Veľkosť atómového jadra • Igor Ivanov • Vedecko-populárne problémy na "prvkoch" • Fyzika

Atómová veľkosť

Všetci pravdepodobne pamätá zo školy, že atómy, a ešte viac atómové jadrá, sú také malé, že ich nemožno vidieť ani dotýkať. To môže vyvolať dojem, že tieto dimenzie patria do mikrosvety, potom ich možno určiť iba pomocou veľmi zložitých fyzikálnych experimentov. Ale nie je to tak. Existujú pomerne makroskopické a dokonca každodenné javy, ktoré nám umožňujú odhadnúť tieto rozmery aspoň v poradí. V jednom z problémov sme už zistili, ako odhadnúť veľkosť atómu na základe známych termodynamických vlastností látky. Teraz sa obrátime na atómové jadro.

Jadrá, samozrejme, sú ťažšie študovať ako samotné atómy. Pri tvorbe vlastností hmoty hrajú skôr vedľajšiu úlohu. Dávajú hmotnosť látok, udržiavajú okolo seba elektróny, ale samotné jadrá sa navzájom priamo nereagujú. Stáva sa to preto, že sú veľmi malé, oveľa menšie ako samotné atómy (obrázok 1). A z tohto dôvodu určenie ich veľkosti je ťažšie ako veľkosť atómov.

Obr. 1. Atómové jadro je oveľa menšie ako samotný atóm. Obrázok z en.wikipedia.org

V tomto probléme však odhadnúť veľkosť jadra, budeme používať jednu stopu, ktorú nám príroda prináša – fenomén rádioaktivity.

Je známe, že v priebehu niektorých jadrových transformácií lietajú neutrony z jadra. Na rozdiel od protónov alebo elektrónov neutrony nie sú elektricky nabité. Pri letoch cez hmotu prakticky necítia elektrónové škrupiny atómov. Preletia jeden atóm za druhým bez toho, aby sa odchyľovali od svojej trajektórie, kým sa nezvládajú s určitým jadrom hmoty. Pre jednoduchosť budeme predpokladať, že každý zrýchlený neutron, ktorý narazí do jadra, spôsobuje nejakú významnú interakciu: môže to byť absorpcia, pružný rozptyl alebo nejaká zmena vo vnútri jadra.

Takýto "postoj diabla-may-care" neutronov k elektromagnetickým interakciám vedie k tomu, že neutrónový tok má vysokú penetračnú silu (obrázok 2). Neutrónová voľná dráha (t.j. vzdialenosť medzi jednotlivými kolíznymi udalosťami) môže byť pomerne veľká, oveľa väčšia ako pre elektróny alebo röntgenové lúče. Najdôležitejšou vecou pre nás je, že táto dĺžka merané priamo v najjednoduchšom laboratórnom experimente pri skríningu neutrónového toku platňami rôznej hrúbky.Výsledky sú nasledovné: pre rýchle neutrony s energiou rádovo 1 MeV je priemerná voľná dráha v tuhej látke, napríklad hliník, asi 10 cm – úplne makroskopická veľkosť.

Obr. 2. Typický pomer medzi hĺbkou penetrácie alfa, beta, gama žiarenia a neutrónov porovnateľnej energie. Schéma z lokality remnet.jp

úloha

Na základe uvedených čísel a odôvodnenia, hlasovanie v poradí, veľkosť atómového jadra hliníka.


Tip 1

Nakresliť schému viacerých atómov, ktoré sú navzájom pevne stlačené svojimi elektrónovými nábojmi. Označte atómové jadrá vnútri nich, nezabudnite, že sú veľmi malé. Neutróny nevenujú pozornosť elektrónovým plášťom, pretože tuhá hmota je ako veľmi zriedkavý a takmer stacionárny "plyn" atómových jadier. S týmto dôrazom nakreslite priamu neutronovú trajektóriu a pokúste sa pochopiť, ako je voľná cesta spojená s veľkosťou jadra.


Tip 2

V skutočnosti bol vzorec na spojenie strednej voľnej dráhy s parametrami média už vyslovený v probléme s kolíziou fotónov. Tam sme sa rozprávali o priereze rozptýlenia fotónov na seba a toto bolo dosť abstraktné množstvo.Teraz je všetko jednoduchšie: domnievame sa, že rozptýlený prierez kolízie neutrón-jadro sa jednoducho zhoduje s geometrickým prierezom systému "core + neutron".


rozhodnutie

Na obr. 3 znázorňuje vo veľmi zjednodušenej forme tuhú látku z hľadiska nabitých častíc alebo fotónov, rovnako ako z hľadiska neutrónu. Neutrón prakticky "nevidí" elektróny, pretože existujú iba atómové jadrá. Polomer jadra označujeme Ra charakteristická vzdialenosť medzi nimi je cez , Upozorňujeme, že je typická interatómová vzdialenosť, je oveľa väčšia ako veľkosť jadra R, Neutrón sám, my za najjednoduchšie odhady bude považovaný za bod. Ak je to žiaduce, odhad sa môže zlepšiť spojením veľkosti neutrónu s veľkosťou jadra a jeho hmotnostným číslom. Avšak odhad podľa veľkosti sa toto objasnenie nezmení.

Obr. 3. Schematické znázornenie hmoty z hľadiska nabitých častíc (vľavo) a pokiaľ ide o neutron (vpravo)

Vzťah medzi voľnou cestou L, prierezu kolízie σ a koncentráciu jadier n Už bolo podrobne rozpracované v riešení problému kolízie fotónov. Zaznamenáva sa jednoducho: Lσn = 1. V našom prípade je kolízna časť jednoducho prierez jadra, σ = πR2, pričom koncentrácia je vyjadrená vzdialenosťou medzi jadrami, n = 1/3, Nahradením týchto výrazov získame odpoveď na odhadnutie polomeru jadra:

Interatómová vzdialenosť – je to pre pevnú látku len veľkosť atómov, to znamená niekoľko angstromov. Pre presnejší odhad môžete vypočítať koncentráciu jadier z hľadiska hustoty látky a hmotnosti jadra; pre hliník to dá = 2,5 Å. prevzatia L = 0,1 m, dostaneme R ≈ 7·10−15 m.

Zistená hodnota je približne dvojnásobkom skutočného polomeru hliníkového jadra. To je absolútne prijateľná presnosť pre takýto jednoduchý rozsah hodnotenia.


Doslov

Táto úloha môže slúžiť ako úvod pre rôzne príbehy o tom, ako neutrony alebo všeobecnejšie jednotlivé elementárne častice interagujú s hmotou. Tu sa obmedzíme len na niekoľko najbežnejších náčrtov.

Po prvé, musíme okamžite povedať, že v reálnom pokuse veľkosť týchto jadier vôbec nie je meraná týmito metódami. Najčastejšou cestou je vylepšená verzia klasickej skúsenosti s Rutherfordom: veľkosť jadra môže byť rozpoznaná spôsobom, akým sú na ňom rozptýlené nabité častice. Ale je tu zvedavý bod: ukáže sa, že jadro môže mať niekoľko rôzne veľkosti: polomer protónov, polomer materiálu, polomer nabíjania atď. V niektorých prípadoch, napríklad v prípade jadier s neutronovým halo, sa tieto veľkosti môžu značne líšiť.Preto moderná experimentálna fyzika používa naraz niekoľko rôznych metód na meranie veľkosti a štúdium štruktúry jadier (pozri úvod do tejto oblasti fyziky v našich správach Optický výskum pomáha študovať jadrá neutronovým halo).

Obr. 4. Trajektórie elektrónu a neutrónu v látke sa značne líšia v dôsledku odlišnej povahy interakcií.

Ďalej, prečo sa v tomto probléme používali neutróny, a nie elektróny alebo protóny? Časť odpovede je už jasná z riešenia. Nabité častice, rovnako ako fotóny, cítia nielen toľko ako jadro ako elektrónové škrupiny atómov, čo znamená, že ich použitie na meranie veľkosti jadra je ťažké. Existuje však aj druhý aspekt. Interakcia neutrónov s jadrami krátky dosah; to sa uskutočňuje iba v prípade, keď sa neutron blíži k jadru vo vzdialenosti rádovo od veľkosti jadra. Preto je neutronová dráha v látke prerušovaná čiara s dobre definovanými zlomovými bodmi a priamymi úsekmi (obrázok 4). Ale trajektória nabitých častíc vďaka elektromagnetickej interakcii s dlhým dosahom nepretržite odchýliť sa zo strany na stranu, ale v malých uhloch. Okrem toho táto interakcia vedie k ionizácii látky (vyradenie nových elektrónov) a k emisiám fotónov. Výsledkom toho je, že nabitá častica v látke jednoducho nemá jasne definovanú voľnú dráhu. Viac informácií o javoch, ktoré sa vyskytujú tu, nájdete v online kurze Interakcia častíc s látkou.

Pre jednoduchosť sme v tomto probléme zvážili, že prierez rozptylu neutrónov na jadre je čisto geometrický: kolízia nastáva, ak neutériová dráha spadne striktne do jadra. V mikrosvete, ktorý je opísaný kvantovými zákonmi, sa situácia môže od tohto predpokladu veľmi líšiť. Okrem toho tento rozdiel výrazne závisí od neutrónovej energie (obrázok 5). Takže pri energiách približne 1 MeV je rozptylovým prierezom zvyčajne niekoľko stodolárov (1 b = 10−24 vidieť2; v našom probléme sa prierez ukázal približne 0,5 b). Pre tepelné neutróny (energia rádovo 0,025 eV) sa úsek neutrónového snímania niekedy pohybuje na mnohých tisícoch (!) Stodoly, to znamená o niekoľko rádov väčších ako je geometrická veľkosť jadra (pozri periodickú tabuľku sekcií zachytávania neutrónov).Existujú dokonca aj medicínske technológie, ktoré využívajú túto vlastnosť jadrovej fyziky, napríklad terapia zachytením neutrónových bórov na boj proti ťažkým formám rakoviny. A v regióne strednej energie sú pozorované ostré a úzke vývrtky prierezu, ktoré vznikajú v dôsledku komplexnej štruktúry jadra.

Obr. 5. Závislosť prierezu zachytávania neutrónov uránovými, plutónovými a tóriovými izotopmi na energii neutrónov. Obrázok z intechopen.com

Studené neutrony vystupujú tu. Vzhľadom na ich nízku rýchlosť a dlhú vlnovú dĺžku nie sú jediným atómovým jadrom, ale hneď ich veľký tím (pozri novinky.) Studené neutronové lúče sondujú objekty bez narušenia. Z tohto dôvodu sa pri dostatočne nízkej rýchlosti môžu všeobecne odrážať od látky; zdá sa, že tento materiál vylučuje také neutróny ako také. To umožňuje doslova udržiavať ultracold neutrony v "kovovej fľaši" a uskutočňovať s ňou rôzne experimenty (pozri napríklad merania životnosti neutrónov, vykonávané rôznymi metódami, stále sa rozchádzajú a neutrony v gravitačnom poli Zeme vám umožňujú testovať modely tmavých a tmavých energií ako aj úloha neutronov v pasci).

Obr. 6. Obrázok chladiacich kanálov vo vnútri lopatky turbíny, získaný pomocou neutrónovej rádiografie. Obrázok z ne.ncsu.edu

Napokon neutrony otvárajú nespočetné možnosti nielen pre základnú fyziku, ale aj pre aplikovaný výskum. Bez toho, aby sme sa snažili vymenovať všetky špecifické oblasti použitia, spomíname iba priemyselnú diagnostiku zariadení, ktoré nemôžete skúmať použitím iných metód (obrázok 6), materiálovej vedy, biomedicínskych vied, v spojení s farmakológiou, geofyziou. Všetky tieto aplikácie sa takýmto spôsobom spoliehajú na vysokú penetračnú silu neutrónov v hmotu.


Like this post? Please share to your friends:
Pridaj komentár

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: