atómová hmotnosť je súčet hmotností všetkých protónov, neutrónov a elektrónov, ktoré tvoria atóm alebo molekulu. Hmotnosť elektrónov je v porovnaní s protónmi a neutrónmi veľmi malá, preto sa pri výpočtoch neberie do úvahy. Hoci je z formálneho hľadiska nesprávny, tento termín sa často používa na označenie priemernej atómovej hmotnosti všetkých izotopov prvku. V skutočnosti ide o relatívnu atómovú hmotnosť, ktorá sa tiež nazýva atómová hmotnosť element. Atómová hmotnosť je priemer atómových hmotností všetkých prirodzene sa vyskytujúcich izotopov prvku. Chemici musia pri svojej práci rozlišovať medzi týmito dvoma typmi atómovej hmotnosti – nesprávna hodnota atómovej hmotnosti môže napríklad viesť k nesprávnemu výsledku pre výťažok reakčného produktu.

Kroky

Nájdenie atómovej hmotnosti podľa periodickej tabuľky prvkov

Zistite, ako sa píše atómová hmotnosť. Atómovú hmotnosť, teda hmotnosť daného atómu alebo molekuly, možno vyjadriť v štandardných jednotkách SI – gramoch, kilogramoch atď. Avšak vzhľadom na skutočnosť, že atómové hmotnosti vyjadrené v týchto jednotkách sú extrémne malé, sú často zapísané v jednotných jednotkách atómovej hmotnosti alebo v skratke a.u.m. sú jednotky atómovej hmotnosti. Jedna atómová hmotnostná jednotka sa rovná 1/12 hmotnosti štandardného izotopu uhlíka-12.

• Atómová hmotnostná jednotka charakterizuje hmotnosť jeden mól daného prvku v gramoch. Táto hodnota je veľmi užitočná v praktických výpočtoch, pretože sa dá použiť na jednoduchý prevod hmotnosti daného počtu atómov alebo molekúl danej látky na móly a naopak.

1. Nájsť atómová hmotnosť V periodická tabuľka Mendelejev. Väčšina štandardných periodických tabuliek obsahuje atómové hmotnosti (atómové hmotnosti) každého prvku. Spravidla sa uvádzajú ako číslo v spodnej časti bunky s prvkom, pod písmenami označujúcimi chemický prvok. Zvyčajne to nie je celé číslo, ale desatinné číslo.

   Pamätajte, že periodická tabuľka ukazuje priemerné atómové hmotnosti prvkov. Ako už bolo uvedené, relatívne atómové hmotnosti uvedené pre každý prvok v periodickej tabuľke sú priemery hmotností všetkých izotopov atómu. Táto priemerná hodnota je cenná na mnohé praktické účely: napríklad sa používa pri výpočte molárnej hmotnosti molekúl pozostávajúcich z niekoľkých atómov. Keď sa však zaoberáte jednotlivými atómami, táto hodnota zvyčajne nestačí.

   • Keďže priemerná atómová hmotnosť je priemerom niekoľkých izotopov, hodnota uvedená v periodickej tabuľke nie je presné hodnota atómovej hmotnosti ktoréhokoľvek jednotlivého atómu.
   • Atómové hmotnosti jednotlivých atómov sa musia vypočítať s prihliadnutím na presný počet protónov a neutrónov v jednom atóme.

   Výpočet atómovej hmotnosti jednotlivého atómu

   1. Nájdite atómové číslo daného prvku alebo jeho izotopu. Atómové číslo je počet protónov v atómoch prvku a nikdy sa nemení. Napríklad všetky atómy vodíka a iba majú jeden protón. Sodík má atómové číslo 11, pretože má jedenásť protónov, zatiaľ čo kyslík má atómové číslo osem, pretože má osem protónov. Atómové číslo akéhokoľvek prvku nájdete v periodickej tabuľke Mendelejeva - takmer vo všetkých jeho štandardných verziách je toto číslo uvedené nad písmenom označenia chemického prvku. Atómové číslo je vždy kladné celé číslo.

      • Predpokladajme, že nás zaujíma atóm uhlíka. V atómoch uhlíka je vždy šesť protónov, takže vieme, že jeho atómové číslo je 6. Okrem toho vidíme, že v periodickej tabuľke je v hornej časti bunky s uhlíkom (C) číslo „6“, čo naznačuje, že atómové číslo uhlíka je šesť.
      • Všimnite si, že atómové číslo prvku nie je jednoznačne spojené s jeho relatívnou atómovou hmotnosťou v periodickej tabuľke. Hoci sa najmä pri prvkoch v hornej časti tabuľky môže zdať, že atómová hmotnosť prvku je dvojnásobkom jeho atómového čísla, nikdy sa nevypočítava vynásobením atómového čísla dvomi.

   2. Nájdite počet neutrónov v jadre. Počet neutrónov môže byť rôzny pre rôzne atómy toho istého prvku. Keď dva atómy toho istého prvku s rovnakým počtom protónov majú iná suma neutróny, sú to rôzne izotopy tohto prvku. Na rozdiel od počtu protónov, ktorý sa nikdy nemení, počet neutrónov v atómoch konkrétneho prvku sa môže často meniť, takže priemerná atómová hmotnosť prvku sa zapisuje ako desatinný zlomok medzi dve susedné celé čísla.

      Spočítajte počet protónov a neutrónov. Toto bude atómová hmotnosť tohto atómu. Ignorujte počet elektrónov, ktoré obklopujú jadro – ich celková hmotnosť je extrémne malá, takže majú malý alebo žiadny vplyv na vaše výpočty.

   Výpočet relatívnej atómovej hmotnosti (atómovej hmotnosti) prvku

   1. Určite, ktoré izotopy sú vo vzorke. Chemici často určujú pomer izotopov v konkrétnej vzorke pomocou špeciálneho prístroja nazývaného hmotnostný spektrometer. Počas školenia vám však tieto údaje budú poskytnuté v podmienkach úloh, kontroly a pod. vo forme hodnôt prevzatých z odbornej literatúry.

      • V našom prípade povedzme, že máme do činenia s dvoma izotopmi: uhlík-12 a uhlík-13.

   2. Určte relatívne zastúpenie každého izotopu vo vzorke. Pre každý prvok sa vyskytujú rôzne izotopy v rôznych pomeroch. Tieto pomery sú takmer vždy vyjadrené v percentách. Niektoré izotopy sú veľmi bežné, zatiaľ čo iné sú veľmi zriedkavé – niekedy také zriedkavé, že je ťažké ich odhaliť. Tieto hodnoty možno určiť pomocou hmotnostnej spektrometrie alebo nájsť v referenčnej knihe.

      • Predpokladajme, že koncentrácia uhlíka-12 je 99% a uhlíka-13 je 1%. Iné izotopy uhlíka naozaj existujú, ale v množstvách tak malých, že v tomto prípade ich možno zanedbať.

   3. Vynásobte atómovú hmotnosť každého izotopu jeho koncentráciou vo vzorke. Vynásobte atómovú hmotnosť každého izotopu jeho percentami (vyjadrené ako desatinné číslo). Ak chcete previesť percentá na desiatkový, stačí ich vydeliť 100. Výsledné koncentrácie by mali byť vždy 1.

      • Naša vzorka obsahuje uhlík-12 a uhlík-13. Ak uhlík-12 tvorí 99 % vzorky a uhlík-13 je 1 %, potom vynásobte 12 (atómová hmotnosť uhlíka-12) 0,99 a 13 (atómová hmotnosť uhlíka-13) 0,01.
      • Referenčné knihy uvádzajú percentá založené na známych množstvách všetkých izotopov prvku. Väčšina učebníc chémie obsahuje tieto informácie v tabuľke na konci knihy. Pre študovanú vzorku možno relatívne koncentrácie izotopov určiť aj pomocou hmotnostného spektrometra.

   4. Sčítajte výsledky. Spočítajte výsledky násobenia, ktoré ste získali v predchádzajúcom kroku. V dôsledku tejto operácie nájdete relatívnu atómovú hmotnosť vášho prvku – priemernú hodnotu atómových hmotností izotopov príslušného prvku. Keď sa prvok považuje za celok a nie za konkrétny izotop daného prvku, použije sa táto hodnota.

      • V našom príklade 12 x 0,99 = 11,88 pre uhlík-12 a 13 x 0,01 = 0,13 pre uhlík-13. Relatívna atómová hmotnosť je v našom prípade 11,88 + 0,13 = 12,01 .
   • Niektoré izotopy sú menej stabilné ako iné: rozpadajú sa na atómy prvkov s menším počtom protónov a neutrónov v jadre, pričom sa uvoľňujú častice, ktoré tvoria atómové jadro. Takéto izotopy sa nazývajú rádioaktívne.

Izogónia. Jadro atómu vodíka - protón (p) - je najjednoduchšie jadro. Jeho kladný náboj sa v absolútnej hodnote rovná náboju elektrónu. Hmotnosť protónov je 1,6726-10'2 kg. Protón ako časticu, ktorá je súčasťou atómových jadier, objavil Rutherford v roku 1919.

Pre experimentálna definícia sa využívali a využívajú hmotnosti atómových jadier hmotnostné spektrometre. Princíp hmotnostnej spektrometrie, ktorý prvýkrát navrhol Thomson (1907), spočíva vo využití zaostrovacích vlastností elektrických a magnetických polí vzhľadom na zväzky nabitých častíc. Prvé hmotnostné spektrometre s dostatočne vysokým rozlíšením skonštruoval v roku 1919 F.U. Aston a A. Dempstrom. Princíp činnosti hmotnostného spektrometra je znázornený na obr. 1.3.

Keďže atómy a molekuly sú elektricky neutrálne, musia byť najskôr ionizované. Ióny vznikajú v iónovom zdroji bombardovaním výparov skúmanej látky rýchlymi elektrónmi a následne po zrýchlení v elektrickom poli (potenciálny rozdiel v) výstup do vákuovej komory, spadajúci do oblasti homogénnej magnetické pole B. Pod jeho pôsobením sa ióny začnú pohybovať po kruhu, ktorého polomer G možno zistiť z rovnosti Lorentzovej sily a odstredivej sily:

Kde M- iónová hmotnosť. Rýchlosť iónu v je určená vzťahom

Ryža. 1.3.

Zrýchľujúci sa potenciálny rozdiel Mať alebo sila magnetického poľa IN možno zvoliť tak, aby ióny s rovnakými hmotnosťami dopadli na rovnaké miesto na fotografickej platni alebo inom polohovo citlivom detektore. Potom nájdením maxima signálu hmotnosti pružiny a pomocou vzorca (1.7) môžeme tiež určiť hmotnosť iónu M. 1

Vrátane rýchlosti v z (1.5) a (1.6), zistíme, že

Vývoj techník hmotnostnej spektrometrie umožnil potvrdiť predpoklad z roku 1910 Fredericka Soddyho, že zlomkové (v jednotkách hmotnosti atómu vodíka) atómové hmotnosti chemické prvky vysvetlené existenciou izotopy- atómy s rovnakým jadrovým nábojom, ale rôznou hmotnosťou. Vďaka priekopníckemu výskumu Astonu sa zistilo, že väčšina prvkov je skutočne zložená zo zmesi dvoch alebo viacerých prirodzene sa vyskytujúcich izotopov. Výnimkou je pomerne málo prvkov (F, Na, Al, P, Au atď.), ktoré sa nazývajú monoizotopy. Počet prirodzených izotopov v jednom prvku môže dosiahnuť 10 (Sn). Navyše, ako sa neskôr ukázalo, všetky prvky bez výnimky majú izotopy, ktoré majú vlastnosť rádioaktivity. Väčšina rádioaktívnych izotopov sa v prírode nenachádza, dajú sa získať len umelo. Prvky s atómovými číslami 43 (Tc), 61 (Pm), 84 (Po) a vyššie majú iba rádioaktívne izotopy.

Medzinárodná jednotka atómovej hmotnosti (am.m.u.) akceptovaná dnes vo fyzike a chémii je 1/12 hmotnosti izotopu uhlíka najbežnejšieho v prírode: 1:00. = 1,66053873* 10" kg. Je blízko atómovej hmotnosti vodíka, aj keď sa jej nerovná. Hmotnosť elektrónu je približne 1/1800 am.u. V moderných hmotnostných spektrometroch relatívna chyba merania hmotnosti

AMfM= 10 -10 , čo umožňuje merať hmotnostné rozdiely na úrovni 10 -10 a.m.u.

Atómové hmotnosti izotopov, vyjadrené v amu, sú takmer presne celé číslo. Každému atómovému jadru teda možno priradiť svoje hromadné číslo A(celé), napríklad H-1, H-2, H-3, C-12, 0-16, Cl-35, C1-37 atď. Posledná okolnosť ožila nový základ záujem o hypotézu W. Prouta (1816), podľa ktorej sú všetky prvky postavené z vodíka.

Hmotnosti atómových jadier sú obzvlášť zaujímavé pre identifikáciu nových jadier, pochopenie ich štruktúry, predpovedanie charakteristík rozpadu: životnosť, možné kanály rozpadu atď.
Prvýkrát popis hmotností atómových jadier podal Weizsäcker na základe modelu kvapky. Weizsäckerov vzorec umožňuje vypočítať hmotnosť atómového jadra M(A,Z) a väzbovú energiu jadra, ak je známe hmotnostné číslo A a počet protónov Z v jadre.
Weizsackerov vzorec pre hmotnosti jadier má nasledujúcu formu:

kde mp = 938,28 MeV/c2, mn = 939,57 MeV/c2, a1 = 15,75 MeV, a2 = 17,8 MeV, a3 = 0,71 MeV, a4 = 23,7 MeV, a5 = (+34 MeV) 1, 0, -1), pre nepárne-nepárne jadrá, jadrá s nepárnym A, párne-párne jadrá.
Prvé dva členy vzorca sú súčty hmotností voľných protónov a neutrónov. Zvyšné výrazy popisujú väzbovú energiu jadra:

• a 1 A zohľadňuje približnú stálosť špecifickej väzbovej energie jadra, t.j. odráža vlastnosť sýtosti jadrové sily;
• a 2 A 2/3 opisuje povrchovú energiu a berie do úvahy skutočnosť, že povrchové nukleóny v jadre sú slabšie viazané;
• a 3 Z 2 /A 1/3 opisuje pokles jadrovej väzbovej energie v dôsledku Coulombovej interakcie protónov;
• a 4 (A - 2Z) 2 /A zohľadňuje vlastnosť nábojovej nezávislosti jadrových síl a pôsobenie Pauliho princípu;
• a 5 A -3/4 zohľadňuje párovacie efekty.

Parametre a 1 - a 5 zahrnuté vo Weizsäckerovom vzorci sú zvolené tak, aby optimálne opisovali hmotnosti jadier v blízkosti oblasti β-stability.
Od samého začiatku však bolo jasné, že Weizsackerov vzorec neberie do úvahy niektoré špecifické detaily štruktúry atómových jadier.
Weizsäckerov vzorec teda predpokladá rovnomerné rozloženie nukleónov vo fázovom priestore, t.j. v podstate zanedbáva štruktúru obalu atómového jadra. V skutočnosti štruktúra obalu vedie k nehomogenite distribúcie nukleónov v jadre. Výsledná anizotropia stredného poľa v jadre tiež vedie k deformácii jadier v základnom stave.

Presnosť, s akou Weizsäckerov vzorec popisuje hmotnosti atómových jadier, možno odhadnúť z obr. 6.1, ktorý ukazuje rozdiel medzi experimentálne nameranými hmotnosťami atómových jadier a výpočtami na základe Weizsäckerovho vzorca. Odchýlka dosahuje 9 MeV, čo je asi 1 % z celkovej väzbovej energie jadra. Zároveň je jasne vidieť, že tieto odchýlky sú systematické, čo je spôsobené štruktúrou obalu atómových jadier.
Odchýlka jadrovej väzbovej energie od hladkej krivky predpovedanej modelom kvapiek kvapaliny bola prvou priamou indikáciou štruktúry obalu jadra. Rozdiel vo väzbových energiách medzi párnymi a nepárnymi jadrami naznačuje prítomnosť párovacích síl v atómových jadrách. Odchýlka od "hladkého" správania separačných energií dvoch nukleónov v jadrách medzi naplnenými obalmi je indikáciou deformácie atómových jadier v základnom stave.
Údaje o hmotnostiach atómových jadier sú základom overovania rôznych modelov atómových jadier, preto veľký význam má presnosť poznania hmotnosti jadier. Hmotnosti atómových jadier sa počítajú pomocou rôznych fenomenologických alebo semiempirických modelov pomocou rôznych aproximácií makroskopických a mikroskopických teórií. V súčasnosti existujúce hmotnostné vzorce celkom dobre opisujú hmotnosti (väzbové energie) jadier v blízkosti údolia stability. (Presnosť odhadu väzbovej energie je ~100 keV). Avšak pre jadrá ďaleko od údolia stability sa neistota pri predpovedaní väzbovej energie zvyšuje na niekoľko MeV. (obr. 6.2). Na obr.6.2 nájdete odkazy na diela, v ktorých sú uvedené a analyzované rôzne hmotnostné vzorce.

Porovnanie predpovedí rôznych modelov s nameranými jadrovými hmotnosťami naznačuje, že by sa mali uprednostniť modely založené na mikroskopickom popise, ktorý zohľadňuje štruktúru obalu jadier. Malo by sa tiež pamätať na to, že presnosť predpovedania hmotností jadier vo fenomenologických modeloch je často určená počtom parametrov, ktoré sa v nich používajú. Experimentálne údaje o hmotnostiach atómových jadier sú uvedené v prehľade. Okrem toho ich neustále aktualizované hodnoty možno nájsť v referenčných materiáloch medzinárodného databázového systému.
vzadu posledné roky Na experimentálne stanovenie hmotností atómových jadier s krátkou životnosťou boli vyvinuté rôzne metódy.

Základné metódy určovania hmotností atómových jadier

Bez toho, aby sme zachádzali do podrobností, uvádzame hlavné metódy určovania hmotností atómových jadier.

• Meranie β-rozpadovej energie Q b je pomerne bežnou metódou na určenie hmotností jadier ďaleko od β-medznej stability. Na určenie neznámej hmoty zažívajúcej β-rozpad jadra A

,

používa sa pomer

MA \u003d M B + m e + Q b / c 2.

Preto, keď poznáme hmotnosť konečného jadra B, môžeme získať hmotnosť počiatočného jadra A. Beta rozpad často nastáva v excitovanom stave konečného jadra, čo je potrebné vziať do úvahy.

Tento vzťah je napísaný pre α-rozpady zo základného stavu počiatočného jadra do základného stavu konečného jadra. Energie budenia sa dajú ľahko zohľadniť. Presnosť, s akou sú hmotnosti atómových jadier určené z rozpadovej energie, je ~ 100 keV. Táto metóda sa široko používa na určenie hmotnosti superťažkých jadier a ich identifikáciu.

1. Meranie hmotností atómových jadier metódou time-of-flight

Určenie hmotnosti jadra (A ~ 100) s presnosťou ~ 100 keV je ekvivalentné relatívnej presnosti merania hmotnosti ΔM/M ~10-6. Na dosiahnutie tejto presnosti sa používa magnetická analýza v spojení s meraním času letu. Táto technika sa používa v spektrometri SPEG - GANIL (obr. 6.3) a TOFI - Los Alamos. Magnetická tuhosť Bρ, hmotnosť častice m, rýchlosť častice v a náboj q spolu súvisia

Pri znalosti magnetickej tuhosti spektrometra B je možné určiť m/q pre častice s rovnakou rýchlosťou. Táto metóda umožňuje určiť hmotnosti jadier s presnosťou ~ 10 -4 . Presnosť meraní hmotností jadier sa môže zlepšiť, ak sa súčasne meria čas letu. V tomto prípade sa hmotnosť iónu určí zo vzťahu

kde L je základňa letu, TOF je čas letu. Základy rozpätia sa pohybujú od niekoľkých metrov do 10 3 metrov a umožňujú zvýšiť presnosť merania hmotností jadier na 10 -6.
K výraznému zvýšeniu presnosti určovania hmotností atómových jadier prispieva aj skutočnosť, že hmotnosti rôznych jadier sa merajú súčasne, v jednom experimente a presné hodnoty hmotností jednotlivých jadier môžu byť použité ako referenčné. bodov. Metóda neumožňuje oddelenie základných a izomérnych stavov atómových jadier. Na GANIL sa vytvára nastavenie s dráhou letu ~3,3 km, ktoré zlepší presnosť merania hmotností jadier na niekoľko jednotiek o 10 -7.

1. Priama definícia hmotnosti jadier metódou merania cyklotrónovej frekvencie

Pre časticu rotujúcu v konštantnom magnetickom poli B frekvencia rotácie súvisí s jej hmotnosťou a nábojom podľa vzťahu

Napriek tomu, že metódy 2 a 3 sú založené na rovnakom pomere, presnosť v metóde 3 merania cyklotrónovej frekvencie je vyššia (~ 10 -7), pretože je to ekvivalentné použitiu základne s dlhším rozpätím.

2. Meranie hmotností atómových jadier v zásobnom kruhu

   Táto metóda sa používa na úložnom kruhu ESR v GSI (Darmstadt, Nemecko). Metóda využíva Schottkyho detektor a je použiteľná na určenie hmotností jadier so životnosťou > 1 min. Metóda merania cyklotrónovej frekvencie iónov v zásobnom prstenci sa používa v kombinácii s predseparáciou iónov za chodu. Na zariadení FRS-ESR v GSI (obr. 6.4) sa vykonali presné merania hmotnosti Vysoké číslo jadrá v širokom rozsahu hmotnostných čísel.

   209 bi jadier zrýchlených na energiu 930 MeV/nukleón sa zameralo na berýliový terč s hrúbkou 8 g/cm 2 umiestnený pri vstupe do FRS. V dôsledku fragmentácie 209Bi vzniká veľké množstvo sekundárnych častíc v rozsahu od 209Bi do 1H. Reakčné produkty sa oddeľujú za chodu podľa ich magnetickej tvrdosti. Cieľová hrúbka je zvolená tak, aby sa rozšíril rozsah zárodkov súčasne zachytených magnetickým systémom. Rozšírenie rozsahu jadier nastáva v dôsledku skutočnosti, že častice s rôznym nábojom sú v berýliovom terči spomaľované iným spôsobom. Fragment separátora FRS je vyladený na prechod častíc s magnetickou tvrdosťou ~350 MeV/nukleón. Prostredníctvom systému vo zvolenom rozsahu náboja detegovaných jadier (52 < Z < 83) môžu súčasne prechádzať plne ionizované atómy (holé ióny), ióny podobné vodíku (podobné vodíku) s jedným elektrónom alebo ióny podobné héliu (podobné héliu) s dvoma elektrónmi. Keďže sa rýchlosť častíc pri prechode FRS prakticky nemení, výber častíc s rovnakou magnetickou tuhosťou vyberá častice s hodnotou M/Z s presnosťou ~ 2 %. Preto je frekvencia rotácie každého iónu v úložnom prstenci ESR určená pomerom M/Z. Toto je základom presnej metódy na meranie hmotnosti atómových jadier. Frekvencia otáčok iónov sa meria pomocou Schottkyho metódy. Použitie metódy iónového chladenia v zásobnom prstenci dodatočne zvyšuje presnosť stanovenia hmotnosti o rád. Na obr. 6.5 je znázornený graf hmotností atómových jadier oddelených touto metódou v GSI. Treba mať na pamäti, že pomocou opísanej metódy je možné identifikovať jadrá s polčasom rozpadu dlhším ako 30 sekúnd, ktorý je určený časom ochladzovania lúča a časom analýzy.

   Na obr. 6.6 sú uvedené výsledky stanovenia hmotnosti izotopu 171 Ta v rôznych stavoch náboja. Pri analýze sa použili rôzne referenčné izotopy. Namerané hodnoty sa porovnávajú s tabuľkovými údajmi (Wapstra).

3. Meranie hmotnosti jadier pomocou Penning Trap

   Kombináciou metód ISOL a iónových pascí sa otvárajú nové experimentálne možnosti pre presné merania hmotností atómových jadier. Pre ióny, ktoré majú veľmi malú kinetickú energiu a teda malý polomer rotácie v silnom magnetickom poli, sa používajú Penningove pasce. Táto metóda je založená na presnom meraní frekvencie rotácie častíc

   ω = B(q/m),

   zachytený v silnom magnetickom poli. Presnosť merania hmotnosti pre ľahké ióny môže dosiahnuť ~ 10-9. Na obr. Obrázok 6.7 ukazuje spektrometer ISOLTRAP namontovaný na separátore ISOL - CERN.
   Hlavnými prvkami tohto nastavenia sú sekcie na prípravu iónového lúča a dva Penningove pasce. Prvý Penningov lapač je valec umiestnený v magnetickom poli ~4 T. Ióny v prvom lapači sú dodatočne ochladzované v dôsledku zrážok s vyrovnávacím plynom. Na obr. Obrázok 6.7 ukazuje distribúciu hmotnosti iónov s A = 138 v prvom Penningovom pasci ako funkciu rýchlosti otáčania. Po ochladení a vyčistení sa iónový oblak z prvého lapača vstrekne do druhého. Tu sa hmotnosť iónu meria pomocou rezonančnej frekvencie rotácie. Rozlíšenie dosiahnuteľné touto metódou pre ťažké izotopy s krátkou životnosťou je najvyššie a dosahuje ~ 10-7.

   Ryža. 6.7 Spektrometer ISOLTRAP

Pred mnohými rokmi sa ľudia čudovali, z čoho sú všetky látky vyrobené. Prvý, kto sa na to pokúsil odpovedať, bol staroveký grécky vedec Democritus, ktorý veril, že všetky látky sú zložené z molekúl. Teraz vieme, že molekuly sú postavené z atómov. Atómy sa skladajú z ešte menších častíc. V strede atómu je jadro, ktoré obsahuje protóny a neutróny. Najmenšie častice – elektróny – sa pohybujú po dráhach okolo jadra. Ich hmotnosť je v porovnaní s hmotnosťou jadra zanedbateľná. Ale ako zistiť hmotnosť jadra, pomôžu iba výpočty a znalosti chémie. Aby ste to dosiahli, musíte určiť počet protónov a neutrónov v jadre. Pozrite si tabuľkové hodnoty hmotností jedného protónu a jedného neutrónu a nájdite ich celkovú hmotnosť. Toto bude hmotnosť jadra.

Často sa môžete stretnúť s takouto otázkou, ako nájsť hmotnosť, poznať rýchlosť. Podľa klasických zákonov mechaniky hmotnosť nezávisí od rýchlosti telesa. Koniec koncov, ak sa vozidlo, ktoré sa vzďaľuje, začne zvyšovať svoju rýchlosť, vôbec to neznamená, že sa jeho hmotnosť zvýši. Na začiatku dvadsiateho storočia však Einstein predložil teóriu, podľa ktorej táto závislosť existuje. Tento efekt sa nazýva relativistický nárast telesnej hmotnosti. A prejavuje sa to vtedy, keď sa rýchlosti telies približujú rýchlosti svetla. Moderné urýchľovače častíc umožňujú urýchliť protóny a neutróny na také vysoké rýchlosti. A v skutočnosti bol v tomto prípade zaznamenaný nárast ich hmotnosti.

Stále však žijeme vo svete špičkových technológií, ale nízkych rýchlostí. Preto, aby sme vedeli vypočítať hmotnosť látky, nie je vôbec potrebné zrýchľovať teleso na rýchlosť svetla a učiť sa Einsteinovu teóriu. Telesnú hmotnosť je možné merať na stupnici. Pravda, nie každé telo sa dá postaviť na váhu. Preto existuje iný spôsob, ako vypočítať hmotnosť z jej hustoty.

Vzduch okolo nás, vzduch, ktorý je pre ľudstvo taký potrebný, má tiež svoju hmotnosť. A pri riešení problému, ako určiť hmotnosť vzduchu, napríklad v miestnosti, nie je potrebné počítať počet molekúl vzduchu a sčítať hmotnosť ich jadier. Môžete jednoducho určiť objem miestnosti a vynásobiť ho hustotou vzduchu (1,9 kg / m3).

Vedci sa teraz s veľkou presnosťou naučili vypočítať hmotnosti rôznych telies, od jadier atómov až po hmotnosť glóbus a dokonca aj hviezdy, ktoré sú od nás vzdialené niekoľko stoviek svetelných rokov. omša ako fyzikálne množstvo, je mierou zotrvačnosti tela. Masívnejšie telesá sú podľa nich inertnejšie, to znamená, že menia svoju rýchlosť pomalšie. Preto je koniec koncov rýchlosť a hmotnosť prepojené. ale Hlavná prednosť Táto hodnota je, že každé telo alebo látka má hmotnosť. Na svete neexistuje hmota, ktorá by nemala hmotnosť!

atómové jadro je centrálna časť atómu zložená z protónov a neutrónov (súhrnne tzv nukleóny).

Jadro objavil E. Rutherford v roku 1911 pri štúdiu priechodu α -častice cez hmotu. Ukázalo sa, že takmer celá hmotnosť atómu (99,95 %) je sústredená v jadre. Veľkosť atómového jadra je rádovo 10 -1 3 -10 - 12 cm, čo je 10 000-krát menej ako veľkosť elektrónového obalu.

Planetárny model atómu navrhnutý E. Rutherfordom a jeho experimentálne pozorovanie jadier vodíka vyradené α -častice z jadier iných prvkov (1919-1920), priviedli vedca k myšlienke protón. Termín protón bol zavedený začiatkom 20-tych rokov XX storočia.

protón (z gréčtiny. protóny- po prvé, znak p) je stabilný elementárna častica, jadro atómu vodíka.

Proton- kladne nabitá častica, ktorej náboj sa v absolútnej hodnote rovná náboju elektrónu e\u003d 1,6 10 -1 9 Cl. Hmotnosť protónu je 1836-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Pokojová hmotnosť protónu m p= 1,6726231 10 -27 kg = 1,007276470 amu

Druhá častica v jadre je neutrón.

Neutrón (z lat. kastrát- ani jedno, ani druhé, symbol n) je elementárna častica, ktorá nemá náboj, t.j. neutrálna.

Hmotnosť neutrónu je 1839-krát väčšia ako hmotnosť elektrónu. Hmotnosť neutrónu je takmer rovnaká (o niečo väčšia ako) protónu: zvyšok hmotnosti voľného neutrónu m n= 1,6749286 10 -27 kg = 1,0008664902 amu a presahuje hmotnosť protónov o 2,5 hmotnosti elektrónu. Neutrón spolu s protónom pod spoločný názov nukleón je súčasťou atómového jadra.

Neutrón objavil v roku 1932 D. Chadwig, študent E. Rutherforda, počas bombardovania berýlia α -častice. Výsledné žiarenie s vysokou penetračnou silou (prekonalo prekážku z olovenej platne s hrúbkou 10–20 cm) zosilnilo svoj účinok pri prechode parafínovou platňou (pozri obrázok). Joliot-Curie odhady energie týchto častíc zo stôp v oblačnej komore a dodatočné pozorovania umožnili eliminovať počiatočný predpoklad, že γ -kvanta. Veľká penetračná sila nových častíc, nazývaných neutróny, bola vysvetlená ich elektrickou neutralitou. Nabité častice totiž aktívne interagujú s hmotou a rýchlo strácajú svoju energiu. Existenciu neutrónov predpovedal E. Rutherford 10 rokov pred experimentmi D. Chadwiga. Pri zásahu α -častice v jadrách berýlia, dochádza k nasledujúcej reakcii:

Tu je symbol neutrónu; jeho náboj sa rovná nule a relatívna atómová hmotnosť je približne rovná jednej. Neutrón je nestabilná častica: voľný neutrón v čase ~ 15 min. sa rozpadá na protón, elektrón a neutríno - časticu bez pokojovej hmotnosti.

Po objavení neutrónu J. Chadwickom v roku 1932 D. Ivanenko a W. Heisenberg nezávisle navrhli protón-neutrónový (nukleónový) model jadra. Podľa tohto modelu sa jadro skladá z protónov a neutrónov. Počet protónov Z sa zhoduje s poradovým číslom prvku v tabuľke D. I. Mendelejeva.

Jadrový náboj Q určený počtom protónov Z, ktoré sú súčasťou jadra, a je násobkom absolútnej hodnoty náboja elektrónu e:

Q = + Ze.

číslo Z volal číslo jadrovej nálože alebo atómové číslo.

Hmotnostné číslo jadra A volal celkový počet nukleóny, teda protóny a neutróny v ňom obsiahnuté. Počet neutrónov v jadre sa označuje písmenom N. Takže hmotnostné číslo je:

A = Z + N.

Nukleóny (protón a neutrón) majú priradené hmotnostné číslo rovné jednej a elektrón má pridelenú nulovú hodnotu.

Myšlienka zloženia jadra bola tiež uľahčená objavom izotopy.

Izotopy (z gréčtiny. isos rovnaký, rovnaký a topoa- miesto) - sú to odrody atómov toho istého chemického prvku, ktorých atómové jadrá majú rovnaký počet protónov ( Z) a iný počet neutrónov ( N).

Jadrá takýchto atómov sa tiež nazývajú izotopy. Izotopy sú nuklidy jeden prvok. Nuklid (z lat. jadro- jadro) - akékoľvek atómové jadro (resp. atóm) s dané čísla Z A N. Všeobecné označenie nuklidov je ……. Kde X- symbol chemického prvku, A=Z+N- hromadné číslo.

Izotopy zaujímajú rovnaké miesto v periodickej tabuľke prvkov, odtiaľ ich názov. Izotopy sa spravidla výrazne líšia svojimi jadrovými vlastnosťami (napríklad schopnosťou vstupovať do jadrových reakcií). Chemické (a takmer rovnako fyzikálne) vlastnosti izotopov sú rovnaké. Toto je vysvetlené tým Chemické vlastnosti prvku sú určené nábojom jadra, pretože je to on, kto ovplyvňuje štruktúru elektrónového obalu atómu.

Výnimkou sú izotopy ľahkých prvkov. Izotopy vodíka 1 H — protium, 2 H— deutérium, 3 H — trícium líšia sa natoľko hmotnosťou, že ich fyzikálne a chemické vlastnosti sú rozdielne. Deutérium je stabilné (t. j. nie je rádioaktívne) a je súčasťou obyčajného vodíka ako malá nečistota (1:4500). Deutérium sa spája s kyslíkom a vytvára ťažkú ​​vodu. Pri normálnom atmosférickom tlaku vrie pri 101,2 °C a zamŕza pri +3,8 °C. Trícium β je rádioaktívny s polčasom rozpadu približne 12 rokov.

Všetky chemické prvky majú izotopy. Niektoré prvky majú iba nestabilné (rádioaktívne) izotopy. Pre všetky prvky boli rádioaktívne izotopy získané umelo.

Izotopy uránu. Prvok urán má dva izotopy – s hmotnostnými číslami 235 a 238. Izotop je len 1/140 bežnejšieho.