นักวิชาการ A.F. IOFF. "วิทยาศาสตร์และชีวิต" ฉบับที่ 1 พ.ศ. 2477

บทความ "The Nucleus of the Atom" โดยนักวิชาการ Abram Fedorovich Ioffe เปิดวารสาร "Science and Life" ฉบับแรกที่สร้างขึ้นใหม่ในปี 1934

อี. รัทเธอร์ฟอร์ด.

เอฟ ดับเบิลยู แอสตัน

ลักษณะคลื่นของสสาร

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 โครงสร้างอะตอมของสสารหยุดเป็นเพียงสมมติฐาน และอะตอมก็กลายเป็นความจริงพอๆ กับข้อเท็จจริงและปรากฏการณ์ที่เราพบเห็นกันทั่วไปว่าเป็นของจริง

ปรากฎว่าอะตอมเป็นรูปแบบที่ซับซ้อนมาก ซึ่งรวมถึงประจุไฟฟ้าอย่างไม่ต้องสงสัย และบางทีอาจมีเพียงประจุไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว สิ่งนี้ทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอมโดยธรรมชาติ

อะตอมแบบจำลองแรกได้รับการออกแบบตามระบบสุริยะ อย่างไรก็ตามความคิดเกี่ยวกับโครงสร้างอะตอมนี้กลับกลายเป็นว่าไม่สามารถป้องกันได้ในไม่ช้า และนี่คือเรื่องธรรมชาติ แนวคิดของอะตอมในฐานะระบบสุริยจักรวาลคือการถ่ายโอนภาพที่เกี่ยวข้องกับมาตราส่วนทางดาราศาสตร์ทางกลล้วนๆไปยังบริเวณอะตอมซึ่งมาตราส่วนมีเพียงร้อยล้านของเซนติเมตร การเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณที่คมชัดดังกล่าวไม่สามารถนำมาซึ่งการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญมากในคุณสมบัติเชิงคุณภาพของปรากฏการณ์เดียวกัน ความแตกต่างนี้ส่งผลต่อความจริงที่ว่าอะตอมจะต้องถูกสร้างขึ้นตามกฎที่เข้มงวดกว่ากฎที่กำหนดวงโคจรของดาวเคราะห์ในระบบสุริยะ ซึ่งต่างจากระบบสุริยะ

ความยากลำบากเกิดขึ้นสองประการ ประการแรก อะตอมทั้งหมดของธาตุชนิดใดชนิดหนึ่งมีคุณสมบัติทางกายภาพเหมือนกันหมด ดังนั้น วงโคจรของอิเล็กตรอนในอะตอมเหล่านี้จึงควรจะเหมือนกันโดยสิ้นเชิง ในขณะเดียวกัน กฎของกลศาสตร์ที่ควบคุมการเคลื่อนที่ของเทห์ฟากฟ้านั้นไม่มีพื้นฐานสำหรับเรื่องนี้เลย ตามกฎหมายเหล่านี้ วงโคจรของดาวเคราะห์สามารถหมุนตามอำเภอใจได้อย่างสมบูรณ์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความเร็วเริ่มต้น ดาวเคราะห์สามารถหมุนรอบตัวเองในแต่ละครั้งด้วยความเร็วที่เหมาะสมในวงโคจรใดๆ ที่ระยะห่างจากดวงอาทิตย์เท่าใดก็ได้ หากมีวงโคจรตามอำเภอใจเดียวกันในอะตอม อะตอมของสสารชนิดเดียวกันก็ไม่สามารถมีคุณสมบัติเหมือนกันได้ เช่น ให้สเปกตรัมการเรืองแสงที่เหมือนกันอย่างเคร่งครัด นี่เป็นความขัดแย้งประการหนึ่ง

อีกประการหนึ่งคือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมถ้าเรานำไปใช้กับกฎที่เราศึกษามาอย่างดีในการทดลองในห้องปฏิบัติการหรือแม้แต่ปรากฏการณ์ทางดาราศาสตร์ในวงกว้างก็ควรจะมาพร้อมกับการแผ่รังสีพลังงานอย่างต่อเนื่อง ด้วยเหตุนี้ พลังงานของอะตอมจะต้องหมดลงอย่างต่อเนื่อง และอีกครั้งที่อะตอมจะไม่สามารถรักษาคุณสมบัติของมันให้เหมือนเดิมและไม่เปลี่ยนแปลงตลอดหลายศตวรรษและนับพันปี และทั้งโลกและอะตอมทั้งหมดจะต้องประสบกับการลดทอนอย่างต่อเนื่อง การสูญเสียพลังงานที่มีอยู่ในตัวอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้ไม่สอดคล้องกับคุณสมบัติพื้นฐานของอะตอมเลย

ความยากลำบากครั้งสุดท้ายรู้สึกรุนแรงเป็นพิเศษ ดูเหมือนว่าจะนำวิทยาศาสตร์ทั้งหมดไปสู่ทางตันที่ไม่ละลายน้ำ

ลอเรนซ์ นักฟิสิกส์ผู้มีชื่อเสียงยุติการสนทนาของเราในเรื่องนี้ดังนี้: “ฉันเสียใจที่ฉันไม่ได้ตายเมื่อห้าปีก่อน เมื่อความขัดแย้งนี้ยังไม่มีอยู่จริง แล้วฉันก็คงตายไปด้วยความเชื่อว่าฉันได้เปิดเผยความจริงบางส่วนออกมา ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ."

ในเวลาเดียวกันในฤดูใบไม้ผลิปี 1924 de Broglie นักเรียนหนุ่มของ Langevin ได้แสดงแนวคิดในวิทยานิพนธ์ของเขาว่าในการพัฒนาเพิ่มเติมนำไปสู่การสังเคราะห์ใหม่

ความคิดของเดอ บรอกลี ซึ่งในขณะนั้นเปลี่ยนไปค่อนข้างสำคัญ แต่ยังคงรักษาไว้ส่วนใหญ่ก็คือ การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสในอะตอมนั้น ไม่ใช่แค่การเคลื่อนที่ของลูกบอลบางลูกดังที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ ว่าการเคลื่อนไหวนี้มาพร้อมกับลูกบอลบางชนิด คลื่นเคลื่อนที่ไปพร้อมกับอิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนไม่ใช่ลูกบอล แต่มีสารไฟฟ้าบางชนิดเบลอในอวกาศ การเคลื่อนที่ซึ่งในเวลาเดียวกันแสดงถึงการแพร่กระจายของคลื่น

แนวคิดนี้ไม่เพียงแต่ขยายไปถึงอิเล็กตรอนเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเคลื่อนไหวของวัตถุใดๆ ด้วย เช่น อิเล็กตรอน อะตอม และอะตอมทั้งชุด ระบุว่าการเคลื่อนไหวใดๆ ก็ตามของร่างกายมีสองด้าน ซึ่งในบางกรณีเราสามารถ มองเห็นด้านใดด้านหนึ่งได้ชัดเจนเป็นพิเศษ ในขณะที่อีกด้านหนึ่งไม่ปรากฏให้เห็นเด่นชัด ในกรณีหนึ่ง เราเห็นการแพร่กระจายของคลื่นและไม่สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ของอนุภาค ในทางกลับกัน อนุภาคที่กำลังเคลื่อนที่จะมาข้างหน้า และคลื่นก็หลบเลี่ยงการสังเกตของเรา

แต่ในความเป็นจริง ทั้งสองด้านนี้ปรากฏอยู่เสมอ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนนั้น ไม่เพียงแต่จะมีการเคลื่อนที่ของประจุเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแพร่กระจายของคลื่นด้วย

ไม่สามารถพูดได้ว่าไม่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในวงโคจร มีแต่การเต้นเป็นจังหวะ มีเพียงคลื่นเท่านั้น เช่น อย่างอื่น ไม่ มันจะถูกต้องกว่าถ้าพูดแบบนี้: เราไม่ปฏิเสธเลยการเคลื่อนที่ของอิเล็กโทรดซึ่งเราเปรียบเสมือนการเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์รอบดวงอาทิตย์ แต่การเคลื่อนไหวนี้เองมีลักษณะของการเต้นเป็นจังหวะและไม่ใช่ ธรรมชาติของการโคจรของโลกรอบดวงอาทิตย์

ฉันจะไม่อธิบายโครงสร้างของอะตอมที่นี่โครงสร้างของเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพพื้นฐานทั้งหมด - การทำงานร่วมกัน, ความยืดหยุ่น, เส้นเลือดฝอย, คุณสมบัติทางเคมี ฯลฯ ทั้งหมดนี้เป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของเปลือกอิเล็กทรอนิกส์ หรืออย่างที่เราพูดกันตอนนี้ อะตอมของการเต้นเป็นจังหวะ

ปัญหาของนิวเคลียสของอะตอม

นิวเคลียสมีบทบาทสำคัญในอะตอม นี่คือจุดศูนย์กลางที่อิเล็กตรอนทั้งหมดหมุนรอบ และคุณสมบัติของมันจะเป็นตัวกำหนดทุกสิ่งทุกอย่างในที่สุด

สิ่งแรกที่เราเรียนรู้เกี่ยวกับนิวเคลียสได้ก็คือประจุของมัน เรารู้ว่าอะตอมมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบจำนวนหนึ่ง แต่อะตอมโดยรวมไม่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งหมายความว่าจะต้องมีประจุบวกที่สอดคล้องกันที่ไหนสักแห่ง ประจุบวกเหล่านี้กระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียส นิวเคลียสเป็นอนุภาคที่มีประจุบวก ซึ่งบรรยากาศของอิเล็กตรอนรอบๆ นิวเคลียสจะเต้นเป็นจังหวะ ประจุของนิวเคลียสยังกำหนดจำนวนอิเล็กตรอนด้วย

อิเล็กตรอนของเหล็กและทองแดง แก้ว และไม้ มีความเหมือนกันทุกประการ ไม่มีปัญหาสำหรับอะตอมที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนบางส่วนหรือแม้กระทั่งสูญเสียอิเล็กตรอนทั้งหมดด้วยซ้ำ ตราบใดที่นิวเคลียสที่มีประจุบวกยังคงอยู่ นิวเคลียสนี้จะดึงดูดอิเล็กตรอนได้มากเท่าที่ต้องการจากวัตถุอื่นๆ ที่อยู่รอบๆ และอะตอมก็จะยังคงอยู่ต่อไป อะตอมของเหล็กจะยังคงเป็นเหล็กตราบใดที่นิวเคลียสของมันยังคงอยู่ หากสูญเสียอิเล็กตรอนไปจำนวนหนึ่ง ประจุบวกบนนิวเคลียสจะมากกว่าผลรวมของประจุลบที่เหลือ และอะตอมทั้งหมดโดยรวมจะได้รับประจุบวกส่วนเกิน จากนั้นเราเรียกมันว่าไม่ใช่อะตอม แต่เป็นไอออนเหล็กบวก ในอีกกรณีหนึ่ง ในทางกลับกัน อะตอมสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนเชิงลบเข้ามาหาตัวเองได้มากกว่าที่มีประจุบวก จากนั้นอะตอมก็จะมีประจุลบ และเราเรียกมันว่าไอออนลบ มันจะเป็นไอออนลบของธาตุเดียวกัน ด้วยเหตุนี้ ความเป็นเอกเทศขององค์ประกอบ คุณสมบัติทั้งหมดจึงดำรงอยู่และถูกกำหนดโดยนิวเคลียส ซึ่งเป็นหน้าที่ของนิวเคลียสนี้เป็นอันดับแรก

นอกจากนี้ มวลส่วนใหญ่ของอะตอมอย่างท่วมท้นถูกกำหนดอย่างแม่นยำโดยนิวเคลียส ไม่ใช่โดยอิเล็กตรอน - มวลของอิเล็กตรอนน้อยกว่าหนึ่งในพันของมวลของอะตอมทั้งหมด มากกว่า 0.999 ของมวลทั้งหมดคือมวลของนิวเคลียส ทั้งหมดนี้มีความสำคัญมากกว่าเพราะเราถือว่ามวลเป็นตัววัดพลังงานสำรองที่สารที่กำหนดมีอยู่ มวลเป็นหน่วยวัดพลังงานเช่นเดียวกับเอิร์ก กิโลวัตต์-ชั่วโมง หรือแคลอรี่

ความซับซ้อนของนิวเคลียสถูกเปิดเผยในปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี ซึ่งค้นพบหลังจากรังสีเอกซ์ไม่นานในช่วงเปลี่ยนศตวรรษของเรา เป็นที่ทราบกันว่าองค์ประกอบกัมมันตภาพรังสีปล่อยพลังงานอย่างต่อเนื่องในรูปของรังสีอัลฟ่า เบต้า และแกมมา แต่การแผ่รังสีพลังงานอย่างต่อเนื่องดังกล่าวจะต้องมีแหล่งที่มาบางแห่ง ในปี 1902 รัทเทอร์ฟอร์ดแสดงให้เห็นว่าแหล่งพลังงานเดียวที่ควรจะเป็นอะตอม หรืออีกนัยหนึ่งคือพลังงานนิวเคลียร์ อีกด้านของกัมมันตภาพรังสีก็คือการแผ่รังสีเหล่านี้จะเปลี่ยนองค์ประกอบหนึ่งที่อยู่ในตารางธาตุหนึ่งให้เป็นอีกองค์ประกอบหนึ่งที่มีคุณสมบัติทางเคมีต่างกัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง กระบวนการกัมมันตภาพรังสีจะดำเนินการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบต่างๆ หากเป็นความจริงที่นิวเคลียสของอะตอมเป็นตัวกำหนดความเป็นเอกเทศของมัน และตราบใดที่นิวเคลียสยังอยู่ในสภาพสมบูรณ์ อะตอมยังคงเป็นอะตอมของธาตุที่กำหนด ไม่ใช่อะตอมอื่น การเปลี่ยนผ่านของธาตุหนึ่งไปยังอีกธาตุหนึ่งหมายถึงการเปลี่ยนแปลงใน นิวเคลียสของอะตอมอย่างมาก

รังสีที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตภาพรังสีเป็นแนวทางแรกในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับสิ่งที่มีอยู่ในนิวเคลียส

รังสีอัลฟ่าคือนิวเคลียสของฮีเลียม และฮีเลียมเป็นองค์ประกอบที่สองของตารางธาตุ ดังนั้นจึงอาจคิดว่าแกนกลางมีนิวเคลียสของฮีเลียม แต่การวัดความเร็วที่รังสีอัลฟ่าปล่อยออกมาในทันทีทำให้เกิดปัญหาร้ายแรงมาก

ทฤษฎีกัมมันตภาพรังสีของ GAMOW

นิวเคลียสมีประจุบวก เมื่อเข้าใกล้อนุภาคที่มีประจุใดๆ จะประสบกับแรงดึงดูดหรือแรงผลัก ในห้องปฏิบัติการขนาดใหญ่ ปฏิกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้าถูกกำหนดโดยกฎของคูลอมบ์ โดยประจุสองประจุมีปฏิสัมพันธ์กันด้วยแรงที่แปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุทั้งสอง และเป็นสัดส่วนโดยตรงกับขนาดของประจุหนึ่งกับประจุอีกประจุหนึ่ง จากการศึกษากฎแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่อนุภาคประสบเมื่อเข้าใกล้นิวเคลียส รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่าในระยะห่างที่ใกล้กับนิวเคลียสมาก ประมาณ 10-12 ซม. กฎคูลอมบ์เดียวกันยังคงใช้ได้ หากเป็นเช่นนั้น เราก็สามารถคำนวณได้อย่างง่ายดายว่านิวเคลียสต้องทำงานมากเพียงใดในการผลักประจุบวกออกไปในขณะที่มันออกจากนิวเคลียสและถูกโยนออกไป อนุภาคอัลฟ่าและนิวเคลียสฮีเลียมที่มีประจุซึ่งหนีออกมาจากนิวเคลียสจะเคลื่อนที่ภายใต้ผลกระทบที่น่ารังเกียจของประจุ และการคำนวณที่สอดคล้องกันแสดงให้เห็นว่าภายใต้อิทธิพลของแรงผลักเพียงอย่างเดียว อนุภาคแอลฟาจะต้องสะสมพลังงานจลน์ซึ่งสอดคล้องกับอย่างน้อย 10 หรือ 20 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ นั่นคือพลังงานที่ได้รับเมื่อส่งประจุเท่ากับประจุ ของอิเล็กตรอน ความต่างศักย์ไฟฟ้า 20 ล้านโวลต์ แต่ในความเป็นจริงแล้ว เมื่อบินออกจากอะตอม พวกมันจะออกมาโดยมีพลังงานน้อยกว่ามาก เพียง 1-5 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์เท่านั้น แต่นอกจากนั้น

เป็นเรื่องปกติที่จะคาดหวังว่าเมื่อนิวเคลียสพ่นอนุภาคแอลฟาออกมา ก็จะให้สิ่งอื่นเพิ่มเติมแก่มัน ในขณะที่ดีดตัวออกมา บางอย่างเช่นการระเบิดจะเกิดขึ้นในแกนกลาง และการระเบิดนี้เองก็ให้พลังงานบางอย่าง งานของแรงผลักดันถูกเพิ่มเข้ามา และปรากฎว่าผลรวมของพลังงานเหล่านี้น้อยกว่าที่แรงผลักเพียงอย่างเดียวควรให้ได้ ความขัดแย้งนี้จะถูกลบออกทันทีที่เราปฏิเสธที่จะถ่ายโอนมุมมองที่พัฒนาจากประสบการณ์ในการศึกษาวัตถุขนาดใหญ่มายังพื้นที่นี้โดยกลไกโดยไม่ได้คำนึงถึงธรรมชาติของคลื่นของการเคลื่อนไหว G. A. Gamov เป็นคนแรกที่ให้การตีความความขัดแย้งนี้อย่างถูกต้องและสร้างทฤษฎีคลื่นของนิวเคลียสและกระบวนการกัมมันตภาพรังสี

เป็นที่ทราบกันว่าในระยะทางที่ไกลพอสมควร (มากกว่า 10 -12 ซม.) นิวเคลียสจะผลักประจุบวกออกจากตัวมันเอง ในทางกลับกัน ไม่ต้องสงสัยเลยว่าภายในนิวเคลียสเองซึ่งมีประจุบวกจำนวนมาก ด้วยเหตุผลบางอย่างพวกมันจึงไม่ขับไล่ การมีอยู่ของนิวเคลียสแสดงให้เห็นว่าประจุบวกภายในนิวเคลียสดึงดูดซึ่งกันและกัน และนอกนิวเคลียสพวกมันจะผลักกัน

เราจะอธิบายสภาวะพลังงานในและรอบๆ แกนกลางได้อย่างไร Gamow สร้างตัวแทนต่อไปนี้ เราจะพรรณนาในแผนภาพ (รูปที่ 5) ปริมาณพลังงานประจุบวกในตำแหน่งที่กำหนดตามระยะห่างจากเส้นแนวนอน ก.

เมื่อเข้าใกล้นิวเคลียส พลังงานของประจุจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากงานจะกระทำต่อแรงผลักกัน ในทางกลับกัน พลังงานควรจะลดลงอีกครั้งภายในนิวเคลียส เพราะที่นี่ไม่มีการผลักกันซึ่งกันและกัน แต่เป็นการดึงดูดซึ่งกันและกัน ที่ขอบเขตของนิวเคลียสจะมีค่าพลังงานลดลงอย่างรวดเร็ว ภาพวาดของเราปรากฎบนเครื่องบิน แน่นอนว่าคุณต้องจินตนาการว่ามันอยู่ในอวกาศโดยมีการกระจายพลังงานเท่ากันในทิศทางอื่นทั้งหมด จากนั้นเราพบว่ารอบนิวเคลียสมีชั้นทรงกลมที่มีพลังงานสูง เหมือนกับกำแพงพลังงานบางชนิดที่ปกป้องนิวเคลียสจากการแทรกซึมของประจุบวก ที่เรียกว่า "กำแพงกาโมว์"

หากเรายืนอยู่บนมุมมองของมุมมองตามปกติเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของร่างกายและลืมเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นของมัน เราต้องคาดหวังว่ามีเพียงประจุบวกเท่านั้นที่สามารถเจาะเข้าไปในนิวเคลียสได้ซึ่งมีพลังงานไม่น้อยไปกว่า ความสูงของสิ่งกีดขวาง ในทางกลับกัน เพื่อที่จะออกจากนิวเคลียส ประจุจะต้องถึงยอดของสิ่งกีดขวางก่อน หลังจากนั้นพลังงานจลน์ของมันจะเริ่มเพิ่มขึ้นเมื่อมันเคลื่อนที่ออกจากนิวเคลียส ถ้าที่ด้านบนของสิ่งกีดขวางพลังงานเป็นศูนย์ เมื่อดึงออกจากอะตอมแล้ว ก็จะได้รับอิเล็กตรอน 20 ล้านโวลต์เท่าเดิม ซึ่งไม่เคยถูกสังเกตจริงๆ ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับคอร์ที่ Gamow แนะนำมีดังนี้ การเคลื่อนที่ของอนุภาคต้องถือเป็นคลื่น ด้วยเหตุนี้ การเคลื่อนไหวนี้จึงได้รับผลกระทบจากพลังงานไม่เพียงแต่ ณ จุดที่อนุภาคครอบครองเท่านั้น แต่ยังรวมถึงคลื่นที่กระจายของอนุภาคทั้งหมดด้วย ซึ่งครอบคลุมพื้นที่ที่ค่อนข้างใหญ่ ตามแนวคิดของกลศาสตร์คลื่น เราสามารถโต้แย้งได้ว่าแม้ว่าพลังงาน ณ จุดที่กำหนดจะยังไม่ถึงขีดจำกัดที่สอดคล้องกับด้านบนของสิ่งกีดขวาง อนุภาคก็อาจไปจบลงที่อีกด้านหนึ่งของมัน โดยที่มันไม่ใช่ ถูกดึงเข้าสู่แกนกลางนานขึ้นด้วยแรงดึงดูดที่กระทำตรงนั้น

การทดลองต่อไปนี้แสดงถึงสิ่งที่คล้ายกัน ลองนึกภาพว่ามีถังน้ำอยู่หลังผนังห้อง ท่อถูกดึงออกมาจากถังนี้ ซึ่งไหลผ่านรูที่ผนังด้านบนและจ่ายน้ำ น้ำไหลออกมาด้านล่าง นี่เป็นอุปกรณ์ที่รู้จักกันดีเรียกว่ากาลักน้ำ หากวางถังด้านนั้นไว้สูงกว่าปลายท่อ น้ำจะไหลผ่านอย่างต่อเนื่องด้วยความเร็วที่กำหนดโดยความแตกต่างของระดับน้ำในถังและปลายท่อ ไม่มีอะไรน่าประหลาดใจที่นี่ แต่ถ้าคุณไม่รู้เกี่ยวกับการมีอยู่ของถังที่อยู่อีกด้านหนึ่งของกำแพงและเห็นเพียงท่อที่มีน้ำไหลมาจากที่สูงมาก ความจริงข้อนี้คงดูเหมือนเป็นความขัดแย้งที่เข้ากันไม่ได้สำหรับคุณ น้ำไหลจากที่สูงมากและในขณะเดียวกันก็ไม่สะสมพลังงานที่สอดคล้องกับความสูงของท่อ อย่างไรก็ตามคำอธิบายในกรณีนี้ก็ชัดเจน

เรามีปรากฏการณ์คล้ายกันในนิวเคลียส ชาร์จจากตำแหน่งปกติ กขึ้นไปสู่สภาวะที่มีพลังงานมากขึ้น ในแต่ไปไม่ถึงจุดสูงสุดของสิ่งกีดขวางเลย กับ(รูปที่ 6)

จากรัฐ ในอนุภาคอัลฟ่าที่ผ่านสิ่งกีดขวางเริ่มถูกผลักออกจากนิวเคลียสไม่ใช่จากด้านบนสุด กับและจากความสูงของพลังงานที่ต่ำกว่า บี 1- ดังนั้นเมื่อออกไปข้างนอกพลังงานที่อนุภาคสะสมไว้จะไม่ขึ้นอยู่กับความสูง กับและจากความสูงที่ต่ำกว่าเท่ากับ บี 1(รูปที่ 7)

การใช้เหตุผลเชิงคุณภาพนี้สามารถใส่ลงในรูปแบบเชิงปริมาณและสามารถกำหนดกฎหมายที่กำหนดความน่าจะเป็นที่อนุภาคแอลฟาจะผ่านสิ่งกีดขวางโดยขึ้นอยู่กับพลังงาน ในซึ่งมันครอบครองในนิวเคลียสและด้วยเหตุนี้จึงมาจากพลังงานที่ได้รับเมื่อออกจากอะตอม.

จากการทดลองหลายครั้ง ได้มีการสร้างกฎง่ายๆ ที่เชื่อมโยงจำนวนอนุภาคอัลฟาที่ปล่อยออกมาจากสารกัมมันตภาพรังสีด้วยพลังงานหรือความเร็วของพวกมัน แต่ความหมายของกฎหมายนี้ไม่ชัดเจนโดยสิ้นเชิง

ความสำเร็จครั้งแรกของ Gamow อยู่ที่ความจริงที่ว่ากฎเชิงปริมาณของการปล่อยอนุภาคอัลฟาเป็นไปตามทฤษฎีของเขาอย่างแม่นยำและง่ายดาย ตอนนี้ "กำแพงพลังงาน Gamow" และการตีความคลื่นเป็นพื้นฐานของแนวคิดทั้งหมดของเราเกี่ยวกับนิวเคลียส

คุณสมบัติของรังสีอัลฟ่าได้รับการอธิบายอย่างดีในเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณโดยทฤษฎีของ Gamow แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าสารกัมมันตรังสียังปล่อยรังสีเบตาซึ่งเป็นกระแสของอิเล็กตรอนเร็ว แบบจำลองนี้ไม่สามารถอธิบายการปล่อยอิเล็กตรอนได้ นี่เป็นหนึ่งในความขัดแย้งที่ร้ายแรงที่สุดในทฤษฎีนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ยังไม่ได้รับการแก้ไข แต่วิธีแก้ปัญหาซึ่งขณะนี้ดูเหมือนจะปรากฏให้เห็นแล้ว

โครงสร้างของแกนกลาง

ให้เราพิจารณาสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสต่อไป

เมื่อกว่า 100 ปีที่แล้ว พราวต์ได้แสดงความคิดที่ว่าบางทีองค์ประกอบของตารางธาตุอาจไม่ได้อยู่ในรูปแบบสสารที่แยกจากกันและไม่เกี่ยวข้องกันเลย แต่เป็นเพียงการรวมกันของอะตอมไฮโดรเจนที่แตกต่างกันเท่านั้น หากเป็นเช่นนั้น เราคงคาดหวังว่าไม่เพียงแต่ประจุของนิวเคลียสทั้งหมดจะเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของประจุของไฮโดรเจน แต่มวลของนิวเคลียสทั้งหมดจะแสดงเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของมวลของนิวเคลียสไฮโดรเจนด้วย กล่าวคือ น้ำหนักอะตอมทั้งหมดจะต้องแสดงเป็นจำนวนเต็ม จริงๆ แล้ว ถ้าคุณดูตารางน้ำหนักอะตอม คุณจะเห็นจำนวนเต็มจำนวนมาก ตัวอย่างเช่น คาร์บอนคือ 12 พอดี ไนโตรเจนคือ 14 พอดี ออกซิเจนคือ 16 พอดี ฟลูออรีนคือ 19 พอดี แน่นอนว่านี่ไม่ใช่อุบัติเหตุ แต่ก็ยังมีน้ำหนักอะตอมที่ยังห่างไกลจากจำนวนเต็ม ตัวอย่างเช่น นีออนมีน้ำหนักอะตอม 20.2 คลอรีน - 35.46 ดังนั้นสมมติฐานของพราวต์จึงยังคงเป็นการคาดเดาเพียงบางส่วนและไม่สามารถกลายเป็นทฤษฎีโครงสร้างของอะตอมได้ ด้วยการศึกษาพฤติกรรมของไอออนที่มีประจุ เป็นเรื่องง่ายเป็นพิเศษที่จะศึกษาคุณสมบัติของนิวเคลียสของอะตอมโดยมีอิทธิพลต่อพวกมัน เช่น กับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

วิธีการบนพื้นฐานของสิ่งนี้ทำให้ Aston มีความแม่นยำสูงมากทำให้สามารถพิสูจน์ได้ว่าองค์ประกอบทั้งหมดที่มีน้ำหนักอะตอมไม่ได้แสดงเป็นจำนวนเต็มนั้นแท้จริงแล้วไม่ใช่สารที่เป็นเนื้อเดียวกัน แต่เป็นส่วนผสมของสองหรือมากกว่า - 3, 4 , 9 - อะตอมชนิดต่าง ๆ ตัวอย่างเช่น น้ำหนักอะตอมของคลอรีนคือ 35.46 เนื่องจากจริงๆ แล้วมีอะตอมของคลอรีนหลายชนิด มีอะตอมของคลอรีนที่มีน้ำหนักอะตอม 35 และ 37 และคลอรีนทั้งสองชนิดนี้ผสมเข้าด้วยกันในสัดส่วนที่น้ำหนักอะตอมเฉลี่ยคือ 35.46 ปรากฎว่าไม่เพียงแต่ในกรณีนี้เท่านั้น แต่ในทุกกรณีโดยไม่มีข้อยกเว้น โดยที่น้ำหนักอะตอมไม่ได้แสดงเป็นจำนวนเต็ม เรามีส่วนผสมของไอโซโทปนั่นคืออะตอมที่มีประจุเท่ากัน ดังนั้นจึงเป็นตัวแทนขององค์ประกอบเดียวกัน , แต่มีมวลชนต่างกัน อะตอมแต่ละประเภทจะมีน้ำหนักอะตอมทั้งหมดเสมอ

ดังนั้นสมมติฐานของพราวต์จึงได้รับการเสริมกำลังที่สำคัญในทันที และอาจพิจารณาคำถามนี้ได้หากไม่ใช่ข้อยกเว้นประการเดียว นั่นคือ ไฮโดรเจนเอง ความจริงก็คือระบบน้ำหนักอะตอมของเราไม่ได้สร้างขึ้นจากไฮโดรเจนซึ่งนำมาเป็นหนึ่งเดียว แต่ขึ้นอยู่กับน้ำหนักอะตอมของออกซิเจน ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะอยู่ที่ 16 ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับน้ำหนักนี้ น้ำหนักอะตอมจะแสดงเป็นจำนวนเต็มเกือบตรงกัน แต่ไฮโดรเจนในระบบนี้มีน้ำหนักอะตอมไม่เท่ากับ 1 แต่มากกว่านั้นคือ 1.0078 ตัวเลขนี้แตกต่างจากความสามัคคีค่อนข้างมาก - 3/4% ซึ่งเกินกว่าข้อผิดพลาดที่เป็นไปได้ทั้งหมดในการกำหนดน้ำหนักอะตอม

ปรากฎว่าออกซิเจนยังมีไอโซโทป 3 ไอโซโทป: นอกเหนือจากไอโซโทปที่มีน้ำหนักอะตอม 16, อีกไอโซโทปที่มีน้ำหนักอะตอม 17 และหนึ่งในสามที่มีน้ำหนักอะตอม 18 หากเรากำหนดน้ำหนักอะตอมทั้งหมดให้กับไอโซโทป 16 น้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจนจะยังคงมากกว่า 1 เล็กน้อย ถัดไปพบไอโซโทปที่สองของไฮโดรเจน - ไฮโดรเจนที่มีน้ำหนักอะตอม 2 - ดิวทีเรียมตามที่ชาวอเมริกันผู้ค้นพบเรียกมันว่าหรือนักการทูตตามที่ชาวอังกฤษเรียกมัน ดิวเทอเรียมนี้ผสมอยู่เพียงประมาณ 1/6000 ดังนั้นการมีอยู่ของสิ่งเจือปนจึงมีผลกระทบน้อยมากต่อน้ำหนักอะตอมของไฮโดรเจน

ฮีเลียมมีน้ำหนักอะตอมรองจากไฮโดรเจน 4.002 ถ้ามันประกอบด้วยไฮโดรเจน 4 ตัว น้ำหนักอะตอมของมันก็จะเท่ากับ 4.031 อย่างเห็นได้ชัด ดังนั้นในกรณีนี้ เราจึงสูญเสียน้ำหนักอะตอมไปบ้าง กล่าวคือ 4.031 - 4.002 = 0.029 เป็นไปได้ไหม? แน่นอนว่านี่เป็นไปไม่ได้จนกว่าเราจะถือว่ามวลเป็นตัววัดสสาร ซึ่งหมายความว่าส่วนหนึ่งของสสารหายไปแล้ว

แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพได้กำหนดไว้อย่างไม่ต้องสงสัยว่ามวลไม่ใช่หน่วยวัดปริมาณของสสาร แต่เป็นการวัดพลังงานที่สสารนี้มีอยู่ สสารไม่ได้วัดจากมวล แต่วัดจากจำนวนประจุที่ประกอบเป็นสสารนั้น ประจุเหล่านี้อาจมีพลังงานมากหรือน้อยก็ได้ เมื่อประจุที่เหมือนกันเข้ามาใกล้ พลังงานจะเพิ่มขึ้น เมื่อประจุเคลื่อนตัวออกไป พลังงานจะลดลง แต่แน่นอนว่าไม่ได้หมายความว่าเรื่องเปลี่ยนไป

เมื่อเราบอกว่าในระหว่างการก่อตัวของฮีเลียมจากไฮโดรเจน 4 ตัว น้ำหนักอะตอม 0.029 จะหายไป นั่นหมายความว่าพลังงานที่สอดคล้องกับค่านี้หายไป เรารู้ว่าสารแต่ละกรัมมีพลังงานเท่ากับ 9 10 20 เช่น เมื่อเกิดฮีเลียม 4 กรัม พลังงานที่สูญเสียไปคือ 0.029 9. 10 20 อีกครั้ง เนื่องจากพลังงานที่ลดลงนี้ นิวเคลียสของไฮโดรเจน 4 ตัวจึงรวมตัวกันเป็นนิวเคลียสใหม่ พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกสู่อวกาศโดยรอบ และสารประกอบที่มีพลังงานและมวลน้อยกว่าเล็กน้อยจะยังคงอยู่ ดังนั้น หากน้ำหนักอะตอมไม่ได้วัดอย่างแม่นยำด้วยจำนวนเต็ม 4 หรือ 1 แต่วัดด้วย 4.002 และ 1.0078 ก็เป็นหนึ่งในพันส่วนที่ได้รับความสำคัญเป็นพิเศษเนื่องจากเป็นตัวกำหนดพลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียส

ยิ่งพลังงานถูกปล่อยออกมาในระหว่างการก่อตัวของนิวเคลียสมากขึ้น กล่าวคือ ยิ่งสูญเสียน้ำหนักอะตอมมากเท่าไร นิวเคลียสก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งนิวเคลียสของฮีเลียมมีความแข็งแรงมาก เพราะเมื่อก่อตัว พลังงานจะถูกปล่อยออกมาซึ่งสอดคล้องกับการสูญเสียน้ำหนักอะตอม - 0.029 นี่เป็นพลังงานที่สูงมาก ในการตัดสิน วิธีที่ดีที่สุดคือจำอัตราส่วนง่ายๆ นี้: หนึ่งในพันของน้ำหนักอะตอมสอดคล้องกับประมาณ 1 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ ดังนั้น 0.029 ก็คือประมาณ 29 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์ เพื่อที่จะทำลายนิวเคลียสของฮีเลียมเพื่อย่อยสลายกลับเป็นไฮโดรเจน 4 ตัว จำเป็นต้องมีพลังงานมหาศาล นิวเคลียสไม่ได้รับพลังงานดังกล่าว ดังนั้นนิวเคลียสของฮีเลียมจึงมีความเสถียรอย่างยิ่ง และด้วยเหตุนี้จึงไม่ใช่นิวเคลียสไฮโดรเจนที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสกัมมันตภาพรังสี แต่เป็นนิวเคลียสของฮีเลียมทั้งหมด อนุภาคอัลฟ่า ข้อพิจารณาเหล่านี้นำเราไปสู่การประเมินพลังงานปรมาณูครั้งใหม่ เรารู้อยู่แล้วว่าพลังงานเกือบทั้งหมดของอะตอมนั้นกระจุกตัวอยู่ที่นิวเคลียส และพลังงานจำนวนมหาศาลในนั้น หากแปลเป็นภาษาภาพ 1 กรัม จะมีพลังงานมากที่สุดเท่าที่จะหาได้จากการเผาไหม้น้ำมัน 10 ขบวนจากเกวียน 100 ขบวน ดังนั้นนิวเคลียสจึงเป็นแหล่งพลังงานที่พิเศษอย่างยิ่ง เปรียบเทียบ 1 g กับ 10 ขบวน - นี่คืออัตราส่วนของความเข้มข้นของพลังงานในแกนกลางเทียบกับพลังงานที่เราใช้ในเทคโนโลยีของเรา

อย่างไรก็ตาม หากคุณคิดถึงข้อเท็จจริงที่เรากำลังพิจารณาอยู่ตอนนี้ คุณก็จะสามารถมีมุมมองที่ตรงกันข้ามกับนิวเคลียสโดยสิ้นเชิงได้ จากมุมมองนี้นิวเคลียสไม่ใช่แหล่งพลังงาน แต่เป็นสุสานของมัน นิวเคลียสคือส่วนที่เหลือหลังจากปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาลออกมา และในนั้นเรามีสถานะพลังงานต่ำที่สุด

ดังนั้น หากเราสามารถพูดถึงความเป็นไปได้ของการใช้พลังงานนิวเคลียร์ ก็มีเพียงในแง่ที่ว่าบางทีไม่ใช่ว่านิวเคลียสทั้งหมดจะได้พลังงานที่ต่ำมาก ท้ายที่สุดแล้ว ไฮโดรเจนและฮีเลียมต่างก็มีอยู่ในธรรมชาติ และด้วยเหตุนี้ ไฮโดรเจนจึงไม่ใช่ทั้งหมด รวมกันเป็นฮีเลียมแม้ว่าฮีเลียมจะมีพลังงานน้อยกว่าก็ตาม หากเราสามารถหลอมไฮโดรเจนที่มีอยู่ให้เป็นฮีเลียมได้ เราก็จะได้รับพลังงานจำนวนหนึ่ง นี่ไม่ใช่รถไฟ 10 ขบวนที่มีน้ำมัน แต่ยังคงเป็นประมาณ 10 คันที่มีน้ำมัน และนี่ก็ไม่ได้เลวร้ายนักหากเป็นไปได้ที่จะได้รับพลังงานจากสาร 1 กรัมได้มากเท่ากับจากการเผาไหม้น้ำมัน 10 เกวียน

สิ่งเหล่านี้คือพลังงานสำรองที่เป็นไปได้ในระหว่างการจัดเรียงนิวเคลียสใหม่ แต่แน่นอนว่าความเป็นไปได้นั้นยังห่างไกลจากความเป็นจริง

โอกาสเหล่านี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร? เพื่อประเมินพวกมัน ให้เราพิจารณาองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอมต่อไป

ตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่านิวเคลียสทั้งหมดมีนิวเคลียสไฮโดรเจนเชิงบวก ซึ่งเรียกว่าโปรตอน มีหน่วยน้ำหนักอะตอม (1.0078 ที่แน่นอน) และมีหน่วยประจุบวก แต่นิวเคลียสไม่สามารถประกอบด้วยโปรตอนเพียงอย่างเดียวได้ ยกตัวอย่างเช่น ธาตุที่หนักที่สุด ซึ่งอยู่ในอันดับที่ 92 ในตารางธาตุ ยูเรเนียม ซึ่งมีน้ำหนักอะตอม 238 ถ้าเราสมมุติว่า 238 หน่วยทั้งหมดนี้ประกอบด้วยโปรตอน ยูเรเนียมก็จะมีประจุ 238 ประจุ ในขณะที่มี มีเพียง 92 เท่านั้น ดังนั้น อาจไม่ใช่อนุภาคทั้งหมดที่มีประจุ หรือมีอิเล็กตรอนเชิงลบ 146 ตัว นอกเหนือจากโปรตอน 238 ตัว ถ้าอย่างนั้นทุกอย่างก็ดี: น้ำหนักอะตอมจะเท่ากับ 238 ประจุบวก 238 และลบ 146 ดังนั้นประจุทั้งหมดคือ 92 แต่เราได้กำหนดไว้แล้วว่าสมมติฐานของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนในนิวเคลียสนั้นไม่สอดคล้องกับแนวคิดของเรา: เช่นกัน ขนาดหรือคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอนในแกนกลางไม่สามารถวางได้ ความขัดแย้งบางอย่างยังคงอยู่

การค้นพบนิวตรอน

ความขัดแย้งนี้ถูกทำลายโดยข้อเท็จจริงเชิงทดลองใหม่ ซึ่งถูกค้นพบเมื่อประมาณสองปีที่แล้วโดย Irene Curie และ Joliot สามีของเธอ (Irene Curie เป็นลูกสาวของ Marie Curie ผู้ค้นพบเรเดียม) Irene Curie และ Joliot ค้นพบว่าเมื่อเบริลเลียม (องค์ประกอบที่สี่ของตารางธาตุ) ถูกถล่มด้วยอนุภาคอัลฟา เบริลเลียมจะปล่อยรังสีแปลก ๆ ออกมาซึ่งทะลุผ่านมวลสารที่มีความหนามหาศาล ดูเหมือนว่าเนื่องจากพวกมันทะลุผ่านสสารได้ง่ายมาก พวกมันจึงไม่ควรก่อให้เกิดผลกระทบที่มีนัยสำคัญใดๆ มิฉะนั้นพลังงานของพวกมันจะหมดลงและพวกมันจะไม่ทะลุผ่านสสารนั้น ในทางกลับกัน ปรากฎว่ารังสีเหล่านี้ชนกับนิวเคลียสของอะตอม ปฏิเสธมันด้วยแรงมหาศาล ราวกับถูกอนุภาคหนักกระทบ ดังนั้นในอีกด้านหนึ่ง เราต้องคิดว่ารังสีเหล่านี้เป็นนิวเคลียสที่หนัก และในทางกลับกัน พวกมันสามารถทะลุผ่านความหนามหาศาลได้โดยไม่ต้องใช้อิทธิพลใดๆ

การแก้ปัญหาข้อขัดแย้งนี้พบว่าไม่มีประจุอนุภาคนี้ ถ้าอนุภาคไม่มีประจุไฟฟ้า ก็จะไม่มีอะไรทำงาน และตัวมันเองก็จะไม่ทำอะไรเลย ในระหว่างที่มันเคลื่อนที่ไปชนลูกกระสุนปืนใหญ่ที่ไหนสักแห่งเท่านั้นจึงจะโยนมันทิ้งไป

ดังนั้นอนุภาคที่ไม่มีประจุใหม่จึงปรากฏขึ้น - นิวตรอน ปรากฎว่ามวลของอนุภาคนี้มีค่าประมาณเท่ากับมวลของอนุภาคไฮโดรเจน - 1.0065 (น้อยกว่าโปรตอนหนึ่งในพันดังนั้นพลังงานของมันจะน้อยกว่าประมาณ 1 ล้านอิเล็กตรอนโวลต์) อนุภาคนี้คล้ายกับโปรตอน แต่ไม่มีประจุบวกเท่านั้น มีความเป็นกลาง เรียกว่านิวตรอน

เมื่อการมีอยู่ของนิวตรอนชัดเจนขึ้น จึงมีการเสนอแนวคิดที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิงเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียส แสดงออกครั้งแรกโดย D. D. Ivanenko จากนั้นจึงได้รับการพัฒนาโดยเฉพาะโดย Heisenberg ผู้ได้รับรางวัลโนเบลเมื่อปีที่แล้ว นิวเคลียสสามารถประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอน อาจสันนิษฐานได้ว่านิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเท่านั้น จากนั้นการสร้างระบบคาบทั้งหมดจะดูแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่ง่ายมาก ตัวอย่างเช่น เราควรจินตนาการถึงยูเรเนียมอย่างไร? น้ำหนักอะตอมของมันคือ 238 กล่าวคือ มี 238 อนุภาค แต่บางส่วนก็เป็นโปรตอน บางส่วนเป็นนิวตรอน โปรตอนแต่ละตัวมีประจุบวก นิวตรอนไม่มีประจุเลย ถ้าประจุของยูเรเนียมเท่ากับ 92 แสดงว่า 92 เป็นโปรตอน และส่วนที่เหลือเป็นนิวตรอน แนวคิดนี้ได้นำไปสู่ความสำเร็จที่น่าทึ่งมากมายและได้ชี้แจงคุณสมบัติหลายประการของระบบคาบซึ่งก่อนหน้านี้ดูลึกลับอย่างสมบูรณ์ในทันที เมื่อมีโปรตอนและนิวตรอนน้อย ตามแนวคิดสมัยใหม่ของกลศาสตร์คลื่น เราควรคาดหวังว่าจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียสจะเท่ากัน มีเพียงโปรตอนเท่านั้นที่มีประจุ และจำนวนโปรตอนจะให้เลขอะตอม และน้ำหนักอะตอมของธาตุคือผลรวมของน้ำหนักของโปรตอนและนิวตรอน เนื่องจากทั้งสองมีน้ำหนักอะตอมเท่ากัน บนพื้นฐานนี้ เราสามารถพูดได้ว่าเลขอะตอมคือครึ่งหนึ่งของน้ำหนักอะตอม

บัดนี้ยังคงมีความยากลำบากอยู่ประการหนึ่ง ความขัดแย้งประการหนึ่ง นี่คือความขัดแย้งที่เกิดจากอนุภาคบีตา

การค้นพบโพซิตรอน

เราได้ข้อสรุปว่าไม่มีอะไรในนิวเคลียสนอกจากโปรตอนที่มีประจุบวก แล้วอิเล็กตรอนเชิงลบจะถูกขับออกจากนิวเคลียสได้อย่างไร ในเมื่อไม่มีประจุลบเลย? อย่างที่คุณเห็น เราอยู่ในสถานการณ์ที่ยากลำบาก

เราถูกนำออกไปอีกครั้งด้วยข้อเท็จจริงเชิงทดลองใหม่ การค้นพบครั้งใหม่ การค้นพบนี้อาจเป็นครั้งแรกโดย D.V. Skobeltsyn ผู้ซึ่งศึกษารังสีคอสมิกมาเป็นเวลานาน พบว่าในบรรดาประจุที่รังสีคอสมิกปล่อยออกมานั้น ยังมีอนุภาคแสงที่เป็นบวกอีกด้วย แต่การค้นพบนี้ตรงกันข้ามกับทุกสิ่งที่ได้รับการยอมรับอย่างมั่นคงจนในตอนแรก Skobeltsyn ไม่ได้ให้การตีความข้อสังเกตของเขาเช่นนั้น

คนต่อไปที่ค้นพบปรากฏการณ์นี้คือนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน แอนเดอร์เซนในเมืองพาซาดีนา (แคลิฟอร์เนีย) และหลังจากนั้นในอังกฤษ ในห้องทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด แบล็คเก็ตต์ พวกนี้เป็นอิเล็กตรอนบวก หรือที่เรียกกันไม่ค่อยดีนักว่าโพซิตรอน สิ่งเหล่านี้เป็นอิเล็กตรอนบวกอย่างแท้จริงซึ่งสามารถมองเห็นได้ง่ายที่สุดจากพฤติกรรมของพวกมันในสนามแม่เหล็ก ในสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนจะเบนไปในทิศทางหนึ่ง และโพซิตรอนจะเบนไปในทิศทางอื่น และทิศทางของการโก่งตัวจะกำหนดสัญญาณของพวกมัน

ในตอนแรก โพซิตรอนถูกสังเกตเฉพาะระหว่างที่รังสีคอสมิกเคลื่อนผ่านเท่านั้น เมื่อไม่นานมานี้ Irene Curie และ Joliot คนเดียวกันได้ค้นพบปรากฏการณ์ใหม่ที่น่าทึ่ง ปรากฎว่ามีกัมมันตภาพรังสีชนิดใหม่ ซึ่งนิวเคลียสของอะลูมิเนียม โบรอน แมกนีเซียม ซึ่งในตัวมันเองไม่มีกัมมันตภาพรังสี เมื่อถูกโจมตีด้วยรังสีอัลฟ่า จะกลายเป็นกัมมันตภาพรังสี เป็นเวลา 2 ถึง 14 นาที พวกมันยังคงปล่อยอนุภาคตามความสอดคล้องของมันเอง และอนุภาคเหล่านี้ไม่ใช่รังสีอัลฟ่าและเบตาอีกต่อไป แต่เป็นโพซิตรอน

ทฤษฎีโพซิตรอนถูกสร้างขึ้นเร็วกว่าการค้นพบโพซิตรอนมาก Dirac มอบหมายหน้าที่ให้ตัวเองสร้างสมการของกลศาสตร์คลื่นให้มีรูปแบบที่สมการจะเป็นไปตามทฤษฎีสัมพัทธภาพด้วย

อย่างไรก็ตาม สมการดิแรกเหล่านี้ทำให้เกิดผลลัพธ์ที่แปลกประหลาดมาก มวลเข้าสู่พวกมันอย่างสมมาตร เช่น เมื่อสัญลักษณ์ของมวลเปลี่ยนไปในทางตรงกันข้าม สมการจะไม่เปลี่ยนแปลง ความสมมาตรของสมการเทียบกับมวลนี้ทำให้ Dirac สามารถทำนายความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของอิเล็กตรอนบวกได้

ในเวลานั้น ไม่มีใครสังเกตเห็นอิเล็กตรอนเชิงบวก และมีความเชื่ออย่างแรงกล้าว่าไม่มีอิเล็กตรอนเชิงบวก (ซึ่งสามารถตัดสินได้ด้วยความระมัดระวังที่ทั้ง Skobeltsyn และ Andersen เข้าหาปัญหานี้) ดังนั้นทฤษฎีของ Dirac จึงถูกปฏิเสธ สองปีต่อมาพบอิเล็กตรอนเชิงบวกจริง ๆ และแน่นอนว่าพวกมันจำทฤษฎีของ Dirac ซึ่งทำนายการปรากฏตัวของพวกมันได้

“การทำให้เป็นวัตถุ” และ “การทำลายล้าง”

ทฤษฎีนี้เกี่ยวข้องกับการตีความที่ไม่มีมูลหลายประการที่ล้อมรอบทฤษฎีนี้จากทุกด้าน ที่นี่ฉันต้องการวิเคราะห์กระบวนการของการปรากฏซึ่งตั้งชื่อตามความคิดริเริ่มของมาดามกูรี - ลักษณะที่ปรากฏเมื่อรังสีแกมมาผ่านสสารพร้อมกันของอิเล็กตรอนบวกและลบคู่หนึ่ง ข้อเท็จจริงเชิงทดลองนี้ถูกตีความว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นอนุภาคสองอนุภาคที่ไม่เคยมีมาก่อน ดังนั้นข้อเท็จจริงนี้จึงถูกตีความว่าเป็นการสร้างและการหายตัวไปของสสารภายใต้อิทธิพลของรังสีอื่นๆ เหล่านั้น

แต่ถ้าเราพิจารณาสิ่งที่เราสังเกตเห็นจริง ๆ ให้ละเอียดยิ่งขึ้น ก็จะเห็นว่าการตีความรูปลักษณ์ของคู่นั้นไม่มีพื้นฐาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งงานของ Skobeltsyn แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าการปรากฏตัวของประจุคู่หนึ่งภายใต้อิทธิพลของรังสีแกมมาไม่ได้เกิดขึ้นในพื้นที่ว่างเลย การปรากฏตัวของคู่นั้นมักจะสังเกตได้ในอะตอมเท่านั้น ด้วยเหตุนี้ เราไม่ได้จัดการกับการทำให้เป็นรูปธรรมของพลังงาน ไม่ใช่กับการปรากฏของสสารใหม่ แต่เฉพาะกับการแยกประจุภายในสสารที่มีอยู่แล้วในอะตอมเท่านั้น เธออยู่ที่ไหน? เราต้องคิดว่ากระบวนการแยกประจุบวกและลบเกิดขึ้นไม่ไกลจากนิวเคลียส ภายในอะตอม แต่ไม่ได้อยู่ภายในนิวเคลียส (ที่ระยะค่อนข้างไม่ใหญ่มาก คือ 10 -10 -10 -11 ซม. ในขณะที่รัศมี ของนิวเคลียสคือ 10 -12 -10 -13 ซม. )

สิ่งเดียวกันนี้สามารถพูดได้เกี่ยวกับกระบวนการย้อนกลับของ "การทำลายล้างสสาร" - การรวมกันของอิเล็กตรอนเชิงลบและบวกด้วยการปล่อยพลังงานหนึ่งล้านอิเล็กตรอนโวลต์ในรูปแบบของรังสีแกมมาแม่เหล็กไฟฟ้าสองควอนต้า และกระบวนการนี้มักจะเกิดขึ้นในอะตอมซึ่งดูเหมือนจะอยู่ใกล้นิวเคลียสของมัน

ที่นี่เรามาถึงความเป็นไปได้ในการแก้ไขความขัดแย้งที่เราได้สังเกตไปแล้วซึ่งเป็นผลมาจากการปล่อยรังสีเบต้าของอิเล็กตรอนเชิงลบโดยนิวเคลียสซึ่งตามที่เราคิดไม่มีอิเล็กตรอนอยู่

แน่นอนว่าอนุภาคบีตาไม่ได้บินออกมาจากนิวเคลียส แต่เป็นเพราะนิวเคลียส เนื่องจากการปลดปล่อยพลังงานภายในนิวเคลียส กระบวนการแยกออกเป็นประจุบวกและประจุลบจึงเกิดขึ้นใกล้กับนิวเคลียส โดยประจุลบถูกขับออกมา และประจุบวกจะถูกดึงเข้าไปในนิวเคลียสและเกิดพันธะกับนิวตรอนจนเกิดเป็นโปรตอนบวก นี่คือสมมติฐานที่เกิดขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้

ต่อไปนี้คือสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับองค์ประกอบของนิวเคลียสของอะตอม

บทสรุป

โดยสรุป เรามาพูดสักสองสามคำเกี่ยวกับโอกาสในอนาคต

ในการศึกษาอะตอม หากเราไปถึงขอบเขตที่กำหนดซึ่งการเปลี่ยนแปลงเชิงปริมาณได้เปลี่ยนเป็นคุณสมบัติเชิงคุณภาพใหม่แล้ว ที่ขอบเขตของนิวเคลียสของอะตอม กฎของกลศาสตร์คลื่นที่เราค้นพบในเปลือกอะตอมก็จะหยุดทำงาน ในแกนกลาง รูปทรงที่ยังไม่ชัดเจนของทฤษฎีใหม่ที่มีการสรุปทั่วไปมากขึ้นเริ่มที่จะสัมผัสได้ ซึ่งสัมพันธ์กับกลศาสตร์คลื่นที่เป็นตัวแทนเพียงด้านเดียวของปรากฏการณ์ ซึ่งอีกด้านหนึ่งกำลังเริ่มเปิด - และเริ่มต้น มีข้อขัดแย้งเช่นเคย

งานเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอมยังมีด้านที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งซึ่งเกี่ยวพันอย่างใกล้ชิดกับการพัฒนาเทคโนโลยี แกนกลางได้รับการปกป้องอย่างดีจากสิ่งกีดขวาง Gamow จากอิทธิพลภายนอก หากไม่ได้จำกัดตัวเองอยู่เพียงการสังเกตการสลายตัวของนิวเคลียสในกระบวนการกัมมันตภาพรังสี เราต้องการเจาะเข้าไปในนิวเคลียสจากภายนอกและสร้างมันขึ้นมาใหม่ สิ่งนี้จะต้องได้รับผลกระทบที่ทรงพลังอย่างยิ่ง

ปัญหาของแกนกลางที่เร่งด่วนที่สุดจำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีเพิ่มเติม การเปลี่ยนจากแรงดันไฟฟ้าที่เทคโนโลยีไฟฟ้าแรงสูงเชี่ยวชาญอยู่แล้ว จากแรงดันไฟฟ้าหลายแสนโวลต์ไปเป็นล้านโวลต์ เวทีใหม่กำลังถูกสร้างขึ้นในด้านเทคโนโลยี ขณะนี้งานเกี่ยวกับการสร้างแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าใหม่หลายล้านโวลต์กำลังดำเนินการในทุกประเทศ - ทั้งในต่างประเทศและที่นี่ โดยเฉพาะในห้องปฏิบัติการคาร์คอฟซึ่งเป็นที่แรกที่เริ่มงานนี้ และที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีเลนินกราด และในสถานที่อื่นๆ

ปัญหานิวเคลียร์เป็นปัญหาเร่งด่วนที่สุดปัญหาหนึ่งในยุคฟิสิกส์ของเรา จะต้องทำงานด้วยความอุตสาหะและความอุตสาหะอย่างยิ่ง และในงานนี้จำเป็นต้องมีความกล้าหาญในการคิดอย่างมาก ในการนำเสนอของฉัน ฉันชี้ให้เห็นหลายกรณีที่เมื่อเราย้ายไปสู่ระดับใหม่ เราเริ่มเชื่อมั่นว่านิสัยเชิงตรรกะของเรา ความคิดทั้งหมดของเราที่สร้างขึ้นจากประสบการณ์ที่จำกัด ไม่เหมาะสมกับปรากฏการณ์ใหม่และระดับใหม่ เราจำเป็นต้องเอาชนะลัทธิอนุรักษ์นิยมสามัญสำนึกที่มีอยู่ในตัวเราแต่ละคน สามัญสำนึกคือประสบการณ์ที่เข้มข้นของอดีต ไม่อาจคาดหวังได้ว่าประสบการณ์นี้จะโอบรับอนาคตอย่างเต็มที่ ในภูมิภาคหลัก เราต้องคำนึงถึงความเป็นไปได้ของคุณสมบัติเชิงคุณภาพใหม่ๆ อยู่เสมอมากกว่าที่อื่นๆ และอย่ากลัวสิ่งเหล่านี้ สำหรับฉันดูเหมือนว่าที่นี่ควรจะรู้สึกถึงพลังของวิธีวิภาษวิธีซึ่งเป็นวิธีการที่ปราศจากการอนุรักษ์ซึ่งทำนายการพัฒนาฟิสิกส์สมัยใหม่ทั้งหมด แน่นอนว่าสิ่งที่ฉันหมายถึงในที่นี้โดยวิธีวิภาษวิธีไม่ใช่ชุดวลีที่นำมาจากเองเกล ไม่ใช่คำพูดของเขา แต่ความหมายที่ต้องถ่ายทอดมาสู่งานของเรา มีเพียงวิธีวิภาษวิธีเดียวเท่านั้นที่สามารถขับเคลื่อนเราไปข้างหน้าในพื้นที่ใหม่และก้าวหน้าอย่างสมบูรณ์ได้เช่นเดียวกับปัญหาของนิวเคลียส

รูปที่ 18.4

2. รังสีที่เกิดขึ้นเอง (เกิดขึ้นเอง) อะตอมที่ตื่นเต้นเมื่อเปลี่ยนจากระดับพลังงานบนด้วยพลังงาน อี 2 สู่ระดับล่างสุดด้วยพลังงาน อี 1. ความถี่ของควอนตัมที่ปล่อยออกมา nเช่นเดียวกับความถี่ของควอนตัมที่ถูกดูดซับระหว่างการกระตุ้น แต่ทิศทางของการแพร่กระจายและระยะของการสั่นของรังสีนั้นขึ้นอยู่กับอำเภอใจ

3. การปล่อยก๊าซกระตุ้น อะตอมระหว่างการเปลี่ยนอะตอมที่ตื่นเต้นไปสู่สถานะเริ่มต้นภายใต้อิทธิพลของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบ จากมุมมองของควอนตัม ควอนตัมใหม่ของการปล่อยก๊าซกระตุ้นไม่แตกต่างจากควอนตัมที่กระตุ้นการปรากฏตัวของมัน การแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นนั้นสอดคล้องกับการแผ่รังสีที่ก่อให้เกิดการแผ่รังสีอย่างเคร่งครัด และความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะเพิ่มขึ้น ควรสังเกตว่าความน่าจะเป็นของการเปลี่ยน 1 และ 3 เท่ากันดังนั้นความเด่นของการดูดซับหรือการปล่อยกระตุ้นจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของจำนวนอะตอมของตัวกลาง เอ็น 1 และ เอ็น 2 ในรัฐที่มีพลังงาน อี 1 และ อี 2 .

ภายใต้สภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ซึ่งส่วนใหญ่มักเกิดขึ้นในสสารคือประชากร ยังไม่มีข้อความ 1ระดับล่างจะมีประชากรมากกว่าเสมอ ยังไม่มีข้อความ 2ระดับสูง. ดังนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะสูญเสียพลังงานมากกว่าที่ได้รับ และความเข้มของรังสีจะลดลง

อย่างไรก็ตามในบางกรณีก็เป็นไปได้ที่จะสร้างเงื่อนไขเมื่อสิ่งที่เรียกว่า การผกผันของประชากร ระดับ ( เอ็น 2 >เอ็น 1), สภาพแวดล้อมที่มีประชากรเช่นนี้เรียกว่า คล่องแคล่ว - ในสภาพแวดล้อมดังกล่าว บังคับให้มีการเปลี่ยนผ่าน ( อี 2® อี 1) เกิดขึ้นบ่อยกว่าการกระตุ้นของอะตอม ความเข้มของรังสีจะเพิ่มขึ้น เพื่อที่จะจัดให้มีการผกผันของประชากรในตัวกลางที่แอคทีฟ อุปกรณ์จำเป็นจะต้องกระตุ้นตัวกลาง ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่จ่ายพลังงานเพื่อกระตุ้นอะตอมของตัวกลาง

ระดับพลังงานสองระดับไม่เพียงพอสำหรับเลเซอร์ในการทำงาน ในภาวะสมดุล เอ็น 1 >เอ็น 2 .

โดยปกติแล้วเลเซอร์จะใช้สิ่งที่เรียกว่า ระบบสามชั้น การสร้างสภาพแวดล้อมที่แอคทีฟ (รูปที่ 18.5) อะตอมของตัวกลางตื่นเต้นกับอิทธิพลบางอย่างและเคลื่อนตัวจากสถานะพื้นด้วยพลังงาน อี 1 เข้าสู่ภาวะตื่นเต้นเร้าใจด้วยพลังงาน อี 3. ที่ระดับ 3 อะตอมมีอายุสั้นมากประมาณ 10 -8 วินาที หลังจากนั้นจะเข้าสู่สถานะ 2 ตามธรรมชาติโดยไม่ปล่อยแสงออกมา (พลังงานถูกถ่ายโอนไปยังอะตอมอื่นของตัวกลาง) อายุการใช้งานในสถานะ 2 จะนานกว่ามากประมาณ 10 -3 วินาที และอะตอมของตัวกลางจำนวนมากสะสมอยู่ในสถานะที่ตื่นเต้นนี้ ตัวกลางถูกสร้างขึ้นโดยมีประชากรผกผันที่ระดับ 2 และ 1 โฟตอนแต่ละตัวซึ่งเกิดขึ้นโดยไม่ได้ตั้งใจระหว่างการเปลี่ยนผ่าน 2®1 จะเคลื่อนที่ในตัวกลางที่แอ็กทีฟและสามารถสร้างการเปลี่ยนผ่านแบบบังคับ 2®1 จำนวนมาก ส่งผลให้เกิดโฟตอนที่ถล่มทลาย ซึ่ง เป็นสำเนาของโฟตอนปฐมภูมิ

อันดับแรก เลเซอร์ (จากอักษรตัวแรกของชื่อภาษาอังกฤษ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) ซึ่งปฏิบัติการในบริเวณที่มองเห็นได้ของสเปกตรัม (ความยาวคลื่นรังสี 0.69 μm) เป็นเลเซอร์ทับทิม (T. Meiman, 1960) ทับทิมเป็นผลึกสีแดงของอลูมิเนียมออกไซด์ Al 2 O 3 ที่มีส่วนผสมของอะตอมโครเมียม (ประมาณ 0.05%) เป็นโครเมียมไอออนในผลึกทับทิมที่มีระดับพลังงาน 3 ระดับซึ่งมีคุณสมบัติที่จำเป็นในการสร้างประชากรผกผัน

คุณลักษณะของการปนเปื้อนของสารกัมมันตภาพรังสีซึ่งตรงกันข้ามกับการปนเปื้อนของสารมลพิษอื่น ๆ ก็คือตัวสารกัมมันตภาพรังสี (มลพิษ) ไม่ใช่ตัวมันเองที่มีผลกระทบที่เป็นอันตรายต่อมนุษย์และวัตถุในสิ่งแวดล้อม แต่เป็นรังสีที่เป็นแหล่งกำเนิด

อย่างไรก็ตาม มีหลายกรณีที่นิวไคลด์กัมมันตรังสีเป็นองค์ประกอบที่เป็นพิษ ตัวอย่างเช่น หลังจากเกิดอุบัติเหตุที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์เชอร์โนบิล พลูโทเนียม 239, 242 Pu ถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมพร้อมกับอนุภาคของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ นอกเหนือจากข้อเท็จจริงที่ว่าพลูโทเนียมเป็นตัวปล่อยอัลฟ่าและก่อให้เกิดอันตรายที่สำคัญเมื่อกินเข้าไป พลูโทเนียมเองก็ยังเป็นองค์ประกอบที่เป็นพิษอีกด้วย

ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้ตัวบ่งชี้เชิงปริมาณสองกลุ่ม: 1) เพื่อประเมินเนื้อหาของนิวไคลด์กัมมันตรังสี และ 2) เพื่อประเมินผลกระทบของรังสีบนวัตถุ
กิจกรรม- การวัดเชิงปริมาณของเนื้อหาของนิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีในวัตถุที่วิเคราะห์ กิจกรรมถูกกำหนดโดยจำนวนการสลายตัวของกัมมันตรังสีของอะตอมต่อหน่วยเวลา หน่วย SI ของกิจกรรมคือ เบคเคอเรล (Bq) เท่ากับหนึ่งการสลายตัวต่อวินาที (1Bq = 1 การสลายตัว/วินาที) บางครั้งใช้หน่วยวัดกิจกรรมที่ไม่เป็นระบบ - Curie (Ci); 1Ci = 3.7 ×1010 Bq.

ปริมาณรังสี- การวัดเชิงปริมาณของผลกระทบของรังสีบนวัตถุ
เนื่องจากความจริงที่ว่าผลกระทบของรังสีต่อวัตถุสามารถประเมินได้ในระดับต่างๆ: ทางกายภาพ, เคมี, ชีวภาพ; ในระดับโมเลกุล เซลล์ เนื้อเยื่อหรือสิ่งมีชีวิต ฯลฯ มีการใช้ขนาดยาหลายประเภท: ดูดซึม, เทียบเท่ามีประสิทธิผล, สัมผัส

เพื่อประเมินการเปลี่ยนแปลงของปริมาณรังสีเมื่อเวลาผ่านไป จะใช้ตัวบ่งชี้ "อัตราปริมาณรังสี" อัตราปริมาณคืออัตราส่วนปริมาณยาต่อเวลา ตัวอย่างเช่น อัตราปริมาณรังสีภายนอกจากแหล่งรังสีธรรมชาติในรัสเซียคือ 4-20 μR/ชม.

มาตรฐานหลักสำหรับมนุษย์ - ขีดจำกัดปริมาณรังสีหลัก (1 มิลลิซีเวิร์ต/ปี) - นำมาใช้ในหน่วยของปริมาณรังสีที่มีประสิทธิผลเทียบเท่ากัน มีมาตรฐานในหน่วยกิจกรรม, ระดับมลพิษทางบก, VDU, GGP, SanPiN เป็นต้น

โครงสร้างของนิวเคลียสของอะตอม

อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดขององค์ประกอบทางเคมีที่ยังคงคุณสมบัติทั้งหมดไว้ ในโครงสร้างของอะตอมเป็นระบบที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสที่มีประจุบวกซึ่งมีขนาดเล็กมาก (10 -13 ซม.) ซึ่งตั้งอยู่ในใจกลางอะตอมและมีอิเล็กตรอนที่มีประจุลบหมุนรอบนิวเคลียสในวงโคจรที่แตกต่างกัน ประจุลบของอิเล็กตรอนจะเท่ากับประจุบวกของนิวเคลียส ในขณะที่โดยทั่วไปแล้วจะมีสภาพเป็นกลางทางไฟฟ้า

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วย นิวเคลียส -โปรตอนนิวเคลียร์ ( Z-จำนวนโปรตอน) และนิวตรอนนิวเคลียร์ (N - จำนวนนิวตรอน) โปรตอนและนิวตรอน "นิวเคลียร์" แตกต่างจากอนุภาคในสถานะอิสระ ตัวอย่างเช่น นิวตรอนอิสระซึ่งต่างจากนิวตรอนที่จับกันในนิวเคลียส คือไม่เสถียรและเปลี่ยนเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน

จำนวนนิวคลีออน Am (เลขมวล) คือผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอน: Am = ซี+ เอ็น.

โปรตอน -อนุภาคมูลฐานของอะตอมใดๆ ก็ตาม มีประจุบวกเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน จำนวนอิเล็กตรอนในเปลือกของอะตอมถูกกำหนดโดยจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส

นิวตรอน -อนุภาคนิวเคลียร์อีกประเภทหนึ่งของธาตุทั้งหมด ขาดไปเฉพาะในนิวเคลียสของไฮโดรเจนเบาซึ่งประกอบด้วยโปรตอนหนึ่งตัว ไม่มีค่าใช้จ่ายและเป็นกลางทางไฟฟ้า ในนิวเคลียสของอะตอม นิวตรอนจะเสถียร แต่เมื่ออยู่ในสถานะอิสระ นิวตรอนจะไม่เสถียร จำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสของอะตอมของธาตุชนิดเดียวกันสามารถผันผวนได้ ดังนั้นจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสจึงไม่เป็นตัวกำหนดลักษณะของธาตุ

นิวคลีออน (โปรตอน + นิวตรอน) ถูกยึดไว้ภายในนิวเคลียสของอะตอมด้วยแรงดึงดูดทางนิวเคลียร์ แรงนิวเคลียร์มีความแข็งแกร่งกว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าถึง 100 เท่า ดังนั้นจึงกักโปรตอนที่มีประจุคล้ายกันไว้ภายในนิวเคลียส พลังนิวเคลียร์ปรากฏตัวในระยะทางสั้น ๆ เท่านั้น (10 -13 ซม.) พวกมันประกอบเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวที่เป็นไปได้ของนิวเคลียสซึ่งในระหว่างการเปลี่ยนแปลงบางอย่างจะถูกปล่อยออกมาบางส่วนและกลายเป็นพลังงานจลน์

สำหรับอะตอมที่มีองค์ประกอบของนิวเคลียสต่างกัน จะใช้ชื่อ "นิวไคลด์" และสำหรับอะตอมกัมมันตภาพรังสี - "นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสี"

นิวไคลด์เรียกว่าอะตอมหรือนิวเคลียสโดยมีจำนวนนิวคลีออนที่กำหนดและมีประจุนิวเคลียร์ที่กำหนด (ชื่อนิวไคลด์ A X)

เรียกนิวไคลด์ที่มีจำนวนนิวคลีออนเท่ากัน (Am = const) ไอโซบาร์ตัวอย่างเช่น นิวไคลด์ 96 Sr, 96 Y, 96 Zr อยู่ในชุดของไอโซบาร์โดยมีจำนวนนิวคลีออน Am = 96

นิวไคลด์มีจำนวนโปรตอนเท่ากัน (ซ = const) เรียกว่า ไอโซโทปต่างกันแค่จำนวนนิวตรอนเท่านั้น ดังนั้นจึงอยู่ในองค์ประกอบเดียวกัน: 234 U , 235 คุณ, 236 คุณ , 238U .

ไอโซโทป- นิวไคลด์ที่มีจำนวนนิวตรอนเท่ากัน (N = Am -Z = const) นิวไคลด์: 36 S, 37 Cl, 38 Ar, 39 K, 40 Ca อยู่ในชุดของไอโซโทปที่มี 20 นิวตรอน

ไอโซโทปมักจะแสดงในรูปแบบ Z X M โดยที่ X เป็นสัญลักษณ์ขององค์ประกอบทางเคมี M คือเลขมวลเท่ากับผลรวมของจำนวนโปรตอนและนิวตรอนในนิวเคลียส Z คือเลขอะตอมหรือประจุของนิวเคลียส เท่ากับจำนวนโปรตอนในนิวเคลียส เนื่องจากองค์ประกอบทางเคมีแต่ละองค์ประกอบมีเลขอะตอมคงที่ จึงมักละเว้นและจำกัดให้เขียนเฉพาะเลขมวลเท่านั้น เช่น 3 H, 14 C, 137 Cs, 90 Sr เป็นต้น

อะตอมของนิวเคลียสที่มีเลขมวลเท่ากัน แต่มีประจุต่างกัน และด้วยเหตุนี้คุณสมบัติต่างกันจึงเรียกว่า “ไอโซบาร์” เช่น ไอโซโทปหนึ่งของฟอสฟอรัสมีเลขมวล 32 - 15 P 32 หนึ่งในไอโซโทป กำมะถันมีเลขมวลเท่ากัน - 16 S 32

นิวไคลด์สามารถเสถียรได้ (หากนิวเคลียสของพวกมันเสถียรและไม่สลายตัว) และไม่เสถียร (หากนิวเคลียสของพวกมันไม่เสถียรและมีการเปลี่ยนแปลงซึ่งท้ายที่สุดจะนำไปสู่การเพิ่มความเสถียรของนิวเคลียสในที่สุด) นิวเคลียสของอะตอมที่ไม่เสถียรซึ่งสามารถสลายตัวได้เองเรียกว่า นิวไคลด์กัมมันตภาพรังสีปรากฏการณ์การสลายตัวตามธรรมชาติของนิวเคลียสของอะตอมพร้อมกับการปล่อยอนุภาคและ (หรือ) รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าเรียกว่า กัมมันตภาพรังสี.

ผลของการสลายตัวของสารกัมมันตภาพรังสี ทำให้เกิดทั้งไอโซโทปที่เสถียรและไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ซึ่งจะสลายตัวไปเองตามธรรมชาติ สายโซ่ของธาตุกัมมันตภาพรังสีที่เชื่อมต่อกันด้วยชุดของการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์เรียกว่า ครอบครัวกัมมันตภาพรังสี

ปัจจุบัน IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) ได้ตั้งชื่อองค์ประกอบทางเคมีอย่างเป็นทางการแล้ว 109 รายการ ในจำนวนนี้ มีเพียง 81 ไอโซโทปที่เสถียร โดยไอโซโทปที่หนักที่สุดคือบิสมัท (ซ= 83) สำหรับธาตุที่เหลืออีก 28 ธาตุ จะรู้จักเพียงไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีเท่านั้นที่มียูเรเนียม (ยู~ 92) เป็นธาตุที่หนักที่สุดที่พบในธรรมชาติ นิวไคลด์ธรรมชาติที่ใหญ่ที่สุดมี 238 นิวคลีออน โดยรวมแล้ว มีการพิสูจน์การมีอยู่ของนิวไคลด์ประมาณ 1,700 นิวไคลด์ของธาตุทั้ง 109 ชนิดนี้ และจำนวนไอโซโทปที่รู้จักสำหรับธาตุแต่ละธาตุมีตั้งแต่ 3 (สำหรับไฮโดรเจน) ถึง 29 (สำหรับแพลตตินัม)

เนื้อหาของบทความ

โครงสร้างนิวเคลียสของอะตอมนิวเคลียสเป็นส่วนสำคัญของอะตอม ประจุไฟฟ้าบวกและมวลของอะตอมส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในนั้น เมื่อเปรียบเทียบกับรัศมีของวงโคจรอิเล็กตรอน ขนาดของนิวเคลียสมีขนาดเล็กมาก: 10–15–10–14 เมตร นิวเคลียสของอะตอมทั้งหมดประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนซึ่งมีมวลเกือบเท่ากัน แต่มีเพียงโปรตอนเท่านั้นที่มี ค่าไฟฟ้า จำนวนโปรตอนทั้งหมดเรียกว่าเลขอะตอม ซีอะตอม ซึ่งตรงกับจำนวนอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นกลาง อนุภาคนิวเคลียร์ (โปรตอนและนิวตรอน) เรียกว่านิวคลีออน ถูกยึดเข้าด้วยกันด้วยแรงที่สูงมาก โดยธรรมชาติแล้ว แรงเหล่านี้ไม่สามารถเป็นได้ทั้งไฟฟ้าและแรงโน้มถ่วง และในด้านขนาดแล้ว แรงเหล่านี้ยังมีขนาดมากกว่าแรงที่ยึดอิเล็กตรอนเข้ากับนิวเคลียสอยู่มาก

แนวคิดแรกเกี่ยวกับขนาดที่แท้จริงของนิวเคลียสนั้นมาจากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวกับการกระเจิงของอนุภาคแอลฟาในฟอยล์โลหะบาง ๆ อนุภาคทะลุผ่านเปลือกอิเล็กตรอนได้ลึกและเบี่ยงเบนไปเมื่อเข้าใกล้นิวเคลียสที่มีประจุ การทดลองเหล่านี้ชี้ให้เห็นขนาดที่เล็กของนิวเคลียสส่วนกลางอย่างชัดเจนและระบุวิธีการหาประจุนิวเคลียร์ รัทเทอร์ฟอร์ดพบว่าอนุภาคแอลฟาเข้าใกล้ศูนย์กลางของประจุบวกที่ระยะห่างประมาณ 10–14 เมตร และทำให้เขาสามารถสรุปได้ว่านี่คือรัศมีสูงสุดที่เป็นไปได้ของนิวเคลียส

จากสมมติฐานเหล่านี้ บอร์ได้สร้างทฤษฎีควอนตัมของอะตอม ซึ่งอธิบายเส้นสเปกตรัมแยกส่วน เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กตริก รังสีเอกซ์ และตารางธาตุได้สำเร็จ อย่างไรก็ตาม ตามทฤษฎีของบอร์ นิวเคลียสถือเป็นประจุจุดบวก

นิวเคลียสของอะตอมส่วนใหญ่ไม่เพียงแต่มีขนาดเล็กมากเท่านั้น แต่ยังไม่ได้รับผลกระทบใดๆ จากปรากฏการณ์ทางแสงที่น่าตื่นเต้น เช่น การปล่อยประกายไฟส่วนโค้ง เปลวไฟ ฯลฯ ข้อบ่งชี้ของการมีอยู่ของโครงสร้างภายในของนิวเคลียสคือการค้นพบกัมมันตภาพรังสีในปี พ.ศ. 2439 โดย A. Becquerel ปรากฏว่ายูเรเนียม แล้วก็เรเดียม พอโลเนียม เรดอน ฯลฯ ไม่เพียงแต่ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นสั้น รังสีเอกซ์ และอิเล็กตรอน (รังสีเบตา) เท่านั้น แต่ยังปล่อยอนุภาคที่หนักกว่า (รังสีอัลฟา) ออกมาด้วย และสิ่งเหล่านี้อาจมาจากส่วนขนาดใหญ่ของอะตอมเท่านั้น รัทเทอร์ฟอร์ดใช้อนุภาคเรเดียมอัลฟาในการทดลองการกระเจิงของเขา ซึ่งทำหน้าที่เป็นพื้นฐานสำหรับการก่อตัวของแนวคิดเกี่ยวกับอะตอมนิวเคลียร์ (ในเวลานั้นเป็นที่รู้กันว่าอนุภาคอัลฟาเป็นอะตอมฮีเลียมที่ถูกดึงอิเล็กตรอนของพวกมันออกไป แต่คำถามที่ว่าทำไมอะตอมหนักบางอะตอมถึงปล่อยออกมาตามธรรมชาตินั้นยังไม่ได้รับคำตอบ และไม่มีความคิดที่ถูกต้องเกี่ยวกับขนาดของนิวเคลียส)

การค้นพบไอโซโทป

การวัดมวลของ "รังสีแชนเนล" ที่ดำเนินการโดย J. Thomson, F. Aston และนักวิจัยคนอื่นๆ โดยใช้แมสสเปกโตรมิเตอร์ขั้นสูงกว่าและด้วยความแม่นยำที่มากขึ้น ทำให้เป็นกุญแจสำคัญในโครงสร้างของนิวเคลียสตลอดจนอะตอมโดยรวม . ตัวอย่างเช่น การวัดอัตราส่วนประจุต่อมวลแสดงให้เห็นว่าประจุบนนิวเคลียสของไฮโดรเจนดูเหมือนจะเป็นประจุบวกหนึ่งหน่วย ซึ่งในเชิงตัวเลขเท่ากับประจุของอิเล็กตรอน และมวล ม.พี = 1837ฉัน, ที่ไหน ฉัน– มวลอิเล็กตรอน ฮีเลียมสามารถผลิตไอออนด้วยประจุสองเท่า แต่มวลของมันคือ 4 เท่าของมวลไฮโดรเจน ดังนั้นสมมติฐานก่อนหน้านี้ของ W. Prout ที่ว่าอะตอมทั้งหมดถูกสร้างขึ้นจากอะตอมไฮโดรเจนจึงถูกเขย่าอย่างรุนแรง

เมื่อเปรียบเทียบมวลของอะตอมนีออนกับมวลที่ทราบขององค์ประกอบอื่นๆ บนแมสสเปกโตรกราฟของเขา ทอมสันค้นพบในปี 1912 โดยไม่คาดคิดว่า แทนที่จะเป็นหนึ่งเดียว นีออนกลับสอดคล้องกับพาราโบลาสองตัว การคำนวณมวลอนุภาคแสดงให้เห็นว่าพาราโบลาอันหนึ่งสอดคล้องกับอนุภาคที่มีมวล 20 และอีกอันที่มีมวล 22 นี่เป็นหลักฐานแรกที่แสดงว่าอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีบางชนิดสามารถมีเลขมวลต่างกันได้ เนื่องจากพบว่าเลขมวลที่วัดได้ (เฉลี่ย) อยู่ที่ 20.2 ทอมสันจึงแนะนำว่านีออนประกอบด้วยอะตอม 2 ประเภท คือ 90% มีมวล 20 และ 10% มีมวล 22 เนื่องจากอะตอมทั้งสองประเภทมีอยู่ในธรรมชาติดังนี้ ของผสมและไม่สามารถแยกออกทางเคมีได้ จำนวนมวลของนีออนกลายเป็น 20.2

การมีอยู่ของอะตอมนีออนสองประเภทบ่งบอกว่าองค์ประกอบอื่นอาจเป็นส่วนผสมของอะตอม การตรวจวัดแมสสเปกโตรเมทรีในเวลาต่อมาแสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบทางธรรมชาติส่วนใหญ่เป็นส่วนผสมของอะตอมที่แตกต่างกันสองถึงสิบชนิด อะตอมของธาตุชนิดเดียวกันซึ่งมีมวลต่างกันเรียกว่าไอโซโทป องค์ประกอบบางชนิดมีไอโซโทปเพียงอันเดียว ซึ่งจำเป็นต้องมีคำอธิบายทางทฤษฎี เช่นเดียวกับข้อเท็จจริงของธาตุต่างๆ มากมาย รวมถึงการมีอยู่ของกัมมันตภาพรังสีในสารบางชนิดเท่านั้น

ในการเชื่อมต่อกับการค้นพบไอโซโทป ปัญหาของการกำหนดมาตรฐานเกิดขึ้น เนื่องจากก่อนหน้านี้นักเคมีได้เลือก "ออกซิเจน" (16.000000 หน่วยมวลอะตอม) เป็นมาตรฐาน ซึ่งกลายเป็นส่วนผสมของไอโซโทปสี่ชนิด เป็นผลให้มีการตัดสินใจที่จะสร้างมาตราส่วนมวล "ทางกายภาพ" ซึ่งไอโซโทปออกซิเจนที่พบมากที่สุดถูกกำหนดให้เป็นค่า 16.000000 amu อย่างไรก็ตาม ในปี พ.ศ. 2504 มีการบรรลุข้อตกลงระหว่างนักเคมีและนักฟิสิกส์ โดยกำหนดไอโซโทปคาร์บอน-12 ที่พบมากที่สุดไว้ที่ 12.00000 อามู เนื่องจากจำนวนอะตอมใน 1 โมลของไอโซโทปจะเท่ากับจำนวนของอาโวกาโดร เอ็น 0 เราได้รับ

โปรดทราบว่าหน่วยมวลอะตอมประกอบด้วยมวลของอิเล็กตรอนหนึ่งตัว และมวลของไอโซโทปไฮโดรเจนที่เบาที่สุดนั้นมากกว่า 1 อามูเกือบ 1%

การค้นพบนิวตรอน

การค้นพบไอโซโทปไม่ได้ทำให้คำถามเกี่ยวกับโครงสร้างของนิวเคลียสกระจ่างขึ้น มาถึงตอนนี้ มีเพียงโปรตอน - นิวเคลียสของไฮโดรเจนและอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เป็นที่รู้จัก ดังนั้นจึงเป็นเรื่องธรรมดาที่จะพยายามอธิบายการมีอยู่ของไอโซโทปโดยการรวมกันของอนุภาคที่มีประจุบวกและประจุลบเหล่านี้ บางคนอาจคิดว่านิวเคลียสประกอบด้วย กโปรตอนอยู่ที่ไหน ก– เลขมวล และ ก-ฮอิเล็กตรอน ในกรณีนี้ ประจุบวกทั้งหมดจะตรงกับเลขอะตอม ซี.

ภาพง่ายๆ ของนิวเคลียสที่เป็นเนื้อเดียวกันในตอนแรกไม่ได้ขัดแย้งกับข้อสรุปเกี่ยวกับขนาดที่เล็กของนิวเคลียสที่ตามมาจากการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ด “รัศมีธรรมชาติ” ของอิเล็กตรอน ร 0 = จ 2 /แมค 2 (ซึ่งได้มาหากเราเทียบพลังงานไฟฟ้าสถิต จ 2 /รประจุ 0 กระจายอยู่บนเปลือกทรงกลม ซึ่งเป็นพลังงานของอิเล็กตรอนเอง แมค 2) คือ ร 0 = 2.82 × 10 –15 ม. อิเล็กตรอนดังกล่าวมีขนาดเล็กพอที่จะอยู่ภายในนิวเคลียสที่มีรัศมี 10 –14 ม. แม้ว่าจะเป็นการยากที่จะวางอนุภาคจำนวนมากไว้ตรงนั้นก็ตาม ในปี 1920 รัทเทอร์ฟอร์ดและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ พิจารณาถึงความเป็นไปได้ที่โปรตอนและอิเล็กตรอนจะรวมกันได้อย่างเสถียร ทำให้เกิดอนุภาคที่เป็นกลางซึ่งมีมวลประมาณเท่ากับโปรตอน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีประจุไฟฟ้า อนุภาคดังกล่าวจึงตรวจจับได้ยาก ไม่น่าจะเป็นไปได้ที่พวกมันจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากพื้นผิวโลหะได้ เช่น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

เพียงหนึ่งทศวรรษต่อมา หลังจากที่กัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติได้รับการศึกษาอย่างลึกซึ้ง และรังสีกัมมันตภาพรังสีเริ่มถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอะตอมโดยธรรมชาติ การมีอยู่ขององค์ประกอบใหม่ของนิวเคลียสที่สร้างขึ้นอย่างน่าเชื่อถือ ในปี 1930 W. Bothe และ G. Becker จากมหาวิทยาลัย Giessen ฉายรังสีลิเธียมและเบริลเลียมด้วยอนุภาคอัลฟา และบันทึกผลการแผ่รังสีที่ทะลุผ่านโดยใช้เครื่องนับไกเกอร์ เนื่องจากรังสีนี้ไม่ได้รับผลกระทบจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก และมีพลังทะลุทะลวงสูง ผู้เขียนจึงสรุปว่ามีการปล่อยรังสีแกมมาชนิดแข็งออกมา ในปี 1932 F. Joliot และ I. Curie ทำการทดลองซ้ำกับเบริลเลียมโดยส่งรังสีที่ทะลุผ่านบล็อกพาราฟิน พวกเขาพบว่าโปรตอนพลังงานสูงผิดปกติโผล่ออกมาจากพาราฟิน และสรุปว่ารังสีแกมมากระจัดกระจายผ่านพาราฟินและผลิตโปรตอนขึ้นมา (ในปี พ.ศ. 2466 พบว่ารังสีเอกซ์กระเจิงโดยอิเล็กตรอน ทำให้เกิดปรากฏการณ์คอมป์ตัน)

เจ. แชดวิกทำการทดลองซ้ำ นอกจากนี้เขายังใช้พาราฟินและใช้ห้องไอออไนเซชัน (รูปที่ 1) ซึ่งเก็บประจุที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกกระแทกออกจากอะตอม เขาจึงวัดช่วงของโปรตอนที่หดตัว

แชดวิกยังใช้ก๊าซไนโตรเจน (ในห้องเมฆ ซึ่งมีหยดน้ำควบแน่นตามเส้นทางของอนุภาคที่มีประจุ) เพื่อดูดซับรังสีและวัดช่วงของอะตอมที่หดตัวของไนโตรเจน เมื่อใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมกับผลลัพธ์ของการทดลองทั้งสอง เขาได้ข้อสรุปว่ารังสีเป็นกลางที่ตรวจพบนั้น ไม่รังสีแกมมา แต่เป็นกระแสของอนุภาคที่มีมวลใกล้เคียงกับมวลโปรตอน แชดวิกยังแสดงให้เห็นว่าแหล่งกำเนิดรังสีแกมมาที่ทราบไม่ได้ทำให้โปรตอนหลุดออกไป

สิ่งนี้เป็นการยืนยันการมีอยู่ของอนุภาคใหม่ซึ่งปัจจุบันเรียกว่านิวตรอน การแยกตัวของโลหะเบริลเลียมเกิดขึ้นดังนี้:

อนุภาคอัลฟ่า 4 2 He (ประจุ 2 เลขมวล 4) ชนกับนิวเคลียสเบริลเลียม (ประจุ 4 มวล 9) ส่งผลให้เกิดคาร์บอนและนิวตรอน

การค้นพบนิวตรอนถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ คุณลักษณะที่สังเกตได้ของนิวเคลียสสามารถตีความได้โดยการพิจารณานิวตรอนและโปรตอนเป็นส่วนที่เป็นส่วนประกอบของนิวเคลียส ในรูป รูปที่ 2 แสดงโครงสร้างของนิวเคลียสของแสงหลายแบบตามแผนผัง

ปัจจุบันทราบกันว่านิวตรอนหนักกว่าโปรตอน 0.1% นิวตรอนอิสระ (นอกนิวเคลียส) สลายกัมมันตภาพรังสี กลายเป็นโปรตอนและอิเล็กตรอน สิ่งนี้ชวนให้นึกถึงสมมติฐานดั้งเดิมของอนุภาคที่เป็นกลางแบบผสม อย่างไรก็ตาม ภายในนิวเคลียสที่เสถียร นิวตรอนจะจับกับโปรตอนและไม่สลายไปเองตามธรรมชาติ

การสื่อสารนิวเคลียร์

ข้อสันนิษฐานเดิมของพราวต์ที่ว่ามวลอะตอมทั้งหมดต้องเป็นจำนวนเต็มทวีคูณของมวลอะตอมไฮโดรเจนนั้นใกล้เคียงกับความจริงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้กับไอโซโทป การเบี่ยงเบนมีขนาดเล็กมาก ไม่เกิน 1% เสมอ และในกรณีส่วนใหญ่ไม่เกิน 0.1% การศึกษามวลไอโซโทปโดยละเอียดได้นำไปสู่ความสมบูรณ์แบบสูงสุด: ตามกฎแล้วข้อผิดพลาดในการวัดในปัจจุบันจะไม่เกินหนึ่งในล้าน

เป็นที่ยอมรับกันว่าจำนวนนิวตรอนใกล้เคียงกับจำนวนโปรตอนในอะตอมโดยประมาณ นั่นคือ

ในความเป็นจริง นิวเคลียสที่หนักกว่าจะมีนิวตรอนมากเกินไป เนื่องจากนิวตรอนไม่มีประจุ แรงที่ยึดนิวตรอนและโปรตอนไว้ในนิวเคลียสจึงไม่เป็นไฟฟ้าสถิตในธรรมชาติ นอกจากนี้ ประจุยังผลักกันเหมือนประจุไฟฟ้า ความจริงที่ว่านิวเคลียสนั้นแยกได้ยากมากบ่งชี้ว่ามีแรงดึงดูดทางนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งอยู่ แม้จะมีระยะทางน้อย แต่แรงดึงดูดแรงโน้มถ่วงระหว่างนิวคลีออนก็ยังอ่อนเกินไปที่จะรับประกันความเสถียรของนิวเคลียส

ตามที่ไอน์สไตน์กล่าวไว้ พลังงานทั้งหมดของระบบแยกเดี่ยวจะถูกอนุรักษ์ไว้ และมวลคือพลังงานรูปแบบหนึ่ง: อี = แมค 2. เพื่อที่จะแยกระบบที่ถูกผูกไว้ เช่น นิวเคลียสของอะตอมที่เสถียร ออกเป็นนิวตรอนและโปรตอนที่เป็นส่วนประกอบ ระบบนั้นจะต้องได้รับพลังงาน ซึ่งหมายความว่ามวลของนิวตรอนและโปรตอนมีมากกว่ามวลของนิวเคลียสด้วย

ดี M = ZM p + NM n – M A,Z,

ที่ไหน MPและ มน– มวลของโปรตอนและนิวตรอนอิสระ และ เอ็ม เอ,ซี– มวลของนิวเคลียสที่มีประจุ ซีและเลขมวล ก- ผลต่างมวลนี้แสดงเป็นหน่วยพลังงาน เรียกว่าพลังงานยึดเหนี่ยว ปัจจัยการแปลงคือ:

1 อามู = 931.14 เมกะโวลท์

โดยที่ 1 MeV = 10 6 eV ดังนั้นพลังงานแห่งการยึดเหนี่ยว อี บี= ด แมค 2 คือพลังงานที่จำเป็นในการแบ่งนิวเคลียสออกเป็นนิวตรอนและโปรตอนแต่ละตัว

พลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อนิวคลีออนคือ อี บี/กเปลี่ยนแปลงค่อนข้างสม่ำเสมอตามจำนวนนิวคลีออนในนิวเคลียสที่เพิ่มขึ้น (รูปที่ 3) นิวเคลียสที่เบาที่สุดหลังโปรตอนคือดิวเทอรอน 2 1 H ซึ่งฟิชชันต้องใช้พลังงาน 2.2 MeV เช่น 1.1 MeV ต่อนิวคลีออน อนุภาค 4 2 He alpha มีพันธะอย่างแน่นหนามากกว่าอนุภาคเพื่อนบ้าน โดยพลังงานในการยึดเกาะคือ 28 MeV สำหรับนิวเคลียสที่มีเลขมวลมากกว่า 20 พลังงานยึดเหนี่ยวเฉลี่ยต่อนิวคลีออนจะยังคงเกือบคงที่ ซึ่งเท่ากับประมาณ 8 MeV

พลังงานยึดเหนี่ยวของนิวเคลียสนั้นมีลำดับความสำคัญสูงกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของเวเลนซ์อิเล็กตรอนในอะตอมและอะตอมในโมเลกุลหลายระดับ ในการกำจัดอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวออกจากอะตอมไฮโดรเจน พลังงาน 13.5 eV ก็เพียงพอแล้ว ในการกำจัดอิเล็กตรอนภายในของตะกั่วซึ่งมีพันธะแน่นหนาที่สุด จำเป็นต้องใช้พลังงาน 0.1 MeV ด้วยเหตุนี้ กระบวนการนิวเคลียร์ทั้งหมดจึงเกี่ยวข้องกับพลังงานที่สูงกว่ากระบวนการที่เราเผชิญในปฏิกิริยาเคมีทั่วไปหรือที่อุณหภูมิและความดันปกติอย่างมาก

กัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ

ฟิสิกส์นิวเคลียร์เริ่มต้นด้วยปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติ รังสีอัลฟ่า บีตา และแกมมาที่ปล่อยออกมาจากยูเรเนียมนั้นมีต้นกำเนิดจากนิวเคลียร์ ในขณะที่สเปกตรัมแสงและรังสีเอกซ์สอดคล้องกับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม อนุภาคแอลฟากลายเป็นนิวเคลียสของฮีเลียม อนุภาคเบตามีประจุและมวลเท่ากันกับอิเล็กตรอนในเปลือกของอะตอม แต่แหล่งกำเนิดนิวเคลียร์ของพวกมันแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนจากการเปลี่ยนแปลงประจุของนิวเคลียสที่สลายตัว นอกจากนี้ พลังงานของรังสีแกมมามีมากกว่าพลังงานที่อิเล็กตรอนสามารถปล่อยออกมาจากเปลือกนอกของอะตอมได้อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น รังสีที่ทะลุทะลวงนี้จึงมีต้นกำเนิดจากนิวเคลียร์

ธาตุที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติบางชนิดที่มีเลขอะตอมสูง (ยูเรเนียม ทอเรียม แอกติเนียม) มีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสี ซึ่งจะสลายตัวเพื่อผลิตไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีอื่นๆ (เช่น เรเดียม) และกลายเป็นตะกั่วที่เสถียรในที่สุด อายุขัยของไอโซโทป “แม่” ในแต่ละกรณีเทียบได้กับอายุของโลกซึ่งประมาณไว้ที่ 10 พันล้านปี สันนิษฐานว่ามีสารกัมมันตภาพรังสีจำนวนมากในระหว่างการก่อตัวของโลก แต่ธาตุอายุสั้นได้กลายมาเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่เสถียรมานานแล้ว เป็นไปได้ว่าไอโซโทปบางชนิดที่เรียกว่า "เสถียร" สลายตัวจริง ๆ แต่ระยะเวลาการสลายตัว ("เวลามีชีวิต") นั้นนานมากจนไม่สามารถวัดได้ด้วยวิธีการที่มีอยู่

บทบาทที่สำคัญของกัมมันตภาพรังสีในฟิสิกส์นิวเคลียร์เกิดจากการที่รังสีกัมมันตภาพรังสีนำข้อมูลเกี่ยวกับประเภทของอนุภาคและระดับพลังงานของนิวเคลียส ตัวอย่างเช่น การปล่อยอนุภาคอัลฟาจากนิวเคลียสและความเสถียรสัมพัทธ์ของการก่อตัวของโปรตอนสองตัวและนิวตรอนสองตัว บ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของอนุภาคแอลฟาภายในนิวเคลียสโดยอ้อม

ความแตกต่างระหว่างกัมมันตภาพรังสีที่เกิดจากธรรมชาติและกัมมันตภาพรังสีนั้นไม่สำคัญมากนักสำหรับการทำความเข้าใจโครงสร้างของนิวเคลียส แต่การศึกษาชุดกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติทำให้ได้ข้อสรุปที่สำคัญเกี่ยวกับอายุของโลกและการใช้องค์ประกอบดังกล่าวเป็นแหล่งกำเนิดของอนุภาคที่ทิ้งระเบิดก่อนอนุภาค คันเร่งถูกประดิษฐ์ขึ้น

การเปลี่ยนแปลงนิวเคลียสประดิษฐ์

การทดลองกับธาตุกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติได้แสดงให้เห็นว่าอัตราการสลายกัมมันตภาพรังสีไม่สามารถได้รับอิทธิพลจากวิธีการทางกายภาพทั่วไป เช่น ความร้อน ความดัน ฯลฯ ดังนั้นในตอนแรกดูเหมือนว่าไม่มีวิธีที่มีประสิทธิภาพในการศึกษาโครงสร้างของไอโซโทปที่เสถียรตามธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ในปี 1919 รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบว่านิวเคลียสสามารถถูกแยกออกได้โดยการระดมยิงด้วยอนุภาคอัลฟา องค์ประกอบแรกที่จะแยกออกคือไนโตรเจน ซึ่งเติมเต็มห้องเมฆในรูปของก๊าซ อนุภาคอัลฟาที่ปล่อยออกมาจากแหล่งทอเรียมชนกับนิวเคลียสของไนโตรเจนและถูกดูดซับโดยพวกมัน ส่งผลให้เกิดการปล่อยโปรตอนเร็ว ขณะเดียวกันก็มีปฏิกิริยาโต้ตอบเกิดขึ้น

จากปฏิกิริยานี้ อะตอมไนโตรเจนจะถูกแปลงเป็นอะตอมออกซิเจน ในตัวอย่างนี้ พลังงานการจับยึดของนิวเคลียสมีความคล้ายคลึงกับความร้อนที่ปล่อยออกมาในปฏิกิริยาเคมี แม้ว่าจะสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญก็ตาม ต่อมาก็ได้ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกันกับองค์ประกอบอื่นๆ มากมาย ด้วยวิธีการต่างๆ ทำให้สามารถวัดพลังงานและมุมของการปล่อยอนุภาคที่มีประจุที่ปล่อยออกมา ซึ่งช่วยให้สามารถทำการทดลองเชิงปริมาณได้

ขั้นต่อไปคือการค้นพบโดยเจ. ค็อกครอฟต์และอี. วอลตันในปี พ.ศ. 2475 พวกเขาพบว่าลำโปรตอนที่เร่งความเร็วเทียมด้วยพลังงาน 120 keV (นั่นคือน้อยกว่าอนุภาคแอลฟาในการทดลองของรัทเทอร์ฟอร์ดอย่างมีนัยสำคัญ) สามารถก่อให้เกิด การแยกอะตอมลิเธียมอยู่ระหว่างดำเนินการ

นิวเคลียสฮีเลียม (อนุภาคอัลฟา) สองตัวถูกปล่อยออกมาพร้อมกันในทิศทางตรงกันข้าม สาเหตุที่ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นที่พลังงานต่ำก็เนื่องมาจากพันธะที่แข็งแกร่งของอนุภาคแอลฟา การเติมโปรตอนเข้าไปในมวลของนิวเคลียส 7 Li จะให้พลังงานที่เกือบเท่ากับมวลของอนุภาคแอลฟาสองตัว พลังงานที่เหลืออยู่ที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาที่จะเกิดขึ้นนั้นมาจากพลังงานจลน์ของโปรตอนที่ระดมยิง

องค์ประกอบที่รู้จักทั้งหมดและไอโซโทปที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติสามารถแปลง "เทียม" ให้เป็นองค์ประกอบข้างเคียงได้ ไอโซโทปใหม่ทั้งหมดนี้กลายเป็นไอโซโทปที่เสถียร ได้รับองค์ประกอบใหม่ จนถึงองค์ประกอบที่มีหมายเลขซีเรียล 103 พวกมันทั้งหมดกลายเป็นสารกัมมันตภาพรังสีโดยมีครึ่งชีวิตค่อนข้างสั้น ปัจจุบันรู้จักไอโซโทปมากกว่า 1,000 ไอโซโทป

ระดับพลังงานของแบบจำลองนิวเคลียสและนิวเคลียร์

การศึกษาปฏิกิริยานิวเคลียร์แสดงให้เห็นอย่างน่าเชื่อว่ามีอยู่ของระดับพลังงานนิวเคลียร์ ระดับเหล่านี้แสดงถึงสถานะของนิวเคลียสด้วยพลังงานจำนวนหนึ่ง ซึ่งมีการกำหนดเลขควอนตัมจำนวนหนึ่งไว้ เช่นเดียวกับระดับพลังงานของอะตอม โดยการเปรียบเทียบกับสเปกโทรสโกปีแบบออปติคัล การศึกษารังสีที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสระหว่างการเปลี่ยนผ่านระหว่างระดับพลังงานเรียกว่านิวเคลียร์สเปกโทรสโกปี อย่างไรก็ตาม ดังที่เห็นได้จากรูป 4. ระยะห่างระหว่างระดับพลังงานของนิวเคลียสนั้นมากกว่าระหว่างระดับอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมอย่างมาก และรังสีนิวเคลียร์ นอกเหนือจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแล้ว ยังรวมถึงการแผ่รังสีของอิเล็กตรอน โปรตอน อนุภาคอัลฟา และอนุภาคประเภทอื่นด้วย

การดำรงอยู่ของระดับพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องในนิวเคลียสนั้นเห็นได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าการกระตุ้นของนิวเคลียสซึ่งนำไปสู่การปล่อยรังสีนั้นเกิดขึ้นเฉพาะที่พลังงานบางอย่างของอนุภาคที่ระดมยิงโจมตีเท่านั้น และพลังงานของอนุภาคที่ปล่อยออกมานั้นสอดคล้องกับการเปลี่ยนผ่าน ระหว่างระดับหนึ่ง ตัวอย่างเช่น เราสามารถวัดจำนวนโปรตอนที่ผลิตได้เมื่อโบรอน-10 ถูกโจมตีด้วยดิวเทอรอนที่มีพลังงานเดี่ยวอันเป็นผลมาจากปฏิกิริยา

และหาแรงกระตุ้นโดยการโก่งตัวของสนามแม่เหล็ก สเปกตรัมของโปรตอนที่บันทึกไว้จากเป้าหมายที่มีโบรอนซึ่งมีคาร์บอน ไนโตรเจน และซิลิคอนเจือปนแสดงในรูปที่ 1 4. ยอดเขาที่แหลมคมแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าพลังงานของนิวเคลียสนั้นถูกวัดปริมาณเหมือนกับพลังงานของอะตอม

ในรูป รูปที่ 5 แสดงแผนภาพระดับพลังงานของนิวเคลียสโบรอน-11 (11 V) โดยมีพลังงานกระตุ้นแสดงเป็น MeV การกระจายระดับพลังงานนิวเคลียร์ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งไม่ปกติสำหรับการกระจายระดับพลังงานปรมาณู เกิดจากการอัดแน่นของนิวเคลียสที่หนาแน่นขึ้นและปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคภายในนิวเคลียสที่แข็งแกร่งขึ้น จากระดับความตื่นเต้นที่สอดคล้องกับนิวเคลียส 10 B ที่ถูกโจมตีโดยดิวเทอรอนด้วยพลังงาน 1.51 MeV การเปลี่ยนไปสู่ระดับใด ๆ ที่อยู่ด้านล่างสามารถเกิดขึ้นได้ พร้อมกับการปล่อยโปรตอน หลังจากที่ปล่อยโปรตอนออกมา หากนิวเคลียส 11B ยังคงอยู่ในสถานะตื่นเต้น มันก็สามารถสลายตัวและผ่านเข้าสู่สถานะ "พื้น" ที่ต่ำที่สุดพร้อมกับการปล่อยรังสีแกมมาหนึ่งรังสีหรือมากกว่านั้น

ปัจจุบันยังไม่มีคำอธิบายที่สอดคล้องและเป็นเอกภาพเกี่ยวกับสาเหตุของการปรากฏตัวของระดับพลังงานนิวเคลียร์ แต่มีหลายทฤษฎีที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์บางอย่างได้ หนึ่งในนั้นคือ "แบบจำลองเปลือก" ซึ่งยืมแนวคิดเกี่ยวกับโครงสร้างเปลือกของอะตอมจากฟิสิกส์อะตอมมาประยุกต์ใช้กับการวิเคราะห์การกำหนดค่าของนิวตรอนและโปรตอนภายในนิวเคลียส

ในปี 1932 J. Bartlett สังเกตว่านิวเคลียสที่เสถียรทั้งหมดซึ่งอยู่ระหว่าง 4 He และ 16 O อยู่ในลำดับ

4เฮ+ เอ็น+พี+เอ็น+พี +...,

ในขณะที่ระหว่าง 16 O ถึง 36 Ar ลำดับที่คล้ายกันจะเกิดขึ้น

16 โอ+ n + n + p + p + n + n +....

เขาแนะนำว่าการเปลี่ยนแปลงในลำดับนี้สะท้อนถึงลำดับที่เปลือกเต็มไปด้วยนิวตรอนและโปรตอน หลักการกีดกันของเพาลีทำงานในกรณีของอนุภาคนิวเคลียร์ในลักษณะเดียวกับในกรณีของอิเล็กตรอน และในแบบจำลองเปลือกจะนำไปสู่ความจริงที่ว่าเปลือกแรกสามารถบรรจุโปรตอนได้เพียงสองตัวและนิวตรอนสองตัวเท่านั้น ส่วนที่สองสามารถมีได้ หกของอนุภาคทั้งสอง (เต็มไปด้วย 16 O) และอนุภาคที่สามคูณสิบ (เต็มไปด้วย 36 Ar) การปรากฏตัวของช่วงเวลาในโครงสร้างของนิวเคลียสยังคงปรากฏให้เห็นแม้ว่าจะมีการเบี่ยงเบนอยู่บ้างก็ตาม การมีอยู่ของ "เลขมหัศจรรย์" บางตัว (2, 8, 20, 28, 50, 82 และ 126) ของนิวตรอนและโปรตอนในนิวเคลียสที่ตรงกับจุดสูงสุดของกราฟพลังงานยึดเหนี่ยวสามารถอธิบายได้บนพื้นฐานของแบบจำลองเปลือกที่ถูกดัดแปลง (เรียกว่าแบบจำลองอนุภาคอิสระ) ซึ่งช่วยให้ทำนายการหมุนและโมเมนต์แม่เหล็กของนิวเคลียสได้อย่างถูกต้อง ตัวอย่างเช่น การหมุนของนิวเคลียสที่มีเปลือกเต็มตามที่แบบจำลองนี้ทำนายไว้ จะเท่ากับศูนย์ อย่างไรก็ตาม แม้จะมีข้อดีหลายประการ แต่แบบจำลองเชลล์เวอร์ชันที่มีอยู่ยังคงไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ทางนิวเคลียร์ได้ทั้งหมด ซึ่งไม่น่าแปลกใจเมื่อพิจารณาถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนของนิวเคลียส

นิวเคลียสของสารประกอบและแบบจำลองหยด

ในนิวเคลียสที่หนักกว่า จำนวนนิวเคลียสจะมีขนาดใหญ่มากจนรูปแบบพฤติกรรมหลายรูปแบบที่สังเกตได้ของนิวเคลียสเหล่านี้สามารถจำลองแบบได้ดีที่สุดโดยใช้แบบจำลองหยด แบบจำลองนี้ถูกเสนอในปี 1936 โดย N. Bohr เพื่ออธิบายอายุขัยที่ยาวนานของนิวเคลียสที่ถูกกระตุ้นที่เกิดขึ้นระหว่างการจับนิวตรอนที่ช้า (ในกรณีนี้ อายุการใช้งานหมายถึงเวลาตั้งแต่ช่วงเวลาที่นิวเคลียสตื่นเต้นจนถึงช่วงเวลาที่นิวเคลียสสูญเสียพลังงานกระตุ้นอันเป็นผลมาจากการปล่อยรังสี) อายุขัยนั้นยาวนานกว่าเวลาหนึ่งล้านเท่า จำเป็นสำหรับนิวตรอนที่จะข้ามนิวเคลียส (10–22 วินาที) สิ่งนี้บ่งชี้ว่านิวเคลียสที่ถูกตื่นเต้นนั้นเป็นระบบหนึ่ง (“นิวเคลียสของสารประกอบ”) ซึ่งมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเวลาก่อตัวของมันมาก

บอร์แนะนำว่าปฏิกิริยานิวเคลียร์ดำเนินไปในสองขั้นตอน ในระยะแรก อนุภาคที่ตกกระทบจะเข้าสู่นิวเคลียสเป้าหมาย ก่อตัวเป็น "นิวเคลียสของสารประกอบ" ซึ่งในการชนกันหลายครั้ง อนุภาคจะสูญเสียพลังงานเริ่มต้น และกระจายไปยังนิวเคลียสอื่นๆ ของนิวเคลียส เป็นผลให้ไม่มีอนุภาคใดมีพลังงานที่จำเป็นในการหลบหนีออกจากนิวเคลียส ระยะที่สอง การสลายตัวของนิวเคลียสของสารประกอบ เกิดขึ้นหลังจากผ่านไประยะหนึ่งเมื่อพลังงานไปรวมตัวกับอนุภาคตัวใดตัวหนึ่งโดยไม่ตั้งใจหรือสูญเสียไปในรูปของรังสีแกมมา ระยะที่สองเชื่อกันว่าไม่ขึ้นกับรายละเอียดของกลไกการก่อตัวของนิวเคลียสของสารประกอบ ประเภทของการสลายตัวนั้นพิจารณาจากการเล่นตัวเลือกที่เป็นไปได้เท่านั้น

เพื่อเป็นการเปรียบเทียบง่ายๆ กับภาพของปฏิกิริยานิวเคลียร์นี้ บอร์เสนอให้พิจารณาพฤติกรรมของหยด แรงกระทำระหว่างโมเลกุลของหยดดังกล่าว โดยเชื่อมต่อพวกมันเข้าด้วยกันและป้องกันการระเหยจนกว่าจะได้รับความร้อนจากภายนอก การปรากฏตัวของโมเลกุลอื่นที่มีพลังงานจลน์เพิ่มเติมส่งผลให้อุณหภูมิของหยดโดยรวมเพิ่มขึ้นซึ่งเป็นผลมาจากการกระจายทางสถิติ หลังจากผ่านไประยะหนึ่ง การสุ่มความเข้มข้นของพลังงานบนโมเลกุลสามารถนำไปสู่การระเหยได้ ทฤษฎีของบอร์ได้รับการพัฒนาอย่างละเอียด และทำให้สามารถสร้างภาพที่สอดคล้องกันของปฏิกิริยานิวเคลียร์ต่างๆ ได้ รวมถึงปฏิกิริยาภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนและอนุภาคที่มีประจุของพลังงานขั้นกลาง (สูงถึง 100 MeV) แนวคิดเรื่องอุณหภูมินิวเคลียร์ ความจุความร้อนจำเพาะ และการระเหยของอนุภาค ซึ่งนำมาใช้โดยการเปรียบเทียบ กลับกลายเป็นว่ามีประโยชน์ ตัวอย่างเช่น การกระจายเชิงมุมของอนุภาคที่ "ระเหย" กลายเป็นว่าไม่ขึ้นอยู่กับทิศทางของอนุภาคที่ตกกระทบ กล่าวคือ ไอโซโทรปิก เนื่องจากข้อมูลทั้งหมดเกี่ยวกับทิศทางดั้งเดิมจะหายไปในขั้นตอนของการดำรงอยู่ของนิวเคลียสของสารประกอบ

แบบจำลองหยดมีประโยชน์อย่างยิ่งในการอธิบายปรากฏการณ์การแยกตัวของนิวเคลียร์ เมื่อการดูดซับของนิวตรอนช้าหนึ่งตัวเพียงพอที่จะสลายนิวเคลียสของยูเรเนียมออกเป็นสองส่วนเท่า ๆ กันโดยประมาณโดยปล่อยพลังงานจำนวนมาก การผลักกันไฟฟ้าสถิตของโปรตอนทำให้เกิดความไม่เสถียรทางนิวเคลียร์ ซึ่งโดยปกติจะเอาชนะได้ด้วยแรงนิวเคลียร์ที่ให้พลังงานยึดเหนี่ยว แต่เมื่ออุณหภูมินิวเคลียร์ของ "หยด" ทรงกลมเพิ่มขึ้น การแกว่งอาจเกิดขึ้นในนั้น ซึ่งเป็นผลมาจากการที่หยดนั้นเปลี่ยนรูปเป็นรูปวงรี หากการเสียรูปของนิวเคลียสยังคงดำเนินต่อไป แรงผลักไฟฟ้าสถิตของทั้งสองซีกที่มีประจุบวกอาจมีชัย จากนั้นการแบ่งตัวของนิวเคลียสก็จะเกิดขึ้น

ขนาดและรูปร่างของเคอร์เนล

นับเป็นครั้งแรกที่รัทเทอร์ฟอร์ดประมาณขนาดของนิวเคลียสได้อย่างถูกต้อง โดยใช้การกระเจิงของอนุภาคแอลฟาเพื่อจุดประสงค์นี้ การทดลองครั้งแรกของเขาแสดงให้เห็นว่าขนาดของส่วนที่มีประจุของนิวเคลียสอยู่ที่ประมาณ 10–14 ม. การทดลองในภายหลังและแม่นยำยิ่งขึ้นทำให้สามารถระบุได้ว่ารัศมีของนิวเคลียสนั้นแปรผันประมาณกับ A 1/3 ดังนั้น ความหนาแน่นของสสารนิวเคลียร์เกือบจะคงที่ (มีขนาดใหญ่มาก: 100,000 ตัน/มม. 3)

จากการค้นพบนิวตรอน เห็นได้ชัดว่ามันเป็นวิธีการศึกษานิวเคลียสในอุดมคติ เนื่องจากอนุภาคที่เป็นกลางซึ่งผ่านจากนิวเคลียสในระยะที่พอเหมาะ จะไม่ถูกเบี่ยงเบนจากประจุนิวเคลียร์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง นิวตรอนชนกับนิวเคลียสหากระยะห่างระหว่างศูนย์กลางน้อยกว่าผลรวมของรัศมี มิฉะนั้นจะไม่เบี่ยงเบนไป การทดลองเกี่ยวกับการกระเจิงลำแสงนิวตรอนได้แสดงให้เห็นว่ารัศมีของนิวเคลียส (สมมติว่ามีรูปร่างเป็นทรงกลม) เท่ากับ:

ร = ร 0 ก 1/3 ,

ร 0 » 1.4H 10 –15 ม.

ดังนั้นรัศมีของนิวเคลียสยูเรเนียม-238 คือ 8.5 x 10 –15 ม. ค่าที่ได้จะสอดคล้องกับรัศมีการออกฤทธิ์ของแรงนิวเคลียร์ มันแสดงลักษณะระยะห่างจากศูนย์กลางของนิวเคลียสซึ่งนิวคลีออนที่เป็นกลางภายนอกเริ่ม "สัมผัส" อิทธิพลของมันเป็นครั้งแรก ค่ารัศมีนิวเคลียร์นี้เทียบได้กับระยะห่างจากศูนย์กลางของนิวเคลียสซึ่งมีอนุภาคแอลฟาและโปรตอนกระจัดกระจาย

การกระเจิงของอนุภาคแอลฟา โปรตอน และนิวตรอนโดยนิวเคลียสนั้นเกิดจากการกระทำของแรงนิวเคลียร์ ดังนั้น การวัดรัศมีนิวเคลียร์ดังกล่าวจึงสามารถประมาณรัศมีการออกฤทธิ์ของแรงนิวเคลียร์ได้ ปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสถูกกำหนดโดยแรงไฟฟ้าเกือบทั้งหมด ดังนั้นการกระเจิงของอิเล็กตรอนจึงสามารถใช้เพื่อศึกษารูปร่างของการกระจายประจุในนิวเคลียสได้ การทดลองกับอิเล็กตรอนพลังงานสูงมากที่ดำเนินการโดย R. Hofstadter ที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดให้ข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับการกระจายประจุบวกตามรัศมีของนิวเคลียส ในรูป รูปที่ 6 แสดงการกระจายตัวเชิงมุมของอิเล็กตรอนด้วยพลังงาน 154 MeV ที่กระจัดกระจายโดยนิวเคลียสของทองคำ เส้นโค้งด้านบนแสดงลักษณะการกระจายเชิงมุมที่คำนวณภายใต้สมมติฐานที่ว่าประจุบวกมีความเข้มข้นที่จุดหนึ่ง เห็นได้ชัดว่าข้อมูลการทดลองไม่สอดคล้องกับสมมติฐานนี้ ข้อตกลงที่ดีกว่ามากเกิดขึ้นได้ภายใต้สมมติฐานของการกระจายโปรตอนอย่างสม่ำเสมอตลอดปริมาตรของนิวเคลียส (เส้นโค้งล่าง) อย่างไรก็ตาม "รัศมีประจุ" กลับกลายเป็นว่าน้อยกว่ารัศมี "แรงนิวเคลียร์" ที่ได้รับจากข้อมูลการกระเจิงของนิวตรอนประมาณ 20% นี่อาจหมายความว่าการกระจายตัวของโปรตอนในนิวเคลียสแตกต่างจากการกระจายตัวของนิวตรอน

แรงนิวเคลียร์และมีซอน

รัศมีการออกฤทธิ์เล็กน้อยของกองกำลังนิวเคลียร์ถูกเปิดเผยอย่างชัดเจนเป็นครั้งแรกในการทดลองการกระเจิงของรัทเธอร์ฟอร์ด อนุภาคอัลฟ่าที่เข้าใกล้ศูนย์กลางของนิวเคลียสสูงถึง 10–14 ม. ประสบกับแรงที่มีเครื่องหมายและขนาดแตกต่างจากแรงผลักไฟฟ้าสถิตทั่วไป การทดลองในเวลาต่อมาโดยใช้นิวตรอนแสดงให้เห็นว่ามีแรงช่วงสั้นขนาดใหญ่เกิดขึ้นระหว่างนิวคลีออนทั้งหมด แรงเหล่านี้แตกต่างจากแรงไฟฟ้าสถิตและแรงโน้มถ่วงที่รู้จักกันดี ซึ่งไม่หายไปแม้ในระยะทางที่ไกลมาก แรงนิวเคลียร์เป็นแรงดึงดูดซึ่งตามมาจากความจริงของการมีอยู่ของนิวเคลียสที่เสถียรโดยตรง แม้ว่าโปรตอนจะผลักไฟฟ้าสถิตออกไปก็ตาม แรงนิวเคลียร์ระหว่างคู่นิวคลีออน (นิวตรอนและโปรตอน) จะเท่ากัน สิ่งนี้แสดงโดยการเปรียบเทียบระดับพลังงานของ "นิวเคลียสกระจก" ซึ่งแตกต่างจากกันตรงที่โปรตอนในนิวเคลียสจะถูกแทนที่ด้วยนิวตรอนและในทางกลับกัน ภายในรัศมีการกระทำ กองกำลังนิวเคลียร์จะมีขนาดที่ใหญ่มาก พลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิตของโปรตอนสองตัวซึ่งอยู่ห่างจากกัน 1.5 x 10 -15 ม. มีค่าเพียง 1 MeV ซึ่งน้อยกว่าพลังงานศักย์นิวเคลียร์ 40 เท่า แรงนิวเคลียร์ยังแสดงความอิ่มตัว เนื่องจากนิวคลีออนที่กำหนดจะสามารถโต้ตอบกับนิวคลีออนอื่นๆ ในจำนวนที่จำกัดเท่านั้น ดังนั้นการเติบโตเริ่มต้นอย่างรวดเร็ว (ด้วยการเพิ่มขึ้น ก) พลังงานยึดเหนี่ยวโดยเฉลี่ยต่อนิวคลีออน (รูปที่ 3) และความคงตัวสัมพัทธ์ของพลังงานนี้ในอนาคต (หากแต่ละนิวคลีออนมีปฏิสัมพันธ์กับนิวคลีออนทั้งหมดในนิวเคลียส พลังงานยึดเหนี่ยวต่อนิวคลีออนจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเสมอ ก.)

จนถึงขณะนี้ยังไม่มีทฤษฎีแรงนิวเคลียร์ที่น่าพอใจ และปัญหากำลังได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นทั้งในเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี อย่างไรก็ตาม แนวคิดหลายประการที่เป็นรากฐานของ "ทฤษฎีมีซอนของแรงนิวเคลียร์" ซึ่งตีพิมพ์ในปี 1935 โดย H. Yukawa กลับกลายเป็นว่าสอดคล้องกับข้อเท็จจริงเชิงทดลอง ยูกาว่าตั้งสมมติฐานว่าแรงดึงดูดที่ยึดนิวเคลียสไว้ในนิวเคลียสนั้นเกิดขึ้นเนื่องจากมี "ควอนตัม" อยู่ในสนามแห่งหนึ่ง คล้ายกับโฟตอน (ควอนตัมแสง) ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และทำให้เกิดปฏิกิริยาระหว่างประจุไฟฟ้า จากทฤษฎีสนามควอนตัม รัศมีการออกฤทธิ์ของแรงจะแปรผกผันกับมวลของควอนตัมที่สอดคล้องกัน ในกรณีของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า มวลของควอนตัม - โฟตอน - เป็นศูนย์ และรัศมีการออกฤทธิ์ของแรงนั้นไม่มีที่สิ้นสุด มวลของควอนตัมสนามนิวเคลียร์ (เรียกว่า "มีซอน") ซึ่งคำนวณจากช่วงแรงนิวเคลียร์ที่วัดได้จากการทดลอง กลายเป็นว่ามากกว่ามวลของอิเล็กตรอนประมาณ 200 เท่า

ตำแหน่งของทฤษฎีของ Yukawa มีความเข้มแข็งมากขึ้นหลังจากที่ K. Anderson และ S. Neddermeyer ค้นพบในปี 1936 อนุภาคใหม่ที่มีมวลประมาณ 200 มวลอิเล็กตรอน (ปัจจุบันเรียกว่ามิวออน) ซึ่งพวกเขาค้นพบโดยใช้ห้องเมฆในรังสีคอสมิก (ในปี 1932 แอนเดอร์สันค้นพบ “โพซิตรอน” ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนเชิงบวก) ในตอนแรกดูเหมือนว่าจะค้นพบควอนตัมของแรงนิวเคลียร์แล้ว แต่การทดลองต่อมาเผยให้เห็นสถานการณ์ที่น่าท้อใจ: “กุญแจสู่พลังนิวเคลียร์” ไม่มีปฏิกิริยากับนิวเคลียส! สถานการณ์ที่น่าสับสนนี้ชัดเจนหลังจากเอส. พาวเวลล์ค้นพบอนุภาคที่มีมวลที่เหมาะสมซึ่งมีอันตรกิริยากับนิวเคลียสในปี 1947 เท่านั้น อนุภาคนี้ (เรียกว่า ไพ-มีซอน หรือไพออน) กลายเป็นอนุภาคที่ไม่เสถียรและสลายตัวไปเองตามธรรมชาติ และกลายเป็นมิวออน ไพมีซอนเหมาะสมกับบทบาทของอนุภาคยูกาวะ และคุณสมบัติของมันได้รับการศึกษาอย่างละเอียดโดยนักฟิสิกส์ที่ใช้รังสีคอสมิกและเครื่องเร่งสมัยใหม่เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้

แม้ว่าการมีอยู่ของไพมีซอนจะสนับสนุนผู้สนับสนุนทฤษฎีของยูกาวะ แต่ก็เป็นเรื่องยากมากที่จะทำนายคุณสมบัติโดยละเอียดของแรงนิวเคลียร์ได้อย่างถูกต้อง เช่น ความอิ่มตัว พลังงานยึดเหนี่ยว และพลังงานระดับนิวเคลียร์ ปัญหาทางคณิตศาสตร์ทำให้เราไม่สามารถกำหนดสิ่งที่ทฤษฎีนี้ทำนายได้อย่างแน่นอน สถานการณ์มีความซับซ้อนมากยิ่งขึ้นด้วยการค้นพบมีซอนประเภทใหม่ๆ ที่เชื่อว่าเกี่ยวข้องกับกองกำลังนิวเคลียร์

เพิ่มไซต์ลงในบุ๊กมาร์ก

ที่เก็บอะตอม โครงสร้างของอะตอมและนิวเคลียสของอะตอม

อะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุด องค์ประกอบ,รักษาลักษณะของมัน

อะตอมของธาตุต่าง ๆ มีความแตกต่างกัน เนื่องจากมีองค์ประกอบที่แตกต่างกันมากกว่า 100 ชนิด จึงมีอะตอมที่แตกต่างกันมากกว่า 100 ชนิด

รูปที่ 1-2 ส่วนของอะตอม

ทุกอะตอมมีนิวเคลียส , ตั้งอยู่ที่ใจกลางของอะตอม ประกอบด้วยอนุภาคที่มีประจุบวก - โปรตอน และอนุภาคไม่มีประจุ - นิวตรอน

อิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ โคจรรอบนิวเคลียส (ดูรูปที่ 1-2)

จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสของอะตอมเรียกว่าเลขอะตอมของธาตุ

ข้าว. 1-3. อิเล็กตรอนที่อยู่ในเปลือกรอบนิวเคลียส

เลขอะตอมช่วยแยกแยะองค์ประกอบหนึ่งจากอีกองค์ประกอบหนึ่ง แต่ละองค์ประกอบมีน้ำหนักอะตอม น้ำหนักอะตอมคือมวลของอะตอม ซึ่งกำหนดโดยจำนวนโปรตอนและนิวตรอนทั้งหมดในนิวเคลียส อิเล็กตรอนแทบไม่มีส่วนช่วยในมวลรวมของอะตอม มวลของอิเล็กตรอนมีค่าเพียง 1/1845 ของมวลโปรตอนและสามารถละเลยได้

อิเล็กตรอนหมุนในวงโคจรที่มีศูนย์กลางรอบนิวเคลียส แต่ละวงโคจรเรียกว่าเปลือก กระสุนเหล่านี้จะถูกเติมตามลำดับต่อไปนี้: กระสุน K จะถูกเติมก่อน จากนั้นจึงเติม L, M, N เป็นต้น (ดูรูปที่ 1-3) จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่สามารถใส่ในแต่ละเปลือกได้แสดงไว้ในรูปที่ 1 1-4.

เปลือกนอกเรียกว่าวาเลนซ์เชลล์ และจำนวนอิเล็กตรอนที่มีอยู่นั้นเรียกว่าวาเลนซ์ ยิ่งไกลจากนิวเคลียส วาเลนซ์เชลล์ , ยิ่งแรงดึงดูดของเวเลนซ์อิเล็กตรอนแต่ละตัวจากนิวเคลียสน้อยลงเท่าใด ดังนั้นศักยภาพที่อะตอมจะได้รับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นหากไม่ได้เติมเปลือกเวเลนซ์และอยู่ห่างจากนิวเคลียสเพียงพอ

ข้าว. 1-4 และ 1-5. องค์ประกอบของอะตอม

อิเล็กตรอนเปลือกวาเลนซ์สามารถรับพลังงานได้ หากอิเล็กตรอนเหล่านี้ได้รับพลังงานเพียงพอจากแรงภายนอก พวกมันก็สามารถออกจากอะตอมและกลายเป็นอิเล็กตรอนอิสระ โดยเคลื่อนที่แบบสุ่มจากอะตอมหนึ่งไปอีกอะตอมหนึ่ง วัสดุที่มีอิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากเรียกว่าตัวนำ

ข้าว. 1-6. ความจุของทองแดง

ในรูป 1-5 เปรียบเทียบค่าการนำไฟฟ้าของโลหะชนิดต่างๆ ที่ใช้เป็นตัวนำ . ในตาราง เงิน ทองแดง และทองมีวาเลนซีเป็น 1 (ดูรูปที่ 1-6) อย่างไรก็ตาม เงินเป็นตัวนำที่ดีกว่า เนื่องจากเวเลนซ์อิเล็กตรอนของมันถูกผูกไว้อย่างหลวมๆ มากกว่า

ฉนวนซึ่งแตกต่างจากตัวนำป้องกันการไหลของกระแสไฟฟ้า ลูกถ้วยมีความเสถียรเนื่องจากวาเลนซ์อิเล็กตรอนของอะตอมบางอะตอมเกาะติดกับอะตอมอื่น เติมเต็มเปลือกวาเลนซ์ ดังนั้นจึงป้องกันการก่อตัวของอิเล็กตรอนอิสระ

ข้าว. 1-7. สมบัติไดอิเล็กทริกของวัสดุต่างๆ ที่ใช้เป็นฉนวน

วัสดุที่จัดเป็นฉนวนจะถูกเปรียบเทียบในรูปที่ 1 1-7. ไมกาเป็นฉนวนที่ดีที่สุดเพราะมีจำนวนอิเล็กตรอนอิสระในเปลือกเวเลนซ์น้อยที่สุด

เซมิคอนดักเตอร์มีตำแหน่งตรงกลางระหว่างตัวนำและฉนวน เซมิคอนดักเตอร์ไม่ใช่ทั้งตัวนำที่ดีและไม่เป็นฉนวนที่ดี แต่มีความสำคัญเนื่องจากค่าการนำไฟฟ้าอาจแตกต่างกันไปในแต่ละตัวนำ ซิลิคอนและเจอร์เมเนียมเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

อะตอมที่มีจำนวนอิเล็กตรอนและโปรตอนเท่ากันเรียกว่าเป็นกลางทางไฟฟ้า อะตอมที่ได้รับอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปจะไม่มีความเป็นกลางทางไฟฟ้า มันจะมีประจุลบและเรียกว่าไอออนลบ หากอะตอมสูญเสียอิเล็กตรอนตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไป อะตอมจะมีประจุบวกและเรียกว่าไอออนบวก กระบวนการรับหรือสูญเสียอิเล็กตรอนเรียกว่าไอออไนซ์ไอออนไนซ์มีบทบาทสำคัญในการไหลของกระแสไฟฟ้า