитивно наелектрисане честице ( $q_{p} =+1,6\cdot 10^{-19} C$ ), а неутрони су неутрални, то значи да је атомско језгро позитивно. Наелектрисање језгра је: $q_{j} =Z\cdot e$ , где је Z број протона у језгру. Број неутрона у језгру се обично обележава са N.

Уобичајено је да се атомско језгро обележава хемијским симболом датог елемента, његовим редним ( Z ) и масеним ( А ) бројем на следећи начин $_Z^A X$ или $_{Z} X^{A}$ , где је X хемијски симбол датог елемента. На пример:

$_1^1 H$ – водоник, $_2^4 He$ – хелијум, $_3^7 Li$ – литијум, $_6^{12} C$ – угљеник,

$_{26}^{56} Fe$ – гвожђе, $_{92}^{238} U$ – уран

Z – је редни број датог елемента, или број протона у језгру његовог атома, или број електрона у његовом електронском омотачу ( под условом да атом није јонизован ).

А – је масени број датог елемента или укупан број нуклеона у језгру, тј. збир броја протона и неутрона.

A = Z + N

Масени број показује и моларну масу одговарајућег атома. Пример: хелијум А=4, $M=4\frac{g}{mol}$ .

Броја неутрона може да се израчуна као разлика масеног и редног броја:

N = A – Z

Када се посматра број протона и неутрона у језгрима различитих хемијских елемената, може да се уочи да је по средини периодног система број протона приближно једнак броју неутрона. Код језгара са већим масеним бројем број неутрона се повећава у односу на број протона, тако да је на крају периодног система број неутрона око 1,6 пута већи од броја протона.

Протони и неутрони у језгру су “густо паковани“, па се језгра могу приказати на следећи начин:

Прва три језгра приказују изотопе водоника ( изо топос грчки – исто место ). Сви они представљају исти елемент – водоник зато што број протона одређује који је елеменат у питању. Али разлика у броју неутрона у језгру чини да се њихове особине разликују. У односу на воду, тешка вода, која је састављена од два атома деутеријума и атома кисеоника, је један од наjјачих отрова у природи. Обично је један изотоп много распрострањенији од осталих. Код водоника то је изотоп $_1^1 H$ , док остала два изотопа у природи постоје само у траговима. Атомска маса водоника је $M=1\frac{g}{mol}$ , деутеријума $M=2\frac{g}{mol}$ , а трицијума $M=3\frac{g}{mol}$ . У периодном систему елемената атомска маса водоника је $M=1,0084\frac{g}{mol}$ , што значи да је узета просечна атомска маса свих изотопа водоника, при чему је нормално узета у обзир процентуална заступљеност свих тих изотопа у природи. Само изотопи водоника имају имена јер су они први откривени. Касније је постало јасно, зато што сваки елеменат има изотопе ( олово чак има 10 изотопа ), да је много боље све изотопе звати именом елемента уз додатак његовог масеног броја. На пример: $_{92}^{235} U$ – уран 235, a $_{92}^{238} U$ – уран 238.

Изотопи – атомска језгра која имају исти редни број, а различите масене бројеве

Изобари – атомска језгра која имају исти масени број, а различите редне бројеве ( $_{18}^{40} Ar$ , $_{20}^{40} Ca$ )

Изотони – атомска језгра која имају исти број неутрона, а различите редне бројеве ( $_{6}^{13} C$ , $_{7}^{14} N$ )

Димензије атомског језгра су, у поређењу са димензијама атома, веома мале (димензије атома – 10^-10m, димензије језгра 10^-15-10^-14m).

Полупречник атомског језгра је око 100 000 пута мањи од полупречника атома. То значи да је огроман део простора у атому празан, а с обзиром на масе честица које чине атом јасно је да је највећи део масе атома сконцентрисан у његовом језгру.

Ако се атомско језгро третира као систем честица, приближно истих димензија (запремине $\frac{4}{3}r_0^3\pi$ ), које се налазе на једнаким растојањима. Код такве хомогене расподеле честица једнаких запремина, запремина језгра је пропорционална броју нуклеона.

$\frac{4}{3}r^3\pi=A\frac{4}{3}r_0^3\pi$

$r=r_{0}\sqrt[3]{A}$

где је:

А – масени број

$r_{0}$ – радијус језгра водоника ( $r_{0}\approx 1,4\cdot 10^{-15}m$ ) – практично полупречник протона

То значи да је огроман део простора у атому празан, а с обзиром масе честица које чине атом јасно је да је највећи део масе атома сконцентрисан у његовом језгру. Тако да постаје јасно зашто је густина језгра огромна.

$\rho =\frac{m}{V}$

$\rho =\frac{M}{\frac{4}{3}r^3\pi}$

где је: М – маса језгра.

Ако се узме у обзир да је маса протона приближно једнака маси неутрона, добија се да густина језгра:

$\rho \approx 10^{17}\frac{kg}{m^{3}}$

Просечна густина Земље као планете је:

$\rho_{z} \approx 5500\frac{kg}{m^{3}}$

То, на пример, значи да би коцкица странице 2mm, до врха напуњена атомским језгрима, имала масу од око 1 000 000 тона. Оваква густина материје се може срести још и код пулсара, тј. неутронских звезда.

Експериментално је утврђено да протон и неутрон имају спин. Спински квантни број протона и неутрона је $\frac{1}{2}$ . Често се квантни број спина скраћено назива спин. Пројекција спина протона, односно неутрона, на неки правац може бити $+\frac{1}{2}\hbar$ или $-\frac{1}{2}\hbar$ .

Пошто се спинови нуклеона слажу по паровима, спин језгра, која се састоје од парног броја нуклеона је цео број или нула. Језгра са непарним бројем нуклеона могу да имају само полуцеле бројеве спина. Мерења су показала да спин стабилних језгара, која имају чак и велики масени број, не прелази вредност $\frac{9}{2}$ , то указује да се највећи број нуклеона супротно оријентисаних спинова слаже у парове.

Атомско језгро осим спина карактерише и магнетни момент. Сваки нуклеон у језгру има свој магнетни момемт. Укупан магнетни момент језгра одређују сопствени магнетни моменти нуклеона.

Смер спина неутрона и смер његовог магнетног момента супротно су оријентисани. Смер магнетног момента протона и смер спина протона се поклапају.

Додатак:

Дефект масе и енергија везе

Физика

Структура и карактеристике атомског језгра

Садржај

Часописи