Størrelsen af ​​atomkernen • Igor Ivanov • Videnskabelige-populære problemer på "Elements" • Fysik

Atomstørrelse

Alle husker nok fra skolen, at atomerne, og endnu mere – atomkernerne er så små, at de ikke kan ses eller røre ved. Dette kan give indtryk af, at da disse dimensioner tilhører microworld, så kan de kun bestemmes ved hjælp af meget komplekse fysiske eksperimenter. Men det er ikke tilfældet. Der er ganske makroskopiske og endda daglige fænomener, der giver os mulighed for at estimere disse dimensioner, i hvert fald i størrelsesorden. I et af problemerne har vi allerede fundet ud af, hvordan man estimerer størrelsen på et atom, baseret på et kendes termodynamiske egenskaber. Vi vender nu til atomkernen.

Kernerne er selvfølgelig sværere at studere end selve atomer. I dannelsen af ​​materiens egenskaber spiller de en ret sekundær rolle. De giver stoffet massivitet, holder elektroner omkring sig selv, men kernerne selv har ikke direkte interaktion med hinanden. Dette sker fordi de er meget små, meget mindre end atomerne selv (figur 1). Og af denne grund er bestemmelsen af ​​deres størrelse vanskeligere end størrelsen af ​​atomer.

Fig. 1. Atomkernen er meget mindre end selve atomet. Billede fra en.wikipedia.org

I dette problem, for at estimere størrelsen af ​​kernen, vil vi imidlertid bruge et fingerpeg, som naturen giver os – fænomenet radioaktivitet.

Det er kendt, at neutroner i løbet af nogle nukleare transformationer flyver fra kernen. I modsætning til protoner eller elektroner er neutroner ikke elektrisk ladet. I deres flyvning gennem materiel føler de praktisk taget ikke atomernes elektronskaller. De flyver gennem et atom efter hinanden uden at afvige fra deres bane, indtil de kolliderer hovedet med nogle kerner af materie. For enkelhed antager vi, at hver hurtig neutron, der styrter ind i en kerne, forårsager en form for betydelig interaktion: det kan være absorption, elastisk spredning eller noget forandring inde i kernen.

En sådan "djævel-måske-plejeindstilling" af neutroner til elektromagnetiske interaktioner medfører, at neutronfluxen har en høj indtrængende effekt (figur 2). Neutronen betyder fri vej (det vil sige afstanden mellem de enkelte kollisionshændelser) kan være ret stor, meget større end for elektroner eller røntgenstråler. Det vigtigste for os her er, at denne længde målt direkte i det enkleste laboratorieeksperiment på screening af en neutronflux af plader af forskellig tykkelse.Resultaterne er som følger: For hurtige neutroner med en energi i størrelsesordenen 1 MeV er den gennemsnitlige fri vej i et faststof, for eksempel aluminium, ca. 10 cm – en fuldstændig makroskopisk størrelse.

Fig. 2. Et typisk forhold mellem penetrationsdybden af ​​alfa-, beta-, gammastråling og neutroner af sammenlignelig energi. Ordningen fra webstedet remnet.jp

opgave

Baseret på ovenstående tal og begrundelse, stemme i størrelsesorden, størrelsen af ​​atomkernen af ​​aluminium.


Tip 1

Tegn en skematisk af flere atomer, tæt presset til hinanden med deres elektronskaller. Mark atomkerner inde i dem, ikke at glemme at de er meget små. Neutroner er ikke opmærksomme på elektronskallerne, for de faste stoffer er som en meget sjældent og næsten stationær "gas" af atomkerner. Med dette i tankerne tegner du en direkte neutronbane og forsøger at forstå, hvordan den fri vej er relateret til størrelsen af ​​kernen.


Tip 2

Faktisk var formlen for at forbinde den gennemsnitlige fri vej med parametrene for mediet allerede stødt på i problem med kollision af fotoner. Der talte vi om tværsnittet for spredning af fotoner på hinanden, og det var en ret abstrakt mængde.Nu er alting enklere: Vi mener, at spredtværsnittet for en neutron-nuklear kollision simpelthen falder sammen med det geometriske tværsnit af "core + neutron" -systemet.


beslutning

I fig. 3 i en meget forenklet form er vist et faststof ud fra synspunkt af ladede partikler eller fotoner såvel som fra et neutronsynspunkts synspunkt. Neutronen ser næsten ikke "elektroner", for der er kun atomkerner. Radien af ​​kernen vi betegner ved Rog den karakteristiske afstand imellem dem er igennem en. Bemærk venligst en er en typisk interatomisk afstand, den er meget større end størrelsen af ​​kernen R. Neutronen selv, vi for de enkleste skøn vil blive betragtet som punkt. Om ønsket kan estimatet forfines ved at forbinde neutronens størrelse med størrelsen af ​​kernen og dens massenummer. Men skønnet i størrelsesorden vil denne præcisering ikke ændres.

Fig. 3. Skematisk repræsentation af materiale ud fra ladede partikler (til venstre) og med hensyn til neutronen (til højre)

Forholdet mellem fri vej L, kollisionstværsnittet a og koncentrationen af ​​kerner n Allerede diskuteret i detaljer for at løse problemet med kollision af fotoner. Det optages simpelthen: Lσn = 1. I vores tilfælde er kollisionsafsnittet simpelthen kerneets tværsnit, σ = πR2, og koncentrationen udtrykkes gennem afstanden mellem kernerne, n = 1/en3. Ved at erstatte disse udtryk får vi svaret til at estimere kerneradius:

Interatomisk afstand en – dette er for fast stof bare størrelsen af ​​atomerne, det vil sige et par angstrom. For et mere præcist estimat kan du beregne koncentrationen af ​​kerner i forhold til stoffets densitet og kernens masse; for aluminium det giver en = 2,5 Å. tager L = 0,1 m, får vi R ≈ 7·10−15 m.

Den fundne værdi er ca. to gange den reelle radius af aluminiumkernen. Dette er helt acceptabelt nøjagtighed for en sådan simpel størrelsesvurdering.


efterskrift

Denne opgave kan tjene som en introduktion til en række historier om hvordan neutroner eller mere generelt enkelte elementære partikler interagerer med materie. Vi vil begrænse os her til kun nogle få af de mest almindelige skitser.

For det første må vi straks sige, at i et ægte eksperiment er størrelsen af ​​kernerne ikke målt ved sådanne metoder overhovedet. Den mest standardiserede måde er en forbedret version af den klassiske Rutherford-oplevelse: Kernens størrelse kan genkendes af de ladede partikler spredt på den. Men der er et nysgerrig punkt: Det viser sig, at kernen kan have nogle få Forskellige størrelser: protonradius, materialradius, ladningsradius mv. I nogle tilfælde kan for eksempel for kerne med en neutronhalo, disse størrelser variere betydeligt.Derfor bruger moderne eksperimentelle fysik adskillige forskellige metoder på en gang til at måle størrelsen og studere kernekonstruktionen (se introduktionen til dette felt af fysik i vores nyheder. Optisk forskning hjælper med at studere kerner med en neutronhalo).

Fig. 4. Banerne i en elektron og en neutron i et stof adskiller sig meget på grund af de forskellige former for interaktioner.

Yderligere, hvorfor i dette problem blev brugt neutroner, og ikke elektroner eller protoner? En del af svaret er allerede klart fra løsningen. Ladede partikler, såvel som fotoner, føler sig ikke kun og ikke så meget kernen som atomernes elektronskaller, hvilket betyder, at det er svært at bruge deres bevægelse til at måle størrelsen af ​​kernen. Men der er et andet aspekt. Samspillet mellem neutroner med kerner kort rækkevidde; det finder kun sted i tilfælde, hvor en neutron nærmer sig en nukleare i en afstand af størrelsesordenen nuklear størrelse. Derfor er neutronbanen i et stof en brudt linje med veldefinerede brudpunkter og lige sektioner (figur 4). Men baneområdet for ladede partikler på grund af langsom elektromagnetisk interaktion konstant afviger fra side til side, men dog ved små vinkler. Desuden fører denne interaktion til ionisering af stoffet (banke ud nye elektroner) og til emission af fotoner. Som følge heraf har en ladet partikel i et stof simpelthen ikke en klart defineret fri bane. For mere om de fænomener, der forekommer her, se online kursus Particle Interaction with a Substance.

For enkelhed betragtede vi i dette problem, at neutronspredningstværsnittet på en kerne er rent geometrisk: en kollision opstår, hvis neutronbanen falder strengt ind i kernen. Faktisk kan i mikroverdenen, som beskrives ved kvantumlove, meget afvige fra denne antagelse. Desuden afhænger denne forskel stærkt af neutronenergien (figur 5). Så ved energier på ca. 1 MeV er spredtværsnittet sædvanligvis flere lader (1 b = 10−24 se2; i vores problem viste tværsnittet ca. 0,5 b). For termiske neutroner (energi i størrelsesordenen 0,025 eV) udgør neutronfangstafsnittet nogle gange tusinder (!) Barns, det vil sige flere størrelsesordener større end den geometriske størrelse af kernen (se den periodiske neutronopsamlingssektionstabel).Der er endda medicinske teknologier, der bruger denne funktion af nuklear fysik, for eksempel bor neutron capture-terapi for at bekæmpe vanskelige kræftformer. Og i den mellemliggende energiregion observeres skarpe og smalle udbrud af tværsnittet, der opstår på grund af kernens komplekse struktur.

Fig. 5. Afhængighed af neutronfangst tværsnit af uran, plutonium og thorium isotoper på neutronenergien. Billede fra intechopen.com

Kolde neutroner står her ud. På grund af deres lave hastighed og lange bølgelængde føler de sig ikke en enkelt atomkerne, men straks deres store hold (se nyhederne. Koldnutronstråler sondrer objekter uden at gøre forstyrrelser). På grund af dette kan de i en tilstrækkelig lav hastighed generelt kollektivt reflekteres fra et stof; materialet synes at skubbe sådanne neutroner ud af sig selv. Dette tillader bogstaveligt talt at holde ultrakold neutroner i en "metalflaske" og udføre forskellige eksperimenter med det (se for eksempel målinger af neutronlevetid, udført med forskellige metoder, stadigvæk divergerer og neutroner i jordens gravitationsfelt giver dig mulighed for at teste mørke og mørke energimodeller materie, samt Neutron-opgaven i en fælde).

Fig. 6. Billede af kølekanaler inde i turbinebladet, opnået ved brug af neutronradiografi. Billede fra ne.ncsu.edu

Endelig åbner neutroner utallige muligheder ikke kun for grundlæggende fysik, men også for anvendt forskning. Uden at forsøge at opregne alle specifikke anvendelsesområder, nævner vi simpelthen industriel diagnostik af enheder, som du ikke kan se på ved hjælp af andre metoder (figur 6), materialevidenskab, biomedicinsk videnskab kombineret med farmakologi, geofysik. Alle disse applikationer på en eller anden måde stole på neutronernes høje penetrerende kraft i materien.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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