Почему массовое число электрона 0

Почему массовое число электрона 0

Явление β-распада состоит в том, что ядро(A,Z) самопроизвольно испускает лептоны 1-го поколения – электрон (позитрон) и электронное нейтрино (электронное антинейтрино), переходя в ядро с тем же массовым числом А, но с атомным номером Z, на единицу большим или меньшим. При e-захвате ядро поглощает один из электронов атомной оболочки (обычно из ближайшей к нему K-оболочки), испуская нейтрино.В литературе для e-захвата часто используется термин EC (Electron Capture).
Существуют три типа β-распада – β — -распад, β + -распад и е-захват.

β — : (A, Z) → (A, Z+1) + e — + e, β + : (A, Z) → (A, Z-1) + e + + νe, е: (A, Z) + e — → (A, Z-1) + νe.

(3.1)

Главной особенностью β-распада является то, что он обусловлен слабым взаимодействием. Бета-распад — процесс не внутриядерный, а внутринуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. Происходящие при этом внутри ядра превращения нуклонов и энергетические условия β — распада имеют вид (массу нейтрино полагаем нулевой):

β — (n → p + e — + e), M(A, Z) > M(A, Z+1) + me, β + (p → n + e + + νe), M(A, Z) > M(A, Z-1) + me, e-захват (p + e — → n + νe), M(A, Z) + me > M(A, Z-1).

(3.2)

β-распад, также как и α-распад, происходит между дискретными состояниями начального (A,Z) и конечного (A,Z±1) ядер. Поэтому долгое время после открытия явления β-распада было непонятно, почему спектры электронов и позитронов, вылетающих из ядра при β-распаде были непрерывными, а не дискретными, как спектры α-частиц.
На рис. 3.1 показаны спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β — -распаде изотопа 40 K.

Рис. 3.1. Спектры электронов и антинейтрино, образующихся при β — -распаде изотопа 40 K,
40 K → 40 Ca + e — + _e.

Считалось даже, что в β-распаде не выполняется закон сохранения энергии. Объяснение непрерывного характера β-спектра было дано В. Паули, который высказал гипотезу, что при β-распаде вместе с электроном рождается ещё одна частица с маленькой массой, т.е. β-распад − трехчастичный процесс. В конечном состоянии образуется ядро (A,Z±1), электрон и лёгкая нейтральная частица – нейтрино (антинейтрино). Т.к. масса ядра (A,Z±1) гораздо больше масс электрона и нейтрино, энергия β-распада уносится лёгкими частицами. Распределение энергии β-распада Q_β между электроном и этой нейтральной частицей приводит к непрерывному β-спектру электрона.
Из закона сохранения энергии следует, что спектр антинейтрино зеркально симметричен спектру электронов.

где N_ν(E) − число антинейтрино с энергией Е, N_e(Q_β – E) − число электронов с энергией (Q_β – E), Q_β − энергия β-распада, равная суммарной энергии, уносимой электроном и антинейтрино (энергия ядра отдачи 40 Ca не учитывается).
Наряду с законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения в процессе β-распада выполняются законы сохранения барионного B и электронного лептонного L_e квантовых чисел.

• Электроны, нейтрино имеют B = 0, L_e = +1.
• Позитроны, антинейтрино имеют B = 0, L_e = −1.
• Каждый нуклон, входящий в состав ядра, имеет B = +1, L_e = 0.

Поэтому появление электрона при β — -распаде всегда сопровождается образованием антинейтрино. При β + -распаде образуются позитрон и нейтрино. При е-захвате из ядра вылетают нейтрино. Так как е-захват – двухчастичный процесс, спектры нейтрино и ядра отдачи являются дискретными. Наблюдение дискретного спектра ядер отдачи, образующихся при е-захвате, было первым подтверждением правильности гипотезы Паули.
β-радиоактивные ядра имеются во всей области значений массового числа A, начиная от единицы (свободный нейтрон) и кончая массовыми числами самых тяжелых ядер.
За счет того, что интенсивность слабых взаимодействий, ответственных за β-распад, на много порядков меньше ядерных, периоды полураспада β-радиоактивных ядер в среднем имеют порядок минут и часов. Для того чтобы выполнялись законы сохранения энергии и углового момента при распаде нуклона внутри ядра, оно должно перестраиваться. Поэтому период, а также другие характеристики β-распада в сильной степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды β-распада варьируются почти в столь же широких пределах, как и периоды α-распада. Они лежат в интервале T_1/2(β) = 10 -6 с – 10 17 лет.

«Дорогие радиоактивные дамы и господа.

Имея в виду… непрерывный β-спектр, я предпринял отчаянную попытку спасти обменную статистику и закон сохранения энергии. Именно имеется возможность того, что в ядрах существуют электрически нейтральные частицы, которые я буду называть «нейтронами» и которые обладают спином 1/2. Масса «нейтрона» по порядку величины должна быть сравнимой с массой электрона и во всяком случае не более 0.01 массы протона. Непрерывный β-спектр тогда стал бы понятным, если предположить, что при распаде вместе с электроном испускается ещё и «нейтрон» таким образом, что сумма энергий «нейтрона» и электрона остаётся постоянной».

После открытия в 1932 г. нейтрона Э.Ферми предложил называть частицу В.Паули «нейтрино». В 1933 г. на Сольвеевском конгрессе В. Паули выступил с докладом о механизме β-распада с участием нейтральной частицы со спином J = 1/2. Гипотеза Паули спасла не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента. Антинейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 г. в экспериментах Ф. Райнеса и К. Коэна.

На малую интенсивность слабых взаимодействий указывает большое среднее время жизни нейтрона (τ ≈ 15 мин).
β-распад разрешен при выполнении соотношений (3.2). В этих соотношениях фигурируют массы исходного и конечного ядер, лишенных электронных оболочек, т.к. в масс-спектроскопических измерениях определяются не массы ядер, а массы атомов ат M. Поэтому в справочных таблицах обычно приводятся массы атомов. Массы исходного и конечного атомов связаны с массами ядер соотношениями

ат M(A,Z) = M(A,Z) + Zm e .

(3.3)

В (3.3) не учитываются энергии связи электронов в атомах, т.к. они находятся на границе точности самых прецизионных измерений. Подставив (3.3) в (3.2), получим условия нестабильности атома по отношению к β-распаду

β — : ат M(A, Z) > ат M(A, Z+1),
β + : ат M(A, Z) > ат M(A, Z-1) + 2m_e,
e: ат M(A, Z) > ат M(A, Z-1).

При β + -распаде и электронном захватив ядре происходит один и тот же процесс превращения протона в нейтрон. Поэтому оба эти процесса могут идти для одного и того же ядра и часто конкурируют друг с другом. Из сравнения условий для этих двух видов распада видно, что с энергетической точки зрения электронный захват более выгоден. В частности, если начальный и конечный атомы удовлетворяют неравенствам

ат M(A,Z-1) + 2m e > ат M(A,Z) > ат M(A,Z-1),

(3.5)

то электронный захват разрешен, а β + -распад запрещен. Такая ситуация имеет место при превращении изотопа бериллия 7 Be в результате е-захвата в изотоп лития 7 Li . В ядре 7 Be происходит электронный захват

е — + 7 Be → 7 Li + νe,

(3.6)

и запрещён позитронный распад, так как различие масс атомов в энергетической шкале составляет 0.861 МэВ, т. е. меньше, чем 2m е c 2 = 1.02 МэВ.
Энергия β — распада, выраженная через массы атомов, имеет вид

β — : Q_β = [ ат M(A, Z) − ат M(A, Z+1)]c 2 ,
β + : Q_β = [ ат M(A, Z) − ат M(A, Z-1) − 2m_e]c 2 ,
e: Q_β = [ ат M(A, Z) − ат M(A, Z-1)]c 2 .

Она заключена в интервале от 18.61 кэВ при распаде трития

3 H → 3 He + e — + _e,

до 13.4 МэВ при распаде тяжелого изотопа бора

12 B → 12 C + e — + _e.

Кулоновский барьер при β — распаде несуществен. Это обусловлено тем, что у позитрона и у электрона, массы, а следовательно и импульсы малы. Поэтому, образовавшись в результате распада нуклона, они не могут долго находиться в ядре в соответствии с соотношением неопределенности. Кроме того, между образовавшейся при β + -распаде заряженной частицей e + действуют кулоновские силы, а не ядерные силы, как в случае α-распада. Из-за более слабой зависимости от энергии β-распада по сравнению с α-распадом, β-распад часто происходит на возбужденные состояния конечного ядра.
При β-распаде существенную роль играет полный момент количества движения J, уносимый лептонами.
Процесс e-захвата сопровождается испусканием характеристического рентгеновского излучения атомом (A,Z-1).

НОВЫЙ ТИП РАДИОАКТИВНОСТИ
Ирен Кюри и Ф. Жолио
(Comptes Rendus 198 , 254–256, 1934)

Нами было недавно показано методом камеры Вильсона, что некоторые лёгкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их α-лучами полония.
Испускание положительных электронов некоторыми лёгкими элементами, облучёнными α-лучами полония, сохраняется в течение некоторого более или менее продолжительного времени после удаления источника α-лучей; в случае бора это время превосходит полчаса. Алюминиевая фольга помещается на расстоянии 1 мм от полониевого источника. После облучения в течение приблизительно 10 минут фольга помещается над счётчиком Гейгера-Мюллера с окошком, толщина которого 7/100 мм алюминия. При этом фольга испускает излучение, интенсивность которого уменьшается экспоненциально со временем с периодом 3 мин. 15 сек. Аналогичные результаты получены с бором и магнием, причём периоды полураспада различны, а именно: 14 мин. для бора и 2 мин. 30 сек. для магния.
Эти, опыты указывают на существование нового типа радиоактивности, сопровождаемой испусканием, положительных электронов. Мы полагаем, что в случае алюминия реакция происходит следующим образом:

27 Al + 4 He → 30 P + n.

Изотоп 30 P является радиоактивным с периодом в 3 мин. 15 сек. и испускает положительные электроны согласно реакции

При β + -распаде один из протонов ядра превращается в нейтрон. При этом испускается позитрон e + и электронное нейтрино ν_e.

При е-захвате в результате взаимодействия протона с электроном атомной оболочки происходит превращение протона в нейтрон с испусканием из ядра электронного нейтрино ν_e.

Энергетические диаграммы масс атомов (A,Z), (A,Z-1) и (A,Z+1) при β + -распаде, e-захвате и β — -распаде.

а) e-захват возможен, если масса исходного атома ат M(A,Z) больше массы атома
ат M(A,Z-1), образующегося в результате e-захвата. Вся энергия e-захвата Q_{e- захв} уносится антинейтрино, образующимся при β-распаде. β + -распад возможен только в том случае, если масса исходного атома ат M(A,Z) превышает массу атома ат M(A,Z-1), образующегося в результате β + -распада на 2m_e. Разность энергий Q_β+ = ( Q_{e- захв} − 2m_e) равна энергии β + -распада. Энергия Q_β+ равна максимальной энергии, которую имеет позитрон в результате β + -распада. Если масса исходного атома ат M(A,Z) больше массы атома ат M(A,Z-1), но разность масс ат M(A,Z) − ат M(A,Z-1) не превышает величину 2m_e, β + -распад запрещён законом сохранения энергии, а е-захват возможен.
б) β — -распад возможен, если масса исходного атома ат M(A,Z) больше массы атома
ат M(A,Z +1 ), образующегося в результате β — -распада. Q_β- − энергия, выделяющаяся в результате β — -распада, она равна верхней границе β-спектра, максимальной энергии, которую имеет электрон в результате β — -распада.

Зависимость энергий β — -распада Q_β- и β + -распада Q_β+ изотопов Z = 11, Z = 21, Z = 31 от массового числа A.

Зависимость энергий β — -распада Q_β- и β + -распада Q_β+ изотопов Z = 51, Z = 81, Z = 91 от массового числа A.

Разрешенные и запрещенные β-распады

Бета-распады разделяются на разрешенные и запрещенные, различающиеся вероятностями переходов. К разрешенным переходам относятся переходы, при которых суммарный орбитальный момент l, уносимый электроном и нейтрино, равен нулю. Запрещенные переходы подразделяются по порядку запрета, который определяется орбитальным моментом l.
l = 1 − запрещенный переход первого порядка,
l = 2 − второго порядка и т. д.
Отношения вероятностей вылета частицы с орбитальными моментами l = 0 (w₀) и l ≠ 0 (w_l)

R − радиус ядра, − длина волны.
Бета-распады также делятся на переходы типа Ферми, при которых спины вылетающих лептонов антипараллельны, и переходы типа Гамова-Теллера, при которых спины вылетающих лептонов параллельны.
Сильную зависимость вероятности бета-переходов от орбитального момента вылетающих лептонов можно понять из следующего качественного рассмотрения. На ядро с радиусом R налетает частица с импульсом p и прицельным параметром b. Классический момент импульса pb равен величине орбитального момента

Для прицельного параметра b в классическом приближении должно выполняться условие

Для лептонов в релятивистском случае

T − кинетическая энергия вылетающего лептона.

Радиусы даже самых тяжелых ядер меньше 10 Фм. Положив радиус равным 10 Фм, а энергию β-распада 20 МэВ, получим

200 МэВ·Фм/20 МэВ < 10 Фм.

Видно, что орбитальный момент вылетающих при бета-распаде лептонов при квазиклассическом рассмотрении может быть только нулевой, а переходы с l ≠ 0 запрещены. Однако квантовые свойства частиц приводят к тому, что такие запрещенные переходы происходят, хотя они и сильно подавлены.

Процесс е-захвата электрона атомной оболочки конкурирует с β + -распадом. При этом как правило вероятность захвата электрона с K-оболочки гораздо выше, чем вероятность захвата электрона с L-оболочки. Процесс е-захвата сопровождается испусканием рентгеновского излучения, регистрируя которое можно обнаружить процесс е-захвата. На рисунке показано отношение вероятности K-захвата к вероятности β + -распада

для различных энергий β-распада Q_β.

β — -распад нейтрона, изотопов 3 H и 6 He.

На примере β-распадов нейтрона, изотопов 3 H и 6 He можно проследить зависимость периода полураспада β — -излучателей от энергии β — -распада.

Изотоп	Энергия β — -распада	Период полураспада
3 H	0.02 МэВ	10.3 года
n	0.78 МэВ	10.2 мин
6 He	3.5 МэВ	0.8 с

е-захват в изотопа 7 Be

Если массы начального M_i и конечного M_f ядер удовлетворяют условиям

то в таких ядрах е-захват разрешен, а β + -распад запрещён. Такая ситуация наблюдается при е-захвате в 7 Be. В ядре 7 Be возможен е-захват, а β + -распад энергетически запрещен, так как различие масс атомов 7 Be и 7 Li составляет 0.86 МэВ, что меньше, чем 2m_ec 2 = 1.02 МэВ.
Период полураспада 7 Be составляет 53.22 дня.
В результате е-захвата

7 Be + e — → 7 Li + ν_e

в конечном состоянии образуется изотоп 7 Li и нейтрино. Энергия, высвобождающаяся в результате е-захвата, составляет 0.86 МэВ. Изотоп 7 Li в 89.7% распадов 7 Be образуется в основном состоянии J P = 3/2 — и в 10.3% распадов в возбужденном состоянии E* = 0.477 МэВ, J P = 1/2 — . Спектр, образующихся при е-захвате нейтрино дискретный. При распаде на основное состояние энергия нейтрино E_ν = 0.86 МэВ, при распаде на возбужденное состояние энергия нейтрино E_ν = 0.385 МэВ.

β-распад внутринуклонный процесс. В ядре распадается одиночный нуклон. Однако в процессе β-распада происходит перестройка ядра. Поэтому период полураспада а также другие характеристики β-распада в значительной степени зависят от того насколько сложна эта перестройка. Стабильные по отношению к β-распаду ядра при всех А располагаются вокруг значений Z равн с возможным небольшим разбросом в обе стороны за счет индивидуальных особенностей ядер.

Отношение вероятности ω l /ω 0 вылета частицы с орбитальными моментами l и 0 из ядра радиуса R определяется соотношением

Основные состояния изотопов 14 С, 14 O и первое возбужденное состояние 14 N
E* = 2.31 МэВ J P = 0 + образуют изотопический триплет

Вероятность β-распада сильно зависит от структуры начального и образующегося в результате β-распада ядер.
При β + -распаде изотопа 14 O → 14 N + e + + ν_e протон, находящийся на оболочке 1p_1/2 в изотопе 14 O, превращаясь в нейтрон, переходит на вакантную оболочку 1p_1/2 изотопа 14 N. Волновые функции начального состояния ядра 14 O и конечного состояния ядра 14 N максимально перекрываются (переход Ферми ΔJ = 0, ΔP = 0). Период полураспада изотопа 14 O T_1/2 = 70.6 с.
β — -распад изотопа 14 С → 14 N + e — + _e может происходить только на основное состояние изотопа 14 N, имеющее J P = 1 + . Такой переход возможен только при перевороте спина нуклона. Период полураспада в этом случае T_1/2 = 5730 лет.

Зависимость изменения масс атомных ядер-изобар от заряда ядра Z для нечетных и четных массовых чисел A.

При β-распаде ядра с нечетным массовым числом A происходит превращение четно-нечетного по протонам и нейтронам ядра в нечетно-четное или, наоборот, нечетно-четного в четно-нечетное. При β-распаде ядер с четным массовым числом A происходит превращение четно-четного ядра в нечетно-нечетное или, наоборот, нечетно-нечетного в четно-четное.
Поэтому из-за сил спаривания в атомных ядрах зависимость масс ядер-изобар с четным массовым числом A от заряда Z описывается двумя параболами. На верхней параболе располагаются менее устойчивые ядра с нечетным Z, на нижней − более устойчивые с четным Z. Это может приводить к существованию до 3 стабильных ядер-изобар, т.к. ядро с зарядом (Z₀+2) в некоторых случаях из-за разности энергий не может перейти в результате β-распада в ядро (Z₀+1), а ядро (Z₀-2) в ядро (Z₀-1). Однако при этом появляется принципиальная возможность β-распада с изменением заряда ядра на 2 единицы с испусканием двух электронов и двух антинейтрино или двух позитронов и двух нейтрино.

Этот тип радиоактивного распада называется двойным β-распадом.
Двойной β-распад возможен также при одновременном захвате двух атомных электронов. Ядра с нечетным массовым числом A располагаются на одной параболе.

β-распад ядер-изобар с массовым числом A = 89.

В ядрах-изобарах с нечетным массовым числом A, как правило, существует один стабильный изотоп. В данном случае это изотоп 89 Y. Изотоп 89 Y образуется как в результате β — -распада 89 Sr, так и в результате β + -распада и е-захвата изотопа 89 Zr. Из вероятностей распада 89 Sr и 89 Zr на различные состояния 89 Y видна сильная зависимость вероятности β-распада от спинов и четностей состояний, между которыми происходит β-распад.

β-распад ядер-изобар с массовым числом A = 122.

В ядрах-изобарах с четным массовым числом A возможны два стабильных изотопа. В данном случае это 122 Sn (содержание в естественной смеси изотопов 4.63%) и 122 Te (содержание в естественной смеси изотопов 2.55%). Изотоп 122 Sb распадается в основном в результате β-распада (≈ 97%). β-распады часто происходят на возбужденные состояния ядер-изобар.

β-распад ядер-изобар с массовым числом A = 27.

Изотопы 27 Al и 27 Si являются зеркальными ядрами, имеющими в основном состоянии J P = 5/2 + . Неспаренный нуклон находится на оболочке 1d 5/2 . Зеркальная симметрия изотопов 27 Si и 27 Al увеличивает вероятность внутриядерного распада
p → n + e — + _e, чем объясняется маленькая величина периода полураспада
T_1/2( 27 Si) = 4.2 с. Зеркальная симметрия объясняет почему со 100% вероятностью β + -распад происходит на основное состояние 27 Al

β-распад ядер-изобар с массовым числом A = 34.

В ядрах-изобарах с массовым числом A = 34 есть только один стабильный изотоп 34 S. Изотоп 34 S образуется как в результате β — -распада 34 P, так и в результате е-захвата и β + -распада 34 Cl. Распад изотопа происходит с вероятностью 100% на основное состояние ядра 34 S. Объясняется это тем, что в основных состояниях оба изотопа имеют одинаковую спин-четность J P = 0 + . Распад изомерного состояния J P = 3 + , E* = 0.145 МэВ изотопа 34 Cl происходит на возбужденные состояния 34 S с энергией E* > 2 МэВ.

β — -распад ядер-изобар A = 73 31 Ga, 32 Ge, 33 As и 34 Se.

Среди ядер изобар A = 73 стабильным изотопом является изотоп 73 Ge. Изотоп 73 Ga распадается в результате β — -распада.
Распад изотопа 73 Se происходит в результате как е-захвата, так и β + -распада.В случае 73 Se β + -распад и е-захват ЕС происходят как из основного состояния J P = 9/2 + , так и изомерного E* = 25.7 кэВ, J P = 3/2 — . Основное состояние 73 Se имеет J P = 9/2 + . Изомерное состояние E* = 0.025 МэВ, J P = 3/2 — . Вероятность изомерного перехода 73m Se → 73 Se составляет 72.6%, вероятность β-распада 27.4%. β-распад 73 Se из основного состояния происходит с вероятностью 100% на возбужденное состояние E* = 0.42 МэВ J P = 9/2 + .
е-захват из основного состояния 73 As J P = 3/2 — со 100% вероятностью происходит на изомерное состояние 73 Ge E* = 0.067 МэВ, J P = 1/2 — , что свидетельствует о сильной зависимости вероятности β-распада от полного момента количества движения, уносимого лептонами.

Распад ядер-изобар A = 210.

В тяжелых ядрах α-распад и β-распад часто конкурируют. На рис. показана энергетическая диаграмма α- и β-распадов ядер-изобар A = 210 Pb (Z = 82), Bi (Z = 83) и Po (Z = 84).
Особенности распадов ядер-изобар A = 210:

1. Изотоп 210 Pb распадается со 100% вероятностью в результате β-распада на основное (19%) и первое возбужденное (81%) состояния изотопа 210 Bi. Вероятностью α-распада 210 Pb составляет 10 -6 %.
2. Основное состояние изотопа 210 Bi также преимущественно распадется в результате β-распада. α-распад основного состояния 210 Bi составляет 10 -4 %.

Возбужденное состояние 210 Bi E* = 0.268 МэВ J P = 9 — распадается практически со 100% вероятностью с испусканием α-частиц. β-распад этого состояния составляет ~0.4%.

Бета-распад на связанное состояние атома

Накопители тяжелых ионов открывают принципиально новые возможности в исследовании свойств экзотических ядер. В частности, они позволяют накапливать и в течение длительного времени использовать полностью ионизованные атомы – «голые» ядра. В результате становится возможным исследовать свойства атомных ядер, у которых нет электронного окружения и в которых отсутствует кулоновское воздействие внешней электронной оболочкис атомным ядром.

Рис. 3.2 Схема e-захвата в изотопе (слева) и полностью ионизованных атомах и (справа)

Распад на связанное состояние атома был впервые обнаружен в 1992 г. Наблюдался β — -распад полностью ионизованного атома на связанные атомные состояния [H. Jung et al. Phys. Rev. Lett. 69 #15, 1992, p.2164]. Ядро 163 Dy на N-Z диаграмме атомных ядер помечено черным цветом. Это означает, что оно является стабильным ядром. Действительно, входя в состав нейтрального атома, ядро 163 Dy стабильно. Его основное состояние (5/2 + ) может заселятся в результате e-захвата из основного состояния (7/2 + ) ядра 163 Ho. Ядро 163 Ho, окруженное электронной оболочкой,β — -радиоактивно и его период полураспада составляет ~10 4 лет. Однако это справедливо только если рассматривать ядро в окружении электронной оболочки. Для полностью ионизированных атомов картина принципиально другая. Теперь основное состояние ядра 163 Dy оказывается по энергии выше основного состояния ядра 163 Ho и открывается возможность для распада 163 Dy (рис. 3.2)

Образующийся в результате распада электрон может быть захвачен на вакантную К или L-оболочку иона . В результате распад (3.8) имеет вид

→ + e — + _e (в связанном состоянии).

Энергии β-распадов на K и L-оболочки равны соответственно (50.3±1) кэВ и (1.7±1) кэВ. Для наблюдения распада на связанные состояния K- и L-оболочки в накопительном кольце ESR в GSI было накоплено 10 8 полностью ионизированных ядер . В течение времени накопления в результате β + -распада образовывались ядра (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Динамика накопления ионов: а — ток накопленных в накопительном кольце ESR ионов Dy 66+ во время разных стадий эксперимента, β- интенсивности ионов Dy 66+ и Ho 67+ , измеренные внешним и внутренним позиционно-чувствительными детекторами соответственно

Так как ионы Ho 66+ имеют практически то же отношение M/q, что и ионы первичного пучка Dy 66+ , они накапливаются на одной и той же орбите. Время накопления составляло ~ 30 мин. Для того, чтобы измерить период полураспада ядра Dy 66+ , накопленный на орбите пучок было необходимо очистить от примеси ионов Ho 66+ . Для очистки пучка от ионов в камеру инжектировалась аргоновая газовая струя плотностью 6·10 12 атом/см 2 , диаметром 3 мм, которая пересекала накопленный пучок ионов в вертикальном направлении. За счет того, что ионыHo 66+ захватывали электроны, они выбывали с равновесной орбиты. Очистка пучка проходила в течение приблизительно 500 с. После чего газовая струя перекрывалась и в кольце продолжали циркулировать ионы Dy 66+ и вновь образовавшиеся (после выключения газовой струи) в результате распада ионы Ho 66+ . Продолжительность этого этапа менялась от 10 до 85 мин. Детектирование и идентификация Ho 66+ базировались на том, что Ho 66+ можно еще сильнее ионизировать. Для этого на последнем этапе в накопительное кольцо снова инжектировалась газовая струя. Происходило обдирание последнего электрона с иона 163 Ho 66+ и в результате получался ион 163 Ho 67+ . Рядом с газовой струей располагался позиционно-чувствительный детектор, которым регистрировались выбывающие из пучка ионы 163 Ho 67+ . На рис. 3.4 показана зависимость числа образующихся в результате β-распада ядер 163 Ho от времени накопления. На вставке показано пространственное разрешение позиционно-чувствительного детектора.
Таким образом, накопление в пучке 163 Dy ядер 163 Ho явилось доказательством возможности распада

→ + e — + _e (в связанном состоянии).

Рис. 3.4. Отношение дочерних ионов 163 Ho 66+ к первичным 163 Dy 66+ в зависимости от времени накопления. На врезке пик 163 Ho 67+ , зарегистрированный внутренним детектором

Варьируя интервал времени между очисткой пучка от примеси Ho 66+ и временем регистрации вновь образующихся в пучке примеси ионов Ho 66+ , можно измерить период полураспада полностью ионизированного изотопа Dy 66+ . Оно оказалось равным ~0.1 года.
Аналогичный распад был обнаружен и для 187 Re 75+ . Полученный результат крайне важен для астрофизики. Дело в том, что нейтральные атомы 187 Re имеют период полураспада 4·10 10 лет и используются как радиоактивные часы. Период полураспада 187 Re 75+ составляет всего 33±2 года. Поэтому в астрофизические измерения необходимо вносить соответствующие поправки, т.к. в звездах 187 Re чаще всего находится в ионизированном состоянии.
Изучение свойств полностью ионизованных атомов открывает новое направление исследований экзотических свойств ядер, лишенных кулоновского воздействия внешней электронной оболочки.

Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Опыт Ву

Ориентации спинов и импульсов при β-распаде кобальта.

Впервые несохранение пространственной четности в слабых взаимодействиях было обнаружено в эксперименте Ву и др. в 1957 г. В эксперименте использовался β – -радиоактивный источник 60 Co, помещенный в магнитное поле. Ядро 60 Co имеет спин J = 5 и большую величину магнитного момента, что позволяет получить высокую степень поляризации ядер в магнитном поле. Источник 60 Co, помещался в магнитное поле кругового тока, под действием которого спины ядер выстраивались вдоль направления поля. Для того, чтобы тепловое движение не уничтожило поляризацию 60 Co охлаждался до низкой температуры ~0.01 о K. Измерялось количество электронов β -распада

60 Co → 60 Ni + e — + _e,

испущенных по направлению магнитного поля (спинов ядер) и в противоположном направлении. Вся установка зеркально симметрична относительно плоскости, в которой расположен круговой ток.
При зеркальном отражении импульс (полярный вектор) изменяет направление на противоположное, а напряженность магнитного поля, магнитный момент, спин (аксиальные вектора) направления не изменяют. Из закона сохранения пространственной четности в сферических координатах для квадрата модуля волновой функции

ψ |(r,θ,j )| 2 = ψ |(r,π-θ,j )| 2 ,

следует, что вероятности испускания частиц под углами θ и π-θ равны. Если бы пространственная четность сохранялась, что эквивалентно зеркальному отражению, должно было бы регистрироваться одинаковое количество электронов, как по направлению магнитного поля, так и в противоположном направлении. Оказалось, что электроны испускаются преимущественно в направлении противоположном направлению спинов ядер (магнитного поля), т.е. тем самым было доказано, что в слабых распадах четность не сохраняется. Спин антинейтрино всегда направлен по импульсу (положительная или правая спиральность), спин нейтрино − против импульса (отрицательная или левая спиральность).

Слабые взаимодействия и несохранения четности
Цзун-дао Ли

Первым экспериментом, в котором однозначно установлено несохранение четности, был эксперимент по изучению углового распределения β-электронов от ядер поляризованного кобальта-60. Ядра кобальта-60 поляризовались в магнитном поле при очень низких температурах. Действительно, в этом эксперименте направление кругового электрического тока в соленоиде, создающем поляризующее магнитное поле, совместно с направлением предпочтительного испускания β-электронов однозначно отделяют правую систему координат от левой. Таким образом, несохранение четности (или, другими словами, неинвариаптность относительно зеркального отражения) может быть установлено без каких-либо теоретических соображении…

Теория является неинвариантной относительно оператора четности P, который, по определению, изменяет знаки у всех пространственных координат, но не переводит частицу в античастицу. Под влиянием этого оператора изменяется на обратное направление импульса частицы, но не изменяется направление спина частицы. Так как в двухкомпонентной теории спин и импульс всегда антипараллельны для нейтрино, то применение оператора P к нейтринному состоянию переводит нейтрино в несуществующее состояние. Следовательно, теория неинвариантна относительно преобразования зеркального отражения.
Подобным же образом можно показать, что теория неинвариантна относительно преобразования зарядового сопряжения, которое переводит частицу в античастицу, но не изменяет направлений импульса и спина.

УФН, т. 66, вып. 1, стр. 89 (1958)

Закон сохранения четности и другие законы симметрии
Чень-ин Янг

Открытие закона сохранения четности восходит к 1924 г., когда Лапорт нашел, что в сложных атомах энергетические уровни могут быть разбиты на два класса: «штрихованные» уровни и «нештрихованные» уровни, или, говоря современным языком, четные и нечетные уровни.
В 1927 г. Вигнер сделал решающий шаг в доказательстве, что эмпирическое правило Лапорта является следствием инвариантности электромагнитных сил и атомах относительно зеркального отражения (или, что то же самое, относительно симметрии правого и левого). Эта фундаментальная идея быстро вошла в плоть и кровь физики. Так как наличие и в других взаимодействиях симметрии между правым и левым не вызывало сомнения, то эта идей была распространена на другие области физики: на ядерные реакции, β-распад, взаимодействие мезонов и взаимодействие странных частиц. Почему так случилось, что среди множества экспериментов по β-распаду – наиболее исчерпывающе исследованному процессу из числа слабых взаимодействий – не было указаний на сохранение четности в слабых взаимодействиях? Это случилось благодаря комбинации двух причин. Во-первых, потому, что у нейтрино отсутствует масса, что приводит к неопределенности, не позволяющей получить косвенных указаний о выполнении закона сохранения четности из таких простых экспериментов, как изучение β-спектра. Во-вторых, чтобы непосредственно проверить выполнение закона сохранения четности в β-распаде, недостаточно изучать только четности ядерных уровней, как это всегда делалось. Надо изучать сохранение четности в целом во всем процессе распада. Другими словами, надо было предложить эксперимент, который бы проверил симметрию правого и левого в β-распаде. Такие эксперименты не были сделаны.

Hecoхранениe четности
Новые открытия, касающиеся симметрии законов природы
В. Вейспопф и Л. Родберг

Новые недавно выполненные в ядерной физике опыты свидетельствуют о том, что некоторые основные свойства природы имеют далеко не тот характер, который им приписывали. В истории физики редко случалось, чтобы изменение основных принципов следовало из результатов всего лишь нескольких опытов.
Прежде чем обсудить сами опыты, мы рассмотрим основной закон, ли который посягают полученные результаты. Это закон четности. Он может быть выражен в следующей форме: каждый процесс, происходящий в природе, может протекать и так, каким он виден отраженным в зеркале. Это значит, что природа зеркально симметрична. Зеркальное изображение любого объекта есть также возможный объект природы; движение любого объекта, рассматриваемого в зеркале, есть также движение, разрешаемое законами природы. Любой выполненный в лаборатории опыт может быть выполнен таким образом, каким он кажется в зеркале, и любой полученный при этом эффект должен быть зеркальным изображением действительного эффекта. Выражаясь кратко, законы природы инвариантны относительно отражения.
Опыт был выполнен в Государственном Бюро стандартов в Вашингтоне, где имеется криогенная техника для опытов при очень низких температурах. Опыт осуществили By из Колумбийского университета и Амблер, Хейворд, Хоппс и Хадеон из Государственного Бюро стандартов. Они ориентировали вращение ядер кобальта и сравнили электронные интенсивности в двух противоположных относительно оси вращения направлениях.
Этот опыт имеет несколько замечательных особенностей. Он принадлежит к тем опытам, произвести которые отважились бы немногие физики, ибо его результат «с очевидностью» следовал из зеркальной симметрии. Большие открытия всегда связаны с тем, что «очевидное» подвергается сомнению. В этом случае заслуга принадлежит двум физикам теоретикам – Ли из Колумбийского университета и Янгу из Института проблемных исследований, которые указали экспериментаторам на необходимость этого опыта. Ли и Янг предположили, что для некоторых слабых взаимодействий, подобных β-распаду, принцип четности может оказаться неверным.

УФН, т. 66, вып. 3, стр. 435 (1958)

Законы сохранения

Характеристика	Взаимодействие
	Сильное	Электро- магнитное	Слабое
Аддитивные законы сохранения
Электрический заряд, Q	+	+	+
Энергия, E	+	+	+
Импульс, p	+	+	+
Момент количества движения, J	+	+	+
Барионный заряд, B	+	+	+
Лептонные заряды Le, Lμ, Lτ	+	+	+
Странность, s	+	+	−
Charm, c	+	+	−
Bottom, b	+	+	−
Top, t	+	+	−
Изоспин, I	+	−	−
Проекция изоспина, I3	+	+	−
Мультипликативные законы сохранения
Пространственная четность, P	+	+	−
Зарядовая четность, C	+	+	−
Временная четность, T	+	+	−
Комбинированная четность, CP	+	+	−
CPT-четность	+	+	+
G-четность	+	−	−

Физика. 9 класс Почему у электрона массовое число 0?

. Оракул (78155) Ньютон умер лет за 150 до открытия электрона. Ещё раз говорю, что масса электрона на 3 порядка меньше массы нуклона. Так что учитывать её не имеет смысла.

Массу электрона не учитывают при подсчете массового числа атома ввиду ее малости по сравнению с протоном или нейтроном.

потому, что его вес самый маленький и он входит в массу атома! Ведь какое количество заряда ядра атома столько и электронов !
А возможно (будете проходить по алгебре в 11 классе)
О том что ноль может быть округлённым числом например 0=00000000,1(масса твоего электрона)
и поэтому его крайне малую массу неучитывают!

§ 35. Протонно-нейтронная модель строения ядра атома

Вы уже знаете, что вещества состоят из мельчайших частиц – атомов, взаимодействующих между собой. Изучая строение и свойства атома, можно создавать новые источники энергии, вещества с заранее заданными свойствами, использовать новые возможности в медицине, технологии производства. В этой связи необходимо ответить на вопросы: как устроен атом? Каким закономерностям он подчиняется?

В физике за атомную единицу массы (1 а.е.м.) принимается величина, равная массы изотопа углерода :

В экспериментах Резерфорда по изучению рассеяния α-частиц веществом было установлено, что в центральной части атома, размеры которого , находится положительно заряженное ядро, имеющее размер , в котором сосредоточено 99,96 % от массы атома (рис. 208).

Для завершения построения модели атома необходимо было ответить на вопрос: обладает ли атомное ядро структурой, и если обладает, то какой?
Наличие в ядре положительно заряженных частиц — протонов было экспериментально доказано Резерфордом с его учениками в 1919 г. Протон, обозначаемый латинской буквой p, представляет собой ядро атома водорода. Он обладает массой и зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона .

В 1930 г. немецкие ученые Вальтер Боте и Ганс Беккер, изучая реакции, происходящие при облучении бериллия α-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью, первоначально названное бериллиевыми лучами. В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик провел эксперименты по изучению свойств этого излучения и установил, что бериллиевые лучи состоят из электрически нейтральных частиц с массой, сравнимой с массой протона. Эти частицы он назвал нейтронами (от англ. neutral — нейтральный).

Нейтрон — еще одна частица наряду с электроном, протоном и фотоном. Эта частица обозначена латинской буквой n. Она имеет массу , совпадающую с массой протона, электрически нейтральна. Из-за отсутствия электрического заряда у нейтрона взаимодействие с веществом очень слабо. Вследствие этого нейтрон движется в веществе прямолинейно до тех пор, пока не столкнется с каким-либо атомным ядром. При столкновениях с тяжелыми атомами нейтрон почти не теряет энергию, как упругий мячик, отскакивающий от стены. При столкновении же с легкими атомами (водород, бериллий, углерод) нейтрон передает им часть своей энергии и начинает двигаться медленнее. Вещества, содержащие легкие атомы, называют замедлителями нейтронов. Наиболее эффективными замедлителями нейтронов являются вещества, содержащие водород (например, вода), вследствие того, что масса атома водорода близка к массе нейтрона. Со временем кинетическая энергия нейтрона становится такой же, как кинетическая энергия теплового движения частиц окружающей среды. Такие относительно медленно движущиеся нейтроны называются тепловыми.

Нейтроны устойчивы только в составе стабильных ядер. Нейтрон в свободном состоянии, т. е. находящийся вне ядра, является нестабильной частицей. Его среднее время жизни t = 886 c.

После открытия нейтронов в 1932 г. физики — советский Дмитрий Дмитриевич Иваненко и немецкий Вернер Гейзенберг — предложили протонно-нейтронную модель строения ядра. Согласно этой модели ядро состоит из частиц двух типов — протонов и нейтронов (рис. 209).

В соответствии с современными физическими представлениями протон и нейтрон являются двумя разными зарядовыми состояниями одной и той же частицы — нуклона (от лат. nucleus — ядро). В состоянии без электрического заряда нуклон является нейтроном, а в состоянии с положительным электрическим зарядом — протоном.

Число протонов в ядре называется зарядовым числом (атомным номером) и обозначается буквой Z (число протонов в ядре равно количеству электронов в нейтральном атоме). Зарядовое число совпадает с порядковым номером химического элемента в периодической системе элементов Менделеева. Общее число нуклонов называется массовым числом и обозначается буквой A. Массовое число совпадает с округленной до целого числа атомной массой элемента. Протон и нейтрон имеют массовое число А = 1, а электрон A = 0. Число нейтронов в ядре равно N = A − Z.

Для характеристики ядра достаточно знать зарядовое Z и массовое A числа. Для обозначения атомного ядра применяется такой же символ, как для соответствующего химического элемента. Слева внизу символа ставится зарядовое число ядра Z, а вверху — массовое число A. Например, символ обозначает ядро углерода, содержащего 12 нуклонов, 6 из которых протоны, а 6 других — нейтроны.

Атом с определенными значениями зарядового числа Z и массового числа A называется нуклидом.

В ядрах одного химического элемента всегда содержится одно и то же количество протонов, а число нейтронов может быть различным. Например, в ядрах углерода число протонов всегда 6, а число нейтронов может быть 5, 6, 7, 8, 9 или 10.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, называются изотопами (от греч. (изос) — одинаковый и τοπος (топос) — место) данного химического элемента. Например, хорошо известны изотопы водорода — дейтерий и тритий , которые содержат, соответственно, один и два нейтрона в ядре (рис. 210).

В 1962 г. физики и химики приняли за массовое число углерода величину, равную точно 12,00000 и рассчитали атомные массы всех остальных элементов относительно . Хотя массовое число изотопа обычно приводится целым числом, на самом деле оно «не совсем» целое. Так, например, массовые числа кислорода , калия и урана равны, соответственно, 18, 41, 235. Методами масс-спектроскопии удалось с очень большой точностью измерить массы отдельных изотопов. По отношению к углероду масса кислорода равна , калия —, урана — Масса протона , нейтрона —

Массы некоторых атомов приведены в таблице 10.

Таблица 10. Массы атомов некоторых химических элементов

Элемент	Изотоп	Масса атома, а.е.м	Элемент	Изотоп	Масса атома, а.е.м
Водород	1,00783	Углерод	11,01143
Водород	2,01410	Углерод	12,00000
Водород	3,01605	Азот	14,00307
Гелий	4,00260	Кислород	15,99491
Литий	6,01513	Фтор	18,99840
Литий	7,01601	Алюминий	26,98146
Берилий	8,00531	Кремний	27,98154
Берилий	9,01218	Уран	235,04393
Бор	10,01296	Уран	238,05079
Бор	11,00931	Плутоний	239,05216

Химические свойства элементов определяются не атомной массой, а зарядовым числом ядра, т. е. числом электронов в электрически нейтральном атоме элемента и их распределением по энергетическим уровням. Действительно, атомные массы изотопов различаются, а их химические свойства одинаковы. Например, атомы нуклидов водорода и гелия имеют близкие по величине атомные массы, но принципиально разные химические свойства.

В рамках протонно-нейтронной модели ядра возникает вопрос о его устойчивости. Действительно, между протонами, находящимися в ядре, действуют силы электростатического отталкивания огромной величины. Если считать расстояние между протонами , то модуль силы отталкивания , а гравитационная сила их притяжения составляет всего .

Чем же объясняется устойчивость ядра, если внутри него действуют такие огромные силы кулоновского отталкивания между протонами?
Причина устойчивости ядра кроется в существовании, кроме сил электростатического отталкивания между протонами (нуклонами), ядерных сил притяжения между нуклонами. Ядерные силы отличаются по своей природе как от сил электромагнитных, так и сил гравитационных. Они представляют новый вид взаимодействия между нуклонами, который называют сильным взаимодействием.

Ядерные силы обладают рядом отличительных свойств:

1) являются силами притяжения и отталкивания;
2) на расстояниях порядка размера ядра примерно в 100 раз превосходят по величине кулоновские силы отталкивания в ядре;
3) проявляются только на расстояниях между частицами порядка размера ядра , т. е. являются короткодействующими силами. На расстояниях, больших , они не проявляются;
4) не зависят от электрического заряда взаимодействующих нуклонов (ядерные силы между двумя протонами, нейтронами или протоном и нейтроном одинаковы). Это свойство называется зарядовой независимостью;
5) обладают свойством насыщения. Это означает, что находящиеся внутри ядра нуклоны могут взаимодействовать только со своими ближайшими соседями;
6) не являются центральными, т. е. они не направлены по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов.

Эксперименты показали, что многие ядра имеют примерно сферическую форму, а объем ядра пропорционален массовому числу А. Согласно экспериментальным данным радиус ядер возрастает в зависимости от массового числа в соответствии с формулой:

Так как объем шара , то объем ядра пропорционален массовому числу А. Вычислим плотность ядерного вещества:

Все ядра имеют плотность , а один кубический сантиметр ядерного вещества имеет массу 180 млн тонн.

Если бы можно было изготовить спичечную головку из ядерного вещества объемом несколько кубических миллиметров, то она имела бы массу около миллиона тонн. Это соответствует массе воды в кубическом резервуаре со стороной 100 м.

Так как массы и энергии ядерных величин в единицах СИ имеют очень малые значения, для удобства вычислений все массы в ядерной физике выражают в атомных единицах массы (а.е.м.), а энергии — в электронвольтах (эВ). Используя формулу Эйнштейна , массу также можно выразить в единицах энергии — электронвольтах: . Например, в атомных единицах массы масса электрона , масса протона , масса нейтрона , масса атома водорода , а в энергетических единицах , , .

Связь между различными единицами массы определяется следующими соотношениями:

Изотопы применяются в биологии для изучения фотосинтеза, для исследования использования растениями фосфора, азота, калия и микроэлементов, при исследовании процессов обмена веществ и биосинтеза; в медицине — при диагностике заболеваний, для радиоиммунного анализа и томографии; в экологии — для исследования переноса, накопления и распада различных загрязнителей в воздухе, воде и почве.

Дж. Чедвик за открытие нейтрона получил Нобелевскую премию по физике в 1935 г

Вопросы к параграфу

1. Когда и кем были открыты протон и нейтрон?
2. В чем сущность протонно-нейтронной модели атомного ядра?
3. Чему равен заряд и масса протона?
4. Что определяет атомный номер химического элемента в периодической системе элементов Менделеева?
5. Что определяет массовое числа атомного ядра? Зарядовое число?
6. Как в ядерной физике обозначается любой химический элемент?
7. Какие нуклиды обозначены символами X:

1. Что называют изотопами химического элемента? Что общего у различных изотопов одного и того же химического элемента? Чем они различаются?
2. Как называется число нуклонов в ядре?
3. Какие силы действуют между нуклонами в атомных ядрах?
4. Какими свойствами обладают ядерные силы?

Упражнение 21

1. Определите количество нуклонов в изотопах: а) актиния ; б) ксенона ; в) циркония .
2. Определите состав ядер атомов бора, кремния, брома.
3. Сколько нуклонов, нейтронов, протонов содержат нейтральные атомы:а) ; б) ; в) ; г) ; д)?
4. Определите элемент, в ядре которого содержится: а) 20 протонов и 20 нейтронов; б) 12 протонов и 14 нейтронов; в) 10 протонов и 12 нейтронов; г) 104 протона и 156 нейтронов.
5. Ядра, каких элементов получатся, если заменить нейтроны протонами, а протоны нейтронами в ядрах: а); б) ; в) .
6. Определите отношение радиусов ядер атома плутония , урана и водорода .
7. Используя приближенное соотношение, для определения радиуса (сферического) ядра (A— массовое число) рассчитайте: а) объем, занимаемый каждым нуклоном в ядре; б) среднее расстояние между нуклонами; в) силу электростатического отталкивания между соседними протонами в ядре.

Почему массовое число электрона 0

4.1. Состав атомов

Слово » атом» переводится с древнегреческого языка как » неделимый» . Так и предполагалось почти до конца XIX века. В 1911 г. Э. Резерфорд обнаружил, что в атоме существует положительно заряженное ядро. Позже было доказано, что оно окружено электронной оболочкой.

Электронная оболочка – совокупность движущихся вокруг ядра электронов.

Таким образом, атом представляет собой материальную систему, состоящую из ядра и электронной оболочки.
Атомы очень маленькие – так, по толщине бумажного листа укладываются сотни тысяч атомов. Размеры атомных ядер – еще в сто тысяч раз меньше размеров атомов.
Ядра атомов заряжены положительно, но состоят они не только из протонов. Ядра содержат еще и нейтральные частицы, открытые в 1932 году и названные нейтронами. Протоны и нейтроны вместе носят название нуклоны – то есть ядерные частицы.

Нуклоны – общее название протонов и нейтронов.

Любой атом в целом электронейтрален, а это значит, что число электронов в электронной оболочке атома равно числу протонов в его ядре.

Таблица 11.Важнейшие характеристики электрона, протона и нейтрона

• Название » электрон» происходит от греческого слова, означающего » янтарь» .
• Название » протон» происходит от греческого слова, означающего » первый» .
• Название » нейтрон» происходит от латинского слова, означающего » ни тот, ни другой» (имеется в виду его электрический заряд).
• Знаки » –» , » +» и » 0″ в символах частиц занимают место правого верхнего индекса.
• Размер электрона столь мал, что в физике (в рамках современной теории) вообще считается некорректным говорить об измерении этой величины.

ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН, НУКЛОН, ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА.
1.Определите, насколько масса протона меньше массы нейтрона. Какую часть от массы протона составляет эта разница (выразите ее в виде десятичной дроби и в процентах)?
2.Во сколько раз (приближенно) масса любого нуклона больше массы электрона?
3.Определите, какую часть от массы атома составит масса его электронов, если в состав атома входят 8 протонов и 8 нейтронов. 4.Как вы думаете, удобно ли использовать единицы международной системы единиц измерений (СИ) для измерений масс атомов?

Между всеми заряженными частицами атома действуют электрические (электростатические) силы: электроны атома притягиваются к ядру и вместе с тем отталкиваются друг от друга. Действие заряженных частиц друг на друга передается электрическим полем.

Вам знакомо уже одно поле – гравитационное. Подробнее о том, что такое поля, и о некоторых их свойствах вы узнаете из курса физики.

Все протоны в ядре заряжены положительно и за счет электрических сил отталкиваются друг от друга. Но ядра же существуют! Следовательно, в ядре, кроме электростатических сил отталкивания, действует еще какое-то взаимодействие между нуклонами, за счет сил которого они притягиваются друг к другу, причем это взаимодействие – значительно сильнее электростатического. Эти силы называются ядерными силами, взаимодействие – сильным взаимодействием, а поле, передающее это взаимодействие – сильным полем.

В отличие от электростатического, сильное взаимодействие ощущается только на коротких расстояниях – порядка размеров ядер. Но силы притяжения, вызванные этим взаимодействием (F_я). во много раз больше электростатических (F_э). Отсюда – » прочность» ядер во много раз больше » прочности» атомов. Поэтому в химических явлениях изменяется только электронная оболочка, а ядра атомов остаются неизменными.

Общее число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N, а число протонов – буквой Z . Эти числа связаны между собой простым соотношением:

Плотность вещества ядер огромна: она примерно равна 100 миллионам тонн на кубический сантиметр, что несоизмеримо с плотностью любого химического вещества.

ЭЛЕКТРОННАЯ ОБОЛОЧКА, АТОМНОЕ ЯДРО, МАССОВОЕ ЧИСЛО, ЧИСЛО ПРОТОНОВ, ЧИСЛО НЕЙТРОНОВ.

При химических peaкцияx атомы могут терять часть своих электронов, а могут и присоединять » лишние» . При этом из нейтральных атомов образуются заряженные частицы – ионы. Химическая сущность атомов при этом не меняется, то есть атом, например, хлора не превращается в атом азота или в атом какого-нибудь другого элемента. Физические воздействия довольно большой энергии могут вообще » сорвать» с атома всю электронную оболочку. Химическая сущность атома при этом также не изменится – отняв электроны у каких-нибудь других атомов, ядро снова превратится в атом или ион того же элемента. Атомы, ионы и ядра обобщенно называются нуклидами.

Нуклиды – общее название атомов, простых ионов и атомных ядер.

Для обозначения нуклидов используют символы элементов (вы помните, что они могут обозначать и один атом) с левыми индексами: верхний равен массовому числу, нижний – числу протонов. Примеры обозначения нуклидов:

Теперь мы можем сформулировать окончательное определение понятия » химический элемент» .

Химический элемент – совокупность нуклидов с одинаковым зарядом ядра.

Так как заряд ядра определяется числом протонов, то химическим элементом можно назвать совокупность нуклидов с одинаковым числом протонов.Вспомнив сказанное в начале параграфа, мы можем уточнить один из важнейших химических законов.

При химических реакциях (и при физических взаимодействиях, не затрагивающих ядра) нуклиды не возникают, не исчезают и не превращаются друг в друга.

Итак, массовое число равно сумме числа протонов и числа нейтронов: А = Z + N. У нуклидов одного элемента заряд ядра одинаков (Z = const), а число нейтронов N? У нуклидов одного элемента число нейтронов в ядре может быть одинаковым, а может и отличаться. Поэтому и массовые числа нуклидов одного элемента могут быть разными. Примеры нуклидов одного элемента с разными массовыми числами – различные устойчивые нуклиды олова, характеристики которых приведены в табл. 12. У нуклидов с одинаковыми массовыми числами масса одинакова, а у нуклидов с разными массовыми числами – разная. Отсюда следует, что атомы одного элемента могут отличаться по массе.

Следовательно, у нуклидов одного изотопа одинаковое число протонов (так как это один элемент), одинаковое число нейтронов (так как это один изотоп) и, естественно, одинаковая масса. Такие нуклиды совершенно одинаковы и потому принципиально неразличимы. (В физике под словом «изотоп» иногда подразумевают и одинт нуклид данного изотопа)

Нуклиды разных изотопов одного элемента отличаются массовыми числами, то есть числами
нейтронов, и массой.

Изотопы элемента водорода

Изотопы элемента кислорода

Изотопы элемента хлора

Общее число известных ученым нуклидов приближается к 2000. Из них устойчивы, то есть существуют в природе, около 300. Элементов в настоящее время, включая искусственно полученные, известно 110.(Среди нуклидов физики выделяют изобары— нуклиды с одинаковой массой(независимо от заряда))
Многие элементы имеют по одному природному изотопу, например, Be, F, Nа, Al, P, Mn, Co, I, Au и некоторые другие. Но большинство элементов имеют по два, по три и более устойчивых изотопа.
Для описания состава атомных ядер иногда рассчитывают доли протонов или нейтронов в этих ядрах.

Доля – отношение числа тех объектов, долю которых мы определяем, к общему числу объектов.

где D_i – доля интересующих нас объектов (например, седьмых),
N₁ – число первых объектов,
N₂ – число вторых объектов,
N₃ – число третьих объектов,
N_i – число интересующих нас объектов (например, седьмых),
N_n – число последних по счету объектов.

Для сокращения записи формул в математике знаком обозначают сумму всех чисел N_i, от первого (i = 1) до последнего (i = n). В нашей формуле это означает, что суммируются числа всех объектов: от первого (N₁) до последнего (N_n).

Пример. В коробке лежат 5 зеленых карандашей, 3 красных и 2 синих; требуется определить долю красных карандашей.

Доля может выражаться простой или десятичной дробью, а также в процентах, например:

НУКЛИД, ИЗОТОП, ДОЛЯ
1.Определите долю протонов в ядре атома . .Определите долю нейтронов в этом ядре.
2.Какова доля нейтронов в ядрах нуклидов
3.Массовое число нуклида равно 27. Доля протонов в нем 48,2%. Нуклидом какого элемента является данный нуклид?
4.В ядре нуклида доля нейтронов 0,582. Определите Z.
5.Во сколько раз масса атома тяжелого изотопа урана ₉₂U, содержащего 148 нейтронов в ядре, больше массы атома легкого изотопа урана, содержащего в ядре 135 нейтронов?

Из количественных характеристик атома вам уже знакомы массовое число, число нейтронов в ядре, число протонов в ядре и заряд ядра.
Так как заряд протона равен элементарному положительному заряду, то число протонов в ядре (Z) и заряд этого ядра (q_я), выраженный в элементарных электрических зарядах, численно равны. Поэтому, как и число протонов, заряд ядра обычно обозначают буквой Z.
Число протонов одинаково для всех нуклидов какого-либо элемента, поэтому оно может использоваться как характеристика этого элемента. В этом случае оно называется атомным номером.

Атомный номер элемента – характеристика химического элемента, равная числу протонов в ядре любого нуклида этого элемента.

Так как электрон «легче» любого из нуклонов почти в 2000 раз, масса атома (m_o) сосредоточена прежде всего в ядре. Ее можно измерять в килограммах, но это очень неудобно.
Например, масса самого легкого атома – атома водорода – равна 1,674 . 10– 27 кг, и даже масса самого тяжелого из существующих на Земле атомов – атома урана – равна всего лишь 3,952 . 10– 25 кг. Даже используя самую маленькую десятичную долю грамма – аттограмм (аг), мы получим значение массы атома водорода m_o(H) = = 1,674 . 10– 9 аг. Действительно, неудобно.
Поэтому в качестве единицы измерений масс атомов используется специальная атомная единица массы, для которой знаменитый американский химик Лайнус Полинг (1901 – 1994) предложил название » дальтон» .

Атомная единица массы с точностью, достаточной в химии, равна массе любого нуклона и близка к массе атома водорода, ядро которого состоит из одного протона. В 11-м классе из курса физики вы узнаете, почему она в действительности несколько меньше массы любой из этих частиц. Из соображений удобства измерений атомная единица массы определяется через массу нуклида самого распространенного изотопа углерода.

Дальтон (атомная единица массы) – 1/12 часть массы нуклида 12 С.

Обозначение атомной единицы массы – а. е. м. или Дн.
1Дн = 1,6605655 . 10– 27 кг 1,66 . 10– 27 кг.

Если массу атома измеряют в дальтонах, то по традиции ее называют не » масса атома» , а атомная масса. Масса атома и атомная масса – одна и та же физическая величина. Так как речь идет о массе одного атома (нуклида), то ее называют атомной массой нуклида.

Атомная масса нуклида – масса нуклида, выраженная в дальтонах.

Обозначается атомная масса нуклида буквами А_r с указанием символа нуклида, например:
А_r( 16 O) – атомная масса нуклида 16 O,
A_r( 35 Cl) – атомная масса нуклида 35 Сl,
A_r( 27 Аl) – атомная масса нуклида 27 Аl.

Если у элемента есть несколько изотопов, то этот элемент состоит из нуклидов с разной массой. В природе изотопный состав элементов обычно постоянен, поэтому для каждого элемента можно посчитать среднюю массу атомов этого элемента ():

где D₁, D₂, . D_i – доля 1-го, 2-го, . , i-го изотопа;
m₀(1), m₀(2), . m₀(i) – масса нуклида 1-го, 2-го, . i-го изотопа;
n – общее число изотопов данного элемента.
Если среднюю массу атомов элемента измеряют в дальтонах, то в этом случае ее называют атомной массой элемента.

Обозначается атомная масса элемента так же, как и атомная масса нуклида, буквами А_r, но в скобках указывается не символ нуклида, а символ соответствующего элемента, например:
А_r(O) – атомная масса кислорода,
А_r(Сl) – атомная масса хлора,
А_r(Аl) — атомная масса алюминия.

Так как атомная масса элемента и средняя масса атома этого элемента – одна и та же физическая величина, выраженная в разных единицах измерений, то и формула для вычисления атомной массы элемента аналогична формуле для вычисления средней массы атомов этого элемента:

где D₁, D₂, . D_n – доля 1-го, 2-го, . i-того изотопа;
А_r(1), А_r(2), . A_r(i) – атомная масса 1-го, 2-го, . i-го изотопа;
п – общее число изотопов данного элемента.

АТОМНЫЙ НОМЕР ЭЛЕМЕНТА, МАССА АТОМА (НУКЛИДА),АТОМНАЯ МАССА НУКЛИДА, АТОМНАЯ ЕДИНИЦА МАССЫ, АТОМНАЯ МАССА ЭЛЕМЕНТА
1)Определите число нейтронов N и число электронов N(е– ) в следующих атомах: .
Какова доля протонов в ядре каждого из этих атомов?
2)Изотопами каких элементов являются нуклиды, содержащие в ядре

нейтронов	5	16	4	1	60	2	146	0
протонов	5	15	3	1	47	1	92	1

Запишите символы этих нуклидов.
3)Какова доля атомов водорода в молекуле воды? На этом примере докажите, что » доля не зависит от порции» , то есть, что доля атомов водорода в любой порции воды равна доле атомов водорода в одной молекуле этого вещества.

4)Какова доля а) атомов кислорода в оксиде азота N₂O₅; б) атомов серы в серной кислоте? 5)Принимая атомную массу нуклида численно равной массовому числу, рассчитайте атомную массу бора, если природная смесь изотопов бора содержит 19% изотопа 10 В и 81% изотопа 11 В.

6)Принимая атомную массу нуклида численно равной массовому числу, рассчитайте атомные массы следующих элементов, если доли их изотопов в природной смеси (изотопный состав) составляют: а) 24 Mg – 0,796 25 Mg – 0,091 26 Mg – 0,113
б) 28 Si – 92,2 % 29 Si – 4,7 % 30 Si – 3,1 %
в) 63 Cu – 0,691 65 Cu – 0,309

7)Определите изотопный состав природного таллия (в долях соответствующих изотопов), если в природе встречаются изотопы таллий-207 и таллий-203, а атомная масса таллия равна 204,37 Дн.

8)Природный аргон состоит из трех изотопов. Доля нуклидов 36 Аr составляет 0,34%. Атомная масса аргона – 39,948 Дн. Определите, в каком соотношении встречаются в природе 38 Аr и 40 Аr.

9)Природный магний состоит из трех изотопов. Атомная масса магния – 24,305 Дн. Доля изотопа 25 Mg – 9,1%. Определите доли остальных двух изотопов магния с массовыми числами 24 и 26.

10)В земной коре (атмосфере, гидросфере и литосфере) атомы лития-7 встречаются примерно в 12,5 раз чаще, чем атомы лития-6. Определите атомную массу лития.

11)Атомная масса рубидия – 85,468 Дн. В природе встречаются 85 Rb и 87 Rb. Определите, во сколько раз легкого изотопа рубидия больше, чем тяжелого.

Для того, чтобы мы могли качественно предоставить Вам информацию, мы используем cookies, которые сохраняются на Вашем компьютере (сведения о местоположении; ip-адрес; тип, язык, версия ОС и браузера; тип устройства и разрешение его экрана; источник, откуда пришел на сайт пользователь; какие страницы открывает и на какие кнопки нажимает пользователь; эта же информация используется для обработки статистических данных использования сайта посредством интернет-сервисов Google Analytics и Яндекс.Метрика). Нажимая кнопку «СОГЛАСЕН», Вы подтверждаете то, что Вы проинформированы об использовании cookies на нашем сайте. Отключить cookies Вы можете в настройках своего браузера.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору