Какие изменения произойдут с ядром атома ксенона если оно утратит один нейтрон

Обновлено: 07.07.2024

Ни одно объяснение не обходится без предисловия о модели Бора. Его руководитель Резерфорд предложил планетарную модель атома: электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Ведь форма закона Кулона (F = kq₁q₂ / r 2 ) аналогична закону всемирного тяготения (F = Gm₁m₂ / r 2 ). Но по законам электродинамики Максвелла заряженная частица, движущаяся с ускорением (а любое непрямолинейное движение требует ускорения), излучает электромагнитную энергию, и электрон, потеряв всю кинетическую энергию, упал бы на ядро за примерно 15 пикосекунд (триллионных долей секунды). А он, такой-сякой, не падает.

Школьное объяснение часто на этом и заканчивается: была проблема, пришёл Бор и своим постулатом её снял. Слава квантовой механике! Её невозможно понять, её надо запомнить и сдать на экзамене. Но нейтральный одноэлектронный атом – это только водород (один протон + один электрон, если мы говорим о самом распространённом изотопе водороде-1 – протии). Для многоэлектронных атомов, начиная с атома гелия (гелий-4: ядро из двух протонов и двух нейтронов и два электрона), модель Бора ничего не могла предсказать. Было непонятно, как учесть взаимодействие электронов между собой.

Философы же говорят, что мы суть существа, состоящие из стабильных атомов от мозга до кончиков ногтей, поэтому мы можем мыслить и экспериментировать только в такой Вселенной, где электроны на ядра не падают. Во вселенных, где электроны на ядра падают, невозможна биохимия, а потому нет и наблюдателей, чтобы лицезреть сиё падение. Это так называемый антропный принцип, которым можно объяснить очень многие физические величины и феномены вплоть до появления жизни.

На фоне этих бредней объяснение через принцип неопределённости, которое любят излагать ютуберы из Индии, кажется научным. В 1927 году Вернер Гейзенберг открыл, что погрешности в наблюдении положения (∆x) и импульса (∆p; импульс – произведение массы на скорость: p = mv) не могут быть нулевыми и связаны с постоянной Планка соотношением: ∆x • ∆p ≥ h / 4π. Если подставить в него значения для размера ядра и массы электрона, то получится, что обнаруженный в ядре электрон должен двигаться со скоростью в 100 раз больше скорости света, что запрещает уже теория относительности. И потому электрон не может упасть на ядро: Гейзенберг с Эйнштейном не велят. (С релятивистской поправкой, что p = mv/(1 – v 2 /c 2 ) 1/2 , скорость будет ниже световой, но тогда ж не объяснить непадающие электроны принципом неопределённости).

2) В те же 1930-е годы Субраманьян Чандрасекар теоретически рассчитывал процесс эволюции звёзд и показал, что при больших гравитационных давлениях ядра собравшихся в недрах звёзд атомов захватывают свои электроны. Происходит так называемая нейтронизация, которая предшествует вспышкам сверхновых и образованию нейтронных звёзд. То есть если очень надо, электроны на ядра падают. Нейтронные звёзды, состоящие, как следует из названия, из нейтронов, не
фантастика, а наблюдаемые астрономами объекты.

3) Наконец, в 1951 году Мартин Дойч получил позитроний – систему, состоящую из электрона (отрицательно заряженного) и его античастицы позитрона (положительно заряженного). Её можно рассматривать как аналог атома водорода, где протон заменили на другой положительный заряд той же величины. И электрон с позитроном прекрасно друг на друга падают и аннигилируют (превращаются в гамма-кванты энергии) за наносекунды. Никакой принцип неопределённости или тепловое движение не спасает. Так почему же электрон не падает аналогичным образом на протон?

Закон Кулона проявляется в том, что плотность вероятности экспоненциально уменьшается при удалении от ядра – всё-таки разноимённые заряды хотят быть поближе друг к другу. Но чем ближе к ядру, тем меньше объём: радиальное распределение вероятности – произведение плотности вероятности на объём слоя – имеет максимум, совпадающий с радиусом боровской орбиты. В атомном ядре, которое имеет маленький, но конечный объём, вероятность нахождения электрона мала, но никогда не нулевая (см. врезку справа на рисунке).

