ขนาดของนิวเคลียสของอะตอม• Igor Ivanov •ปัญหาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ในหัวข้อ "Elements" •ฟิสิกส์

ขนาดอะตอม

ทุกคนคงจำได้จากโรงเรียนว่าอะตอมและนิวเคลียสอะตอมนั้นมีขนาดเล็กมากจนไม่สามารถมองเห็นหรือสัมผัสได้ สิ่งนี้อาจทำให้รู้สึกว่าตั้งแต่มิติเหล่านี้เป็นของ microworld พวกเขาสามารถพิจารณาได้ด้วยความช่วยเหลือของการทดลองทางกายภาพที่ซับซ้อนมากเท่านั้น แต่นี่ไม่ใช่กรณี มีปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระนาบเล็ก ๆ น้อย ๆ และแม้แต่ในชีวิตประจำวันที่ทำให้เราสามารถประมาณมิติข้อมูลเหล่านี้ได้อย่างน้อยก็ตามลำดับความสำคัญ ในหนึ่งในปัญหาที่เราได้คิดหาวิธีประมาณขนาดของอะตอมขึ้นอยู่กับลักษณะทางอุณหพลศาสตร์ที่รู้จักกันของสาร ตอนนี้เราหันไปหานิวเคลียสอะตอม

นิวเคลียสของหลักสูตรนั้นยากที่จะศึกษามากกว่าอะตอมของตัวเอง ในการพัฒนาคุณสมบัติของสสารพวกมันมีบทบาทรองมากกว่า ทำให้อิเล็กตรอนอยู่รอบ ๆ ตัวเอง แต่นิวเคลียสตัวเองไม่ค่อยมีปฏิสัมพันธ์กันเอง เกิดขึ้นเนื่องจากมีขนาดเล็กมากมีอะตอมน้อยกว่าอะตอม (รูปที่ 1) ด้วยเหตุนี้การกำหนดขนาดของพวกเขาจึงยากกว่าขนาดของอะตอม

มะเดื่อ 1 นิวเคลียสอะตอมมีขนาดเล็กกว่าอะตอมของตัวเองมาก รูปภาพจาก en.wikipedia.org

อย่างไรก็ตามในปัญหานี้การประมาณขนาดของนิวเคลียสเราจะใช้เงื่อนงำเดียวกับที่ธรรมชาติให้เรา – ปรากฏการณ์กัมมันตภาพรังสี

เป็นที่ทราบกันดีว่าในระหว่างการเปลี่ยนแปลงนิวตรอนของนิวเคลียสนิวตรอนจะบินจากนิวเคลียส ไม่เหมือนโปรตอนหรืออิเล็กตรอนนิวตรอนจะไม่ถูกประจุด้วยไฟฟ้า ในเที่ยวบินของพวกเขาผ่านเรื่องพวกเขาในทางปฏิบัติไม่รู้สึกเปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม พวกเขาบินผ่านอะตอมหนึ่งหลังจากที่อื่นโดยไม่เบี่ยงเบนจากวิถีของพวกเขาจนกว่าพวกเขาจะปะทะกับหัวกับนิวเคลียสของสสารบางอย่าง เพื่อความเรียบง่ายเราจะสมมติว่านิวตรอนเร็วทุกตัวล่มในนิวเคลียสทำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ที่สำคัญบางอย่างนั่นคือการดูดซึมการกระเจิงแบบยืดหยุ่นหรือการเปลี่ยนแปลงภายในนิวเคลียส

ทัศนคติแบบ "ปีศาจ – อาจ – ดูแล" ของนิวตรอนกับปฏิกิริยาแม่เหล็กไฟฟ้านำไปสู่ความจริงที่ว่าฟลักซ์ของนิวตรอนมีพลังงานทะลุทะลุ (รูปที่ 2) เส้นทางที่ไม่มีการปล่อยนิวตรอนหมายถึง (ระยะห่างระหว่างเหตุการณ์การชนกันของแต่ละบุคคล) อาจมีขนาดค่อนข้างใหญ่ใหญ่กว่าอิเล็กตรอนหรือรังสีเอกซ์ สิ่งที่สำคัญที่สุดสำหรับเรานี่คือความยาวนี้ วัดโดยตรง ในการทดลองทางห้องปฏิบัติการที่ง่ายที่สุดในการคัดกรองฟลักซ์ของนิวตรอนโดยแผ่นที่มีความหนาต่างกันผลการทดลองมีดังต่อไปนี้สำหรับนิวตรอนเร็วที่มีพลังงานเท่ากับ 1 MeV เส้นทางที่ไม่มีค่าเฉลี่ยในสารที่เป็นของแข็งเช่นอลูมิเนียมประมาณ 10 เซนติเมตรมีขนาดมหภาคอย่างสมบูรณ์

มะเดื่อ 2 อัตราส่วนทั่วไประหว่างความลึกของการซึมผ่านของอัลฟาเบต้ารังสีแกมมาและนิวตรอนของพลังงานที่เทียบเท่ากัน โครงการจากเว็บไซต์ remnet.jp

งาน

ขึ้นอยู่กับตัวเลขข้างต้นและเหตุผล, โหวต ขนาดของนิวเคลียสอะตอมของอลูมิเนียม


เคล็ดลับ 1

วาดแผนผังของอะตอมหลาย ๆ ตัวกดให้ชิดกันและกันด้วยเปลือกหอยอิเล็กตรอน ทำเครื่องหมายนิวเคลียสของอะตอมภายในตัวพวกเขาอย่าลืมว่ามันมีขนาดเล็กมาก นิวตรอนไม่ให้ความสนใจกับเปลือกหอยอิเล็กตรอนดังนั้นพวกมันจึงเป็นเหมือนของแข็งและเหมือนก๊าซนิวทรัล ด้วยใจนี้ให้วาดวิถีโคจรของนิวตรอนโดยตรงและพยายามทำความเข้าใจว่าเส้นทางอิสระมีความสัมพันธ์กับขนาดของนิวเคลียสอย่างไร


เคล็ดลับ 2

ในความเป็นจริงแล้วสูตรสำหรับการเชื่อมโยงเส้นทางฟรีค่าเฉลี่ยกับพารามิเตอร์ของสื่อปรากฏอยู่ในการชนของปัญหาโฟตอน มีการพูดคุยเกี่ยวกับส่วนตัดขวางของโฟตอนที่กระเจิงซึ่งกันและกันและเป็นปริมาณที่เป็นนามธรรมตอนนี้ทุกสิ่งทุกอย่างง่ายกว่า: เราเชื่อว่าส่วนของการปะทุของการปะทุนิวตรอน – นิวเคลียร์จะเกิดขึ้นพร้อมกันกับส่วนที่เป็นรูปทรงเรขาคณิตของระบบ "แกน + นิวตรอน"


การตัดสิน

ในรูป 3 ในรูปแบบที่ง่ายมากจะแสดงเป็นสารที่เป็นของแข็งจากมุมมองของอนุภาคประจุหรือโฟตอนรวมทั้งจากมุมมองของนิวตรอน นิวตรอนเกือบจะ "ไม่เห็น" อิเล็กตรอนเพราะมันมีนิวเคลียสอะตอมเท่านั้น รัศมีของแกนที่เราแสดงด้วย Rและระยะทางระหว่างพวกเขาจะผ่าน . โปรดทราบว่า เป็นระยะทาง interatomic ทั่วไปมันมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของนิวเคลียส R. นิวตรอนเองเราสำหรับการประมาณการที่ง่ายที่สุดจะได้รับการพิจารณาจุด ถ้าต้องการการประมาณนี้สามารถปรับแต่งโดยการเชื่อมโยงขนาดของนิวตรอนกับขนาดของนิวเคลียสและจำนวนมวลของมัน อย่างไรก็ตามการประมาณตามลำดับความสำคัญนี้จะไม่มีการเปลี่ยนแปลง

มะเดื่อ 3 การเป็นตัวแทนแบบแผนของสสารจากมุมมองของอนุภาคประจุ (ด้านซ้าย) และในแง่ของนิวตรอน (ด้านขวา)

ความสัมพันธ์ระหว่างเส้นทางที่ไม่เสียค่าใช้จ่าย L, การชนกันข้ามส่วนσและความเข้มข้นของนิวเคลียส n กล่าวถึงรายละเอียดในการแก้ปัญหาการชนของโฟตอน มันถูกบันทึกไว้เพียง: Lσn = 1. ในกรณีของเราส่วนการปะทะกันเป็นเพียงส่วนตัดขวางของนิวเคลียส, σ = π R2, และความเข้มข้นจะถูกแสดงผ่านระยะห่างระหว่างแกน, n = 1/3. การแทนนิพจน์เหล่านี้เราจะได้คำตอบในการประมาณรัศมีหลัก:

Interatomic ระยะทาง – นี่เป็นของแข็งเพียงขนาดของอะตอมนั่นคือ angstroms น้อย สำหรับการประมาณค่าที่ถูกต้องมากขึ้นคุณสามารถคำนวณความเข้มข้นของนิวเคลียสในแง่ของความหนาแน่นของสารและมวลของนิวเคลียส สำหรับอลูมิเนียมจะให้ = 2.5 Å การ L = 0.1 เมตรเราได้รับ R ≈ 7·10−15 ม..

ค่าที่พบคือประมาณสองเท่าของรัศมีจริงของแกนอลูมิเนียม นี่เป็นความถูกต้องที่ยอมรับได้อย่างสมบูรณ์แบบสำหรับการประเมินขนาดอย่างง่าย


เล่ม

งานนี้สามารถใช้เป็นบทนำเกี่ยวกับความหลากหลายของเรื่องราวเกี่ยวกับการที่นิวตรอนหรือโดยส่วนมากอนุภาคมูลฐานแต่ละตัวมีปฏิสัมพันธ์กับสาร เราจะ จำกัด ตัวเองไว้ที่นี่เพียงไม่กี่ภาพร่างที่พบมากที่สุดเท่านั้น

ก่อนอื่นเราต้องบอกว่าในการทดลองจริงขนาดของนิวเคลียสไม่ได้วัดด้วยวิธีการดังกล่าวเลย วิธีที่ได้มาตรฐานที่สุดคือการปรับปรุงประสบการณ์ของ Rutherford แบบคลาสสิก: ขนาดของนิวเคลียสสามารถรับรู้ได้โดยอนุภาคที่มีประจุอยู่ในนั้น แต่มีจุดที่น่าสนใจคือ: ปรากฎว่าแกนกลางอาจมี ไม่กี่ ขนาดที่แตกต่างกันรัศมีโปรตอนรัศมีวัสดุรัศมีประจุ ฯลฯ ในบางกรณีเช่นนิวเคลียสที่มีรัศมีนิวตรอนขนาดเหล่านี้อาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญดังนั้นฟิสิกส์ทดลองสมัยใหม่จึงใช้วิธีการที่แตกต่างกันหลายวิธีในการวัดขนาดและศึกษาโครงสร้างของนิวเคลียส (ดูการแนะนำสาขาวิชาฟิสิกส์ในข่าวของเราการวิจัยทางออพติคอลช่วยในการศึกษานิวเคลียสด้วยรัศมีนิวตรอน)

มะเดื่อ 4 วิถีของอิเล็กตรอนและนิวตรอนในสารแตกต่างกันอย่างมากเนื่องจากลักษณะการปฏิสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน

นอกจากนี้ทำไมในปัญหานี้ใช้นิวตรอนไม่ใช่อิเล็กตรอนหรือโปรตอน? ส่วนหนึ่งของคำตอบนั้นชัดเจนจากโซลูชันแล้ว อนุภาคที่ชาร์จไฟเช่นเดียวกับโฟตอนรู้สึกไม่เพียง แต่ไม่มากเท่านิวเคลียสเป็นเปลือกของอะตอมของอิเล็กตรอนซึ่งหมายความว่าการใช้การเคลื่อนที่ของพวกเขาเพื่อวัดขนาดของนิวเคลียสเป็นเรื่องยาก แต่มีแง่มุมที่สอง ปฏิสัมพันธ์ของนิวตรอนกับนิวเคลียส ระยะสั้น; มันเกิดขึ้นเฉพาะในกรณีที่นิวตรอนเข้าสู่นิวเคลียสในระยะห่างของคำสั่งของขนาดนิวเคลียร์ ดังนั้นแนววิถีของนิวตรอนในสารคือเส้นแตกที่มีจุดแตกหักและส่วนตรง (รูปที่ 4) แต่วิถีโคจรของอนุภาคประจุไฟฟ้าเนื่องจากการปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าในระยะยาว นิจศีล เบี่ยงเบนไปจากทางด้านข้าง แต่อย่างไรก็ตามในมุมที่เล็ก นอกจากนี้การปฏิสัมพันธ์นี้จะนำไปสู่ไอออไนซ์ของสาร (การเคาะอิเล็กตรอนใหม่) และการปล่อยโฟตอน เป็นผลให้อนุภาคที่เรียกเก็บในสารก็ไม่ได้มีเส้นทางฟรีที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นที่นี่ให้ดูที่การโต้ตอบอนุภาคกับเนื้อหาแบบออนไลน์

เพื่อความเรียบง่ายเราได้พิจารณาในปัญหานี้ว่าการกระจายตัวของนิวตรอนในนิวเคลียสเป็นรูปทรงเรขาคณิต: การชนกันเกิดขึ้นหากวิถีของนิวตรอนตกอย่างเคร่งครัดในนิวเคลียส ในความเป็นจริงใน microworld ซึ่งอธิบายโดยกฎหมายควอนตัมสถานการณ์อาจแตกต่างอย่างมากจากสมมติฐานนี้ ความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับพลังงานนิวตรอน (รูปที่ 5) ดังนั้นที่พลังงานประมาณ 1 MeV, ส่วนการกระจัดกระจายมักจะเป็นหลายโรงนา (1 b = 10−24 ดู2; ในปัญหาของเราส่วนข้ามเปิดออกประมาณ 0.5 ข) สำหรับนิวตรอนความร้อน (พลังงานตามลำดับ 0.025 eV) ส่วนการจับนิวตรอนบางครั้งมีจำนวนหลายพัน (!) Barns นั่นคือขนาดของใบสั่งซื้อมีขนาดใหญ่กว่าขนาดทางเรขาคณิตของนิวเคลียส (ดูตารางส่วนการจับนิวตรอนเป็นระยะ ๆ )แม้แต่เทคโนโลยีทางการแพทย์ที่ใช้คุณลักษณะฟิสิกส์นิวเคลียร์เช่นการบำบัดด้วยรังสีนิวตรอนโบรอนเพื่อต่อสู้กับโรคมะเร็งที่ยากลำบาก และในพื้นที่พลังงานระดับกลางจะมีการสังเกตการณ์การเกิดระเบิดที่แคบและแคบของส่วนตัดขวางซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากโครงสร้างที่ซับซ้อนของนิวเคลียส

มะเดื่อ 5 การพึ่งพาการจับนิวตรอนโดยยูเรเนียมพลูโตเนียมและทอเรียมไอโซโทปต่อพลังงานนิวตรอน ภาพจาก intechopen.com

เย็นนิวตรอนโดดเด่นที่นี่ เนื่องจากความเร็วต่ำและความยาวคลื่นยาวพวกเขาไม่รู้สึกนิวเคลียสอะตอมเดี่ยว แต่ทันทีทีมใหญ่ของพวกเขา (ดูข่าว. รังสีคอแร้งเย็นสอบสวนวัตถุโดยไม่มีการรบกวนใด ๆ ) ด้วยเหตุนี้ในความเร็วที่ต่ำพอสมควรโดยทั่วไปแล้วพวกเขาจึงสามารถสะท้อนจากสาร วัสดุที่ดูเหมือนจะผลักดันนิวตรอนดังกล่าวออกจากตัวเอง ซึ่งจะช่วยให้สามารถเก็บนิวตรอนในขวดโลหะและทำการทดลองต่างๆได้ (ดูตัวอย่างเช่นการวัดอายุการใช้งานของนิวตรอนโดยใช้วิธีการต่าง ๆ ยังคงแตกต่างกันไปและนิวตรอนในสนามโน้มถ่วงของโลกช่วยให้คุณสามารถทดสอบรูปแบบพลังงานมืดและมืดได้ เรื่องเช่นเดียวกับงานนิวตรอนในกับดัก)

มะเดื่อ 6 ภาพของช่องระบายความร้อนภายในใบพัดกังหันได้โดยใช้การถ่ายภาพรังสีนิวตรอน ภาพจาก ne.ncsu.edu

ในที่สุดนิวตรอนเปิดโอกาสนับไม่ถ้วนไม่เพียง แต่สำหรับฟิสิกส์พื้นฐาน แต่ยังสำหรับการวิจัยประยุกต์ โดยไม่ต้องพยายามระบุพื้นที่ทั้งหมดที่เฉพาะเจาะจงของการประยุกต์ใช้เราเพียงแค่พูดถึงการวินิจฉัยอุตสาหกรรมของอุปกรณ์ที่คุณไม่สามารถมองเข้าไปในการใช้วิธีการอื่น ๆ (รูปที่ 6) วัสดุศาสตร์วิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์ควบคู่กับเภสัชวิทยาธรณีฟิสิกส์ การประยุกต์ใช้งานเหล่านี้ทั้งหมดหรือในรูปแบบอื่น ๆ ต้องพึ่งพาพลังงานนิวตรอนที่มีการทะลุทะลวงในเรื่อง


Like this post? Please share to your friends:
ใส่ความเห็น

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