Az atommag nagysága • Ivanov játékai • népszerű tudományok az "elemeken" • fizika

Mindenki valószínűleg emlékszik az iskolába, hogy az atomok, és még inkább az atommagok olyan kicsiek, hogy nem láthatók és nem érinthetők meg. Ez azt a benyomást keltheti, hogy ha ezek a dimenziók a mikrovilághoz kapcsolódnak, akkor csak nagyon összetett fizikai kísérletek segítségével határozhatók meg. De ez nem így van. Nagyon makroszkopikus, sőt mindennapi jelenségek vannak, amelyek lehetővé teszik számunkra, hogy legalábbis nagyságrendben becsüljük ezeket a méreteket. A probléma egyikében már rájöttünk, hogyan becsülhetjük meg az atom méretét, az anyag ismert termodinamikai tulajdonságaitól kezdve. Most forduljunk az atommaghoz.

Természetesen a magok nehezebb tanulni, mint maguk az atomok. Az anyagok tulajdonságainak kialakulásában igen másodlagos szerepet játszanak. Nagymértékben adják az anyagot, elektronokat tartanak körül, de maguk nem maguk közvetlenül érintik egymást. Ez azért van, mert nagyon kicsiek, sokkal kisebbek, mint az atomok (1. ábra). És ezért meg kell határozni, hogy mérete nehezebb, mint az atomok mérete.

Ábra. 1. Az atommag sokkal kisebb, mint maga az atom. Kép az oldalról en.wikipedia.org

Ebben a feladatban azonban, hogy megbecsüljük a mag magasságát, egy olyan tippet fogunk felhozni, amelyet a természet ad nekünk, a radioaktivitás jelensége.

Ismeretes, hogy egyes nukleáris transzformációk során neutronok keletkeznek a magokból. A protonoktól vagy az elektronoktól eltérően a neutronok nem elektromosan töltődnek. Az anyaggal való átvitel során gyakorlatilag nem érzik az atomok elektronhéjait. Egy atomon át repülnek egymás után, nem térnek el a pályájuktól, amíg a homlok össze nem ütközik az anyag magvával. Az egyszerűség kedvéért azt feltételezzük, hogy minden egyes gyors neutron, amely a magba vág, jelentős kölcsönhatást eredményez: elnyelés, elasztikus szóródás vagy valamilyen változás a magban.

A neutronoknak az elektromágneses kölcsönhatások ilyen "figyelmen kívül hagyása" az a tényhez vezet, hogy a neutronáram nagy áteresztőképességű (2. A neutron szabad útja (vagyis az egyes ütközési események közötti távolság) meglehetősen nagy lehet, sokkal nagyobb, mint az elektronoknál vagy röntgensugaraknál. A legfontosabb számunkra az, hogy ezt a hosszúságot közvetlenül a legegyszerűbb laboratóriumi kísérletben mérjük, a neutronáramot különböző vastagságú lemezekkel árnyékolja. Az eredmények a következők: az 1 MeV-os nagyságú energiájú gyors neutronok esetében a szilárd anyag, például az alumínium átlagos szabad útja körülbelül 10 cm-es, teljesen makroszkopikus méretű.

Ábra. 2. Tipikus korreláció az alfa, béta, gamma sugárzás és az összehasonlítható energia neutronjainak penetrációs mélysége között. A rendszer remnet.jp webhelyről

A fenti számok és érvek alapján számoljon nagyságrend szerint az alumínium atommag méretét.

Tipp 1

Vázlatosan rajzoljon több atomot, amelyeket elektronikus hüvelyeik szorosan nyomnak egymásnak. Ne feledkezzünk meg az atommagokról, ne feledkezzünk meg arról, hogy nagyon kicsiek. A neutronok nem figyelnek az elektronikus héjakra, mert a szilárd anyag olyan, mint egy nagyon ritka és szinte mozdulatlan "gáz" az atommagoktól. Ezzel szem előtt tartva vonja le a neutron közvetlen pályáját, és megpróbálja megérteni, hogy az átlagos szabad útvonal összefügg a mag magasságával.

2. tipp

Valójában a fotonok ütközésének problémájára már találkoztak az átlagos szabad útvonal és a közeg paramétereinek összekapcsolására szolgáló képlet. Ott beszéltünk a fotonok szétszóródásának keresztmetszetéről, és ez meglehetősen absztrakt nagyságú volt. Most minden egyszerűbb: úgy véljük, hogy a neutron-nukleáris ütközés szórási keresztmetszete egyszerűen egybeesik a "mag + neutron" geometriai keresztmetszetével.

Az 1. ábrán. A 3. ábra nagyon egyszerűsített formában mutatja a szilárd anyagot töltett részecskék vagy fotonok, valamint a neutron szempontjából. A neutron gyakorlatilag "nem lát" az elektronokat, mert csak atommagok vannak. A mag atom sugarát R. és a köztük lévő karakteres távolságot a. Megjegyezzük, hogy egy tipikus interatomikus távolság, sokkal nagyobb, mint az atommagasság. A neutron önmagában a legegyszerűbb becslések szerint pont-neutronnak tekintendő. Kívánt esetben a becslés finomítható a neutron méretének a mag magasságához és tömegének számításához. Ez a finomítás azonban nem változtatja meg a nagyságrendet.

Ábra. 3. Az anyag reprezentációja a töltött részecskék szempontjából (balra) és a neutron szempontjából (jobbra)

A kapcsolat a szabad úthossz L. ütközés keresztmetszetű σ, és a koncentrációja N magok már részletesen tárgyalt az oldatban körülbelül foton ütközés. Ez egyszerűen írva: Lσn = 1. Ebben az esetben, az ütközés keresztmetszet - ez egyszerűen egy keresztmetszeti nézete a sejtmagba, σ = πR 2. koncentrációban kifejezve közötti távolság a magok, n = 1 / a 3. Behelyettesítve ezeket a kifejezéseket, választ kapunk értékeléséhez sugár kernel:

Az a interatomikus távolság a szilárd anyaghoz egyszerűen az atomok mérete, vagyis több angström. Pontosabb becsléshez a magok koncentrációját kiszámíthatjuk az anyag sűrűségén és a mag tömegén keresztül; alumínium esetén ez = 2,5 Å. Az L = 0,1 m-t figyelembe véve R ≈ 7 · 10 -15 m-t kapunk.

A talált érték megközelítőleg kétszerese az alumínium mag tényleges sugarának. Ez egy tökéletesen elfogadható pontosság egy ilyen egyszerű becslés nagyságrendben.

utószó

Ez a feladat bevezetheti a különböző történetek bemutatását arról, hogy a neutronok, vagy általánosabban az egyes elemi részecskék kölcsönhatásba lépnek az anyaggal. Itt korlátozzuk magunkat csak néhány legáltalánosabb vázlatra.

Először is azonnal meg kell mondanunk, hogy valódi kísérletben a magok méreteit teljesen más módszerekkel mérik. A legelterjedtebb módja a Rutherford klasszikus élményének továbbfejlesztett változata. a mag nagysága meghatározható azáltal, hogy a feltöltött részecskék szét vannak szórva. De van egy furcsa pillanat: kiderül, hogy a magnak többféle mérete is lehet: a proton sugar, az anyag sugara, a töltés sugara stb. Bizonyos esetekben például a neutron-halogén magok esetében ezek a dimenziók jelentősen eltérhetnek. Ezért a modern kísérleti fizika számos különböző módszert alkalmaz a dimenziók mérésére és a magok szerkezetének tanulmányozására (lásd a bevezetésünket a fizika területén a híreinkben.) Az optikai tanulmányok segítik a magok neutronhalogénnel történő tanulmányozását.

Ábra. 4. Az elektron és a neutron eltolódása az anyagban nagyon különbözik a kölcsönhatások eltérő jellegétől függően

Továbbá miért használtak neutronokat, és nem elektronokat vagy protonokat? Részben a válasz egyértelmű a megoldásból. A feltöltött részecskék, valamint a fotonok nemcsak az atomok elektronikus héjairól érzik magukat, és nem annyira magok, ezért mozgásukat a mag magasságának mérésére nehézségekbe ütköznek. De van egy másik szempont. A neutronok magokkal való kölcsönhatása rövid hatótávolságú; Csak abban az esetben fordul elő, ha a neutron megközelíti a magot a nukleáris méret nagyságának távolságától. Ezért az anyag neutron-pályája egy törött vonal, jól definiált törési pontokkal és egyenes szakaszokkal (4. De a hosszú távú elektromágneses interakció miatt a töltött részecskék pályája folyamatosan eltérül oldalról oldalra, de az igazság, kis szögben. Ezenkívül ez az interakció az anyag ionizációjához vezet (új elektronok kiüresedése) és a fotonok kibocsátásához. Ennek eredményeként az anyagban töltött részecskék egyszerűen nem rendelkeznek egy jól definiált átlagos szabad úton. Az itt felmerülő jelenségekről bővebben lásd az anyaggal kapcsolatos részecskék interakciójának online tanfolyamát.

Ebben a feladatban az egyszerűség kedvéért, hogy a szórási keresztmetszete neutronok az atommagban egy tisztán geometriai: ütközés történik, ha a pályáját a neutron esik szigorúan a sejtmagban. Valójában a kvantum törvények által leírt mikrokozmoszban a helyzet nagyon különbözik ettől a feltevéstől. Ráadásul ez a különbség erősen függ a neutronenergiától (5. Így, energiák körülbelül 1 MeV, szórási keresztmetszete tipikusan néhány istállókban (1 b = 10 -24 cm 2 a mi probléma szekcionált fordult körülbelül 0,5 b). A termikus neutronok (energia körülbelül 0,025 eV) neutron befogási keresztmetszet több ezerszer (!) Barn, azaz több nagyságrenddel nagyobb, mint a geometriai mérete a mag (lásd. Periódusos neutron befogási keresztmetszet). Vannak még az orvosi technológiák, amelyek használják ezt a funkciót atomfizika, például a bór-neutron befogási terápia kezelni a nehéz rákfajta. A közbülső energiarégióban pedig megfigyelhetõ a metszet éles és keskeny foka, amelyek a mag komplex struktúrája miatt merülnek fel.

Ábra. 5. Az urán, a plutónium és a tórium izotópjainak neutronenergiájára gyakorolt ​​neutron befogásának keresztmetszete. Kép intechopen.com

Itt állnak hideg neutronok. Köszönhetően alacsony sebességű és nagy hullámhosszú, úgy érzik, nem egyedi magok és a nagy csapat azonnal (lásd. Hideg híreket nyitányt sugárzásokkal bevezetése nélkül zavarok). Emiatt, eléggé alacsony sebességgel, általában együttesen tükrözik az anyagot; az anyagot, mintha ilyen neutronokat tolná el. Ez lehetővé teszi, hogy a szó szoros értelmében tartani ultrahideg neutronok az „fém üveg” és magukkal különböző kísérletekben (lásd. Pl hírek Neutron élettartam mérések különböző módszerekkel, még mindig hadilábon és neutronok a gravitációs mező a Föld lehetővé teszi, hogy teszteljék modellek a sötét energia és a sötét anyag és a csapda semleges problémája).

Ábra. 6. A turbinabőrön belüli hűtőcsatornák képe, neutron röntgen segítségével. Kép a ne.ncsu.edu-ból

Végül, a neutronok számtalan lehetőséget kínálnak nem csak az alapvető fizika számára. hanem az alkalmazott kutatásra is. Nem is próbálta felsorolni az összes alkalmazási területeken, egyszerűen beszélve az ipari diagnosztikai eszközök, amibe nem zaglyanesh más módszerekkel (6.), Az anyagtudomány, az orvosi tudomány, valamint a farmakológia, geofizika. Mindezek az alkalmazások az utóbbiak egyik vagy másik módján alapulnak az anyag neutronjainak nagy átható képességével.