Вы удовлетворены таким ответом? Или правильный ответ другой? Буду признателен, если укажете на мои ошибки. В моей голове физика всегда плохо укладывалась, и школьная программа с этим вопросом плохо справляется. Если после модели Бора не переходить сразу к уравнению Шрёдингера, то по-хорошему надо выкинуть из учебников эту историческую теорию, чтобы она не смущала юные умы и не плодила заявления, что учёные сами ничего не знают, не понимают и не могут объяснить, почему электроны не падают на ядро.

Так ядро атома дейтерия - дейтрона (1 протон, 1 нейтрон) вполне стабильное. Ядро атома трития - тритон (1 протон, 2 нейтрона) уже нестабильное, хотя и долгоживущее (период полураспада трития примерно 12 лет). А вот ядро атома водорода-4 (1 протон 3 нейтрона) живет всего 10-22 секунды! За это время даже свет не успеет пересечь диаметр этого атома. С другой стороны, ядро висмута-209 (83 протона, 126 нейтронов) вполне стабильное; во всяком случае время его жизни на 10 порядков превышает возраст вселенной. Но и увеличение, и уменьшение числа нейтронов даже на единицу делает ядро висмута нестабильным (период полураспада висмута-210 всего 5 суток, а висмута-208 - менее 400 тысяч лет. В чем тут дело?

А дело в следующем: если по-простому, то ядро атома - это конгломерат протонов и нейтронов, которые с одной стороны сдавливаются ядерными силами (именно то самое превращение протон-нейтрон-протон), которому противостоит кулоново отталкивание между протонов..

Не все конгломераты устойчивы, только с определённым количеством, особо устойчивые изотопы имеют количество нуклонов сообразно т.н. "магическому числу": 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, 164 для протонов и 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126, 184, 196, 228, 272, 318 для нейтронов..

Объяснение этому есть в оболочечной теории ядра, здесь полагается, что ядро подобно атому заполняется слой за слоем и таким образом меняются свойства, при заполнении очередного слоя ядро становится особо устойчивым (подобно благородным газам).. Это ооооочень упрощённо.

Когда в ядре оказывается лишний нейтрон, то нарушается баланс в ядре, ядерные силы резко уменьшаются (они обладают свойством насыщения) и уже не могут противостоять кулоновым силам отталкивания и те разрывают конгломерат на части, происходит распад ядра с образованием осколков (других ядер) и нейтронов, которые может поглотить другое ядро и если будет количество нейтронов, выделяемых при каждом делении чуть больше, чем один - начнётся ядерная цепная реакция, количество нейтронов будет возрастать в геометрической прогрессии..

Здесь нужно учесть также не только количество произведённых нейтронов в каждом делении, но главное - количество поглощённых (нужно соответствующее сечение захвата ядром, а также воспрепятствование удаления нейтронов наружу или поглощение их примесными поглотителями)..

Развал ядра нельзя рассматривать просто как распад не задействованного нейтрона, поскольку его средний период жизни 13 минут, а периоды полураспада ядер разных изотопов - очень сильно разнятся..

В распаде ядра участвует туннельный эффект и всё это учитывается неопределённостью Гейзенберга, именно поэтому распад - всегда вероятностная величина, но никак не детерменированная..

53. Укажите все верные утверждения.
1) в ядре сосредоточена практически вся масса атома;
2) практически вся масса атома сосредоточена в его электронной оболочке;
3) масса атома примерно пополам делится между ядром и электронной оболочкой;
4) размеры атома во много раз больше размеров электронной оболочки;
5) размеры атома во много раз меньше размеров электронной оболочки;
6) размеры атома – это и есть размеры электронной оболочки.

1. 1 и 6
2. 2 и 4
3. 3 и 5
4. 1 и 4

1. полем ядерных сил
2. электростатическим полем атомных ядер
3. электронной оболочкой атомов
4. магнитным полем, которое создаётся орбитальным движением электронов

1. ?₁ = ?₂ = ?₃
2. ?₁ = ?₂ > ?₃
3. ?₁ > ?₂ > ?₃
4. ?₁ Сопоставьте кинетические энергии электрона на первой, второй и третьей стационарных орбитах атома водорода.

57. Сопоставьте потенциальные энергии электрона на первой, второй и третьей стационарных орбитах атома водорода.

1. E_п1 = E_п2 = E_п3
2. E_п1 > E_п2 > E_п3
3. E_п1 = E_п3 > E_п2
4. E_п1 Сколько электронов находится в электронной оболочке однозарядного положительного иона натрия? В ядре натрия содержится 11 протонов.

1. 146
2. 92
3. 330
4. 238

1. 235
2. 143
3. 92
4. 327

1. 118
2. 79
3. 197
4. 276

65. Определите число протонов и массовое число ядра, которое получается из ядра в результате двух альфа- и двух бета-распадов.

1. 90; 230
2. 88; 232
3. 90; 226
4. 88; 230

66. Сколько альфа- и сколько бета-распадов происходит в процессе превращения ядра полония в ядро свинца ?

1. 3α, β
2. 2α, 2β
3. α, 3β
4. 2α, 3β

1. альфа-частица
2. нейтрон
3. дейтрон
4. протон

68. В начале эксперимента было сто миллионов атомов радиоактивного изотопа. Сколько атомных ядер этого изотопа распадутся за время, равное половине его периода полураспада?

1. 7•10 7
2. 6•10 7
3. 4•10 7
4. 3•10 7

70. В начале эксперимента было сто миллионов атомов радиоактивного изотопа. Сколько атомных ядер этого изотопа останутся не распавшимися за время, равное половине его периода полураспада?

1. 4•10 7
2. 6•10 7
3. 7•10 7
4. 3•10 7

71. Какой частицей бомбардируется ядро , если в результате ядерной реакции образуется ядро и вылетает нейтрон?

1. дейтрон
2. протон
3. гамма-квант
4. нейтрон

73. В результате облучения нейтронами изотопа серы из облучаемого образца вылетают протоны . Во что превращается сера в результате данной ядерной реакции?

74. В начале эксперимента был миллиард атомов радиоактивного изотопа. Сколько атомных ядер этого изотопа распадётся за время, равное двум периодам полураспада?

1. 2,5•10 8
2. 5•10 8
3. 7,5•10 8
4. 8,75•10 8

75. В начале эксперимента был миллиард атомов радиоактивного изотопа. Сколько атомных ядер этого изотопа останутся не распавшимися за время, равное двум периодам полураспада?

1. 5•10 8
2. 2,5•10 8
3. 7,5•10 8
4. 8,75•10 8

76. В начале эксперимента было десять миллиардов атомов радиоактивного изотопа. Сколько атомных ядер этого изотопа распадётся за время, равное трём периодам полураспада?

1. 5•10 9
2. 2,5•10 9
3. 8,75•10 9
4. 7,5•10 9

1. гамма – квантом
2. нейтроном
3. протоном
4. электроном

78. Требуется следующие ядра расщепить на отдельные нуклоны: 1) ; 2) ; 3) . Для расщепления, которого из этих ядер потребуется больше всего энергии?

1. для их расщепления потребуется одинаковое количество энергии

79. Сопоставьте величину ядерных сил, действующих внутри ядра между двумя протонами (F_pp), двумя нейтронами (F_nn), и между протоном и нейтроном (F_pn)

80. В начале эксперимента было десять миллиардов атомов радиоактивного изотопа. Сколько атомных ядер этого изотопа останутся не распавшимися за время, равное трём периодам полураспада?

1. 1,25•10 9
2. 2,5•10 9
3. 5•10 9
4. 7,5•10 9

1. дейтрон
2. нейтрон
3. альфа-частица
4. ядро 3 He

82. В начале наблюдения было 8 млн. радиоактивных ядер. Через 30 суток остался 1 млн. Чему равен период полураспада (сут) данного радиоактивного изотопа?

1. 330
2. 238
3. 146
4. 92

1. 143
2. 235
3. 92
4. 327

1. электрон
2. нейтрон
3. гамма-квант
4. протон

1. 3,9•10 -29
2. 3,9•10 -28
3. 3,9•10 -27
4. 3,9•10 -30

88. У какого из приведенных ниже ядер: , ; и удельная энергия связи (т.е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон) самая большая?

90. Ядро полония в результате α и β распадов превращается в стабильный изотоп свинца . Сколько при этом происходит α и β распадов?

1. α - 2, β - 0
2. α - 0, β - 2
3. α - 2, β - 2
4. α - 2, β - 4

92. Ядро урана испытывает последовательно один альфа-распад и два бета-распада. В какое ядро оно превращается?

