Atom se sastoji od pozitivno nabijenog jezgra i okolnih elektrona. Atomska jezgra imaju dimenzije približno 10 -14 ... 10 -15 m (linearne dimenzije atoma su 10 -10 m).
Atomsko jezgro se sastoji od elementarnih čestica protona i neutrona. Proton-neutronski model jezgra predložio je ruski fizičar D. D. Ivanenko, a potom ga je razvio V. Heisenberg.
proton ( R) ima pozitivan naboj jednak naboju elektrona i mase mirovanja T str =
1,6726∙10 -27 kg 1836 m e, gdje m e je masa elektrona. neutron ( n)-neutralna čestica sa masom mirovanja m n= 1,6749∙10 -27 kg 
1839T e ,.
Masa protona i neutrona se često izražava u drugim jedinicama - u jedinicama atomske mase (a.m.u., jedinica mase jednaka 1/12 mase atoma ugljika 
). Mase protona i neutrona približno su jednake jednoj jedinici atomske mase. Protoni i neutroni se nazivaju nukleoni(od lat. jezgro-kernel). Ukupan broj nukleona u atomskom jezgru naziva se maseni broj ALI).
Polumjeri jezgara rastu sa povećanjem masenog broja u skladu sa relacijom R= 1,4ALI 1/3 10 -13 cm.
Eksperimenti pokazuju da jezgra nemaju oštre granice. U središtu jezgre postoji određena gustoća nuklearne materije, koja se postepeno smanjuje na nulu s povećanjem udaljenosti od centra. Zbog nedostatka dobro definirane granice jezgra, njegov "radijus" je definiran kao udaljenost od centra na kojoj je gustoća nuklearne materije prepolovljena. Pokazalo se da prosječna distribucija gustine materije za većinu jezgara nije samo sferna. Većina jezgara je deformisana. Često su jezgra u obliku izduženih ili spljoštenih elipsoida.
Karakterizirano je atomsko jezgro naplatitiZe, gdje Zbroj naplate jezgra, jednak broju protona u jezgru i koji se poklapa sa serijskim brojem hemijskog elementa u Periodnom sistemu elemenata Mendeljejeva.
Jezgro je označeno istim simbolom kao neutralni atom: 
, gdje X- simbol hemijskog elementa, Z atomski broj (broj protona u jezgru), ALI- maseni broj (broj nukleona u jezgru). Maseni broj ALI približno jednaka masi jezgra u jedinicama atomske mase.
Pošto je atom neutralan, naelektrisanje jezgra Z određuje broj elektrona u atomu. Broj elektrona ovisi o raspodjeli po stanjima u atomu. Naboj jezgra određuje specifičnosti datog hemijskog elementa, odnosno određuje broj elektrona u atomu, konfiguraciju njihovih elektronskih omotača, veličinu i prirodu unutaratomskog električnog polja.
Jezgra sa istim brojevima naboja Z, ali sa različitim masenim brojevima ALI(tj. sa različitim brojem neutrona N=A-Z) nazivaju se izotopi, a jezgra sa istim ALI, ali drugačije Z- izobare. Na primjer, vodonik ( Z= l) ima tri izotopa: H - protium ( Z=l, N= 0),
H - deuterijum ( Z=l, N= 1),
H - tricijum ( Z=l, N\u003d 2), kositar - deset izotopa, itd. U velikoj većini slučajeva, izotopi istog hemijskog elementa imaju iste hemijske i gotovo iste fizičke osobine.
E, MeV
Nivoi energije
i uočeni prijelazi za jezgro atoma bora
Kvantna teorija striktno ograničava energetske vrijednosti koje sastavni dijelovi jezgri mogu imati. Skupovi protona i neutrona u jezgrima mogu biti samo u određenim diskretnim energetskim stanjima karakterističnim za dati izotop.Kada elektron prelazi iz višeg u niže energetsko stanje, energetska razlika se emituje u obliku fotona. Energija ovih fotona je reda nekoliko elektron volti. Za jezgra, energije nivoa leže u rasponu od približno 1 do 10 MeV. Tokom prelaza između ovih nivoa, emituju se fotoni veoma visokih energija (γ-kvanta). Da bismo ilustrovali takve prelaze na Sl. 6.1 prikazuje prvih pet energetskih nivoa jezgra 
.Okomite linije označavaju uočene prelaze. Na primjer, γ-kvant sa energijom od 1,43 MeV se emituje tokom prelaska jezgra iz stanja sa energijom od 3,58 MeV u stanje sa energijom od 2,15 MeV.
Sastav jezgra atoma
Godine 1932 nakon otkrića protona i neutrona od strane naučnika D.D. Ivanenko (SSSR) i W. Heisenberg (Njemačka) su predložili proton-neutronmodelatomsko jezgro.
Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) se naziva maseni broj
A: A = Z + N
. Jezgra hemijskih elemenata su označena simbolom:
X je hemijski simbol elementa.
Na primjer, vodonik
Uveden je niz oznaka za karakterizaciju atomskih jezgara. Broj protona koji čine atomsko jezgro je označen simbolom Z i nazovi broj naplate (ovo je redni broj u periodnom sistemu Mendeljejeva). Nuklearni naboj je Ze , gdje e je elementarni naboj. Broj neutrona je označen simbolom N .
nuklearne snage
Da bi atomska jezgra bila stabilna, protone i neutrone moraju držati unutar jezgara ogromne sile, mnogo puta veće od Kulonovih odbojnih sila protona. Zovu se sile koje drže nukleone u jezgru nuklearna . One su manifestacija najintenzivnije od svih vrsta interakcija poznatih u fizici - takozvane snažne interakcije. Nuklearne sile su oko 100 puta veće od elektrostatičkih sila i desetine redova veličine veće su od sila gravitacijske interakcije nukleona.
Nuklearne sile imaju sljedeća svojstva:
- imaju privlačne sile
- je sile kratkog dometa(pojavljuju se na malim udaljenostima između nukleona);
- nuklearne sile ne ovise o prisutnosti ili odsustvu električnog naboja na česticama.
Defekt mase i energija vezivanja jezgre atoma
Najvažniju ulogu u nuklearnoj fizici ima koncept nuklearna energija vezivanja .
Energija vezivanja jezgra jednaka je minimalnoj energiji koja se mora potrošiti za potpuno cijepanje jezgra na pojedinačne čestice. Iz zakona održanja energije proizilazi da je energija veze jednaka energiji koja se oslobađa prilikom formiranja jezgra iz pojedinih čestica.
Energija vezivanja bilo kojeg jezgra može se odrediti preciznim mjerenjem njegove mase. U ovom trenutku, fizičari su naučili da mjere mase čestica - elektrona, protona, neutrona, jezgara itd. - sa vrlo visokom preciznošću. Ova mjerenja to pokazuju masa bilo kog jezgra M i je uvijek manji od zbira masa njegovih sastavnih protona i neutrona: 
Masovna razlika se zove defekt mase. Zasnovano na defektu mase pomoću Einsteinove formule E = mc 2 moguće je odrediti energiju oslobođenu tokom formiranja datog jezgra, tj. energiju vezivanja jezgra E St:
Ova energija se oslobađa tokom formiranja jezgra u obliku zračenja γ-kvanta.
Nuklearna energija
U našoj zemlji prva nuklearna elektrana na svijetu izgrađena je i puštena u rad 1954. godine u SSSR-u, u gradu Obninsku. Razvija se izgradnja moćnih nuklearnih elektrana. U Rusiji trenutno radi 10 nuklearnih elektrana. Nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, poduzete su dodatne mjere kako bi se osigurala sigurnost nuklearnih reaktora.
DEFINICIJA
Atom Sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra, unutar kojeg se nalaze protoni i neutroni, a elektroni se kreću po orbitama oko njega. atomsko jezgro nalazi se u centru i u njemu je koncentrisana gotovo sva njegova masa.
Naboj jezgra atoma određuje kemijski element kojem ovaj atom pripada.
Postojanje atomskog jezgra dokazao je 1911. E. Rutherford i opisao u radu pod nazivom "Raspršenje α i β-zraka i struktura atoma". Nakon toga su razni naučnici izneli brojne teorije o strukturi atomskog jezgra (kap (N. Bohr), školjka, jato, optičko, itd.).
Elektronska struktura atomskog jezgra
Prema modernim konceptima, atomsko jezgro se sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona, koji se zajedno nazivaju nukleoni. Zadržavaju se u jezgru zbog jake interakcije.
Broj protona u jezgru naziva se broj naboja (Z). Može se odrediti pomoću periodnog sistema D. I. Mendelejeva - jednak je serijskom broju hemijskog elementa kojem atom pripada.
Broj neutrona u jezgru naziva se izotopski broj (N). Ukupan broj nukleona u jezgru naziva se maseni broj (M) i jednak je relativnoj atomskoj masi atoma nekog hemijskog elementa, naznačenoj u Periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva.
Jezgra sa istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima. Ako jezgro ima isti broj protona, ali različit broj neutrona - izotopa. U slučaju kada su maseni brojevi jednaki, ali je sastav nukleona drugačiji - izobare.
Jezgro atoma može biti u stabilnom (osnovnom) stanju i u pobuđenom stanju.
Razmotrimo strukturu atomskog jezgra na primjeru kemijskog elementa kisika. Kiseonik ima serijski broj 8 u periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva i relativnu atomsku masu od 16 a.m.u. To znači da jezgro atoma kiseonika ima naboj jednak (+8). Jezgro sadrži 8 protona i 8 neutrona (Z=8, N=8, M=16), a 8 elektrona se kreće duž 2 orbite oko jezgra (slika 1).
Rice. 1. Šematski prikaz strukture atoma kiseonika.
Primjeri rješavanja problema
PRIMJER 1
PRIMJER 2
| Zadatak | Okarakterizirajte kvantnim brojevima sve elektrone koji se nalaze na 3p podnivou. |
| Rješenje | Postoji šest elektrona na p-podnivou 3. nivoa: |
Proton je atom vodika iz kojeg je uklonjen samo jedan elektron. Ova čestica je već uočena u eksperimentima J. Thomsona (1907), koji je uspio izmjeriti njen omjer e/m. Godine 1919. E. Rutherford je otkrio jezgra atoma vodika u produktima fisije jezgara atoma mnogih elemenata. Rutherford je ovu česticu nazvao proton. On je sugerirao da su protoni dio svih atomskih jezgara.
Prikazana je shema Rutherfordovih eksperimenata.
Može se pogledati opis instalacije sa kojom je bilo moguće registrirati neutron.
Za razliku od elektrona, protoni i neutroni su podložni specifičnim nuklearnim silama. Nuklearne sile su poseban slučaj najjačih interakcija u prirodi. Zbog nuklearnih sila, protoni i neutroni se mogu međusobno kombinirati, formirajući različite atomske jezgre.
Osobine protona i neutrona u odnosu na jake interakcije su potpuno iste, što, očigledno, objašnjava bliskost njihovih masa. Stoga se u nuklearnoj fizici često koristi izraz nukleon, označavajući svaku česticu koja je dio jezgre, i proton i neutron. Možemo reći da su proton i neutron dva stanja iste čestice - nukleona.
Atom je električno neutralan. Dakle, broj protona u jezgru atoma mora biti jednak broju elektrona u atomskoj ljusci, tj. atomski broj Z. Ukupan broj nukleona (tj. protona i neutrona) u jezgru označava se sa A i zove se maseni broj. Brojevi Z I A u potpunosti karakterizira sastav jezgra. Po definiciji:
| A=Z+N. |
Za označavanje različitih jezgara obično se koristi oznaka oblika Z X A, gde X- hemijski simbol koji odgovara elementu sa datim Z. Na primjer, izraz 4 Be 9 označava jezgro atoma berilija sa Z = 4, A= 9, sa 4 protona i 5 neutrona. Lijevi indeks nije potreban jer je atomski broj Z jedinstveno identificiran imenom elementa. Stoga se često koristi skraćenica Be 9 ( glasi "berilij devet").
jezgra sa istim Z i drugačije A nazivaju se izotopi. Na primjer, uranijum Z= 92) postoje izotopi 92 U 236 , 92 U 238 . Ponekad se koriste termini izobara (za jezgra sa istim A i drugačije Z) i izotonima (za jezgra sa istim N i drugačije Z). Termin nuklid se koristi za označavanje atoma određenog izotopa.
Najteži element koji se nalazi u prirodi je izotop uranijuma 92 U 238. Elementi s atomskim brojevima većim od 92 nazivaju se transuranskim. Svi su dobiveni umjetno kao rezultat raznih nuklearnih reakcija.
U pogledu svojih čisto nuklearnih svojstava, različiti izotopi, po pravilu, nemaju mnogo zajedničkog. Ali u ogromnoj većini slučajeva, atomi različitih izotopa imaju ista kemijska i gotovo ista fizička svojstva, budući da na strukturu elektronske ljuske atoma jezgro utječe praktički samo svojim električnim nabojem. Stoga je izolacija bilo kojeg izotopa, na primjer, U 235 iz vlastite mješavine sa 92 U 238, složen tehnološki problem, koji koristi male razlike u brzinama isparavanja, difuzije i nekih drugih procesa koji nastaju zbog razlike. u masama izotopa.
atomski broj Z jednak je električnom naboju jezgra u jedinicama apsolutne vrijednosti naboja elektrona. Električni naboj je cjelobrojna vrijednost, strogo očuvana za sve (uključujući neelektromagnetne) interakcije. Sveukupnost dostupnih eksperimentalnih podataka o međusobnim transformacijama atomskih jezgara i elementarnih čestica pokazuje da, pored zakona održanja električnog naboja, postoji sličan, strogi zakon održanja barionskog naboja. Naime, svakoj čestici može biti pripisana određena vrijednost barionskog naboja, a algebarski zbir barionskih naboja svih čestica ostaje nepromijenjen u bilo kojem procesu.
Barionski naboji svih čestica su cijeli brojevi. Barionski naboj elektrona i γ-kvanta jednak je nuli, a barionski naboj protona i neutrona jednak je jedan. Dakle, masovni broj ALI je barionski naboj jezgra. Zakon očuvanja barionskog naboja osigurava stabilnost atomskih jezgara. Na primjer, ovaj zakon zabranjuje energetski povoljnu transformaciju, koju dopuštaju svi drugi zakoni očuvanja, dva nuklearna neutrona u par najlakših čestica γ-kvanta.
Atomska jezgra mogu postojati samo u ograničenom rasponu vrijednosti veličina A, Z. Izvan ovog područja, ako se pojavi odgovarajuće jezgro, ono se trenutno (tj. u karakterističnom nuklearnom vremenu τ ≤ 10 −21 s) ili raspada na manje jezgre ili emituje proton ili neutron. Unutar područja mogućeg postojanja, nisu sva jezgra stabilna.
 Slika 2.1. Proton-neutronski dijagram atomskih jezgara. |
Do sada poznata jezgra su prikazana na dijagramu toka neutrona (slika 2.1). Na njemu glatke pune linije ukazuju na teorijsku granicu područja mogućeg postojanja jezgara. Eksperimentalno utvrđivanje ove granice otežava činjenica da, kada joj se približi (iznutra), životni vijek jezgara, iako značajno premašuje karakteristične (~10 −21 od), ali premali za moderne eksperimentalne tehnike. Stabilna jezgra formiraju stazu stabilnosti na dijagramu proton-neutron. Slijedeće empirijske činjenice i zakonitosti u vezi sa A I Z za stabilna jezgra:
|
atomsko jezgro je središnji dio atoma, koji se sastoji od protona i neutrona (zajedno nazvani nukleoni).
Jezgro je otkrio E. Rutherford 1911. dok je proučavao prolaz α -čestice kroz materiju. Pokazalo se da je gotovo cijela masa atoma (99,95%) koncentrisana u jezgru. Veličina atomskog jezgra je reda veličine 10 -1 3 -10 - 12 cm, što je 10 000 puta manje od veličine elektronske ljuske.
Planetarni model atoma koji je predložio E. Rutherford i njegovo eksperimentalno promatranje jezgri vodika su uništeni α -čestice iz jezgara drugih elemenata (1919-1920), dovelo je naučnika do ideje o proton. Termin proton je uveden početkom 20-ih godina XX veka.
Proton (od grč. protona- prvo, karakter str) je stabilna elementarna čestica, jezgro atoma vodika.
Proton- pozitivno nabijena čestica čiji je naboj po apsolutnoj vrijednosti jednak naboju elektrona e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Masa protona je 1836 puta veća od mase elektrona. Masa mirovanja protona m str= 1,6726231 10 -27 kg = 1,007276470 amu
Druga čestica u jezgru je neutron.
Neutron (od lat. neuter- ni jedno ni drugo, simbol n) je elementarna čestica koja nema naboj, odnosno neutralna.
Masa neutrona je 1839 puta veća od mase elektrona. Masa neutrona je skoro jednaka (malo veća od) mase protona: masa mirovanja slobodnog neutrona m n= 1,6749286 10 -27 kg = 1,0008664902 amu i premašuje masu protona za 2,5 mase elektrona. Neutron, zajedno sa protonom pod zajedničkim imenom nukleon dio je atomskog jezgra.
Neutron je 1932. godine otkrio D. Chadwig, učenik E. Rutherforda, tokom bombardiranja berilijuma α -čestice. Rezultirajuće zračenje velike prodorne moći (savladalo je prepreku od olovne ploče debljine 10–20 cm) pojačalo je svoj učinak pri prolasku kroz parafinsku ploču (vidi sliku). Procjena energije ovih čestica sa tragova u komori oblaka koju je izvršio Joliot-Curies i dodatna zapažanja omogućili su da se isključi početna pretpostavka da je ovo γ -quanta. Velika moć prodiranja novih čestica, zvanih neutroni, objašnjena je njihovom električnom neutralnošću. Uostalom, nabijene čestice aktivno stupaju u interakciju s materijom i brzo gube energiju. Postojanje neutrona je predvidio E. Rutherford 10 godina prije eksperimenata D. Chadwiga. Na udaru α -čestice u jezgri berilija dolazi do sljedeće reakcije:
Evo simbola neutrona; njegov naboj je jednak nuli, a relativna atomska masa je približno jednaka jedan. Neutron je nestabilna čestica: slobodni neutron u vremenu od ~ 15 min. raspada na proton, elektron i neutrino - česticu bez mase mirovanja.
Nakon otkrića neutrona od strane J. Chadwicka 1932., D. Ivanenko i W. Heisenberg su nezavisno predložili proton-neutronski (nukleonski) model jezgra. Prema ovom modelu, jezgro se sastoji od protona i neutrona. Broj protona Z poklapa se sa serijskim brojem elementa u tabeli D. I. Mendeljejeva.
Core charge Q određena brojem protona Z, koji su dio jezgra, a umnožak je apsolutne vrijednosti naboja elektrona e:
Q = + Ze.
Broj Z pozvao broj nuklearnog punjenja ili atomski broj.
Maseni broj jezgra ALI pozvao ukupan broj nukleoni, odnosno protoni i neutroni sadržani u njemu. Broj neutrona u jezgru je označen slovom N. Dakle, maseni broj je:
A = Z + N.
Nukleonima (protonu i neutronu) se dodjeljuje maseni broj jednak jedan, a elektronu nula vrijednost.
Otkriće je također olakšalo ideju o sastavu jezgra izotopi.
Izotopi (od grč. isos jednaki, isti i topoa- mjesto) - to su vrste atoma istog hemijskog elementa, čija atomska jezgra imaju isti broj protona ( Z) i različit broj neutrona ( N).
Jezgra takvih atoma nazivaju se i izotopi. Izotopi su nuklidi jedan element. Nuklid (od lat. jezgro- nukleus) - bilo koje atomsko jezgro (odnosno, atom) sa datim brojevima Z I N. Opšta oznaka nuklida je ……. gdje X- simbol hemijskog elementa, A=Z+N- maseni broj.
Izotopi zauzimaju isto mjesto u periodnom sistemu elemenata, pa otuda i njihovo ime. U pravilu, izotopi se značajno razlikuju po svojim nuklearnim svojstvima (na primjer, u njihovoj sposobnosti da uđu u nuklearne reakcije). Hemijska (i gotovo podjednako fizička) svojstva izotopa su ista. Ovo se objašnjava sa Hemijska svojstva elementa određeni su nabojem jezgra, budući da je on taj koji utječe na strukturu elektronske ljuske atoma.
Izuzetak su izotopi lakih elemenata. Izotopi vodonika 1 H — protium, 2 H— deuterijum, 3 H — tricijum toliko se razlikuju po masi da su im fizička i hemijska svojstva različita. Deuterijum je stabilan (tj. nije radioaktivan) i uključen je kao mala nečistoća (1:4500) u obični vodonik. Deuterijum se spaja sa kiseonikom i formira tešku vodu. Ona je normalna atmosferski pritisak ključa na 101,2°C i smrzava se na +3,8°C. Tricijum β je radioaktivan s vremenom poluraspada od oko 12 godina.
Svi hemijski elementi imaju izotope. Neki elementi imaju samo nestabilne (radioaktivne) izotope. Za sve elemente, radioaktivni izotopi su umjetno dobiveni.
Izotopi uranijuma. Element uranijum ima dva izotopa - sa masenim brojevima 235 i 238. Izotop je samo 1/140 od uobičajenijeg.
