นิวเคลียสอะตอม
| English | ไทย |
|---|---|
| nucleus/ˈnjuːklɪəs/ | นิวเคลียส |
| protons/ˈprəʊtɒnz/ | โปรตอน |
| neutrons/ˈnjuːtrɒnz/ | นิวตรอน |
| nuclide/ˈnjuːklaɪd/ | นิวไคลด์ |
| proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ | เลขอะตอม |
| nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ | เลขนิวคลีออน |
| nucleons/ˈnjuːklɪənz/ | นิวคลีออน (nucleons) |
| isotopes/ˈaɪsətəʊps/ | ไอโซโทป |
| atomic mass unit/əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ | หน่วยมวลอะตอม |
การยิงไปยังแผ่นทองคำ
- ทีมของรัทเทอร์ฟอร์ดยิง อนุภาค α ไปยังแผ่นทองคำบาง
- ส่วนมากทะลุผ่านตรงๆ — แต่มีน้อยมากที่สะท้อนกลับมาเกือบตรงทาง
- "เหมือนคุณยิงกระสุนไปที่กระดาษทิชชู่แล้วมันเด้งกลับมาหาคุณ"
ห้องปฏิบัติการหลักฐานอะตอมนิวเคลียร์
เชื่อมโยงการสังเกตเข้ากับโมเดลนิวเคลียสของอะตอม
การกระจายตัวเผยให้เห็นอะไร
- ส่วนมากทะลุผ่าน → อะตอมเป็น พื้นที่ว่างส่วนใหญ่
- มีการเบี่ยงเบนครั้งใหญ่แต่พบบ่อยครั้งน้อย → นิวเคลียสขนาดเล็ก หนาแน่น และมีประจุบวก เก็บประจุและมวลไว้
ส่วนมากอนุภาค α ทะลุผ่านเกือบตรง; บางตัวถูกเบี่ยงเบนอย่างรุนแรงโดยนิวเคลียสขนาดเล็ก
อนุภาค α ส่วนใหญ่ทะลุผ่านแผ่นทองคำโดยไม่เบี่ยงเบน แสดงว่าอะตอมคือ:
ถ้าส่วนใหญ่ทะลุผ่านได้ แสดงว่ามีสิ่งกีดขวางน้อย — อะตอมเป็นพื้นที่ว่างส่วนใหญ่ โดยมีมวลและประจุกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสขนาดเล็กมาก
โมเดลนิวเคลียร์
- นิวเคลียส: โปรตอน (ประจุ $+e$) และ นิวตรอน (ไม่มีประจุ) อิเล็กตรอน ($-e$) ล้อมรอบอยู่
- อะตอมคือ $\sim 10^{-10}\ \text{m}$; นิวเคลียสเพียง $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ — แต่เก็บมวลเกือบทั้งหมด
- อะตอมที่เป็นกลางจะมีจำนวน อิเล็กตรอน เท่ากับโปรตอน
โมเดลเรียบง่ายของอะตอมฮีเลียมและลิเธียม (ไม่ใช่มาตราส่วน)
มวลเกือบทั้งหมดของอะตอมอยู่ในนิวเคลียส
โปรตอนและนิวตรอนมีมวล ~1 u แต่ละตัว; อิเล็กตรอนมี ~1/1836 u ดังนั้นนิวเคลียสจึงกักเก็บมวลเกือบทั้งหมด
สัญลักษณ์
- นิวคลีดเขียนในรูป $^{A}_{Z}\text{X}$: $Z$ = เลขอะตอม (กำหนดชนิดของธาตุ), $A$ = เลขมวล
- จำนวนนิวตรอน $N = A - Z$ โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเรียกว่า นิวคลีโอ้น
โปรตอนและนิวตรอนรวมกันเรียกว่า ____
เลขนิวคลีออน $A$ นับจำนวนโปรตอนบวกนิวตรอนในนิวเคลียส
มีนิวตรอนกี่ตัวใน $^{14}_{6}\text{C}$?
$N = A - Z = 14 - 6 = 8$ นิวตรอน
ไอโซโทป
- ไอโซโทป มี เลขอะตอมเท่ากัน $Z$ แต่มี จำนวนนิวตรอนต่างกัน
- ตัวอย่าง: $^{12}_{6}\text{C}$ และ $^{14}_{6}\text{C}$ — ธาตุเดียวกัน มวลต่างกัน
สัญลักษณ์นิวคลีด: เลขมวลด้านบน เลขอะตอมด้านล่าง
ไอโซโทปของธาตุหนึ่งมี:
มี $Z$ เดียวกัน (ดังนั้นเป็นธาตุเดียวกันและเคมีเหมือนกัน) แต่มี $N$ ต่างกัน ทำให้ได้เลขมวลที่ $A$
สิ่งที่คงที่
- ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ใดๆ เลขมวล $A$ และ ประจุ จะคงที่
- กฎสองข้อนี้ช่วยให้เราจัดสมการการสลายตัวได้: ตัวเลขด้านบนต้องบวกกันได้เท่ากันทั้งสองข้าง และตัวเลขด้านล่างก็เช่นกัน
ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ ปริมาณใดที่คงที่เสมอ?
เลขนิวคลีออนและประจุถูกอนุรักษ์ จำนวนโปรตอนและนิวตรอนอาจเปลี่ยนได้ (เช่น ในการสลายตัว β นิวตรอนจะกลายเป็นโปรตอน)
จับคู่อนุภาคที่ปล่อยออกมากับรูปแบบการเขียนในสมการการสลายตัว
ตัวเลขด้านบนคือเลขนิวคลีออนและด้านล่างคือประจุ; ทั้งสองต้องสมดุลAcrossสมการ
ตัวอย่างคำนวณ: ไตรเทียม
ไตรเทียม, $^{3}_{1}\text{H}$, เป็นไอโซโทปกัมมันตรังสีของไฮโดรเจนที่ปล่อยอนุภาค β$^{-}$
- อนุภาคในอะตอมที่เป็นกลาง: $Z = 1$ โปรตอน; $N = 3 - 1 = 2$ นิวตรอน; $1$ อิเล็กตรอน (เท่ากับจำนวนโปรตอน)
- สมการการสลายตัว: $^{3}_{1}\text{H} \to {}^{3}_{2}\text{He} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}$. ตรวจสอบ: ด้านบน $3 = 3 + 0$; ด้านล่าง $1 = 2 + (-1)$. อนุภาคเพิ่มเติมคือ แอนตินิวทรินो
- ควาร์กในนิวเคลียส: โปรตอนคือ uud และนิวตรอนคือ udd ดังนั้นโปรตอนหนึ่งตัวและนิวตรอนสองตัวจะมี $2 + 1 + 1 = 4$ ควาร์ก-type up และ $1 + 2 + 2 = 5$ ควาร์ก-type down
- ตรวจสอบประจุ: $4\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 5\left(-\tfrac{1}{3}\right) = \tfrac{8}{3} - \tfrac{5}{3} = +1$, ซึ่งเป็นประจุของโปรตอนตัวเดียว
ตัวอย่างคำนวณ: ลำดับการสลายตัว
นิวเคลียสของเรเดียม-228, $^{228}_{88}\text{Ra}$, สลายตัวผ่านหลายขั้นตอน โดยมีการปล่อย ห้า อนุภาค α และ สี่ อนุภาค β$^{-}$ ระบุนิวเคลียสสุดท้าย
- เลขมวล: ทุก α ลบ $4$, ทุก β$^{-}$ ไม่ลบ: $A = 228 - 5 \times 4 = 208$
- เลขอะตอม: ทุก α ลบ $2$, ทุก β$^{-}$ เพิ่ม $1$: $Z = 88 - 10 + 4 = 82$
- คำตอบ: $^{208}_{82}\text{Pb}$ — ทองคำแดง
- ตรวจสอบ: ลำดับของการสลายตัวไม่สำคัญ; สำคัญเพียงผลรวมเท่านั้น ประจุและเลขมวลคงที่ในทุกขั้นตอน จึงคงที่โดยรวมด้วย
นิวเคลียสที่มีเลขโปรตอน $92$ ปล่อยอนุภาค α สามตัวและอนุภาค β⁻ สองตัว เลขโปรตอนของนิวเคลียสสุดท้ายคือเท่าไร?
แต่ละ α ลด $Z$ ลง $2$ และแต่ละ β⁻ เพิ่มมันขึ้น $1$: $92 - 6 + 2 = 88$
อะตอมเป็นกลางมี $Z$ อิเล็กตรอน — ซึ่งคือเลข โปรตอน ไม่เคยเป็น $A$. ไอโซโทปต่างกัน เพียง ในจำนวนนิวตรอนเท่านั้น ทำให้เคมีเหมือนกันทั้งหมด ในสมการการสลายตัวต้องปรับสมดุล ทั้งสอง บรรทัด: β$^{-}$ เขียนในรูป $^{0}_{-1}\beta$ ดังนั้นจึงไม่ทำให้ $A$ เปลี่ยนแปลงและเพิ่ม $Z$ ขึ้นหนึ่งหน่วย และคำว่า "นิวเคลียสมีขนาดเล็ก" หมายถึงประมาณ $10^{-15}\ \text{m}$ — เล็กกว่าอะตอมหนึ่งแสนเท่า ไม่ใช่สิบเท่า
หน่วยมวลอะตอม
- หน่วย $\text{u}$ ถูกกำหนดให้ $^{12}_{6}\text{C}$ มีมวล พอดี กับ $12\ \text{u}$
- $1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$; โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมีมวลประมาณ $1\ \text{u}$, อนุภาค α ประมาณ $4\ \text{u}$ พร้อมประจุ $+2e$
หน่วยมวลอะตอมรวม (unified atomic mass unit) ถูกกำหนดให้คาร์บอน-12 มีมวลเท่ากับ 12 u พอดี
ใช่ — นิยามนี้ทำให้ $1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ คงที่
คุณเข้าใจแล้ว
- การกระจายตัวด้วย α → อะตอมเป็น พื้นที่ว่างส่วนใหญ่ พร้อม นิวเคลียสขนาดเล็กหนาแน่น
- $^{A}_{Z}\text{X}$: $Z$ โปรตอน, $A$ นิวคลีโอ้น, $N = A - Z$ นิวตรอน, $Z$ อิเล็กตรอนเมื่อเป็นกลาง; ไอโซโทปร่วมกัน $Z$
- ปฏิกิริยานิวเคลียร์รักษา เลขมวล และ ประจุ — จัดสมการทั้งสองแถว