Протон-нейтронная модель ядра вполне удовлетворяет физиков и по сей день считается лучшей. Тем не менее, на первый взгляд она вызывает некоторые сомнения. Если атомное ядро состоит только из протонов и нейтронов, снова возникает вопрос о том, как могут вылететь из него отрицательно заряженные электроны в виде ?-частиц. А что если электронов в ядре нет и они образуются в момент распада? Применим законы сохранения в поисках правильного решения.

Рис. 4. Излучение ?-частицы.

Такое объяснение кажется удовлетворительным, поэтому подведем итог, используя по возможности простую систему символов. Обозначим нейтрон n, протон p + , электрон е - и запишем уравнение излучения ?-частицы:

Наши рассуждения только косвенно отражают то, что происходит внутри ядра. В действительности нельзя заглянуть внутрь ядра и увидеть, как протон превращается в нейтрон, когда вылетает заряженный электрон. По крайней мере, до сих пор нельзя. А можно ли наблюдать отдельные нейтроны в свободном состоянии? Будут ли они, так сказать, на наших глазах превращаться в протоны и испускать быстрые электроны?

В 1950 году физикам удалось, наконец, получить ответ. Свободные нейтроны время от времени распадаются и превращаются в протоны, причем происходит это не часто. Каждый раз, когда нейтрон претерпевает такое изменение, излучается электрон.

Нейтроны существуют в свободном состоянии до тех пор, пока не произойдет распад, и вопрос о том, как долго длится этот период, очень важен. Когда конкретно нейтрон претерпит радиоактивный распад, — сказать невозможно. Процесс этот носит случайный характер. Один нейтрон существует, не распадаясь, одну миллионную долю секунды, другой — пять недель, третий — двадцать семь миллиардов лет. Тем не менее, для большого количества частиц одного типа с достаточной степенью точности можно предсказать, когда распадется определенный процент их. (Аналогичным образом страховой статистик не может предсказать, как долго будет жить отдельный человек, но для большой группы людей определенного возраста, профессии, места жительства т. д. со значительной точностью он может предсказать, через сколько времени половина из них умрет.)

Время, в течение которого распадается половина частиц данного типа, называют обычно периодом полураспада частицы. Этот термин был введен Резерфордом в 1904 году. Каждый вид частиц имеет свой собственный характерный период полураспада. Например, период полураспада урана-238 4,5·10 9 лет, тория-232 гораздо больше — 1,4·10 10 лет. Поэтому уран и торий до сих пор встречаются в значительных количествах в земной коре, несмотря на то что в каждый момент некоторые из их атомов распадаются. В течение всей пятимиллиардной истории Земли распалась только половина запасов урана-238 и гораздо меньше половины запасов тория-232.

Некоторые радиоактивные ядра гораздо менее стабильны. Например, когда уран-238 излучает ?-частицу, он превращается в торий-234. Период полураспада тория-234 только 24 дня, поэтому в земной коре имеются лишь следы этого элемента. Он очень медленно образуется из урана-238 и, образовавшись, очень быстро распадается.

Распадаясь, торий-234 излучает ?-частицу. Внутри ядра тория нейтрон превращается в протон. Это превращение тория-234 происходит с такой скоростью, что период полураспада равен двадцати четырем дням, В других радиоактивных изотопах нейтроны гораздо медленнее превращаются в протоны. Например, калий-40 излучает ?-частицы с периодом полураспада 1,3·10 9 лет. Некоторые изотопы вовсе не подвержены радиоактивному распаду. Так, в ядрах атомов кислорода-16, насколько известно, ни один нейтрон сам по себе не превращается в протон, т. е. период полураспада бесконечен. Однако нас больше всего интересует период полураспада свободного нейтрона. Свободный нейтрон не окружен другими частицами, которые делали бы его более или менее стабильным, удлиняя или укорачивая его период полураспада, т. е. в случае свободного нейтрона мы имеем, так сказать, неискаженный период полураспада. Оказывается, он равен примерно двенадцати минутам, следовательно, половина из триллиона нейтронов превращается в протоны и электроны в конце каждой двенадцатой минуты.

История открытия нейтрона

История открытия нейтрона История открытия нейтрона начинается с безуспешных попыток Чедвика обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде (на основе вышеупомянутой гипотезы Резерфор-да). Резерфорд, как мы знаем, осуществил первую искусственную ядерную

История открытия нейтрона

Послеобеденные замечания о природе нейтрона

Читайте также: