nuCleul atomiC: CaraCteristiCile FiziCe şi struCtura Descoperirea electronului de către J.J. Thomson în 1897 a spulberat mitul despre indivizibilitatea atomului. În 1911, E. Rutherford a descoperit nucleul atomic. Problema indi vizibilităţii nucleului devenise una stringentă: este acesta un tot întreg, fără structură internă sau reprezintă un sistem com pus din parti cule separate? Să analizăm mărimile fizice ce caracterizează nucleul: sarcina electrică, masa și raza lui. Cunoașteţi deja (tema 6.2) că nucleul ato mului este încărcat cu sarcină electrică pozitivă. Ea este egală cu produsul dintre numărul de ordine Z al elemen tului în tabelul periodic al elementelor chimice și sarcina electrică elementară e: Qnucl = +Ze. (7.1) Z este numit număr atomic (uneori și număr de sarcină). Justeţea acestei relaţii a fost confirmată convingător în 1913 de către fizicianul englez Henry Gwin Jeffreys Moseley (1887–1915). El bombarda substanţa cercetată cu un fascicul de electroni acceleraţi până la viteze destul de mari, astfel încât aceștia să pătrundă în interiorul atomului până aproape de nucleul lui. În urma ciocnirilor cu electronii din vecinătatea nucleului, din atomi erau eliminaţi electronii de pe nivelurile energetice inferioare. Trecerea ulterioară a electronilor de pe nivelurile superioare pe cele inferioare, rămase libere, era însoţită de emisia radiaţiei electromagnetice, a cărei frecvenţă depinde de sarcina electrică a
nucleului. Moseley a stabilit relaţia dintre frecvenţă și numărul atomic, cunoscută ca legea lui Moseley. În baza ei a fost confirmată relaţia (7.1), stabilindu-se sensul fizic al numărului de ordine Z al elementului în sistemul periodic. S-a constatat că Z este numărul de sarcini elemen tare ce formează sarcina nucleului. Din cauza prezenţei învelișurilor electronice, masele nucleelor nu pot fi determinate nemijlocit. De aceea se stabilesc experimental masele ionilor, iar apoi se calculează masele nucleelor, ţinând seama de numerele de electroni din ionii respectivi. Pentru a determina masele ionilor, se utilizează, de obicei, spectrografele de masă (principiul funcţionării lor a fost expus în capitolul 1, tema 1.4). Masele nucleelor se exprimă în unităţi atomice de masă (u), ca și masele atomilor și ale moleculelor. Această unitate este definită ca 1/12 din masa atomului de carbon (ulterior definiţia va fi precizată). Relaţia dintre unitatea atomică de masă și kilogram – unitatea fundamentală pentru masă în SI – este: 1 u = 1,66005656·10–27 kg. În calcule se utilizează valoarea aproximativă 1 u = 1,66·10–27 kg. Numărul întreg apropiat de valoarea numerică a masei nucleului exprimată în unităţi atomice de masă se numeşte număr de masă (A). Conform definiţiei, numărul de masă este adimen sional, iar masa atomului – egală cu Au. Diametrul nucleului atomic a fost estimat de către Rutherford în baza datelor obţinute la studierea îm prăștierii particulelor α (tema 6.2). Ruther ford a sta bi lit că razele nucleelor sunt de ordinul 10–15–10–14 m.
Capitolul 7
103
Între raza nucleului și numărul lui de masă există o relaţie simplă. Dacă se consideră densitatea mate riei nucleare constantă, atunci volumul nucleului este proporţional cu masa lui: V ~ m. Volumul , unde R este raza nucleului, considerat de formă sferică. Masa lui este direct proporţională cu numărul de masă A, adică m ~ A. Prin urmare, deci R ~ A1/3. Trecând la egalitate, avem: R = aA1/3. (7.2) Parametrul a are valori în intervalul (1,2 –1,4)·10–15 m. Să estimăm și densitatea materiei nucleare. Masa nucleului este egală cu A u, volumul lui cu Pentru densitate obţinem Efectuând calculele, avem ρnucl ≈ 2·1017 kg/m3. Aceasta este o valoare destul de mare. Pentru masa 1 cm3 de materie nucleară obţinem valoarea: 2·1017 kg/m3·10–6 m3 = 2·1011 kg = 2·108 tone! În anii 1910–1911, savantul englez Frederick Soddy (1877–1956) a stabilit că nu toţi atomii elementului chimic dat au mase egale. Ulterior ei au primit denu mi rea comună de izotopi (gr. isos „egal, la fel” + topos „loc”). Izotopii sunt atomii aceluiaşi element chimic, au acelaşi număr atomic Z, dar nucleele lor au mase diferite, adică numerele de masă A sunt dife rite. Proprie tăţile chimice ale izotopilor sunt aproxi mativ aceleaşi, ceea ce demonstrează că şi învelişurile lor electronice sunt la fel. Ca rezultat, toţi izotopii unui element ocupă în tabelul periodic al elemente lor chimice acelaşi loc. Pentru a deosebi izotopii între ei, simbolul chimic X al elementului respectiv este însoţit de doi indici, plasaţi în stânga: jos – numărul atomic Z, sus – numărul de masă A, adică simbolul izotopului are forma . Din numărul elementelor cu cei mai mulţi izotopi fac parte uraniul, mercurul, stronţiul, staniul, carbonul etc. De exemplu, izotopii carbonului sunt: . În amestecu rile de izotopi existente în natură izotopul constituie 98,9%, izotopul – doar 1,1%, procentul celorlalţi izotopi fiind nesemnificativ. În definiţia unităţii atomice de masă se are în vedere izotopul . Descoperirea izotopilor a demonstrat că nucleele nu mai sunt indivizibile, ele au o anumită structură
interioară. Pentru a o stabili, era necesar să fie identificate particulele ce fac parte din componenţa nucleului. Prima particulă a fost descoperită în anul 1919 de către Rutherford. Schema instalaţiei utilizate este pre zentată în figura 7.1. În interiorul unui spaţiu ermetic (1) se află o sursă (2) de particule α. Este necesar de subliniat că particulele α sunt nuclee ale izoto pului de heliu În calea particulelor α este plasat un ecran transparent (3), partea din faţă a lui fiind acoperită cu un strat de substanţă fluorescentă. La incidenţa particulelor α pe acest strat, în locurile respective apar spoturi luminoase, observate prin tubul microscopic (4). Mânerul (5) permite apropierea sau îndepărtarea sursei (2) de ecran (3). Prin tubu rile (6, 7) dotate cu robinete gazul din spaţiul respectiv poate fi evacuat și înlocuit cu altul. În tim pul experienţei presiunea diferitor gaze era constantă. Rutherford a constatat că în cazul în care spaţiul conţinea oxigen spoturile luminoase de pe ecranul fluorescent (3) dispăreau, dacă distanţa dintre sursă (2) și ecran era mărită până la o anumită valoare minimă. Situaţia rămânea aceeași la înlocuirea oxigenu lui cu dioxidul de carbon. În aceste cazuri, particulele α în mișcarea lor se ciocneau cu mole culele acestor gaze, produceau ionizarea lor, pierdeau multă energie și nu ajun geau la ecran. O altă situaţie se observa atunci când spaţiul conţinea aer sau azot. La aceeași distanţă dintre sursă și ecran pe acesta apăreau uneori spoturi luminoase. Apariţia lor poate fi explicată numai prin faptul că particulele α, ciocnind nucleele de azot, eliminau (dezbăteau) din ele o particulă masivă, care lovind stratul fluorescent al ecranului producea spoturi luminoase. Cercetările detaliate ale influenţei câmpurilor electrice și magnetice asupra mișcării particulelor provenite din atomii de azot au demonstrat că masa lor este egală cu masa celui mai ușor izotop al hidrogenului iar sarcina electrică este pozitivă și egală cu sarcina elementară. Aceste particule – nucleele izotopului – au fost numite protoni.
Fig. 7.1
104
Experienţa a fost repetată și cu alte substanţe – bor, fluor, sodiu, aluminiu, neon etc. Rutherford a stabi lit că în toate aceste cazuri particulele α dezbat din nucleele respective protoni. Astfel, s-a ajuns la con clu zia că protonii sunt particule ce fac parte din componenţa nucleelor. Protonii se notează cu litera p. Măsurătorile de mare precizie au stabilit că masa protonului mp = 1,6726231·10–27 kg = 1,007276470 u și sarcina electrică qp = +e = +1,60217733·10–19 C. Proto nul este nucleul cu Z = 1 și A = 1. Simbolul său, conform regulii adoptate, este Masa protonului este de 1836 de ori mai mare decât masa electronului: mp = 1836 me. Numărul de masă al electronului este deci egal cu zero, sarcina electrică fiind –e. Pentru electron se folosește simbo lul În experimentul în care a fost descoperit protonul, Rutherford a realizat prima reacţie nucleară artificială. Ţinând cont de faptul că particula α este izotopul reacţia respectivă este: (7.3) Astfel, Rutherford a realizat transformarea azotu lui în oxigen. Conștientizând faptul că prin existenţa numai a protonilor nu poate fi explicată diversitatea izotopilor în natură, Rutherford a admis existenţa încă a unei particule, neutre, ce face parte din componenţa nucleului (a. 1920). Descoperirea acesteia a durat 12 ani. Primul pas a fost făcut în anul 1930 de către fizicianul german Walter Bothe (1891–1957) împreună cu cola bora torul său H. Becker. Bombardând beriliul cu particule α, ei au înregistrat apariţia unor particule, de natură necunoscută, cu o putere de penetraţie mare. În anul 1932, savanţii francezi, soţii Irène (1897–1956) și Frederick Jean Joliot-Curie (1900–1958) au orientat radiaţia necunoscută asupra unui strat de parafină. S-a constatat că radiaţia necunoscută dezbate protoni din parafină. Pasul decisiv a fost făcut în același an, 1932, de către fizicianul englez James Chadwick (1891–1974).
El a stabilit că particulele emise de beriliu, ca rezultat al bombardării cu particule α, sunt particule neutre a căror masă este egală aproximativ cu masa pro tonului. Acestea au fost denumite neutroni și se notează cu n. În urma unor măsurări de precizie înaltă s-a stabilit că masa neutronului mn = 1,6749286·10–27 kg = = 1,008664902 u ≈ 1838 me. Masa neutronului este cu circa 0,15% mai mare decât masa protonului. Numărul de masă al neutronului este egal cu 1, iar cel de sarcină – cu 0. De aceea neutronul are simbolul De menţionat că neutronul în stare liberă este nestabil și are durata medie de viaţă de circa 15 min. El este stabil doar în componenţa nucleelor atomice. Astfel, au fost identificate particulele constituente ale nucleului atomic: protonul şi neutronul Ele poartă un nume comun – nucleoni. După descoperirea neutronului, în anul 1932, fizicianul german Werner Carl Heisenberg (1901–1976) și cel rus Dmitri Ivanenko (1904–1994), în mod indepen dent, au propus modelul protono-neutronic al nucleu lui. Conform acestuia, nucleul atomului este compus din protoni și neutroni. Fiecare din ei are numărul de masă egal cu 1, deci numărul total al lor (numărul de nucleoni) este egal cu numărul de masă A. Numă rul de protoni este egal cu numărul atomic Z de sarcini elementare ale nucleului, iar restul de nucleoni N = A – Z sunt neutroni. Prin urmare, nucleul elemen tului chimic este compus din A nucleoni, dintre care Z sunt protoni şi N = A – Z sunt neutroni. Modelul protono-neutronic al nucleului permite a explica existenţa izotopilor, care au numere atomice Z egale, dar numere de masă A diferite. Drept concluzie, nucleele respective conţin numere egale de protoni, însă numere diferite de neutroni. Astfel, cercetările efectuate de diverși fizicieni pe parcursul a circa 20 de ani au permis stabilirea modelului nu numai al atomului, ci și al nucleului său.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Ce caracteristică fizică a nucleului este determinată de numărul atomic al elementului chimic? 2. Cum se defineşte numărul de masă al nucleului atomic? 3. Ce reprezintă izotopii unui element chimic? 4. Care din numerele ce caracterizează nucleul atomic
este acelaşi pentru toţi izotopii unui element chimic? Dar car
nucleului. Moseley a stabilit relaţia dintre frecvenţă și numărul atomic, cunoscută ca legea lui Moseley. În baza ei a fost confirmată relaţia (7.1), stabilindu-se sensul fizic al numărului de ordine Z al elementului în sistemul periodic. S-a constatat că Z este numărul de sarcini elemen tare ce formează sarcina nucleului. Din cauza prezenţei învelișurilor electronice, masele nucleelor nu pot fi determinate nemijlocit. De aceea se stabilesc experimental masele ionilor, iar apoi se calculează masele nucleelor, ţinând seama de numerele de electroni din ionii respectivi. Pentru a determina masele ionilor, se utilizează, de obicei, spectrografele de masă (principiul funcţionării lor a fost expus în capitolul 1, tema 1.4). Masele nucleelor se exprimă în unităţi atomice de masă (u), ca și masele atomilor și ale moleculelor. Această unitate este definită ca 1/12 din masa atomului de carbon (ulterior definiţia va fi precizată). Relaţia dintre unitatea atomică de masă și kilogram – unitatea fundamentală pentru masă în SI – este: 1 u = 1,66005656·10–27 kg. În calcule se utilizează valoarea aproximativă 1 u = 1,66·10–27 kg. Numărul întreg apropiat de valoarea numerică a masei nucleului exprimată în unităţi atomice de masă se numeşte număr de masă (A). Conform definiţiei, numărul de masă este adimen sional, iar masa atomului – egală cu Au. Diametrul nucleului atomic a fost estimat de către Rutherford în baza datelor obţinute la studierea îm prăștierii particulelor α (tema 6.2). Ruther ford a sta bi lit că razele nucleelor sunt de ordinul 10–15–10–14 m.
Capitolul 7
103
Între raza nucleului și numărul lui de masă există o relaţie simplă. Dacă se consideră densitatea mate riei nucleare constantă, atunci volumul nucleului este proporţional cu masa lui: V ~ m. Volumul , unde R este raza nucleului, considerat de formă sferică. Masa lui este direct proporţională cu numărul de masă A, adică m ~ A. Prin urmare, deci R ~ A1/3. Trecând la egalitate, avem: R = aA1/3. (7.2) Parametrul a are valori în intervalul (1,2 –1,4)·10–15 m. Să estimăm și densitatea materiei nucleare. Masa nucleului este egală cu A u, volumul lui cu Pentru densitate obţinem Efectuând calculele, avem ρnucl ≈ 2·1017 kg/m3. Aceasta este o valoare destul de mare. Pentru masa 1 cm3 de materie nucleară obţinem valoarea: 2·1017 kg/m3·10–6 m3 = 2·1011 kg = 2·108 tone! În anii 1910–1911, savantul englez Frederick Soddy (1877–1956) a stabilit că nu toţi atomii elementului chimic dat au mase egale. Ulterior ei au primit denu mi rea comună de izotopi (gr. isos „egal, la fel” + topos „loc”). Izotopii sunt atomii aceluiaşi element chimic, au acelaşi număr atomic Z, dar nucleele lor au mase diferite, adică numerele de masă A sunt dife rite. Proprie tăţile chimice ale izotopilor sunt aproxi mativ aceleaşi, ceea ce demonstrează că şi învelişurile lor electronice sunt la fel. Ca rezultat, toţi izotopii unui element ocupă în tabelul periodic al elemente lor chimice acelaşi loc. Pentru a deosebi izotopii între ei, simbolul chimic X al elementului respectiv este însoţit de doi indici, plasaţi în stânga: jos – numărul atomic Z, sus – numărul de masă A, adică simbolul izotopului are forma . Din numărul elementelor cu cei mai mulţi izotopi fac parte uraniul, mercurul, stronţiul, staniul, carbonul etc. De exemplu, izotopii carbonului sunt: . În amestecu rile de izotopi existente în natură izotopul constituie 98,9%, izotopul – doar 1,1%, procentul celorlalţi izotopi fiind nesemnificativ. În definiţia unităţii atomice de masă se are în vedere izotopul . Descoperirea izotopilor a demonstrat că nucleele nu mai sunt indivizibile, ele au o anumită structură
interioară. Pentru a o stabili, era necesar să fie identificate particulele ce fac parte din componenţa nucleului. Prima particulă a fost descoperită în anul 1919 de către Rutherford. Schema instalaţiei utilizate este pre zentată în figura 7.1. În interiorul unui spaţiu ermetic (1) se află o sursă (2) de particule α. Este necesar de subliniat că particulele α sunt nuclee ale izoto pului de heliu În calea particulelor α este plasat un ecran transparent (3), partea din faţă a lui fiind acoperită cu un strat de substanţă fluorescentă. La incidenţa particulelor α pe acest strat, în locurile respective apar spoturi luminoase, observate prin tubul microscopic (4). Mânerul (5) permite apropierea sau îndepărtarea sursei (2) de ecran (3). Prin tubu rile (6, 7) dotate cu robinete gazul din spaţiul respectiv poate fi evacuat și înlocuit cu altul. În tim pul experienţei presiunea diferitor gaze era constantă. Rutherford a constatat că în cazul în care spaţiul conţinea oxigen spoturile luminoase de pe ecranul fluorescent (3) dispăreau, dacă distanţa dintre sursă (2) și ecran era mărită până la o anumită valoare minimă. Situaţia rămânea aceeași la înlocuirea oxigenu lui cu dioxidul de carbon. În aceste cazuri, particulele α în mișcarea lor se ciocneau cu mole culele acestor gaze, produceau ionizarea lor, pierdeau multă energie și nu ajun geau la ecran. O altă situaţie se observa atunci când spaţiul conţinea aer sau azot. La aceeași distanţă dintre sursă și ecran pe acesta apăreau uneori spoturi luminoase. Apariţia lor poate fi explicată numai prin faptul că particulele α, ciocnind nucleele de azot, eliminau (dezbăteau) din ele o particulă masivă, care lovind stratul fluorescent al ecranului producea spoturi luminoase. Cercetările detaliate ale influenţei câmpurilor electrice și magnetice asupra mișcării particulelor provenite din atomii de azot au demonstrat că masa lor este egală cu masa celui mai ușor izotop al hidrogenului iar sarcina electrică este pozitivă și egală cu sarcina elementară. Aceste particule – nucleele izotopului – au fost numite protoni.
Fig. 7.1
104
Experienţa a fost repetată și cu alte substanţe – bor, fluor, sodiu, aluminiu, neon etc. Rutherford a stabi lit că în toate aceste cazuri particulele α dezbat din nucleele respective protoni. Astfel, s-a ajuns la con clu zia că protonii sunt particule ce fac parte din componenţa nucleelor. Protonii se notează cu litera p. Măsurătorile de mare precizie au stabilit că masa protonului mp = 1,6726231·10–27 kg = 1,007276470 u și sarcina electrică qp = +e = +1,60217733·10–19 C. Proto nul este nucleul cu Z = 1 și A = 1. Simbolul său, conform regulii adoptate, este Masa protonului este de 1836 de ori mai mare decât masa electronului: mp = 1836 me. Numărul de masă al electronului este deci egal cu zero, sarcina electrică fiind –e. Pentru electron se folosește simbo lul În experimentul în care a fost descoperit protonul, Rutherford a realizat prima reacţie nucleară artificială. Ţinând cont de faptul că particula α este izotopul reacţia respectivă este: (7.3) Astfel, Rutherford a realizat transformarea azotu lui în oxigen. Conștientizând faptul că prin existenţa numai a protonilor nu poate fi explicată diversitatea izotopilor în natură, Rutherford a admis existenţa încă a unei particule, neutre, ce face parte din componenţa nucleului (a. 1920). Descoperirea acesteia a durat 12 ani. Primul pas a fost făcut în anul 1930 de către fizicianul german Walter Bothe (1891–1957) împreună cu cola bora torul său H. Becker. Bombardând beriliul cu particule α, ei au înregistrat apariţia unor particule, de natură necunoscută, cu o putere de penetraţie mare. În anul 1932, savanţii francezi, soţii Irène (1897–1956) și Frederick Jean Joliot-Curie (1900–1958) au orientat radiaţia necunoscută asupra unui strat de parafină. S-a constatat că radiaţia necunoscută dezbate protoni din parafină. Pasul decisiv a fost făcut în același an, 1932, de către fizicianul englez James Chadwick (1891–1974).
El a stabilit că particulele emise de beriliu, ca rezultat al bombardării cu particule α, sunt particule neutre a căror masă este egală aproximativ cu masa pro tonului. Acestea au fost denumite neutroni și se notează cu n. În urma unor măsurări de precizie înaltă s-a stabilit că masa neutronului mn = 1,6749286·10–27 kg = = 1,008664902 u ≈ 1838 me. Masa neutronului este cu circa 0,15% mai mare decât masa protonului. Numărul de masă al neutronului este egal cu 1, iar cel de sarcină – cu 0. De aceea neutronul are simbolul De menţionat că neutronul în stare liberă este nestabil și are durata medie de viaţă de circa 15 min. El este stabil doar în componenţa nucleelor atomice. Astfel, au fost identificate particulele constituente ale nucleului atomic: protonul şi neutronul Ele poartă un nume comun – nucleoni. După descoperirea neutronului, în anul 1932, fizicianul german Werner Carl Heisenberg (1901–1976) și cel rus Dmitri Ivanenko (1904–1994), în mod indepen dent, au propus modelul protono-neutronic al nucleu lui. Conform acestuia, nucleul atomului este compus din protoni și neutroni. Fiecare din ei are numărul de masă egal cu 1, deci numărul total al lor (numărul de nucleoni) este egal cu numărul de masă A. Numă rul de protoni este egal cu numărul atomic Z de sarcini elementare ale nucleului, iar restul de nucleoni N = A – Z sunt neutroni. Prin urmare, nucleul elemen tului chimic este compus din A nucleoni, dintre care Z sunt protoni şi N = A – Z sunt neutroni. Modelul protono-neutronic al nucleului permite a explica existenţa izotopilor, care au numere atomice Z egale, dar numere de masă A diferite. Drept concluzie, nucleele respective conţin numere egale de protoni, însă numere diferite de neutroni. Astfel, cercetările efectuate de diverși fizicieni pe parcursul a circa 20 de ani au permis stabilirea modelului nu numai al atomului, ci și al nucleului său.
Verificaţi-vă cunoştinţele 1. Ce caracteristică fizică a nucleului este determinată de numărul atomic al elementului chimic? 2. Cum se defineşte numărul de masă al nucleului atomic? 3. Ce reprezintă izotopii unui element chimic? 4. Care din numerele ce caracterizează nucleul atomic
este acelaşi pentru toţi izotopii unui element chimic? Dar car
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu