Núcleo atómico

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El núcleo atómico es la parte central del átomo , en la que se concentra su masa principal (más del 99,9%). El núcleo tiene carga positiva, la carga del núcleo determina el elemento químico al que se asigna el átomo. Los tamaños de los núcleos de varios átomos son varios femtómetros , que es más de 10 mil veces más pequeño que el tamaño del átomo mismo. Los núcleos atómicos son estudiados por la física nuclear .

El núcleo atómico consta de nucleones , protones cargados positivamente y neutrones neutros , que están interconectados por medio de una fuerte interacción . El protón y el neutrón tienen su propio momento angular ( espín ) igual a [SN 1] y el momento magnético asociado con él . El único átomo estable que no contiene neutrones en el núcleo es el hidrógeno ligero ( protio ). $\hbar /2=h/4\pi$

El núcleo atómico, considerado como una clase de partículas con un número determinado de protones y neutrones, se denomina comúnmente nucleido .

En algunos casos raros, se pueden formar átomos exóticos de corta duración , en los que otras partículas sirven como núcleo en lugar de un nucleón.

El número de protones en el núcleo se denomina número de carga ; este número es igual al número ordinal del elemento al que pertenece el átomo, en la tabla (Sistema periódico de elementos) de Mendeleev . El número de protones en el núcleo determina la estructura de la capa de electrones de un átomo neutro y, por lo tanto, las propiedades químicas del elemento correspondiente. El número de neutrones en un núcleo se denomina número isotópico . Los núcleos con el mismo número de protones y distinto número de neutrones se denominan isótopos . Los núcleos con el mismo número de neutrones pero distinto número de protones se denominan isótonos . Los términos isótopo e isótono también se utilizan en relación con átomos que contienen los núcleos indicados, así como para caracterizar variedades no químicas de un elemento químico. El número total de nucleones en un núcleo se llama su número de masa ( ) y es aproximadamente igual a la masa promedio de un átomo, indicada en la tabla periódica. Los nucleidos con el mismo número de masa pero diferente composición protón-neutrón se llaman isobaras . $Z$ $norte$ $A$ ${\ estilo de visualización A = N + Z}$

Como cualquier sistema cuántico, los núcleos pueden estar en un estado excitado metaestable y, en algunos casos, el tiempo de vida de dicho estado se calcula en años. Estos estados excitados de los núcleos se denominan isómeros nucleares [1] .

Historia

En 1911, Rutherford en su informe "Dispersión de rayos α y β y la estructura del átomo" en la Sociedad Filosófica declaró [2] :

La dispersión de las partículas cargadas y la terminación del núcleo de las partículas pueden explicarse suponiendo un átomo de este tipo, que consiste en una carga eléctrica central concentrada en un punto y rodeada por una distribución esférica uniforme de electricidad opuesta igual en forma cerrada y completándola. Con tal estructura del átomo, las partículas α y β, cuando pasan a una distancia cercana del centro del átomo, experimentan grandes desviaciones, aunque la probabilidad de tal desviación es pequeña.

Fin Así, Rutherford descubrió el núcleo atómico, ya partir de ese momento comenzó la física nuclear, estudiando la estructura y propiedades de los núcleos atómicos.

Después del descubrimiento de los isótopos estables de los elementos, al núcleo del átomo más ligero se le asignó el papel de partícula estructural de todos los núcleos. Desde 1920, el núcleo del átomo de hidrógeno tiene un término oficial: protón . En 1921, Lisa Meitner propuso [3] el primer modelo, protón-electrón, de la estructura del núcleo atómico , según el cual está formado por protones, electrones y partículas alfa [4] :96 . Sin embargo, en 1929 hubo una "catástrofe de nitrógeno": W. Heitler y G. Herzberg establecieron [5] que el núcleo del átomo de nitrógeno obedece a las estadísticas de Bose-Einstein , y no a las estadísticas de Fermi-Dirac , como lo predice el protón-electrón. modelo [6] [7 ] :374 . Por lo tanto, este modelo entró en conflicto con los resultados experimentales de las mediciones de los espines y los momentos magnéticos de los núcleos [8] . En 1932, James Chadwick descubrió una nueva partícula eléctricamente neutra llamada neutrón . En el mismo año, Ivanenko [9] y, refiriéndose al trabajo del primero [10] , Heisenberg propusieron una hipótesis sobre la estructura protón - neutrón del núcleo. Posteriormente, con el desarrollo de la física nuclear y sus aplicaciones, esta hipótesis se confirmó plenamente [11] .

Teorías de la estructura del núcleo atómico

En el proceso de desarrollo de la física, se propusieron varias hipótesis sobre la estructura del núcleo atómico; sin embargo, cada uno de ellos es capaz de describir solo un conjunto limitado de propiedades nucleares. Algunos modelos pueden ser mutuamente excluyentes.

Los más famosos son los siguientes:

Modelo de gota del núcleo - propuesto en 1936 por Niels Bohr .
El modelo de capa del núcleo se propuso en la década de 1930.
Modelo generalizado de Bohr-Mottelson
Modelo de kernel de clúster
Modelo de asociaciones de nucleones
Modelo óptico del núcleo
Modelo de núcleo superfluido
Modelo estadístico del núcleo

Física nuclear

El número de carga determina completamente el elemento químico . El par de números y ( número de masa ) define completamente el nucleido . Es posible considerar algunas características físico-nucleares de nucleidos con números de masa y carga dados. $Z$ $Z$ $A$

Cargo

El número de protones en el núcleo determina directamente su carga eléctrica ; Los isótopos tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones. Las propiedades nucleares de los isótopos de un elemento, en contraste con las químicas, pueden diferir extremadamente marcadamente [12] . $Z$

Por primera vez, las cargas de los núcleos atómicos fueron determinadas por Henry Moseley en 1913 . El científico interpretó sus observaciones experimentales por la dependencia de la longitud de onda de los rayos X de una cierta constante , cambiando en uno de elemento a elemento e igual a uno para el hidrógeno: $Z$

{\ estilo de visualización {\ sqrt {1/\ lambda}} = aZ-b}

, dónde

$a$ y son permanentes. $b$

De lo cual Moseley concluyó que la constante atómica encontrada en sus experimentos, que determina la longitud de onda de la radiación de rayos X característica y coincide con el número de serie del elemento, solo puede ser la carga del núcleo atómico, lo que se conoció como ley de Moseley. [13] .

Misa

Debido a la diferencia en el número de neutrones, los isótopos de un elemento tienen masas diferentes , lo cual es una característica importante del núcleo. En física nuclear, la masa de los núcleos suele medirse en unidades de masa atómica ( a.m.u. ), para una a. ej., tome 1/12 de la masa del nucleido 12 C [sn 2] . La masa estándar que suele darse para un nucleido es la masa de un átomo neutro . Para determinar la masa del núcleo, es necesario restar la suma de las masas de todos los electrones de la masa del átomo (se obtendrá un valor más exacto si también tenemos en cuenta la energía de enlace de los electrones con el núcleo) . ${\ estilo de visualización A-Z}$ ${\ estilo de visualización M (A, Z)}$

Además, el equivalente energético de la masa se usa a menudo en física nuclear . Según la relación de Einstein , cada valor de masa corresponde a la energía total: $METRO$

E=Mc^{2}

, donde es la velocidad de la luz en el vacío .

C

La relación entre a. e.m. y su energía equivalente en julios :

E_{1}=1{,}660539\cdot 10^{-27}\cdot (2{,}997925\cdot 10^{8})^{2}=1{,}492418\cdot 10 ^{-10}

y dado que 1 electronvoltio = 1.602176⋅10 −19 J, entonces la energía equivalente de a. e.m. en MeV es [12] [1] :

E_{1}=931{,}494

Radio

Un análisis de la descomposición de los núcleos pesados refinó la estimación de Rutherford [SN 3] y relacionó el radio del núcleo con el número de masa mediante una relación simple: $R$ $A$

R=r_{0}A^{1/3}

, donde es una constante.

r_{0}

Dado que el radio del núcleo no es una característica puramente geométrica y está asociado principalmente con el radio de acción de las fuerzas nucleares , el valor depende del proceso, durante el análisis del cual se obtuvo el valor , el valor promedio de m, por lo tanto, el radio del núcleo en metros [12] [13] : $r_{0}$ $R$ $r_{0}=1{,}23\cdot 10^{-15}$

$R=1{,}23\cdot 10^{-15}A^{1/3}$ .

Momentos centrales

Al igual que los nucleones que lo componen, el núcleo tiene sus propios momentos.

Girar

Dado que los nucleones tienen su propio momento mecánico, o espín, igual a , los núcleos también deben tener momentos mecánicos. Además, los nucleones participan en el movimiento orbital del núcleo, que también se caracteriza por un cierto momento angular de cada nucleón. Los momentos orbitales solo toman valores enteros ( constante de Dirac ). Todos los momentos mecánicos de los nucleones, tanto de espín como orbitales, se suman algebraicamente y constituyen el espín del núcleo. $1/2$ $\hbar$

A pesar de que el número de nucleones en un núcleo puede ser muy grande, los espines de los núcleos suelen ser pequeños y no pasan de unos pocos , lo que se explica por la peculiaridad de la interacción de los nucleones del mismo nombre. Todos los protones y neutrones emparejados interactúan solo de tal manera que sus giros se anulan entre sí, es decir, los pares siempre interactúan con giros antiparalelos. El momento orbital total de un par también es siempre cero. Como resultado, los núcleos que consisten en un número par de protones y un número par de neutrones no tienen momento mecánico. Los giros distintos de cero existen solo para los núcleos que tienen nucleones desapareados en su composición, el giro de dicho nucleón se suma a su propio momento orbital y tiene un valor medio entero: 1/2, 3/2, 5/2. Los núcleos de composición impar tienen espines enteros: 1, 2, 3, etc. [13] . $\hbar$

Momento magnético

Las mediciones de espín han sido posibles gracias a la presencia de momentos magnéticos directamente relacionados . Se miden en magnetones y para diferentes núcleos son de -2 a +5 magnetones nucleares. Debido a la masa relativamente grande de los nucleones, los momentos magnéticos de los núcleos son muy pequeños en comparación con los de los electrones , por lo que medirlos es mucho más difícil. Al igual que los espines, los momentos magnéticos se miden mediante métodos espectroscópicos , siendo el más preciso el método de resonancia magnética nuclear .

El momento magnético de los pares pares, como el espín, es igual a cero. Los momentos magnéticos de núcleos con nucleones no apareados están formados por los momentos intrínsecos de estos nucleones y el momento asociado con el movimiento orbital de un protón no apareado [8] .

Momento cuadripolar eléctrico

Los núcleos atómicos con un espín mayor o igual a la unidad tienen momentos cuadripolares distintos de cero , lo que indica que no son exactamente esféricos . El momento cuadrupolar tiene un signo positivo si el núcleo se extiende a lo largo del eje de giro (cuerpo fusiforme) y un signo negativo si el núcleo se estira en un plano perpendicular al eje de giro (cuerpo lenticular). Se conocen núcleos con momentos cuadripolares positivos y negativos. La ausencia de simetría esférica en el campo eléctrico creado por un núcleo con un momento cuadrupolar distinto de cero conduce a la formación de niveles de energía adicionales de electrones atómicos y la aparición de líneas de estructura hiperfina en el espectro de los átomos , cuyas distancias dependen del cuadrupolo. momento [13] .

Energía de enlace

La gran energía de enlace de los nucleones que ingresan al núcleo indica la existencia de fuerzas nucleares , ya que las fuerzas gravitatorias conocidas son demasiado pequeñas para vencer la repulsión electrostática mutua de los protones en el núcleo. La unión de los nucleones se lleva a cabo mediante fuerzas de muy corto alcance, que surgen debido al continuo intercambio de partículas, llamadas pi-mesones , entre los nucleones en el núcleo.

Se encontró experimentalmente que para todos los núcleos estables, la masa del núcleo es menor que la suma de las masas de sus nucleones constituyentes, tomados por separado. Esta diferencia se denomina defecto de masa o exceso de masa y está determinada por la relación:

\Delta M(Z,A)=Zm_{p}+(AZ)m_{n}-M(Z,A)

donde y son las masas del protón y el neutrón libres, y es la masa del núcleo. ${\ estilo de visualización m_ {p}}$ ${\ Displaystyle m_ {n}}$ ${\ estilo de visualización M (Z, A)}$

Según el principio de equivalencia de masa y energía, el defecto de masa es la masa equivalente al trabajo realizado por las fuerzas nucleares para unir todos los nucleones y formar el núcleo. Este valor es igual al cambio en la energía potencial de los nucleones como resultado de su unión en un núcleo.

La energía equivalente al defecto de masa se denomina energía de enlace del núcleo y es igual a:

{\displaystyle E_{c}=(Zm_{p}+(AZ)m_{n}-M(Z,A))c^{2))

donde es la velocidad de la luz en el vacío. $C$

Otro parámetro importante del núcleo es la energía de enlace por nucleón del núcleo, que se puede calcular dividiendo la energía de enlace del núcleo por el número de nucleones que contiene:

\varepsilon ={\frac{E_{c}}{A}}

Este valor representa la energía promedio que debe gastarse para eliminar un nucleón del núcleo, o el cambio promedio en la energía de enlace del núcleo cuando se absorbe un protón o neutrón libre.

Como se puede ver en la figura explicativa, a números de masa pequeños, la energía de enlace específica de los núcleos aumenta bruscamente y alcanza un máximo de (alrededor de 8,8 MeV). Los nucleidos con tales números de masa son los más estables. Con un mayor crecimiento, la energía de enlace promedio disminuye, sin embargo, en una amplia gama de números de masa, el valor de la energía es casi constante ( MeV), de lo que se deduce que podemos escribir . ${\ estilo de visualización A \ aproximadamente 50 \ div 60}$ $A$ ${\ estilo de visualización \ épsilon \ aproximadamente 8}$ $E_{c}\approx \epsilon A$

Este comportamiento de la energía de enlace media indica la propiedad de las fuerzas nucleares de alcanzar la saturación, es decir, la posibilidad de interacción del nucleón con sólo un pequeño número de "compañeros". Si las fuerzas nucleares no tuvieran la propiedad de saturación, entonces dentro del radio de acción de las fuerzas nucleares, cada nucleón interactuaría con cada uno de los otros y la energía de interacción sería proporcional a , y la energía de enlace promedio de un nucleón no sería constante para diferentes núcleos, pero aumentaría con el aumento de . ${\ estilo de visualización A (A-1)}$ $A$

La regularidad general de la dependencia de la energía de enlace del número de masa se describe mediante la fórmula de Weizsäcker en el marco de la teoría del modelo de gota del núcleo [12] [13] [14] [15] .

Estabilidad nuclear

Del hecho de una disminución en la energía de enlace promedio para nucleidos con números de masa mayores o menores que 50-60, se deduce que para núcleos pequeños , el proceso de fusión es energéticamente favorable: fusión termonuclear , lo que lleva a un aumento de masa número, y para núcleos con grandes - el proceso de fisión . En la actualidad, ambos procesos conducentes a la liberación de energía se han llevado a cabo, siendo este último la base de la energía nuclear moderna y el primero en desarrollo. $A$ $A$

Investigaciones detalladas han demostrado que la estabilidad de los núcleos también depende esencialmente de un parámetro : la relación entre el número de neutrones y protones. En promedio, para los núcleos más estables [16] , por lo tanto, los núcleos de los nucleidos ligeros son más estables en , y con un aumento en el número de masa, la repulsión electrostática entre los protones se vuelve más y más notable, y la región de estabilidad cambia a el lateral ( ver figura explicativa ). $NUEVA ZELANDA$ $N/Z\aproximadamente 1+0.015A^{{2/3}}$ $N\aprox. Z$ $N>Z$

Si consideramos la tabla de nucleidos estables que ocurren en la naturaleza, podemos prestar atención a su distribución según valores pares e impares y . Todos los núcleos con valores impares de estas cantidades son núcleos de nucleidos ligeros , , , . Entre las isobaras con A impar, por regla general, solo una es estable. En el caso de los pares , a menudo hay dos, tres o más isobaras estables, por lo tanto, los pares-pares son los más estables, los menos, los impares. Este fenómeno indica que tanto los neutrones como los protones tienden a agruparse en pares con giros antiparalelos , lo que conduce a una violación de la suavidad de la dependencia anterior de la energía de enlace en [12] . $Z$ $norte$ ${}_{{1}}^{{2}}{\textrm{H}}$ ${}_{{3}}^{{6}}{\textrm {Li}}$ ${}_{{5}}^{{10}}{\textrm {B}}$ ${}_{{7}}^{{14}}{\textrm {N}}$ $A$ $A$

Z	N=AZ	A	Número de nucleidos
incluso	incluso	incluso	167
incluso	extraño	extraño	55
extraño	incluso	extraño	53
extraño	extraño	incluso	cuatro

Así, la paridad del número de protones o neutrones crea un cierto margen de estabilidad, lo que lleva a la posibilidad de la existencia de varios nucleidos estables, difiriendo respectivamente en el número de neutrones para los isótopos y en el número de protones para los isotones. Además, la paridad del número de neutrones en la composición de los núcleos pesados determina su capacidad para dividirse bajo la influencia de los neutrones [13] .

Fuerzas nucleares

Las fuerzas nucleares son fuerzas que mantienen nucleones en el núcleo, que son grandes fuerzas de atracción que actúan solo a distancias pequeñas. Tienen propiedades de saturación, en relación con las cuales se atribuye a las fuerzas nucleares un carácter de intercambio (con la ayuda de los mesones pi ). Las fuerzas nucleares dependen del espín, no dependen de la carga eléctrica y no son fuerzas centrales [13] .

Niveles básicos

A diferencia de las partículas libres, para las cuales la energía puede tomar cualquier valor (el llamado espectro continuo ), las partículas ligadas (es decir, aquellas cuya energía cinética es menor que el valor absoluto del potencial), según la mecánica cuántica , solo pueden estar en estados con ciertos valores discretos de energía, el llamado espectro discreto. Dado que el núcleo es un sistema de nucleones unidos, tiene un espectro de energía discreto. Por lo general, se encuentra en su estado de energía más bajo, llamado estado fundamental . Si se transfiere energía al núcleo, entrará en un estado excitado .

La ubicación de los niveles de energía del núcleo en primera aproximación:

D=ae^{-b{\sqrt {E^{*))))))

, dónde:

$D$ es la distancia media entre niveles,

$mi^{*}$ es la energía de excitación del núcleo,

$a$ y son coeficientes que son constantes para un núcleo dado: $b$

$a$ - la distancia media entre los primeros niveles excitados (para núcleos ligeros alrededor de 1 MeV, para núcleos pesados - 0,1 MeV)

$b$ es una constante que determina la tasa de concentración de niveles con energía de excitación creciente (para núcleos ligeros, aproximadamente 2 MeV-1/2 , para núcleos pesados, 4 MeV-1/2 ) .

Con un aumento en la energía de excitación, los niveles convergen más rápido en núcleos pesados, y la densidad de nivel también depende de la paridad del número de neutrones en el núcleo. Para núcleos con números pares (especialmente mágicos ) de neutrones, la densidad de nivel es menor que para núcleos con números impares; a energías de excitación iguales, el primer nivel excitado en un núcleo con un número par de neutrones se ubica más alto que en un núcleo con números pares de neutrones. uno raro

En todos los estados excitados, el núcleo puede permanecer solo por un tiempo finito, hasta que la excitación se elimine de una forma u otra. Los estados cuya energía de excitación es menor que la energía de enlace de una partícula o grupo de partículas en un núcleo dado se llaman ligados ; en este caso, la excitación solo puede eliminarse mediante radiación gamma . Los estados con una energía de excitación mayor que la energía de enlace de las partículas se denominan cuasiestacionarios . En este caso, el núcleo puede emitir una partícula o un cuanto gamma [12] .

Reacciones nucleares

Reacción nuclear: el proceso de transformación de los núcleos atómicos, que ocurre cuando interactúan con partículas elementales , cuantos gamma y entre sí.

Radiactividad

Solo una pequeña parte de los nucleidos son estables. En la mayoría de los casos, las fuerzas nucleares son incapaces de asegurar su integridad permanente, y tarde o temprano los núcleos se desintegrarán . Este fenómeno se llama radiactividad .

Notación de núcleo

El siguiente sistema se utiliza para designar los núcleos atómicos:

en medio se coloca el símbolo del elemento químico , que determina de manera única el número de carga del núcleo; $Z$
El número de masa se coloca en la parte superior izquierda del símbolo del elemento . $A$

Así, la composición del núcleo está completamente determinada, ya que . ${\ estilo de visualización N = AZ}$

Un ejemplo de tal designación:

${}^{238}{\textrm {U}}$ - el núcleo de uranio-238 , en el que hay 238 nucleones, de los cuales 92 son protones, ya que el elemento uranio tiene el número 92 en la tabla periódica .

A veces, sin embargo, para completar, todos los números que caracterizan el núcleo de su átomo se indican alrededor de la designación del elemento:

abajo a la izquierda - número de carga , es decir, lo mismo que indica el símbolo del elemento; $Z$
arriba a la izquierda - número de masa ; $A$
abajo a la derecha - número isotópico $norte$ ;
cuando se trata de isómeros nucleares, se asigna una letra de la secuencia m, n, p, q, ... al número de masa (a veces se usa la secuencia m1, m2, m3, ... ). A veces, esta letra se indica como un índice independiente en la parte superior derecha.

Ejemplos de tales designaciones:

${}_{{92}}^{{238}}{\textrm {U}}$ , , , . ${}_{{92}}^{{238}}{\textrm {U}}_{{146}}$ ${}_{{92}}^{{238m}}{\textrm {U}}$ ${}_{{92}}^{{238}}{\textrm {U}}^{{m}}$

Las designaciones de los núcleos atómicos coinciden con las de los nucleidos.

Por razones históricas y de otro tipo, algunos núcleos tienen nombres independientes. Por ejemplo, el núcleo de 4 He se denomina partícula α , el núcleo de deuterio 2 H (o D) se denomina deuterón y el núcleo de tritio 3 H (o T) se denomina tritón . Los dos últimos núcleos son isótopos de hidrógeno y por lo tanto pueden formar parte de moléculas de agua , dando lugar a la denominada agua pesada .

Notas

↑ Aquí está la constante de Planck , es la constante de Dirac . $h$ $\hbar$
↑ Lo cual es causado únicamente por la conveniencia de las medidas prácticas de las masas de los átomos.
↑ Rutherford, al investigar el proceso de dispersión de partículas α en los núcleos, estimó el tamaño del núcleo: alrededor de 10 −14 m .

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