หัวข้อ: องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม กองกำลังนิวเคลียร์

ทฤษฎีโปรตอน-อิเล็กตรอน

เมื่อต้นปี พ.ศ. 2475 มีเพียงสามคนเท่านั้นที่รู้ อนุภาคมูลฐาน: อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ด้วยเหตุนี้ จึงสันนิษฐานว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน (สมมติฐานของโปรตอน-อิเล็กตรอน) เชื่อกันว่าองค์ประกอบของนิวเคลียสที่มีเลข $Z$ อยู่ ตารางธาตุองค์ประกอบของ D.I. Mendeleev และ เลขมวล$A$ ประกอบด้วยโปรตอน $A$ และนิวตรอน $Z-A$ ตามสมมติฐานนี้ อิเล็กตรอนที่เป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสทำหน้าที่เป็นตัว "ประสาน" โดยที่โปรตอนที่มีประจุบวกจะยังคงอยู่ในนิวเคลียส ผู้สนับสนุนสมมติฐานองค์ประกอบของโปรตอน-อิเล็กตรอน นิวเคลียสของอะตอมเชื่อว่า $\beta ^-$ - กัมมันตภาพรังสีเป็นการยืนยันความถูกต้องของสมมติฐาน แต่สมมติฐานนี้ไม่สามารถอธิบายผลการทดลองได้จึงละทิ้งไป ปัญหาอย่างหนึ่งคือไม่สามารถอธิบายความจริงที่ว่าการหมุนของนิวเคลียสไนโตรเจน $^(14)_7N$ เท่ากับเอกภาพ $(\hbar)$ ตามสมมติฐานของโปรตอน-อิเล็กตรอน นิวเคลียสไนโตรเจน $^(14)_7N$ ควรประกอบด้วยโปรตอน $14$ และอิเล็กตรอน $7$ การหมุนของโปรตอนและอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ $1/2$ ด้วยเหตุนี้ นิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจน ซึ่งตามสมมติฐานนี้ประกอบด้วยอนุภาค $21$ ควรมีการหมุนเป็น $1/2,\3/2,\5/2,\dots 21/2$ ความคลาดเคลื่อนกับทฤษฎีโปรตอน-อิเล็กตรอนนี้เรียกว่า “ภัยพิบัติไนโตรเจน” นอกจากนี้ยังไม่สามารถเข้าใจได้ว่าเมื่อมีอิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียส โมเมนต์แม่เหล็กของมันมีโมเมนต์แม่เหล็กขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน

ในปี 1932 J. Chadwick ค้นพบนิวตรอน หลังจากการค้นพบนี้ D. D. Ivanenko และ E. G. Gapon ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งได้รับการพัฒนาขึ้นโดยละเอียดโดย W. Heisenberg

หมายเหตุ 1

องค์ประกอบของโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสได้รับการยืนยันไม่เพียงแต่จากข้อสรุปทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังมาจากการทดลองโดยตรงเกี่ยวกับการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนด้วย ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่านิวเคลียสของอะตอม นิวเคลียส(จากภาษาละติน นิวเคลียส- เคอร์เนล, เมล็ดพืช)

โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม

แกนกลางเป็น ภาคกลางอะตอมซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกและมวลของอะตอมเป็นจำนวนมาก ขนาดของนิวเคลียสเมื่อเปรียบเทียบกับวงโคจรของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก: $10^(-15)-10^(-14)\ m$ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งมีมวลเกือบเท่ากัน แต่มีเพียงโปรตอนเท่านั้นที่มีประจุไฟฟ้า จำนวนโปรตอนทั้งหมดเรียกว่าเลขอะตอม $Z$ ของอะตอม ซึ่งตรงกับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง นิวคลีออนถูกยึดไว้ในนิวเคลียสด้วยแรงอย่างแรง โดยธรรมชาติแล้ว แรงเหล่านี้ไม่ใช่แรงไฟฟ้าหรือแรงโน้มถ่วง และมีขนาดใหญ่กว่าแรงที่ยึดอิเล็กตรอนเข้ากับนิวเคลียสมาก

ตามแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียส:

• แกนของทั้งหมด องค์ประกอบทางเคมีประกอบด้วยนิวเคลียส
• ประจุของนิวเคลียสเกิดจากโปรตอนเท่านั้น
• จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับเลขอะตอมขององค์ประกอบ
• จำนวนนิวตรอนเท่ากับผลต่างระหว่างเลขมวลและจำนวนโปรตอน ($N=A-Z$)

โปรตอน ($^2_1H\ หรือ\ p$) เป็นอนุภาคที่มีประจุบวก ประจุของโปรตอนเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน $e=1.6\cdot 10^(-19)\ C$ และมวลนิ่งของมันคือ $m_p =1.627\cdot 10^( -27)\ กก.$ โปรตอนเป็นนิวเคลียสของนิวคลีออนที่เบาที่สุดของอะตอมไฮโดรเจน

เพื่อให้การบันทึกและการคำนวณง่ายขึ้น มวลของนิวเคลียสมักจะถูกกำหนดเป็นหน่วยมวลอะตอม (a.m.u.) หรือหน่วยพลังงาน (โดยการเขียนพลังงานที่สอดคล้องกัน $E=mc^2$ เป็นอิเล็กตรอน-โวลต์ แทนที่จะเป็นมวล) หน่วยมวลอะตอมจะคิดเป็น $1/12$ ของมวลนิวไคลด์คาร์บอน $^(12)_6C$ ในหน่วยเหล่านี้เราได้รับ:

โปรตอนก็เหมือนกับอิเล็กตรอน มีโมเมนตัมเชิงมุมของตัวเอง - การหมุน ซึ่งเท่ากับ $1/2$ (ในหน่วยของ $\hbar$) อย่างหลังในสนามแม่เหล็กภายนอก สามารถวางทิศทางในลักษณะที่เส้นโครงและทิศทางของสนามมีค่าเท่ากับ $+1/2$ หรือ $-1/2$ โปรตอนก็เหมือนกับอิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับสถิติควอนตัมของ Fermi-Dirac เช่น เป็นของเฟอร์มิออน

โปรตอนมีลักษณะเฉพาะด้วยโมเมนต์แม่เหล็กของมันเอง ซึ่งสำหรับอนุภาคที่มีการหมุน $1/2$ จะมีประจุ $e$ และมวล $m$ เท่ากับ

สำหรับอิเล็กตรอน โมเมนต์แม่เหล็กของมันเองจะเท่ากับ

เพื่ออธิบายความเป็นแม่เหล็กของนิวคลีออนและนิวเคลียส มีการใช้แมกนีตันนิวเคลียร์ ($1,836$ เล็กกว่าแมกนีตอน Bohr):

ในตอนแรกเชื่อกันว่าโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนมีค่าเท่ากับแมกนีตันนิวเคลียร์เพราะว่า มวลของมันคือ $1,836$ เท่าของอิเล็กตรอน แต่จากการวัดพบว่า ในความเป็นจริง โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนนั้นมากกว่าโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียร์ถึง 2.79$ เท่า และมีสัญญาณเชิงบวก กล่าวคือ ทิศทางสอดคล้องกับการหมุน

ฟิสิกส์สมัยใหม่อธิบายความขัดแย้งเหล่านี้โดยข้อเท็จจริงที่ว่าโปรตอนและนิวตรอนสลับกันและบางครั้งยังคงอยู่ในสถานะของการแยกตัวออกเป็น $\pi ^\pm $ - มีซอนและนิวคลีออนอื่นของเครื่องหมายที่เกี่ยวข้อง:

มวลที่เหลือของ $\pi ^\pm $ meson คือ $193.63$ MeV ดังนั้นโมเมนต์แม่เหล็กของมันเองจึงมากกว่าโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์ $6.6$ เท่า ในการวัด ค่าที่มีประสิทธิผลของโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนและ $\pi ^+$ ของสภาพแวดล้อมมีซอนจะปรากฏขึ้น

นิวตรอน ($n$) เป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า มวลที่เหลือของมัน

แม้ว่านิวตรอนจะไม่มีประจุ แต่ก็มีโมเมนต์แม่เหล็ก $\mu _n=-1.91\mu _Я$ เครื่องหมาย “$-$” แสดงว่าทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กอยู่ตรงข้ามกับการหมุนของโปรตอน ความเป็นแม่เหล็กของนิวตรอนถูกกำหนดโดยค่าประสิทธิผลของโมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาคที่สามารถแยกตัวออกได้

ในสถานะอิสระ นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรและสลายตัวแบบสุ่ม (ครึ่งชีวิต 12$ นาที): ปล่อยอนุภาค $\beta $ และแอนตินิวตริโนออกไป มันจะเปลี่ยนเป็นโปรตอน รูปแบบการสลายตัวของนิวตรอนเขียนไว้ดังนี้:

ตรงกันข้ามกับการสลายตัวของนิวตรอนในนิวเคลียร์ การสลายตัวของ $\beta$ เป็นของการสลายตัวภายในและฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน

การเปลี่ยนแปลงร่วมกันของนิวตรอนและโปรตอน ความเท่าเทียมกันของการหมุน ความใกล้เคียงของมวลและคุณสมบัติ ให้เหตุผลที่จะถือว่าเรากำลังพูดถึงอนุภาคนิวเคลียร์ชนิดเดียวกันสองชนิด - นิวคลีออน ทฤษฎีโปรตอน-นิวตรอนเห็นด้วยกับข้อมูลการทดลองเป็นอย่างดี

เนื่องจากเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอนจึงพบได้ในปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชันจำนวนมาก

ในการแตกตัวของนิวเคลียร์ตามอำเภอใจและแยกกัน จะมีการสังเกตฟลักซ์ของอิเล็กตรอน โพซิตรอน มีซอน นิวตริโน และแอนตินิวตริโนด้วย มวลของอนุภาค $\beta $ (อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) น้อยกว่ามวลของนิวคลีออน $1,836$ เท่า มีซอน - อนุภาคบวก ลบ และศูนย์ - ครอบครองตำแหน่งกลางที่มีมวลระหว่าง $\beta $ - อนุภาคและนิวคลีออน อายุการใช้งานของอนุภาคดังกล่าวนั้นสั้นมากและมีค่าหนึ่งในล้านของวินาที นิวตริโนและแอนตินิวตริโนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอน โพซิตรอน และมีซอนไม่สามารถเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสได้ อนุภาคแสงเหล่านี้ไม่สามารถระบุตำแหน่งในปริมาตรขนาดเล็กได้ ซึ่งเป็นนิวเคลียสที่มีรัศมี $\sim 10^(-15)\ m$

เพื่อพิสูจน์สิ่งนี้ เราจะหาพลังงานของอันตรกิริยาทางไฟฟ้า (เช่น อิเล็กตรอนที่มีโพซิตรอนหรือโปรตอนในนิวเคลียส)

และเปรียบเทียบกับพลังงานของอิเล็กตรอนเอง

เนื่องจากพลังงานของปฏิสัมพันธ์ภายนอกเกินกว่าพลังงานของอิเล็กตรอนเอง มันจึงไม่สามารถดำรงอยู่ได้และรักษาความเป็นเอกเทศของตัวเองได้ มันจะถูกทำลายภายใต้เงื่อนไขของนิวเคลียส สถานการณ์ที่มีนิวเคลียสแตกต่างกัน โดยพลังงานของพวกมันเองมีมูลค่ามากกว่า 900 ดอลลาร์ MeV ดังนั้นพวกมันจึงสามารถคงลักษณะของมันไว้ในนิวเคลียสได้

อนุภาคแสงถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง

การค้นพบนิวตรอนทำให้เกิดแรงผลักดันให้เกิดความเข้าใจว่านิวเคลียสของอะตอมมีโครงสร้างอย่างไร

ในปีเดียวกันนั้นเอง พ.ศ. 2475 เมื่อมีการค้นพบนิวตรอน นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Dmitry Dmitrievich Ivanenko และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Werner Heisenberg ได้เสนอแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียส ซึ่งต่อมาได้รับการยืนยันในการทดลอง

โปรตอนและนิวตรอนเรียกว่านิวคลีออน (จากภาษาละตินนิวเคลียส - นิวเคลียส) เมื่อใช้คำนี้ เราสามารถพูดได้ว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยนิวคลีออน

• จำนวนนิวเคลียสทั้งหมดในนิวเคลียสเรียกว่าเลขมวลและเขียนแทนด้วยตัวอักษร A

ตัวอย่างเช่น สำหรับไนโตรเจน เลขมวล A = 14 สำหรับเหล็ก A = 56 สำหรับยูเรเนียม A = 235

เป็นที่ชัดเจนว่าเลขมวล A เป็นตัวเลขเท่ากับมวลของนิวเคลียส m ซึ่งแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอมและปัดเศษให้เป็นจำนวนเต็ม (เนื่องจากมวลของนิวคลีออนแต่ละตัวมีค่าประมาณเท่ากับ 1 อามู) ตัวอย่างเช่น สำหรับไนโตรเจน ม. data 14 ก. อืม สำหรับเหล็ก ม. อยู่ที่ 56 น. อีเอ็ม ฯลฯ

• จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเรียกว่าหมายเลขประจุและเขียนแทนด้วย Z

ตัวอย่างเช่น สำหรับไนโตรเจน จำนวนประจุคือ Z = 7 สำหรับเหล็ก Z = 26 สำหรับยูเรเนียม Z = 92 เป็นต้น

ประจุของโปรตอนแต่ละตัวจะเท่ากับประจุไฟฟ้าเบื้องต้น ดังนั้นประจุหมายเลข Z จึงเป็นตัวเลขเท่ากับประจุของนิวเคลียส ซึ่งแสดงเป็นประจุไฟฟ้าเบื้องต้น สำหรับแต่ละองค์ประกอบทางเคมี หมายเลขประจุจะเท่ากับเลขอะตอม (ลำดับ) ในตารางของ D.I.

นิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีใดๆ ใน มุมมองทั่วไปมีการกำหนดไว้ดังนี้ (X หมายถึง สัญลักษณ์ของธาตุเคมี)

จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสมักจะแสดงด้วยตัวอักษร N เนื่องจากเลขมวล A แสดงถึงจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส เราจึงสามารถเขียนได้: A = Z + N

จากแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม มีการให้คำอธิบายเกี่ยวกับข้อเท็จจริงเชิงทดลองบางอย่างที่ค้นพบในช่วงสองทศวรรษแรกของศตวรรษที่ 20

ดังนั้นในระหว่างการศึกษาคุณสมบัติของธาตุกัมมันตภาพรังสีพบว่าองค์ประกอบทางเคมีชนิดเดียวกันนั้นประกอบด้วยอะตอมที่มีนิวเคลียสซึ่งมีมวลต่างกัน

ประจุนิวเคลียสเดียวกันบ่งชี้ว่าพวกมันมีหมายเลขซีเรียลเดียวกันในตารางของ D.I. Mendeleev นั่นคือพวกมันครอบครองเซลล์เดียวกันซึ่งอยู่ที่เดียวกันในตาราง นี่คือที่มาของชื่อขององค์ประกอบทางเคมีชนิดเดียวทุกประเภท: ไอโซโทป (จากคำภาษากรีก isos - เหมือนกัน และ topos - สถานที่)

• ไอโซโทปเป็นองค์ประกอบทางเคมีหลายประเภทซึ่งมีมวลนิวเคลียสของอะตอมต่างกัน

ด้วยการสร้างแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียส (เช่น ประมาณสองทศวรรษหลังจากการค้นพบไอโซโทป) จึงเป็นไปได้ที่จะอธิบายว่าทำไมนิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุเท่ากันจึงมีมวลต่างกัน แน่นอนว่านิวเคลียสของไอโซโทปมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีจำนวนนิวตรอนต่างกัน

ตัวอย่างเช่น มีไฮโดรเจนอยู่สามไอโซโทป: (โปรเทียม), . (ดิวเทอเรียม) และ (ทริเทียม) นิวเคลียสของไอโซโทปไม่มีนิวตรอนเลย - เป็นตัวแทนของโปรตอนหนึ่งตัว นิวเคลียสดิวเทอเรียมประกอบด้วยอนุภาคสองตัว: โปรตอนและนิวตรอน นิวเคลียสไอโซโทปประกอบด้วยอนุภาคสามอนุภาค: โปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนสองตัว

สมมติฐานที่ว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนได้รับการยืนยันจากข้อเท็จจริงเชิงทดลองมากมาย

แต่คำถามก็เกิดขึ้น: เหตุใดนิวเคลียสจึงไม่สลายตัวเป็นนิวคลีออนแต่ละตัวภายใต้อิทธิพลของแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนที่มีประจุบวก

การคำนวณแสดงให้เห็นว่านิวคลีออนไม่สามารถยึดติดไว้ด้วยกันได้เนื่องจากแรงดึงดูดของธรรมชาติของความโน้มถ่วงหรือแม่เหล็ก เนื่องจากแรงเหล่านี้น้อยกว่าแรงไฟฟ้าสถิตอย่างมีนัยสำคัญ

ในการค้นหาคำตอบสำหรับคำถามเรื่องความเสถียรของนิวเคลียสของอะตอม นักวิทยาศาสตร์สันนิษฐานว่าแรงดึงดูดพิเศษบางอย่างกระทำระหว่างนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียส ซึ่งเกินกว่าแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนอย่างมีนัยสำคัญ กองกำลังเหล่านี้เรียกว่านิวเคลียร์

สมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของกองกำลังนิวเคลียร์นั้นถูกต้อง ปรากฎว่ากองกำลังนิวเคลียร์มีพิสัยสั้น: ที่ระยะ 10 -15 ม. พวกมันมากกว่าแรงปฏิกิริยาไฟฟ้าสถิตประมาณ 100 เท่า แต่ที่ระยะ 10 -14 ม. พวกมันกลับกลายเป็นว่าไม่มีนัยสำคัญ กล่าวอีกนัยหนึ่ง แรงนิวเคลียร์กระทำในระยะห่างที่เทียบได้กับขนาดของนิวเคลียสเอง

คำถาม

1. โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเรียกว่าอะไร?
2. เลขมวลคืออะไร? สิ่งที่สามารถพูดเกี่ยวกับค่าตัวเลขของมวลของอะตอม (ในหน่วยมวลรวม) และเลขมวลของมัน?
3. สิ่งที่สามารถพูดได้เกี่ยวกับหมายเลขประจุ ประจุของนิวเคลียส (แสดงในประจุไฟฟ้าเบื้องต้น) และหมายเลขซีเรียลในตารางของ D.I. Mendeleev สำหรับองค์ประกอบทางเคมีใด ๆ
4. เลขมวล เลขประจุ และจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสมีความสัมพันธ์กันอย่างไร
5. เราจะอธิบายการมีอยู่ของนิวเคลียสที่มีประจุเท่ากันและมีมวลต่างกันภายในกรอบแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสได้อย่างไร
6. มีคำถามอะไรเกิดขึ้นเกี่ยวกับสมมติฐานที่ว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน นักวิทยาศาสตร์ต้องตั้งสมมติฐานอะไรเพื่อตอบคำถามนี้
7. แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสในนิวเคลียสเรียกว่าอะไร และมีลักษณะเฉพาะอย่างไร

ด้วยความช่วยเหลือของบทเรียนวิดีโอนี้ ทุกคนจะสามารถศึกษาหัวข้อ "องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างอิสระ เลขมวล. หมายเลขชาร์จ. กองกำลังนิวเคลียร์” ในระหว่างบทเรียน ครูจะพูดคุยเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม และจะให้บทสรุประดับกลางของบทเรียนก่อนหน้านี้ทั้งหมดที่เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม

ฟิสิกส์ ชั้นประถมศึกษาปีที่ 9

หัวข้อ: โครงสร้างของอะตอมและนิวเคลียสของอะตอม การใช้พลังงานของนิวเคลียสของอะตอม

บทที่ 56. องค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม เลขมวล. ที่ชาร์จ

ตัวเลข. กองกำลังนิวเคลียร์

เอริวตคิน เยฟเกนี เซอร์เกวิช

ครูสอนฟิสิกส์ หมวดหมู่สูงสุดโรงเรียนมัธยม GOU หมายเลข 1360

มอสโก

สวัสดี! บทเรียนวันนี้จะเน้นไปที่ประเด็นที่เกี่ยวข้องกับการอภิปรายเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม เลขประจุ เลขมวล และเราจะพูดถึงว่าพลังนิวเคลียร์คืออะไร บทเรียนของเราเป็นการสรุปผลลัพธ์ระดับกลางในประเด็นที่ศึกษาก่อนหน้านี้ทั้งหมด ที่อยากจะบอกก็คือเราได้ศึกษาประเด็นที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของอะตอมและโครงสร้างของนิวเคลียส ดังนั้นวันนี้เราจะพูดถึงเรื่องนี้อย่างแน่นอน สรุปบางหัวข้อที่แล้ว คำถามที่แล้ว ก่อนที่เราจะไปยังคำถามแรก เราจะพูดถึงเรื่องนี้ก่อน ในบทเรียนที่แล้ว เราบอกว่าในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ได้พิสูจน์ว่ามีอนุภาคเช่นโปรตอน ต่อมาในปี พ.ศ. 2475 แชดวิกค้นพบว่ามีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่เรียกว่านิวตรอน หลังจากการค้นพบนี้ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Ivanenko และนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Heisenberg สองคนเป็นอิสระจากกัน เสนอแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม ตามทฤษฎีของอิวาเนนโก-ไฮเซนเบิร์ก นิวเคลียสของอะตอมใดๆ ก็ตามประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน มีการตัดสินใจที่จะเรียกโปรตอนและนิวตรอนเหล่านี้รวมกันซึ่งอยู่ในนิวเคลียสของอะตอมหรือนิวคลีออน ดังนั้น, “นิวคลีออน” (จากภาษาละติน “นิวเคลียส”) -ชื่อสามัญของโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคที่มีประจุและอนุภาคที่ไม่มีประจุ นิวตรอน อนุภาคทั้งหมดนี้รวมกันเรียกว่านิวคลีออน มาพูดถึงเรื่องอื่นกันดีกว่า แนวคิดเรื่องประจุนิวเคลียร์ถูกเสนอครั้งแรกในปี 1913 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Henry Moseley เขาเสนอว่าเนื่องจากอะตอมมีความเป็นกลางทางไฟฟ้า เลขอะตอมของธาตุคูณด้วยประจุไฟฟ้าเบื้องต้นจึงเป็นประจุของนิวเคลียส โมสลีย์ได้ข้อสรุปนี้อย่างไร ความจริงก็คือจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมสอดคล้องกับเลขอะตอม ซึ่งหมายความว่าประจุของอิเล็กตรอนทั้งหมดเป็นผลคูณของเลขอะตอมและประจุของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว เนื่องจากประจุบวกกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส จึงสามารถพูดได้เช่นเดียวกันเกี่ยวกับนิวเคลียส เรามาดูกันว่ามันมาได้อย่างไร โมสลีย์ตรงกับที่เราเรียกว่าหมายเลขเรียกเก็บเงิน ดู:

ถามฉัน = ซี . | จ|

ถามฉัน- ประจุนิวเคลียร์

อี - ประจุอิเล็กตรอน

ซี- จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส จำนวนประจุ

ประจุของตัวเลขตามข้อความนี้ถูกกำหนดให้เป็นผลคูณของเลขลำดับและประจุไฟฟ้าเบื้องต้น ในกรณีนี้ จ - นี่คือประจุของอิเล็กตรอน เรียกว่าประจุไฟฟ้าเบื้องต้น และเป็นแบบโมดูโล เนื่องจากเห็นได้ชัดว่าประจุของนิวเคลียสเป็นบวก ในกรณีนี้ หมายเลขซีเรียลเริ่มเรียกว่าหมายเลขประจุ โดยหมายเลขซีเรียลคือหมายเลขที่สอดคล้องกับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส ดังนั้น เมื่อเราพูดถึงเลขอะตอม เราก็สามารถพูดถึงจำนวนโปรตอนในนิวเคลียสได้ ตัวเลขถัดไปที่จะพูดถึงคือเลขมวล ตัวเลขนี้ถูกกำหนดด้วยตัวอักษร A และตัวเลขเดียวกันนี้นำมาจากตารางธาตุและปัดเศษให้เป็นจำนวนเต็ม จากนั้นเราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับสมการที่เรียกว่าสมการ Ivanenko-Heisenberg ทั่วโลก สมการนี้ประกอบด้วยตัวเลขสามตัว ได้แก่ เลขมวล เลขประจุ และจำนวนนิวตรอน เรามาดูกันว่ามันเขียนอย่างไรและกำหนดปริมาณเหล่านี้อย่างไร

Ivanenko - สมการไฮเซนเบิร์ก

เอ =ซี + เอ็น

A คือเลขมวล

ซี- หมายเลขซีเรียลขององค์ประกอบ

เอ็น- จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียส

ดู: เลขมวล A บอกคุณว่ามีค่าเท่าใด นิวเคลียสเข้าสู่แกนกลาง ปรากฎว่าเมื่อใช้ตารางธาตุเมื่อกำหนดจำนวนมวลขององค์ประกอบทางเคมีเราจะกำหนดจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียสของอะตอม

อย่างที่เราบอกไปแล้วว่า Z จะเป็นเลขอะตอมและจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส N ในกรณีนี้คือจำนวนนิวตรอน ดังนั้น จากสมการนี้ เราสามารถกำหนดจำนวนนิวตรอน จำนวนโปรตอน รู้เลขมวล และเลขอะตอมได้ มันควรจะสังเกตที่นี่ จุดสำคัญ- ความจริงก็คือในปี 1913 นักวิทยาศาสตร์อีกคน Soddy (คุณจำได้ว่าชายคนนี้ทำงานร่วมกับ Rutherford) ได้สร้างสิ่งที่น่าสนใจ พบว่ามีองค์ประกอบทางเคมีเหมือนกันทุกประการ คุณสมบัติทางเคมีแต่มีเลขมวลต่างกัน องค์ประกอบดังกล่าวซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่มีมวลต่างกันเรียกว่าไอโซโทป ไอโซโทป -เหล่านี้เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่มีคุณสมบัติทางเคมีเหมือนกัน แต่มีมวลนิวเคลียสของอะตอมต่างกัน

ควรเสริมด้วยว่าไอโซโทปมีกัมมันตภาพรังสีต่างกัน ทั้งหมดนี้นำไปสู่การศึกษาประเด็นนี้ ต่อไปนี้คือไอโซโทปขององค์ประกอบทางเคมีที่เบาและหนัก มาดูกัน. เราเลือกพื้นที่ต่างๆ ของตารางธาตุโดยเฉพาะเพื่อแสดงว่าองค์ประกอบทางเคมีเกือบทั้งหมดมีไอโซโทป

ไอโซโทป:

N - โปรเทียมคุณ

H - ดิวทีเรียมคุณ

ยังไม่มีข้อความ - ไอโซโทป

ไฮโดรเจนมีไอโซโทปสามชนิดนี้ ไอโซโทปแรกของ H เรียกว่าโปรเทียม โปรดทราบว่าหมายเลขซีเรียลวางอยู่ด้านล่าง นี่คือหมายเลข Z และเลขมวลเขียนไว้ด้านบน - นี่คือหมายเลข A ด้านบนคือ A ด้านล่างคือ Z และถ้าเราเข้าใจว่านี่หมายความว่าในนิวเคลียส อะตอมของโปรเทียมเป็นองค์ประกอบทางเคมีที่ง่ายที่สุดและแพร่หลายมากที่สุดในจักรวาล มีโปรตอนเพียง 1 ตัวเท่านั้น และไม่มีนิวตรอนในนิวเคลียสนี้เลย มีไฮโดรเจนประเภทที่สอง - ดิวทีเรียม หลายคนคงเคยได้ยินคำนี้ โปรดทราบ: เลขอะตอมคือ 1 และเลขมวลคือ 2 ดังนั้นนิวเคลียสของดิวเทอเรียมจึงประกอบด้วยโปรตอน 1 ตัวและนิวตรอน 1 ตัว และมีไอโซโทปของไฮโดรเจนอีกชนิดหนึ่ง มันเรียกว่าไอโซโทป ไอโซโทปเป็นเพียง (หมายเลขซีเรียลหมายเลขหนึ่ง) และเลขมวลบ่งชี้ว่ามีนิวตรอน 2 ตัวในนิวเคลียสของไอโซโทปนี้ และอีกองค์ประกอบหนึ่งคือยูเรเนียม ด้านที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงของตารางธาตุ สิ่งเหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่หนักอยู่แล้ว ยูเรเนียมมีไอโซโทปทั่วไป 2 ไอโซโทป นี่คือยูเรเนียม 235 เลขอะตอมคือ 92 และเลขมวลคือ 235 คุณสามารถพูดได้ทันทีว่านิวเคลียสขององค์ประกอบหนึ่งแตกต่างจากองค์ประกอบอื่นอย่างไร ไอโซโทปที่สอง: หมายเลขซีเรียลคือ 92 และเลขมวลคือ 238 บ่อยครั้งมากเมื่อพูดถึงไอโซโทป โดยเฉพาะยูเรเนียม จะไม่มีการกล่าวถึงหมายเลขซีเรียลเลย พวกเขาเพียงแค่พูดว่า "ยูเรเนียม" ตั้งชื่อองค์ประกอบทางเคมีและบอกเลขมวล - 238 หรือยูเรเนียม 235 เรากำลังพูดถึงปัญหานี้ด้วยเหตุผลง่ายๆที่เรารู้ว่าองค์ประกอบทางเคมีนี้มีความสำคัญเพียงใดในปัจจุบันสำหรับภาคพลังงานของประเทศของเราและ โดยทั่วไปภาคพลังงานโลกโดยรวม

คำถามต่อไปที่เราต้องตอบต่อจากสิ่งที่กล่าวไว้ อนุภาคเหล่านี้ นิวคลีออนเหล่านี้ ถูกกักขังอยู่ภายในนิวเคลียสอย่างไร? เราตั้งชื่อองค์ประกอบทางเคมีต่างๆ ไอโซโทปต่างๆ โดยเฉพาะธาตุหนักซึ่งมีนิวเคลียสอยู่ เช่น โปรตอนและนิวตรอนเป็นจำนวนมาก พวกมันถูกกักขังอยู่ภายในแกนกลางได้อย่างไร? เรารู้ว่าในนิวเคลียสขนาดเล็ก ระยะทาง ขนาดของนิวเคลียสนั้นเล็กมาก และสามารถรวบรวมอนุภาคนิวคลีออนจำนวนมากได้ นิวเคลียสเหล่านี้ถูกยึดไว้แน่นหนาขนาดนี้ด้วยแรงอะไร? ท้ายที่สุดแล้ว เนื่องจากการขับไล่ไฟฟ้าสถิต อนุภาคเหล่านี้จึงควรสลายตัวและแยกออกจากกันอย่างรวดเร็ว เรารู้ว่าประจุต่างจากประจุเท่านั้นที่ดึงดูด อนุภาคที่มีประจุต่างกัน หากอนุภาคมีประจุในลักษณะเดียวกัน ก็ชัดเจนว่าอนุภาคควรผลักกัน มีโปรตอนอยู่ภายในนิวเคลียส พวกมันมีประจุบวก ขนาดแกนกลางมีขนาดเล็กมาก นอกจากนี้ยังมีนิวตรอนอยู่ในนิวเคลียสเดียวกัน ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีแรงที่ยึดอนุภาคทั้งสองไว้ด้วยกัน กองกำลังเดียวกันนี้เรียกว่ากองกำลังนิวเคลียร์ แรงนิวเคลียร์เป็นแรงดึงดูดที่กระทำระหว่างนิวคลีออน- เราสามารถพูดได้ว่ากองกำลังเหล่านี้มีคุณสมบัติพิเศษของตัวเอง

คุณสมบัติแรกที่เราต้องพูดถึงก็คือ แรงนิวเคลียร์จะต้องมากกว่าแรงผลักไฟฟ้าสถิตและนี่ก็เป็นเช่นนั้น เมื่อเป็นไปได้ที่จะระบุพวกมัน ปรากฎว่าพวกมันมีค่ามากกว่าแรงผลักไฟฟ้าสถิตถึง 100 เท่า หมายเหตุที่สำคัญมากอีกประการหนึ่งก็คือ กองกำลังนิวเคลียร์ทำงานในระยะสั้น- ตัวอย่างเช่น 10 -15 ม. คือเส้นผ่านศูนย์กลางของแกนกลาง ซึ่งแรงเหล่านี้ทำหน้าที่ แต่ทันทีที่ขนาดของนิวเคลียสเพิ่มขึ้นเป็น 10 -14 ซึ่งดูเหมือนจะไม่น้อยก็นำไปสู่ความจริงที่ว่านิวเคลียสจะสลายตัวอย่างแน่นอน เมื่อถึงระยะนี้ กองกำลังนิวเคลียร์ไม่ทำงานอีกต่อไป แต่แรงผลักไฟฟ้าสถิตยังคงทำหน้าที่ต่อไปและพวกมันต้องรับผิดชอบต่อความจริงที่ว่านิวเคลียสสลายตัว

อีกสิ่งหนึ่งที่สามารถพูดได้เกี่ยวกับกองกำลังนิวเคลียร์ก็คือ พวกเขาไม่ได้เป็นศูนย์กลาง, เช่น. พวกมันไม่กระทำเป็นเส้นตรงที่เชื่อมอนุภาคเหล่านี้ และความจริงที่ว่าแรงนิวเคลียร์ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าอนุภาคนั้นมีประจุหรือไม่ เพราะนิวเคลียสมีทั้งโปรตอนและนิวตรอน อนุภาคเหล่านี้อยู่รวมกัน ดังนั้นข้อสรุป: อนุภาคหรือนิวคลีออนเหล่านี้ถูกกักอยู่ในนิวเคลียสเนื่องจากแรงนิวเคลียร์ และแรงเหล่านี้ทำหน้าที่ในนิวเคลียสเท่านั้น นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตได้ว่ากองกำลังนิวเคลียร์มีความสำคัญในแง่ของเสถียรภาพของแกนกลาง พวกเขามีความรับผิดชอบต่อการดำรงอยู่ขององค์ประกอบนี้ในระยะยาว โดยสรุป เราสามารถสังเกตได้อีกสิ่งหนึ่ง: เมื่อเราพูดถึงพลังงาน กองกำลังนิวเคลียร์จะมีบทบาทหลักที่นี่ เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในบทเรียนหน้า ลาก่อน.

การมอบหมายบทเรียน.

1. กำหนดองค์ประกอบนิวคลีออนของนิวเคลียสของเหล็ก (จำนวนนิวเคลียส โปรตอน นิวตรอน)

2. มีโปรตอน 22 ตัวและนิวตรอน 26 ตัวในนิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมี ตั้งชื่อองค์ประกอบทางเคมีนี้

3. ประมาณความแรงของอันตรกิริยาโน้มถ่วงระหว่างนิวตรอนสองตัวในนิวเคลียส มวลของนิวตรอนมีค่าประมาณ 1.7*10 -27 กิโลกรัม ใช้ระยะห่างระหว่างนิวตรอนเท่ากับ 10 -15 m ค่าคงที่แรงโน้มถ่วง 6.67*10-11 (น*ม2 )/กก.2

วัตถุประสงค์ของบทเรียน- เพื่อรวบรวมความรู้ของนักเรียนเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม ศึกษาความหมายทางกายภาพของแนวคิดเรื่องมวลและเลขประจุ แนะนำแนวคิดทางกายภาพ "ไอโซโทป" "แรงนิวเคลียร์"

การสาธิต- ตาราง: "แบบจำลองโครงสร้างอะตอม", "ตารางธาตุเคมีโดย D.I. Mendeleev"

เนื้อหาของการสำรวจ- 1. นิวเคลียสของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีประกอบด้วยอนุภาคอะไรบ้าง? 2. E. Rutherford เสนอสมมติฐานในปี 1913 ว่าอย่างไร 3. ประสบการณ์ใดที่ยืนยันความถูกต้องของสมมติฐานนี้? 4. อะไรคือความขัดแย้งที่เกิดขึ้นหากเราถือว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนเท่านั้น? 5. นิวตรอนถูกค้นพบเมื่อใดและโดยใคร? 6. เขียนสัญลักษณ์ของโปรตอนและนิวตรอน

การแก้ไขวัสดุ- คำถามหลังมาตรา 56 การแก้ปัญหา 1-3 จากแบบฝึกหัดที่ 48 ปัญหา 2037, 2038, 2039 จากคอลเลคชัน

การบ้าน- § 56. แบบฝึกหัดที่ 48 (4-6)

ผลการเรียนรู้ตามแผน

เมตาหัวข้อ: ฝึกฝนทักษะในการรับความรู้อย่างอิสระเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอมเกี่ยวกับไอโซโทป วิธีการควบคุมหลักด้านกฎระเบียบโดยใช้ตัวอย่างการเสนอสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของพลังนิวเคลียร์ สามารถแสดงความคิดและตั้งสมมติฐานได้

ส่วนตัว: เพื่อสร้างความสนใจทางปัญญาในการศึกษาโครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม ประเภทของอะตอม - ไอโซโทป แรงนิวเคลียร์ และคุณสมบัติของพวกมัน ความเชื่อมั่นในความเป็นไปได้ที่จะรู้จักโลกใบเล็ก ให้คุณค่าทัศนคติต่อกัน ต่อครู ต่อผลการเรียนรู้

วิชาทั่วไป: พัฒนาการคิดเชิงทฤษฎีโดยอาศัยความสามารถในการวิเคราะห์ข้อเท็จจริงเชิงทดลองเพื่อยืนยันแบบจำลองโปรตอน - นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียส ค้นหาและกำหนดหลักฐานของสมมติฐานที่นักวิทยาศาสตร์เสนอเกี่ยวกับการดำรงอยู่ของพลังนิวเคลียร์ รู้ธรรมชาติของพลังนิวเคลียร์ ตอบคำถามหลังย่อหน้าสั้นๆ และชัดเจน

เรื่องส่วนตัว: อธิบายความหมายทางกายภาพของแนวคิด ได้แก่ มวลและเลขประจุ ทำความเข้าใจว่านิวเคลียสของไอโซโทปแตกต่างกันอย่างไร

บันทึกระเบียบวิธี

คุณสามารถเริ่มศึกษาเนื้อหาในส่วนนี้ได้โดยการทบทวนคุณลักษณะของโปรตอนและนิวตรอน โดยอ้างอิงจากตาราง “แบบจำลองโครงสร้างของอะตอม” จากนั้นบอกนักเรียนว่าในปี 1932 นักฟิสิกส์โซเวียต Dmitry Dmitrievich Ivanenko และนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Werner Heisenberg เสนอแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียสอะตอม ซึ่งต่อมาได้รับการยืนยันในการทดลอง โปรตอนและนิวตรอนเรียกว่านิวคลีออน เมื่อใช้คำนี้ เราสามารถพูดได้ว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยนิวคลีออน

ให้คำจำกัดความใหม่ของเลขมวล: จำนวนนิวเคลียสทั้งหมดในนิวเคลียสเรียกว่าเลขมวลและเขียนแทนด้วยตัวอักษร A ใช้ตารางของ D.I. Mendeleev ให้พิจารณาตัวอย่างเลขมวลหลายตัวอย่าง: สำหรับไนโตรเจน เหล็ก ยูเรเนียม . ดึงความสนใจของนักเรียนว่าเลขมวล A เป็นตัวเลขเท่ากับมวลของนิวเคลียสของอะตอม โดยแสดงเป็นหน่วยมวลอะตอมและปัดเศษให้เป็นจำนวนเต็ม

ให้นิยามใหม่ของจำนวนประจุ: จำนวนโปรตอนในนิวเคลียส เขียนแทนด้วยตัวอักษร Z ใช้ตารางของ D.I. Mendeleev พิจารณาอะตอมของไนโตรเจน เหล็ก ยูเรเนียม และจดหมายเลขประจุสำหรับแต่ละรายการ นักเรียนควรให้ความสนใจกับข้อเท็จจริงที่ว่าประจุหมายเลข Z นั้นเป็นตัวเลขเท่ากับประจุของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งแสดงอยู่ในประจุไฟฟ้าเบื้องต้น สำหรับแต่ละองค์ประกอบทางเคมี หมายเลขประจุจะเท่ากับเลขอะตอม (ลำดับ) ในตารางของ D.I.

ระบุว่าจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมมักจะแสดงด้วยตัวอักษร N เขียนสูตรบนกระดาน: A = Z + N

ดึงความสนใจของนักเรียนว่าในระหว่างการศึกษาคุณสมบัติของธาตุกัมมันตภาพรังสีพบว่าองค์ประกอบทางเคมีชนิดเดียวกันนั้นประกอบด้วยอะตอมที่มีนิวเคลียสที่มีมวลต่างกัน ประจุนิวเคลียสเดียวกันบ่งชี้ว่าพวกมันมีหมายเลขลำดับเดียวกันในตารางของ D.I. จากนั้นแนะนำแนวคิดของไอโซโทปและพิจารณาตัวอย่างของไอโซโทปไฮโดรเจน ได้แก่ โปรเทียม ดิวทีเรียม และทริเทียม

กำลังสมัครอยู่ บทเรียนนี้เทคโนโลยีการรักษาสุขภาพเช่น วัสดุเพิ่มเติมในหัวข้อ “ไอโซโทป” คุณสามารถเสนอสิ่งต่อไปนี้แก่นักเรียนได้ องค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดมีไอโซโทป รวมถึงสารกัมมันตภาพรังสี: พอโลเนียม บิสมัท ซีเซียม สารหนู ตะกั่ว ที่พบในควันบุหรี่ สารกัมมันตภาพรังสีจากควันบุหรี่จะสะสมอย่างเฉพาะเจาะจงในเนื้อเยื่อปอด ไขกระดูก ต่อมน้ำเหลือง และต่อมไร้ท่อ บางคนอยู่ที่นั่นเป็นเวลาหลายเดือนหรือหลายปี และยิ่งผู้สูบบุหรี่นานเท่าไร ไอโซโทปรังสีก็จะสะสมมากขึ้นเท่านั้น ไอโซโทปรังสีของยาสูบ พอโลเนียม-210 และตะกั่ว-210 - เหตุผลหลักโรคมะเร็ง บุหรี่ที่มีตัวกรองจะไม่กักเก็บไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี

ก่อนที่จะแนะนำแนวคิดเกี่ยวกับพลังนิวเคลียร์ ให้ถามนักเรียนดังนี้: "เราจะอธิบายความเสถียรของอะตอมได้อย่างไร" และ “เราจะอธิบายความเสถียรของนิวเคลียสของอะตอมได้อย่างไร” หลังจากอภิปรายการคำตอบของนักเรียนแล้ว ให้เสนอสมมติฐานของนักวิทยาศาสตร์: มีแรงดึงดูดพิเศษบางอย่างระหว่างนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียส ซึ่งเกินกว่าแรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างโปรตอนอย่างมีนัยสำคัญ กองกำลังเหล่านี้เรียกว่านิวเคลียร์ สนทนากับนักเรียนเกี่ยวกับขอบเขตการทำงานของกองกำลังนิวเคลียร์ และเชื้อเชิญให้พวกเขาคิดถึงคำถาม: “เหตุใดกองกำลังนิวเคลียร์จึงถูกเรียกว่า “วีรบุรุษผู้มีแขนสั้น”” และ “แรงโน้มถ่วงสากลกระทำระหว่างนิวเคลียสในนิวเคลียสของอะตอมหรือไม่”

ทฤษฎีโปรตอน-อิเล็กตรอน

เมื่อต้นปี พ.ศ. 2475 มีการรู้จักอนุภาคมูลฐานเพียงสามอนุภาคเท่านั้น ได้แก่ อิเล็กตรอน โปรตอน และนิวตรอน ด้วยเหตุนี้ จึงสันนิษฐานว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและอิเล็กตรอน (สมมติฐานของโปรตอน-อิเล็กตรอน) เชื่อกันว่านิวเคลียสที่มีเลข $Z$ ในตารางธาตุของ D.I. Mendeleev และเลขมวล $A$ ประกอบด้วยโปรตอน $A$ และนิวตรอน $Z-A$ ตามสมมติฐานนี้ อิเล็กตรอนที่เป็นส่วนหนึ่งของนิวเคลียสทำหน้าที่เป็นตัว "ประสาน" โดยที่โปรตอนที่มีประจุบวกจะยังคงอยู่ในนิวเคลียส ผู้สนับสนุนสมมติฐานโปรตอน-อิเล็กตรอนขององค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมเชื่อว่า $\beta ^-$ - กัมมันตภาพรังสีเป็นการยืนยันความถูกต้องของสมมติฐาน แต่สมมติฐานนี้ไม่สามารถอธิบายผลการทดลองได้จึงละทิ้งไป ปัญหาอย่างหนึ่งคือไม่สามารถอธิบายความจริงที่ว่าการหมุนของนิวเคลียสไนโตรเจน $^(14)_7N$ เท่ากับเอกภาพ $(\hbar)$ ตามสมมติฐานของโปรตอน-อิเล็กตรอน นิวเคลียสไนโตรเจน $^(14)_7N$ ควรประกอบด้วยโปรตอน $14$ และอิเล็กตรอน $7$ การหมุนของโปรตอนและอิเล็กตรอนมีค่าเท่ากับ $1/2$ ด้วยเหตุนี้ นิวเคลียสของอะตอมไนโตรเจน ซึ่งตามสมมติฐานนี้ประกอบด้วยอนุภาค $21$ ควรมีการหมุนเป็น $1/2,\3/2,\5/2,\dots 21/2$ ความคลาดเคลื่อนกับทฤษฎีโปรตอน-อิเล็กตรอนนี้เรียกว่า “ภัยพิบัติไนโตรเจน” นอกจากนี้ยังไม่สามารถเข้าใจได้ว่าเมื่อมีอิเล็กตรอนอยู่ในนิวเคลียส โมเมนต์แม่เหล็กของมันมีโมเมนต์แม่เหล็กขนาดเล็กเมื่อเปรียบเทียบกับโมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอน

ในปี 1932 J. Chadwick ค้นพบนิวตรอน หลังจากการค้นพบนี้ D. D. Ivanenko และ E. G. Gapon ได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับโครงสร้างโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งได้รับการพัฒนาขึ้นโดยละเอียดโดย W. Heisenberg

หมายเหตุ 1

องค์ประกอบของโปรตอน-นิวตรอนของนิวเคลียสได้รับการยืนยันไม่เพียงแต่จากข้อสรุปทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ยังมาจากการทดลองโดยตรงเกี่ยวกับการแยกนิวเคลียสออกเป็นโปรตอนและนิวตรอนด้วย ปัจจุบันเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่านิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน ซึ่งเรียกอีกอย่างว่านิวเคลียสของอะตอม นิวเคลียส(จากภาษาละติน นิวเคลียส- เคอร์เนล, เมล็ดพืช)

โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม

แกนกลางเป็นส่วนสำคัญของอะตอมซึ่งมีประจุไฟฟ้าบวกและมวลส่วนใหญ่ของอะตอมเข้มข้น ขนาดของนิวเคลียสเมื่อเปรียบเทียบกับวงโคจรของอิเล็กตรอนมีขนาดเล็กมาก: $10^(-15)-10^(-14)\ m$ นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งมีมวลเกือบเท่ากัน แต่มีเพียงโปรตอนเท่านั้นที่มีประจุไฟฟ้า จำนวนโปรตอนทั้งหมดเรียกว่าเลขอะตอม $Z$ ของอะตอม ซึ่งตรงกับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง นิวคลีออนถูกยึดไว้ในนิวเคลียสด้วยแรงอย่างแรง โดยธรรมชาติแล้ว แรงเหล่านี้ไม่ใช่แรงไฟฟ้าหรือแรงโน้มถ่วง และมีขนาดใหญ่กว่าแรงที่ยึดอิเล็กตรอนเข้ากับนิวเคลียสมาก

ตามแบบจำลองโปรตอน-นิวตรอนของโครงสร้างของนิวเคลียส:

• นิวเคลียสขององค์ประกอบทางเคมีทั้งหมดประกอบด้วยนิวคลีออน
• ประจุของนิวเคลียสเกิดจากโปรตอนเท่านั้น
• จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสเท่ากับเลขอะตอมขององค์ประกอบ
• จำนวนนิวตรอนเท่ากับผลต่างระหว่างเลขมวลและจำนวนโปรตอน ($N=A-Z$)

โปรตอน ($^2_1H\ หรือ\ p$) เป็นอนุภาคที่มีประจุบวก ประจุของโปรตอนเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน $e=1.6\cdot 10^(-19)\ C$ และมวลนิ่งของมันคือ $m_p =1.627\cdot 10^( -27)\ กก.$ โปรตอนเป็นนิวเคลียสของนิวคลีออนที่เบาที่สุดของอะตอมไฮโดรเจน

เพื่อให้การบันทึกและการคำนวณง่ายขึ้น มวลของนิวเคลียสมักจะถูกกำหนดเป็นหน่วยมวลอะตอม (a.m.u.) หรือหน่วยพลังงาน (โดยการเขียนพลังงานที่สอดคล้องกัน $E=mc^2$ เป็นอิเล็กตรอน-โวลต์ แทนที่จะเป็นมวล) หน่วยมวลอะตอมจะคิดเป็น $1/12$ ของมวลนิวไคลด์คาร์บอน $^(12)_6C$ ในหน่วยเหล่านี้เราได้รับ:

โปรตอนก็เหมือนกับอิเล็กตรอน มีโมเมนตัมเชิงมุมของตัวเอง - การหมุน ซึ่งเท่ากับ $1/2$ (ในหน่วยของ $\hbar$) อย่างหลังในสนามแม่เหล็กภายนอก สามารถวางทิศทางในลักษณะที่เส้นโครงและทิศทางของสนามมีค่าเท่ากับ $+1/2$ หรือ $-1/2$ โปรตอนก็เหมือนกับอิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับสถิติควอนตัมของ Fermi-Dirac เช่น เป็นของเฟอร์มิออน

โปรตอนมีลักษณะเฉพาะด้วยโมเมนต์แม่เหล็กของมันเอง ซึ่งสำหรับอนุภาคที่มีการหมุน $1/2$ จะมีประจุ $e$ และมวล $m$ เท่ากับ

สำหรับอิเล็กตรอน โมเมนต์แม่เหล็กของมันเองจะเท่ากับ

เพื่ออธิบายความเป็นแม่เหล็กของนิวคลีออนและนิวเคลียส มีการใช้แมกนีตันนิวเคลียร์ ($1,836$ เล็กกว่าแมกนีตอน Bohr):

ในตอนแรกเชื่อกันว่าโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนมีค่าเท่ากับแมกนีตันนิวเคลียร์เพราะว่า มวลของมันคือ $1,836$ เท่าของอิเล็กตรอน แต่จากการวัดพบว่า ในความเป็นจริง โมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนนั้นมากกว่าโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียร์ถึง 2.79$ เท่า และมีสัญญาณเชิงบวก กล่าวคือ ทิศทางสอดคล้องกับการหมุน

ฟิสิกส์สมัยใหม่อธิบายความขัดแย้งเหล่านี้โดยข้อเท็จจริงที่ว่าโปรตอนและนิวตรอนสลับกันและบางครั้งยังคงอยู่ในสถานะของการแยกตัวออกเป็น $\pi ^\pm $ - มีซอนและนิวคลีออนอื่นของเครื่องหมายที่เกี่ยวข้อง:

มวลที่เหลือของ $\pi ^\pm $ meson คือ $193.63$ MeV ดังนั้นโมเมนต์แม่เหล็กของมันเองจึงมากกว่าโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์ $6.6$ เท่า ในการวัด ค่าที่มีประสิทธิผลของโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนและ $\pi ^+$ ของสภาพแวดล้อมมีซอนจะปรากฏขึ้น

นิวตรอน ($n$) เป็นอนุภาคที่เป็นกลางทางไฟฟ้า มวลที่เหลือของมัน

แม้ว่านิวตรอนจะไม่มีประจุ แต่ก็มีโมเมนต์แม่เหล็ก $\mu _n=-1.91\mu _Я$ เครื่องหมาย “$-$” แสดงว่าทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กอยู่ตรงข้ามกับการหมุนของโปรตอน ความเป็นแม่เหล็กของนิวตรอนถูกกำหนดโดยค่าประสิทธิผลของโมเมนต์แม่เหล็กของอนุภาคที่สามารถแยกตัวออกได้

ในสถานะอิสระ นิวตรอนเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรและสลายตัวแบบสุ่ม (ครึ่งชีวิต 12$ นาที): ปล่อยอนุภาค $\beta $ และแอนตินิวตริโนออกไป มันจะเปลี่ยนเป็นโปรตอน รูปแบบการสลายตัวของนิวตรอนเขียนไว้ดังนี้:

ตรงกันข้ามกับการสลายตัวของนิวตรอนในนิวเคลียร์ การสลายตัวของ $\beta$ เป็นของการสลายตัวภายในและฟิสิกส์ของอนุภาคมูลฐาน

การเปลี่ยนแปลงร่วมกันของนิวตรอนและโปรตอน ความเท่าเทียมกันของการหมุน ความใกล้เคียงของมวลและคุณสมบัติ ให้เหตุผลที่จะถือว่าเรากำลังพูดถึงอนุภาคนิวเคลียร์ชนิดเดียวกันสองชนิด - นิวคลีออน ทฤษฎีโปรตอน-นิวตรอนเห็นด้วยกับข้อมูลการทดลองเป็นอย่างดี

เนื่องจากเป็นองค์ประกอบของนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอนจึงพบได้ในปฏิกิริยาฟิชชันและปฏิกิริยาฟิวชันจำนวนมาก

ในการแตกตัวของนิวเคลียร์ตามอำเภอใจและแยกกัน จะมีการสังเกตฟลักซ์ของอิเล็กตรอน โพซิตรอน มีซอน นิวตริโน และแอนตินิวตริโนด้วย มวลของอนุภาค $\beta $ (อิเล็กตรอนหรือโพซิตรอน) น้อยกว่ามวลของนิวคลีออน $1,836$ เท่า มีซอน - อนุภาคบวก ลบ และศูนย์ - ครอบครองตำแหน่งกลางที่มีมวลระหว่าง $\beta $ - อนุภาคและนิวคลีออน อายุการใช้งานของอนุภาคดังกล่าวนั้นสั้นมากและมีค่าหนึ่งในล้านของวินาที นิวตริโนและแอนตินิวตริโนเป็นอนุภาคมูลฐานที่มีมวลนิ่งเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอน โพซิตรอน และมีซอนไม่สามารถเป็นส่วนประกอบของนิวเคลียสได้ อนุภาคแสงเหล่านี้ไม่สามารถระบุตำแหน่งในปริมาตรขนาดเล็กได้ ซึ่งเป็นนิวเคลียสที่มีรัศมี $\sim 10^(-15)\ m$

เพื่อพิสูจน์สิ่งนี้ เราจะหาพลังงานของอันตรกิริยาทางไฟฟ้า (เช่น อิเล็กตรอนที่มีโพซิตรอนหรือโปรตอนในนิวเคลียส)

และเปรียบเทียบกับพลังงานของอิเล็กตรอนเอง

เนื่องจากพลังงานของปฏิสัมพันธ์ภายนอกเกินกว่าพลังงานของอิเล็กตรอนเอง มันจึงไม่สามารถดำรงอยู่ได้และรักษาความเป็นเอกเทศของตัวเองได้ มันจะถูกทำลายภายใต้เงื่อนไขของนิวเคลียส สถานการณ์ที่มีนิวเคลียสแตกต่างกัน โดยพลังงานของพวกมันเองมีมูลค่ามากกว่า 900 ดอลลาร์ MeV ดังนั้นพวกมันจึงสามารถคงลักษณะของมันไว้ในนิวเคลียสได้

อนุภาคแสงถูกปล่อยออกมาจากนิวเคลียสระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง