Что такое нуклонное число

Нуклонная модель атома

теория по физике 🧲 квантовая физика

Когда Резерфорд опровергнул модель Томсона о строении атома, возник другой вопрос: из чего состоит

Изотопы

В результате наблюдения огромного числа радиоактивных превращений было обнаружено, что существуют вещества, идентичные по химическим свойствам, но имеющие совершенно различные радиоактивные свойства — в одних и тех же условиях их распад происходил по-разному. Эти вещества не удавалось разделить ни одним из известных химических способов. Поэтому английский радиохимик Содди в 1911 г. высказал предположение о возможности существования элементов с одинаковыми химическими свойствами, но разной радиоактивностью. Эти элементы, по его мнению, нужно было помещать в одну и ту же клетку периодической системы Д. И. Менделеева. Содди назвал такие элементами изотопами (т. е. занимающими одинаковые места).

Предположение Содди о существовании веществ с разной радиоактивностью, но одинаковыми химическими свойствами, было подтверждено экспериментально. Когда английский физик Томсон проводил точные измерения массы ионов неона методом отклонения их в электрическом и магнитном полях, он установил, что неон есть смесь двух видов атомов. Большая часть атомов имела относительную массу 20, но некоторая часть атомов имела массу, равную 22 а. е. м. В результате относительная атомная масса смеси атомов неона была принята равной 20,2. Причем атомы обладали одинаковыми химическими свойствами, но масса их была различна.

С тех пор изотопы были обнаружены у разных химических элементов. Так, они есть у самого тяжелого из существующих в природе элементов — урана (относительные атомные массы 238, 235 и др.) и у самого легкого — водорода (относительные атомные массы 1, 2, 3).

Было установлено, что:

Эти обобщения помогли сделать вывод, что свойства радиоактивности изотопов зависят от их массы. Причем некоторые элементы могут иметь только нестабильные, или радиоактивные изотопы.

Особый интерес для физиков того времени представлял атом водорода, изотопы которого могли отличаться по массе в 2 и 3 раза:

Существование изотопов доказывает, что заряд атомного ядра определяет не все свойства атома, а лишь его химические свойства и те физические свойства, которые зависят от периферии электронной оболочки, например размеры атома. Масса же атома и его радиоактивные свойства не определяются порядковым номером в таблице Д. И. Менделеева.

Открытие нейтрона

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми нестабильным полонием, возникает сильное проникающее излучение, которое легко преодолевает преграду в виде слоя свинца толщиной до 10–20 см. Это излучение изучали английский физик Чедвик и супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик из Франции независимо друг от друга примерно в одно и то же время. Ученые предположили, что это излучение создано γ-лучами большой энергии. Но затем выяснилось, что если на пути излучения бериллия поставить пластинку из парафина, то ионизирующая способность излучения резко возрастает.

Было установлено, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластинки протоны, которые в большом количестве имеются в этом веществе. Ученые рассчитали длину свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, которые сообщают при столкновении с протонами необходимую скорость. Расчеты показали слишком большое значение — 50 МэВ. протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ. Из-за малой массы γ-кванты не могли обладать такой энергией. Поэтому Чедвик сделал вывод, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а довольно тяжелые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и не ионизировали газ в счетчике Гейгера. Это значит, что такие частицы были электрически нейтральными. Этой частице дали название — нейтрон.

Нуклонная модель атома

Сразу после открытия нейтрона несколько физиков одновременно высказали идею протонно-нейтронной, или нуклонной, модели ядра. Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов. Будучи «кирпичиками», из которых строится ядро, протоны и нейтроны получили общее название — нуклоны.

Нуклоны — общее название для составляющих атомное ядро протонов и нейтронов.

В рамках нуклонной теории о строении ядра атома ему было дано следующее определение:

Атомное ядро — центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов.

Массовое число — общее число нуклонов в ядре. Обозначается как A.

Зарядовое число — число протонов в ядре. Обозначается как Z. Зарядовое число всегда соответствует порядковому номеру элемента в периодической таблице Менделеева.

где X — символ химического элемента, Z — число протонов в ядре (порядковый номер элемента в периодической таблице Менделеева), A — массовое число.

Массовое число определяется как сумму протонов и нейтронов, содержащихся в ядре атома:

N – число нейтронов в ядре.

Пример №1. Пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева, определите число протонов и число нейтронов в ядрах атомов серы.

Взглянем на периодическую систему Менделеева и найдем серу:

Порядковый номер серы — 16. Следовательно, зарядовое число, или количество протонов в ядре атома серы — 16. Массовое число составляет 32,066 а. е. м. Округлим до целых и получим 32. Количество нейтронов найдем как разность массового и зарядового чисел:

N = A − Z = 32 − 16 = 16

Ядерные силы

Ядерные силы — силы, действующие между протонами и нейтронами.

Ученые установили, что ядерные силы обладают следующими свойствами:

Энергия связи атомных ядер

Нуклоны в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Если совершить работу по их преодолению, придется совершить некоторую работу. Энергию, которую нужно затратить для совершения работы по разделению на отдельные нуклоны, называют энергией связи ядра.

Энергия связи ядра атома — энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные протоны и нейтроны.

На основании закона сохранения энергии можно сделать вывод, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

В настоящее время рассчитать энергию связи теоретически, подобно тому, как это можно сделать для электронов в атоме, не удается. Выполнить соответствующие расчеты можно, лишь применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией:

Измерения масс ядер показали, что масса покоя ядра всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов:

M я — масса покоя ядра, Z — число протонов, N — число нейтронов, m p — масса протона, m n — масса нейтрона.

На основании этого был сделан вывод о существовании дефекта (разности масс). Дефект масс определяется разностью суммы масс протонов и нейтронов, входящих в состав ядра, и массы покоя ядра атома:

Δ M = Z m p + N m n − M я

Это интересно! Масса ядра атома гелия на 0,75% меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Соответственно для гелия в количестве вещества один моль ΔM = 0,03 г.

Уменьшение массы при образовании ядра из нуклонов означает, что при этом уменьшается энергия этой системы нуклонов на значение энергии связи Е_св.

Энергия связи — это энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, и соответственно это та энергия, которая необходима для расщепления ядра на составляющие его частицы.

Энергия связи определяется формулой:

E с в = Δ M с 2 = ( Z m p + N m n − M я ) с 2

Это интересно! Энергия связи настолько велика, что образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и при сгорании 1,5—2 вагонов каменного угля.

Важную информацию о свойствах ядер содержит зависимость удельной энергии связи от массового числа А.

Удельная энергия связи — энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра.

Удельную энергию связи устанавливают опытным путем. Из рисунка ниже видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Примечательно, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением Z кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

E с в = ( Z m p + N m n − M я ) с 2

Зарядовое число водорода — 1. Количество нейтронов — 1. Чтобы найти суммарную массу всех частиц и ядра, нужно их массу в а. е. м. умножить на массу атома углерода в кг и поделить на 12. Это необходимо потому, что 1 а. е. м. равна 1/12 массы атома углерода. Получим:

Переведем в МэВ, учитывая, что 1 МэВ = 1,6∙10 –13 Дж:

Какая из строчек таблицы правильно отражает структуру ядра ₄₉ 115 In?

Алгоритм решения

Решение

Протоны и нейтроны — нуклоны. Общее их количество является массовым числом A, которое указывается слева от обозначения химического элемента в верхнем индексе. В данном случае A = 115.

Зарядовое число — порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева. Оно обозначается Z и равно количеству протонов в ядре. В нашем случае Z = 49. Значит, протонов 49.

Чтобы посчитать количество нейтронов, нужно из массового числа вычесть зарядовое число: 115 – 49 = 66. Значит, нейтронов 66. Строка 1 подходит.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Связанная система элементарных частиц содержит 14 нейтронов, 13 протонов и 10 электронов. Эта система частиц является

а) ионом алюминия ₁₃ 27 Al

б) нейтральным атомом кремния ₁₄ 27 Si

в) ионом кремния ₁₄ 27 Si

г) нейтральным атомом алюминия ₁₃ 27 Al

Алгоритм решения

Решение

Согласно условию задачи, в связанной системе элементарных частиц содержится 14 нейтронов, 13 протонов и 10 электронов. В нейтральном атоме количество электронов равно количеству протонов. В нашем случае электронов на 3 меньше. Значит, перед нами ион.

Зарядовое число соответствует количеству протонов. Их 13.

Массовое число равно сумме количества протонов и электронов: 14 + 13 = 27.

Выходит, перед нами ион алюминия.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунке представлен фрагмент Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Под названием каждого элемента приведены массовые числа его основных стабильных изотопов. При этом нижний индекс около массового числа указывает (в процентах) распространённость изотопа в природе.

Укажите число протонов и число нейтронов в ядре наименее распространённого из указанных стабильных изотопов меди.

Алгоритм решения

Решения

Наименее распространен изотоп меди Cu-65, поскольку возле его массового числа стоит меньший индекс — 31.

Массовое число этого изотопа — 65. Зарядовое число соответствует порядковому номеру — 29.

Количество протонов соответствует зарядовому числу. Их 29.

Количество нейтронов есть разность массового и зарядовых чисел: 65 – 29 = 36.

Эти числа запишем последовательно: 2936.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Источник

В химия и физика, а нуклон является либо протон или нейтрон, рассматриваемого в качестве компонента атомное ядро. Число нуклонов в ядре определяет изотопс массовое число (число нуклонов).

Протон и нейтрон входят в схему категорий одновременно. фермионы, адроны и барионы. Протон несет положительную сеть обвинять и нейтрон несет нулевой чистый заряд; протон масса всего на 0,13% меньше нейтронного. Таким образом, их можно рассматривать как два состояния одного и того же нуклона, и вместе они образуют изоспин дублет ( я = ​ 1 ⁄₂ ). В изоспиновом пространстве нейтроны могут превращаться в протоны с помощью SU (2) симметрии, и наоборот. На эти нуклоны одинаково действует сильное взаимодействие, которое инвариантно относительно вращения в изоспиновом пространстве. Согласно Теорема Нётер, изоспин сохраняется относительно сильного взаимодействия. [1] : 129–130

Содержание

Обзор

Характеристики

И протон, и нейтрон равны композитные частицы, то есть каждый состоит из более мелких частей, а именно трех кварки каждый; хотя когда-то считалось так, элементарная частица. Протон состоит из двух до кварков и один вниз кварк, а у нейтрона один верхний кварк и два нижних кварка. Кварки удерживаются вместе сильная сила, или, что то же самое, глюоны, которые опосредуют сильное взаимодействие на кварковом уровне.

Вверх-кварк электрический заряд ​ + 2 ⁄₃ е, а нижний кварк заряжен − 1 ⁄₃ е, поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны +е и 0 соответственно. [а] Таким образом, нейтрон имеет заряд 0 (ноль) и, следовательно, электрически нейтрален; действительно, термин «нейтрон» происходит от того факта, что нейтрон электрически нейтрален.

Стабильность

Антинуклоны

Оба нуклона имеют соответствующие античастицы: the антипротон и антинейтрон, которые имеют ту же массу и противоположный заряд, что и протон и нейтрон соответственно, и взаимодействуют таким же образом. (Обычно считается, что это точно правда, из-за Симметрия CPT. Если есть разница, она слишком мала для измерения во всех экспериментах на сегодняшний день.) В частности, антинуклоны могут связываться в «антинуклеус». Пока что ученые создали антидейтерий [2] [3] и антигелий-3 [4] ядра.

Таблицы подробных свойств

Нуклоны

^ б Не менее 10 35 годы. Видеть распад протона.

^ c За свободные нейтроны; в большинстве обычных ядер нейтроны стабильны.

Нуклонные резонансы

Нуклонные резонансы находятся возбужденные состояния нуклонных частиц, часто соответствующих одному из кварков, имеющих перевернутый вращение состояние, или с разными орбитальный угловой момент когда частица распадается. Только резонансы с рейтингом 3 или 4 звезды в Группа данных о частицах (PDG) включены в эту таблицу. Из-за их чрезвычайно короткого времени жизни многие свойства этих частиц все еще исследуются.

В таблице ниже указан только базовый резонанс; каждая отдельная запись представляет 4 барионы: 2 частицы нуклонного резонанса, а также 2 их античастицы. Каждый резонанс существует в форме с положительным электрический заряд (Q), с кварковым составом
ты

ты

d
как протон, и нейтральная форма, с кварковым составом
ты

d

d
как нейтрон, так и соответствующие античастицы с антикварковым составом
ты

ты

d
и
ты

d

d
соответственно. Поскольку они не содержат странный, очарование, Нижний, или же верх кварков эти частицы не обладают странность, так далее.

† P₁₁(939) нуклон представляет собой возбужденное состояние нормального протона или нейтрона, например, в ядре атома. Такие частицы обычно стабильны внутри ядра, т.е. Литий-6. [ нужна цитата ]

Классификация кварковой модели

Статья о изоспин дает явное выражение для волновых функций нуклонов через собственные состояния ароматов кварков.

Модели

Модели Skyrmion

В Скирмион моделирует нуклон как топологический солитон в нелинейном SU (2) пион поле. Топологическая устойчивость Скирмиона интерпретируется как сохранение барионное число, т. е. нераспад нуклона. Местный номер топологической обмотки плотность отождествляется с локальным барионное число плотность нуклона. Если векторное поле изоспина пиона ориентировано в виде ежик космос, модель легко разрешима, поэтому ее иногда называют ежик. Модель ежа может предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус и осевая константа связи, примерно до 30% от экспериментальных значений.

Модель сумки MIT

В Модель сумки MIT [5] [6] [7] ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью, при этом граничное условие что кварк вектор тока исчезают на границе. Невзаимодействие кварков оправдано обращением к идее асимптотическая свобода, тогда как жесткое граничное условие оправдывается удержание кварка.

Математически модель отдаленно напоминает модель радиолокационная камера, с решениями Уравнение Дирака стоит за решениями Уравнения Максвелла и граничное условие исчезающего вектора тока для проводящих металлических стенок полости радара. Если установить радиус мешка равным радиусу нуклона, модель сумки предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от реальной массы.

Хотя базовая модель мешка не обеспечивает взаимодействия, опосредованного пионами, она прекрасно описывает нуклон-нуклонные силы через механизм s-канала мешка из 6 кварков с использованием P-матрицы. [8] [9]

Модель хирального мешка

В хиральная сумка модель [10] [11] объединяет Модель сумки MIT и Модель скирмиона. В этой модели дыра сделана в середине скирмиона и заменена моделью сумки. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности осевой векторный ток через границу сумки.

Следует отметить несколько других свойств хирального мешка: он обеспечивает лучшее соответствие свойствам низкоэнергетических нуклонов с точностью до 5–10%, и они почти полностью не зависят от радиуса хирального мешка (если радиус меньше радиус нуклона). Эта независимость от радиуса называется Принцип Чеширского Кота, [12] после угасания Льюис Кэрроллс Чеширский кот чтобы просто улыбнуться. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-пионных описаний.

Источник

В химия и физика, а нуклон является либо протон или нейтрон, рассматриваемого в качестве компонента атомное ядро. Число нуклонов в ядре определяет изотопс массовое число (число нуклонов).

Протон и нейтрон входят в схему категорий одновременно. фермионы, адроны и барионы. Протон несет положительную сеть обвинять и нейтрон несет нулевой чистый заряд; протон масса всего на 0,13% меньше нейтронного. Таким образом, их можно рассматривать как два состояния одного и того же нуклона, и вместе они образуют изоспин дублет ( я = ​ 1 ⁄₂ ). В изоспиновом пространстве нейтроны могут превращаться в протоны с помощью SU (2) симметрии, и наоборот. На эти нуклоны одинаково действует сильное взаимодействие, которое инвариантно относительно вращения в изоспиновом пространстве. Согласно Теорема Нётер, изоспин сохраняется относительно сильного взаимодействия. [1] : 129–130

Содержание

Обзор

Характеристики

И протон, и нейтрон равны композитные частицы, то есть каждый состоит из более мелких частей, а именно трех кварки каждый; хотя когда-то считалось так, элементарная частица. Протон состоит из двух до кварков и один вниз кварк, а у нейтрона один верхний кварк и два нижних кварка. Кварки удерживаются вместе сильная сила, или, что то же самое, глюоны, которые опосредуют сильное взаимодействие на кварковом уровне.

Вверх-кварк электрический заряд ​ + 2 ⁄₃ е, а нижний кварк заряжен − 1 ⁄₃ е, поэтому суммарные электрические заряды протона и нейтрона равны +е и 0 соответственно. [а] Таким образом, нейтрон имеет заряд 0 (ноль) и, следовательно, электрически нейтрален; действительно, термин «нейтрон» происходит от того факта, что нейтрон электрически нейтрален.

Стабильность

Антинуклоны

Оба нуклона имеют соответствующие античастицы: the антипротон и антинейтрон, которые имеют ту же массу и противоположный заряд, что и протон и нейтрон соответственно, и взаимодействуют таким же образом. (Обычно считается, что это точно правда, из-за Симметрия CPT. Если есть разница, она слишком мала для измерения во всех экспериментах на сегодняшний день.) В частности, антинуклоны могут связываться в «антинуклеус». Пока что ученые создали антидейтерий [2] [3] и антигелий-3 [4] ядра.

Таблицы подробных свойств

Нуклоны

^ б Не менее 10 35 годы. Видеть распад протона.

^ c За свободные нейтроны; в большинстве обычных ядер нейтроны стабильны.

Нуклонные резонансы

Нуклонные резонансы находятся возбужденные состояния нуклонных частиц, часто соответствующих одному из кварков, имеющих перевернутый вращение состояние, или с разными орбитальный угловой момент когда частица распадается. Только резонансы с рейтингом 3 или 4 звезды в Группа данных о частицах (PDG) включены в эту таблицу. Из-за их чрезвычайно короткого времени жизни многие свойства этих частиц все еще исследуются.

В таблице ниже указан только базовый резонанс; каждая отдельная запись представляет 4 барионы: 2 частицы нуклонного резонанса, а также 2 их античастицы. Каждый резонанс существует в форме с положительным электрический заряд (Q), с кварковым составом
ты

ты

d
как протон, и нейтральная форма, с кварковым составом
ты

d

d
как нейтрон, так и соответствующие античастицы с антикварковым составом
ты

ты

d
и
ты

d

d
соответственно. Поскольку они не содержат странный, очарование, Нижний, или же верх кварков эти частицы не обладают странность, так далее.

† P₁₁(939) нуклон представляет собой возбужденное состояние нормального протона или нейтрона, например, в ядре атома. Такие частицы обычно стабильны внутри ядра, т.е. Литий-6. [ нужна цитата ]

Классификация кварковой модели

Статья о изоспин дает явное выражение для волновых функций нуклонов через собственные состояния ароматов кварков.

Модели

Модели Skyrmion

В Скирмион моделирует нуклон как топологический солитон в нелинейном SU (2) пион поле. Топологическая устойчивость Скирмиона интерпретируется как сохранение барионное число, т. е. нераспад нуклона. Местный номер топологической обмотки плотность отождествляется с локальным барионное число плотность нуклона. Если векторное поле изоспина пиона ориентировано в виде ежик космос, модель легко разрешима, поэтому ее иногда называют ежик. Модель ежа может предсказывать низкоэнергетические параметры, такие как масса нуклона, радиус и осевая константа связи, примерно до 30% от экспериментальных значений.

Модель сумки MIT

В Модель сумки MIT [5] [6] [7] ограничивает три невзаимодействующих кварка сферической полостью, при этом граничное условие что кварк вектор тока исчезают на границе. Невзаимодействие кварков оправдано обращением к идее асимптотическая свобода, тогда как жесткое граничное условие оправдывается удержание кварка.

Математически модель отдаленно напоминает модель радиолокационная камера, с решениями Уравнение Дирака стоит за решениями Уравнения Максвелла и граничное условие исчезающего вектора тока для проводящих металлических стенок полости радара. Если установить радиус мешка равным радиусу нуклона, модель сумки предсказывает массу нуклона, которая находится в пределах 30% от реальной массы.

Хотя базовая модель мешка не обеспечивает взаимодействия, опосредованного пионами, она прекрасно описывает нуклон-нуклонные силы через механизм s-канала мешка из 6 кварков с использованием P-матрицы. [8] [9]

Модель хирального мешка

В хиральная сумка модель [10] [11] объединяет Модель сумки MIT и Модель скирмиона. В этой модели дыра сделана в середине скирмиона и заменена моделью сумки. Граничное условие обеспечивается требованием непрерывности осевой векторный ток через границу сумки.

Следует отметить несколько других свойств хирального мешка: он обеспечивает лучшее соответствие свойствам низкоэнергетических нуклонов с точностью до 5–10%, и они почти полностью не зависят от радиуса хирального мешка (если радиус меньше радиус нуклона). Эта независимость от радиуса называется Принцип Чеширского Кота, [12] после угасания Льюис Кэрроллс Чеширский кот чтобы просто улыбнуться. Ожидается, что решение уравнений КХД из первых принципов продемонстрирует аналогичную двойственность кварк-пионных описаний.

Источник