Владан Б. Лазић Професор физике

ФИЗИКА ЗА

8. РАЗРЕД

СТРУКТУРА АТОМА

кратко и врло фино за читање

Београд, августа 2006. године

2

Садржај:

Модели структуре атома

Нуклеарне силе

Радиоактивност

Фисија. Фузија

Примена нуклеарне енергије

Додатак

Галерија ликова

3

Модели структуре атома Као што је познато, из хемије, атом се састоји из два дела: језгра (нуклеус) и електронског омотача. У језгру атома се налазе мање честице које се називају протони и неутрони (једним именом нуклеони), а у омотачу се налазе електрони. Протон (ознаке p, p+, +) има количину наелектрисања од 1,6 x 10-19 C (С – Кулон, јединица за количину наелектрисања) и наелектрисан је позитивно, a маса му је 1,67 x 10-27 kg Неутрон (n, no, ) није наелектрисан, а масе је 1,67 x 10-27 kg, а пречника је око 10-13 cm. (Открио га је Британски физичар Sir James Chadwick 1932. године). Електрон (e -, -) је наелектрисан количином наелектрисања од -1,6 x 10-19 C, значи негативно, а има масу од 9,1 x 10-31 kg. Количина наелектрисања од е = 1,6 x 10-19 C се назива елементарна или основна количина наелектрисања, јер мање нема. Наелектрисање језгра се ирачунава , где је q - количина наелектрисања, p - број наелектрисаних честица, e - основна количина наелектрисања.

epq ⋅=

4

Атоми се могу спајати у веће целине зване молекул (Физика за 6. разред). А могу се од њих стварати и јони – додавањем или одузимањем електрона. Тај процес се назива јонизација. Е сад, ако се уклоне сви електрони из атома онда остаје само језгро. Таква супстанција која се састоји само од језгара назива се плазма (четврто агрегатно стање, јонизовани гас). Надаље ће бити речи само о таквој врсти супстанције. Што се тиче величине језгара она су у пречнику величине до 10-15 m. Aтом је величине 10 -10 m. У хемији се користе хемијске ознаке елемената – према периодном систему елемената. Исте такве ознаке ћемо користити и за језгра. Z X A где Z – представља редни (атомски) број, који показује колико има протона у том језгру. А – представља масени број, који показује колико има нуклеона (укупан број протона и неутрона) у језгру. X – хемијска ознака језгра (која се не разликује од хемијске ознаке елемента или атома). Постоје језгра која имају исти редни број, али им се масени број разликује. Таква језгра се називају изотопи.

Нуклеарне силе Између протона у језгру делују одбојне електричне силе. Поставља се питање зашто се језгро не распадне услед деловања тих сила. Очигледно је да унутар језгра делује сила која мора бити много јача од горе поменуте електричне силе. И мора деловати привлачно да би језгро опстало као целина. Унутар језгра делује нуклеарна сила између било која два нуклеона (p-p, p-n, n-n). Ова сила делује само унутар језгра. Спада у групу тзв. Сила јаких интеракција (интеракција је узајамно деловање – физика за 6. разред), и једна је од најјачих сила у природи. Делује на растојањима до 2 . 10-15 m (таман су толика и језгра).

Радиоактивност Радиоактивност (радиоактивно зрачење, зрачење) је емитовање (избацивање, излажење) честице из језгра. Једначина зрачења се може написати као: ZXA → Z1YA1 + Z2Č

A2 ; где су

ZXA – почетно језгро, Z1YA1 – новонастало језгро, Z2Č A2 – честица која је емитована из језгра

За све врсте зрачења морају важити два закона:

1. Закон одржања броја честица, који гласи: Укупан број честица се не мења. (или: Укупан број честица је увек исти, Број честица пре и после реакције се не мења). Овај закон се односи на масени број А. На пример, за претходну једначину важи А=А1+А2

5

2. Закон одржања количине наелектрисања (или Закон одржања броја наелектрисаних честица), који гласи: Укупна количина наелектрисања је увек иста. (или: Укупан број наелектрисаних честица се не мења). Овај закон се односи на редни број Z. Такође, за претходну једначину важи Z=Z1+Z2

Постоје три врсте зрачења: 1. α зрачење је емитовање α честице из језгра. α честица је језгро хелијума

ZXA → Z-2YA-4 + 2He 4

Ово зрачење могу да врше само тзв. тешка језгра, тј. језгра чији је редни број већи од 82.

2. β- зрачење је емитовање β- честице из језгра. β- честица је електрон

ZXA → Z+1YA + -1 е- 0 -1 је зато јер је електрон наелектрисан негативно, а 0 јер се електрон не налази у језгру. Поставља се итање одакле тај електрон у језгру па излази из њега. У самом језгру долази до трансформације 0n1 → 1p1 + -1e-0

3. β+ зрачење је емитовање β+ честице из језгра. β+ честица је позитрон (зове се и

антиелектрон). То је честица која има исте особине као и електрон – масу, величину али је наелектрисана позитивно.

ZXA → Z-1YA + 1 е+ 0 Унутар језгра је дошло до трансформације 1p1 → 0n1 + 1e+0

6

4. γ зрачење је емитовање енергије из језгра. ZXA → ZXA + Е, при чему се језгро не

мења већ само отпушта вишак енергије.

За свако од ових наведених зполураспада). То је време поВреме полураспада има и вегодина) и мале вредности (нврсте радиоактивних језгара

рачења битно је навести тзв. време полураспада (период требно да се број радиоактивних језгара смањи на половину. лике вредности (нпр. за језгро 88Ra226 1600 година, 27Co59 5 пр. за језгро 86Rd222 4 дана, 11Na24 15 сати), што све зависи од .

7

Фисија. Фузија Фисија је процес цепања (дељења, раздвајања) једног језгра на два језгра. Та новонастала језгра (Y1, Y2) имају приближно једнаке редне и масене бројеве.

ZXA →2Z

≈ Y1 2A

≈ + 2Z

≈ Y2 2A

≈ + Е Приликом овог процеса ослобађа се енергија Е која се назива фисиона енергија

Фузија је процес спајања два језгра у једно језгро.

→ →Овакав начин деобе језгара се назива Модел течне капи, јер се језгро издужује и дели.

ZX1

A + ZX2A → ZYA + Е

Приликом и овог процеса ослобађа се енергија звана фузиона енергија. И да би се уопште помињана језгра спојила морају се наћи на растојању на коме делује нуклеарна сила (10-15m). Да би се то остварило потребан је огроман притисак и велика температура.

8

Примена нуклеарне енергије Под нуклеарном енергијом се наивају све врсте зрачења, фисија и фузија. Особине зрачења

Брзина честица - зрака Домет Заштита од зрачења

α зрачење 20 000 km/s 10 m Лист папира

β зрачење 200 000 km/s 100 m Алуминијумска, бакарна фолија, стакло,

пластика γ

зрачење 300 000 km/s Није ограничен Олово дебљине најмање 1 m

Домет је највеће растојање које пређе честица. Дејство α и β зрачења на човека се огледа у томе што изазивају промене и оштећења ћелија. Такође долази до јаких опекотина на кожи. γ зрачење уништава ћелије слезине и коштане сржи. α и β зрачење се користи у медицини као терапија у лечењу рака, γ зрачење се користи у грађевинарству – слично као рентген за кости – унутрашњост конструкција. Фисија се користи у нуклеарним електранама. У њима се одвија ланчана реакција, и то у делу званом реактор.

9

Додатак За почетак ево нешто о томе да постоје и мање честице од протона, неутрона и електрона. Те мање честице зову се кваркови.

Елементарне честице за које се сматра да су најмање честице материје класификоване су по маси, спину (ротацији) и количини наелектрисања. (Напомена: због њихових назива нисам их “крстио” по српском). HADRONS AND LEPTONS

Hadrons (nuclear particles)

Baryons (protons, neutrons, hyperons) Antibaryons Mesons (pions, kaons, ...)

Leptons (extra – nuclear particles) Electrons Neutrinos Muons PARTICLES THAT MEDIATE FORCES Photons Gravitons (вероватно да постоје али још нису Gluons Intermediate vector bosons

Quarks (вероватно 6 типова:up, down, strange, charm, bottom, top) Antiquarks

детектовани)

10

Изотопи угљеника и њихова примена Угљеник има три природна изотопа: 6C12, кога има 98,89 %. Служи за стандардну атомску масу. 6C13 је само магнетни изотоп важан за структуру једињења која садрже угљеник. 6C14 (радиоугљеник) је произведен бомбардовањем азота. Период полураспада је 5.750 година. Заостала количина 6C14 у предметима из историје се може користити за утврђивање њихове старости. Сви живи оргамизми апсорбују радиоугљеник (6C14) чији је период полураспада 5.750 година. За то време организми стално попуњавају своје залихе радиоугљеника дисањем или једењем. Након смрти организма он постаје фосил, а 6C14 наставља се распад језгара без допуне. За мерење количине радиоактивног угљеника (радиокарбон) који је остао у фосилу научници мали део пребацују у гас угљен диоксид. Мерач радиоактивности се користи за детекцију електрона отпуштених распадом 6C14 при његовом враћању у азот. Количина 6C14 се упоређује

са количином 6C12 (стабилно језгро) за одређивање количине распаднутог 6C14 и тако се одређује старост фосила.

11

Унутрашњост Сунца Делови сунца су језгро (core), зона радијације (radiation zone), зона струјања (convection zone), и фотосфера (photosphere). Гасови у језгру су око 150 пута гушћи од воде и достижу температуру већу од 16 милиона 0C. Сунчева енергија се ствара у језгру помоћу нуклеарне фузије водоника у хелијум. У зони радијације, топлота пролази кроз гасове сличне густине као и вода. Зона радијације је хладнија од језгра и има око 2,5 милиона 0C. У зони струјања, вихорно струјање гасова преноси Сунчеву енергију напоље. Зона струјања је мало хладнија – око 2 милиона 0C, и има густину једне десетине густине воде. Фотосфера има температуру од око 5500 0C и много мање је густине од воде (око милионитог дела). Турбуленције (узбуркани ваздух) овог дела су видљиве са Земље као облици сунчевих пега, сунчевих пламенова, и малих праменова гасова званих зрна.

12

ГАЛЕРИЈА ЛИКОВА

Paul Dirac (Пол Дирак) (1902-1984), Британскии физичар. Добитник Нобелове награде 1933 за физику. Дао допринос квантне теорије и таласних особина електрона. (Заједно са Ервином Шредингером).

Ernest Rutherford (Ернест Радерфорд) (1871-1937)Британски физичар. Добитник Нобелове награде 1908 за хемију. Развио теорију структуре атома 1911.

Carl David Anderson (Карл Дејвид Андерсон) (1905-1991) Амерички физичар. Добитник Нобелове награде за физику 1936. Открио позитрон 1932.

Sir Joseph Thomson (Џозеф Томсон) (1856-1940) Британски физичар. Добитник Нобелове награде 1906 за физику. Открио електрон 1897. Сачинио структуру атома 1899.

13

Antoine Henri Becquerel (Антоан Хенри Бекерел) (1852-1908) Француски физичар. Добитник Нобелове награде за

физику 1903. Открио радиоактивност уранијума 1896.

Erwin Schrödinger (Ервин Шредингер) (1887-1961)Аустријски физичар. Добитник Нобелове награде за физику 1933, заједно са Полом Дираком(Paul Dirac). Формулисао теорију таласне механике и описао таласне особине електрона. Предложио модел атома 1925.

Otto Hahn (Ото Хан) (1879-1968), Немачки физизар и хемичар. Добитник Нобелове награде за хемију 1944. Заједно са Фрицом Штрасманом (Fritz Strassmann) отрио нуклеарну фисију 1938.

Sir James Chadwick (Џејмс Чедвик ) (1891-1974) Британски физичар добитник Нобелове награде за физику 1935. Открио је неутрон 1932. године

Niels Bohr [Bohr, Niels Henrik David] (1885-1962) Дански физичар. Добитник Нобелове награде за физику 1922. Предложио модел атома 1913.

Lise Meitner (Лиза Мајтнер) (1878-1968) Аустријско- Шведски физичар. Прва дефинисала нуклеарну фисију у којој се атоми неких елемената раздвајају и производе енергију и друге атоме.

14

Pierre Curie (Пјер Кири) (1859-1906) Француски хемичар. Добитник Нобелове награде за физику 1903, заједно са Маријом Кири (Marie Curie) и Хенријем Бекерелом (Henri Becquerel). Помогао и у откривању пиезоелектричног ефекта кристала.

Marie Curie (Марија Кири) (1867-1934) Пољско-Француски хемичар. Прва жена добитник Нобелове награде 1903, заједно са Пјером Киријем (Pierre Curie) и Хенријем Бекерелом (Henri Becquerel) за физику. 1911 добила Нобелову награду за хемију. Прва особа која је добила Нобелову награду два пута и то за различите науке. Увела је термин радиоактивност да би описала емисију из уранијума. Са својим мужем открила елемент полонијум и радијум 1898. Умрла је од претераног излагања радијацији од леукемије.

Frédéric Joliot-Curie (Фредерик Џолио Кири) (1900-1958) Француски физичар. Добитник Нобелове награде 1935 за хемију, заједно са Иреном Џолио Кири (Irène Joliot-Curie). Проучавао радиоактивне елементе.

Powsupermen

Irène Joliot-Curie (Ирена Џолио Кири) (1897-1956)Француски физичар. Добила Нобелову награду за хемију 1935 са Фредериком Џолио Кири (Frédéric Joliot-Curie). Проучавала радиоактивне елементе. Кћерка Марије Кири

ered by @drenik.net